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1、 CHAPTER 7（第七章）（第七章）Computer Aided Process Planning计算机辅助工艺规程设计计算机辅助工艺规程设计6.1 系统的发展概况和工作原理系统的发展概况和工作原理 工艺设计自动化的重要意义工艺设计自动化的重要意义 1.工艺规程设计的任务和主要内容 工艺规程设计的任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。其主要内容有：选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备；安排合理的加工顺序；选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差；选用合理的切削用量；计算时间定额和切削用量
2、；编制包含上述所有资料的工艺文件。其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。6.1系统的发展概况和工作原理系统的发展概况和工作原理2.传统的工艺规程设计方法 传统的工艺规程设计方法存在许多不足之处，表现在以下几点：传统设计方法的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验；手工编制的工艺规程缺乏一致性，很难得到最佳制造方案。工艺规程设计中存在着大量的重复性和多样性，造成巨大的浪费。传统的工艺设计方法已不适应当前的生产形式，必须寻找新的工艺规程设计方法，以提高设计效率。利用计算机实现利用计算机实现CAPP3.利用计算机实现CAPP计算机技术为工艺规程设计提供了理想的工具，出现了计算机辅助工艺规
3、程设计(Computer Aided Process Planning)，简称CAPP。CAPP是实现工艺设计自动化，把CAD和CAM的信息联系起来，实现CAD/CAM一体化，建立集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System-CIMS)的关键性中间环节。6.1.2 CAPP的发展概况的发展概况1.国外CAPP的发展概况 挪威于1969年正式发表了AUTOPROS系统，这是第一个CAPP系统；美国的CAM-公司也研制出自己的CAPP系统。2.国内CAPP的发展概况 最早进行此项研究工作的是同济大学，他们于1982年研制成功TOJICAP系统；随后
4、北京理工大学也研制出用于回转体零件的BITCAPP系统；北京航空航天大学发表了BHCAPP系统。CAPP系统的主要功能系统的主要功能 3.CAPP系统的主要功能检索标准工艺文件；选择加工方法；安排工艺路线；选择机床、刀具、夹具；选择切削用量；计算切削参数、加工时间和加工费用；确定工序尺寸和公差、选择毛坯；绘制工序图；给出刀具轨迹，自动进行NC编程；进行加工过程的模拟。并非所有CAPP系统都具备上述功能，现在也只有少数CAPP系统能和CAD、CAM系统连接。6.1.3 CAPP系统的工作原理系统的工作原理 派生法(Variant)：又叫经验法、样件法，是根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，
5、按零件组编制出标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。创成法(Generative)：不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中，收集了大量的工艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。输入新零件的有关信息，系统模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的条件下，自动地生成零件的工艺规程。6.1.4 CAPP系统的经济效益系统的经济效益采用CAPP技术后：可以大大提高工艺人员的工作效率，加快工艺规程设计的速度、缩短生产准备间。可以减少工艺设计费用，降低制造成本。据国外统计，采用CAPP技术后工艺设计劳动量减少20%-40%，工艺设计费
6、用降低20%-50%，总的制造成本降低9.6%。6.2派生法派生法CAPP系统系统派生法CAPP系统的工作原理利用计算机进行工艺设计，要解决两个主要问题：实现零件图样信息代码化，即让计算机能够了解零件的技术要求。把工艺人员的经验和技能系统化、理论化、代码化，即把工艺人员的加工能力知识有规律地贮存起来，需要时可用代码随时调用，让大家共享知识库。派生法CAPP系统的工作原理：是根据成组技术中相似性原理，如果零件的结构形状相似，则它们的工艺规程也有相似性。派生法派生法CAPP系统的研制过程系统的研制过程1零件编码：首先对已有的零件进行编码。编码方法有手工编码和计算机辅助编码两种方法。手工编码是编码人
7、员根据分类系统的编码法则，对照零件图用人工方式逐一编出各码位的代码。计算机辅助编码以人机对话方式进行，把零件的信息输入给计算机，计算机软件进行逻辑判断并自动编出零件的代码，并在终端显示器上显示或打印输出。零件分组零件分组 2零件分组 编码分组法 是应用较广泛的一种方法，又可分为特征数据法和特征矩阵法。特征数据法 是从零件代码中选择几位特征性强，对划分零件组影响较大的码位作为零件分组的主要依据，而忽略那些影响不大的码位。特征矩阵法 是根据对零件特征信息的统计分析结果，并考虑到车间加工水平，工装设备条件，设备负荷，管理水平等条件，对每位代码划定一个范围，作为分组的依据，每个持征矩阵对应着一个码域，
8、即一个零件组。特征矩阵法特征矩阵法 采用特征矩阵法对零件进行分组的原理如下：每一个零件的代码均可以用矩阵来表示。下图为分组程序的流程框图。左右分别为单个零件和一组零件的特征矩阵。生产流程分析法生产流程分析法生产流程分析法生产流程分析法是通过分析全部零件的工艺流程，主要根据零件的加工方法和所用设备来分组，而不是依据零件图样代码。它划分零件组后还可得到加工该零件组的机床组。零件分组程序流程框图零件分组程序流程框图步骤步骤对每一列计算它们的总权：把它们按升序次序排列。对每行计算它们的总权：把它们按升序次序排列。再重复进行上述步骤，直到自然处于升序状态，就可以确定相似零件组。研制过程研制过程3设计零件
9、分组的复合零件 复合零件又叫主样件，它包含一组零件的全部形状要素，有一定的尺寸范围，可以是实际存在的，也可以是假想的。以它作为样板零件，设计适用于全组的通用工艺规程。4设计标准工艺规程 标准工艺规程应能满足该零件组所有零件的加工要求，并能反映工厂实际工艺水平，尽可能是合理可行的。5建立工步代码文件 标准工艺规程是由各种加工工序组成的，一个工序又可以分为多个工步，所以工步是标准工艺规程中最基本的组成要素。如车外圆、钻孔、铣平面、磨外圆、滚齿、拉花键等。研制过程研制过程6建立切削数据文件 CAPP所要处理的数据，其种类和数量都非常大，而且其中许多数据是和其它系统共享的。所有的加工方法都必须要有切削
10、数据(进给量、切削速度、切削深度)，为此必须建立大量的切削数据文件。为了生成工艺规程，还必须要建立各种工艺数据文件。7设计各种功能子程序 由于CAPP系统需要应用各种计算方法，为此需预先将各种计算公式和求解力法编成各种功能子程序，如切削参数的计算，加工余量、工序尺寸公差的计算，切削时间相加工费用的计算等。研制过程研制过程 8CAPP系统总程序设计 上述各项准备工作完成以后，用一个主程序和界面把所有子程序连接起来，每一个单元功能可以来用模块结构形式，可以单独调试和修改，再把各个功能模块组合起来，就构成CAPP系统的总程序。6.2.3 派生法派生法CAPP系统实例系统实例1.TOJICAP系统：该
11、系统用于生成回转体零件的工艺规程。工艺规程内容详细完整，系统采用BASIC语言编程。2.WLCAPP系统：WLCAPP系统是北京理工大学为航天部某卫星制造厂开发的派生CAPP系统，采用FOXBASE为主要开发工具，运行环境为各类微机。整个系统有计算机辅助编码子系统和计算机辅助工艺设计子系统组成，通过分级下拉式菜单驱动各模块的运行。6.3 创成法创成法CAPP系统系统创成法CAPP系统的工作原理创成法CAPP系统不以对标准工艺规程的检索和修改为基础，而是由计算机软件系统，根据加工能力知识库和工艺数据库中加工工艺信息和各种工艺决策逻辑，自动设计出零件的工艺规程。创成法CAPP系统能很方便地设计出新
12、零件的工艺规程，有很大的柔性，还可以和CAD系统以及自动化的加工系统相连接，实现CAD/CAM的一体化。创成法创成法CAPP系统的工作原理系统的工作原理实现完全创成法CAPP要解决的关键问题零件的信息必须要用计算机能识别的形式完全准确地描述。收集大量的工艺设计知识相工艺规程决策逻辑，并以计算机能识别的方式贮存。工艺规程的设计逻辑和零件信息的描述必须收集在统一的工艺数据库中。创成法创成法CAPP系统的工作原理系统的工作原理目前技术上存在的困难零件图样上的各种信息要完全难确地描述还有在困难，持别是对复杂零件的三维模型的建立也还没有完全解决。工艺知识是一种经验型知识，如何建立完善的工艺决策模型，使计
13、算机能够识别、处理还有待进一步解决。工艺过程的优化理论还不完善，没有严格的理论和数学模型。6.3.2 零件信息描述零件信息描述 零件信息描述是设计创成法CAPP系统首先要解决的问题。1柔性编码法 柔性编码系统是指其码位长度和每一码位所含的信息量都可以根据描述村象的复杂程度柔性变化，没有固定的码位设置和码位含义。2型面描述法 这种方法把零件看成是由苦干种基本型面按一定规则组合而成，每一种型面都可以用一组特征参数给予拥述，型面种类、它的持征参数以及型面之间的关系都可以用代码来表示。零件信息描述零件信息描述3体元素描述法 体元素是零件可分解的最基本的三维几何体，如圆柱体、圆锥体、六面体、圆环体、球体
14、等。体元素描述法把零件看成是由若干基本几何体按一定位置关系组合而成。4特征描述法 特征描述法不是按传统的用纯几何体素来描述零件，而是根据零件特点，以具有明显工程意义的文体来描述零件。5从CAD系统的数据库中直接获得零件信息 该方法是利用中间接口或其它的传输手段，将零件的设计信息，直接从CAD系统的数据库中提取出，用于对零件进行工艺规程设计。6.3.3 创成法创成法CAPP系统的工艺决策逻辑系统的工艺决策逻辑 1建立工艺决策逻辑的依据建立工艺决策逻辑应根据工艺设计的基本原理、工厂生产实践经验的总结、以及对具体生产条件的分析研究，并集中有关专家、工艺人员的智慧及工艺设计中常用的、并行之有效的原则，
15、如各表面加工方法的选择，粗、细、精、超精加工阶段的划分，装夹方法的选择，机床、刀具类型规格的选择，切削用量的选择，工艺方案的选择等，结合各种零件的结构特征，建立起相应的工艺设计逻辑。还要广泛收集各种加工方法的加工能力范围和所能达到的经济精度以及各种特征表面的典型工艺方法等数据，作为文件贮存在计算机内。创成法创成法CAPP系统的工艺决策逻辑系统的工艺决策逻辑 2工艺决策逻辑的主要形式 现在有很多种工艺决策逻辑用于创成法CAPP系统中、其中最常用的是决策表和决策树。近来也有采用专家系统相人工智能中的其它决策技术。(1)决策表 决策表是将一类不易用语言表达清楚的工艺逻辑关系，用一个表格形式来表达的方
16、法，它是计算机软件设计的基本工具。在决策表中，当某一条件是真实的，则取值为T(TRUE)或Y(YES)，当条件是假的，则取值为F(FALSE)或N(NO)。条件状态也可用空格表示，它表示这条件是真是假与该规则无关，或无所谓。条件项目也可用具体数值或数值范围表示，决策行动可以是无序的决策行动，用X表示，也可以是有序的决策行动，并给予一定序号。工艺决策逻辑工艺决策逻辑(2)决策树 工艺决策树是一个同决策表功能相似的工艺逻辑设计工具，是种树状样的图形，它由树根、节点和分支组成。树根和分支间都用数值互相联系，通常用来描述事物状态转换的可能性以及转换过程和转换结果。分支上的数值表示向一种状态转换可能性或
17、条件。的可能性或条件。当条件满足时、则继续沿分支向前传递，以实现逻辑与“AND”的关系；当条件不满足时则转向出发节点的另一分支，以实现逻辑或“OR”的关系在每一分支的终端列出了应采取的动作。所以，从树根到终端的一条路径就可以表示一条类似于决策表中的决策规则。工艺决策逻辑比较工艺决策逻辑比较同决策表相比，决策树具有下列优点：决策树比决策表更容易建立和维护，而且比较直观，可以把决策表转换成决策树。便于扩展和修改。适合于工艺规程设计。便于编程，其结构与软件设计的流程图很相似。工艺决策逻辑比较工艺决策逻辑比较决策表转换成树，左表为一决策表，可转换为下面的决策树：6.3.4 创成法创成法CAPP系统的逆
18、向编程原理系统的逆向编程原理 在创成法CAPP系统中，工艺规程设计有两种方法：正向编程：从零件毛坯开始进行分析，选择一定的加工方法和顺序，直到能加工出符合最终目标要求的零件形状。逆向编程：这种方法是从零件最终的几何形状和技术条件开始分析，反向选择合适的加工工序，直到零件恢复成无需加工的毛坯。在逆向编程系统中，以零件的最终状态作为前提，出发点明确。6.3.5 创成法创成法CAPP系统中的工序设计系统中的工序设计1工序内容的确定和工步顺序的安排 在安排零件的工艺路线时，一般都分层次、分阶段地考虑各个工序的加工顺序。2工序尺寸和公差的计算 零件在加工过程中，各工序的加工尺寸和公差是根据反向编程原理进
19、行计算的。3工序图的自动绘制 工序图的绘制与零件图的绘制是不一样的。绘制工序图必须从CAPP系统本身中获得每个工序的图形信息，自动绘制出工序图，并能把工序尺寸、公差及各种技术要求标注在工序图上。6.3.6 创成法创成法CAPP系统实例系统实例 1CAPSY系统 CAPSY系统是柏林工业大学(TU Berlin)开发的图形人机对话式创成法CAPP系统。它能和CAD系统和NC编程系统配套使用。2BITCAPP系统 BITCAPP系统是一个适用于FMS的创成法CAPP系统，它是由北京理工大学针对FMS中所加工的兵器零件而开发的。CAPSY系统工作原理图系统工作原理图BITCAPP系统的总体结构图系统
20、的总体结构图BITCAPP系统系统 (1)零件信息的描述方法 系统采用基于持征的方法作为三维兵器零件的描述方法。(2)系统的工艺决策逻辑系统 系统采用人工智能原理，建立了兵器零件的工艺决策逻辑系统。(3)采用面向对象的方法实现工艺决策 在工艺决策的实现中，系统采用了面向对象的方法，零件被分解为一个个特征。(4)系统的工艺数据库 包括加工知识库、刀具库、切削用量库及其管理机制。(5)工艺文件的输出 系统共生成两类工艺文件，一类是工艺规程文件，它可以在与工作站联网的微机上输出中文工艺文件，也可采用工作站上的中文Motif软件输出符合工厂使用要求的中文工艺文件，并可通过图形软件的支持绘制工序图。另一
21、类是输出CAPP到NCP的接口文件，直接向NC编程系统传输零件加工信息。NCP系统读取接口文件，经特征识别和进一步计算处理后，即可生成刀位数据文件和NC代码指令。6.4 CAPP专家系统专家系统6.4.1 CAPP系统的工作原理CAPP专家系统与一般的CAPP系统的工作原理不同，结构上也有很大差别。CAPP专家系统由零件信息输入模块、知识库、推理机三部分组成。其中知识库和推理机是互相独立的。CAPP专家系统根据输入的零件信息频繁地去访问知识库，并通过推理机中控制策略，从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每次执行规则得到的结论部分按照先后顺序记录下来，直到零件加工达到
22、终结状态，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。CAPP专家系统能处理多义性和不确定的知识，可以在一定程度上达到模拟人脑进行工艺设计，使工艺设计中很多模糊问题得以解决。6.4.2 CAPP专家系统中的零件信息描述专家系统中的零件信息描述 目前，要实现这种自动从CAD系统中获得零件有关信息，还有很大难度。据国内外文献资料报导，大致可采用以下几种方法：1应用初始图形数据交换标准IGES(Initial Graphics Exchange Specification)；2采用基于特征建模技术的数据接口文件；3轮廓线法。工艺知识库的建立工艺知识库的建立工艺知识库的建立 在一般的CAPP系统中，都把工艺
23、设计各阶段所用到的工艺知识归纳成工艺决策逻辑形式，编制在系统程序中。而在CAPP专家系统中，则是单独地建成工艺知识库。工艺知识在专家系统中属于过程性知识，它包括选样决策逻辑(如加工方法选择、工艺装备选择、切削用量选择等)，排序决策逻辑(如安排加工路线、确定工序中的加工步骤等)，以及加工方法知识一般都采用产生式规则来表示工艺决策知识。工艺知识库是一个完整的规则集，它可以划分为若干个规则子集。根据需要每个规则子集还可以划分成若干个规则组。6.4.3 工艺知识库的建立工艺知识库的建立 工艺知识库的规则集，一般可包含以下几个部分：1加工方法的选择CAPP系统一般都采用逆向编程原理，首先确定能达到质量要
24、求的各个加工表面的最终加工方法。然后再确定其它的准备加工工序。2工艺路线的确定工艺路线的制定一般都是以划分加工阶段为依据，并遵循先基准后其它、先粗后精等原则。3毛坯的选择毛坯选择主要根据加工零件的材料、尺寸、技术条件和现有加工条件等。首先要确定毛坯的类型和毛坯加工的方法。特征元素的规则实例特征元素的规则实例IF (加工表面为外圆柱面或外圆锥面)(工件材料为碳钢或合金钢)(表面要求淬火、HRC38)(表面粗糙度Rz1.6)(加工精度IT6)THEN(推荐采用磨削加工方法)(要求预加工表面精度IT9，粗糙度6.3)IF (加工表面为孔)(直径公差0.007)(表面粗糙度Rz：1.6m)(直线度0.
25、005)(圆度0.007)(位置度0.002)(平行度0.012)(长径比10)THEN(推荐采用镗削工序)(切削余量0.005)IF (加工表面为沉头孔)(孔径为12)(沉头孔直径为18，高度10)THEN(先钻孔12)(后锪沉头孔18，高度10)(要求预加工表面的上下偏差为0.05，表面粗糙度为1.25)工艺路线产生式规则实例工艺路线产生式规则实例IF (加工表面为平面，面积较大)(要求较高的平面度和表面粗糙度)(与其它表面之间有尺寸关系)THEN(采用端铣刀精铣，且经粗铣一、二次)IF (加工表面为平面和平面上的孔)(平面和孔的精度要求一般)(平面和孔有一定垂直度要求)THEN(先加工平
26、面，以平面为基准再加工孔)IF (加工表面为一阶梯孔)(且两边大、中间小)THEN(建议从两边加工为保证位置精度要求，在最终精加工之前须经一到二次粗加工)IF (加工表面为单向阶梯孔，孔深不大)THEN(可以从一面加工，桔加工前须经一次粗加工)IF (加工表面为具有同轴度要求的两孔)THEN(建议将它们安排在同一工序中加工)IF (加工表面为圆柱面或圆锥面)(并有倒角、退刀槽、螺纹等特征元素的加工)THEN(建议加工顺序为：先加工圆柱面或圆锥面，然后加工倒角和退刀槽 螺纹)毛坯选择实例毛坯选择实例IF (工件材料为碳钢或合金钢)(工件形状为回转体，最大长径比为7)(零件最大长度为200)THE
27、N(建议采用棒料，毛坯为单个加工）6.4.4 推理机的控制策略推理机的控制策略推理机是专家系统的控制机构，它规定了如何从知识库中选用适当的规则，来进行工艺规程设计，只有在一定的控制策略下，规则才能被启用。在CAPP专家系统中，一般都采用逆向搜索的方法。即从零件加工的最终状态开始，反向逐步选择合适的加工方法，直至选出无需预加工的毛坯状态为止，从而确定出加工计划。具体做法是，根据用户提出的零件设计要求，选用适当的规则、确定出能满足零件设计要求的最终加工方法和加工参数，给出这种加工方法所需的预加工的零件状态，修改动态数据库，把预加工的零件状态作为新的要求。再选用适当的规则，确定出适当的加工方法和加工参数。推理机的控制策略推理机的控制策略在CAPP专家系统的推理过程中，当有多条规则的条件部分被满足时，系统到底应该选用哪条规则予以执行，则由冲突解决策略来处理。对于不同的系统或不同的子任务可以采用不同的解决方法。一般常用的方法有以下几种：(1)按规则的存贮次序决定启用规则。(2)优先启用包含最多前提条件的规则。(3)按规则可信度选用，即可信度值大的规则为优先启用规则。