船用柴油机结构件的CAD/CAM集成系统开发研究

0 引言

       我国造船业发展迅速，各种功能和型号的军用舰艇、商用船舶的下水量持续增长，与此同时，我国在船舶制造业的核心领域—柴油发动机制造上却一直依赖进口，远远落后于欧美等发达国家。究其原因，船用柴油发动机的内部结构非常复杂，各个零件之间的配合精度非常高，且柴油机零部件的加工工艺难度大、精度高，再加上外国企业的技术封锁与孤立，这些都使我国的船用柴油机加工、制造处于落后地位。

       船用柴油主机的零部件加工不仅对加工设备有很高的要求，还对操作人员、数控编程技术等有很高的要求。近年来，基于计算机的CAD/CAM/CAPP技术发展迅速，在零部件加工、制造领域的应用越来越广泛。

       本文针对船用柴油主机的结构件加工问题，同时结合CAD/CAM技术和特征提取技术，对柴油主机结构件的自动化加工进行了系统的研究，并开发了一种CAD/CAM数控集成系统，对提高结构件加工效率、加工精度等有重要作用。

1 CAD/CAM技术的发展与研究现状

       CAD/CAM技术是指在计算机的辅助下完成零件的设计和制造过程，利用计算机强大的数据处理、运算能力，CAD/CAM技术可以实现海量数字信息、图像信息的处理，是提高工业的自动化水平的有力武器，在世界范围内得到广泛的应用。下面分别对CAD技术和CAM技术进行介绍：

       1）CAD技术

       计算机辅助设计是指结构开发工程人员利用计算机的绘图、计算、求解等功能，对结构件进行总体设计和分析，并生成相应的技术文档。CAD克服了传统制造业中设计与制造不能并行作业的缺点，使基于尺寸驱动和特征约束的参数化设计成为可能。

       2）CAM技术

       CAM技术的核心为计算机辅助的数控加工，该技术的出现对提高零件加工的自动化、智能化水平有重要的作用，也是CAD/CAM系统能发挥效益的关键环节。

       CAD/CAM集成系统具有重要的价值，并指导未来的加工制造业发展方向，CAD/CAM集成系统的发展趋势包括：

       1）专家系统：随着CAD/CAM集成系统的智能化程度提高，集成系统不断累积加工经验和零部件设计经验，并逐渐发展成为一个具有推理和判断能力的专家系统。

       2）信息化：在未来，互联网技术延伸到加工制造业的每个角落，使CAD/CAM集成系统的各部分之间通信能力增强，信息化程度大幅提高。系统应从以前的具有单一的、独立的功能，逐步向集成的方向发展，使得产品从设计阶段就开始考虑信息的集成。

       3）集成化：随着设备和机床的集成化发展，CAD/CAM系统的各子系统由相对独立逐渐向集成化方向发展。

图1 CAD/CAM集成系统的组成图

       图1为CAD/CAM集成系统组成图。由图1可知，CAD/CAM集成系统由工作站、数据通信中心、数控程序等组成。

2 船用柴油机结构件的CAD/CAM集成系统开发

       2.1 船用柴油机结构件特征提取

       结构件的特征是指从设计到加工过程中涉及的工艺、参数等信息，是结构件的数控加工基础。要想实现船用柴油主机结构件的CAD/CAM加工，就必须对柴油主机结构件进行特征提取，主要包含以下几个方面：

       1）材料特征：柴油主机结构件的材料特征包括材料类型、淬火工艺、热处理工艺、弹性模量等，一般活塞缸材料为合金铸铁，也有的采用陶瓷材料。

       2）工艺特征：主要包括柴油机结构件的表面粗糙度要求、圆度等工艺信息。

       3）形状特征：指结构件的尺寸和公差，对于尺寸驱动的加工来说，形状特征非常重要。

       4）装配特征：船用柴油主机的配合件非常多，配合精度也各不相同，因此结构件之间的装配关系非常重要。

       特征提取的流程如图2所示。

图2 结构件特征提取流程图

       需要注意的是，在进行柴油主机结构件特征提取的同时，还应建立相应的设计模型和结合模型，并随着特征提取的深入建立补充模型，对结合模型进行改进。

       2.2 CAD/CAM集成系统的整体框架设计

       本研究在NX软件平台上建立了CAD/CAM柴油机结构件的数控加工平台，该CAD/CAM集成系统以NX数据库为基础，对柴油机结构件进行特征提取和参数化建模，并完成结构件的自动化加工过程。

       该柴油主机结构件的CAD/CAM集成加工系统原理如图3所示。

图3 柴油主机结构件的CAD/CAM加工系统

       该系统主要分为3层：NX开发平台、CAD/CAM/CAPP和数据库层。其中，CAD部分包括二维模型设计、结构件特征提取、工艺信息提取等；CAM部分包括信息输入、加工决策、工艺输入等；CAPP部分包括程序设计和后处理；数据库包括材料数据库、工艺数据库和刀具数据库等。

       整个柴油主机结构件的CAD/CAM加工系统的工作过程如下：

       Step 1 结构件信息处理。

       结构件的信息处理从系统输入端进入，包括加工过程所需的所有信息：几何参数、工艺信息、加工精度等，这些信息经过系统的处理后进入下一加工阶段。

       Step 2 模型建立。

       该阶段主要在NX内部环境中完成，主要参考来自信息处理中心的结构件信息。

       Step 3 加工刀轨规划阶段。

       根据柴油机结构件的加工特征，CAD/CAM加工系统可以自动规划和生成结构件的加工刀轨。NX数据库中含有数量众多的刀轨规划算法，可以满足复杂结构件的加工要求。

       Step 4 结构件的加工刀轨仿真。

       Step 5 用户界面的加工文档输出，主要以二维加工图、表格等形式输出。

       CAD/CAM集成加工系统的流程如图4所示。

图4 CAD/CAM集成系统的结构件加工流程

3 结语

       近年来，基于计算机和数控技术的机械零部件加工逐渐发展起来，并应用于船舶零部件的加工中。本文针对船用柴油主机的复杂结构件加工问题，利用CAD/CAM技术，完成了柴油主机结构件自动化加工的集成系统开发，提高了船用柴油机结构件的加工效率和加工精度。