魏永樂, 晁彩霞
(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械、建筑、電子等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用,可以加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程、提高生產(chǎn)效率、縮短開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)競爭力。而實(shí)現(xiàn)CAD/CAM集成的關(guān)鍵是建立一個包含產(chǎn)品全生命周期各階段信息的產(chǎn)品信息模型,而基于特征的產(chǎn)品信息模型除了包含產(chǎn)品的幾何信息外,還包含材料、精度等制造信息,可以更好地表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)管理信息。所以,建立基于特征的產(chǎn)品信息模型被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn) CAD/CAM 集成的根本途徑。由于獨(dú)立開發(fā)一個基于特征的建模系統(tǒng)需要花費(fèi)大量的時間和人力,因此,在現(xiàn)有 CAD系統(tǒng)基礎(chǔ)上研究特征建模是實(shí)現(xiàn)中小企業(yè)CAD/CAM集成的一條捷徑。
AutoCAD作為通用的CAD軟件以其功能強(qiáng)大、使用靈活、二次開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械、電子、建筑等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用??紤]到AutoCAD系統(tǒng)在中小企業(yè)應(yīng)用的廣泛性及其良好通用性和開放性,并且具有實(shí)體造型功能,本文將討論在AutoCAD系統(tǒng)平臺上,利用功能強(qiáng)大的ObjectARX開發(fā)工具和面向?qū)ο蠹夹g(shù),實(shí)現(xiàn)特征建模的方法。
特征是零件或產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造中抽象出來的屬性、功能、關(guān)系和數(shù)據(jù)的集合[1]。
不同的應(yīng)用領(lǐng)域,特征的抽象和分類方法有所不同。根據(jù)機(jī)械零件圖樣信息和加工工藝信息,可將特征分為以下幾種類型[2]:
(1)管理特征 與零件管理相關(guān)的信息集合,包括標(biāo)題欄信息、材料等信息。
(2)技術(shù)特征 與零件的性能和技術(shù)要求等相關(guān)的信息集合。
(3)材料熱處理特征 與零件材料和熱處理相關(guān)的信息集合。
(4)精度特征 與零件精度相關(guān)的信息集合,如尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。
(5)形狀特征 與零件幾何形狀、尺寸相關(guān)的信息集合。
特征建模方法主要有三種[3]。
(1)交互式特征定義 用戶首先建立幾何模型,然后交互拾取圖形,定義特征所需要的幾何要素及其參數(shù)。這種建模方法可靠易行,但是自動化程度低,容易產(chǎn)生人為的錯誤。
(2)特征識別 將零件的幾何模型與預(yù)先定義的特征進(jìn)行匹配,從而確定特征的具體類型及其它信息。目前特征識別僅對簡單零件有效,且仍缺乏CAPP系統(tǒng)所需要的公差、材料等屬性。
(3)基于特征設(shè)計(jì) 從設(shè)計(jì)開始,特征就體現(xiàn)在零件模型中,并提供豐富的零件信息,便于與后續(xù)過程實(shí)現(xiàn)信息共享和集成。這種方法首先建立用戶定義的特征庫,將各種特征的定義都放在特征庫中,使用時從庫中調(diào)出,并給出它的尺寸、位置參數(shù)和各種非幾何信息,設(shè)計(jì)效率高。
以特征來表示零件的方式即為零件的特征信息模型。為建立相對通用的零件信息模型,滿足不同應(yīng)用的信息需求,可以將零件信息劃分為三層次結(jié)構(gòu)來表達(dá),分別是零件層、特征層和幾何層[2],如圖1所示。特征層是零件模型的核心,它反映的是零件的所有特征單元信息及特征間關(guān)系信息,形狀特征模型是特征層最重要的子模型,可以用特征樹來描述;精度特征模型、材料特征模型從屬于形狀特征模型,而管理特征模型和技術(shù)特征模型及形狀特征模型直接從屬于零件特征模型。幾何層則反映了CAD系統(tǒng)的底層幾何/拓?fù)湫畔?,是整個模型的基礎(chǔ)。
圖1 基于特征的零件信息模型
在零件特征信息模型的各類特征中,管理特征和技術(shù)特征較為簡單不必詳述,而形狀特征是建模系統(tǒng)中最重要、最關(guān)鍵的特征。它是零件特征信息模型中表達(dá)信息的基本單元,不僅包括了設(shè)計(jì)階段的幾何信息,還包括了后續(xù)的CAPP、CAM 所需要的工藝信息和制造信息。在整個CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)中,形狀特征是信息的載體,貫穿產(chǎn)品開發(fā)的始終,是零件特征信息模型的核心。
本文建立形狀特征庫時,采用了C++語言面向?qū)ο蟮拈_發(fā)機(jī)制,定義了一個基特征類,用于定義和存儲所有形狀特征的公共屬性和方法,所有形狀特征類均由基特征類派生而來,如圖2所示。進(jìn)行基于特征的設(shè)計(jì)時,用戶只需要從形狀特征庫中提取所需的特征進(jìn)行實(shí)例化即可?;卣黝惖臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下[4-5]:
圖2 特征的關(guān)系與結(jié)構(gòu)
class CFeature:public AcDbObject
{ public: //各種形狀特征公共的方法
ACRX_DECLARE_MEMBERS(CFeature);
CFeature();
Acad::ErrorStatus SetFeatID(char*); //設(shè)置ID……
//對象信息寫入圖形數(shù)據(jù)庫及從中讀出
virtual Acad::ErrorStatus dwgInFields(AcDbDwgFiler*);
virtual Acad::ErrorStatus dwgOutFields(AcDbDwgFiler*);
protected: //各種形狀特征公共的屬性
char* m_FeatClass; //特征類名
char* m_FeatID; //特征ID
char* m_ParentID; //父特征ID
char* m_ChildID; //子特征ID
AcGePoint3d m_LocaPoint; //特征定位點(diǎn)
//定形和定位尺寸公差
CShapDimeTole* m_ShapDimeTole;
CPosiDimeTole* m_PosiDimeTole;
CRoughness* m_Roughness; //表面粗糙度
CMateHeat* m_MateHeat; //局部熱處理
……
};
由基特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知,基特征是由ObjectARX開發(fā)工具中的AcDbObject類派生而來的,特征對象所包含的信息可以作為AcDbObject類的對象通過調(diào)用 dwgInFields(AcDbDwgFiler*)函數(shù)存入AutoCAD的圖形數(shù)據(jù)庫,并通過調(diào)用 dwgOutFields(AcDbDwgFiler*)函數(shù)從圖形數(shù)據(jù)庫中取出?;卣鞫x了各種形狀特征的公共屬性(如特征類名、特征 ID等)及其非幾何信息(尺寸公差、表面粗糙度、熱處理等),而特征的幾何信息則在具體特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行定義,例如圓孔特征、柱形沉頭孔特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下:
class CHole:public CFeature //圓孔特征
{ public:
CHole(); //類的構(gòu)造函數(shù)
……//設(shè)置和獲得對象屬性的方法
protected: //圓孔幾何信息
double m_HoleDiameter; //孔直徑
double m_HoleDepth; //孔深度
double m_TipAngle; //孔底角
AcBrFace* m_Placement; //孔放置面
};
class CCounBore:public CHole{//柱形沉頭孔特征
{ public:
CCounBore(); //類的構(gòu)造函數(shù)
……//設(shè)置和獲得對象屬性的方法
BOOL Validity(); //參數(shù)有效性檢驗(yàn)
BOOL Create(); //創(chuàng)建實(shí)體
BOOL UpDateExteDB(); //更新外部數(shù)據(jù)庫
protected: //柱形沉頭孔幾何信息
double m_BoreDiameter; //沉頭直徑
double m_BoreDepth; //沉頭深度
};
由圓孔特征和柱形沉頭孔特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可知,圓孔特征是由基特征派生而來的,柱形沉頭孔特征是由圓孔特征派生而來的,故柱形沉頭孔特征可以繼承圓孔特征和基特征的屬性和方法,提高了代碼的利用率,加快了程序的開發(fā)進(jìn)程。形狀特征庫中的其它形狀特征亦是如此。
特征的生成過程如圖3所示,其主要步驟主要包括[6]:
圖3 特征生成過程
(1)選取特征放置面
圓孔特征、凸臺特征等一般都是附著于某個表面的,因此創(chuàng)建此類特征時必須要選取特征的附著表面,而對于圓柱特征、拉伸特征等可以創(chuàng)建零件模型的基體,故可以不選取放置表面。
(2)特征參數(shù)輸入
特征參數(shù)的輸入包括特征的幾何屬性(尺寸、位置等)和非幾何屬性(尺寸公差、表面粗糙度等)。為了方便用戶輸入特征參數(shù),利用ObjectARX 中的MFC類庫提供的對話框設(shè)計(jì)功能,設(shè)計(jì)出的用戶操作界面均為流行的Windows風(fēng)格對話框,與AutoCAD系統(tǒng)界面保持了良好的一致性[3]。幾何屬性在創(chuàng)建特征時由用戶直接輸入,非幾何屬性可以在創(chuàng)建特征時輸入,也可以在建立零件實(shí)體模型后,通過特征樹輸入,如圖9和圖10所示。
(3)幾何參數(shù)有效性檢驗(yàn)
在創(chuàng)建特征實(shí)體之前,檢驗(yàn)特征的幾何參數(shù)是否有效是必須要進(jìn)行的工作,因?yàn)闊o效的幾何參數(shù)將會無法創(chuàng)建實(shí)體。特征幾何參數(shù)的有效性檢驗(yàn)定義成了特征類的一個函數(shù)Validity(),在創(chuàng)建特征實(shí)體之前首先要調(diào)用該函數(shù)進(jìn)行幾何參數(shù)的有效性檢驗(yàn),若幾何參數(shù)有效則創(chuàng)建實(shí)體,否則要求用戶重新輸入幾何參數(shù)。
以柱形沉頭孔(圖9所示)為例,幾何參數(shù)有效的條件為:
· 孔直徑D>0;
· 孔直徑D<沉頭直徑D1;
· 孔深度H>沉頭深度H1;
· 沉頭深度H1>0;
· 孔底角α ≤180°。
(4)特征定位
特征定位點(diǎn)的確定主要采用了三種方法:
· 直接輸入定位點(diǎn) 該方法比較簡單,用戶直接輸入定位點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)即可。
· 圓心定位 指用戶在特征的放置面上選取圓或圓弧,然后計(jì)算出圓或圓弧的圓心,將圓心坐標(biāo)作為特征的定位點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)特征的放置面是圓形平面或放置面的邊界包含有圓弧時,在很多情況下圓或圓弧的圓心就是特征的定位點(diǎn),如圖4所示表示在圓柱體的上端面上鉆一個直孔,上端面的圓心即為直孔的定位點(diǎn),采用圓心定位可以簡單、方便的獲得特征的定位點(diǎn)。
圖4 圓心定位
圓心定位方法確定定位點(diǎn)的步驟如下:
第一步 利用構(gòu)造選擇集函數(shù),在特征的放置面上選取圓或者圓??;
第二步 利用AcBr類庫和AcGe類庫提供的遍歷實(shí)體的方法,獲得所選取的圓或圓弧的圓心坐標(biāo);
第三步 將圓心坐標(biāo)值賦予特征的定位點(diǎn)。
· 兩參考邊定位 指用戶在特征的放置面上選取兩條直線或基準(zhǔn)線,分別輸入定位點(diǎn)距這兩條直線的距離,然后計(jì)算出定位點(diǎn)坐標(biāo)值,如圖5所示。
兩參考邊定位方法確定定位點(diǎn)的步驟如下:
第一步 利用構(gòu)造選擇集函數(shù),在特征放置面內(nèi)選取兩條參考邊,然后分別輸入特征定位點(diǎn)與兩條參考邊的距離;
第二步 利用AcBr類庫和AcGe類庫提供的遍歷實(shí)體的方法,獲得第一條參考邊的方向V1和邊上的點(diǎn)Pe1,然后由V1和Pe1創(chuàng)建直線對象L1;
第三步 創(chuàng)建另一直線對象L2,使L2過方位點(diǎn)(選擇放置面時,在放置面上選取的一點(diǎn)),L2的矢量方向?yàn)長1的正交矢量;
第四步 對L1和L2求交,得到交點(diǎn)P0,由P0和方位點(diǎn)確定方向矢量Vect;
第五步 由P0,d1和矢量Vect,求出距第一條參考邊距離為 d1的點(diǎn) P1,即P1=P0+d1*Vect,再由V1和P1創(chuàng)建平行與第一條參考邊的直線Line1;
第六步 同理,根據(jù)方位點(diǎn)和第二條參考邊及d2確定平行與第二條參考邊的直線Line2;
第七步 求出Line1和Line2的交點(diǎn),并將交點(diǎn)坐標(biāo)值賦予特征的定位點(diǎn)。
圖5 兩參考邊定位
(5)特征實(shí)體生成
特征實(shí)體的生成首先是采用AutoCAD系統(tǒng)的三維造型方法創(chuàng)建實(shí)體,之后利用坐標(biāo)變換方法將實(shí)體變換到定位點(diǎn),并進(jìn)行相關(guān)布爾運(yùn)算。
1)創(chuàng)建特征實(shí)體
AutoCAD系統(tǒng)創(chuàng)建實(shí)體的方法有:創(chuàng)建基本實(shí)體、創(chuàng)建拉伸實(shí)體、創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)實(shí)體以及創(chuàng)建掃描實(shí)體。在ObjectARX二次開發(fā)工具中也提供相應(yīng)的函數(shù)用來生成相應(yīng)實(shí)體。下面分別介紹應(yīng)用ObjectARX中的函數(shù)來創(chuàng)建特征實(shí)體的過程。
· 創(chuàng)建基本實(shí)體 包括長方體、圓柱體、圓錐/圓臺體、球體、楔體和圓環(huán)體六種基本體素,用于創(chuàng)建零件模型中的基本實(shí)體?;緦?shí)體的創(chuàng)建比較簡單,直接調(diào)用創(chuàng)建基本實(shí)體的函數(shù),輸入相應(yīng)的參數(shù)即可,其生成過程如下:首先調(diào)用要創(chuàng)建的基本實(shí)體的對話框,輸入相應(yīng)的幾何參數(shù),然后調(diào)用 ObjectARX中提供的 createBox()(長方體)、createFrustum()(圓柱體、圓錐/圓臺體)、createSphere()(球體)、createWedge()(楔體)和 createTorus()(圓環(huán)體)等函數(shù),即可生成質(zhì)心在WCS坐標(biāo)原點(diǎn)的基本體素,如圖6(a)所示。
· 創(chuàng)建拉伸實(shí)體 是將二維面域按指定高度和撥模角度進(jìn)行拉伸而生成的,用于創(chuàng)建零件模型的拉伸特征,如槽、凹陷和凸臺等特征。其生成過程是:首先,根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán),組成環(huán)的曲線必須是由 AcDbCurve類派生而來的曲線類型,如AcDbLine、AcDbArc、AcDbPolyline等;然后,調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域;最后,調(diào)用拉伸函數(shù)extrude()生成拉伸實(shí)體,如圖6(b)所示。
· 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)實(shí)體 是將二維面域繞指定軸旋轉(zhuǎn)而生成的,用于創(chuàng)建零件模型的旋轉(zhuǎn)特征,如孔、圓形凹陷和圓形凸臺等特征實(shí)體。其生成過程是:首先,根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán),組成環(huán)的曲線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型;然后,調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域;最后,調(diào)用旋轉(zhuǎn)函數(shù)revolve()生成旋轉(zhuǎn)實(shí)體,如圖6(c)所示。
· 創(chuàng)建掃描實(shí)體 是將二維封閉環(huán)沿指定路徑掃描而生成的,用于創(chuàng)建零件模型的掃描轉(zhuǎn)特征。其生成過程是:第一步,根據(jù)參數(shù)繪制或直接拾取二維封閉環(huán),組成環(huán)的曲線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型;第二步,調(diào)用生成面域函數(shù)createFromCurves()得到面域;第三步,選擇掃描導(dǎo)線,導(dǎo)線也必須是由AcDbCurve類派生而來的曲線類型;第四步,調(diào)用掃描函數(shù)extrudeAlongPath()生成掃描實(shí)體,如圖6(d)所示。
圖6 創(chuàng)建特征實(shí)體的方法
2)特征實(shí)體的坐標(biāo)變換
零件是各個特征實(shí)體之間通過布爾運(yùn)算生成的。在生成基本特征實(shí)體(長方體、圓柱體等)以及拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描特征實(shí)體時,可以控制其不與其它實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算(若需要與其它實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算,則可以在創(chuàng)建特征實(shí)體后使用AutoCAD系統(tǒng)的 UNION、SUBTRACT、INTERSECT命令);在生成孔、槽和凹陷等特征實(shí)體時,需要控制其與零件基體進(jìn)行布爾減運(yùn)算;在生成凸臺等特征實(shí)體時,需要控制其與零件基體進(jìn)行布爾加運(yùn)算;這樣就可以在零件基體上創(chuàng)建出所需要的特征,最終生成零件模型。但是,在利用ObjectARX提供的函數(shù)創(chuàng)建的特征實(shí)體之后,多數(shù)情況下還需要根據(jù)輸入的特征定位點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換,將其轉(zhuǎn)換到合適的位置才能與主實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算。例如,長方體、圓柱體等基本實(shí)體利用函數(shù)創(chuàng)建后都是質(zhì)心在WCS坐標(biāo)系原點(diǎn)的實(shí)體,圓孔特征、槽特征等實(shí)體利用函數(shù)創(chuàng)建后也都是定位點(diǎn)在WCS坐標(biāo)原點(diǎn)的實(shí)體,所以,創(chuàng)建特征實(shí)體之后首先要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)轉(zhuǎn)換,然后再與主實(shí)體進(jìn)行布爾運(yùn)算,從而生成所需要的特征,如圖7所示。
進(jìn)行坐標(biāo)變換的步驟如下:
第一步 根據(jù)特征實(shí)體的定位點(diǎn)和參考邊確定的新坐標(biāo)系的原點(diǎn)和X、Y、Z軸的方向;
第二步 根據(jù)新坐標(biāo)系的原點(diǎn)和坐標(biāo)軸的方向,調(diào)用函數(shù) setCoordSystem()設(shè)置三維幾何變換矩陣;
第三步 調(diào)用實(shí)體的坐標(biāo)變換函數(shù)transformBy(),將特征實(shí)體變換到合適的位置。
圖7 特征實(shí)體的坐標(biāo)變換
(6)特征存儲
特征對象生成之后幾何信息與非幾何信息已存入相應(yīng)變量之中,還需將其存入 AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫(dwg文件),以便永久存儲。
根據(jù)AutoCAD圖形數(shù)據(jù)庫的存儲機(jī)制,特征對象存入圖形數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵代碼如下(代碼中變量m_Feature為特征對象的指針):
acdbHostApplicationServices()->workingDatabase()->getNamedObjectsDictionary(pNamedobj,AcDb::kForWrite); //以寫方式打開命名對象詞典//查找形狀特征庫詞典(關(guān)鍵字為PSFDB)if(pNamedobj->getAt("PSFDB",(AcDbObject*&)pDict,AcDb::kForWrite)==Acad::eKeyNotFound)
{ //若不存在,創(chuàng)建形狀特征詞典
pDict =new AcDbDictionary;
AcDbObjectId DictId;
pNamedobj->setAt("PSFDB", pDict, DictId);}pNamedobj->close();
if(pDict) //若存在以寫方式打開
{ CFeature* p=new CFeature;
if(pDict->getAt(m_FeatID,(AcDbObject*&)p,AcDb::kForWrite)==Acad::eOk)//查找該特征 ID是否已經(jīng)存在
{//若已存在,提示用戶重新輸入特征ID
MessageBox("該特征標(biāo)識已存在,請重新輸入特征ID!");
p->close();
pDict->close();
m_Feature->close();
return; }
p->close();
//若不存在,創(chuàng)建特征實(shí)體,然后將特征對象存入數(shù)據(jù)庫
if(!m_Feature->Create()) //創(chuàng)建特征實(shí)體
{ pDict->close(); //關(guān)閉特征詞典
m_Feature->close(); //關(guān)閉特征對象
return; }
AcDbObjectId Id;
if(pDict->setAt(m_FeatID,
m_Feature,Id)!=Acad::eOk)
MessageBox("寫入圖形數(shù)據(jù)庫失?。?);
pDict->close();//關(guān)閉特征詞典
}
m_Feature->close();//關(guān)閉特征對象
特征對象存儲之后,如果需要提取某特征對象的信息,可以以“讀”方式打開“形狀特征庫詞典”,利用該特征對象的“特征ID”即可提取出相關(guān)信息。
以齒輪泵泵體零件為例,建立零件特征信息模型。首先分析泵體零件包含的特征類型,如圖8所示,然后根據(jù)這些特征類型建立零件特征信息模型。
圖8 泵體
(1)利用掃描特征創(chuàng)建泵體的基體部分。首先利用AutoCAD二維繪圖功能繪制泵體截面輪廓線及導(dǎo)線,然后采用掃描特征,創(chuàng)建基體。
(2)利用拉伸特征創(chuàng)建泵體的側(cè)面凸臺。首先在基體側(cè)面建立基準(zhǔn)面,并在其上繪制側(cè)面凸臺輪廓線,然后采用拉伸特征,創(chuàng)建凸臺。
(3)利用柱形沉頭孔特征和凹陷特征創(chuàng)建泵體的內(nèi)腔,如圖9所示。
圖9 創(chuàng)建沉頭孔特征
(4)利用圓孔特征創(chuàng)建進(jìn)油孔、出油孔和定位孔等。
(5)利用特征樹輸入泵體各種特征的非幾何屬性,得到齒輪泵泵體的特征信息模型,如圖10所示。
圖10 輸入特征非幾何屬性
本文首先簡要地介紹了特征的概念、分類以及特征建模方法,然后根據(jù)特征建模的基本理論,詳細(xì)闡述了借助功能強(qiáng)大的ObjectARX開發(fā)工具和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法,在AutoCAD系統(tǒng)平臺上實(shí)現(xiàn)基于特征建模的方法與步驟。利用該方法可以快速、簡單、高效的創(chuàng)建特征,而且可以方便地輸入特征的幾何信息與非幾何信息,可以為后續(xù)制造過程提供了豐富的信息,便于CAD與后續(xù)的CAPP和CAM集成,實(shí)踐證明利用現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的實(shí)體造型功能,實(shí)現(xiàn)基于特征的建模是中小企業(yè)實(shí)施 CAD/CAM 集成的一種簡單而有效的方法。
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