淺議基于零件-設(shè)備特征匹配的通用CAPP方法

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0.引言

CAPP(computeraidedprocessplanning，計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì))的作用是利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行零件加工工藝過程的制訂，把毛坯加工成工程圖紙上所要求的零件。它通過向計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的幾何信息(形狀、尺寸等)和工藝信息(材料、熱處理、批量等)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝文件的過程。

計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)也常被譯為計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃。國際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)提出了計(jì)算機(jī)輔助規(guī)劃(CAP-computeraidedplanning)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)工藝過程設(shè)計(jì)(CAPP-computerautomatedprocessplanning)等名稱，CAPP一詞強(qiáng)調(diào)了工藝過程自動(dòng)設(shè)計(jì)。但由于工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的個(gè)性化、復(fù)雜性，工藝設(shè)計(jì)理論多是一些指導(dǎo)性原則、經(jīng)驗(yàn)和技巧，因此讓計(jì)算機(jī)完全替代工藝人員進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的愿望是良好的，但研究和實(shí)踐證明非常困難。在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)軟件公司提出了CAPP工具化的思想：自動(dòng)化不是CAPP的唯一目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)CAPP系統(tǒng)的以人為本的宜人化的操作、高效的工藝編制手段、工藝信息自動(dòng)統(tǒng)計(jì)匯總、與CAD/ERP/PDM系統(tǒng)的信息集成、具有良好的開放性與集成性是工具化CAPP系統(tǒng)研究和推廣應(yīng)用的主要目標(biāo)。但工具化的CAPP在企業(yè)的實(shí)際使用中普遍存在應(yīng)用水平偏淺的問題，絕大部分企業(yè)CAPP的應(yīng)用停留在工藝卡片的編輯、工藝信息的統(tǒng)計(jì)匯總、工藝流程和權(quán)限的管理與控制方面，沒有有效的利用起計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)匯集檢索匹配功能來提高CAPP系統(tǒng)的知識(shí)水平，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、模塊化、單元化的工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，體現(xiàn)CAPP的有限智能。

迄今為止，在國內(nèi)外已開發(fā)出的CAPP系統(tǒng)中，多數(shù)是針對特定的零件類型和特定的設(shè)備條件開發(fā)的，這種開發(fā)策略使得CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用范圍受到嚴(yán)格限制，從而嚴(yán)重地影響了其通用性與實(shí)用性。為此，面向多品種零件和各個(gè)企業(yè)加工設(shè)備，我們提出基于零件-設(shè)備特征匹配(Part-EquipmentFeatureMatching，簡稱P-EFM)的CAPP方法，較好地解決了CAPP系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性問題。

1.信息描述模型

CAPP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就是建立完善的零件分類編碼系統(tǒng)，建立零件分類編碼系統(tǒng)時(shí)，首先要提取每個(gè)零件的設(shè)計(jì)特征和制造特征，然后將零件的這些特征通過編碼來識(shí)別。CAPP的工作就是讓計(jì)算機(jī)“熟悉”零件信息和企業(yè)設(shè)備制造能力的信息，并把待加工的零件信息與企業(yè)加工設(shè)備的制造能力(機(jī)床、夾具和刀具的制造能力的有機(jī)統(tǒng)一)信息進(jìn)行匹配，為零件設(shè)計(jì)適當(dāng)工藝的過程。因此，不僅零件信息，企業(yè)設(shè)備的制造能力信息也是CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它們都直接影響整個(gè)系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性。建立好零件與設(shè)備的信息描述模型是解決系統(tǒng)通用性和實(shí)用性的前提和關(guān)鍵性工作。

P-EFM信息描述模型集零件信息與企業(yè)設(shè)備制造能力信息的描述于一體。下面從兩個(gè)基本特性方面進(jìn)行介紹。

特征性

在制造技術(shù)領(lǐng)域中，零件特征表示與制造操作和工具相關(guān)的形狀和技術(shù)方面的屬性，即一個(gè)零件幾何形狀的工程意義。特征的分類是P-EFM信息描述模型特征性的基礎(chǔ)。一般而言，零件特征可分為管理特征、形狀特征、精度特征、技術(shù)特征和材料熱處理特征共五大類。管理特征描述與零件管理有關(guān)的所有信息，如標(biāo)題欄信息、未注粗糙度信息等。形狀特征描述零件的公稱幾何關(guān)系，它不但是最主要的，而且是種類最多、描述最復(fù)雜的零件特征。根據(jù)其是否常見，形狀特征可分為基本形狀特征和特殊形狀特征兩大類。基本形狀特征根據(jù)其在構(gòu)造零件中所起的作用不同，可分為主特征和輔特征兩類。主特征又分為簡單主特征(如圓柱體、圓錐體、長方體等)和宏特征(如輪轂、輪輻、盤等)。輔特征又分為簡單輔特征(如孔、槽、螺紋等)、復(fù)制特征(如周向均布孔、陣列孔、輪緣等)和組合特征(如階梯孔、中心孔等)。特殊形狀特征是指某些零件上所具有的特殊形狀，如水泵葉輪的流道、高壓開關(guān)上的直向榫槽等。這類特征不便于分類，其信息沒有固定的格式。精度特征描述幾何關(guān)系的允許變化范圍。

為了方便起見，精度特征分為如下兩類：

(1)獨(dú)立精度特征是指單個(gè)形狀特征本身的精度要求，如定形尺寸精度、形狀精度、表面粗糙度等。

(2)關(guān)聯(lián)精度特征是指多個(gè)形狀特征之間的精度要求，如位置精度、定位尺寸精度等。

我們把獨(dú)立精度特征作為屬性放在形狀特征的描述參數(shù)里，把關(guān)聯(lián)精度特征分為位置精度特征和定位尺寸精度特征兩類，把與關(guān)聯(lián)精度相關(guān)的所有因素作為屬性，放在關(guān)聯(lián)精度特征的描述參數(shù)里。技術(shù)特征描述零件的技術(shù)要求。材料熱處理特征描述與零件材料和熱處理有關(guān)的所有信息，如零件材料、熱處理方式、硬度等信息。

設(shè)備制造能力特征則表示與設(shè)備制造能力相關(guān)的技術(shù)屬性，即一臺(tái)設(shè)備所能加工零件特征的性能范圍。一般而言，設(shè)備制造能力特征可分為管理特征和功能特征兩大類。管理特征描述與設(shè)備管理相關(guān)的所有信息，如機(jī)床名稱、類型、編號(hào)、重量、所屬車間、所用夾具、所用刀具、工時(shí)費(fèi)用、可用時(shí)間和當(dāng)前狀態(tài)等。功能特征描述設(shè)備所具備的加工能力，其信息內(nèi)容主要從加工零件范圍、設(shè)備負(fù)荷、切削用量、生產(chǎn)率和加工成本這幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。根據(jù)其是否特殊，功能特征可分為常規(guī)功能特征和特殊功能特征兩大類。常規(guī)功能特征體現(xiàn)設(shè)備所具備的通常加工能力。特殊功能特征是指由于采用了特殊的夾具、刀具或者對機(jī)床進(jìn)行了改造而使設(shè)備所具備的特殊加工能力，如某廠舊車床改裝的鉆深偏心孔的加工能力就屬此類。

根據(jù)上述情況，分別用式(1)和式(2)來描述零件信息和設(shè)備制造能力信息的組成。若將零件和設(shè)備制造能力統(tǒng)稱為描述對象，則描述對象的信息可分解成若干特征單元。

式(1)：零件信息=管理特征+形狀特征+精度特征+技術(shù)特征+材料熱處理特征

式(2)：設(shè)備制造能力信息=管理特征+功能特征

開放性

在系統(tǒng)開發(fā)中，描述對象特征信息一般都集中于特征信息庫中。P-EFM信息描述模型的開放性表現(xiàn)在它所構(gòu)建的特征信息庫為開放式的。多數(shù)已開發(fā)的CAPP系統(tǒng)構(gòu)建零件特征信息庫時(shí)，僅對所考慮范圍內(nèi)的零件特征信息進(jìn)行描述，當(dāng)要輸入的信息超出特征信息庫中描述范圍之外時(shí)便無法輸入。這樣構(gòu)建的特征信息庫為封閉式的。封閉式特征信息庫不可能包含所有特征，因此嚴(yán)重限制了CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

P-EFM信息描述模型采用式(3)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建了開放式的特征信息庫，很好地克服了上述缺陷。

式(3)：描述對象特征=通用特征+自定義特征

在式(3)中，將描述對象的特征分為通用特征和自定義特征兩大類，其中通用特征便于分類，通用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍較廣，因此我們用固定的描述參數(shù)對它進(jìn)行描述，用戶只需根據(jù)提示輸入具體數(shù)值，如零件特征中的管理特征、基本形狀特征、精度特征、材料熱處理特征和設(shè)備制造能力特征中的管理特征、常規(guī)功能特征等都屬此類。自定義特征不便于分類，一般都為各企業(yè)專用，因此其描述參數(shù)要由用戶根據(jù)習(xí)慣自行定義，用戶在系統(tǒng)中既要輸入描述參數(shù)名稱又要輸入具體數(shù)值，如零件特征中的特殊形狀特征、技術(shù)特征和設(shè)備制造能力特征中的特殊功能特征等都屬此類。

由于用戶可以自行定義特征及其描述參數(shù)，因而能描述各種零件特征信息和各個(gè)企業(yè)加工設(shè)備制造能力特征信息，故為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通用性和實(shí)用性打下了良好的基礎(chǔ)。

2.特征匹配思想

一般而言，任何零件都可以看成由若干個(gè)形狀特征按一定的關(guān)系組合而成，各個(gè)形狀特征可采用的加工方案在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了較全面的總結(jié)和廣泛認(rèn)可，每種加工方案的每道工序與企業(yè)設(shè)備之間必定存在著1：q(q≥0)的關(guān)系(即一道工序?qū)?yīng)著q臺(tái)設(shè)備，若q=0，說明企業(yè)無設(shè)備加工該道工序;若q=1，說明企業(yè)只有一臺(tái)設(shè)備加工該道工序;若q>1，說明企業(yè)有若干臺(tái)設(shè)備加工該道工序)。

設(shè)備制造能力功能特征中的加工零件范圍信息包括可加工材料、可加工零件范圍、可用加工方法、可加工形狀特征范圍及可達(dá)加工精度范圍等信息。通過建立設(shè)備制造能力功能特征與零件特征之間可比較的對應(yīng)關(guān)系，便可獲取能加工零件形狀特征的合適的備選設(shè)備。因此，設(shè)備制造能力特征決定了該種設(shè)備是否可以用來加工相應(yīng)零件的形狀特征。P-EFM就是基于上述思想，將零件特征與設(shè)備制造能力特征進(jìn)行比較，最終找到零件形狀特征的可行加工方案，為后續(xù)開發(fā)工作提供切實(shí)可行的保障。

根據(jù)P-EFM，可能出現(xiàn)以下三種結(jié)果：

(1)某個(gè)形狀特征的m種加工方案都不能實(shí)現(xiàn)，說明零件特征與設(shè)備制造能力特征不匹配，零件因設(shè)備問題無法在企業(yè)進(jìn)行加工;

(2)每個(gè)形狀特征都只有一種可行加工方案;

(3)n(n≥1)個(gè)形狀特征有m(m>1)種可行加工方案。

結(jié)果(2)和(3)又將出現(xiàn)以下兩種情況：

一種情況是可行加工方案的每道工序與企業(yè)設(shè)備之間存在著1∶1的對應(yīng)關(guān)系，說明零件特征與設(shè)備制造能力特征成一一對應(yīng)的匹配關(guān)系，企業(yè)有設(shè)備可以加工該零件。另一種情況是可行加工方案中的某道工序與企業(yè)設(shè)備之間存在著1：q(q>1)的對應(yīng)關(guān)系，說明零件特征與設(shè)備制造能力特征成一對多的匹配關(guān)系，企業(yè)有設(shè)備可以加工該零件。在多工藝方案評價(jià)和選擇模塊中擇優(yōu)選用。

3.系統(tǒng)模塊

基于上述模型與思想，可開發(fā)一個(gè)可以根據(jù)企業(yè)具體的設(shè)備條件制訂零件機(jī)械加工工藝規(guī)程的CAPP系統(tǒng)或模塊。

各模塊的主要功能：

(1)信息輸入模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)零件特征信息和企業(yè)設(shè)備制造能力特征信息的輸入。

(2)特征匹配模塊

通過該模塊進(jìn)行零件特征信息和企業(yè)設(shè)備制造能力特征信息的匹配，找出零件形狀特征的可行加工方案及可加工設(shè)備。

(3)多工藝方案生成模塊

根據(jù)匹配結(jié)果，生成合乎企業(yè)設(shè)備條件的零件加工的多種工藝方案。

(4)多工藝方案評價(jià)和選擇模塊

該模塊以零件的生產(chǎn)周期、制造成本和企業(yè)設(shè)備條件為評價(jià)指標(biāo)，采取單目標(biāo)簡單評價(jià)或多目標(biāo)綜合評價(jià)策略，對多工藝方案進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)先排序，并據(jù)此選擇所需的工藝方案。

(5)零件圖生成模塊

該模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)庫中的零件幾何信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，在AutoCAD中自動(dòng)生成零件圖。

(6)工藝規(guī)程生成、修改和輸出模塊

利用Windows系統(tǒng)的對象的聯(lián)接與嵌入(OLE)功能，將零件圖插入所選的工藝文件，生成工藝規(guī)程;用戶對系統(tǒng)生成的工藝規(guī)程進(jìn)行修改并