成形工艺辅助设计技术发展

成形工艺辅助设计技术发展

主讲人：刘娇

一.概述

塑性加工过程是指将金属毛坯材料经塑性变形转变为与图纸要求完全一致的零件加工过程，它往往由多个依次完成的不同工序构成。各工序的加工方法、工艺参数、工序件形状和要求、模具结构、使用的机床等均不相同。为了保证稳定、高效地加工出合格产品，必须要在零件的加工过程实施前，对加工方案作出计划。

机械产品的生产过程根据产品图纸、技术要求、产量和现实生产条件等因素，对加工过程中所包括的诸如原材料准备、加工方法、辅助加工工序、检测手段等做出详尽、周密、切合实际的计划，为加工过程制定出详细的加工指令，这一设计工作就是工艺过程设计（ProcessPlanning）

工艺过程设计是保证产品质量、生产的技术水平、生产周期、生产效率和产品成本等技术经济指标的关键，是连接产品设计与加工过程的桥梁。塑型加工工艺过程设计的主要内容：（1）确定成形方法；（2）安排成形与辅助加工的工序；（3）选择加工设备与检测方法；（4）确定工艺参数与条件；（5）提出模具设计任务等；工艺过程设计的传统方式：由工艺人员根据具体的生产条件和以往积累的经验，参考各种设计标准和手册，对每一个待加工零件的加工工艺过程做出计划。特点：1.经验性和技术性强2.重复性和事务性工作较多3.设计方案多样化4.构成CAD与CAM之间的瓶颈需要考录的因素错综复杂，不仅要有关于加工工艺的良好知识基础，还要有相当丰富的生产车间工作经验一般是一个具体的零件，几乎每一零件的设计都要从头开始做起，原有经过实践考验的设计结果很难直接应用。受设计者知识水平和经验的限制，即使在同一车间，针对同一零件由不同设计人员所设计出的工艺规程会相差甚远。作为产品设计与加工之间的接口环节，传统设计方式已经成为生产过程的瓶颈，CAD与CAM难以实现真正的集合。二.引入：

为了有效的解决工艺过程传统设计方式存在的问题，自60年代以来，随着计算机技术的迅速发展，以实现工艺过程设计自动化为目的计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）成为生产工程研究中的基础学科而受到普遍重视。三.计算机辅助工艺过程设计概念：计算机辅助工艺过程设计，是通过计算机技术辅助工艺人员，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。

意义：CAPP彻底改变了手工编制工艺文件的方式和对人的依赖，大大提高了编制工效，缩短了生产周期，保证工艺文件的一致性和工艺规程的精确性，避免不必要的差错，为实现工艺过程优化，集成制造创造条件。CAPP主要内容框图：产品设计信息输入工艺决策产品设计信息输入人机交互输入系统所需的产品设计信息直接从CAD系统读取所需的产品设计信息修订式方法（VariantApproach）生成式方法（GenerativeApproach）专家系统、人工智能工艺卡片、工艺参数文件、数据库存储、信息共享修订式CAPP系统：

修订式CAPP（也称派生式CAPP）系统把相似零件汇集成零件组，为每个零件组设计出可供全组零件参考的标准工艺规程，并把标准工艺规程以数据库的形式存储在系统中。

设计具体零件的工艺规程时，首先确定出零件所在的组。然后，利用相似零件其工艺规程也相似这一设计逻辑，从工艺规程数据库中检索出零件所在组的标准工艺规程。最后，根据具体零件结构、工艺特征和技术要求，经用户必要的修改和编辑，便可得到该零件的工艺规程。成组技术（GroupTechnology,GT）是建立修订式CAPP系统的基础。修订式CAPP系统构成成组技术：将各种零件按一定规则，划分为具有共同特征并可识别的零件组，使同一组内的零件能够采用基本一致的加工方法，以达到省时省力的目的。实施：第一阶段建立用于标识零件的编码系统

第二阶段按相似原则形成零件组第一阶段建立用于标识零件的编码系统编码：就是由一定的数字与字母构成的字符串，用来表达零件的各种特征。（GT编码）著名GT编码系统如：西德Opitz、荷兰Miclass、日本KK-3四个基本要素：1.码数制2.码位数3.码定义4.码结构所用字符的类型。常用的码数制十进制、十六进制等数字式和字母-数字式。数字式简单十进制最为普通。组成码数的数字和字母的总数。太多太少都不好，15位适合。对编码中每一位码的各种取值规定准确的定义。链式、树式、混合式码位之间是隶属关系，即除第一码位外，其他代码值的确切含义都有前级码位限制。特点：所包含的特征信息量较多，能对零件特征进行较详细的描述，但结构复杂，编码和识别不太方便。各码位之间为并列关系，编码的每一位码代表着不同的信息，有独立的含义，与前后码位的值无关。特点：所包含的特征信息量比树式结构少，但结构简单，编码和识别也比较方便。链式和树式的综合，兼有二者之长。

第二阶段按相似原则形成零件组在综合考察、分析各种零件特征的基础上，制定适宜的相似性准则，将相似零件划归至相应零件组。设计具体零件的工艺规程时，首先确定出零件所在的组。然后，利用相似零件其工艺规程也相似这一设计逻辑，从工艺规程数据库中检索出零件所在组的标准工艺规程。最后，根据具体零件结构、工艺特征和技术要求，经用户必要的修改和编辑，便可得到该零件的工艺规程。对修订式CAPP系统评价：优点：1.易于开发2.用户可以控制最终形成的工艺规程3.易于学习和操作缺点：1.仅能为与原零件相似的零件设计工艺规程2.仍然需要经验丰富的工艺设计人员修改和完善标准工艺规程3.不能应用于自动化的制造系统中生成式CAPP系统：是一种计算机程序系统，它依靠建立在系统内部的逻辑、算法、公式和几何数据，模仿工艺设计人员进行工艺问题的推理决策，自动生成将材料毛坯加工成要求零件的工艺规程。现在已公开面世的创成式CAPP系统大都是按专家系统组织的。应用专家系统，能使计算机代替人去完成艺设计的推理过程。以人类专家的水平去解决该领域中困难问题的计算机软件系统生成式CAPP系统构成：

关键零件的描述：GT编码法、零件描述专用语言

决策逻辑决策树决策表工艺知识及知识库：

工艺知识是大量工艺专家智慧和经验的结晶，是生产实践经验的积累。然而知识获取是一项重要而艰难的工作，因为，经验和技能不一定具有系统的形式或合理的结构模式；个人经验往往不完整，有时还是含糊的；经验知识往往具有很强的针对性，同时也就具有局限性。推理机：根据已知信息和条件，推断出某些结论，从而控制整个系统运行的一组程序。

与修订式CAPP相比较优点：

1.设计过程不需要用户的干预，生成的工艺规程是唯一的，不会因人而异2.系统内不需要标准工艺规程，工艺设计的难易与以前是否设计过该零件或类似的零件无关，特别适用产品品种多、变化频繁的生产环境。3.可以作为培训工具，使初学者能学习到有经验的专家在进行工艺过程设计时的推理决策过程4.设计效率高，易于完善和扩展5.具有和CAD/CAM系统集成实现自动化设计与制造系统的可能不足之处：采用专家系统技术，可以实现工艺知识库和推理机的分离。在一定范围内或理想情况下，当CAPP系统应用条件发生变化时，可以扩充或修改知识库中的知识，而无需从头进行系统的开发。80年代以来，国内外已开发了许多工艺决策转机系统，但多是原型系统，知识数量少、功能有限，难以满足实用化要求，因此仅有很少的几个系统获得了实际应用。四.CAPP技术的发展趋势经过20多年的努力，国内外已开发数百个CAPP系统，但真正得到应用的还很少。同CAD、CAM等计算机辅助技术相比，CAPP仍是薄弱环节，许多技术问题还待解决。目前，集成化、智能化、工具化是CAPP发展的主要趋势。CAPP的集成化：1.信息集成

CAPP集成化的基础是信息集成。从完整意义上讲CAPP的信息集成不仅是CAD/CAM/CAPP的集成，而且还包括CAPP与其他各相关信息系统之间的信息集成。但从技术角度看，CAD/CAM/CAPP特别是CAD/CAPP间的信息集成是CAPP集成化的关键所在，也是当前研究的重点。CAPP与CAD的信息集成实现工艺信息获取的自动化，直接读入CAD生成并经过转化的数据，生成零件加工工艺规程。CAPP与CAM的信息集成保证产生的加工工艺信息传递到CAM，自动的产生数控加工程序。2.功能集成

制造系统是一个整体，产品生产过程中上下游环节之间是相互制约、相互关联的：设计决定了制造方法，反过来制造环境又要求设计与之相适应，必须综合、全面考虑相关的环节。CAPP的功能集成就是要求其能与它的上下游计算机辅助系统实现并行，尽可能造的发现问题，减少重复。3.CAPP与车间作业计划的集成

通常CAPP与车间作业计划是相互独立运行的，并且CAPP在车间作业计划之前。由于企业实际生产制造资源状况在不断的变化，会造成工艺计划实际上的不可用或者不适用；车间中一些突发事件，CAPP也不能及时作出反应易造成生产的混乱。国内外展开研究，提出一些CAPP与车间作业计划集成方法：非线性工艺设计、闭环工艺设计、分布式工艺设计。通过产生被加工零件的多个具有不同优先级的可供选择的工艺方案，为车间调度提供一种柔性。通过接收车间资源信息的动态反馈，产生实施优化的工艺方案通过划分阶段，如预设计段、详细设计阶段等，在不同的阶段分别实现CAPP与车间作业计划的并行集成，被认为是一种理想的集成方法。CAPP的智能化：

长期以来CAPP的一个目标就是利用计算机自动进行工艺设计，然而工艺设计是一个非常复杂的过程，范围广、性质各异，大大依赖于专家和个人的经验和技巧。当专家系统被引入后，对智能化CAPP的研究不断发展，目前主要包括基于专家系统和基于人工神经网络的的智能化CAPP。主要研究知识处理技术和工艺决策过程模型及算法，它将人类专辑的知识和经验存入计算机，并像人类专家那样运用知识，通过推理作出判断和决策。人工神经网络反映智能技术中的连接主义，模拟人的大脑结构，构造人工神经元和神经元连接网络，通过训练获取知识。特征之一是具有自我学习和完善能力大大简化工艺知识的获取，使设计速度很快。CAPP的工具化：工艺设计对制造环境有强烈的依赖性，环境不同或类型不同必然导致工艺设计结果的不同，因此大多数CAPP系统都是针对某一个具体生产环境的，工具化CAPP主要致力于开发柔性系统，使不同的用户通过简单的二次开发，获得适合自己实际应用环境的CAPP特点：具有合理的系统体系结构，使得工艺数据、工艺知识和控制程序尽量分离、独立；工艺决策方式、工艺知识表达方式多样化；建立具有一定通用型的数据模型。五.总结三十多年的时间里，为适应不断变化的环境和需求，CAPP系统的发展在不断的调整，但是核心思想始终没有改变，即利用计算机实现零件工艺的自动化设计，提高工艺设计