成形工藝輔助設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

成形工藝輔助設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

主講人：劉嬌

一.概述

塑性加工過(guò)程是指將金屬毛坯材料經(jīng)塑性變形轉(zhuǎn)變?yōu)榕c圖紙要求完全一致的零件加工過(guò)程，它往往由多個(gè)依次完成的不同工序構(gòu)成。各工序的加工方法、工藝參數(shù)、工序件形狀和要求、模具結(jié)構(gòu)、使用的機(jī)床等均不相同。為了保證穩(wěn)定、高效地加工出合格產(chǎn)品，必須要在零件的加工過(guò)程實(shí)施前，對(duì)加工方案作出計(jì)劃。

機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程根據(jù)產(chǎn)品圖紙、技術(shù)要求、產(chǎn)量和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件等因素，對(duì)加工過(guò)程中所包括的諸如原材料準(zhǔn)備、加工方法、輔助加工工序、檢測(cè)手段等做出詳盡、周密、切合實(shí)際的計(jì)劃，為加工過(guò)程制定出詳細(xì)的加工指令，這一設(shè)計(jì)工作就是工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（ProcessPlanning）

工藝過(guò)程設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)的技術(shù)水平、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵，是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工過(guò)程的橋梁。塑型加工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：（1）確定成形方法；（2）安排成形與輔助加工的工序；（3）選擇加工設(shè)備與檢測(cè)方法；（4）確定工藝參數(shù)與條件；（5）提出模具設(shè)計(jì)任務(wù)等；工藝過(guò)程設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式：由工藝人員根據(jù)具體的生產(chǎn)條件和以往積累的經(jīng)驗(yàn)，參考各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)，對(duì)每一個(gè)待加工零件的加工工藝過(guò)程做出計(jì)劃。特點(diǎn)：1.經(jīng)驗(yàn)性和技術(shù)性強(qiáng)2.重復(fù)性和事務(wù)性工作較多3.設(shè)計(jì)方案多樣化4.構(gòu)成CAD與CAM之間的瓶頸需要考錄的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，不僅要有關(guān)于加工工藝的良好知識(shí)基礎(chǔ)，還要有相當(dāng)豐富的生產(chǎn)車(chē)間工作經(jīng)驗(yàn)一般是一個(gè)具體的零件，幾乎每一零件的設(shè)計(jì)都要從頭開(kāi)始做起，原有經(jīng)過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)的設(shè)計(jì)結(jié)果很難直接應(yīng)用。受設(shè)計(jì)者知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn)的限制，即使在同一車(chē)間，針對(duì)同一零件由不同設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)出的工藝規(guī)程會(huì)相差甚遠(yuǎn)。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工之間的接口環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式已經(jīng)成為生產(chǎn)過(guò)程的瓶頸，CAD與CAM難以實(shí)現(xiàn)真正的集合。二.引入：

為了有效的解決工藝過(guò)程傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式存在的問(wèn)題，自60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程設(shè)計(jì)自動(dòng)化為目的計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）成為生產(chǎn)工程研究中的基礎(chǔ)學(xué)科而受到普遍重視。三.計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)概念：計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助工藝人員，以系統(tǒng)、科學(xué)的方法確定零件從毛坯到成品的整個(gè)技術(shù)過(guò)程。

意義：CAPP徹底改變了手工編制工藝文件的方式和對(duì)人的依賴，大大提高了編制工效，縮短了生產(chǎn)周期，保證工藝文件的一致性和工藝規(guī)程的精確性，避免不必要的差錯(cuò)，為實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程優(yōu)化，集成制造創(chuàng)造條件。CAPP主要內(nèi)容框圖：產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息輸入工藝決策產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息輸入人機(jī)交互輸入系統(tǒng)所需的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息直接從CAD系統(tǒng)讀取所需的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息修訂式方法（VariantApproach）生成式方法（GenerativeApproach）專家系統(tǒng)、人工智能工藝卡片、工藝參數(shù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、信息共享修訂式CAPP系統(tǒng)：

修訂式CAPP（也稱派生式CAPP）系統(tǒng)把相似零件匯集成零件組，為每個(gè)零件組設(shè)計(jì)出可供全組零件參考的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程，并把標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。

設(shè)計(jì)具體零件的工藝規(guī)程時(shí)，首先確定出零件所在的組。然后，利用相似零件其工藝規(guī)程也相似這一設(shè)計(jì)邏輯，從工藝規(guī)程數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索出零件所在組的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程。最后，根據(jù)具體零件結(jié)構(gòu)、工藝特征和技術(shù)要求，經(jīng)用戶必要的修改和編輯，便可得到該零件的工藝規(guī)程。成組技術(shù)（GroupTechnology,GT）是建立修訂式CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)。修訂式CAPP系統(tǒng)構(gòu)成成組技術(shù)：將各種零件按一定規(guī)則，劃分為具有共同特征并可識(shí)別的零件組，使同一組內(nèi)的零件能夠采用基本一致的加工方法，以達(dá)到省時(shí)省力的目的。實(shí)施：第一階段建立用于標(biāo)識(shí)零件的編碼系統(tǒng)

第二階段按相似原則形成零件組第一階段建立用于標(biāo)識(shí)零件的編碼系統(tǒng)編碼：就是由一定的數(shù)字與字母構(gòu)成的字符串，用來(lái)表達(dá)零件的各種特征。（GT編碼）著名GT編碼系統(tǒng)如：西德Opitz、荷蘭Miclass、日本KK-3四個(gè)基本要素：1.碼數(shù)制2.碼位數(shù)3.碼定義4.碼結(jié)構(gòu)所用字符的類型。常用的碼數(shù)制十進(jìn)制、十六進(jìn)制等數(shù)字式和字母-數(shù)字式。數(shù)字式簡(jiǎn)單十進(jìn)制最為普通。組成碼數(shù)的數(shù)字和字母的總數(shù)。太多太少都不好，15位適合。對(duì)編碼中每一位碼的各種取值規(guī)定準(zhǔn)確的定義。鏈?zhǔn)?、?shù)式、混合式碼位之間是隸屬關(guān)系，即除第一碼位外，其他代碼值的確切含義都有前級(jí)碼位限制。特點(diǎn)：所包含的特征信息量較多，能對(duì)零件特征進(jìn)行較詳細(xì)的描述，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編碼和識(shí)別不太方便。各碼位之間為并列關(guān)系，編碼的每一位碼代表著不同的信息，有獨(dú)立的含義，與前后碼位的值無(wú)關(guān)。特點(diǎn)：所包含的特征信息量比樹(shù)式結(jié)構(gòu)少，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編碼和識(shí)別也比較方便。鏈?zhǔn)胶蜆?shù)式的綜合，兼有二者之長(zhǎng)。

第二階段按相似原則形成零件組在綜合考察、分析各種零件特征的基礎(chǔ)上，制定適宜的相似性準(zhǔn)則，將相似零件劃歸至相應(yīng)零件組。設(shè)計(jì)具體零件的工藝規(guī)程時(shí)，首先確定出零件所在的組。然后，利用相似零件其工藝規(guī)程也相似這一設(shè)計(jì)邏輯，從工藝規(guī)程數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索出零件所在組的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程。最后，根據(jù)具體零件結(jié)構(gòu)、工藝特征和技術(shù)要求，經(jīng)用戶必要的修改和編輯，便可得到該零件的工藝規(guī)程。對(duì)修訂式CAPP系統(tǒng)評(píng)價(jià)：優(yōu)點(diǎn)：1.易于開(kāi)發(fā)2.用戶可以控制最終形成的工藝規(guī)程3.易于學(xué)習(xí)和操作缺點(diǎn)：1.僅能為與原零件相似的零件設(shè)計(jì)工藝規(guī)程2.仍然需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工藝設(shè)計(jì)人員修改和完善標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程3.不能應(yīng)用于自動(dòng)化的制造系統(tǒng)中生成式CAPP系統(tǒng)：是一種計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它依靠建立在系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯、算法、公式和幾何數(shù)據(jù)，模仿工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工藝問(wèn)題的推理決策，自動(dòng)生成將材料毛坯加工成要求零件的工藝規(guī)程?，F(xiàn)在已公開(kāi)面世的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)大都是按專家系統(tǒng)組織的。應(yīng)用專家系統(tǒng)，能使計(jì)算機(jī)代替人去完成藝設(shè)計(jì)的推理過(guò)程。以人類專家的水平去解決該領(lǐng)域中困難問(wèn)題的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)生成式CAPP系統(tǒng)構(gòu)成：

關(guān)鍵零件的描述：GT編碼法、零件描述專用語(yǔ)言

決策邏輯決策樹(shù)決策表工藝知識(shí)及知識(shí)庫(kù)：

工藝知識(shí)是大量工藝專家智慧和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，是生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。然而知識(shí)獲取是一項(xiàng)重要而艱難的工作，因?yàn)?，?jīng)驗(yàn)和技能不一定具有系統(tǒng)的形式或合理的結(jié)構(gòu)模式；個(gè)人經(jīng)驗(yàn)往往不完整，有時(shí)還是含糊的；經(jīng)驗(yàn)知識(shí)往往具有很強(qiáng)的針對(duì)性，同時(shí)也就具有局限性。推理機(jī)：根據(jù)已知信息和條件，推斷出某些結(jié)論，從而控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的一組程序。

與修訂式CAPP相比較優(yōu)點(diǎn)：

1.設(shè)計(jì)過(guò)程不需要用戶的干預(yù)，生成的工藝規(guī)程是唯一的，不會(huì)因人而異2.系統(tǒng)內(nèi)不需要標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程，工藝設(shè)計(jì)的難易與以前是否設(shè)計(jì)過(guò)該零件或類似的零件無(wú)關(guān)，特別適用產(chǎn)品品種多、變化頻繁的生產(chǎn)環(huán)境。3.可以作為培訓(xùn)工具，使初學(xué)者能學(xué)習(xí)到有經(jīng)驗(yàn)的專家在進(jìn)行工藝過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)的推理決策過(guò)程4.設(shè)計(jì)效率高，易于完善和擴(kuò)展5.具有和CAD/CAM系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)的可能不足之處：采用專家系統(tǒng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)工藝知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的分離。在一定范圍內(nèi)或理想情況下，當(dāng)CAPP系統(tǒng)應(yīng)用條件發(fā)生變化時(shí)，可以擴(kuò)充或修改知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，而無(wú)需從頭進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)了許多工藝決策轉(zhuǎn)機(jī)系統(tǒng)，但多是原型系統(tǒng)，知識(shí)數(shù)量少、功能有限，難以滿足實(shí)用化要求，因此僅有很少的幾個(gè)系統(tǒng)獲得了實(shí)際應(yīng)用。四.CAPP技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過(guò)20多年的努力，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)數(shù)百個(gè)CAPP系統(tǒng)，但真正得到應(yīng)用的還很少。同CAD、CAM等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)相比，CAPP仍是薄弱環(huán)節(jié)，許多技術(shù)問(wèn)題還待解決。目前，集成化、智能化、工具化是CAPP發(fā)展的主要趨勢(shì)。CAPP的集成化：1.信息集成

CAPP集成化的基礎(chǔ)是信息集成。從完整意義上講CAPP的信息集成不僅是CAD/CAM/CAPP的集成，而且還包括CAPP與其他各相關(guān)信息系統(tǒng)之間的信息集成。但從技術(shù)角度看，CAD/CAM/CAPP特別是CAD/CAPP間的信息集成是CAPP集成化的關(guān)鍵所在，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。CAPP與CAD的信息集成實(shí)現(xiàn)工藝信息獲取的自動(dòng)化，直接讀入CAD生成并經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，生成零件加工工藝規(guī)程。CAPP與CAM的信息集成保證產(chǎn)生的加工工藝信息傳遞到CAM，自動(dòng)的產(chǎn)生數(shù)控加工程序。2.功能集成

制造系統(tǒng)是一個(gè)整體，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中上下游環(huán)節(jié)之間是相互制約、相互關(guān)聯(lián)的：設(shè)計(jì)決定了制造方法，反過(guò)來(lái)制造環(huán)境又要求設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)，必須綜合、全面考慮相關(guān)的環(huán)節(jié)。CAPP的功能集成就是要求其能與它的上下游計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并行，盡可能造的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，減少重復(fù)。3.CAPP與車(chē)間作業(yè)計(jì)劃的集成

通常CAPP與車(chē)間作業(yè)計(jì)劃是相互獨(dú)立運(yùn)行的，并且CAPP在車(chē)間作業(yè)計(jì)劃之前。由于企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)制造資源狀況在不斷的變化，會(huì)造成工藝計(jì)劃實(shí)際上的不可用或者不適用；車(chē)間中一些突發(fā)事件，CAPP也不能及時(shí)作出反應(yīng)易造成生產(chǎn)的混亂。國(guó)內(nèi)外展開(kāi)研究，提出一些CAPP與車(chē)間作業(yè)計(jì)劃集成方法：非線性工藝設(shè)計(jì)、閉環(huán)工藝設(shè)計(jì)、分布式工藝設(shè)計(jì)。通過(guò)產(chǎn)生被加工零件的多個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的可供選擇的工藝方案，為車(chē)間調(diào)度提供一種柔性。通過(guò)接收車(chē)間資源信息的動(dòng)態(tài)反饋，產(chǎn)生實(shí)施優(yōu)化的工藝方案通過(guò)劃分階段，如預(yù)設(shè)計(jì)段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段等，在不同的階段分別實(shí)現(xiàn)CAPP與車(chē)間作業(yè)計(jì)劃的并行集成，被認(rèn)為是一種理想的集成方法。CAPP的智能化：

長(zhǎng)期以來(lái)CAPP的一個(gè)目標(biāo)就是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，然而工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，范圍廣、性質(zhì)各異，大大依賴于專家和個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和技巧。當(dāng)專家系統(tǒng)被引入后，對(duì)智能化CAPP的研究不斷發(fā)展，目前主要包括基于專家系統(tǒng)和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的的智能化CAPP。主要研究知識(shí)處理技術(shù)和工藝決策過(guò)程模型及算法，它將人類專輯的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)存入計(jì)算機(jī)，并像人類專家那樣運(yùn)用知識(shí)，通過(guò)推理作出判斷和決策。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反映智能技術(shù)中的連接主義，模擬人的大腦結(jié)構(gòu)，構(gòu)造人工神經(jīng)元和神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)訓(xùn)練獲取知識(shí)。特征之一是具有自我學(xué)習(xí)和完善能力大大簡(jiǎn)化工藝知識(shí)的獲取，使設(shè)計(jì)速度很快。CAPP的工具化：工藝設(shè)計(jì)對(duì)制造環(huán)境有強(qiáng)烈的依賴性，環(huán)境不同或類型不同必然導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的不同，因此大多數(shù)CAPP系統(tǒng)都是針對(duì)某一個(gè)具體生產(chǎn)環(huán)境的，工具化CAPP主要致力于開(kāi)發(fā)柔性系統(tǒng)，使不同的用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的二次開(kāi)發(fā)，獲得適合自己實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的CAPP特點(diǎn)：具有合理的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，使得工藝數(shù)據(jù)、工藝知識(shí)和控制程序盡量分離、獨(dú)立；工藝決策方式、工藝知識(shí)表達(dá)方式多樣化；建立具有一定通用型的數(shù)據(jù)模型。五.總結(jié)三十多年的時(shí)間里，為適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和需求，CAPP系統(tǒng)的發(fā)展在不斷的調(diào)整，但是核心思想始終沒(méi)有改變，即利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)零件工藝的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，提高工藝設(shè)計(jì)