滾動軸承CAD/CAM集成系統的開發
2014-07-16
1引言
滾動軸承為常用的標準件，其設計與制造具有特有的特點:①軸承產品設計與工藝設計復雜，計算工作量極大，易出錯，但其數學模型相對統一，設計流程標準化程度高，特別適合于應用計算機輔助設計。② 軸承制造為大批量流水式生產，同一種型號的產品一次投產幾萬套、幾十萬套，生產中重復環節較多，易于實現計算機輔助管理;③軸承制造過程中，由于生產工序多、工藝流程復雜，且每一種工序都有嚴格的規定和檢驗記錄，信息交換量大，因此特別需要計算機輔助管理。開發滾動軸承的CAD/CAM集成系統，對提升企業的生產技術與管理水平，縮短產品開發周期具有積極的促進作用。
本文基于某企業軸承產品開發實際流程，以計算機輔助為手段，開展軸承CAD/CAM集成系統的開發研究。首先對系統結構進行了探討;其次介紹了該系統的產品開發流程;最后就對系統的具體軟件開發中關鍵技術進行了研討。
2 系統功能與結構
2.1系統功能要求
根據軸承產品開發實際，滾動軸承CAD/CAM集成系統應能滿足以下產品開發功能要求:
(1)可完成標準或非標準滾動軸承產品的設計。自動完成新產品的結構設計計算，并依據相關技術標準自動查詢各零件的尺寸公差、表面粗糙度和形位公差的數據;依據計算和查詢結果自動生成產品裝配與零件設計圖紙，且設計的圖紙必要時可人工修改，并保持圖紙與數據庫內的數據統一。
(2)可根據各類零件加工工藝技術標準，自動查詢工藝數據，設計軸承加工工藝;自動生成各零件加工工藝圖紙文件，且設計的圖紙必要時可人工修改，并保持數據的唯一性。
(3)應具有功能完備的產品數據管理功能。依據產品設計和工藝設計需要建立數據庫系統;并具有功能完備的數據庫管理系統，可方便進行數據查詢、修改、增刪等操作。
(4)系統要有良好的人機界面，可方便地進行滾動軸承產品的集成設計。
2.2系統結構
系統主要由控制模塊、設計功能模塊、數據庫管理模塊和數據庫系統組成。
2.2.1 系統控制模塊
通過系統的人機界面，依據企業產品開發過程，協調各模塊運行，統一管理各模塊數據流，以完成產品CAD/CAM過程。
2.2.2 設計功能模塊
設計功能模塊，由初始化、CAD和CAM三個子模塊組成，其中CAD模塊和cAM模塊分別完成軸承產品設計和加工工藝設計，是產品開發系統的核心。
2.2.3 編輯功能模塊
編輯功能模塊是提供集成產品設計和工藝編輯環境。當產品完成CAD設計與加工工藝設計結束后，若需要對部分數據進行修改，可通過編輯模塊所提供的基于設計圖模板的用戶接口，對數據進行修改，所修改的數據可直接存人數據庫。
2.2.4 數據庫管理模塊和數據庫系統軸承
CAD/CAM集成系統包括:實際產品數據庫、軸承設計標準數據庫、軸承工藝標準數據庫。數據庫管理模塊用于各數據庫的數據查詢、增加、刪除和修改等功能。
3 產品開發流程
基于上述系統結構設計，同時考慮與企業現有產品設計及工藝設計模式的銜接。當企業工程技術人員接到一個產品開發任務后，可將CAD/CAM集成系統啟動，首先通過系統的CAD模塊，按圖2流程完成產品結構設計，其次利用系統的CAM模塊。所有產品開發工作均在集成系統內完成，從而實現了軸承產品開發的過程集成與信息集成，提高了產品開發效率和組織管理水平。
3.1 CAD模塊工作流程
首先，設計人員要查詢待設計產品是否企業己設計過，若已設計過，則需再判斷原設計產品是否符合待設計產品的要求，從而決定是否重新設計。要完成這個功能，系統提供了相應的輸人界面和產品數據庫。輸人界面可輸人要設計產品的型號及精度等級。系統將輸入的軸承型號和精度等級組合，形成產品ID號，查詢產品數據庫，若產品數據庫沒有該產品的相關記錄，則轉人輸入設計參數界面，開始新的產品設計;若產品數據庫有該產品的相關記錄，則反饋該產品已存在信息，并將該產品的主要參數列表，以供產品設計人員核對，決定是否修改，若產品設計人員確定不修改，則此產品設計結束轉人產品參數輸出，否則轉人的參數輸入界面，進行產品修改設計。在此階段系統根據輸入的參數、結構設計計算模型，以及調用相關的產品標準數據庫的數據(標準結構參數、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等)自動進行計算需要的其它參數，計算完后轉入驗算階段，系統根據產品設計人員輸入的約束條件對計算后的結果進行驗算，并返回驗算結果，若不合格則轉回參數輸入界面，對產品部分參數進行修改。驗算合格后，就完成產品設計計算的任務，就可將該產品的所有相關參數存入產品數據庫，并輸出設計結果(設計說明書輸出、產品圖紙繪制)。經產品設計人員核對后，若還需對產品做局部的修改，可在系統的編輯模塊進行修改，以滿足特殊客戶的要求。至此產品設計人員就完成了滾動軸承產品的CAD任務，可轉入滾動軸承產品的CAM任務。
3.2 CAM模塊工作流程
工藝設計人員根據CAD模塊設計的產品數據，以及企業工藝標準進行工藝設計。工藝設計人員在接到設計任務后，可在系統的輸人界面輸人軸承型號及等級，系統根據此數據查詢產品數據庫，若產品不存在，則轉人CAD模塊，開始產品結構設計;否則查詢是否該產品有工藝設計數據存在，若有則輸出該產品的工藝設計結果;若沒有設計，則對該產品的內外套圈、保持架等各零部件分別進行工藝設計，設計完后將該產品的所有工藝參數存人產品數據庫，并輸出工藝(工藝圖紙繪制)，經工藝設計人員核對后，若還需對產品做局部的修改，可在系統的編輯模塊進行修改，以滿足部分產品對工藝要求的特殊性。
4 系統的軟件實現
4.1 開發工具
系統采用面向對象的可視化編程工具軟件Mirosoftvisualstudio.NetBasiC作為開發工具。VB.NET 提供了大量控件，可用于設計界面和實現各種功能，并可方便地使用其所提供的ADO對象1。利用ADO創建數據源類的數據綁定功能和數據源連接，對開發本文系統的產品設計模塊、圖形生成模塊，以及數據管理模塊起著重要的支持作用。
因設計系統時最初僅定位于單個用戶，故采用Acess20O3數據庫系統，分別建立產品設計標準數據庫BearCADStd.mdb、工藝設計標準數據庫BearCAMStd.mdb、產品數據庫Bearing.mdb，并將數據庫建成關系型數據庫系統，在數據庫中存儲著相應的產品設計標準、工藝設計標準和有關產品的各種數據等，通過ADO對象及控件編程訪問這些數據，實現直接從數據源中檢索數據。AutoCAD 具有強大的繪圖及圖形自動生成功能，運用vB對AutoCAD基于ActivexAutomation的二次開發技術，可實現從外部程序化控制AutoCAD對象。
4.2 關鍵技術
軸承產品開發CAD目前主要有四種實現方式，即交互式、變異式、模塊化和參數化式，這四種方式各有所長121。由于滾動軸承生產具有標準化、系列化等實際特點，本系統將采用已相對成熟的參數化軸承設計方式1510
由于滾動軸承的加工工藝方案工廠已實現了標準化，系統采用自動工藝設計方式14]。軸承產品開發CAM的主要內容有工藝參數計算、工藝方案制定、設備選取、工裝的選用和工藝卡片的繪制。其中工藝參數可以通過工藝標準數據庫，以及結合相關計算模型獲得。對于具體產品所采用加工的方案，則是根據該產品的結構和外形尺寸來進行，因此可以把標準加工方案和應用規則存儲到工藝標準數據庫，用于工藝方案設計。設備的選取與加工方案的選用比較類似，需要建立加工設備和選用規則庫。工裝和檢具選用是根據加工方案以及外形尺寸來確定的，所以可以建立工裝的選用關系庫來存儲工裝的選用規則。綜上所述，可以通過建立公式庫、規則庫，以及模板庫的方法，把滾動軸承的工藝設計過程信息化。配合適當的公式計算和規則解析模塊，就可以實現滾動軸承工藝設計自動化。
基于上述的系統實現策略，其軟件開發的主要涉及以下關鍵技術。
4.2.1 開發應用程序與數據庫間通信的實現
本系統使用ADO方式實現應用程序與Acces數據庫間的通信。ADO是當前Microsoft所支持的數據資源進行操作的最有效、最簡單的方法，由于ADO的面向對象特性，使ADO較DAO或RDO更靈活，并提供有標準的COM接口。ADO提供了訪問從文本文件到Excel文檔、SQLserver、Acess等各種資源的手段，是通過編程訪問外部數據源的最佳方法，為有效訪問本地和遠程數據源提供新的接口。本系統引用MicrosoftActiveX data Objects 2.6 library，使用Microsoft.Jet.OLEDB.4.0數據引擎。
.2.2 產品圖與工藝圖的生成
該模塊是運用VisualBasiC對AutoCAD基于ActiveX Automation的二次開發技術實現的。AutoCAD Activex Automation為其它應用程序提供了訪問AutocAD內部功能的方法，通過創建一個AutoCAD.acad Application對象，然后為每一個產品零部件、工藝圖創建相應的繪圖類，利用CAD相應對象的事件、函數、屬性，實現圖框、圖形、形位公差等標注。由于同類滾動軸承的圖形是相似的，只是尺寸、公差及其它的一些參數存在差異，為了簡化設計，使圖面整潔清晰，本系統采用模板形式，即預先將相關的產品、工藝圖形制成相應的模板，當某種型號產品進行設計生成圖紙時，可調用相關的模板，通過查找模板上各參數的ID，將產品數據庫Bearing.mdb的數據寫人圖紙，即完成圖紙的生成。
4.2.3 用戶數據與產品數據管理技術
軸承CAD/CAM系統的數據除產品設計和工藝數據外，還包括用戶管理、流程控制等數據，用戶管理和流程控制是CAD/CAM系統實現產品發關鍵。其中，用戶數據管理主要包括用戶注冊、用戶權限(查詢、修改)等管理。當某個用戶被分配一定權限后，就可對數據庫進行權限范圍內的操作(如查詢產品、工藝數據及修改產品數據庫、相關標準數據庫等)，通過一定的界面(如用戶登入界面、查詢界面、修改界面等)來實現數據庫的數據維護;流程控制管理是首先對數據庫中的不同用戶指定一定角色，其次將產品開發過程劃分成不同的功能單元，最后再將開發單元指定相應的角色來完成，這樣在實際產品開發過程中，用戶根據自己所承擔的角色，便能激活相應的設計功能單元，來完成相應的產品開發工作。另外，產品庫主要涉及對產品數據和工藝數據的利用，對企業的經營活動以及實現材料定額管理等具有重要的意義。當企業技術進一步發展時，可對本系統進行升級最終實現產品數據管理(PDM)，提高企業的管理水平。
5 結束語
軸承CAD/CAM集成開發系統通過產品開發過程的信息集成和過程集成，解決軸承產品開發過程中，傳統開發方法設計過程煩瑣、結果易出錯等問題。系統經實際運行后，輸出的結果準確規范，軟件操件簡單易懂，界面符合企業工程設計人員的要求，以兼顧了企業原有的運作模式，運行穩定。應用該軟件后，有效地提高了工程技術人員的工作效率及技術文件的準確性、規范性，產生了顯著技術、經濟效益。
滾動軸承為常用的標準件，其設計與制造具有特有的特點:①軸承產品設計與工藝設計復雜，計算工作量極大，易出錯，但其數學模型相對統一，設計流程標準化程度高，特別適合于應用計算機輔助設計。② 軸承制造為大批量流水式生產，同一種型號的產品一次投產幾萬套、幾十萬套，生產中重復環節較多，易于實現計算機輔助管理;③軸承制造過程中，由于生產工序多、工藝流程復雜，且每一種工序都有嚴格的規定和檢驗記錄，信息交換量大，因此特別需要計算機輔助管理。開發滾動軸承的CAD/CAM集成系統，對提升企業的生產技術與管理水平，縮短產品開發周期具有積極的促進作用。
本文基于某企業軸承產品開發實際流程，以計算機輔助為手段，開展軸承CAD/CAM集成系統的開發研究。首先對系統結構進行了探討;其次介紹了該系統的產品開發流程;最后就對系統的具體軟件開發中關鍵技術進行了研討。
2 系統功能與結構
2.1系統功能要求
根據軸承產品開發實際，滾動軸承CAD/CAM集成系統應能滿足以下產品開發功能要求:
(1)可完成標準或非標準滾動軸承產品的設計。自動完成新產品的結構設計計算，并依據相關技術標準自動查詢各零件的尺寸公差、表面粗糙度和形位公差的數據;依據計算和查詢結果自動生成產品裝配與零件設計圖紙，且設計的圖紙必要時可人工修改，并保持圖紙與數據庫內的數據統一。
(2)可根據各類零件加工工藝技術標準，自動查詢工藝數據，設計軸承加工工藝;自動生成各零件加工工藝圖紙文件，且設計的圖紙必要時可人工修改，并保持數據的唯一性。
(3)應具有功能完備的產品數據管理功能。依據產品設計和工藝設計需要建立數據庫系統;并具有功能完備的數據庫管理系統，可方便進行數據查詢、修改、增刪等操作。
(4)系統要有良好的人機界面，可方便地進行滾動軸承產品的集成設計。
2.2系統結構
系統主要由控制模塊、設計功能模塊、數據庫管理模塊和數據庫系統組成。
2.2.1 系統控制模塊
通過系統的人機界面，依據企業產品開發過程，協調各模塊運行，統一管理各模塊數據流，以完成產品CAD/CAM過程。
2.2.2 設計功能模塊
設計功能模塊，由初始化、CAD和CAM三個子模塊組成，其中CAD模塊和cAM模塊分別完成軸承產品設計和加工工藝設計，是產品開發系統的核心。
2.2.3 編輯功能模塊
編輯功能模塊是提供集成產品設計和工藝編輯環境。當產品完成CAD設計與加工工藝設計結束后，若需要對部分數據進行修改，可通過編輯模塊所提供的基于設計圖模板的用戶接口，對數據進行修改，所修改的數據可直接存人數據庫。
2.2.4 數據庫管理模塊和數據庫系統軸承
CAD/CAM集成系統包括:實際產品數據庫、軸承設計標準數據庫、軸承工藝標準數據庫。數據庫管理模塊用于各數據庫的數據查詢、增加、刪除和修改等功能。
3 產品開發流程
基于上述系統結構設計，同時考慮與企業現有產品設計及工藝設計模式的銜接。當企業工程技術人員接到一個產品開發任務后，可將CAD/CAM集成系統啟動，首先通過系統的CAD模塊，按圖2流程完成產品結構設計，其次利用系統的CAM模塊。所有產品開發工作均在集成系統內完成，從而實現了軸承產品開發的過程集成與信息集成，提高了產品開發效率和組織管理水平。
3.1 CAD模塊工作流程
首先，設計人員要查詢待設計產品是否企業己設計過，若已設計過，則需再判斷原設計產品是否符合待設計產品的要求，從而決定是否重新設計。要完成這個功能，系統提供了相應的輸人界面和產品數據庫。輸人界面可輸人要設計產品的型號及精度等級。系統將輸入的軸承型號和精度等級組合，形成產品ID號，查詢產品數據庫，若產品數據庫沒有該產品的相關記錄，則轉人輸入設計參數界面，開始新的產品設計;若產品數據庫有該產品的相關記錄，則反饋該產品已存在信息，并將該產品的主要參數列表，以供產品設計人員核對，決定是否修改，若產品設計人員確定不修改，則此產品設計結束轉人產品參數輸出，否則轉人的參數輸入界面，進行產品修改設計。在此階段系統根據輸入的參數、結構設計計算模型，以及調用相關的產品標準數據庫的數據(標準結構參數、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等)自動進行計算需要的其它參數，計算完后轉入驗算階段，系統根據產品設計人員輸入的約束條件對計算后的結果進行驗算，并返回驗算結果，若不合格則轉回參數輸入界面，對產品部分參數進行修改。驗算合格后，就完成產品設計計算的任務，就可將該產品的所有相關參數存入產品數據庫，并輸出設計結果(設計說明書輸出、產品圖紙繪制)。經產品設計人員核對后，若還需對產品做局部的修改，可在系統的編輯模塊進行修改，以滿足特殊客戶的要求。至此產品設計人員就完成了滾動軸承產品的CAD任務，可轉入滾動軸承產品的CAM任務。
3.2 CAM模塊工作流程
工藝設計人員根據CAD模塊設計的產品數據，以及企業工藝標準進行工藝設計。工藝設計人員在接到設計任務后，可在系統的輸人界面輸人軸承型號及等級，系統根據此數據查詢產品數據庫，若產品不存在，則轉人CAD模塊，開始產品結構設計;否則查詢是否該產品有工藝設計數據存在，若有則輸出該產品的工藝設計結果;若沒有設計，則對該產品的內外套圈、保持架等各零部件分別進行工藝設計，設計完后將該產品的所有工藝參數存人產品數據庫，并輸出工藝(工藝圖紙繪制)，經工藝設計人員核對后，若還需對產品做局部的修改，可在系統的編輯模塊進行修改，以滿足部分產品對工藝要求的特殊性。
4 系統的軟件實現
4.1 開發工具
系統采用面向對象的可視化編程工具軟件Mirosoftvisualstudio.NetBasiC作為開發工具。VB.NET 提供了大量控件，可用于設計界面和實現各種功能，并可方便地使用其所提供的ADO對象1。利用ADO創建數據源類的數據綁定功能和數據源連接，對開發本文系統的產品設計模塊、圖形生成模塊，以及數據管理模塊起著重要的支持作用。
因設計系統時最初僅定位于單個用戶，故采用Acess20O3數據庫系統，分別建立產品設計標準數據庫BearCADStd.mdb、工藝設計標準數據庫BearCAMStd.mdb、產品數據庫Bearing.mdb，并將數據庫建成關系型數據庫系統，在數據庫中存儲著相應的產品設計標準、工藝設計標準和有關產品的各種數據等，通過ADO對象及控件編程訪問這些數據，實現直接從數據源中檢索數據。AutoCAD 具有強大的繪圖及圖形自動生成功能，運用vB對AutoCAD基于ActivexAutomation的二次開發技術，可實現從外部程序化控制AutoCAD對象。
4.2 關鍵技術
軸承產品開發CAD目前主要有四種實現方式，即交互式、變異式、模塊化和參數化式，這四種方式各有所長121。由于滾動軸承生產具有標準化、系列化等實際特點，本系統將采用已相對成熟的參數化軸承設計方式1510
由于滾動軸承的加工工藝方案工廠已實現了標準化，系統采用自動工藝設計方式14]。軸承產品開發CAM的主要內容有工藝參數計算、工藝方案制定、設備選取、工裝的選用和工藝卡片的繪制。其中工藝參數可以通過工藝標準數據庫，以及結合相關計算模型獲得。對于具體產品所采用加工的方案，則是根據該產品的結構和外形尺寸來進行，因此可以把標準加工方案和應用規則存儲到工藝標準數據庫，用于工藝方案設計。設備的選取與加工方案的選用比較類似，需要建立加工設備和選用規則庫。工裝和檢具選用是根據加工方案以及外形尺寸來確定的，所以可以建立工裝的選用關系庫來存儲工裝的選用規則。綜上所述，可以通過建立公式庫、規則庫，以及模板庫的方法，把滾動軸承的工藝設計過程信息化。配合適當的公式計算和規則解析模塊，就可以實現滾動軸承工藝設計自動化。
基于上述的系統實現策略，其軟件開發的主要涉及以下關鍵技術。
4.2.1 開發應用程序與數據庫間通信的實現
本系統使用ADO方式實現應用程序與Acces數據庫間的通信。ADO是當前Microsoft所支持的數據資源進行操作的最有效、最簡單的方法，由于ADO的面向對象特性，使ADO較DAO或RDO更靈活，并提供有標準的COM接口。ADO提供了訪問從文本文件到Excel文檔、SQLserver、Acess等各種資源的手段，是通過編程訪問外部數據源的最佳方法，為有效訪問本地和遠程數據源提供新的接口。本系統引用MicrosoftActiveX data Objects 2.6 library，使用Microsoft.Jet.OLEDB.4.0數據引擎。
.2.2 產品圖與工藝圖的生成
該模塊是運用VisualBasiC對AutoCAD基于ActiveX Automation的二次開發技術實現的。AutoCAD Activex Automation為其它應用程序提供了訪問AutocAD內部功能的方法，通過創建一個AutoCAD.acad Application對象，然后為每一個產品零部件、工藝圖創建相應的繪圖類，利用CAD相應對象的事件、函數、屬性，實現圖框、圖形、形位公差等標注。由于同類滾動軸承的圖形是相似的，只是尺寸、公差及其它的一些參數存在差異，為了簡化設計，使圖面整潔清晰，本系統采用模板形式，即預先將相關的產品、工藝圖形制成相應的模板，當某種型號產品進行設計生成圖紙時，可調用相關的模板，通過查找模板上各參數的ID，將產品數據庫Bearing.mdb的數據寫人圖紙，即完成圖紙的生成。
4.2.3 用戶數據與產品數據管理技術
軸承CAD/CAM系統的數據除產品設計和工藝數據外，還包括用戶管理、流程控制等數據，用戶管理和流程控制是CAD/CAM系統實現產品發關鍵。其中，用戶數據管理主要包括用戶注冊、用戶權限(查詢、修改)等管理。當某個用戶被分配一定權限后，就可對數據庫進行權限范圍內的操作(如查詢產品、工藝數據及修改產品數據庫、相關標準數據庫等)，通過一定的界面(如用戶登入界面、查詢界面、修改界面等)來實現數據庫的數據維護;流程控制管理是首先對數據庫中的不同用戶指定一定角色，其次將產品開發過程劃分成不同的功能單元，最后再將開發單元指定相應的角色來完成，這樣在實際產品開發過程中，用戶根據自己所承擔的角色，便能激活相應的設計功能單元，來完成相應的產品開發工作。另外，產品庫主要涉及對產品數據和工藝數據的利用，對企業的經營活動以及實現材料定額管理等具有重要的意義。當企業技術進一步發展時，可對本系統進行升級最終實現產品數據管理(PDM)，提高企業的管理水平。
5 結束語
軸承CAD/CAM集成開發系統通過產品開發過程的信息集成和過程集成，解決軸承產品開發過程中，傳統開發方法設計過程煩瑣、結果易出錯等問題。系統經實際運行后，輸出的結果準確規范，軟件操件簡單易懂，界面符合企業工程設計人員的要求，以兼顧了企業原有的運作模式，運行穩定。應用該軟件后，有效地提高了工程技術人員的工作效率及技術文件的準確性、規范性，產生了顯著技術、經濟效益。