齿轮CAPP系统技术难点及应对

齿轮CAPP系统技术难点及应对

0引言齿轮是机械制造中最常见的传动件之一，齿轮制造过程中，随着产品的更新换代，大量的工艺规程设计工作令人应接不暇。传统的工艺规程都是由有经验的工艺人员手工编制，因此存在工作效率低，编制出的工艺呈现出多样化，编制的质量参差不齐等问题。工艺编制工作重复繁琐，这样既浪费时间，又增加了工艺人员的劳动强度，最重要的是工艺编制过程中好的经验无法得到传承［1］，而且生产准备周期较长。在激烈的市场竞争环境下，企业迫切需要提高工艺方面的快速反应能力。为了缩短生产准备周期，提高工艺文件质量，并使工艺人员从繁琐和重复的劳动中解放出来，研究、开发和应用计算机辅助工艺设计系统即CAPP系统将是一种根本的解决方法。

1CAPP在中小型齿轮制造企业的现状

工艺设计是产品开发的重要环节，也是连接工程设计和生产制造的桥梁和纽带［2］。计算机辅助工艺设计是指借助于计算机软、硬件技术和支撑环境，利用计算机的数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件机械加工工艺过程。CAPP虽然经过几十年的发展，但其应用状况已经远远落后CAD和CAM。目前国内外已开发了许多CAPP软件，如武汉的开目CAPP软件，上海的斯普SIPM/CAPP软件，美国HMS软件公司的HMS/CAPP软件，美国CIMX公司的CS/CAPP系统等。特别是国际著名的制造公司如:Boeing、LockheadMartin、Airbus等在工艺与过程管理的集成及优化方面，开发和集成了大量的CAPP软件［3］。但是对于中小型齿轮制造企业，由于这些商用CAPP软件价格昂贵且软件系统过于复杂，因此使用这些复杂的CAPP系统不一定是最好的选择。所以，针对中小型齿轮制造企业，在力求实用的基础上，开发齿轮CAPP系统显得尤为重要。本文以某齿轮制造企业的产品为例，进行CAPP系统的研究、开发与应用。

2齿轮CAPP系统功能与结构设计

现在很多产品设计尤其是机械产品的设计都是改进型的产品设计，而且原始产品70%左右的设计信息会在新产品中利用，这就为齿轮CAPP系统开发提供了便利。某齿轮制造企业的产品主要有:柴油机齿轮、拖拉机齿轮、农用车齿轮、汽车齿轮，以及船用变速箱齿轮等。例如批量较大的柴油机齿轮，按照柴油机不同的系列又分为:S195，S1100，D180，R180，D185，ZS1110，SQD186N，SQD192N，N285Q，N385Q，N485Q，CC4105Q等系列齿轮。利用VB6．0软件，基于Ac-tiveXAutomation技术，笔者开发了一个使用“通用工艺规程”模块的高效实用的齿轮CAPP软件系统。齿轮类零件属回转体零件，将齿轮零件按照产品型号、结构和工艺特点等进行分类整理，形成齿轮各个“通用工艺规程”模块。本CAPP软件系统，采用“产品类型选择与检索”模块来完成齿轮产品类型选择及齿轮产品基本参数的检索与调用;以齿轮零件的结构参数、模数大小和螺旋角大小等为依据，采用“工艺参数选择与检索”模块来提供齿轮工件的工艺参数信息;利用SQLServer2008数据库平台建立数据库和工艺知识库，供CAPP软件调用，并通过检索“工艺知识库”，判断齿轮工艺参数取值的合理性;基于“通用工艺规程”模块，CAPP系统自动进行工艺规程检索，并根据工艺参数信息进行工艺规程修改，生成齿轮零件的机械加工“工艺规程文件”，其总体功能结构框架如图1所示。

3齿轮CAPP系统的关键技术研究

3．1数据库与工艺知识库

在齿轮CAPP系统实施过程中，齿轮的各类数据整理和定义是否准确、充分，将直接影响到应用的效果。从齿轮的设计、齿轮工艺编制和齿轮加工过程中产生的数据是非常复杂的，各类数据的复杂性主要表现在结构复杂、关系复杂、数据的一致性要求严格、使用复杂，以及管理复杂等［3］。在齿轮CAPP系统定制过程中，不仅需要对所有齿轮加工的工艺信息进行充分地整理和归纳，还需要结合计算机管理的特点对现有的齿轮工艺标准进行改进和提高。目前有许多数据库产品，典型的数据库有AC-CESS，SYBASE，ORACLE，SQLServer、VisualFoxPro和MySQL等。由于最新版本的SQLServer2008是一个全面的数据库平台，它具有可靠性、可伸缩性、可用性和可管理性等特点，使用集成的商业智能工具提供了企业级的数据管理，为用户提供完整的数据库解决方案，因此本CAPP系统的数据库利用SQLServer2008建立了齿轮CAPP的产品信息数据库、工艺资源数据库、工艺文件数据库和工艺知识库，供齿轮CAPP软件调用。数据库接口采用微软的数据库访问技术和开放数据库互联技术［4］，具体包括如下内容。1)齿轮CAPP的产品信息数据库，主要用来存储各系列齿轮产品样本中的基本数据信息。2)齿轮CAPP的工艺资源数据库，它是CAPP系统的基础，用于存放齿轮加工工艺标准、工艺数据手册、工艺信息处理的相关算法和工具等，如加工方法、排序规则、机床、刀具、夹具、量具、辅具、工件材料、毛坯、切削用量、工序余量分配、工时定额、成本核算、标准工序和工艺规范、工艺标准等工艺资源信息［5］，以供工艺人员进行工艺编制时参考。3)齿轮CAPP的工艺文件数据库，主要用来存储工艺设计过程中产生的全部工艺信息。它是在分析工艺规程内部层次关系的基础上建立起来的［6］，齿轮CAPP软件自动生成的工艺规程信息可以用工艺文件数据库形式加以存储，以备调用。4)齿轮CAPP的工艺知识库如图2所示，主要存储各种工艺规则知识和工艺参数知识［7］，用于辅助齿轮加工工艺路线的决策。

3．2通用工艺规程模块

通过对不同产品型号、产品类型齿轮的典型工艺进行深入分析，分别归纳出其工艺特征，并合理地设置每种工艺特征的通用加工工艺及其工艺参数变量，参照工艺规程内部层次关系，对不同结构类型的齿轮零件进行通用工艺特征组合［8］，最终建立齿轮CAPP的“通用工艺规程”模块，保存在工艺文件数据库中，供齿轮CAPP软件检索与调用。齿轮零件“通用工艺规程”模块是在已有的齿轮加工经验基础上制定的，它包含了相似零件加工的所有典型工序。建立齿轮“通用工艺规程”模块的步骤如下。1)分析不同产品型号、不同产品类型的齿轮零件。2)对齿轮零件的工艺特征进行分类与标记。3)编制每种工艺特征的通用加工工艺。4)合理设置每种工艺特征的工艺参数变量。5)根据工艺路线进行工艺特征的组合。例如:S195-05009曲轴正时齿轮涉及的子模块有以下部分内容:齿轮齿形加工模块1中的滚齿工艺;齿轮齿形加工模块2中的剃齿工艺;滚齿工艺参数设置:模数m=3，齿数Z=18，压力角α=20°，齿轮公法线长度W=22．850－0．03mm，跨齿数K=3，齿轮径向跳动误差Fr=0．040mm，齿轮公法线长度变动误差Fw=0．022mm，齿轮齿形误差ff=0．025mm，齿轮齿距极限偏差fpt=±0．013mm，齿轮齿向误差Fβ=0．015mm。剃齿工艺参数设置:m=3，Z=18，α=20°，Fr=0．040，Fw=0．025，ff=0．010，fpt=±0．012，Fβ=0．010。子模块的组合:工序90:ZMK016滚齿工序100:ZMK022拉键槽工序150:ZMK021剃齿6)得到不同结构的齿轮零件“通用工艺规程”模块。7)将齿轮零件的“通用工艺规程”模块保存在工艺文件数据库中，供齿轮CAPP软件检索与调用。一般情况下齿轮零件的工艺特征涉及的通用加工工艺模块按加工工艺阶段可划分成子模块，如表1所示，各类齿轮在结构、精度和硬度等方面会有差异，涉及的通用加工工艺子模块有多有少，完整的加工工艺路线即为各子模块的组合，通过总结归纳齿轮零件的典型工艺，确定工艺的关键参数，建立齿轮的参数化典型工艺数据库即“通用工艺规程”模块，实现基于零件工艺参数的检索设计。

3．3工艺参数选择与检索

根据用户输入的零件信息，以齿轮零件的结构参数、模数大小及螺旋角大小等为依据，基于工艺特征参数化思想，采用VB6．0的ActiveXAutomation技术，通过访问商用CAD内部的图形实体对象，基于“工艺参数选择与检索”模块，来实现齿轮工艺参数信息的检索、提取与修改。实施齿轮工艺参数选择与检索的步骤如下:1)输入新的齿轮零件信息。2)检索并调用齿轮“通用工艺规程”模块。3)在商用CAD软件中生成新齿轮的通用工艺规程。4)采用VB6．0，访问CAD内部图形，构造“选择集”。5)遍历“选择集”对象中的每一图元对象。6)根据各图元对象类型或名称，判断该“图元对象”是否为工艺参数对象。7)若不是，重新访问CAD内部图形，重新构造“选择集”对象［9］。8)若是，则读取“图元对象”相应齿轮工艺参数信息并存储到对应的数据结构中。9)遍历完成后，统一进行“通用工艺规程”中的工艺参数匹配和替换，实现齿轮工艺参数信息的检索、提取与修改。10)自动生成新的齿轮零件的机械加工工艺规程文件。

4应用实例

针对如图3所示的某齿轮制造企业的S195-05009曲轴正时齿轮产品，基于齿轮“通用工艺规程”模块的工艺特征参数化思想，利用VB6．0的ActiveXAutoma-tion技术成功开发出一个高效实用的CAPP软件。图4所示为产品类型选择界面，它为用户提供产品系列、齿轮传动类型、齿轮结构设计、零件图号、零件名称和齿轮组合特征等的选择。图5所示为产品通用工艺规程对话框界面，用于显示、校核齿轮基本参数、齿轮材料和齿轮精度等级等产品信息及工艺模块的检索。图6所示为该CAPP软件自动生成的工艺规程。目前该CAPP软件已经成功运用于生产实际，用户反映该软件操作方便，工艺编制效率高，所生成的工艺路线合理、规范，缩短了生产准备周期，使工艺人员从繁琐和重复的劳动中解放出来。实施齿轮工艺参数选择与检索的步骤如下:1)输入齿轮零件:图号S195-05009。2)检索并调用齿轮的“通用工艺规程”模块。3)在商用CAD软件中生成新齿轮的通用工艺规程。新齿轮的工序内容见表2。

5结语

本文采用面向对象的ActiveXAutomation技术，基于“通用工艺规程”模块的工艺特征参数化思想，