1、第七章第七章 計算機輔助工藝設計計算機輔助工藝設計7.1 概述概述 CAPP的提出 工藝設計是從產品設計到產品制造之間的重要橋梁，也是機械制造企業生產技術工作的主要內容。 機械加工工藝規程主要包括的內容有：分析被加工零件；選擇毛胚；設計工藝過程；工序設計；編制工藝文件。手工制訂工藝規程存在的問題：1) 由于工藝設計人員的經驗、習慣和技術水平不同，對同一零部件產品的工藝設計會存在差異，不利于工藝規程的標準化。2) 效率低下，存在大量的重復勞動。3) 不能將工藝專家的經驗和知識集中起來加以利用。計算機技術的迅猛發展為工藝設計的自動化奠定了基礎。計算機能有效的管理大量數據，進行快速、準確的計算，并能

2、對各種形式的數據進行比較和選擇，還能自動繪制表格文件等等。計算機正是存在著這些優勢，計算機輔助工藝設計便應運而生。 CAPP基本功能：1) 接收或生成零件信息2) 檢索標準工藝文件3) 選擇加工方法4) 安排加工路線5) 選擇機床、刀具和夾具等6) 確定切削用量7) 計算切削參數、工時定額和加工費用等8) 計算工序尺寸和公差，確定毛坯類型和尺寸9) 繪制工序圖10)生成工藝文件11)刀具路徑規劃并生成NC代碼CAPP系統的基本結構系統的基本結構1) 零件信息的輸入模塊 2) 工藝規程的生成模塊 3) 工藝數據/知識庫模塊 4) 系統的控制和管理模塊 5) 工藝文件管理與輸出模塊CAPP系統的分

3、類系統的分類CAPP系統按照其工作原理可分為四類：1) 派生式2) 創成式3) 混合式4) 專家系統CAPP系統發展趨勢發展趨勢1) 集成化 2) 通用化 3) 智能化圖紙信息的描述與人機交互式輸入1) 分類編碼描述法(GT法)與輸入 2) 語言描述與輸入法 3) 知識表示描述法4) 基于形狀特征或表面元素的描述與輸入法 7.2 CAPP系統零件信息的描述、輸入系統零件信息的描述、輸入和輸出和輸出圖紙信息的描述與人機交互式輸入1) 分類編碼描述法(GT法)與輸入 2) 語言描述與輸入法 3) 知識表示描述法4) 基于形狀特征或表面元素的描述與輸入法 7.2 CAPP系統零件信息的描述、輸入和輸

4、出從CAD系統直接輸入零件信息1) 特征識別法2) 基于特征拼裝的計算機繪圖與零件信息的描述和輸入方法3) 基于三維特征造型的零件信息描述與輸入方法 4) 基于產品數據交換規范的產品建模與信息輸入方法 圖形掃描及識別技術的輸入方式這種技術就是用圖形掃描儀將圖紙上的信息掃描輸入到計算機中，然后對掃描所得到的信息進行一定的分析與處理，在計算機上還原出工程圖紙，并形成相應的圖形文件，再將圖形文件進行分析與識別，抽取出CAPP系統能識別的幾何形狀信息和加工信息。CAPP系統零件信息模型 運用上述方法獲取了輸入零件的信息后，CAPP系統還需要建立一種數學模型和數據結構來描述這些信息。目前統中應用最廣泛的

5、一種零件信息建模方法是基于特征的零件信息描述法，即特征建模法。CAPP系統的輸出1) 工藝規程的輸出2) 工序圖的輸出 3) NC代碼的輸出1. 基本原理傳統的單件批量生產模式所面臨的問題或挑戰：1) 產品品種日益多樣化2) 產品具有更高的可靠性要求3) 需要加工的零件材料品種更為繁多4) 要求進一步提高生產率、降低廢品率和降低材料消耗。5) 進一步加強設計、制造等所有生產環節的聯系。成組技術GT(Group Technology)是一門生產技術科學，研究如何識別和發掘生產活動中有關事物的相似性，并將相似的事物歸成組。機械加工中的成組技術是指對相似的零件進行識別和分組，相似的零件歸入一個零件組

6、或零件族，并在設計和制造中充分利用它們的相似點，以提高生產效率，并獲得更好的經濟效益。7.3 成組技術2. 發展狀況在機械加工領域，最先提出成組技術概念的人是俄國人S.P.Mitrofanor。50年代末60年代初傳入歐洲各國。60年代以后，日本、美國也積極的采用了成組技術，并取得很好的效果。目前，隨著計算機技術和數控技術的發展，成組技術得到了更好的應用。我國成組技術的應用起源于60年代，并在80年代得到廣泛推廣。3. 成組技術在機械加工中的應用1) 成組工藝2) 成組生產單元的組織3) 成組技術在CAD中的應用4) 成組技術在CAPP系統中的應用 5) 成組技術在FMS中的應用 4. 成組技

7、術的優點1) 有利于零件設計標準化，減少設計工作的重復。 2) 有利于工藝設計的標準化 3) 降低生產成本，簡化生產計劃，縮短了生產周期。 4) 有利于CAD系統與CAM系統連接，實現CAD/CAM系統的集成。零件的分類方法零件的相似性是零件分類的基礎。零件的相似性有兩類：設計性質(如幾何形狀和尺寸等，圖7-1)方面的相似性和制造性質(如加工工藝，圖7-2)方面的相似性。零件族是一些零件的集合，這些零件具有相似的幾何形狀和尺寸或在加工具有相似的加工步驟。 1. 視檢法(人工識別分組法)2. 編碼分類法2.1 特征碼位法2.2 碼域法2.3 特征位碼域法013124279精度：內外圓與平面毛胚原

8、始形狀：鍛件材料種類：鋼(抗拉強度420MPa)最大直徑：160mmD250mm輔助加工孔：有分布要求的軸向孔平面加工：外平面內部形狀：光滑或單向臺階帶功能槽外部形狀：單向臺階、無形狀要素零件類別：回轉體零件L/D38) (表面粗糙度Rz1.6) (加工精度IT 6)THEN (推薦采用磨削加工方法) (要求預加工表面精度IT9，粗糙度 6.3)IF (加工表面為孔) (直徑9245mm) (直徑公差0.007) (表面粗糙度Ra1.6m) (直線度0.005mm) (圓度0.007mm) (平行度0.012mm) (位置度0.002mm) (長徑比10)THEN (推薦采用精鏜工序) (切削

9、余量0.05mm) ( 要 求 預 加 工 表 面 的 公 差 為 0 . 0 5 m m ， 表 面 粗 糙 度Ra=12.5m)2. 工藝路線的確定零件表面的最終加工方法確定以后，為保證加工質量，常需要安排一些準備工序，如精加工之前的粗加工工序、熱處理程序等，并確定彼此之間的順序，這就是工藝路線的確定。工藝路線的制定一般都是以劃分加工階段為依據，如粗加工、半精加工、精加工和超精加工等，并遵循工序順序安排原則，如先基準后其它、先面后孔、先主后次、先粗后精的原則。IF (加工表面為平面，面積較大) (要求較高的平面度和表面粗糙度) (與其他表面之間有尺寸關系)THEN (采用端銑刀精銑，且經粗

10、銑一兩次)IF (加工表面為平面和平面上的孔) (平面和孔的精度要求一般) (平面和孔有一定垂直度要求) THEN (先加工平面，再以平面為基準加工孔)主要包括工藝裝備的選擇、工序順序的安排、工序尺寸和公差的計算、切削用量的確定、工時定額和工藝成本的計算、工序圖的生成和繪制、工序卡片的編輯和輸出、工藝過程優化以及材料、工裝等的統計。工藝決策中知識庫的建立 -工序設計部分1. 工序內容的確定和工步順序的安排1)仍要堅持基面先行，先面后孔，粗精分開的原則；2)盡可能以最大切削深度進行加工以減少走刀次數；3)對外表面以直徑最大或較大的臺階開始加工，以保證工件的剛度；4)對內表面從直徑小的臺階面開始加

11、工，以保證工件的剛度。 2. 毛坯的選擇毛坯的選擇需要根據加工零件的材料、尺寸、技術條件來確定。IF (工件材料為碳鋼或合金鋼) (工件形狀為回轉體，最大長徑比為7) (零件最大長度為200mm)THEN (建議采用棒料，毛坯為單個加工)3. 加工余量的確定余量的選擇是確定工序尺寸、計算尺寸鏈和確定毛坯尺寸的基礎。余量的確定一般是在選擇好零件各表面要素的加工方法(或加工鏈)以后進行，最常用的方法有3種，即分析計算法、經驗法和查表法。經驗法是按照工藝手冊上推薦的經驗推算公式來確定，手冊上一般推薦了各表面要素在每種加工方法后應留下一種加工方法的余量值。IF (特征類型：外圓柱面) (材料：普通碳素

12、鋼) (熱處理：無) (加工類型：數控機床加工) (工件直徑為2070) (最高精度等級：6，最低精度等級：8) (最高粗糙度Ra：0.8，最低粗糙度：3.2) THEN (粗車，留余量：1.5；半精車，留余量：0.4；半精車，留余量：0.0) 4. 裝夾方式的選擇 IF (工件形狀為回轉體) (加工表面為雙向階梯表面） (最大長徑比為3) THEN (建議采用三爪卡盤) 5. 切削用量的選擇IF (加工表面為圓柱面) (加工工序為外圓車削) (工件材料為碳鋼或合金鋼) (工件直徑為2040)THEN (建議采用進給量0.4)6. 工序尺寸和公差的計算現在已有多種計算機輔助求解工藝尺寸鏈的方法

13、，比如應用圖解跟蹤法，圖論求解法和專家系統求解法等。7. 工序圖的繪制工序圖的繪制是一個動態的形成過程。工序圖繪制的一般方法：1) 圖素參數法2) 特征參數法 基本概念 CAPP專家系統是將人工智能(AI)技術應用在CAPP系統中形成的專家系統，它突破了簡單的邏輯運算，把經驗和推理結合起來，將邏輯思維和形象思維結合起來。創成式CAPP系統以“邏輯算法 + 決策表”為主要特征，而CAPP專家系統以“推理 + 知識”為主要特征。CAPP專家系統主要由零件信息輸入模塊、知識庫、推理庫三部分組成，其中知識庫和推理庫是相互獨立的。7.6 CAPP專家系統簡介CAPP專家系統的工作原理 CAPP專家系統根

14、據輸入的零件信息頻繁地去訪問知識庫，并通過推理機中的控制策略，從知識庫中搜索能夠處理零件當前狀態的規則，然后執行這條規則，并把每一次執行的規則得到的結論部分按照先后順序記錄下來，直到零件加工達到一個終結狀態，這個記錄就是零件加工所要求的工藝規程。專家系統結構：專家系統結構：人機接口解釋系統推理機中間數據庫知識庫知識庫開發系統用戶知識應用專家 知識獲取 知識庫:存放專家知識和經驗的特殊數據庫。 推理機:控制、協調專家系統工作的一組程序,正向推理和反向推理 解釋系統:解釋系統的推理結果，回答用戶問題。 知識獲取系統:將存儲在人類專家頭腦中的知識和經驗提取出來，經驗證后轉存于系統的知識庫中。 人機接口:人、機對話界面。 中間數據庫:用于存放推理過程的中間結果或論據的臨時數據庫。CAPP專家系統以知識結構為核心，按數據、知識、控制三級結構來組織系統，由于知識庫和推理機相互分離，因而系統具備很大的靈活性。當生產環境有變化時，可以通過修改知識庫，加進新規則，使之適應新的要求，快速解決新的問題。CAPP專家系統的知識庫 一般情況下，采用產生式規則來表示決策知識。每條規則是一個“條件行動”產生式，其含義為：如果該“條件”滿足，就采取某個“行動”。 主要特點：1) 與人的思維方式相近，比較直觀，容易收集和組織工藝專家的知識；2)規則彼此之間完全獨立，容易適應各種情況，也容易檢驗、維護