面向对象的智能化FBM CAD系统

　　1 引 言

　　目前，耐火砖的模具设计方法一般分为：

　　(1)根据用户的需求及工艺处理的要求手工设计模具零件的工作图。该方法导致设计质量取决于设计人员的素质，不但降低了模具设计的精度等要求，而且质量不稳定;

　　(2)采用先进的制造设备和工艺方法提高模具制造的效率和精度。

　　在FBM CAD(Firebriek Mould CAD)系统开发中，作者提出一种基于面向对象技术的耐火砖模具智能化设计方法，使用UML作为建模语言，运用Rational Rose作为CASE工具，将其贯穿于耐火砖模具CAD系统的需求分析、系统分析、设计、实现等各个阶段。实现了在用户仅输入成品耐火砖各项参数的情况下，系统自动生成零件工作图，从而实现耐火砖模具设计的智能化。

    2 FBM CAD系统用例分析

　　用例是UML的一个重要模型元素。他定义和描述了系统的外部可见行为，是分析、设计直至组装测试的重要依据。

　　2.1 FBM CAD系统角色、用例的识别

　　通过与用户的密切合作及一系列的分析与调查识别耐火砖模具CAD系统的角色主要有：用户、设计者、管理者、制造者、CAM系统及PDM系统等组成。用例主要包括：提出砖型要求、设置砖型参数、工艺处理、绘制板图、图形输出、提供帮助、文档输出及人员信息管理等[1]。耐火砖模具CAD系统用例图如图1所示。

　　2.2 用活动图建模事件流

　　为了进一步说明耐火砖模具CAD系统中的各用例的实现过程，对设置砖型参数、工艺处理、绘制板图、图形输出等几个典型用例通过其活动框图建模事件流。受篇幅所限，这里仅列出工艺处理用例活动图，如图2所示。

　　3 "对象-&-类"的识别及FBM CAD系统动态分析

　　耐火砖模具的设计是基于耐火砖原型的，由于耐火砖系列化、标准化，使得能够充分利用面向对象的机制。通过对问题描述、系统需求、用例模型、各用例活动图(事件流)及耐火砖模具常规设计过程的分析，可以获得FBMCAD系统包含以下类-&-对象：

　　(1)人员类-&-对象：设计者、制造者、管理者(销售科)等。

　　(2)实体类-&-对象：耐火砖、耐火砖模具、边板、堵板、底板、盖板、凸块、斜铁等。

　　(3)边界类-&-对象：耐火砖分类窗口、砖型选择窗口、耐火砖参数窗口等。

　　(4)设计参考类-&-对象设计中需要用到的标准数据对象，如砖型判定文件等。

　　对于文档类(对象)，也可以将其作为实体类或设计参考类(对象)的属性来处理。

　　在耐火砖模具CAD系统分析中，采用先建立顺序图和合作图，然后建立类图的方法对系统进行动态分析。UML使用顺序模型和合作模型来表示交互模型。其中顺序模型侧重于描述对象交互的时间特性，而合作模型则关注交互的对象的空间特性。采用Rational rose建立顺序图(合作图)的同时，系统内部自动建立了与之对应的合作图(顺序图)，并且可以在两者之间进行任意切换。这里仅以"工艺处理"顺序图说明对FBM CAD系统中工艺处理部分的动态分析，如图3所示。

　　4 类模型的建立

　　经过分析可以得出，在FBM CAD系统中存在以下主要的类：耐火砖类、模板类(包括盖板类、底板类、边板1类、边板2类、堵板1类和堵板2类等)、各种窗口类、接口类及图表、文档类等。

　　从整个分析过程中，耐火砖类在系统中处于主导地位，按照拓扑同构理论对耐火砖的砖型结构进行分类，并将成品耐火砖和半成品耐火砖划归为同一个类--耐火砖类，根据接收消息的不同，分别由生成半成品砖的函数和生成成品砖的函数产生成品砖和半成品砖的实体[2]。

　　图4为削角砖基类与派生类原理图。

　　据此，建立了耐火砖类模型，如图5所示(限于篇幅此处仅为缩略图)。其他类模型，如半成品砖类模型、模具及其边、堵、底、盖、凸块、斜铁类模型可按照耐火砖类模型的建立方法及过程进行。

　　"耐火砖"类定义如下：

　　5 FBM CAD系统智能化的实现

　　在耐火砖模具的设计过程中，涉及到边、堵、底、盖等零件实体的生成，这些实体的生成都是以耐火砖的三维模型为基础的。为了实现耐火砖模具设计过程的智能化，通过提取耐火砖相关面域信息来自动生成其模板的三维实体，进而生成模板的零件图。为此，需建立耐火砖的顶点表和边表，并按照模具设计的实际情况，借助链表指针建立各个面域的环状链表，从而建立面域的相关数据结构，用指针来获得生成耐火砖各模板的面域，经规则库和推理器的分析和约束，由成品砖面域生成半成品砖的各模板的3D模型。本系统的模型图如图6所示。

　　规则库是由厂家多年的生产经验数据和行业规范构成的数据库，包括在不同型号、不同材质下，各类耐火砖的成品砖与半成品砖的几何关系，模具边、堵、底、盖板与半成品砖几何尺寸问的关系，材质热处理参数以及在各种情况下根据工艺要求计算各模板厚度的计算方法，各模板之间的装配关系。规则库是工艺计算的关键，推理器从规则库中提取各模板的生成规则，分析模具的装配关系，进而生成各模板的三维模型。三维模型不仅包含各模板的几何信息，还必须包含各模板之间的装配信息，是各模板在计算机中的映像。三维模型不仅是信息的记录者，也是信息的维护者。各种信息之间存在着复杂的约束关系，他们之间的一致性由三维模型负责，当耐火砖的几何尺寸改变时，与他有装配关系的各模板也必须作出相应的修改，使装配关系得以继续保持。当然，这种装配关系依靠程序设计者如何进行三维构造，以及工艺要求进行编程自动实现。总之，规则库和推理器是本系统实现智能化的核心。

　　由于在生产中每一基类砖的腔形模具的各模板加工工艺相同，其零件图尺寸标注的设计、工艺、测量基准也相同，故系统针对每一基类设计了由其三维实体自动生成该类半成品砖模具各零件工作图的程序，从而实现模具零件图的自动生成。

　　最后，按照耐火砖的分类建立各基类的图像块菜单如图7所示，用图像块菜单的形式让用户直观地选取要设计的耐火砖模具。选取相应耐火砖类的处理图像块菜单，可以得到如图8所示的耐火砖模具设计对话框。该对话框直观的表明了这类耐火砖的处理方法，他包含了基本参数输入、材质选择、各模板绘制及该类砖的视图等一些信息。用户只需输入相应的几何参数和选取相应的材质，通过选取绘制各个板的按钮，就可以得到一整套的模具零件工作图，从而使得在设计过程尽可能地减少人工参与。

　　6 结 语

　　本系统以AutoCAD 2000为开发平台，以RationalRose作为CASE工具，采用了面向对象的ObjectARX编程技术开发的开放型CAD系统，该系统针对各种耐火砖的几何及物理属性进行了分类后，建立了系统整体框架。模具设计过程中，最大限度地减少了人工参与，初步实现了模具设计的智能化，并通过利用继承与派生，使系统具有良好的可扩充性。