面向對象的智能化FBM CAD系統

　　1 引 言

　　目前，耐火磚的模具設計方法一般分為：

　　(1)根據用戶(hù)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(zhì)量取決于設計人員的素質(zhì)，不但降低了模具設計的精度等要求，而且質(zhì)量不穩定;

　　(2)采用先進(jìn)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)系統開(kāi)發(fā)中，作者提出一種基于面向對象技術(shù)的耐火磚模具智能化設計方法，使用UML作為建模語(yǔ)言，運用Rational Rose作為CASE工具，將其貫穿于耐火磚模具CAD系統的需求分析、系統分析、設計、實(shí)現等各個(gè)階段。實(shí)現了在用戶(hù)僅輸入成品耐火磚各項參數的情況下，系統自動(dòng)生成零件工作圖，從而實(shí)現耐火磚模具設計的智能化。

    2 FBM CAD系統用例分析

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

　　2.1 FBM CAD系統角色、用例的識別

　　通過(guò)與用戶(hù)的密切合作及一系列的分析與調查識別耐火磚模具CAD系統的角色主要有：用戶(hù)、設計者、管理者、制造者、CAM系統及PDM系統等組成。用例主要包括：提出磚型要求、設置磚型參數、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系統用例圖如圖1所示。

　　2.2 用活動(dòng)圖建模事件流

　　為了進(jìn)一步說(shuō)明耐火磚模具CAD系統中的各用例的實(shí)現過(guò)程，對設置磚型參數、工藝處理、繪制板圖、圖形輸出等幾個(gè)典型用例通過(guò)其活動(dòng)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(dòng)圖，如圖2所示。

　　3 "對象-&-類(lèi)"的識別及FBM CAD系統動(dòng)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(guò)對問(wèn)題描述、系統需求、用例模型、各用例活動(dòng)圖(事件流)及耐火磚模具常規設計過(guò)程的分析，可以獲得FBMCAD系統包含以下類(lèi)-&-對象：

　　(1)人員類(lèi)-&-對象：設計者、制造者、管理者(銷(xiāo)售科)等。

　　(2)實(shí)體類(lèi)-&-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(lèi)-&-對象：耐火磚分類(lèi)窗口、磚型選擇窗口、耐火磚參數窗口等。

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

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

　　在耐火磚模具CAD系統分析中，采用先建立順序圖和合作圖，然后建立類(lèi)圖的方法對系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。UML使用順序模型和合作模型來(lái)表示交互模型。其中順序模型側重于描述對象交互的時(shí)間特性，而合作模型則關(guān)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(shí)，系統內部自動(dòng)建立了與之對應的合作圖(順序圖)，并且可以在兩者之間進(jìn)行任意切換。這里僅以"工藝處理"順序圖說(shuō)明對FBM CAD系統中工藝處理部分的動(dòng)態(tài)分析，如圖3所示。

　　4 類(lèi)模型的建立

　　經(jīng)過(guò)分析可以得出，在FBM CAD系統中存在以下主要的類(lèi)：耐火磚類(lèi)、模板類(lèi)(包括蓋板類(lèi)、底板類(lèi)、邊板1類(lèi)、邊板2類(lèi)、堵板1類(lèi)和堵板2類(lèi)等)、各種窗口類(lèi)、接口類(lèi)及圖表、文檔類(lèi)等。

　　從整個(gè)分析過(guò)程中，耐火磚類(lèi)在系統中處于主導地位，按照拓撲同構理論對耐火磚的磚型結構進(jìn)行分類(lèi)，并將成品耐火磚和半成品耐火磚劃歸為同一個(gè)類(lèi)--耐火磚類(lèi)，根據接收消息的不同，分別由生成半成品磚的函數和生成成品磚的函數產(chǎn)生成品磚和半成品磚的實(shí)體[2]。

　　圖4為削角磚基類(lèi)與派生類(lèi)原理圖。

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

　　"耐火磚"類(lèi)定義如下：

　　5 FBM CAD系統智能化的實(shí)現

　　在耐火磚模具的設計過(guò)程中，涉及到邊、堵、底、蓋等零件實(shí)體的生成，這些實(shí)體的生成都是以耐火磚的三維模型為基礎的。為了實(shí)現耐火磚模具設計過(guò)程的智能化，通過(guò)提取耐火磚相關(guān)面域信息來(lái)自動(dòng)生成其模板的三維實(shí)體，進(jìn)而生成模板的零件圖。為此，需建立耐火磚的頂點(diǎn)表和邊表，并按照模具設計的實(shí)際情況，借助鏈表指針建立各個(gè)面域的環(huán)狀鏈表，從而建立面域的相關(guān)數據結構，用指針來(lái)獲得生成耐火磚各模板的面域，經(jīng)規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。本系統的模型圖如圖6所示。

　　規則庫是由廠(chǎng)家多年的生產(chǎn)經(jīng)驗數據和行業(yè)規范構成的數據庫，包括在不同型號、不同材質(zhì)下，各類(lèi)耐火磚的成品磚與半成品磚的幾何關(guān)系，模具邊、堵、底、蓋板與半成品磚幾何尺寸問(wèn)的關(guān)系，材質(zhì)熱處理參數以及在各種情況下根據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(guān)系。規則庫是工藝計算的關(guān)鍵，推理器從規則庫中提取各模板的生成規則，分析模具的裝配關(guān)系，進(jìn)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(zhù)復雜的約束關(guān)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(shí)，與他有裝配關(guān)系的各模板也必須作出相應的修改，使裝配關(guān)系得以繼續保持。當然，這種裝配關(guān)系依靠程序設計者如何進(jìn)行三維構造，以及工藝要求進(jìn)行編程自動(dòng)實(shí)現?？傊?，規則庫和推理器是本系統實(shí)現智能化的核心。

　　由于在生產(chǎn)中每一基類(lèi)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，故系統針對每一基類(lèi)設計了由其三維實(shí)體自動(dòng)生成該類(lèi)半成品磚模具各零件工作圖的程序，從而實(shí)現模具零件圖的自動(dòng)生成。

　　最后，按照耐火磚的分類(lèi)建立各基類(lèi)的圖像塊菜單如圖7所示，用圖像塊菜單的形式讓用戶(hù)直觀(guān)地選取要設計的耐火磚模具。選取相應耐火磚類(lèi)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(huà)框。該對話(huà)框直觀(guān)的表明了這類(lèi)耐火磚的處理方法，他包含了基本參數輸入、材質(zhì)選擇、各模板繪制及該類(lèi)磚的視圖等一些信息。用戶(hù)只需輸入相應的幾何參數和選取相應的材質(zhì)，通過(guò)選取繪制各個(gè)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(guò)程盡可能地減少人工參與。

　　6 結 語(yǔ)

　　本系統以AutoCAD 2000為開(kāi)發(fā)平臺，以RationalRose作為CASE工具，采用了面向對象的ObjectARX編程技術(shù)開(kāi)發(fā)的開(kāi)放型CAD系統，該系統針對各種耐火磚的幾何及物理屬性進(jìn)行了分類(lèi)后，建立了系統整體框架。模具設計過(guò)程中，最大限度地減少了人工參與，初步實(shí)現了模具設計的智能化，并通過(guò)利用繼承與派生，使系統具有良好的可擴充性。