CAD CAM

机电工程学院

机械CAD/CAM

（小论文）

学 号：

学生姓名：

专 业：机械工程专业

任课教师：

2012年12月

基于STEP标准面向 CAD/CAPP/CAM集成系统的研究

哈尔滨工程大学机电工程学院

摘 要：CAD/CAPP/CAM集成的关键是建立统一的产品信息模型。STEP标准提供了产品生命周期的数据

表示与交换机制。本文论述了基于STEP(产品数据交换标准)的CAD/CAPP/CAM集成原理、集成方案和集成接口的设计,提出了集成系统未来的发展趋势。在此基础上,以面向墙板类零件THJWDPM的集成系统为开发实例,阐述了集成系统面向对象的设计技术以及与商品化CAD/CAM软件包集成的实现方法和过程。

关键词：CAD/CAPP/CAM；STEP；集成系统；Pro/Engineer；数据交换标准

0 引言

21世纪的先进制造技术正向制造柔性化、集成化和智能化方向发展。CAD、CAPP与CAM的全信息集成是实施CIMS的关键之一，是从根本上缩短新产品研制周期、迅速响应市场的技术手段。它不但工作量大,技术含量高,并且针对不同的应用对象其功能相差很大[1]。

CAD和CAM均经历了自身发展的主要阶段并已步入商品化的行列。而起步较晚的CAPP因其自身的多元复杂性，一直未能紧跟上CAD和CAM的发展步伐，至今未出现令人满意的商品化软件。同时，CAPP作为CAD和CAM之间的“信息桥梁”，担负着3C集成的重任。但是，由于CAPP前置处理和后置处理的信息繁冗，且随不同制造企业需求的变化而变化，因而这种非稳定性给系统集成带来了瓶颈问题；另外，一些具有强大设计/制造功能的商品化软件（如AutoCAD,以及Mastercam, Pro/Engineer）的问世，使系统集成倾向于与商品化软件结合，极大地缩短系统开发时间,提高集成质量。但这种集成的难度较大，这种难度主要体现在商品化软件与CAPP的信息接口上。而STEP的出现和基于STEP的全信息建模为系统集成提供了一条有效途径[1-2]。

同时由于STEP标准是经过国际合作的许多专家经严密的规程制定的，对产品表达与交换的完整性、一致性考虑的相当周全，直接采用STEP标准可以缩短开发周期，并能保证一次设计的成功率[3]。目前，商品化CAD软件产生的信息模型不能满足CAD/CAM的集成要求，普遍存在集成度不高、数据不全（现有的CAD系统只注重零件几何外形的设计和表示，而缺乏类似尺寸、公差、装配、材料以及功能说明这样的加工和其它生产环境必需的信息）等问题[4]。

面向对象OO的设计技术是构造复杂系统软件的优秀技术。OO技术运用于CAD/CAPP/CAM集成系统的开发已有一些报导，但在面向对象的实现方法上存在着较大的差异。如何建立通用的工艺模型和较好地定义集成操作方法，是提高集成度和编程柔性的关键[5]。

随着我国逐渐成为制造业第一大国，OO技术运用于CAD/CAPP/CAM集成系统的开发已经取得重大突破，而STEP的出现和基于STEP的全信息建模为系统集成提供了一条有效途径，并成为CAD/CAPP/CAM集成系统的一大助力。本文基于STEP标准面向CAD/CAPP/CAM集成系统，既具有重大的科研意义又具有极大的经济价值[6]。

1 系统全信息集成的关键技术

CAD/CAPP/CAM集成的关键在于实现各子系统间的数据交换与共享,建立正确和统一的零件全信息模型。覆盖产品整个生命周期的全信息集成是CAD、CAPP、CAM子系统实现全信息模型交换和共享的基础。THJWDPM集成系统的总体设计思想首先体现在充分考虑两种不同类型的信息流上，一方面CAPP、CAM、CAM-POST之间需要进行数据交换的内部信息流；另一方面CAPP、CAM、CAM-POST与其它子系统之间进行数据交换的外部信息流[7]。 1.1 THJWDPM集成系统

图1.1为THJWDPM[8]集成系统的功能分布和信息流程简图（CAM-POST：制造后处理子系统；SIM：加工过程仿真子系统；MAS：制造自动化子系统）。

THJWDPM集成系统的主要功能特点[9]：

（1）集成系统面向对象设计和编程。采用面向对象的技术建模大大简化了系统结构，方便了系统编程。THJWDPM体现的型面特征为对象的工艺建模方式，细化了工艺模型，克服了某些CAPP系统以整体工艺过程建模带来的数据结构复杂、实现路径曲折的不足，提高了系统的开放性和通用性。系统可读性强，可移植性好，易于对零件特征进行扩充和修改，便于系统的二次开发；

（2）CAPP/CAM集成实现工艺结果信息的自动传输，避免工艺人员大量的手工输入与操作工作，系统运行速度很快，自动化程度较高；

（3）系统交互界面友好，工艺加工方法链可选择，工艺文档可编辑，工艺知识可扩充，实用化程度较高。

图1.1 THJWDPM集成系统的功能分布和信息流程

1.2 计算机辅助工艺过程设计CAPP

CAPP是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节[7]。其作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工为工程图纸上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程[10]。

在CAD/CAPP/CAM集成系统中，CAPP是集成的桥梁,同时又是集成系统研究的核心。由于工艺设计与企业的产品类型、设备条件、加工习惯等诸多因素密切相关,因此CAPP存在较大的差异性和灵活性,这是目前通用的CAPP商品化软件较为罕见的主要原因。因此,虽然具有CAD/CAM集成环境,但CAM不能自动解决

带有强领域性的工艺问题的全部需要工艺设计人员针对企业实际在集成环境的基础上开发集成化CAPP模块。 1.3 CAD/CAM的集成技术

CAM与CAD的集成遵照STEP标准可以比较方便地实现零件图形信息的自动提取。实现集成需要解决以下三个问题[7]（在第二部分会提及）：

（1）产品定义数据模型的建立，这是进行CAD/CAM系统信息合成的基础与核心，也是解决CAD、CAPP、CAM之间数据交换的核心问题；

（2）产品数据交换技术，这是能否集成的重要基础； （3）CAD/CAM集成产品数据管理技术。

2 CAD/CAPP/CAM集成的理论研究

在这一小结将会介绍集成化CAPP、集成接口技术、CAD/CAPP集成、CAD/CAM集成的成熟的技术及其改进。 2.1 集成化CAPP

型面[11]是几何和工艺信息的载体。根据型面特征建立的工艺模型为CAD/CAPP的特征映射奠定了物质基础。工艺建模之所以繁琐复杂，是因型面特征种类多、数据结构复杂、工艺决策灵活多变。面向对象的建模方法之所以能解决这一问题，是因为构成对象数据和方法相对独立，可以克服系统建模混乱的弊端。如果将各个型面特征均作为对象来处理，整个工艺设计的思路就一目了然了。所有的工作都建立在一条由众多型面特征对象构成的双向对象链表上。装卡定位、刀具选择、切参确定、工艺推理的实质就是对型面特征对象链的操作。

就两个集成接口而言，每个型面特征对象都与STEP中性文件存在相应的特征映射规则，每个型面特征对象都封装了从CAD获取几何工艺信息的数据结构和CAM所需的加工参数数据结构。CAPP加工工序的确定即是型面特征对象链的有序重排过程。CAPP系统的维护因型面特征对象链的建立而变得相当简单，增删一个型面特征即增删一个链表对象的结点。修改一个型面特征即修改链表对象结点的数据结构或(和)操作方法。

集成化CAPP的结构功能图如图2.1所示，它比较形象直观地反映了面向对象的系统设计原理和过程。

THJWDPM集成系统[12]针对工艺设计的实际情况构造了工艺设计专家系统。该系统充分考虑了工艺设计过程中两种不同类型的逻辑决策：选择逻辑决策和创

[13]

成逻辑决策。系统的工作原理可概括为：

(1)分析零件的特征信息和特征关联信息，获取专家推理的各项前提条件； (2)选择逻辑决策推理机根据推理条件，采用知识驱动,实现目标求解，即获取零件特征的加工方法链、每步加工所需的刀具和切削参数；

(3)创成逻辑决策推理机根据选择逻辑决策推理机已推导出的特征工艺信息进行规则驱动推理，完成零件工艺排序、工步排序及工艺路线的全面生成。

CAPP应本着实用的原则向通用化方向发展。实现通用化的前提是建立具有共性的工艺模型和具有通用规则的工艺知识库。工艺模型和工艺知识库均应具有相当的开放性才能满足不同企业的不同要求。这对于有限变动的工艺设计范围是可行的，但还不能从根本上解决工艺设计的多方位灵活性问题。因此，CAPP开发工具的构造提上了议事日程。目前，CAPP开发工具的研究已成为CAPP领域的热点。但如何实现可重构信息描述模型和工艺模型仍是一个瓶颈问题,有待进一

步的探讨和研究[14]。

图2.1 集成CAPP的功能

2.2 集成接口设计

CAD/CAM集成软件包[15]的诞生克服了单个CAD或CAM软件的不足，以统一的整个生命周期的产品信息建模标志着系统集成开发环境发展的一个新的里程碑。

Pro/Engineer集整个设计和制造过程于一身。参数化和特征驱动建模、产品设计与制造共享一个关联数据库是它的核心技术。其中Pro/Engineer为用户提供了结合其它应用软件开发工具。THJWDPM集成系统之所以选择Pro/Engineer作为集成工具，正是看好了它的集成特点和丰富功能。

而遵循CAD子系统制定的基于STEP的JW-AP专用协议进行THJWDPM集成接口的开发包括以下两方面的工作:CAD/CAPP集成接口设计、CAD/CAM与CAPP/CAM集成接口设计。

基于STEP标准的CAD/CAPP集成的关键是设计STEP中性文件后置处理器。THJWDPM系统CAD/CAPP集成接口的设计工作主要包括三个部分(见图2.1)：特征数据的预处理、特征数据的识别和提取、特征数据的格式转换与输出。

设计STEP中性文件后置处理器，首先要明确零件特征由STEP中性文件向CAPP系统型面特征的映射关系。STEP中性文件对特征实体的描述是层层嵌套的。特征实体描述与零件的型面特征描述存在着一定的映射关系直接映射和间接映射。间接映射则必须通过多个实体搜索和计算转换才能实现，如平面法向量，必须通过查找平面局部坐标系或对平面边环进行叉积运算得到。由于相同的特征具有相同、固定的映射关系,集成接口根据制定的JW-AP专用协议采用建立特征映射命令集字典的方法。字典包括输入/输出项、查找路径及间接映射计算等功能，严格遵循字典操作，可以准确实现零件特征的提取。字典维护也异常方便：增加

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