機(jī)械CAD-CAM(第二版)機(jī)械CAD-CAM(第二版)第7章計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計

1、第7章計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計概述CAPP系統(tǒng)中零件信息的描述與輸入派生式CAPP系統(tǒng)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng) 7.1 概 述1. CAPP的分類與組成無論何種CAPP系統(tǒng)， 均由圖7-1所示的基本功能模塊組成。 圖7-1 CAPP系統(tǒng)組成1） 零件信息的輸入圖形信息的輸入方式取決于CAPP與CAD系統(tǒng)的集成程度， 采用計算機(jī)識別或人工識別的方法， 將零件的圖形輸入到CAPP系統(tǒng)中來。目前常用的方法是零件圖形的二次輸入， 即采用OLE技術(shù)將CAD系統(tǒng)在CAPP工藝編輯窗口中定位激活， 由工藝設(shè)計人員進(jìn)行圖形的繪制與編輯。 2） 系統(tǒng)的管理系統(tǒng)功能的管理包括用戶權(quán)限與帳號的管理、 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、 系統(tǒng)

2、數(shù)據(jù)的備份等； 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理包括對各種制造資源數(shù)據(jù)和工藝知識進(jìn)行維護(hù)與管理， 如制造資源的添加、 修改、 刪除、 選擇等， 工藝知識的查詢、 添加、 修改、 存儲等。 3） 零件工藝設(shè)計 工藝設(shè)計模塊的主要功能是生成零件的工藝文件。 一般分為兩個層次： 一是零件的主干工藝路線的生成， 即確定零件加工的工藝規(guī)程； 二是零件加工工序中工藝參數(shù)的制定， 在零件工藝規(guī)程的基礎(chǔ)上， 具體確定每一道工序的切削參數(shù)、 機(jī)床刀具、 工裝模具、 管理參數(shù)等。4） 工藝文件輸出工藝文件的輸出形式有兩種： 一種是采用紙介質(zhì)文檔的形式（包括機(jī)械加工及裝配工藝路線卡、 機(jī)械加工及裝配工序卡、 工藝簡圖等）， 按照標(biāo)準(zhǔn)

3、格式進(jìn)行預(yù)覽并打印輸出； 一種是采用電子文檔的形式（包括工藝簡圖、 數(shù)控加工程序等）， 直接作為機(jī)床的加工參數(shù)， 輸出到CAM系統(tǒng)中去。5） 系統(tǒng)界面系統(tǒng)界面是工藝設(shè)計人員的工作平臺， 系統(tǒng)主界面上一般有系統(tǒng)的各種下拉菜單或其它形式的菜單， 各種功能的實現(xiàn)均在菜單或?qū)υ捒蛑羞M(jìn)行， 其中包括系統(tǒng)菜單、 工藝設(shè)計界面、 系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫管理界面、 工藝文件的預(yù)覽界面等。 系統(tǒng)界面是否友好， 直接影響到系統(tǒng)的工作效率和企業(yè)的接受程度。 2. CAPP與制造業(yè)信息化在制造業(yè)信息化工程中，CAPP系統(tǒng)起著非常重要的角色， 主要表現(xiàn)在： （1） 建立產(chǎn)品、 零件制造的工藝過程文件， 具體規(guī)定產(chǎn)品在形成過程中有

4、關(guān)的條件、狀態(tài)、 過程等參數(shù)， 描述零件的加工過程以及應(yīng)達(dá)到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)， 使工藝文件規(guī)范化、 標(biāo)準(zhǔn)化。（2） 替代工藝設(shè)計人員的手工操作， 將其從繁雜的手工編寫、 查閱資料、 繪制簡圖等工作中解脫出來， 將精力放在工藝設(shè)計、 工藝經(jīng)驗的積累、 工藝知識的應(yīng)用上， 有效地提高企業(yè)的制造工藝水平。 （3） 規(guī)范產(chǎn)品制造工藝， 使工藝信息計算機(jī)化， 為制造業(yè)信息化提供基礎(chǔ)條件； 實現(xiàn)工藝參數(shù)等信息的數(shù)字化， 提高工藝設(shè)計信息的共享與重用水平。 （4） 使各種優(yōu)化決策方法的實現(xiàn)成為可能， 為工藝設(shè)計人員提供決策支持， 包括工藝路線決策的優(yōu)化， 切削參數(shù)的優(yōu)化， 工時定額的確定等。 制造業(yè)信息化與CAP

5、P的關(guān)系如圖7-2所示。 CAPP系統(tǒng)既是聯(lián)系設(shè)計階段和制造階段的橋梁， 為產(chǎn)品的制造裝配、 成本核算、 產(chǎn)品管理等提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 也是產(chǎn)品設(shè)計制造階段以及制造業(yè)信息化工程實施的瓶頸所在， 需要加大對CAPP研究的力度， 促進(jìn)制造業(yè)信息化工程的早日實施。 圖7-2 制造業(yè)信息化與CAPP3. CAPP的發(fā)展趨勢（1） 通用性差。 這包含兩層含義。 一是系統(tǒng)的工藝適應(yīng)性差。 傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)大多數(shù)是針對特定產(chǎn)品零件和特定制造環(huán)境進(jìn)行開發(fā)的， 難以適應(yīng)變化的加工對象和制造環(huán)境的要求。 二是系統(tǒng)的開放性差。 傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)一旦生成后， 不支持用戶對系統(tǒng)的修改和二次開發(fā)，難以在集成環(huán)境中生存

6、， 且不提供與環(huán)境的集成接口。 （2） 先進(jìn)性和使用性并未統(tǒng)一。 基于自動化思想的工藝生成方法期望在工藝設(shè)計上代替工藝人員， 造成開發(fā)應(yīng)用中的諸多問題， 例如系統(tǒng)開發(fā)周期長， 費用高， 難度大， 系統(tǒng)功能和應(yīng)用范圍有限， 缺乏適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境變化的靈活性和適用性等。 基于圖形系統(tǒng)的工藝卡片填寫式工藝生成方法， 則片面強(qiáng)調(diào)工藝設(shè)計的“所見即所得”，完全以文檔為核心， 忽視企業(yè)信息化中產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)的重要性， 存在難以保證產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、 一致性和難以進(jìn)行工藝信息集成的問題。 （3） 集成性差。 CAD、 CAPP、 CAM沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型， 不同的CAD與CAPP系統(tǒng)使用不同的數(shù)據(jù)模型， 不

7、能實現(xiàn)CAD、 CAPP、 CAM之間數(shù)據(jù)的順暢傳遞、 交換與共享。 7.2 CAPP系統(tǒng)中零件信息的描述與輸入1. CAPP系統(tǒng)零件信息的描述1） 數(shù)字編碼描述法圖7-3所示為JLBM-1編碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)， 圖7-4所示為采用該編碼系統(tǒng)對零件的編碼。 圖7-3 JLBM-1編碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖7-4 示例零件及其編碼2） 語言文字描述法語言文字描述法是采用語言對零件各有關(guān)特征進(jìn)行描述和識別， 并建立一套特定的規(guī)則組成的語言描述系統(tǒng)的方法。 該方法的關(guān)鍵是開發(fā)一種計算機(jī)能識別的語言（類似于C語言、 AutoLISP語言等）來對零件信息進(jìn)行描述， 或者是建立一個語言描述表， 用戶采用這種語言規(guī)

8、定的詞匯、 語句和語法對零件信息進(jìn)行描述， 然后由計算機(jī)編譯系統(tǒng)對描述結(jié)果進(jìn)行編譯， 形成計算機(jī)能夠識別的零件信息代碼。 3） 特征信息描述法特征信息描述法是采用經(jīng)過定義的特征（包括幾何特征、 技術(shù)特征等）對零件進(jìn)行描述，并建立一套主要由圖形疊加規(guī)則組成的特征描述系統(tǒng)的方法。 采用特征信息描述零件最主要的環(huán)節(jié)是讓工藝設(shè)計人員理解特征（尤其是幾何特征）的建立規(guī)則和特征信息的疊加方法。 幾何特征是零件幾何要素的組合， 具有相對獨立性。 零件的加工過程實際上是各種幾何面的成型過程， 各種面的大小決定了零件的幾何尺寸， 它們之間的相對位置則決定了零件的形狀要求。在傳統(tǒng)的零件分類方法的基礎(chǔ)上， 以特征輸

9、入、 特征及零件工藝生成難度最小作為目標(biāo)，將決定零件加工主干工藝路線、 描述零件主要輪廓的部分確定為基本特征， 零件的基本特征是加工中首先成型的形狀。 零件的基本特征分為回轉(zhuǎn)件的軸類和盤類、 非回轉(zhuǎn)件的箱體類、 支架類、 塊類、 板類和桿類， 計七大類， 如圖7-5所示。圖7-5 基本特征示意圖零件的附加特征由基準(zhǔn)線（面）和要素面兩部分組成。 基準(zhǔn)線（面）的形成是工藝規(guī)程中首先考慮的工序， 要素面的相對位置以基準(zhǔn)線（面）為參照系。 附加特征有齒、 孔、 鍵、 螺紋、 槽、 筋、 倒角、 滾花、 型腔、 平面等十大類組成， 如圖7-6所示。 附加特征的基準(zhǔn)線（面）是制定工序的重要依據(jù)之一。 圖7

10、-6 附加特征示意圖根據(jù)上述分類原理， 零件的幾何特征組成可以表示成為BAS模型， 則任何零件均由一個基本特征和若干個附加特征組合而成， 即式中： T零件的幾何形狀； Tbi基本特征； Taj附加特征； j根據(jù)零件中附加特征選取， 當(dāng)零件中存在某一種附加特征時， j=0； 當(dāng)零件中不存在某一種附加特征時， j=1。 采用特征信息描述法對圖7-4所示零件描述的結(jié)果如圖7-7所示。 圖7-7 法蘭盤特征信息描述以特征技術(shù)為基礎(chǔ)， 概念提取為操作手段， PDM資源數(shù)據(jù)庫為信息支持的人機(jī)交互輸入方法（如圖7-8所示）的原理是， 保留工藝設(shè)計人員長期形成的對零件的分類規(guī)范， 將零件的幾何特征按照該規(guī)范進(jìn)

11、行分類， 在此基礎(chǔ)上， 建立以幾何特征為信息柄的工藝信息集， 存放于PDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)資源庫中。圖7-8 概念化特征輸入概念化特征輸入的實現(xiàn)過程如圖7-9所示。 CAPP系統(tǒng)預(yù)置了表達(dá)各種幾何特征的名稱、 尺寸、 精度、 基準(zhǔn)等相關(guān)信息集， 待工藝設(shè)計人員輸入時在屏幕上點選， CAPP系統(tǒng)將輸入的信息存入數(shù)據(jù)庫中。 零件信息輸入的數(shù)據(jù)流程如圖7-10所示。 圖7-9 概念化特征輸入的實現(xiàn)圖7-10 零件特征信息提取數(shù)據(jù)流圖2） 從CAD系統(tǒng)中直接提取信息從CAD系統(tǒng)中直接提取信息是指將CAD系統(tǒng)中已有的信息， 直接提取到CAPP系統(tǒng)中來， 這種提取一般在PDM系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)， 需要CAD系統(tǒng)的輸

12、出接口。 對于文字信息的提取， PDM系統(tǒng)已經(jīng)做了大量的工作， 目前已能將CAD系統(tǒng)中零件圖標(biāo)題欄和裝配圖明細(xì)表中的信息統(tǒng)一存放在系統(tǒng)的資源信息庫中， 形成產(chǎn)品的設(shè)計BOM。7.3 派生式CAPP系統(tǒng)根據(jù)零件工藝規(guī)程預(yù)置的方式不同， 派生式CAPP系統(tǒng)可以分為基于GT技術(shù)的CAPP系統(tǒng)和基于特征技術(shù)的CAPP系統(tǒng)兩種主要形式， 其它形式的系統(tǒng)是這兩種形式的延伸。 派生式CAPP系統(tǒng)的工作原理如圖7-11所示。 圖7-11 派生式CAPP系統(tǒng)工作原理1. 基于GT的工藝生成1） 主樣件的設(shè)計先將產(chǎn)品的所有零件分為若干零件組， 在每個零件組中挑選一個型面特征最多、 工藝過程最復(fù)雜的零件作為參考零件

13、； 再分析其它零件， 找出參考零件中沒有的型面特征， 逐個加到參考零件上， 最后形成該零件組的主樣件。 2） 主樣件工藝過程設(shè)計（1） 工藝的覆蓋性：主樣件工藝過程應(yīng)能滿足零件組內(nèi)所有零件的加工， 即零件組內(nèi)任一零件全部加工工藝過程的工序和工步都應(yīng)包括在典型工藝過程中。 在設(shè)計該組中某個零件的工藝規(guī)程時， CAPP系統(tǒng)只需根據(jù)該零件的信息對典型工藝過程的工序或工步作刪減，就能設(shè)計出該零件的工藝規(guī)程。 （2） 工藝合理性： 主樣件工藝過程應(yīng)符合企業(yè)特定的生產(chǎn)條件和工藝設(shè)計人員的設(shè)計規(guī)范， 能反映先進(jìn)制造工藝與技術(shù)， 以保證生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、 高效和低成本。 根據(jù)上述原則設(shè)計的主樣件及其工藝過程如表7-

14、1所示。 1） 基于特征的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程庫設(shè)計基于特征的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程庫的構(gòu)成如圖7-12所示。 它是一種單元組合型的工藝生成方式， 即根據(jù)特征零件工序的相對獨立性和可組合性， 分別獨立設(shè)計各數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，采用鏈?zhǔn)疥P(guān)聯(lián)方法， 建立相互間的組成關(guān)系。 圖7-12中各種數(shù)據(jù)庫表的結(jié)構(gòu)如表7-2 表7-4所示。圖7-12 標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程庫結(jié)構(gòu)2） 基于特征的工藝檢索采用特征作為零件的輸入手段， 可以使系統(tǒng)輸入的信息單元化。 在特征提取過程中， 相關(guān)的尺寸已全部定位， 以特征作為檢索條件， 檢索到某個特征組合的工藝規(guī)程后， 可以將尺寸信息替換到相應(yīng)的工藝條件中去。3） 工藝編輯環(huán)境從生產(chǎn)管理流程分析， 無論采

15、用推理還是檢索的方法生成零件工藝規(guī)程， 工藝編輯這一人工介入環(huán)節(jié)是必不可少的， 同時還要歷經(jīng)校對、 審核、 批準(zhǔn)等程序。 因此， 在提高工藝檢索準(zhǔn)確率的前提下， 提供滿足工藝設(shè)計人員規(guī)范的、 方便工藝規(guī)程修改的以及能夠隨時查閱各種工藝知識和工藝數(shù)據(jù)的工藝編輯環(huán)境是必要的。 工藝編輯環(huán)境由各類資源支撐下的兩個窗口組成， 工藝規(guī)程編輯窗口主要完成系統(tǒng)提交編輯的工藝文件的修改與審核， 完善工藝計算等工藝規(guī)程中的細(xì)節(jié)， 需要系統(tǒng)配備專門的編輯器。 工藝簡圖編輯窗口則完成工藝規(guī)程所需的工藝簡圖的繪制與編輯， 系統(tǒng)通過OLE方式調(diào)用CAD系統(tǒng)的功能。 工藝編輯環(huán)境基本框架如圖7-13所示。 圖7-13 工

16、藝編輯環(huán)境基本框架 7.4 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng) 1. 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工作原理創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)主要解決兩個方面的問題， 即零件工藝路線的確定（或稱工藝決策）與工序設(shè)計。 前者是后者的基礎(chǔ)， 后者是對前者的補充。 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工作原理如圖7-14所示。 圖7-14 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)原理2. 面向?qū)ο蟮墓に囍R表達(dá)產(chǎn)生式規(guī)則具有統(tǒng)一的IF-THEN結(jié)構(gòu)， 易于設(shè)計簡單高效的存取和控制程序， 便于實現(xiàn)規(guī)則庫中的正確性和一致性檢查。 對象的獨立性、 知識重用性以及對象類之間的分解、 派生關(guān)系， 使知識庫的增量式開發(fā)較為方便（子類知識加入不影響整個系統(tǒng)）。 知識庫系統(tǒng)模型如圖7-15所示

17、。 圖7-15 知識庫系統(tǒng)模型工藝知識庫的構(gòu)造包括工藝推理規(guī)則、 工序排序規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計與表達(dá)等， 具體見表7-5和表7-6。 3. 面向?qū)ο蟮奶卣魍评頇C(jī)制加工方法選擇的過程如圖7-16所示。 圖中的左半部分為零件、 特征、 加工鏈對象之間的消息通信（對象間推理）， 右半部分為特征對象的內(nèi)部推理。圖7-16 加工方法選擇加工方法的推理過程如下： Class Reasoning Machine/ 推理機(jī)構(gòu)類 public： Reasoning Machine ( )； Reasoning Machine ( )； BOOL init_BB( )； / 初始化黑板信息Protected： BOOL

18、 Load_control_information( )； / 裝入決策控制信息 BOOL Load_decision( )； / 裝入決策結(jié)果信息 BOOL Load_KB( )； / 裝入知識庫信息 Void do_reasoning( )； / 推理決策函數(shù) Control_info* inference_meta_object( )； / 子任務(wù)推理 Rule_set* )；/ 調(diào)入規(guī)則集 Void sort_rule(rule_set*)； / 規(guī)則集排序 Void instance_object(object*)； / 調(diào)入對象類信息， 實例化 BOOL match_rule(ru

19、le*)； / 規(guī)則匹配函數(shù) Void execute_rule(rule*)； / 規(guī)則執(zhí)行函數(shù) Void free_rule_set( )； / 釋放規(guī)則集 Void free_KB( )； / 釋放知識庫 Void free_product_information( )； / 釋放產(chǎn)品信息 Void free_status( )； / 釋放狀態(tài)信息 Void save_decision( )； / 存儲決策信息 Void save_control_information( )； / 存儲控制信息 ； Void Reasoning Machine ： ： do_reasoning( ) c

20、ontrol_infor* current_con_information； object_class current_object_class； rule_set* current_rule_set； object* current_object； rule* current_rule； init_BB( )； load_control_information( )； load_decision( )； load_KB( )； while(1) / 開始推理 current_control_information = inference_meta_object( )； if(current_

21、control_information =NULL) break； / 任務(wù)完成current_object_class = current_control_information object_class； current_rule_set = )； if(current_rule_set =KG-*4= NULL) break； / 規(guī)則調(diào)用結(jié)束 sort_rule(current_rule_set)； / 排序 while(1) instance_object(current_object)； / 完成實例化 if(cuurent_object =KG-*4= NULL) break； current_rule = current_rule_set head； / 規(guī)則集頭部匹配 while(1) if(current_rule =KG-*4= NULL) break； if(match_rule(current_rule) execute_rule(current_rule)； / 匹配成功執(zhí)行 else current_rule = current_rule next； / 提取下一條規(guī)則 continue； if(match_mode = MULTIPLE) current_rule = current_rule next； free_rule_