【推荐】资料介绍.(一)

        EDMS在北汽福田公司的应用  
一、应用需求的产生
北汽福田公司在97年还是手工图板设计阶段，全部图样资料均为纸介质，由资料室统一人工管理。当工程技术人员要查询这此资料时，需要通过一定的手续向资料室借阅。随人员及设计项目的增多，此种查阅方式严重影响了设计效率，据统计设计人员进行查找所需图样资料的时间约占其总设计时间的20%。如何缩短这部分非增值的无效时间成为了提高设计效率，缩短开发周期的一个问题焦点。
我公司在98年初开始进行CAD应用方面的投入，在三个月内就实现了甩图板，极大地提高了设计效率。但同时，由于产品设计周期中产生的CAD文件大量进入计算机，并分散在每个人计算机的硬盘上，虽然在初期也采用了用服务器的文件夹形式进行管理，但未能从根本上解决问题，主要还存在以下几个方面的问题：
△ 文件查找困难。
△ 无法实现版本的管理
△ 安全保密无法保障
△ 数据共享实现困难
△ 电子图档与纸质图档的一致性难以保障
以上CAD数据管理中存在的问题，暴露了CAD技术的快速发展与落后数据管理手段之间的矛盾，并阻碍了CAD技术的进一步发展。解决这个矛盾的理想突破口就产品数据管理（PDM）。
二、北汽福田公司EDMS应用实施方案
PDM集成并管理与产品有关的信息、过程及人和组织。它以软件为基础，是一门管理所有与产品相关的信息（工程规范、电子文档、图像、CAD/CAE/CAM文件、产品结构等）及所有与产品相关的过程（包括工作流程、审批/发放过程、工程更改单等）的技术。
基本PDM常分为三个层次：面向图文档的管理（以文档及CAD为中心的文件管理）；以配置为中心的产品结构和BOM管理；工作流程的管理。
对于我公司来说，产品品种较多，数据量较大，而且设计部门分布于不同的地区（北京、山东、湖南），因此，非常适合上PDM系统。但PDM的实施难度较大，尤其是在工作流程的管理上，需改变现有的工作方法和方式，实施难度非常大。所以我公司在实施上应根据PDM的实施原则：效益驱动、总体规划、分步实施、重点突破，进行分阶段实施。
1.第一阶段应实现电子图样文档的管理
由于甩图板工程的实施成功，现全体设计人员已全部采用计算机进行设计及编写技术文件，这样就产生了大量的计算机文件需要进行管理，因此，必须配置电子图档管理软件，按产品结构及分组方式相结合对图样文档进行有效的管理。
2.第二阶段应实现产品的配置管理
在这一阶段，我们的注意力侧重在管理所有零部件之间的相互关系。实现对各车型的产品结构树及各车型之间的零部件间的借用关系进行有效的管理。
3.第三阶段实施工作流程的管理
在网络上实现对CAD生成的图档文件的校对、审批及文件的发放，代替目前所使用的手工签字的方法，提高工作效率；实现任务的下达，对各设计人员的设计进程进行有效的监控，及时调度；实现产品更改流程的管理，确保数据库中数据改变之后，其相关引用系统的数据也相应更改。
三、电子图档管理系统的选型
98年5月份，我们开始电子图档管理系统的选型，经对目前国内各家公司的软件性能、公司的实力、公司的服务及本企业的需求，进行认真的对比之后，我们最终选择了清华同方软件股份有限公司的EDMS系统。
四、EDMS在北汽福田公司的实施
同方软件公司开发的EMDS本身积累了多年应用实践的精华，有着完善的思想、功能和实施方案，我公司进行EMDS实施主要经历了以下几个阶段：
1.应用培训
由同方软件公司组织进行了软件应用培训。从而使我们能够准备定位自已的需求，理顺进一步发展的思路。
2.根据软件功能，确定需求
根据EDMS所具有的功能，与我公司实际需求相对应，确定哪些需求在软件中已确定，哪些需求要进行二次开发。
(1) 系统已具备可直接应用的功能
1） 用户角色划分及权限设定
基本权限分为查询、入库、报表打印、图档出库、文档出库、文档删除、系统管理、状态管理、图档维护、产品结构维护、项目管理、版本管理、图档删除、图样分组管理、图样分组维护、报表设计等16部分，其中任意一种组合即可构成一种角色的权限组合，从而保证电子图档的安全性。
2) 从CAD图形文件中提取标题栏及明细表内容的功能
3) 图档的入库、出库功能
4) 图档的结构、模糊查询功能
5) 图档的版本管理功能
6) 项目管理功能
7) 图档维护功能
8) 文档入库、查询、出库的功能
9) 报表生成功能
10) 备份与恢复功能
(2) 需二次开发的功能
1）图样的量分图幅的统计功能（主要用于设计人员的工作量统计）
2） 图样的状态（试制图、正式生产图）管理
3） 人员管理可按分组方式进行，并可分组进行权限分配。邮件也可按分组发送。
4） 对不需要出现的选项尽量不出现，简化设计人员的操作，减少误操作及多入口而产生的问题。
5） 对图档能按分组方式进行管理。
6） 制定实施计划并开展工作
根据实际的应用需求，制定出切实可行的应用实施计划。
3. 由同方软件公司在我公司试安装原系统，以确定网络环境的适用性及调查进一步细化的应用需求。
4. 根据确定的应用需求，由同方软件公司进行二次开发。
5. 二次开发完成后，进行系统安装，小范围试运行。
6. 根据试运行出现的问题进行系统完善。
7. 制定各项管理办法。
8. 系统正式安装，进行系统使用及管理办法的培训
9. 系统投入正试运行。
10. 作好应用的指导及数据的备份工作。
五、EMDS应用后的效果及体会
我公司从99年初EDMS正式运行，到现在已有一年多的时间，现图库中的图样已有16000张，库文件大小为8G。由于采用了EDMS，使CAD文件由原来的被动管理转变到了主动管理。设计人员能够很快地就查询到所需的文件，而且通过版本的管理，保证其为正确版本，极大地提高了设计效率，通过权限的设置，确定了数据的安全性，取得了良好的应用效果。
通过EDMS在我公司的实施应用，我们有如下的体会：
1. CAD的发展必须与产品数据管理相同步。
2. PDM的实施应根据企业的实际需求，作好总体规划后，要从急需解决的问题入手，要深入到问题里面，彻底解决实际应用中存在的问题，然后再解决下一个问题，而不是停留在一个良好的框架上不作深入。
3. 产品数据的管理，重在实施，因此在系统的选型上，必须找到一家信誉好、服务好、技术先进的公司进行合作。
4. 由于系统的实施过程，是改变原有的工作方式、方法的过程，这种改的难度较大，因此必须根据系统的功能制定相应的管理办法，并取得上级领导的支持，严格执行，极力推行。
5. 分期分批组织培训工作，在试运行及使用初期，要找出一批计算机基础好，对新事物易接受的人员作为第一批应用人员，对他们进行系统深入的培训，让他们首先用起来，产生应用效果，而这批人员又可成为第二批应用人员的培训教师，象这样，由点到线，由线到面的培训方式在我公司的各种应用系统的推行上充分地发挥了作用。
6. 任何一个软件都不是万能的，也不可能解决企业的所有问题，随着软件的使用要制定相应的管理规章制度，配合软件系统更有效的应用。
7. 持之以恒，系统一但运行起来，无论遇到多大的阻力，都要坚持下去，在产生应用效果后，各方面的阻力自然会消失。
8. 要作好应用效益的评估，争取得到领导的支持及各方面

CAE在汽车开发中的应用与实施
一、引言
CAE在汽车等机械产品的开发中应用非常广泛。如采用有限法（FEM）计算机械零件的应力和变形进行强度和刚度分析；采用多体动力学方法进行汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分析；采用有限元法进行汽车碰撞分析；采用有限元法和边界方法（BEM）分析汽车的噪声等等。可以说，CAE在汽车产品开发过程中所发挥的作用已经无法被取代。
CAE在汽车产品开发过程中的作用集中体现在三方面：
1．CAE极大地缩短了产品的研制周期，在建模和分析过程中采用实体造型和参数化，模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩短。
2．减少了开发费用。相对于道路试验和室内台架试验而言，利用CAE分析汽车整车及零部件的各种性能所需要的费用大幅减少。
3．有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。譬如通过优化车架和车身的结构参数减轻整车重量；通过优化行走系和转向系的参数提高整车的操纵稳定性和行驶平顺性等。
当然，从实际应用的角度来说，汽车CAE作用的发挥还依赖于两个重要前提。其一是对CAE技术的熟练掌握，另一个是要提供最基本的实验数据和相关数据库。这里所指的基本实验数据，是指像轮胎特性数据、道路特性数据、各种材料的力学特性等。所谓相关数据库是指企业在产品设计和开发过程中不断积累的、能够提供结构形式和主要参数（包括价格、外协情况等）的数据库。除此之外，要更好地实施CAE并发挥其作用，必需与CAD/CAPP/CAM、优化技术等结合起来加以综合运用。
本文主要介绍CAE在汽车产品开发中的应用及具体实施，并对CAE与CAD、CAPP、CAM和优化技术的关系加以探讨。
  
二、CAE在汽车产品开发中的应用
  
CAE在汽车产品开发中的应用范围非常广泛。这里就几个主要方面的应用加以介绍。
1．结构强度和刚度的分析
有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而到普遍采用，特别是在材料应力-应变的线性范围内更是如此。另外，当考虑机械应力与热应力的偶合时，像ANSYS、NASTRAN等大型软件都提供了极为方便的分析手段。
（1）车架和车身的强度和刚度分析
车架和车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件，对于全承载式的客车车身更是如此。车架和车身有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整个汽车而言，当车架和车身重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能。
（2）齿轮的弯曲应力和接触应力分析
齿轮是汽车发动机和传动系中普遍采用的传动零件。通过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结构参数，提高齿轮的承载载力和使用寿命。
（3）发动机零件的应力分析
以发动机的缸盖为例，其工作工程中不仅受到气缸内高压气体的作用，还会产生复杂的热应力。缸盖开裂事件时有发生。如果仅采用在开裂处局部加强的办法加以改进，无法从根本上解决问题。有限元法提供了解决这一问题的根本途径。
2．汽车被动安全性方面的应用
安全、环保和节能是汽车面临的三大热点问题。如何提高车身的抗碰撞能力是汽车被动安全性中需要解决的问题之一。利用有限元法进行汽车碰撞过程的模拟计算，涉及到大变形等非线性问题，不同于一般的有限元分析。由于模拟计算可以节省昂贵的实车碰撞试验经费，且在设计阶段模拟分析是唯一的分析手段，国内、外汽车公司普遍采用这一方法。ANSYS软件中的LS-DYNA模块常被用来进行汽车碰撞过程的模拟分析。
3．汽车动力学仿真分析
采用多体（刚体和柔体）动力学分析方法进行汽车动力学仿真，可在研究阶段预测整车的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。
以整车的操纵稳定性为例，由于影响因素涉及到轮胎、悬架、转向等多个方面，简单的计算难以得到合理的结论，哪怕是定性的结论往往也不可靠。为此，已开发出多种机械动力学仿真软件。值得一提的是美国MDI公司的ADAMS软件，被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块是专为汽车动力学仿真而设计的，使用十分方便。国内已有多家汽车公司利用该软件进行了货车、轿车、汽车列车和大客车的动力学仿真分析，并取得了较好的效果。
  
三、CAE的具体实施和软件介绍
  
CAE作为一种分析手段，即可单独实施，又可与其他CAX一起使用。譬如有限元分析软件，一般都提供了相应的前、后处理模块，即可单独使用，又可与CAD软件集成使用。下面对有限元分析和机械动力学仿真的实施过程和软件作一简单介绍。
1．汽车零件有限元分析过程和有限元软件
可以列出几十种有限元分析商用软件。这里仅介绍在汽车零件结构分析中使用最为广泛的I-DEAS、ANSYS和NASTRAN。
SDRC公司的I-DEAS软件是包括CAD、CAE、CAPP/CAM、PDM等在内的集成软件。实体建模、网络划分、载荷和约束的施加、求解和后处理可由该软件的不同模块来完成。
ANSYS公司的ANSYS软件是专门的有限元分析软件，前、后处理和求解也都可由该软件完成。
MSC公司的NASTRAN有限元软件有专门的前、后处理软件PATRAN。其分析过程与I-DEAS、ANSYS等大同小异。
图1 由Pro/E建模并划分网格的十字轴模型
  
    以上说明各公司的有限元软件都能独立完成有限元分析任务。当然，上述各种软件还提供了与多种CAD软件的接口。一般来说，有限元软件的建模功能不如专门的CAD软件强大。只有将他们结合起来使用才能更好地发挥各自的功能。笔者在分析汽车传动装置零件十字轴的弯曲强度时，采取的路线是：先由Pro/E建立十字轴的几何模型并完成网络划分，并以ANSYS文件格式.ans输出模型，然后由ANSYS读入该模型并完成后续分析。图1为由Pro/E建模并划分网格的十字轴模型。当然，ANSYS也可直接读入Pro/E的.prt文件，网格划分及有限元分析的后续任务都由ANSYS完成。
几乎所有的CAD软件都可输出IGES格式的几何模型文件，但该格式中只包含线和面的信息，而没有体的信息，而且IGES格式文件中会丢掉部分信息甚至产生错误几何信息。以下介绍一种解决该问题的方法：
（1） 用UGS公司的CAD/CAM软件UG读入待转换的IGES格式文件。
（2） 在UG中修改模型，并用缝合（即Sewing）命令将零件的所有面缝合在一起，从而生成实体模型。
（3） 将实体模型存成UG格式的.prt文件。
（4） 用NASTRAN的前处理软件PATRAN读入UG生成的.prt文件，将得到有限元分析所需的实体模型。
（5） 由PATRAN和NASTRAN完成有限元分析的其他工作。
2．机械动力学仿真软件在汽车中的应用
与有限元分析软件一样，机械动力学仿真分析软件既可单独使用，也可与其他CAX软件集成使用。在汽车动力学仿真中使用较多的软件是ADAMS和DADDS。以ADAMS为例，介绍机械动力学仿真分析的步骤。
当采用ADAMS软件单独进行分析时，可用其AVIEW模块建立待分析的多体模型，然后用其SOLVER模块求解。然而，为了使仿真分析得以更加顺利地进行，常常采用多种软件协同工作。以下是将机械动力学仿真软件与CAD、FEM集成使用的一些好处：
（1） 采用CAD软件建模更加方便、准确，生成的图形更加逼真，动态仿真效果更好。
（2） 从准确的CAD模型中可更方便地得到准确的质量参数，即零件的质量、质心位置、惯性矩等。
（3） 机械动力学仿真软件建立柔体模型的功能非常有限，而利用有限元分析软件的生成的MNF（模态中性文件）可输入到机械动力学仿真软件中生成的准确的柔体模型。
（4） 尽管机械动力学软件能够确定零件间的相互动力关系和作用力，但不能分析零件的应力，只能借助有限元分析软件来完成。
四、CAE与其他CAX的集成
图2 CAE与CAD集成的流程图
    从以上的分析知道，要想更好地完成CAE任务，将CAE软件与其他的CAX集成使用会获得更好的效果。作为一个例子，图2是实施这一集成的流程图。这个例子中，首先由CAD软件生成几何模型，按.IGES格式或其他格式将模型输出，然后由有限元软件和机械动力学软件分别读入几何模型。有限元软件根据CAD软件生成的几何模型和机械动力学软件计算得到的结点力完成应力、应变和模态分析并输出分析结果。机械动力学软件所需要的模型分成两种类型：刚体模型从CAD软件获得；柔体模型从有限元软件获得（.MNF格式文件）。另外，如果某些零件的模型由机械动力学软件自己生成，根据需要可从CAD软件得到质量参数。机械动力学仿真分析除了输出最终结果外，还可输出零件的运动关系和结点力供有限元分析之用。
再举一个汽车变速器CAD/CAM系统的实例。该系统由CAD几何建模、参数优化设计、有限元分析、CAPP/CAM组成。CAD软件采用Pro/E，由它完成几何建模并生成模型特征文件。参数优化设计模块读入模型特征文件，对变速器的结构参数和性能参数进行优化。优化过程中，调用有限元软件ANSYS计算零件的强度和刚度。优化后的模型返回到Pro/E，并由它完成CAPP/CAM任务。

透平叶轮数控加工
  一、数控铣与铸造工艺比较  
透平叶轮一般有两种制造方法：铸造或是铣削。对于少品种大批量生产的制造商来说，由于铸造的单件成本比铣削花费低，因而此种情况下适于采用铸造工艺。然而采用铸造工艺也带来一些缺陷，以致越来越多的透平机械制造商采用了数控铣削的办法加工透平叶轮。采用铸造的缺点是：  
1.与锻造材料相比，铸造材料物理特性既不均匀，也不连续。而常规方法检测不到的夹渣正是引起叶轮失效的根源。
2.两个铸件间的几何形状不一致。由于透平机械的性能只有在保证为其特别设计的叶轮形状的前提下才能实现，因而采用铸造叶轮时，两台机器的性能是不一样的。如果要使两台机器达到同样的性能，需要进行艰苦的工作，不仅非常费时，而且很难实现。
3.由于采用铸造工艺而导致的叶轮形状上的差异，可能引起离心泵叶轮过早汽蚀，使离心式压气机过早喘振，使涡轮输出的功率比预期的少。
4.铸件形状的偏差也影响到备件及在检修时的更换。换上一个形状有些许不同的叶轮，往往要求重新调整控制系统。
5.铸造模具的准备工作需要很长的时间，而且价格不菲，不易修改。铸造成本低是针对同一个模具能反复使用的情况而言的。
6.对于需要经受高温的叶轮，铸造不失为一个好方法。因为高温材料较硬，铣削这种材料需要很长的时间。当然目前已开发出专用软件，用于快速铣削这种材料。  
基于以上考虑，愈来愈多的透平机械制造商转用数控加工的办法加工样品、小批量甚至大批量产品。数控加工既准确，又精密，连贯性好，制造周期短，而且易于修改几何尺寸。
  
二、5轴铣削加工  
具有复杂形状的透平叶轮，需要用5轴铣床进行加工，才能加工到其几何形状的每个角落。
在一个现代化的设计系统中，需要加工的几何体由CAD系统进行设计，然后在CAM系统中转换为刀具的运动轨迹。输出结果通过后置处理程序转换为铣床5个轴的每个轴的运动。 对于透平机械叶轮，有必要考虑专用的CAM软件。从工艺上来讲，叶轮加工主要由以下5个截然不同的操作组成：  
1） 粗加工叶片间的流道
2） 铣削轮毂部分
3） 修圆进口边和出口边
4） 在小切削量下精加工叶片表面
5） 叶片根部变半径圆角加工  
对于叶片表面上刀具不能达到的地方，需要给予特别注意。因为此时容易引起刀具与相邻叶片的干涉。  
1.点加工与侧刃铣削  
在采用5坐标数控加工中心之前，大部分透平机械制造商采用3轴或4轴机床加工叶轮，而且大多采用点加工法，即叶片表面上每一点都通过刀尖加工成一个点。当刀具沿叶片表面移动时，将留下一些凹坑或残留尖角，而这些凹坑或尖角的高度值取决于编程技巧。点加工也是一种可行的方法，但是这种方法却有一些不可避免的缺点：
（1）叶片表面不光顺，会留下一些小凹槽。而这些小凹槽必须与流动方向平行（见图1）。
（2）对于弯曲程度较厉害的叶片，由于叶片空间距离较近，加工过程中与相邻叶片间的干涉很难避免。
（3）如果要减轻凹槽对流场的影响，就需要很长的加工时间。即是说，刀具必须绕叶片移动很多次。  
2. 侧刃铣削对流体流动的影响
基于上述原因，最理想的加工方式是侧刃铣削（如图2）。侧刃铣削不仅能避免以上所列点加工过程中所遇到的困难，而且所加工出的叶片表面非常光滑，精加工时间大为缩短。采用侧刃铣削加工方法时，锥度刀具的整个侧边与材料相接触，此即意味着叶片必须由直线元构成。这种限制性对流体动力学设计师非常重要，因为他们需要根据流体流动原理进行叶片设计，而且在选择叶片几何形状时，具有完全的自由性。为了遵守这些限制，叶片只能根据流体特性，沿三条流管成型。叶片形状由连接这三条流管的直纹面组成。然而，在实际的设计过程中，需要进一步对叶片几何形状进行限制，即叶片形状由只连接两条流管，通常为轮毂和轮盖的直纹面组成。  
    实践证明，只要设计出沿轮毂和轮盖两条流线速度分布都很好的叶轮，对于小或中等转速比的机器，也能达到很高的性能。但是，叶片高度很高时，直纹面便不再适用。
3. 侧刃铣削与应力问题  
直线元的应用，不仅对于简化加工很有帮助，而且对应力分析也有影响。通常，需要承受高应力的叶片往往设计成锥形，以便增大叶片根部的面积，使其能承受较大的应力。实际上，叶片最佳形状是叶片厚度从轮盖到轮毂呈指数规律变化，由于采用直线元侧刃铣削工艺，只允许叶片厚度呈直线变化。然而，这种局限只在叶片高度对于其旋长较大时，如轴流涡轮的最后几级或大流量系数离心式压缩机，才显得格外重要。  
  
三、叶轮5轴铣削对机床的要求  
1. 哪类机床适合叶轮加工  
加工叶轮和转子零件，通常需要5轴CNC机床。这5个自由度用于控制空间刀尖和刀轴方位。由于叶片固有的特性，几乎所有的叶轮加工都需要5轴联动。机床具有足够的轴向行程和精度，对于加工叶轮类零件非常重要。 有些叶片可能不用5轴联动，也能加工，如轴流式单叶片。  
2. 5轴机床  
5轴机床有许多种配置方式。对于叶轮类零件，大都采用三个直线轴和2个旋转轴的配置方式。在产量比较大的情况下，通常采用多主轴机床。而在一般的自动化工厂和柔性制造系统中，通常采用交换托盘。铣床主轴头一般采用旋转主轴和固定主轴。  
一般地说，以下种类的机床适合加工透平叶轮：  
（1） 带万向头的龙门式铣床（如图3）  
（2）两个旋转工作台，但摆动角度要足够，旋转带倾斜的工作台（如图4）
（3）旋转带倾斜工作台  
（4）旋转工作台带倾斜头（如图5）  
3. 叶轮类零件对5轴机床的特殊要求  
为了正确选择机床，需要考虑以下因素：需要加工的叶轮的最大直径，叶轮的材料，刀具补偿要求，产品进度要求和加工精度。  
在选择机床时，机床规格和各轴的行程范围需格外小心。对于离心式压气机叶轮，要求主轴头的摆动范围大，才能加工到轴向和径向方位。此外，刀具的锥度和叶片倾斜情况不一样，对主轴头和Y轴行程的要求也不一样。对于大部分透平叶轮来说，主轴头100°的摆动范围已经足够，如图6所示。
4. 钢叶轮加工的特殊要求  
钢叶轮加工的最大问题是加工效率的问题。为了提高加工效率，方法之一是在软件方面，需要优化刀位轨迹和进给率，并保证编程质量。其二在硬件方面，要求机床具有较高的刚性和一定的主轴功率，同时对刀具也有较高要求。  
  
四、叶轮类零件的特点及对编程软件的要求  
1. 直纹面通用定义与径向直线元  
由以上讨论所知，直纹面叶片的工艺性最好。所谓的直纹面是指由一系列直线段沿空间两条曲线扫描而成的曲面。对于透平机械，两条空间曲线通常位于两个回转面上，分别叫作轮盖和轮毂，与轮盖和轮毂相交的直线段通常不会两两相交,如图7所示。直纹面加工成本比自由曲面加工成本低得多。加工直纹面时，刀具刃连续扫过叶片表面，因而表面质量高，不需要手工抛光即能满足图样上注明的技术要求。加工时间也大大缩短。  
对于如图8所示的径向直线元叶轮，应当设法避免。因为这种叶轮加工时需要很长的刀具，而且在叶片出口处，直线元几乎与内子午线平行，会引起许多问题。如果必须加工此类叶片，至少应对叶片出口处进行一些处理。  
2. 叶轮类零件的一般特点  
设计人员根据复杂的空间流体动力学理论设计出符合流体流动规律的叶片形状，因而叶片形状复杂，是复杂曲面零件的典型代表，而且公差要求高。只有严格按照图样要求加工出的叶轮，才能满足整台机器的性能要求。此外，在叶轮由很硬的材料或从国外进口的材料制造时，为了满足高精度，要求加工时成功率高，以免浪费材料和延误时间。  
3. 叶轮几何结构的特点  
除了加工时间和精度之外，叶轮类零件所固有的一些特定的几何结构特点，也是加工编程时很难处理的地方。换句话说，并非任何软件都能很好地解决以下这些问题：
（1）长、短叶片
在许多场合，为了改善叶轮性能，叶轮往往设计成一系列长、短叶片组成。而正是这些短叶片处理，特别是短叶片进口边的处理，给编程人员提出了挑战。  
（2）进、出口边修圆
当按直纹面成形法构造出了叶片的两个面，分别叫作压力面和吸力面，如何按设计人员的要求进行圆角过渡，如图9所示，图样要求的圆角可能是各种各样，有向外延伸的，也有内缩的，有多段圆弧构造的，也有椭圆形的。特别是缩进形边缘，将作如何处理呢？  
（3）叶片根部变半径圆角
在叶轮进口处，为了减少阻塞损失，往往要求叶片根部圆角半径要小，而在叶片中部，为了改善叶片承受应力情况，又要求叶片根部圆角半径大，即从叶轮的进口到叶轮出口半径是变化的，而且两面变化规律不一样。  
（4）不可避免的过切现象
对于不可展开的直纹面，由于直线元在与轮毂和轮盖相交点的法向不一样，如图10所示,如果简单地根据直线元来定义刀轴的话，必然会引起刀具切入叶片。这样加工出的叶片，即使保证了轮盖和轮毂处的厚度，叶片中间也削薄了，成了两面中凹的情况。而通用CAM软件却恰恰只能沿内、外子午线定义刀轴，叶片变形无法避免，而且随着叶片扭曲程度的增加，过切量变得非常大。  
（5）进口边的处理
进口边不与轴线垂直时，其加工处理也是一般通用CAM软件很难处理的,如图11所示。  
  
五、轴流式叶轮的数控加工  
由于轴流式叶轮的几何特点，在叶片精加工时，只能采用点加工的方法，如图12所示。 同样，为了提高加工效率和改善加工质量，对CAM软件也有较高的要求。  
首先，要求CAM软件具有强大的复杂曲面造型功能，以满足叶轮各局部造型设计要求。 其次，因为点加工容易引起与相邻叶片的干涉，而且在叶片相对较长时，也容易发生刀柄与零件的干涉现象，所以要求CAM软件5轴加工方式多，能够计算刀柄与零件的干涉。  
  
六、加工模拟与仿真分析及优化  
以前，大部分用户在用CAM软件编程后，为了验证程序的正确性，采用各种各样的试切方法，如走空刀，切削泡沫和木材等。这些试切方法费时费力，最危险的是，有些潜在问题和干涉现象不能发现。  
当前在越来越激烈的竞争下，数控加工用户都采用在计算机上进行加工模拟验证分析及优化。这是因为：  
1.由于不同的原因，如编程时选择加工方式不理想，后置处理程序有缺陷，或因为编程人员经验不足，最后的加工程序往往会有一些意想不到的问题出现。
2.希望在零件加工之前，对程序进行检查，以免不必要的浪费。
3.希望进行干涉检查，及时对必须修正的地方进行修正甚至重新编程，以保证向机床操作人员提供正确的加工程序。
4.希望知道干涉量有多大。希望能测量加工后的零件与设计图样要求之间的差别。
5.希望模拟零件装夹与加工中机床的真实运动情况，以避免机床部件与夹具和零件的碰撞。

昆明机械厂CAPP系统的开发与应用
一、引言
    昆明机械厂从1995年开始引入CAD技术，并在全厂普及应用，产品的设计周期显著缩短，设计效率提高了近5倍，设计质量也大为提高。
    然而在工艺设计环节，仍然依靠工艺师的知识、经验手工进行。由于产品结构复杂，涉及的工艺种类较多，而手工工艺设计不能有效利用企业的成熟工艺，以及老工艺师多年积累的丰富的工艺知识与经验，对同一零件的不同工艺的协调不很方便，特别对于各种管理用工艺文件，由于工艺设计存在变动，使得手工设计变得非常麻烦、低效。因此早在1996年厂里就做了大量的资料收集、整理工作，提出了具体的工艺需求，同时也与一些高校合作，进行联合开发，但因种种原因结果不太理想，没能在厂里得以实施。近两年，随着CAD技术应用的深入，为了充分利用CAD系统产生的零件设计信息，为了提高整个企业的工艺设计和工艺管理水平，引入CAPP技术、开发工艺设计管理系统已显得非常迫切。根据过去失败的教训，我们制定了以下实施方针。
1) 对国内商品化CAPP系统进行充分、细致的调研，立足于这些商品软件，从中选择一个较为成熟实用的、更符合本厂需求的CAPP系统，在此基础上，根据我厂工艺设计与管理特点，进行二次开发，以缩短开发周期，提高成功率。
2) 对本厂现有工艺设计进行企业标准化及规范化工作，为今后CAPP系统的全面铺开奠定坚实基础。
3) 充分考虑企业自身的特点，制定出详细的工艺设计需求。
二、系统开发指导思想和功能需求
在综合分析本厂工艺设计与工艺管理需求的基础上，提出了要开发的工艺设计管理集成系统的总体要求。
1.实用性
    不过分强调工艺设计的自动化，而重在实用。能充分利用工艺设计人员的经验以及已有的成熟工艺，提供工艺知识，辅助工艺师进行工艺计算、工艺决策，目标是能快速高效地生成所需的各类工艺规程。
2.面向产品
    考虑到企业的产品设计、生产准备、生产管理和成本核算等均以产品作为基本对象，因此要求系统能面向产品进行工艺设计与工艺管理，覆盖产品的所有工艺种类，实现一体化的工艺设计与工艺管理。
3.集成化
    从产品及其整个生命周期角度考虑，实现工艺设计与工艺管理集成，并满足CIMS环境下的信息集成需求。
4.网络化
    根据产品工艺设计特点，支持在网络环境下产品工艺数据的共享，支持工艺师-工艺小组-总工艺师在网络环境下的协同设计。
5.规范化
    在手工设计情况下，设计的工艺一致性差、规范性差。系统必须保证设计工艺的规范化和标准化。
根据系统的总体要求，我们又提出了具体的功能需求。
1.产品数据管理
    系统能提供产品数据管理功能，包括产品创建、删除，在产品中增加、删除零部件，浏览、修改零部件信息等功能，可以直接从CAD系统读取产品数据，避免重复输入带来的低效和不一致性。
2.工艺卡设计
    利用系统可以方便设计我厂现有工艺，包括机加工工艺过程卡、锻造工艺卡、焊接工艺卡、热处理工艺卡、铸造工艺卡、装配工艺过程卡、电镀工艺卡等12种。
3. 提供多种工艺设计方法
    系统能提供多种工艺设计方法，包括交互式、不同类型的检索方式，以适应不同产品、不同种类的工艺设计要求。对于交互式设计工艺，能够按照机加工、锻造、焊接、热处理、铸造和装配工艺，分别提供工具，帮助工艺设计人员进行工艺计算、快速选择所需资源, 如机加工余量确定、下料尺寸确定、锻件毛坯图生成及毛坯重量自动计算、浇道截面形状及规格确定、冒口设计等。
4. 与现有二、三维CAD系统的接口
    目前我厂使用的CAD系统种类较多，二维CAD有凯图CAD、AutoCAD；三维有UG、SolidEdge、Cimatron等，要求系统能充分利用来自CAD系统的零件图形，快速生成工艺图。同时能从CAD系统得到产品的设计信息。
5.自动生成各类汇总表
    系统能提供自动统计管理用工艺文件功能，以彻底解决手工统计存在的问题。根据我厂实际情况，这些管理文件应该包括图样目录、产品工艺目录、零部件加工路线单、零部件生产加工目录；外购件清单、外协件清单、标准件清单、各类零件明细表；专用工艺装备明细表、企业外购标准工具明细表；材料消耗工艺定额明细表、单位产品材料消耗工艺定额汇总表、辅助材料工艺定额明细表、铸件材料消耗定额明细表。
6. 提供工艺基础数据
    系统能提供材料库、型材规格库、设备库、标准刀具库、标准量具库、工艺术语库（包括工序名称库、工艺内容库等）和辅助材料库等，可以在设计工艺时随时将所需数据调入工艺卡相应位置。
7．工艺卡格式绘制和管理
    系统能提供符合我厂要求的、以机加工工艺过程卡片为主卡的三十余种工艺卡和管理文件。考虑到随着企业发展，可能增加新的工艺卡或者对现有工艺卡进行修改，由此要求系统提供工艺卡格式绘制和定义工具，利用它可以方便地扩充工艺文件系统。
三、对CAPP系统的选型
    从1997年开始，我们就对国内各家CAPP软件商进行综合考察，主要对各家公司的实力、软件开发能力、软件功能、以及公司对企业的技术支持与服务等进行了认真、细致的比较，经过近两年的市场调研，于1999年初最终选定了浙江大天公司的GS-CAPP系统。
大天CAPP系统除了能满足我厂提出的具体要求外，还有几大特色对我厂的工艺设计极有帮助：  
    1） 系统集工艺设计、工艺管理于一体，既可以设计不同类型的工艺，可以提供工艺知识，辅助工艺师进行工艺决策与工艺计算，可以自动统计生成管理用工艺文件，能对整个工艺设计流程进行控制和管理,并提供了完备的安全机制，因此可以在大天CAPP提供的比较完善的工艺设计管理功能基础上方便地进行二次开发，以满足我厂的实际需求。
    2） 系统引入产品树，不仅清晰地描述了产品零部件之间的装配关系，而且以产品树为主线进行工艺设计与工艺管理，可以方便地获取与产品相关的工艺信息，因此容易实现与其他系统的信息集成。
    3） 系统针对不同产品、不同种类工艺的工艺设计特点，给出不同的工艺设计方法。如基于典型工艺检索，可以对企业已有产品零部件的工艺进行归纳、整理，得到优化、标准的典型工艺，在此基础上系统提供典型工艺管理功能，可以在使用系统过程中不断积累企业的典型工艺。这样在设计新工艺时，通过检索典型工艺，并对其作少量修改，即可快速生成新工艺。
在采用交互式设计新工艺时，系统提供多种手段帮助用户快速进行工艺设计，如自动读取零部件的设计信息；自动获取工艺卡的关联信息，并维护关联信息的修改一致性；通过建立关联关系，实现工艺卡栏目的自动计算等。
    除此以外还提供基于产品树检索、基于零部件名称检索等设计方法, 这样系统的适应面较广，柔性较好。
    4） 系统除了提供丰富的常用工艺资源库外，还提供了一套完整的管理方法，可以根据用户需求维护这些工艺资源，并且可以根据工艺资源特点进行模糊查询。此外，系统还可以根据实际生产的需要，随时建立新的工艺资源，包括定义资源库结构，增加库记录。
    5) 系统提供工艺提交、工艺审核、工艺标准化、工艺会签和工艺更改功能，跟踪记录工艺卡的状态，可以对每一张工艺卡的设计流程进行控制与管理。
四、系统开发与应用情况
    经过近半年时间的合作开发，系统于1999年8月在昆明机械厂装机试运行，首先在技术服务部进行应用，设计的工艺涉及九种产品的所有类型的工艺卡，包括机加工、锻造、铸造、焊接、热处理、电镀、涂装、装配和电气装配等工艺，可以自动制定或自动统计的管理文件覆盖了企业现行的所有类型的管理文件，包括图样目录、产品工艺目录、各类零件明细表、专用工艺装备明细表、单位产品零件材料消耗工艺定额明细表、单位产品材料消耗汇总表等。从半年多的运行情况看，利用系统设计工艺，其效率、质量、规范性均有明显提高，以我厂今年新开发试制的QQS500型新产品为例，该产品3186张图样的5886份工艺技术文件，原来需要三个月才能设计完成，如今一个月的时间便完成，综合工作效率提高3倍以上。高效率尤其表现在计算统计工作上，一旦设计完成机加工工艺过程卡后，便可自动统计出材料工艺定额、刃具预算汇总及相关的各类管理性工艺文件，原来一人来完成一个产品的这些计算统计工作约需一个半月的时间，现在仅半天时间便完成，提高工作效率60～80倍，如此高效快捷的工艺编制设计能力，使技术服务部仅用8个月时间就将我厂五种在制产品的工艺文件做了全面规范化整理。目前我厂正引进奥地利普拉塞公司技术、自行生产试制具有国际先进水平的09-32连续式捣固车和08-475道分岔捣固车，本系统使用将大大缩短两个新产品的工艺设计周期，为两种样机的试制技术准备工作赢得宝贵的时间。
    鉴于系统良好的应用情况，目前正将系统在企业全面推广，包括产品开发部、各分厂工艺处及各车间等部门都将统一利用本系统进行工艺设计与工艺管理，这样将全面提高我厂的工艺技术水平及管理水平，增强市场竞争实力，取得良好的经济效益和社会效益。