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基于STEP的CAPP系统开发
兰州理工大学 王林军
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[摘要]　STEP是国际标准化组织制定的产品数据表达与交换标准。论述了STEPAP224特征信息模型的建立过程，根据该特征信息模型建立了多元化组合式CAPP系统来自动完成零件的工艺制订。通过人机交互的方式，基本满足了CAD/CAPP/CAM的信息集成，为进一步开发智能型CAPP系统创造了有利的条件。
[关键词]　STEP；特征模型；CAPP
在21世纪，CAD/CAPP/CAM集成技术朝着集成化、智能化发展。在集成技术中，CAPP是连接CAD与CAM的桥梁。CAD系统的产品信息必须经过CAPP系统才能转变成CAM系统的加工信息。然而，由于CAPP系统其自身的多元复杂性，CAPP系统的发展成为制约整个系统发展的瓶颈问题[1]。
STEP标准是由国际标准化组织制定的，其标准是为了满足计算机集成制造系统对产品数据和共享的要求，其中的AP224应用协议是面向CAPP的形状特征模型，为特征建模的标准化提供了依据，通过读取AP203或AP214特征模型，提取零件的特征信息与AP224特征信息模型匹配，获取工艺特征就可实现CAD/CAPP信息集成与共享。文中提出了一种基于AP224特征信息模型的CAPP系统原模型，以实现CAD/CAPP系统的集成。
1　AP224特征信息模型的建立
AP224定义了3个功能单元用于描述特征模型。其功能单元Ｕｏｆ可分为特征定义条目单元，提供了构成制造特征的一般单元的参数、表达及相关约束。特征轮廓单元定义了特征的掠扫轮廓线，一般是二维曲线。制造特征单元提供多种常见制造特征的参数化定义。制造特征可以与一定的工艺信息建立关联，该单元还提供了对复合特征的支持[2]。建模者可以根据工艺需要将一系列相似特征复合为一个新特征。该模型是以实例化特征的形式来描述形状特征。该方法把特征看作零件的一部分，描述特征的所有几何数据都在零件的坐标系中定义。特征表达一般以显式或隐式两种方式同时进行。即一个中性文件中不仅有特征的具体形状表达(Ｆ=∑ｆI)，也有特征的参数模型[3]。
由于特征模型面向制造领域，必须能对工艺规划提供支持，为实现这个目标以工艺特征树的形式建立特征模型。该特征模型树把特征树、参数、关联、约束建立了联系，同时把工艺包含进特征树中。在特征树中，每个工艺特征都不是孤立的，一个零件上的所有工艺特征都按加工工艺结合在一起。在特征树中包含了管理信息和主特征，其中主特征又包括内部主特征和附加特征，内部主特征包括块、圆柱等，附加特征包括孔、倒角、圆角等，内部主特征和附加特征包含了AP224所定义的全部制造形状特征。管理信息包括零件名称，作者等。约束包含了几何约束和工程约束。几何约束包括了垂直、平行等；工程约束包括表面条件、底面条件、粗糙度等工艺信息，以工程约束的形式与特征树的每一个结点相结合。关联包含了特征关联和几何表示关联等，与底层形状模型的联系通过几何关联实现。参数包括角度测量参数，长度测量参数等。根据特征模型，通过树状结构用户可以在已定义特征的基础上建立组合特征，新建的组合特征对应一棵子树的根结点，已定义特征对应子树的叶结点与中间结合。其特征树的拓扑结构可用于创成式CAPP的推理过程，以便实现CAPP系统的半自动化的工艺决策，工艺路线的制定。特征模型树状结构如图1所示。

（图片）

图1　特征模型树结构树

该模型的建立用于定义CAPP系统中制造资源模型的建立，可把模型存入制造资源数据库、工艺数据库和知识库中。把CAD特征模型中的特征提取出来，与该模型特征相匹配，以确定工艺路线的制订。
2　CAPP系统的框架结构
CAPP系统应是多种决策方式、多种程序结构、多层次的各种具体专家系统的综合性的集合体，而不是单一专家系统工作方式[4]。在系统中采用一种多元化组合式的CAPP系统。如图2所示。

（图片）

图2　CAPP系统框架

在该系统运作时，运用知识库和数据库相结合，使用推理机来进行工艺决策，读入STEP中性文件，提取零件的特征信息。使用推理机1，当特征信息与制造资源数据库中的特征在主特征、附加特征相似时，即从工艺数据库中读取典型工艺文件，经用户修改后存入典型工艺文件中。如推理机1搜索结果无，即转入推理机2搜索零件的主特征。如果有主特征相似，即调用数据库中的典型文件输出，经用户修改后存入成组工艺文件中。若推理机2搜索结果无，即进入推理机3，系统根据零件的特征信息和工艺设计规则，通过计算机辅助与人机交互相结合的方式进行工艺设计，集成专用工艺文件并存入共享数据库。
3　CAPP系统的功能模块组成
3.1　工艺设计的任务
工艺设计是在给定的资源约束下为实现期望的目标，选择和确定详细的工艺过程，使零件的毛坯经过确定的形状、性质和表面质量的改变能够成为所需的商品。主要内容包括:选择机床、选择刀具、确定定位装夹方案、确定工步序列、确定切削参数、生成工艺文件。
3.2　CAPP系统的功能模块
CAPP系统主要由系统信息集成接口、产品工艺设计、工艺文件生成管理及数据库/知识库管理等功能模块组成，如图3所示。
(1)　系统信息集成接口模块。系统信息集成接口模块包括STEP后置处理器，该模块用于STEP中性文件的读入与输出。
(2)　产品工艺设计模块。该模块是CAPP系统的核心，以零件特征信息为基础，在制造资源模型(分别存入制造资源数据库、工艺数据库和知识库中)的帮助下，以工艺搜索及人机互辅的方式，以一定的工艺决策进行有关工艺路线的制订、设备选择以及切削参数的选择等，并将所有信息存入共享数据库中。
(3)　工艺文件生成管理器模块。在该模块中，以人机交互的方式将产品工艺模块中产生的工艺，按照企业特定的工艺格式生成工艺文件。
(4)　数据库/知识库模块。该模块是为进行工艺决策提供支撑，并对所有产品信息工艺决策，以及工艺知识进行存储和管理，使这些信息易于维护。在该管理模块中，包含工艺数据库和决策知识，以及制造资源特征信息，为用户制订工艺规程提供了平台。

（图片）

图3　CAPP系统的功能模块

4　CAPP系统的工作流程
CAPP系统的工作流程如图4所示。

（图片）

图4　CAPP系统的工作流程

5　结　语
用了多元化组合式CAPP系统，通过人机交互的方式，基本满足CAD/CAPP/CAM的信息集成。然而由于STEP标准正在发展之中，CAPP本身问题的多元化不能完全实现人工智能化的集成方案，笔者以后的工作进一步完善该系统。
[参考文献]
[1]　熊光楞.并行工程的理论与实践[M].北京:清华大学出版社，2001.
[2]　ISO-10303-224, Mechanical Product definition fro Process Planning using From Features[S].USA: Nation Institue of Standards and Technology, 1998.
[3]　扬子江. STEP特征模型及其在集成环境中的应用研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2001(5).
[4]　张志银.协同工作环境中CAD/CAM集成技术研究[D].2001. 1/20/2005

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