基于SolidWorks的变型工艺设计系统的研究　

针对传统CAPP系统对企业已有产品资源重用和具体的工序设计支持较弱的现状,从信息集成、产品资源重用和系统应用具备的功能出发,对PDM平台数据模型进行了分析;以SolidWorks为设计环境,对系统的体系结构、主要功能和工艺设计的思路、流程进行了分析和讨论;最后对系统实现的关键技术进行了论述.
1 引言
随着市场竞争的加剧，单件、小批量的基于订单的产品生产已成为企业主要的生产组织方式。迫于成本、质量、交货期等各方面的压力，使企业不得不采用大批量定制技术。传统的基于零件或图纸的CAPP系统己无法满足企业的需求。虽然基于PDM 的CAPP系统能对大批量定制提供较好的支持井巳成为目前研发的热点，但从PDM的实施最终目标和大批量定制技术采用的出发点来看，在目前的研发系统中对产品设计和工艺资源的重用还没有提供一个较好的支撑环境，而这与成本、质量、交货期密切相关。因目前企业根据订单来组织生产时，80%左右可以采用企业已有的零部件或在此基础上的变型件，对企业原有设计和工艺资源进行重用的程度已成为我国与国外产品竞争中最主要的差距之一。另外，随着三维CAD软件的广泛采用，目前的CAPP系统还没有提供一个与之较好集成的方式，信息化孤岛问题并没有从根本上解决。

作为企业信息化建设和ClM的关键环节，CAPP 系统除具有目前各系统的相关功能外，从产品数据资源重用、工艺变型设计、工程变更和产品数据集成的角度，还应该具备以下几项功能：

(l) CAPP需基于产品的BOM和零件管理系统。对零件进行重用时不仅重用了零件的设计数据，同时也重用了零件的所有数据，因此在工艺设计阶段不需考虑重用件的工艺设计问题。

(2) CAPP系统需更好地支持变型工艺设计。不仅在根据已有零件形成新零件时存在变型工艺设计，另外在进行全新零件的设计时(没有工艺信息)也存在变型工艺设计的问题。

(3) CAPP系统产生的工艺数据不仅应由PDM系统进行统一管理，而且应该与CAD系统生成的产品设计数据进行紧密地集成。

作者在实施自主开发的PDM系统的过程中，针对企业目前三维CAD系统及CAPP系统的应用现状，从资源充用、信息集成的角度对变型工艺设计技术进行了相应的研究。在PDM环境下，以SolidWorks为三维设计平台，开发了支持变型设计的工艺设计系统，井得到了相应的验证。

2 系统的体系结构

本系统主要采用基于C/S架构的三层体系结构，远程查询模块采用B/S结构。数据库服务器采用Microsoft SQL Server 2000，中间层采用基于.net 平台的Visual C#进行开发，客户端各功能模块采用Visual Basic 开发，利用Visual C++ 开发的插件将各功能模块集成于SolidWorks环境下。系统的体系结构见图1。

图1 系统的总体结构

在产品生产过程中，每个产品可形成不同的产品版本，每个版本由若干零部件组成。从不同的角度(即视图)这些零部件之间存在不同的隶属关系(即BOM )。对销售人员所需体现的是产品的功能BOM，对研发人员所需体现的是设计BOM，对工艺和生产人员而言所需体现的是制造BOM，等等。在零部件中可以挂接(或包含)零件的所有数据和文件信息。任一零部件可以出现在不同的视图、不同的版本、甚至不同的产品中，因此可从数据模型的角度保证产品数据资源的重用、避免工艺的重复设计。

3 基于SolidWorks 的工艺设计流程

三维CAD环境下，零部件的几何及工艺信息等作为零部件的属性存在，包括属性名称和属性值。根据零部件变型设计的思想，可以在三维CAD环境下对零部件进行工艺变型设计。通过对企业已有系列产品进行相似性分析，对标准或者典型产品进行建模，建立该系列产品的变型工艺模型。将该产品的工艺模型在工艺资源数据库中按一定的数据结构进行存储。当用户接到产品订单后，首先根据订单和产品族主模型进行产品配置，得到符合订单要求的产品结构。然后将该结构树与已有的产品数据及结构进行比较，辨别出通用件、变型零部件和需要重新进行设计的零部件。对通用零部件，直接引用或者借用，如果通用零部件存在工艺丈件时，这些工艺文件将自动被引用；对变型零部件，词用已有的产品模型进行变型设计(包括产品变型设计和工艺变型设计)；对需重新设计的零部件，在零件管理系统和工艺资源管理系统的支持下利用工艺设计导航工具进行零件的工艺设计。与此同时，在BOM管理系统、零件管理系统和工艺资源管理系统的支持下进行产品的装配工艺设计。工艺设计流程如图2所示。

在三维CAD环境下，采用人机交互的方式进行工艺设计。包括选择定位基准、确定工艺路线和工艺装备、确定装夹方式、通过三维工序图进行工序设计等。将所有这些信息用数据模型表示，并作为零件的一个工艺属性存储。当对变型零件进行工艺路线设计时，通过编辑已有的相似零件的工艺信息，实现变型零件的工艺设计。

在进行零件的工艺设计的同时，可并行进行产品及部件的装配工艺设计，并形成制造BOM。制造BOM可根据设计BOM或产品三维装配模型获得，但在PDM环境下应根据设计BOM形成制造BOM。装配工艺设计的支持系统和工具包括：基于BOM 管理系统的装配流程设计系统、资源管理系统、典型工艺管理系统以及基于SolidWorks的装配仿真系统。

图2 基于SolidWorks 的工艺设计流程

4 系统实现的关键技术

4.1 工艺与设计信息的集成

在SolidWorks的对象模型中提供了外部应用程序对模型文件及其相关的属性和变量进行访问和操作的外部接口，通过该接口可实现对模型的特征及其属性、变量进行定义和编辖的操作。这样可将模型的工艺信息以属性或变量的形式附加于设计模型上。例如：

(1)通过模型文档类的AddPropertyExtension、GetPropertyExtension函数实现对零件特征、曲面属性的设置和访问， 如硬度、租糙度等；

(2) 通过选择集类的GetSelectedObjectType 实现对特征类型的访问；

(3) 通过特征类的Name 、GetFace_count对特征的名称及构成的信息进行访问；

(4) 通过尺寸类的GetToleranceType 、GetToleranceValues 和SetToleranceType 、GetToleranceValues 函数可实现对尺寸公差类型及偏差的访问和设置。等等。基于此，可将零件的工艺路线、工序、工时和材料定额等工艺信息以属性的形式存储与模型文件中，从而从逻辑和存储两
个角度均可实现设计和工艺信息的集成。这些属性的编辑可通过专门开发的属性编辑器进行。

4.2 工艺配置管理

在SolidWorks环境下，同一个模型可有不同的配置，对一个零件，确定其可变参数和不变参数。对结构相同，尺寸不同的零件可通过变更尺寸参数来获得新的配置；对结构有差异的零件，可以通过SolidWorks提供的压缩或者还原特征来生成新的配置。

一个零件可以有多个版本的工艺路线，每条工艺路线下面包括多个工序。利用SolidWorks提供的配置管理的功能，将工艺路线版本作为零件的配置进行管理。工艺路线包括的工序作为工艺路线版本的派生配置，形成工艺路线配置结构树。不同的配置用版本加工序名称来区分。

上述所有配置都存在于系列零件设计表中。设计表中包括每道工序的所有信息。利用系统提供的交互式界面，可以修改设计表中的参数。通过修改系列零件设计表中的尺寸参数可以改变模型的尺寸，系列零件设计表中的状态列控制特征的状态，通过设置压缩或者解除压缩来达到变型设计的目的。

各配置模型与零件的模型在同一文件中进行存储，其中每一具体配置的模型对应零件的一个具体工序。这样每一配置模型中就包括了工序的工序图写相关工序信息，其中工序信息一般以配置级属性或变量的形式附加于工序图中，从而保证了信息的集成。不同配置间可通过文件级属性或变量建立关联，从而保证工艺信息的一致性。

4.3 变型工艺模型及工序固的设计

将描述工序的相关信息定义为工序图模型的属性。即工序图模型不仅包括工序简图，还包括这一工序所涉及的工艺信息。一旦工序图模型确定，其它信息随之确定，从而实现图形信息与工艺数据的集成。通过变更工序模型属性进行配置，可自动获得不同工序的零部件工序简图。由于零件的工序模型与零件模型共享一个产品模型，因此工序简图间尺寸与零件模型尺寸具有全相关性。建立工序图模型后，将与工序有关的所有信息看作工序图模型的属性，并将这些信息作为系列零件表的设计参数。

为支持变型工艺设计，可将工序信息作为工序图的一项属性存储在系列零件设计表中。工序信息包括此道工序所涉及的所有信息，如定位基准的选择、工序内容、机床的选择、加工车阅、加工设备、工装、工时、机床参数等。所有这些信息按照一定的数据格式进行组织。当对零件进行变型工艺设计时，通过系统提供的界面，将系列零件设计表中的工序信息显示出来，并且根据工序信息的存储格式进行翻译，将所涉及的信息显示在界面上，采用人机交互的方式进行工艺变型设计，如图6.2所示。图右面显示的是本道工序的信息，用户通过对上述信息进行修改后，仍然按照预先定义的格式存储到系列零件设计表中。同时系统还将这些信息存储到数据库中。这样可以实现在不同环境下对工艺路线的修改可同步更新。

5 小结

大批量定制已成为企业获得核心竞争优势的核心所在。但目前所研发的PDM系统对产品设计和工艺资源的重用还没有提供一个较好的支撑环境和平台，同时信息化孤岛问题并没有从根本上解决。在这方面做了一些相应的工作，建立了支持变型工艺设计的三维设计平台，并对产品数据进行了有机的集成，在PDM系统的基础上进一步保证了产品数据的一致性。所开发的系统得到了相应的验证。