机械设计中制造功能的实现

杨振强

(齐齐哈尔工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

1 绪论

机械工程中的协同机械设计是指机械工程或机械产品的协同设计。机械协同设计是一个过程，来自不同学科的参与者分享他们对机械产品设计过程和内容的知识。考虑使用共享的思维模型来促进参与者之间的共享理解，这对于协作机械设计至关重要[1]。从设计的角度出发，提出了共享设计思维模型(SDMM)作为共享思维模型的核心组成部分，它利用了协同设计的设计原理，设计思维过程模型已经被提出来代表SDMM。

传统CAD/CAM系统创建的模型主要包含低级几何信息，尽管这可能适合设计工程师，但产品开发周期中的所有其他专家都需要解释几何模型，因为该模型不包含较为直接的信息。因此，为了让模型创建过程自动化，就需要功能识别系统。但是，功能识别非常容易出错。为了消除此问题，可以使用较高抽象级别的要素来构建设计。

现代CAD/CAM系统的确为使用特征提供了一定程度的支持，但是这些特征是基于几何的，因此与制造过程没有直接联系。尽管可以产生特征的制造过程可能与特征几何相关，但仅几何还不够。其他参数，例如产量，材料，公差和表面光洁度，对工艺选择有重要影响。因此，重要的是在设计的构造中使用的功能确实包括与制造相关的信息。

基于特征的设计最重要的方面之一是可以将“制造设计”(DFM)原理整合到模型的构建块中。但是，也许可以中找到最全面的针对制造设计的规则和准则集合。尽管这些准则中的许多准则早已为工程师所熟知，但很少包含在CAD模型中[2]。

多年来，已经进行了许多有价值的尝试来创建基于功能的设计系统。其中一些涉及特征识别，即从已经可用的CAD模型中提取特征。其他人则使用特征本身来构建模型。但是，商业CAD/CAM系统仍未包含完整的制造特征。这项研究的目的是创建一个软件系统，使商用CAD/CAM系统能够使用制造特征来创建机械设计。

2 系统描述

机械设计是加工的第一步，也是重要的零件加工。好的机械设计不仅可以提高机械产品的性能，而且可以保证机械质量。机械加工与机械制造相互依存，相辅相成。讨论了现代机械设计的基本原理的发展方向，探讨了早期的机械设计、程序设计、技术设计以及机械设计技术中的机械设计，然后简要介绍了机械后处理技术。

这项研究的基本思想是开发一种系统，该系统允许从与制造过程相关的实体构造零件。例如，所设计的零件就由几个制造功能组成。对于设计工程师而言，这可能是违反直觉的，因为他们的主要关注点是零件的功能，而不是生产零件的过程。但是，如果在设计阶段考虑制造，则可以消除昂贵的制造过程。

支持基于特征的设计的商业CAD/CAM系统会根据其几何形状对特征进行分类，即使在许多情况下，也会使用制造方面的术语。然而，在提出的系统中，基于几何和制造过程的组合层次特征分类被开发出来。分类器的分层性质使其更简单易管理。它还使将DFM和设计功能(DF)规则应用于功能变得更加容易。

现有数千种DFM和DF准则。除非将它们组织成分层结构，否则将它们应用到复杂的特征库将是非常困难的任务。在这项研究中，层次结构规则/准则是使用继承原则实现的：更通用的规则应用于要素层次结构的更高级别。子功能从其父级继承规则，并且在层次结构的较低级别添加了更具体的规则。

当从功能库中选择一个特征并与现有模型相关时，系统将确保特征几何与其功能一致，即不违反设计功能(DF)规则，它还确保应用DFM指南。

为了简化尺寸标注，可以使用模板定义参数化的几何形状。如果某个功能违反DF或DFM准则，则将其突出显示并生成警告消息。尽管设计人员可以忽略建议的解决方案，但这意味着设计可能会在以后阶段引起制造问题。

使用Pro/Toolkit开发了基于功能的设计软件(包括图形用户界面)作为Pro/Engineer的扩展。

3 结果与讨论

为了评估所开发系统的功能，创建了多个测试部件。其中之一是块状部件。创建特征的顺序与零件的正常制造顺序相对应。在很多情况下，这对于设计工程师来说似乎有些局限，尤其是如果他们在制造工程方面的专业知识不全面的话。

还设计了用于插入功能之一(“通过T形槽”功能)的菜单系统。分层功能组织使您可以轻松快速地找到任何功能。一旦选定了特征并与零件中的现有特征相关，就会出现列出特征的信息面板。

所开发的系统还可以应用于未使用制造特征构成的设计(无需实现制造特征库)。在这种情况下，通过将功能库系统的DFM和DF规则应用于提取的特征来评估零件的可制造性。然后，系统创建一个数据文件，列出的违反DFM或DF规则的功能并突出显示它们。

一旦设计完成，它将同时包含几何和制造信息。在产品开发的相对早期阶段考虑制造有助于实现更理想的成本分配功能。但是，必须说设计师可能会自然而然地拒绝使用基于制造特征的设计系统，因为这将迫使他们在制造方面进行思考，在某些情况下甚至可能会限制他们的选择。

4 结语

制造功能提供了一种自然的方式来集成产品开发的设计和制造阶段，开发的系统扩展了现有CAD/CAM系统的功能，它确保设计仅包含不与功能和制造规则相抵触的功能，从而减少了不必要的制造成本。