基于Pro/ENGINEER的三维零件信息模型建立与应用

1 引言

    如何准确而有效地建立零件信息模型是CAD/CAPP/CAM集成的核心内容，目前零件信息模型是基于特征造型技术。最通常的做法是：先按照特征分类建立特征库，然后根据造型的实际需要进行基本特征调用，利用特征之间的布尔运算建立零件模型。这种方法有几点不足之处。

    （1）为了方便地构造各种复杂零件模型，特征库尽可能包含所有的基本特征，这一点目前做起来是比较困难的。

    （2）当前特征识别技术还不够成熟，如何对特征库进行有效的管理和控制存在一定的难度。

    （3）在实际进行零件造型过程中，设计者很难在短时间内快速而准确地选择所想要的特征，大大影响建模速度。

    （4）现有的特征分类方法与机械加工方法并不是一一对应，一种加工方法可能对应几个基本特征，根据特征和加工方法一一对应的原理，应将其作为复合特征存储在特征库中，这显然是不现实的，对于这类矛盾还有待解决。

    针对上述不足之处，本文首先明确零件信息模型内涵，并在分析连杆加工工艺的基础上，进行特征规划和设计，然后利用特征减造型的方法（Destructive Modeling with Feature），直接构造零件模型，进而建立零件信息模型，而不是遵循常规的特征分类与造型的方法，较成功地实现特征设计与机械加工过程的统一，即每一个特征与连杆每一种加工方法保持一致。

2 基于特征的零件信息模型

    特征是用于完整表达零件信息的集合单元，是一定形状、语义和抽象的结合[1]。一个完整的零件模型不仅是零件数据的集合，还应反映出各类数据的表达方式及相互间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的零件模型，才能有效地被各种应用系统接受，完整的零件信息模型应包括：管理特征、形状特征、精度特征、材料特征和技术特征如图1所示。

    (1) 形状特征。描述具有一定工程意义的功能几何形状信息，分为主特征和辅特征。主特征用于构造零件的主体形状结构。辅特征用于对主特征的修饰，它附加于主特征之上，也可附加于另一辅特征之上。形状特征是产品设计、制造人员考虑问题的焦点，也是其他信息的载体。

    (2) 精度特征。用于描述零件的尺寸公差、形位公差和粗糙度公差等信息，尺寸与公差特征是联系设计与制造的重要属性，在特征设计中，对尺寸与公差特征进行分析，并直接对零件信息模型建立尺寸与公差特征，可以清楚地表示形状特征的非几何属性以及形状特征之间的相互关系。

    (3) 材料特征。用于描述零件材料的种类代号、性能、热处理方法，表面处理方式等信息。

    (4) 技术特征。用于描述零件的性能、功能等信息。

    (5) 管理特征。用于描述零件的管理特征，如零件名称、设计者、设计日期、数量、图号、版本等信息。零件的几何/拓扑信息是基础。特征层是核心，特征层中各种特征子模型之间的相互联系反映了特征间的语义关系，使特征成为构造零件的基本单元具有高层次的工程含义，从而支持CAPP、NC编程，加工仿真对零件数据的需求。

3 三维零件信息模型的建立

图1 基于特征的零件信息模型的总体模型

    建立零件信息模型的关键是做好特征规划，如图1所示。采用直接建模技术可以分层次对结构进行设计，在不同层次建立相应的参数化特征模块，每一个特征由一组唯一决定该特征的参数来描述。现以柴油机中的连杆为例，利用Pro/ENGINEER软件，对三维零件信息模型的建模方法和设计步骤加以说明。

3.1 连杆功能和结构分析

    连杆是发动机中的重要零件，如图2所示。它将作用于活塞顶面的膨胀气体的压力传给曲轴，推动曲轴旋转，同时受曲轴的驱动而带动活塞压缩汽缸内的气体。连杆结构复杂，其通常在大头处分开为连杆体和连杆盖两部分，连杆杆身是工字型截面，而且从大头到小头逐步变小。如果不作任何特征规划，直接运用特征造型技术构建连杆三维模型，造型很容易失败，难以获得较理想的结果，因为连杆结构复杂，不是简单的特征加减就可以完成的。

图2 连杆的特征结构

3.2 连杆的机械加工工艺过程分析

    连杆特征设计与机械加工密切相关，每一种加工方法与一个特征相对应，这是特征规划的基本原则。连杆毛坯是锻造件，连杆体和连杆盖整体锻造。连杆的主要加工工艺过程如下：铣连杆大小两端面→钻小头孔，扩至尺寸值，拉小头孔，并保证尺寸和表面粗糙值→铣大头定位凸台→从连杆上切下连杆盖→锪连杆盖上的螺帽凸台，钻螺栓孔，加工螺纹→把连杆和连杆盖用螺栓固定在一起，镗大头孔。

3.3 特征规划和设计              

    通过以上对连杆功能、结构及加工工艺特点的分析，将连杆模型分成图2所示的特征层次，连杆的模型由这些各自独立的特征组合而成。

3.4 基于Pro/ENGINEER平台下连杆的特征造型

3.4.1 实体模型

    本文连杆的实体模型采用特征减造型方法。所谓特征减造型方法就是先建立零件的毛坯模型，然后用逐步除去特征的方式来建立零件模型。下面介绍连杆具体造型过程 。

    1. 连杆的毛坯造型过程

    (1)确定分模面和拔模斜度，选择合理的分模面是毛坯锻造生产的第一步，所以造型过程也应最先确定分模面和拔模斜度。

    (2) 采用“拉伸”方法，生成连杆的下料模型。

    (3) 使用“拔摸”方式，生成7°的拔模斜度。

    (4) 采用“曲面减切材料”的方法，及使用“倒圆角”的功能，产生连杆体中间的连接部分。

    (5) 采用“减切材料”的方式，得到连杆大头形状。

    (6) 采用“减切材料”的方式，在大头孔的位置形成冲孔连皮。       

图3 连杆毛坯模型

    连杆的毛坯如图3所示。

    2.按照连杆的机械加工工艺过程，进行的连杆造型

    (1) 用“减切材料”方式生成铣大、小两端面，保证尺寸要求。连杆的大、小头端面的加工通常是连杆加工过程的最初程序，因为这是整个加工过程中的主要定位基面，它的加工质量对整个连杆的加工质量都有重要的影响。因此，在造型过程中，要特别注意大、小头两端面的构建。

    (2) 选取同轴“孔”方式生成小头孔，并保证尺寸和表面粗糙值。

    (3) 以“旋转减切材料”的方式生成大头定位凸台。

    (4) 以“CUT”方式切开连杆大头，将连杆分成连杆盖和连杆体，把连杆分为两部分是为了能够满足后续加工和装配的需要。

    (5) 以“拉伸减切材料”的方式锪连杆盖上的螺帽凸台，“孔”方式钻螺栓孔，采用“螺旋扫描减切材料”的方式生成螺纹。

    (6) 把连杆和连杆盖用螺栓装配在一起，镗大头孔。大头孔与轴瓦及曲轴、小头孔与活塞销能紧密配合，减少冲击的不良影响和便于传热，必须要保证大头孔与小头孔的形状、公差，所以在造型中要建好大头孔与小头孔的模型。

    至此，连杆的三维几何模型已建立。

3.4.2其他特征构建

图4 连杆的三维信息模型

    连杆的精度特征建立，利用Pro/ENGINEER直接在几何模型上进行操作。Pro/ENGINEER中材料特征以文本形式附加在模型中，采用“设置”→“材料”可以直接在文本文件中对材料参数进行定义、修改、删除等操作。根据连杆的性能要求，选择连杆的材料为45＃钢。技术特征和管理特征可以通过外部程序对其进行添加。通过以上步骤，已经完整地建立了一个零件的三维信息模型，可自动生成零件图。图4为通过建模生成的连杆三维模型。

4 数控程序和加工仿真

    Pro/ENGINEER在设计NC加工制造程序上提供了功能强大的Pro/NC模块。利用它可以建立一个三维加工仿真环境，自动编制的数控加工程序，对刀具的走刀路线进行仿真，观察工件的切削情况，验证是否发生过切及干涉和预测误差，避免加工失败。 Pro/NC运用图像法编程技术进行自动编程，由软件引导编程，因此编程思路清晰。避免了人工编程过程中各种不确定因素的干扰，最大程度地避免了人为误差。图像法自动编程技术就是把零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行加工。利用CAPP将CAD和CAM的信息连接起来，即CAPP能够直接从CAD接受零件信息，生成有关工艺规程文件，并依此为依据，生成NC代码。利用该技术，使数控编程人员不再对那些低层次的几何信息（如：点、线、面、实体）进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。在数控程序验证后，将设计加工制造程序所产生的CL DATA，经Pro/NCPOST进行数据的转换，可直接得到适用于实际加工所需的NC CODE。

图5 连杆加工过程仿真

    依照Pro/NC设计加工程序的流程，连杆平面的加工过程仿真如图5所示。

5 结束语

    本文对连杆零件的特征进行较合理的规划和设计，并以此为基础，构造了其信息模型，利用Pro/NC模块完成连杆的加工仿真与自动编程，验证了基于特征减造型方法的正确性，基本实现连杆CAD/CAM的集成，提高设计效率。