计算机辅助工艺过程设计第3章

计算机辅助工艺过程设计教师：王广林单位：哈尔滨工业大学机电工程学院通信地址:哈尔滨工业大学421信箱邮政编码:150001电话:[phone](O)传真:[phone]E-Mail:[e-mail]机电工程学院计算机辅助工艺过程设计第1章概述第2章原始信息的描述与输入第3章CAPP工艺路线的生成第4章工序工艺的设计第5章CAPP系统设计第6章CAPP系统开发、应用、维护及产品化第7章工具型CAPP软件机电工程学院CAPP工艺路线的生成工艺过程通常按如下三个层次进行•1.工艺路线设计在这一层设计中确定出工序组成及其顺序，以及每道工序所用的设备型号、定位方案，工步组成，工件中间加工要求。•2.工序工艺设计在这一层设计中要进一步确定出工序详细内容，包括余量、工序(工步)尺寸及切削参数等。•3.工步工艺设计对一些自动机床的加工，如数控机床加工等，要详细设计出工步工艺，即设计出走刀运动轨迹及机床控制指令。•其中工艺路线设计中的决策最为复杂，是CAPP中的核心部分。工艺路线设计工序工艺设计工步工艺设计机电工程学院CAPP工艺路线的生成3.1派生式(或称变异式、样件法)CAPP的工艺路线生成•零件可以按形状分成有限种类型。对这些零件的加工，已经形成了典型的工艺过程。设计零件的工艺过程时，工艺人员通常首先查找典型工艺过程，然后根据具体零件，增删编辑典型工艺路线，最后形成适用于该零件的工艺过程。•在计算机辅助工艺过程设计中，应用典型工艺过程可以明显降低设计难度，提高设计质量，明显缩短编制算法和程序的时间。这种方法就称为派生法，亦称样件法、变异法。机电工程学院CAPP工艺路线的生成3.1.1派生式CAPP的基本原理•即系统建立过程如图3-1(a）所示。首先对所有被加工零件按编码法则进行编码。然后按工艺相似性将零件分组(族)，建立零件组特征矩阵，并为每组的代表零件(样件)设计出加工工艺过程。各零件组的分组特征矩阵及对应的典型工艺过程都以文件形式存放在数据库中，同时还要将有关刀具、夹具、量具机床的数据，材料数据及切削参数等以文件形式存入，再配以相应的一整套计算机算法程序，就组成了样件法计算机辅助工艺过程设计系统。当要对一个新的零件设计工艺规程时，启动系统后，系统就按图3-1(b)所示的流程进行工作。机电工程学院CAPP工艺路线的生成（a）建立系统零件图编码分族特征矩阵样件典型工艺××××××××××××××××××××××××1——2——1——2——数据文件数据文件××××××××××××————图3-1派生法CAPP的建立和运行过程1.零件图编码2.检索零件族4.调典型工艺5.修改（b）运行系统××××1———2———3———1———2———3———3.人—机对话6.打印工艺文件找不到所属零件族找到零件族机电工程学院CAPP工艺路线的生成•系统运行过程：•第1步，首先输入原始信息。•第2步，由零件族搜索模块对文件中的零件组特征矩阵进行搜索，按编码，寻找新零件属于哪一个零件族。•第3步，若找不到所属零件族，则程序转向人机对话生成工艺规程模块。•若找到所属族，则第4步就从典型工艺文件中将对应的典型工艺过程调入内存。•第5步程序根据输入的原始信息，对典型工艺过程进行编辑加工，生成新零件的加工工艺过程。•最后第6步将编制好的工艺规程存盘或打印输出。机电工程学院CAPP工艺路线的生成3.1.2零件组特征矩阵及零件寻组分组方法可以在零件编码的基础上用特征位码域法。关键是具体的相似性准则的确定。相似性准则如下：1.形状相似——使加工方法以及定位方案等接近；2.尺寸相似——保证能在同一规格机床上加工；一般外形尺寸及加工尺寸相差不应超过3-5倍；3.精度要求相似——使加工过程、加工阶段划分，以及设备精度要求接近；4.材料及热处理要求相似。机电工程学院CAPP工艺路线的生成计算机存贮了各种零件组的特征矩阵后，当输入计算机一个新的零件编码后，就可以按特征矩阵寻找其所属组。图3-3零件寻组过程L=L+1零件属于L组零件不属于系统组内I=N?I=I+1L=0I=1取I位码值XNNNYC(L×10+X，I)=1?L=M–1?Y机电工程学院CAPP工艺路线的生成•设零件为N位编码，系统存有M组特征矩阵的集(图3-2)，矩阵各分量的值都存贮在一个两维数组C(J、I)中。其中0≤J≤M×10，1≤I≤N。例如有一个零件编码为131012331，搜索先从第一个矩阵(L=0)开始。取第一位码(I=1)“1”(X=1)，查得C(1.1)=1，表示第一位码符合，再取第二位码(I=2)“3”(X=3)，查得C(3，2)=0表示第二位码不符。程序转向搜索第二个特征矩阵(L=1)。也先取第一位码(I=1)“1”，得C(11,1)=1,再取第二位码(I=2)“3”（X=3）,得C(13，2)=1，也符合。依此查得C(11，3)，C(10，4)，C(11，5)，C(12，6)，C(13，7)，C(13，8)，C(11，9)全都等于“1”，因此这个零件属于第二个组(“1”组)。在查找中只要有一位码不符，程序就转向搜索下一个矩阵。机电工程学院CAPP工艺路线的生成3.1.3主样件及典型工艺路线为了给一个零件制定一个典型工艺路线，必须有一个代表零件作为分析对象。这个代表零件应该具有全组零件的结构和工艺特征。这个代表零件通常称为主样件。对于品种多的零件组，可以先把全部零件按特征接近原则划分成小组，每组找一个基础件，把小组其它零件的不同特征迭加到基础件上，生成子样件，然后再由子样件合成主样件。当品种不多时则可由零件组直接合成主样件。机电工程学院CAPP工艺路线的生成图3-4主样件的合成零件组零件1零件2零件3零件N-1零件N子样件1=1+2+3子样件2=4+5+6子样件M=…+N主样件=子样件1+子样件2+…+子样件M…………………机电工程学院CAPP工艺路线的生成表3-1主样件合成实例零件图主要特征单向台阶、曲面、光滑通孔双向台阶、光滑通孔单向台阶、回转槽、光滑通孔单向台阶、外螺纹、光滑通孔单向台阶、滚纹、回转槽、平面加工、单向台阶孔、内螺纹双向台阶、滚纹、回转槽、单向台阶孔、内外螺纹、曲面、平面加工机电工程学院CAPP工艺路线的生成•合成主样件之后，就可以按主样件设计出典型的工艺过程。典型工艺过程设计也可以用合成法完成。即通过对单个零件的工艺过程的综合，形成典型工艺过程。但设计时要尽量采用本企业的先进经验，适合本企业生产条件，确保方案技术经济指标达到最佳水平。表3-2典型工艺路线工序工步工序内容加工表面设备1准备、下料21234567891011车削装夹车端面车外圆滚花纹车成型面车槽车螺纹钻孔内孔倒角攻丝切断留余量12345266C61631234车削装夹车端面车外圆镗内孔789C616412铣平面装夹铣平面10XB126512钳工去铣后毛刺攻螺纹6机电工程学院CAPP工艺路线的生成•上述典型工艺路线，也可用一个N×4的矩阵来表示。其中第一列为工序号和工步号，第二列为工序工步内容，第三列为加工表面，第四列为设备。并将其存入计算机典型工艺文件库中。机电工程学院CAPP工艺路线的生成3.2创成法生成工艺路线的基本过程•创成法与前述样件法不同，工艺路线的生成不是建立在相似性设计的基础上，而是用系统的决策算法，对零件各表面的加工工步进行排列组合，形成工序，再对工序进行排列组合，形成加工阶段及整个工艺过程。而工步的选择仍然是建立在典型加工工艺方法的基础上。•创成法的程序和算法系统要比样件法复杂得多，通常算法是层次的。机电工程学院CAPP工艺路线的生成3.2创成法生成工艺路线的基本过程图3-6多层次算法框图输入原始信息Wμ：B1=μ1(B1),μ2(B1)…；B2=μ1(B2),μ2(B2)…；…Wj：GC→J1,J2,…Jk…Jk=μ1(B1),μ2(B2)…kWA：JK=μ1(B1),μ2(B2)K→A1,A2,…KWX：AL→α1,α2…qWP：α1,α2,α3…q→α1,α2,α3…q工序工艺设计1234567机电工程学院CAPP工艺路线的生成3.2.1选择加工工步•在机械加工中，工件可视为由许多相互联系的单元表面要素所组成。这些基本要素的形状通常可以由一个加工工步来获得。但是当对于表面的精度和精糙度有较高要求时，则需要由粗到精经过数个工步的加工。用于加工单元表面要素，由一种或数种工艺方法所组成的单元工艺过程称为表面加工链。机电工程学院CAPP工艺路线的生成•在输入原始信息后，第2步就是运用算法Wμ求得组成零件的各表面Bi的加工方法μ(Bi)和加工链。•算法Wμ是一种逻辑决策方法。在一定生产技术发展阶段，每种基本要素总是对应一定类别的典型加工方法。例如外圆表面的加工方法有车、磨、超精研、滚压等；平面的加工方法有刨、铣、拉、磨、刮等。对于不同精度和表面粗糙度要求，不同生产纲领，不同工厂(生产系统)条件，表面加工链是这些加工方法的不同组合。因此根据各种加工方法的经济加工精度和表面粗糙度就可以制定出选择加工方法的决策规则表。机电工程学院CAPP工艺路线的生成表3-3选择外圆表面加工方法决策规则表加工方法精度等级（IT）表面粗糙度(Rz)车削粗车11~1240~80半精车8~1020~40精车6~76.3~20细车、金刚石车5~60.8~6.3磨削粗磨86.3~40精磨6~71.6~6.3细磨5~60.4~1.6研磨、超精加工0.2~0.8滚压0.2~3.2机电工程学院CAPP工艺路线的生成图3-7表面加工链的正算法程序开始选粗车工步μ1(Bi)IT12Rz80符合Bki?选半精车工步μ2(Bi)IT10Rz40符合Bki?有色金属?选精车工步μ3(Bi)IT7Rz20选粗磨工步μ3(Bi)IT8Rz40符合Bki?选精车工步μ4(Bi)IT5~6Rz6.3符合Bki?选精磨工步μ4(Bi)IT6Rz1.6符合Bki?选超精加工μ5(Bi)IT5Rz0.8结束结束YNYYYYNNNNN12345678910111213机电工程学院CAPP工艺路线的生成图3-8表面加工路线逆运算法程序Bik→Mz取Bij求μ(Bij)求Bij-1Bij-1落到粗加工范围？Bij-1→Mz输出μ(Bi1)，μ(Bi2)，…μ(BiK)2NY345167机电工程学院CAPP工艺路线的生成表3-4本工步与前工步表面状态对应关系表加工精度等级(IT)加工表面粗糙度(Rz)(μm)本工步前工步本工步前工步570.160.6368~90.321.257100.63~1.252.5~208~1012~132.54020~4080以上机电工程学院CAPP工艺路线的生成•直接建立型面加工链选择的逻辑决策系统，可以简化设计过程，是计算机辅助工艺设计系统研究中的一项重要内容。决策系统包括型面加工链方案选择表格和相应的决策程序其具体内容随企业具体条件不同而不同。•在作决策运算时，将型面最终状态Bik与表格值进行比较，搜索出满足全部要求的加工链方案。从表中可以看出，有时可以有几种可行方案。如外圆加工，精度IT6，表面粗糙度RZ0.4可用表3-5中6、7、8、9及10等方案，这时就需要优先级(一般是根据经济性原则来考虑)选择方案。•上述加工链的选择是孤立地按单个型面来进行的，没有考虑零件各型面在整体上的相互联系，因此不一定是最佳的。所以要在上述运算基础上选出几个方案，然后进一步从零件整体角度上确定各型面加工链的最佳方案。机电工程学院CAPP工艺路线的生成表3-5外圆表面加工方案序号加工方案经济精度等级(IT)表面粗糙度(Rz)(μm)适用范围1粗车11~1340~320适用于淬火钢以外的各种金属2粗车→半精车8~910~403粗车→半精车→精车6~73.2~104粗车→半精车→精车→滚压（或抛光）6~70.1~1.65粗车→半精车→磨削6~71.6~6.3主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢6粗车→半精车→粗磨→精磨5~70.4~3.27粗车