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1 引言
隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，單件、小批量的基于訂單的產(chǎn)品生產(chǎn)已成為企業(yè)主要的生產(chǎn)組織方式。迫于成本、質(zhì)量、交貨期等各方面的壓力，使企業(yè)不得不采用大批量定制技術(shù)。傳統(tǒng)的基于零件或圖紙的CAPP系統(tǒng)己無(wú)法滿足企業(yè)的需求。雖然基于PDM 的CAPP系統(tǒng)能對(duì)大批量定制提供較好的支持井巳成為目前研發(fā)的熱點(diǎn)，但從PDM的實(shí)施最終目標(biāo)和大批量定制技術(shù)采用的出發(fā)點(diǎn)來(lái)看，在目前的研發(fā)系統(tǒng)中對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝資源的重用還沒(méi)有提供一個(gè)較好的支撐環(huán)境，而這與成本、質(zhì)量、交貨期密切相關(guān)。因目前企業(yè)根據(jù)訂單來(lái)組織生產(chǎn)時(shí)，80%左右可以采用企業(yè)已有的零部件或在此基礎(chǔ)上的變型件，對(duì)企業(yè)原有設(shè)計(jì)和工藝資源進(jìn)行重用的程度已成為我國(guó)與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中最主要的差距之一。另外，隨著三維CAD軟件的廣泛采用，目前的CAPP系統(tǒng)還沒(méi)有提供一個(gè)與之較好集成的方式，信息化孤島問(wèn)題并沒(méi)有從根本上解決。
作為企業(yè)信息化建設(shè)和ClM的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，CAPP 系統(tǒng)除具有目前各系統(tǒng)的相關(guān)功能外，從產(chǎn)品數(shù)據(jù)資源重用、工藝變型設(shè)計(jì)、工程變更和產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成的角度，還應(yīng)該具備以下幾項(xiàng)功能：
(l) CAPP需基于產(chǎn)品的BOM和零件管理系統(tǒng)。對(duì)零件進(jìn)行重用時(shí)不僅重用了零件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)也重用了零件的所有數(shù)據(jù)，因此在工藝設(shè)計(jì)階段不需考慮重用件的工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題。
(2) CAPP系統(tǒng)需更好地支持變型工藝設(shè)計(jì)。不僅在根據(jù)已有零件形成新零件時(shí)存在變型工藝設(shè)計(jì)，另外在進(jìn)行全新零件的設(shè)計(jì)時(shí)(沒(méi)有工藝信息)也存在變型工藝設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
(3) CAPP系統(tǒng)產(chǎn)生的工藝數(shù)據(jù)不僅應(yīng)由PDM系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，而且應(yīng)該與CAD系統(tǒng)生成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緊密地集成。
作者在實(shí)施自主開(kāi)發(fā)的PDM系統(tǒng)的過(guò)程中，針對(duì)企業(yè)目前三維CAD系統(tǒng)及CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，從資源充用、信息集成的角度對(duì)變型工藝設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究。在PDM環(huán)境下，以SolidWorks為三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了支持變型設(shè)計(jì)的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，井得到了相應(yīng)的驗(yàn)證。
2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要采用基于C/S架構(gòu)的三層體系結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程查詢模塊采用B/S結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用Microsoft SQL Server 2000，中間層采用基于.net 平臺(tái)的Visual C#進(jìn)行開(kāi)發(fā)，客戶端各功能模塊采用Visual Basic 開(kāi)發(fā)，利用Visual C++ 開(kāi)發(fā)的插件將各功能模塊集成于SolidWorks環(huán)境下。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)產(chǎn)品可形成不同的產(chǎn)品版本，每個(gè)版本由若干零部件組成。從不同的角度(即視圖)這些零部件之間存在不同的隸屬關(guān)系(即BOM )。對(duì)銷售人員所需體現(xiàn)的是產(chǎn)品的功能BOM，對(duì)研發(fā)人員所需體現(xiàn)的是設(shè)計(jì)BOM，對(duì)工藝和生產(chǎn)人員而言所需體現(xiàn)的是制造BOM，等等。在零部件中可以掛接(或包含)零件的所有數(shù)據(jù)和文件信息。任一零部件可以出現(xiàn)在不同的視圖、不同的版本、甚至不同的產(chǎn)品中，因此可從數(shù)據(jù)模型的角度保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)資源的重用、避免工藝的重復(fù)設(shè)計(jì)。
3 基于SolidWorks 的工藝設(shè)計(jì)流程
三維CAD環(huán)境下，零部件的幾何及工藝信息等作為零部件的屬性存在，包括屬性名稱和屬性值。根據(jù)零部件變型設(shè)計(jì)的思想，可以在三維CAD環(huán)境下對(duì)零部件進(jìn)行工藝變型設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)企業(yè)已有系列產(chǎn)品進(jìn)行相似性分析，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)或者典型產(chǎn)品進(jìn)行建模，建立該系列產(chǎn)品的變型工藝模型。將該產(chǎn)品的工藝模型在工藝資源數(shù)據(jù)庫(kù)中按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)用戶接到產(chǎn)品訂單后，首先根據(jù)訂單和產(chǎn)品族主模型進(jìn)行產(chǎn)品配置，得到符合訂單要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。然后將該結(jié)構(gòu)樹(shù)與已有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，辨別出通用件、變型零部件和需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)的零部件。對(duì)通用零部件，直接引用或者借用，如果通用零部件存在工藝丈件時(shí)，這些工藝文件將自動(dòng)被引用；對(duì)變型零部件，詞用已有的產(chǎn)品模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì)(包括產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)和工藝變型設(shè)計(jì))；對(duì)需重新設(shè)計(jì)的零部件，在零件管理系統(tǒng)和工藝資源管理系統(tǒng)的支持下利用工藝設(shè)計(jì)導(dǎo)航工具進(jìn)行零件的工藝設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，在BOM管理系統(tǒng)、零件管理系統(tǒng)和工藝資源管理系統(tǒng)的支持下進(jìn)行產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)流程如圖2所示。
在三維CAD環(huán)境下，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。包括選擇定位基準(zhǔn)、確定工藝路線和工藝裝備、確定裝夾方式、通過(guò)三維工序圖進(jìn)行工序設(shè)計(jì)等。將所有這些信息用數(shù)據(jù)模型表示，并作為零件的一個(gè)工藝屬性存儲(chǔ)。當(dāng)對(duì)變型零件進(jìn)行工藝路線設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)編輯已有的相似零件的工藝信息，實(shí)現(xiàn)變型零件的工藝設(shè)計(jì)。
在進(jìn)行零件的工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)，可并行進(jìn)行產(chǎn)品及部件的裝配工藝設(shè)計(jì)，并形成制造BOM。制造BOM可根據(jù)設(shè)計(jì)BOM或產(chǎn)品三維裝配模型獲得，但在PDM環(huán)境下應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)BOM形成制造BOM。裝配工藝設(shè)計(jì)的支持系統(tǒng)和工具包括：基于BOM 管理系統(tǒng)的裝配流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、資源管理系統(tǒng)、典型工藝管理系統(tǒng)以及基于SolidWorks的裝配仿真系統(tǒng)。
圖2 基于SolidWorks 的工藝設(shè)計(jì)流程
4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 工藝與設(shè)計(jì)信息的集成
在SolidWorks的對(duì)象模型中提供了外部應(yīng)用程序?qū)δＰ臀募捌湎嚓P(guān)的屬性和變量進(jìn)行訪問(wèn)和操作的外部接口，通過(guò)該接口可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的特征及其屬性、變量進(jìn)行定義和編轄的操作。這樣可將模型的工藝信息以屬性或變量的形式附加于設(shè)計(jì)模型上。例如：
(1)通過(guò)模型文檔類的AddPropertyExtension、GetPropertyExtension函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件特征、曲面屬性的設(shè)置和訪問(wèn)， 如硬度、租糙度等；
(2) 通過(guò)選擇集類的GetSelectedObjectType 實(shí)現(xiàn)對(duì)特征類型的訪問(wèn)；
(3) 通過(guò)特征類的Name 、GetFaceCount 對(duì)特征的名稱及構(gòu)成的信息進(jìn)行訪問(wèn)；
(4) 通過(guò)尺寸類的GetToleranceType 、GetToleranceValues 和SetToleranceType 、GetToleranceValues 函數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)尺寸公差類型及偏差的訪問(wèn)和設(shè)置。等等�；诖�，可將零件的工藝路線、工序、工時(shí)和材料定額等工藝信息以屬性的形式存儲(chǔ)與模型文件中，從而從邏輯和存儲(chǔ)兩
個(gè)角度均可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和工藝信息的集成。這些屬性的編輯可通過(guò)專門開(kāi)發(fā)的屬性編輯器進(jìn)行。
4.2 工藝配置管理
在SolidWorks環(huán)境下，同一個(gè)模型可有不同的配置，對(duì)一個(gè)零件，確定其可變參數(shù)和不變參數(shù)。對(duì)結(jié)構(gòu)相同，尺寸不同的零件可通過(guò)變更尺寸參數(shù)來(lái)獲得新的配置；對(duì)結(jié)構(gòu)有差異的零件，可以通過(guò)SolidWorks提供的壓縮或者還原特征來(lái)生成新的配置。
一個(gè)零件可以有多個(gè)版本的工藝路線，每條工藝路線下面包括多個(gè)工序。利用SolidWorks提供的配置管理的功能，將工藝路線版本作為零件的配置進(jìn)行管理。工藝路線包括的工序作為工藝路線版本的派生配置，形成工藝路線配置結(jié)構(gòu)樹(shù)。不同的配置用版本加工序名稱來(lái)區(qū)分。
上述所有配置都存在于系列零件設(shè)計(jì)表中。設(shè)計(jì)表中包括每道工序的所有信息。利用系統(tǒng)提供的交互式界面，可以修改設(shè)計(jì)表中的參數(shù)。通過(guò)修改系列零件設(shè)計(jì)表中的尺寸參數(shù)可以改變模型的尺寸，系列零件設(shè)計(jì)表中的狀態(tài)列控制特征的狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置壓縮或者解除壓縮來(lái)達(dá)到變型設(shè)計(jì)的目的。
各配置模型與零件的模型在同一文件中進(jìn)行存儲(chǔ)，其中每一具體配置的模型對(duì)應(yīng)零件的一個(gè)具體工序。這樣每一配置模型中就包括了工序的工序圖寫(xiě)相關(guān)工序信息，其中工序信息一般以配置級(jí)屬性或變量的形式附加于工序圖中，從而保證了信息的集成。不同配置間可通過(guò)文件級(jí)屬性或變量建立關(guān)聯(lián)，從而保證工藝信息的一致性。
4.3 變型工藝模型及工序固的設(shè)計(jì)
將描述工序的相關(guān)信息定義為工序圖模型的屬性。即工序圖模型不僅包括工序簡(jiǎn)圖，還包括這一工序所涉及的工藝信息。一旦工序圖模型確定，其它信息隨之確定，從而實(shí)現(xiàn)圖形信息與工藝數(shù)據(jù)的集成。通過(guò)變更工序模型屬性進(jìn)行配置，可自動(dòng)獲得不同工序的零部件工序簡(jiǎn)圖。由于零件的工序模型與零件模型共享一個(gè)產(chǎn)品模型，因此工序簡(jiǎn)圖間尺寸與零件模型尺寸具有全相關(guān)性。建立工序圖模型后，將與工序有關(guān)的所有信息看作工序圖模型的屬性，并將這些信息作為系列零件表的設(shè)計(jì)參數(shù)。
為支持變型工藝設(shè)計(jì)，可將工序信息作為工序圖的一項(xiàng)屬性存儲(chǔ)在系列零件設(shè)計(jì)表中。工序信息包括此道工序所涉及的所有信息，如定位基準(zhǔn)的選擇、工序內(nèi)容、機(jī)床的選擇、加工車閱、加工設(shè)備、工裝、工時(shí)、機(jī)床參數(shù)等。所有這些信息按照一定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行組織。當(dāng)對(duì)零件進(jìn)行變型工藝設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)提供的界面，將系列零件設(shè)計(jì)表中的工序信息顯示出來(lái)，并且根據(jù)工序信息的存儲(chǔ)格式進(jìn)行翻譯，將所涉及的信息顯示在界面上，采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行工藝變型設(shè)計(jì)，如圖6.2所示。圖右面顯示的是本道工序的信息，用戶通過(guò)對(duì)上述信息進(jìn)行修改后，仍然按照預(yù)先定義的格式存儲(chǔ)到系列零件設(shè)計(jì)表中。同時(shí)系統(tǒng)還將這些信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣可以實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下對(duì)工藝路線的修改可同步更新。
5 小結(jié)
大批量定制已成為企業(yè)獲得核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的核心所在。但目前所研發(fā)的PDM系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝資源的重用還沒(méi)有提供一個(gè)較好的支撐環(huán)境和平臺(tái)，同時(shí)信息化孤島問(wèn)題并沒(méi)有從根本上解決。在這方面做了一些相應(yīng)的工作，建立了支持變型工藝設(shè)計(jì)的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，并對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行了有機(jī)的集成，在PDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)得到了相應(yīng)的驗(yàn)證。
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