面向對象的智能化FBM CAD系統(tǒng)

　　1 引 言

　　目前，耐火磚的模具設計方法一般分為：

　　(1)根據(jù)用戶的需求及工藝處理的要求手工設計模具零件的工作圖。該方法導致設計質量取決于設計人員的素質，不但降低了模具設計的精度等要求，而且質量不穩(wěn)定;

　　(2)采用先進的制造設備和工藝方法提高模具制造的效率和精度。

　　在FBM CAD(Firebriek Mould CAD)系統(tǒng)開發(fā)中，作者提出一種基于面向對象技術的耐火磚模具智能化設計方法，使用UML作為建模語言，運用Rational Rose作為CASE工具，將其貫穿于耐火磚模具CAD系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)分析、設計、實現(xiàn)等各個階段。實現(xiàn)了在用戶僅輸入成品耐火磚各項參數(shù)的情況下，系統(tǒng)自動生成零件工作圖，從而實現(xiàn)耐火磚模具設計的智能化。

    2 FBM CAD系統(tǒng)用例分析

　　用例是UML的一個重要模型元素。他定義和描述了系統(tǒng)的外部可見行為，是分析、設計直至組裝測試的重要依據(jù)。

　　2.1 FBM CAD系統(tǒng)角色、用例的識別

　　通過與用戶的密切合作及一系列的分析與調查識別耐火磚模具CAD系統(tǒng)的角色主要有：用戶、設計者、管理者、制造者、CAM系統(tǒng)及PDM系統(tǒng)等組成。用例主要包括：提出磚型要求、設置磚型參數(shù)、工藝處理、繪制板圖、圖形輸出、提供幫助、文檔輸出及人員信息管理等[1]。耐火磚模具CAD系統(tǒng)用例圖如圖1所示。

　　2.2 用活動圖建模事件流

　　為了進一步說明耐火磚模具CAD系統(tǒng)中的各用例的實現(xiàn)過程，對設置磚型參數(shù)、工藝處理、繪制板圖、圖形輸出等幾個典型用例通過其活動框圖建模事件流。受篇幅所限，這里僅列出工藝處理用例活動圖，如圖2所示。

　　3 "對象-&-類"的識別及FBM CAD系統(tǒng)動態(tài)分析

　　耐火磚模具的設計是基于耐火磚原型的，由于耐火磚系列化、標準化，使得能夠充分利用面向對象的機制。通過對問題描述、系統(tǒng)需求、用例模型、各用例活動圖(事件流)及耐火磚模具常規(guī)設計過程的分析，可以獲得FBMCAD系統(tǒng)包含以下類-&-對象：

　　(1)人員類-&-對象：設計者、制造者、管理者(銷售科)等。

　　(2)實體類-&-對象：耐火磚、耐火磚模具、邊板、堵板、底板、蓋板、凸塊、斜鐵等。

　　(3)邊界類-&-對象：耐火磚分類窗口、磚型選擇窗口、耐火磚參數(shù)窗口等。

　　(4)設計參考類-&-對象設計中需要用到的標準數(shù)據(jù)對象，如磚型判定文件等。

　　對于文檔類(對象)，也可以將其作為實體類或設計參考類(對象)的屬性來處理。

　　在耐火磚模具CAD系統(tǒng)分析中，采用先建立順序圖和合作圖，然后建立類圖的方法對系統(tǒng)進行動態(tài)分析。UML使用順序模型和合作模型來表示交互模型。其中順序模型側重于描述對象交互的時間特性，而合作模型則關注交互的對象的空間特性。采用Rational rose建立順序圖(合作圖)的同時，系統(tǒng)內部自動建立了與之對應的合作圖(順序圖)，并且可以在兩者之間進行任意切換。這里僅以"工藝處理"順序圖說明對FBM CAD系統(tǒng)中工藝處理部分的動態(tài)分析，如圖3所示。

　　4 類模型的建立

　　經過分析可以得出，在FBM CAD系統(tǒng)中存在以下主要的類：耐火磚類、模板類(包括蓋板類、底板類、邊板1類、邊板2類、堵板1類和堵板2類等)、各種窗口類、接口類及圖表、文檔類等。

　　從整個分析過程中，耐火磚類在系統(tǒng)中處于主導地位，按照拓撲同構理論對耐火磚的磚型結構進行分類，并將成品耐火磚和半成品耐火磚劃歸為同一個類--耐火磚類，根據(jù)接收消息的不同，分別由生成半成品磚的函數(shù)和生成成品磚的函數(shù)產生成品磚和半成品磚的實體[2]。

　　圖4為削角磚基類與派生類原理圖。

　　據(jù)此，建立了耐火磚類模型，如圖5所示(限于篇幅此處僅為縮略圖)。其他類模型，如半成品磚類模型、模具及其邊、堵、底、蓋、凸塊、斜鐵類模型可按照耐火磚類模型的建立方法及過程進行。

　　"耐火磚"類定義如下：

　　5 FBM CAD系統(tǒng)智能化的實現(xiàn)

　　在耐火磚模具的設計過程中，涉及到邊、堵、底、蓋等零件實體的生成，這些實體的生成都是以耐火磚的三維模型為基礎的。為了實現(xiàn)耐火磚模具設計過程的智能化，通過提取耐火磚相關面域信息來自動生成其模板的三維實體，進而生成模板的零件圖。為此，需建立耐火磚的頂點表和邊表，并按照模具設計的實際情況，借助鏈表指針建立各個面域的環(huán)狀鏈表，從而建立面域的相關數(shù)據(jù)結構，用指針來獲得生成耐火磚各模板的面域，經規(guī)則庫和推理器的分析和約束，由成品磚面域生成半成品磚的各模板的3D模型。本系統(tǒng)的模型圖如圖6所示。

　　規(guī)則庫是由廠家多年的生產經驗數(shù)據(jù)和行業(yè)規(guī)范構成的數(shù)據(jù)庫，包括在不同型號、不同材質下，各類耐火磚的成品磚與半成品磚的幾何關系，模具邊、堵、底、蓋板與半成品磚幾何尺寸問的關系，材質熱處理參數(shù)以及在各種情況下根據(jù)工藝要求計算各模板厚度的計算方法，各模板之間的裝配關系。規(guī)則庫是工藝計算的關鍵，推理器從規(guī)則庫中提取各模板的生成規(guī)則，分析模具的裝配關系，進而生成各模板的三維模型。三維模型不僅包含各模板的幾何信息，還必須包含各模板之間的裝配信息，是各模板在計算機中的映像。三維模型不僅是信息的記錄者，也是信息的維護者。各種信息之間存在著復雜的約束關系，他們之間的一致性由三維模型負責，當耐火磚的幾何尺寸改變時，與他有裝配關系的各模板也必須作出相應的修改，使裝配關系得以繼續(xù)保持。當然，這種裝配關系依靠程序設計者如何進行三維構造，以及工藝要求進行編程自動實現(xiàn)?？傊?，規(guī)則庫和推理器是本系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的核心。

　　由于在生產中每一基類磚的腔形模具的各模板加工工藝相同，其零件圖尺寸標注的設計、工藝、測量基準也相同，故系統(tǒng)針對每一基類設計了由其三維實體自動生成該類半成品磚模具各零件工作圖的程序，從而實現(xiàn)模具零件圖的自動生成。

　　最后，按照耐火磚的分類建立各基類的圖像塊菜單如圖7所示，用圖像塊菜單的形式讓用戶直觀地選取要設計的耐火磚模具。選取相應耐火磚類的處理圖像塊菜單，可以得到如圖8所示的耐火磚模具設計對話框。該對話框直觀的表明了這類耐火磚的處理方法，他包含了基本參數(shù)輸入、材質選擇、各模板繪制及該類磚的視圖等一些信息。用戶只需輸入相應的幾何參數(shù)和選取相應的材質，通過選取繪制各個板的按鈕，就可以得到一整套的模具零件工作圖，從而使得在設計過程盡可能地減少人工參與。

　　6 結 語

　　本系統(tǒng)以AutoCAD 2000為開發(fā)平臺，以RationalRose作為CASE工具，采用了面向對象的ObjectARX編程技術開發(fā)的開放型CAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對各種耐火磚的幾何及物理屬性進行了分類后，建立了系統(tǒng)整體框架。模具設計過程中，最大限度地減少了人工參與，初步實現(xiàn)了模具設計的智能化，并通過利用繼承與派生，使系統(tǒng)具有良好的可擴充性。