第7章-计算机辅助工艺设计-1

CAD/CAM技术基础第7章计算机辅助工艺设计7.1CAPP的基本概念与成组技术7.2CAPP系统的发展概况和工作原理7.3CAPP系统零件信息的描述、输入和输出7.4派生式CAPP系统7.5创成式CAPP系统7.6CAPP专家系统简介参考文献：蔡汉明，陈清奎.机械CAD/CAM技术.北京：机械工业出版社，2003姚英学，蔡颖.计算机辅助设计与制造.北京：高等教育出版社，2002CAPP的基本概念与成组技术CAPP的基本概念计算机辅助工艺规程设计，即ComputerAidedProcessPlanning，简称CAPP，是通过计算机技术辅助工艺设计人员，以系统、科学的方法确定零件从毛坯到成品的整个技术过程，即工艺规程。具体的说，CAPP就是利用计算机的信息处理和信息管理优势，采用先进的信息处理技术和智能技术，帮助工艺设计人员完成工艺设计中的各项任务，如选择定位基准、拟订零件加工工艺路线、确定各工序的加工余量、计算工艺尺寸和公差、选择加工设备和工艺装置、确定切削用量、确定重要工序的质量检测项目和检测方法、计算工时定额、编写各类工艺文件等，最后生成产品生产所需的各种工艺文件和数控加工编程、生产计划制定和作业计划制定所需的相关数据信息，作为数控加工程序的编制、生产管理与运行控制系统执行的基础信息。CAD/CAM向集成化、智能化方向的发展及并行模式的出现都对CAPP提出了新的要求，因此产生了CAPP的广义概念：即CAPP的一头向生产规划最佳化及作业计划最佳化发展，作为MRP-Ⅱ的一个重要组成部分；而另一头则向自动生成NC指令扩展。CAPP的基本组成CAPP系统的组成与其开发环境、产品对象及其规模大小等有关。CAPP系统的工作过程与步骤：CAPP的组成与基本结构控制模块：协调各模块的运行，实现人机之间的信息交流，控制产品设计信息获取方式。零件信息获取模块：用于产品设计信息输入。工艺过程设计模块：进行加工工艺流程的决策，生成工艺过程卡。工序决策模块：选定加工设备、定位安装方式、加工要求，生成工序卡。工步决策模块：选择刀具轨迹、加工参数，确定加工质量要求，生成工步卡及提供形成NC指令所需的刀位文件。输出模块：输出工艺流程卡、工序和工步卡，工序图等各类文档。产品设计数据库：存放有CAD系统完成的产品设计信息。制造资源数据库：存放企业或车间的加工设备、工装工具等制造资源的相关信息。工艺知识数据库：用于存放产品制造工艺规则、工艺标准、工艺数据手册、工艺信息处理的相关算法和工具等。典型案例库：存放各零件族典型零件的工艺流程图、工序卡、工步卡、加工参数等数据，供系统参考使用。编辑工具库：存放工艺流程图、工序卡、工步卡等系统输入输出模板、手工查询工具和系统操作工具集等。制造工艺数据库：存放由CAPP系统生成的产品制造工艺信息，供输出工艺文件、数控加工编程和生产管理与运行控制系统使用。成组技术成组技术(GT-grouptechnology)揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术，称为成组技术。在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础，将成组哲理用于设计、制造和管理等整个生产系统，改变多品种小批量生产方式，以获得最大的经济效益。成组技术的核心是成组工艺，它是把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族（组），按零件族制定工艺进行加工，从而扩大了批量、减少了品种、便于采用高效方法、提高了劳动生产率。零件的相似性是广义的，在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性，以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性。成组工艺实施的步骤为：①零件分类成组；②制订零件的成组加工工艺；③设计成组工艺装备；④组织成组加工生产线零件分类成的方法有：人工识别分组法（视检法）：视检法是由有生产经验的人员通过对零件图纸仔细阅读和判断，把具有某些特征属性的一些零件归结为一类。它的效果主要取决于个人的生产经验，多少带有主观性和片面性。零件分类和编码分组法：利用零件分类编码系统对零件进行编码，按零件代码，采用一定的相似性准则进行分组。各个国家或大企业均有自己的零件分类编码系统，比较典型的应用比较广泛的系统有捷克的VUOSO系统、德国的OPITZ系统、日本的KK-3系统和我国的JLBM-1系统；分组方法有特征位法、码域法和特征位码域法；生产流程分析法(PFA-productionflowanalysis)：是以零件的加工工艺过程为依据，通过分析进行分类，具体方法有关键机床法、顺序分枝法、聚类分析法、键合能法等。此外尚有势函数法、模糊模式识别法等。JLBM1系统的基本结构制订零件的成组加工工艺的方法有：①复合零件法：在一个零件族中，设计一个能包含这组零件全部的几何特征的零件，作为复合零件，其加工工艺则为该族零件的成组工艺；②复合工艺路线法：根据一个零件族中全部零件的工艺路线，制订一个能包含全部零件加工工序的工艺路线，作为该族零件的成组工艺。近年来，成组技术与数控技术、计算机技术相结合，水平有了很大提高，应用范围不断扩大，在产品设计、制造工艺、生产组织与管理等方面均有显著的应用效果。CAPP系统的发展概况和工作原理派生式CAPP系统实现工艺设计自动化，必须要解决两个主要问题:实现零件图样信息代码化。要把工艺人员的经验和技能系统化，理论化，代码化。工作原理派生式CAPP系统是检索式CAPP系统的发展，是利用零件GT（成组技术）代码（或企业现行零件图编码），将零件根据结构和工艺相似性进行分组，然后针对每个零件组编制典型工艺，又称主样件工艺。工艺设计时，首先根据零件的GT代码或零件图号，确定该零件所属的零件组，然后检索出该零件的典型工艺文件，最后根据该零件的GT代码和其它有关信息对典型工艺进行自动化或人机交互式修改，生成符合要求的工艺文件。创成式CAPP系统工作原理依靠系统中的决策逻辑生成。收集了大量的工艺数据和加工知识，并以此规程为基础，在计算机软件基础上建立一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。在输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的条件下，自动生成零件的工艺规程。目前用派生法原理生成工艺规程的方法已经比较成熟，创成法原理目前还不完善，现在号称创成法系统的只是在部分功能上应用创成原理，所以只能称为半创成式的CAPP系统。CAPP的作用与意义克服传统工艺设计的不足，促进工艺技术的发展大大提高工艺设计的效率和质量将工艺设计人员从大量繁琐、重复性的手工劳动中解放出来提高企业工艺设计的规范化、标准化水平，促进工艺设计水平的提高能有效的积累和继承工艺设计人员的经验，提高企业工艺设计的继承性为现代制造系统集成提供技术桥梁与计算机辅助设计（CAD）系统之间的信息交流与计算机辅助制造（CAM）系统之间的信息交流与生产管理系统（MIS）之间的信息交流与制造自动化系统（MAS）之间的信息交流与质量保证（CAQ）系统之间的信息交流CAPP系统零件信息的描述、输入和输出零件信息包括管理信息（又称表头信息，如零件名称、图号、所属产品和部件）、结构形状、尺寸、加工精度（尺寸公差、形位公差和表面粗糙度）、材料及热处理及其它技术要求等方面信息，是工艺设计的对象和依据。CAPP系统要求全面而正确的零件描述信息，同时要求形成逻辑层次分明和易于被计算机处理的结构，同时，如何描述和表达零件的工艺特征信息，便于检索系统中已有的相似零件的工艺规程或生成新的工艺规程，这是CAPP系统开发面临的第一个问题，也是最重要的问题。零件信息的输入方法可采用人机交互式输入或从CAD图形数据库中直接提取。在人机交互输入法中主要采取成组技术代码法（GT代码法）或型面特征描述法。零件分类编码的概念零件分类编码是指利用成组技术正确抽出零件图纸中为制定工艺过程所必需的必要信息。利用零件分类编码来描述一个零件，可以在宏观上描述零件而不涉及这个零件的细节。建立表示零件的编码系统时必需考虑的几种因素零件类型（回转体、棱形体、拉伸件及板金件等）；代码所表示的详细程度；码的结构：链式、分级结构或混合式；代码使用的数制（二进制、八进制、十进制、字母数字制、十六进制等）。码的结构树式结构链式结构混合式结构成组代码描述成组技术成组技术，是挖掘和利用生产活动中的相似性的技术，通过分类成组，以便最大限度地获取生产活动中的批量效益，在产品设计、工艺设计、加工制造及生产管理等方面都具有广阔的应用前景。成组代码为了能对零件进行简洁的描述并便于归类成组，首先要根据成组技术原理制定GT编码系统，根据一套特定的规则，用一组顺序排列的字符（一般是数字）对零件的各有关特征进行描述和标识。按照GT编码的规则用字符标识零件特征的过程就是对零件进行编码，这种代码称为成组代码或GT代码。成组代码的局限性GT代码的缺点是零件的信息描述较粗略，特别是零件的几何参数和工艺参数的定量描述不够。为了克服这一局限性，有人采用扩大码位取值、增加码位，或采用分级的柔性码结构等，能在一定范围内弥补对有关参数定量描述的不足。但编码系统的复杂性会有所增加，GT码的生成和处理也会相应增加难度。型面特征描述这种方法可以对零件信息进行详细描述，能将零件的所有设计信息都输入计算机中，并能与加工方法等相对应，使CAPP系统取得零件全部与精确定量的输入数据，为工艺决策提供可靠依据。型面特征类型几何形状特征：一般是组成零件型面特征的几何单元。拓扑特征或方位特征：用于表示各几何形状的顺序关系。精度特征：用于描述几何形状的尺寸公差、形状公差、位置公差以及表面粗糙度等信息。材料特征：描述型面的材料及热处理信息。其它技术特征：描述上述四大类特征尚没有包括的技术特征参数。型面特征描述的局限性零件型面特征描述的信息量很大，需要人工逐个型面进行分析后把信息逐条手工输入，因此信息输入的效率很低，过程十分繁琐，而且容易发生错误，严重影响CAPP系统的效率。从CAD系统直接输入零件信息直接从CAD的图形数据库中提取用于CAPP所需要的零件信息，是实现CAD和CAPP信息集成的理想方法。它可以省去人机交互信息输入的工作，大大提高系统的运行效率，减少人工信息转换与输入可能出现的差错，有助于保证数据的一致性。在这方面已进行过多方面尝试，目前仍在进行研究和探索之中。特征识别法通过分析CAD系统（一般是二维图形）所提供的结构化数据文件（如“*.dxf”文件），按一定的算法识别，提供CAPP系统能识别的工艺信息，这无疑会克服手工输入零件信息的种种弊端。但实践证明，该方法存在如下严重的局限性，只能用于一些简单的、特定的零件。从大量底层信息中提取加工表面特征这样一些高层次工艺信息是非常困难的。难于识别和应用诸如公差、表面粗糙度、热处理等工艺信息的标注。基于三维特征造型的零件信息描述与输入方法CAD系统对零件造型与绘图的基本单元已不是底层的点、线、面，而是参数化的几何形体或特征体素，如圆柱轴段、圆锥轴段、倒角、倒圆、孔、槽、凸缘、筋等，零件的定义是各种特征体素的拼装，并有可能赋予各特征体素有关的尺寸、公差、表面粗糙度等工艺信息。毫无疑问，这种零件定义方法难度大、对计算机系统要求高，但会大大方便产品设计者的构思与操作，特别是有可能为CAD、CAPP、CAM提供统一的零件信息模型，为CAD/CAPP/CAM的信息集成创造条件。基于产品数据交换规范（STEP）的产品建模与信息输入方法ISO的STEP产品定义数据交换标准以及与此相一致的在美国流行的PDES标准等是用通用的数据结构规范对产品信息进行描述。显然，只要各CAD系统对产品或零件的描述符合这个数据规范，其输出的信息既包含了点、线、面以及它们之间的拓扑关系等底层信息，又包含了几何形状特征以及加工和管理等方面的信息，那么CAD系统的输出结果就能被其下游工程（如CAPP、CAM等系统）所接受和应用。目前STEP/PDES正在不断发展和完善之中。派生式CAPP系统研制过程