1 引言

　　如何準(zhǔn)確而有效地建立零件信息模型是CAD/CAPP/CAM集成的核心內(nèi)容，目前零件信息模型是基于特征造型技術(shù)。最通常的做法是：先按照特征分類建立特征庫，然后根據(jù)造型的實(shí)際需要進(jìn)行基本特征調(diào)用，利用特征之間的布爾運(yùn)算建立零件模型。這種方法有幾點(diǎn)不足之處。

　　(1)為了方便地構(gòu)造各種復(fù)雜零件模型，特征庫盡可能包含所有的基本特征，這一點(diǎn)目前做起來是比較困難的。

　　(2)當(dāng)前特征識別技術(shù)還不夠成熟，如何對特征庫進(jìn)行有效的管理和控制存在一定的難度。

　　(3)在實(shí)際進(jìn)行零件造型過程中，設(shè)計者很難在短時間內(nèi)快速而準(zhǔn)確地選擇所想要的特征，大大影響建模速度。

　　(4)現(xiàn)有的特征分類方法與機(jī)械加工方法并不是一一對應(yīng)，一種加工方法可能對應(yīng)幾個基本特征，根據(jù)特征和加工方法一一對應(yīng)的原理，應(yīng)將其作為復(fù)合特征存儲在特征庫中，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，對于這類矛盾還有待解決。

　　針對上述不足之處，本文首先明確零件信息模型內(nèi)涵，并在分析連桿加工工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行特征規(guī)劃和設(shè)計，然后利用特征減造型的方法(Destructive Modeling with Feature)，直接構(gòu)造零件模型，進(jìn)而建立零件信息模型，而不是遵循常規(guī)的特征分類與造型的方法，較成功地實(shí)現(xiàn)特征設(shè)計與機(jī)械加工過程的統(tǒng)一，即每一個特征與連桿每一種加工方法保持一致。

　　2 基于特征的零件信息模型

　　特征是用于完整表達(dá)零件信息的集合單元，是一定形狀、語義和抽象的結(jié)合[1]。一個完整的零件模型不僅是零件數(shù)據(jù)的集合，還應(yīng)反映出各類數(shù)據(jù)的表達(dá)方式及相互間的關(guān)系。只有建立在一定表達(dá)方式基礎(chǔ)上的零件模型，才能有效地被各種應(yīng)用系統(tǒng)接受，完整的零件信息模型應(yīng)包括：管理特征、形狀特征、精度特征、材料特征和技術(shù)特征如圖1所示。

　　(1) 形狀特征。描述具有一定工程意義的功能幾何形狀信息，分為主特征和輔特征。主特征用于構(gòu)造零件的主體形狀結(jié)構(gòu)。輔特征用于對主特征的修飾，它附加于主特征之上，也可附加于另一輔特征之上。形狀特征是產(chǎn)品設(shè)計、制造人員考慮問題的焦點(diǎn)，也是其他信息的載體。

　　(2) 精度特征。用于描述零件的尺寸公差、形位公差和粗糙度公差等信息，尺寸與公差特征是聯(lián)系設(shè)計與制造的重要屬性，在特征設(shè)計中，對尺寸與公差特征進(jìn)行分析，并直接對零件信息模型建立尺寸與公差特征，可以清楚地表示形狀特征的非幾何屬性以及形狀特征之間的相互關(guān)系。

　　(3) 材料特征。用于描述零件材料的種類代號、性能、熱處理方法，表面處理方式等信息。

　　(4) 技術(shù)特征。用于描述零件的性能、功能等信息。

　　(5) 管理特征。用于描述零件的管理特征，如零件名稱、設(shè)計者、設(shè)計日期、數(shù)量、圖號、版本等信息。零件的幾何/拓?fù)湫畔⑹腔A(chǔ)。特征層是核心，特征層中各種特征子模型之間的相互聯(lián)系反映了特征間的語義關(guān)系，使特征成為構(gòu)造零件的基本單元具有高層次的工程含義，從而支持CAPP、NC編程，加工仿真對零件數(shù)據(jù)的需求。

　　3 三維零件信息模型的建立

　　建立零件信息模型的關(guān)鍵是做好特征規(guī)劃，如圖1所示。采用直接建模技術(shù)可以分層次對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在不同層次建立相應(yīng)的參數(shù)化特征模塊，每一個特征由一組唯一決定該特征的參數(shù)來描述。現(xiàn)以柴油機(jī)中的連桿為例，利用Pro/ENGINEER軟件，對三維零件信息模型的建模方法和設(shè)計步驟加以說明。

　　3.1 連桿功能和結(jié)構(gòu)分析

　　連桿是發(fā)動機(jī)中的重要零件，如圖2所示。它將作用于活塞頂面的膨脹氣體的壓力傳給曲軸，推動曲軸旋轉(zhuǎn)，同時受曲軸的驅(qū)動而帶動活塞壓縮汽缸內(nèi)的氣體。連桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其通常在大頭處分開為連桿體和連桿蓋兩部分，連桿桿身是工字型截面，而且從大頭到小頭逐步變小。如果不作任何特征規(guī)劃，直接運(yùn)用特征造型技術(shù)構(gòu)建連桿三維模型，造型很容易失敗，難以獲得較理想的結(jié)果，因為連桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不是簡單的特征加減就可以完成的。

圖1 基于特征的零件信息模型的總體模型

圖2 連桿的特征結(jié)構(gòu)

　　3.2 連桿的機(jī)械加工工藝過程分析

　　連桿特征設(shè)計與機(jī)械加工密切相關(guān)，每一種加工方法與一個特征相對應(yīng)，這是特征規(guī)劃的基本原則。連桿毛坯是鍛造件，連桿體和連桿蓋整體鍛造。連桿的主要加工工藝過程如下：銑連桿大小兩端面→鉆小頭孔，擴(kuò)至尺寸值，拉小頭孔，并保證尺寸和表面粗糙值→銑大頭定位凸臺→從連桿上切下連桿蓋→锪連桿蓋上的螺帽凸臺，鉆螺栓孔，加工螺紋→把連桿和連桿蓋用螺栓固定在一起，鏜大頭孔。

　　3.3 特征規(guī)劃和設(shè)計

　　通過以上對連桿功能、結(jié)構(gòu)及加工工藝特點(diǎn)的分析，將連桿模型分成圖2所示的特征層次，連桿的模型由這些各自獨(dú)立的特征組合而成。

　　3.4 基于Pro/ENGINEER平臺下連桿的特征造型

　　3.4.1 實(shí)體模型

　　本文連桿的實(shí)體模型采用特征減造型方法。所謂特征減造型方法就是先建立零件的毛坯模型，然后用逐步除去特征的方式來建立零件模型。下面介紹連桿具體造型過程 。

　　1. 連桿的毛坯造型過程

　　(1)確定分模面和拔模斜度，選擇合理的分模面是毛坯鍛造生產(chǎn)的第一步，所以造型過程也應(yīng)最先確定分模面和拔模斜度。

　　(2) 采用“拉伸”方法，生成連桿的下料模型。

　　(3) 使用“拔摸”方式，生成7°的拔模斜度。

　　(4) 采用“曲面減切材料”的方法，及使用“倒圓角”的功能，產(chǎn)生連桿體中間的連接部分。

　　(5) 采用“減切材料”的方式，得到連桿大頭形狀。

　　(6) 采用“減切材料”的方式，在大頭孔的位置形成沖孔連皮。

　　連桿的毛坯如圖3所示。

　　2.按照連桿的機(jī)械加工工藝過程，進(jìn)行的連桿造型

　　(1) 用“減切材料”方式生成銑大、小兩端面，保證尺寸要求。連桿的大、小頭端面的加工通常是連桿加工過程的最初程序，因為這是整個加工過程中的主要定位基面，它的加工質(zhì)量對整個連桿的加工質(zhì)量都有重要的影響。因此，在造型過程中，要特別注意大、小頭兩端面的構(gòu)建。

　　(2) 選取同軸“孔”方式生成小頭孔，并保證尺寸和表面粗糙值。

　　(3) 以“旋轉(zhuǎn)減切材料”的方式生成大頭定位凸臺。

　　(4) 以“CUT”方式切開連桿大頭，將連桿分成連桿蓋和連桿體，把連桿分為兩部分是為了能夠滿足后續(xù)加工和裝配的需要。

　　(5) 以“拉伸減切材料”的方式锪連桿蓋上的螺帽凸臺，“孔”方式鉆螺栓孔，采用“螺旋掃描減切材料”的方式生成螺紋。

　　(6) 把連桿和連桿蓋用螺栓裝配在一起，鏜大頭孔。大頭孔與軸瓦及曲軸、小頭孔與活塞銷能緊密配合，減少沖擊的不良影響和便于傳熱，必須要保證大頭孔與小頭孔的形狀、公差，所以在造型中要建好大頭孔與小頭孔的模型。

　　至此，連桿的三維幾何模型已建立。

　　3.4.2其他特征構(gòu)建

　　連桿的精度特征建立，利用Pro/ENGINEER直接在幾何模型上進(jìn)行操作。Pro/ENGINEER中材料特征以文本形式附加在模型中，采用“設(shè)置”→“材料”可以直接在文本文件中對材料參數(shù)進(jìn)行定義、修改、刪除等操作。根據(jù)連桿的性能要求，選擇連桿的材料為45#鋼。技術(shù)特征和管理特征可以通過外部程序?qū)ζ溥M(jìn)行添加。通過以上步驟，已經(jīng)完整地建立了一個零件的三維信息模型，可自動生成零件圖。圖4為通過建模生成的連桿三維模型。

　　4 數(shù)控程序和加工仿真

　　Pro/ENGINEER在設(shè)計NC加工制造程序上提供了功能強(qiáng)大的Pro/NC模塊。利用它可以建立一個三維加工仿真環(huán)境，自動編制的數(shù)控加工程序，對刀具的走刀路線進(jìn)行仿真，觀察工件的切削情況，驗證是否發(fā)生過切及干涉和預(yù)測誤差，避免加工失敗。 Pro/NC運(yùn)用圖像法編程技術(shù)進(jìn)行自動編程，由軟件引導(dǎo)編程，因此編程思路清晰。避免了人工編程過程中各種不確定因素的干擾，最大程度地避免了人為誤差。圖像法自動編程技術(shù)就是把零件的每個加工過程都可以看成對組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工。利用CAPP將CAD和CAM的信息連接起來，即CAPP能夠直接從CAD接受零件信息，生成有關(guān)工藝規(guī)程文件，并依此為依據(jù)，生成NC代碼。利用該技術(shù)，使數(shù)控編程人員不再對那些低層次的幾何信息(如：點(diǎn)、線、面、實(shí)體)進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉Ψ瞎こ碳夹g(shù)人員習(xí)慣的特征進(jìn)行數(shù)控編程，大大提高了編程效率。在數(shù)控程序驗證后，將設(shè)計加工制造程序所產(chǎn)生的CL DATA，經(jīng)Pro/NCPOST進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，可直接得到適用于實(shí)際加工所需的NC CODE。

　　依照Pro/NC設(shè)計加工程序的流程，連桿平面的加工過程仿真如圖5所示。

圖3 連桿毛坯模型

圖4 連桿的三維信息模型

圖5 連桿加工過程仿真

　　5 結(jié)束語

　　本文對連桿零件的特征進(jìn)行較合理的規(guī)劃和設(shè)計，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)造了其信息模型，利用Pro/NC模塊完成連桿的加工仿真與自動編程，驗證了基于特征減造型方法的正確性，基本實(shí)現(xiàn)連桿CAD/CAM的集成，提高設(shè)計效率。

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