第七章计算机辅助工艺设计

1、第七章第七章 计算机辅助工艺设计计算机辅助工艺设计7.1 概述概述 CAPP的提出 工艺设计是从产品设计到产品制造之间的重要桥梁，也是机械制造企业生产技术工作的主要内容。 机械加工工艺规程主要包括的内容有：分析被加工零件；选择毛胚；设计工艺过程；工序设计；编制工艺文件。手工制订工艺规程存在的问题：1) 由于工艺设计人员的经验、习惯和技术水平不同，对同一零部件产品的工艺设计会存在差异，不利于工艺规程的标准化。2) 效率低下，存在大量的重复劳动。3) 不能将工艺专家的经验和知识集中起来加以利用。计算机技术的迅猛发展为工艺设计的自动化奠定了基础。计算机能有效的管理大量数据，进行快速、准确的计算，并能

2、对各种形式的数据进行比较和选择，还能自动绘制表格文件等等。计算机正是存在着这些优势，计算机辅助工艺设计便应运而生。 CAPP基本功能：1) 接收或生成零件信息2) 检索标准工艺文件3) 选择加工方法4) 安排加工路线5) 选择机床、刀具和夹具等6) 确定切削用量7) 计算切削参数、工时定额和加工费用等8) 计算工序尺寸和公差，确定毛坯类型和尺寸9) 绘制工序图10)生成工艺文件11)刀具路径规划并生成NC代码CAPP系统的基本结构系统的基本结构1) 零件信息的输入模块 2) 工艺规程的生成模块 3) 工艺数据/知识库模块 4) 系统的控制和管理模块 5) 工艺文件管理与输出模块CAPP系统的分

3、类系统的分类CAPP系统按照其工作原理可分为四类：1) 派生式2) 创成式3) 混合式4) 专家系统CAPP系统发展趋势发展趋势1) 集成化 2) 通用化 3) 智能化图纸信息的描述与人机交互式输入1) 分类编码描述法(GT法)与输入 2) 语言描述与输入法 3) 知识表示描述法4) 基于形状特征或表面元素的描述与输入法 7.2 CAPP系统零件信息的描述、输入系统零件信息的描述、输入和输出和输出图纸信息的描述与人机交互式输入1) 分类编码描述法(GT法)与输入 2) 语言描述与输入法 3) 知识表示描述法4) 基于形状特征或表面元素的描述与输入法 7.2 CAPP系统零件信息的描述、输入和输

4、出从CAD系统直接输入零件信息1) 特征识别法2) 基于特征拼装的计算机绘图与零件信息的描述和输入方法3) 基于三维特征造型的零件信息描述与输入方法 4) 基于产品数据交换规范的产品建模与信息输入方法 图形扫描及识别技术的输入方式这种技术就是用图形扫描仪将图纸上的信息扫描输入到计算机中，然后对扫描所得到的信息进行一定的分析与处理，在计算机上还原出工程图纸，并形成相应的图形文件，再将图形文件进行分析与识别，抽取出CAPP系统能识别的几何形状信息和加工信息。CAPP系统零件信息模型 运用上述方法获取了输入零件的信息后，CAPP系统还需要建立一种数学模型和数据结构来描述这些信息。目前统中应用最广泛的

5、一种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系统的输出1) 工艺规程的输出2) 工序图的输出 3) NC代码的输出1. 基本原理传统的单件批量生产模式所面临的问题或挑战：1) 产品品种日益多样化2) 产品具有更高的可靠性要求3) 需要加工的零件材料品种更为繁多4) 要求进一步提高生产率、降低废品率和降低材料消耗。5) 进一步加强设计、制造等所有生产环节的联系。成组技术GT(Group Technology)是一门生产技术科学，研究如何识别和发掘生产活动中有关事物的相似性，并将相似的事物归成组。机械加工中的成组技术是指对相似的零件进行识别和分组，相似的零件归入一个零件组

6、或零件族，并在设计和制造中充分利用它们的相似点，以提高生产效率，并获得更好的经济效益。7.3 成组技术2. 发展状况在机械加工领域，最先提出成组技术概念的人是俄国人S.P.Mitrofanor。50年代末60年代初传入欧洲各国。60年代以后，日本、美国也积极的采用了成组技术，并取得很好的效果。目前，随着计算机技术和数控技术的发展，成组技术得到了更好的应用。我国成组技术的应用起源于60年代，并在80年代得到广泛推广。3. 成组技术在机械加工中的应用1) 成组工艺2) 成组生产单元的组织3) 成组技术在CAD中的应用4) 成组技术在CAPP系统中的应用 5) 成组技术在FMS中的应用 4. 成组技

7、术的优点1) 有利于零件设计标准化，减少设计工作的重复。 2) 有利于工艺设计的标准化 3) 降低生产成本，简化生产计划，缩短了生产周期。 4) 有利于CAD系统与CAM系统连接，实现CAD/CAM系统的集成。零件的分类方法零件的相似性是零件分类的基础。零件的相似性有两类：设计性质(如几何形状和尺寸等，图7-1)方面的相似性和制造性质(如加工工艺，图7-2)方面的相似性。零件族是一些零件的集合，这些零件具有相似的几何形状和尺寸或在加工具有相似的加工步骤。 1. 视检法(人工识别分组法)2. 编码分类法2.1 特征码位法2.2 码域法2.3 特征位码域法013124279精度：内外圆与平面毛胚原

8、始形状：锻件材料种类：钢(抗拉强度420MPa)最大直径：160mmD250mm辅助加工孔：有分布要求的轴向孔平面加工：外平面内部形状：光滑或单向台阶带功能槽外部形状：单向台阶、无形状要素零件类别：回转体零件L/D38) (表面粗糙度Rz1.6) (加工精度IT 6)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9245mm) (直径公差0.007) (表面粗糙度Ra1.6m) (直线度0.005mm) (圆度0.007mm) (平行度0.012mm) (位置度0.002mm) (长径比10)THEN (推荐采用精镗工序) (切削

9、余量0.05mm) ( 要 求 预 加 工 表 面 的 公 差 为 0 . 0 5 m m ， 表 面 粗 糙 度Ra=12.5m)2. 工艺路线的确定零件表面的最终加工方法确定以后，为保证加工质量，常需要安排一些准备工序，如精加工之前的粗加工工序、热处理程序等，并确定彼此之间的顺序，这就是工艺路线的确定。工艺路线的制定一般都是以划分加工阶段为依据，如粗加工、半精加工、精加工和超精加工等，并遵循工序顺序安排原则，如先基准后其它、先面后孔、先主后次、先粗后精的原则。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) (与其他表面之间有尺寸关系)THEN (采用端铣刀精铣，且经粗

10、铣一两次)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 (先加工平面，再以平面为基准加工孔)主要包括工艺装备的选择、工序顺序的安排、工序尺寸和公差的计算、切削用量的确定、工时定额和工艺成本的计算、工序图的生成和绘制、工序卡片的编辑和输出、工艺过程优化以及材料、工装等的统计。工艺决策中知识库的建立 -工序设计部分1. 工序内容的确定和工步顺序的安排1)仍要坚持基面先行，先面后孔，粗精分开的原则；2)尽可能以最大切削深度进行加工以减少走刀次数；3)对外表面以直径最大或较大的台阶开始加工，以保证工件的刚度；4)对内表面从直径小的台阶面开始加

11、工，以保证工件的刚度。 2. 毛坯的选择毛坯的选择需要根据加工零件的材料、尺寸、技术条件来确定。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200mm)THEN (建议采用棒料，毛坯为单个加工)3. 加工余量的确定余量的选择是确定工序尺寸、计算尺寸链和确定毛坯尺寸的基础。余量的确定一般是在选择好零件各表面要素的加工方法(或加工链)以后进行，最常用的方法有3种，即分析计算法、经验法和查表法。经验法是按照工艺手册上推荐的经验推算公式来确定，手册上一般推荐了各表面要素在每种加工方法后应留下一种加工方法的余量值。IF (特征类型：外圆柱面) (材料：普通碳素

12、钢) (热处理：无) (加工类型：数控机床加工) (工件直径为2070) (最高精度等级：6，最低精度等级：8) (最高粗糙度Ra：0.8，最低粗糙度：3.2) THEN (粗车，留余量：1.5；半精车，留余量：0.4；半精车，留余量：0.0) 4. 装夹方式的选择 IF (工件形状为回转体) (加工表面为双向阶梯表面） (最大长径比为3) THEN (建议采用三爪卡盘) 5. 切削用量的选择IF (加工表面为圆柱面) (加工工序为外圆车削) (工件材料为碳钢或合金钢) (工件直径为2040)THEN (建议采用进给量0.4)6. 工序尺寸和公差的计算现在已有多种计算机辅助求解工艺尺寸链的方法

13、，比如应用图解跟踪法，图论求解法和专家系统求解法等。7. 工序图的绘制工序图的绘制是一个动态的形成过程。工序图绘制的一般方法：1) 图素参数法2) 特征参数法 基本概念 CAPP专家系统是将人工智能(AI)技术应用在CAPP系统中形成的专家系统，它突破了简单的逻辑运算，把经验和推理结合起来，将逻辑思维和形象思维结合起来。创成式CAPP系统以“逻辑算法 + 决策表”为主要特征，而CAPP专家系统以“推理 + 知识”为主要特征。CAPP专家系统主要由零件信息输入模块、知识库、推理库三部分组成，其中知识库和推理库是相互独立的。7.6 CAPP专家系统简介CAPP专家系统的工作原理 CAPP专家系统根

14、据输入的零件信息频繁地去访问知识库，并通过推理机中的控制策略，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，并把每一次执行的规则得到的结论部分按照先后顺序记录下来，直到零件加工达到一个终结状态，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。专家系统结构：专家系统结构：人机接口解释系统推理机中间数据库知识库知识库开发系统用户知识应用专家 知识获取 知识库:存放专家知识和经验的特殊数据库。 推理机:控制、协调专家系统工作的一组程序,正向推理和反向推理 解释系统:解释系统的推理结果，回答用户问题。 知识获取系统:将存储在人类专家头脑中的知识和经验提取出来，经验证后转存于系统的知识库中。 人机接口:人、机对话界面。 中间数据库:用于存放推理过程的中间结果或论据的临时数据库。CAPP专家系统以知识结构为核心，按数据、知识、控制三级结构来组织系统，由于知识库和推理机相互分离，因而系统具备很大的灵活性。当生产环境有变化时，可以通过修改知识库，加进新规则，使之适应新的要求，快速解决新的问题。CAPP专家系统的知识库 一般情况下，采用产生式规则来表示决策知识。每条规则是一个“条件行动”产生式，其含义为：如果该“条件”满足，就采取某个“行动”。 主要特点：1) 与人的思维方式相近，比较直观，容易收集和组织工艺专家的知识；2)规则彼此之间完全独立，容易适应各种情况，也容易检验、维护