零件信息的描述与输入

5.1.1 零件信息描述的要求和内容

1）基本要求

零件信息描述与输入是CAPP系统工作的基础，且零件信息描述的准确性、科学性和完整性将直接影响工艺设计的质量、可靠性和效率。零件信息描述的关键是零件特征信息标识，即以数代形（代码化）；零件信息输入的关键是设计友好的人机界面和数据存储结构，最好从CAD系统中直接提取零件信息，这也是CAD/CAPP集成的关键。因此，对零件信息描述提出以下基本要求：零件信息描述应准确、简明、完整，满足CAPP需要，并与生产实际要求一致；易被工程技术人员理解和掌握，便于输入操作；易被计算机系统识别、接受和处理；尽可能充分利用零件的相似性，减少信息输入量，冗余最小化；零件信息的数据结构要合理，易于工程技术人员编程，利于提高计算机处理效率，便于信息集成；零件信息要足以使CAPP系统生成合理的工艺规程；应与信息处理系统的工作方式相适应，满足后续处理要求，能方便地与其他系统如CAD、CAM连接；数据一致性好，满足CAD/CAM/CAT等信息共享需要，遵守统一的数据交换标准（STEP）和PDM等规定，使数据格式和数据管理统一起来。

2）描述内容

进行计算机辅助工艺过程设计时，零件必须同时具备几何信息、工艺信息和管理信息，在理想的CIMS中，CAD提供这三类信息，CAPP可直接进行。但目前CAD只提供零件的几何信息，因此工艺信息和管理信息必须通过其他途径输入。几何信息是零件信息中最基本的信息，包括几何形状及其各组成元素类别与拓扑关系、几何定形尺寸和定位尺寸。工艺信息属非几何信息，包括尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度、零件材料、热处理方法及技术要求、毛坯特征、配合或啮合关系等。管理信息又称表头信息，包括零件名称、图号、所属产品和部件、毛坯特征、生产批量、生产条件和设计者等。

5.1.2 图纸信息的描述与人机交互式输入

1）分类编码描述法与输入

分类（GT）编码描述法是开发得最早，也是比较成熟的方法。其基本思路是：按照预先制定或选用的GT分类编码系统对零件图上的信息进行编码，并将GT码输入计算机。这种GT码所表达的信息是计算机能够识别的，它简单易行，用其开发一般的派生式CAPP系统较方便，现在仍有许多CAPP系统采用此法。但这种方法也存在一些弊端，如无法完整地描述零件信息。当码位太长时，编码效率很低，容易出错，不便于CAPP系统与CAD的直接连接（集成）等，故不适用于集成化的CAPP系统及要求生成工序图与数控程序的CAPP系统。

2）语言描述与输入法

语言描述法是采用语言对零件各有关特征进行描述和识别，建立一套特定规则组成的语言描述系统。该方法的关键是开发一种计算机能识别的语言（类似于C语言等）来对零件信息进行描述，或者是建立一个语言描述表，用户采用这种语言规定的词汇、语句和语法对零件信息进行描述，然后由计算机编译系统对描述结果进行编译，形成计算机能够识别的零件信息代码。

采用语言文字对零件信息进行描述，与分类编码描述法类似，是一种间接的描述方法，对几何信息的描述只停留在特征层面上，同时需要工艺设计人员学习并掌握其语言，而且描述过程烦琐。

3）知识表示描述法

在人工智能技术（artificial intelligence，AI）领域，零件信息实际上就是一种知识或对象，所以原则上讲，可用人工智能中的知识描述方法来描述零件信息甚至整个产品的信息。一些CAPP系统尝试了用框架表示法、产生式规则表示法和谓词逻辑表示法等来描述零件信息，这些方法为整个系统的智能化提供了良好的前提和基础。在实际应用中，这种方法常与特征技术相结合，而且知识的产生应是自动的或半自动的，即应能直接将CAD系统输出的基于特征的零件信息自动转化为知识的表达形式，这种知识表达方法才更有意义。

4）基于形状特征或表面元素的描述与输入法

任何零件都由一个或若干个形状特征（或表面元素）组成，这些形状特征可以是圆柱面、圆锥面、螺纹面、孔、凸台、槽等。例如：光滑钻套由一个外圆柱面、一个内圆柱面、两个端面和四个倒角组成；一个箱体零件可以分解成若干个面，每一个面又由若干个尺寸与加工要求不同的内圆表面和辅助孔（如螺纹孔、螺栓孔、销孔等）及槽、凸台等组成。这种方法要求将组成零件的各个形状特征按一定顺序逐个输入到计算机中去，输入过程由计算机界面引导，并将这些信息按事先确定的数据结构进行组织，在计算机内部形成所谓的零件模型。这种方法的优点在于：

（1）机械零件上的表面元素与其加工方法是相对应的，计算机可以以此为基础推出零件由哪些表面元素组成，这样就能很方便地从工艺知识库中搜索出与这些表面相对应的加工方法，从而可以以此为基础推出整个零件的加工方法。

（2）这些表面为尺寸、公差、粗糙度乃至热处理的标注提供了方便，从而为工序设计、尺寸链计算及工艺路线的合理安排提供了必要的信息。因此，这种方法在很多CAPP系统中得到了应用。

以上几种方法尽管各有优点，但都存在一个共同的弊病：需要人对零件图样进行识别和分析，即需要人工对设计的零件图进行二次输入。因为输入过程费时费力，且容易出错，所以在生产中工艺人员不愿意使用这些方法。最理想的方法是直接从CAD系统中提取信息。

5.1.3 从CAD系统直接输入零件信息

1）特征识别法

设计者在用CAD绘图系统画好产品或零件图之后，CAD系统会用一定格式的文件记录设计结果，最常见的文件有DWG文件和DXF文件等。这些文件所包含的一般是点、线、面及它们之间的拓扑关系等底层的信息，这些信息能够满足CAD系统进行产品或零件图绘制的需求，但不能满足CAPP系统对零件信息的需求。CAPP所关心的是零件由哪些几何表面或形状特征组成，以及这些特征的尺寸、公差、粗糙度等工艺信息。特征识别法就是要对CAD的输出结果进行分析，按一定的算法识别、抽取出CAPP系统能识别的基于特征的工艺信息。这显然是一种非常理想的方法，它无疑可以克服上述手工输入零件信息的种种弊端，实现零件信息向CAPP、CAM等系统的自动传输。但实践证明，这种方法有局限性，不通用，而且实现很困难。这主要是因为存在以下几个难点：①一般的CAD系统都是以解析几何作为绘图基础的，其绘图的基本单元是点、线、面等要素，输出的结果一般是点、线、面及它们之间的拓扑关系等信息，要从这些底层信息中抽取加工表面特征这样一些高层次的工艺信息非常困难；②在CAD的图形文件中，没有诸如公差、粗糙度、表面热处理等工艺信息，即使对这些信息进行了标注，也很难抽取出这些信息，更谈不上把它们和所依附的加工表面联系在一起；③目前CAD系统种类繁多，即使CAPP系统能接收一种CAD的系统输出的零件信息，也不一定能接收其他CAD系统输出的零件信息。

CAD系统的输出格式不但与绘图方式有关，更重要的是与CAD系统内部对产品或零件的描述与表达方式，即所谓的数据结构有关。要想从根本上解决上述难点，必须探索新的方法来实现CAD与CAPP，乃至CAD/CAPP/CAM的全面集成。

2）基于特征拼装的计算机绘图与零件信息的描述和输入方法

这种方法一般是以某种CAD系统为基础的。这种CAD系统的绘图基本单元是参数化的几何形状特征（或表面要素），如圆柱面、圆锥面、倒角、键槽等，而不是通常所用的点、线、面等要素。设计者采用这种系统绘图时，不是一条线一条线地绘制，而是一个特征一个特征地绘制，类似于用积木拼装形状各异的物体，所以也称特征拼装。设计者在拼装各个特征的同时，即赋予了各个形状特征（或几何表面）的尺寸、公差、粗糙度等工艺信息，其输出的信息也是以这些形状特征为基础来组织的。这种方法的关键是要建立基于特征的、统一的CAD/CAPP/CAM零件信息模型，并对特征进行总结分类，建立便于客户扩充与维护的特征类库。此外就是要解决特征编辑与图形编辑之间的关系，以及消隐等技术问题。目前这种方法已用于许多实用化CAPP系统之中，被认为是一种比较有前景的方法。

3）基于产品数据交换规范的产品建模与信息输入方法

要想从根本上实现CAD/CAPP/CAM的集成，最理想的方法是为产品建立一个完整的、语义一致的产品信息模型，以满足产品生命期各阶段（产品需求分析、工程设计、产品设计、加工、装配、测试、销售和售后服务）对产品信息的不同需求和保证对产品信息理解的一致性，使得各应用领域（如CAD、CAPP、CAM、CNC、MIS等领域）可以直接从该模型抽取所需信息。这个模型是用通用的数据结构规范来实现的。显然，只要各CAD系统对产品或零件的描述符合这个数据规范，其输出的信息既包含了点、线、面及它们之间的拓扑关系等底层的信息，又包含了几何形状特征及加工和管理等方面信息，那么CAD系统的输出结果就能被其下游工程，如CAPP、CAM等系统接收。近年来流行较广的是美国的PDES及国际标准化组织的STEP产品定义数据交换标准，另外还有法国的SET、美国的IGES、德国的VDAFS、英国的MEDV-SA和日本的TIPS等，其中最有应用前景的当属STEP。STEP支持完整的产品模型数据，不仅包括曲线、曲面、实体、形状特征等内在的几何信息，还包括许多非几何信息，如公差、材料、表面粗糙度、热处理信息等，它包括产品整个生命周期所需要的全部信息。目前STEP还在不断发展与完善之中。关于STEP的相关介绍见第7章7.1.2节。