《机械CAD、CAM技术》PPT课件.ppt

机械CAD/CAM技术,山东理工大学机械工程学院,2,第七章 计算机辅助工艺设计,第一节 成组技术,第二节 CAPP系统的发展概况和工作原理,第五节 创成式CAPP系统,第三节 CAPP系统零件系统的描述、 输入和输出,第四节 派生式CAPP系统,第六节 CAPP专家系统简介,3,1成组技术的发展概况 1950年代：成组技术（Group Technology）概念起源。 1959年；苏联科学家S.P.Mitrofanor在成组技术科学原理一书中，正式提出“成组技术”一词。1960年，原西德和英国科学家开始对成组技术进行深入研究，以探讨成组技术在生产中的实用性。,第一节 成组技术（GT）,一、 概述,4,1963年，成组技术首先在原苏联应用于实际生产并获得成功。 1970年，日本政府也开始在国内推广成组技术。 1970年代末，成组技术在美国得到广泛接受和应用。到1995年，美国使用成组技术的企业达到了50%75%。 由于成组技术的应用可以使企业在当今品种多、中小批量生产、质量要求高的制造环境中缩短生产周期，提高生产效率和产品质量，加强企业的竞争力，所以成组技术能够如此迅速的得到推广和应用。,5,2成组技术的定义,成组技术是一门生产技术科学和管理技术科学，研究如何识别和发展生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它把各种问题按它们之间的相似性归类成组，并寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。,6,1）基本原理： 对相似的零件进行识别和分组，相似的零件归入一个零件组或零件族，并在设计和制造中充分利用它们的相似点，以获得所期望的经济效益。 2）零件的相似形 设计性质（如几何形状和尺寸等）方面的相似性和制造性质（如加工工艺）方面的相似性。零件的相似性是零件分族的基础。,3成组技术的基本原理,7,零件族是一些零件的集合，这些零件具有相似的几何形状和尺寸或在加工具有相似的加工步骤。同一族中的零件各不相同，但总有一些相似点使它们成为同一零件族的成员。上图和下图表示两个零件族，上图所示的零件族从几何外形是相似的。下图所示的零件族具有相似的加工工艺，但外形上相差较大。一般来说形状相似的工件，工艺也相似。,8,9,1）成组工艺 它不强求零件结构类型和功能的同一性，而只要几种零件若有多个工序具有相似性，则可合并为成组工艺。 2）成组生产单元的组织 车间内机床布置形式以及相应的生产组织形式按成组技术的原理组织实施，即不管是单机，还是加工单元、流水线，加工对象是针对于一组或几组工艺相似的零件，而不是只针对于一个零件。,4成组技术的应用,10,如图所示是一个传统小批量加工车间布局图。按机床类型将车间布置为车床、铣床、钻床和磨床等若干个工段。在对一个零件进行加工时，工件必须在各个工段间来回运送，有时同一个零件需要多次进入同一个工段。这样势必增加工件的搬运工作量和库存量，导致制造周期延长，成本提高。,11,12,如图所示是按照成组工艺改造后的车间布局图。把机床划分为一些单元，每个单元只承担一个特定零件族的生产。这样不仅避免了上图所示车间布局的缺点，而且实现了流水线或自动线作业。,13,3）成组技术在CAD中的应用 成组技术大大提高了设计的继承性，极大地减少了设计人员的重复劳动。 4）成组技术在CAPP系统中的应用 成组技术及其分类编码系统对于CAPP系统，特别是派生式CAPP系统的零件信息的描述和输入、标准工艺规程的检索与修改以及工艺文件的管理和输出都有着重要意义。,14,5）成组技术在FMS中的应用 成组技术与柔性制造技术是相辅相成的，柔性制造技术推动了成组技术的发展，而在柔性制造系统或柔性设备上采用成组技术将提高FMS的利用率，使系统发挥更大的效益。,15,有利于零件设计标准化，减少设计工作的重复。 有利于工艺设计的标准化， 降低生产成本，简化生产计划，缩短了生产周期。 有利于CAD系统与CAM系统连接，实现CAD/CAM系统的集成。,5成组技术的优点,16,1）人工识别分组法（也称视检法） 这是一种最简单、最经济的方法，它通过人工识别各种零件的实物或图样、照片等，将它们划分成相似的零件族。这种方法往往需要有实际经验的工程技术人员进行，而且分类粗糙、不准确。,6、如何将零件组合成组,17,2）零件分类和编码分组法 这是三种方法中最复杂、最常用、最有效的一种方法。它通过分类编码系统对零件的各设计特征或制造特征进行编码，然后利用所得编码确定零件得相似性，从而将零件分组。,18,3）生产流程分析（Production flow analysis，简称PFA）分组法 PFA法通过对零件现有加工工艺流程的分析，把具有相似或相同加工工序和加工工艺流程的零件作为一个零件族。,19,二、零件分类编码系统,零件的分类编码是由代表零件的设计或制造的特征符号组成的，一般情况下，大多数分类编码系统是用数字来描述零件的几何特征和工艺特征，也就是零件特征的数字化。,20,1零件的代码 在成组技术条件下，产品零件的代码是由2部分组成的，即零件的识别码和零件的分类码。 1)零件的识别码 就是零件的件号或图号，识别码是惟一的。,21,2)零件的分类码 零件的分类码是在成组技术条件下提出的，可以反映出零件固有的功能、名称、结构形状、工艺、生产等信息；分类码对某种零件而言，并非惟一的，不同的零件可以拥有相同的分类码。 在按成组技术组织生产时，必须同时将零件的识别码与分类码结合应用。,22,2零件分类的基本依据,零件分类是依据零件的各方面特征来进行的，一般按以下3个方面的特征分类。 1)结构特征 零件的几何形状、尺寸大小、结构功能和毛坯类型等。 2)工艺特征 零件的毛坯形状、加工精度、表面粗糙度、加工方法、材料、定位夹紧方式，选用的机床类型等。 3)生产组织与计划特征 加工批量、制造资源状况和工艺过程跨车间、工段及厂际协作等情况。,23,零件分类编码系统主要可分为三类： 面向零件设计特征的分类编码系统。这类系统适用于设计部门进行设计检索和提高设计标准化。 面向零件制造特征的分类编码系统。这类系统适用于生产部门进行计算机辅助工艺规程设计、工装设计以及与生产有关的工作。 面向零件设计和制造的分类编码系统。这类系统综合了以上两种系统的功能和优点，是一种独立的编码系统。,3、零件分类编码系统的基本类型,24,OPITZ系统是一个十进制的9位代码的混合结构分类编码系统。它是由联邦德国Aachen工业大学H.Opitz教授领导的机床和生产工程实验室开发的，随着这一系统的完善而被用于成组技术中，习惯上都称此为0PITZ系统。 广泛应用于机械制造、设计及生产管理。,4OPITZ零件分类编码系统,25,1)系统结构 最早的OPITZ系统只有5位代码，也即目前所称的形状码。为了完善自己的系统，Opitz教授在原来5位形状码之后，又增补了4位所谓的辅助码 。,26,27,28,29,2)系统特点,系统的结构比较简单，仅有9个横向分类环节，因此便于记忆和手工分类。 系统的分类标志虽然形式上偏重零件结构特征、形状要素，但是实际上隐含着工艺信息。,30,虽然系统考虑了精度标志，但是由于零件的精度概念比较复杂，它既有尺寸精度，又有几何形状精度和相互位置精度，所以单用一个横向分类环节来表示似嫌不够。 系统的分类标志尚欠严密和准确。 从总体结构上看系统虽属简单，但从局部结构上看仍旧十分复杂。,31,5、其它分类编码系统简介,1）JLBM-1零件分类编码系统 JLBM-1系统是我国原机械工业部颁布的机械零件分类编码系统，后经多次修订，于1984年正式作为我国原机械工业部的技术指导资料。它是在我国第一个分类编码系统JLBM系统的基础上，结合OPITZ系统和KK-3系统的优点并根据我国机床行业的具体情况而发展起来的。适用于产品设计、工艺设计、加工制造和生产管理等方面。,32,下图所示是JLBM-1分类编码系统的基本结构，其结构与OPITZ系统基本相同，但克服了OPITZ系统码位少、分类标志不全的缺点。该系统有十五个码位，每个码位用09十个数字表示不同的特征项号。在十五个码位中，第一、二个码位是名称类别码，第三到九个码位是形状与加工码，第十到十五个码位是辅助码 。,33,34,三、 零件分类成组方法编码分类法,编码分类是根据零件的编码进行分类成组，并用特征矩阵形式表示。在分类之前，首先需要合理地制定各零件族的相似性标准，以便将众多的待分类零件进行分选，使之归属于相应的零件族。 编码分类法实质就是让零件编码与各零件族特征矩阵逐个地匹配比较，若零件编码与某一零件族特征矩阵相匹配，则该零件就应归属于此零件族,35,合理制定各零件族相似性标准是按编码分类取得满意结果的关键。相似性标准不能太高，要求过严，零件不易汇集成组；也不能太低，过于粗略，归属于同一组的零件种数太多，差异太大，也会妨碍很好地利用零件的相似性。 制定零件族相似性标准，有特征码位法、码域法和特征位码域法等3种方法。,36,1)特征码位法 凡零件编码中相应码位的代码相同者归属于一组的方法，称为特征码位法。 2)码域法 规定每一码位的码域(码值)，凡零件编码中每一码位值均在规定的码域内，则归属于一组，这种方法称为码域法。 3)特征位码域法 这种方法是上述2种方法的综合，因而能兼备二者的特点，即既能抓住零件分类的主要特征方面，又能适当放宽其相似性要求，以得到满意的分类结果。,37,第二节 CAPP系统的发展概况,1工艺规程设计的任务 工艺规程设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削用量的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。,一、工艺设计自动化的意义,38,2传统的工艺规程设计方法 1）人工方式 2）逐件设计 3）工艺设计工作的重复性 例如，美国辛辛那提工厂生产的425种齿轮类零件，原来需要377种不同的工艺规程，应用成组技术对齿轮和工艺规程进行仔细分析后发现只用71种标准工艺就可以生产全部425种零件。,39,3、利用计算机进行工艺规程设计 计算机能有效地管理大量的数据，进行快速、准确的计算，进行各种方案的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把CAD和CAM的信息连接起来，实现CAD/CAM一体化，是集成制造系统的关键性中间环节。,40,4、CAPP在CIMS中的重要作用 CIMS被认为是未来机械制造工业的生产模式。而CIMS的关键是信息的集成，而CAD和CAM的集成又是实现CIMS的关键之一。在CAD/CAPP/CAM集成系统中，CAPP是连接CAD和CAM的桥梁和纽带。理想的CAPP系统能够直接接受CAD系统的信息，进行工艺设计，生成工艺文件，并以工艺设计结果和零件信息为依据，经过适当的后置处理后，生成NC代码，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成。但由于CAPP发展的严重滞后，能真正实现CAD/CAPP/CAM集成的CAPP系统还未出现。,41,世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家是挪威。他们从1966年开始研制，到1969年正式发表了AUTOPROS系统。这是世界上第一个CAPP系统，它是根据成组技术原理，利用零件的相似性去检索和修改标准工艺来制定相应零件的工艺规程。 美国在1976年推出了CAM-IS Automated Process Planning系统(简称CAM-IS CAPP系统)。 目前世界各国的CAPP系统主要用于回转体零件，其次为棱柱体零件和板块类零件，其它非回转体零件应用较少，而且多应用于单件小批量生产类型。,二、国内外CAPP的发展概况,42,从80年代起，我国最早进行这项研究工作的是同济大学，他们在1982年研制成功了TOJICAPP系统，随后北京理工大学也研制出适用于车辆中回转体零件的BITCAPP系统，北京航空航天大学发表了BHCAPP，华中理工大学的开目CAPP，还有一些高校和工厂合作研制的CAPP系统也相继获得成功。 软件市场上的CAPP系统有开目CAPP、天河CAPP、金叶CAPP、机械加工工艺手册（软件版）,43,有利于工艺规程的合理化、标准化和最优化 提高工艺规程的设计效率 可获得良好的经济效益 有利于CAD/CAPP/CAM的集成 CAPP是联接CAD和CAM的桥梁和纽带，只有实现工艺设计的自动化，才能真正实现CAD/CAPP/CAM的一体化。,三、CAPP的效益,44,1. 零件信息的输入 零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述，如何输入和描述零件信息是CAPP最关键的问题之一。 2. 工艺规程的生成 对标准工艺进行检索、调用、修改和编辑，生成零件的工艺规程（派生法）；或者是以零件信息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程并进行适当的编辑和修改（创成法）。,四CAPP系统的基本结构,45,3. 工艺数据/知识库： 工艺数据/知识库是CAPP系统的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的所有工艺数据（比如加工方法、余量、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等众多内容，如加工方法选择规则、排序规则等）。,46,4. 系统的控制和管理： 负责对整个系统的控制与管理 5. 工艺文件管理与输出 管理和维护系统工艺文件既是CAPP系统的重要内容，也是整个CAD/CAPP/CAM集成系统的重要组成部分。输出部分包括工艺文件的格式化显示、存盘、打印等。系统一般能输出各种格式的工艺文件，有些系统还允许用户自定义输出格式，有些系统还能直接输出零件的NC程序。,47,从国内外发表的CAPP系统来看，它们主要包括以下功能： 接收或生成零件信息。 检索标准工艺文件。 选择加工方法。 安排加工路线。 选择机床、刀具和夹具等。 确定切削用量。,五CAPP的功能,48,计算切削参数、工时定额和加工费用等。 计算工序尺寸和公差，确定毛坯类型和尺寸。 绘制工序图。 生成工艺文件。 刀具路径规划和NC编程。 加工过程的仿真。,49,第三节 CAPP系统的基本原理和方法,1、派生式CAPP系统,2、创成式CAPP系统,3、综合式CAPP系统,4、CAPP专家系统,50,根据成组技术中相似性原理，如果零件的结构形状相似，则它们的工艺规程也有相似性。对于每一个相似零件组，可以采用一个公共的制造方法来加工，这种公共的制造方法以标准工艺的形式出现，它可以集中专家、工艺人员的集体智慧和经验及生产实践的总结制定出来，然后贮存在计算机中。当为一个新零件设计工艺规程时，从计算机中检索标准工艺文件，然后经过一定的编辑和修改就可以得到该零件的工艺规程.,（一）派生式CAPP系统的工作原理,一派生式CAPP系统,51,根据零件信息的描述与输入方法不同，派生式CAPP系统又分为基于成组技术（GT）的派生式与基于特征的派生式CAPP系统。前者用GT码描述零件信息，后者用特征来描述零件信息，后者是在前者的基础上发展起来的。,52,根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出标准工艺规程以及相应的检索方法与逻辑，并以文件的形式贮存在计算机中。当要为新零件设计工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪一个零件组，检索出该零件组的标准设计工艺规程。对标准工艺规程进行增删、修改以及编辑后，形成该零件具体的工艺规程。,53,（二）派生式CAPP系统的工作流程(如图所示),基于成组技术（GT）的派生式,54,（三）成组工艺设计方法,1、复合零件法样件法 利用一种复合零件来设计成组工艺的方法，复合零件可以是零件组中实际存在的某个具体零件，也可以是一个实际上并不存在的而人为虚拟的一个假想零件。此零件必须拥有同组全部待加工的表面要素。按复合零件设计的成组工艺，能加工零件组内的所有零件。,55,【举例】 下图表示一个零件组及其复合零件,56,下图是按上述复合零件设计所得的成组工艺，以及组内各零件的具体工艺。,57,2、复合路线法 在零件分类成组的基础上，把同组零件的工艺过程卡收集在一起，从中选出组内最复杂、也最的工艺路线为代表，再将此代表路线和组内其他零件的工艺路线相比较，经过比较，可将此路线中没有的工序加入，最终得出全组零件的要求的成组工艺。,58,【举例】 下图 是按复合路线法设计的某一非回转体类零件的成组工艺。图中选择了第二个零件的工艺路线为代表路线。,59,计算机模仿工艺人员的逻辑能力，自动进行各种决策，选择零件的加工方法，安排工艺路线、选择机床、刀具、夹具、计算切削参数和加工时间、加工成本，以及对工艺过程进行优化。人的任务仅在于监督计算机的工作，并在计算机决策过程中作一些简单问题的处理，对中间结果进行判断和评估等。,二 创成式CAPP系统,（一）创成式CAPP系统的工作原理,60,61,62,创成式CAPP系统主要解决两方面的问题，即零件加工路线的确定（工艺决策）与工序设计。 零件加工路线的确定： 目的是生成零件工艺规程的主干，包括工序和工步的确定、工序顺序的安排以及各工序定位和夹紧方案等。 工序设计： 主要包括工序尺寸和公差的计算、设备与工装的选择、切削用量的确定、工时定额的计算以及工序图的生成等。,63,（二）创成式CAPP系统设计的一般过程,1、准备阶段 （1）明确开发的系统的设计对象 开始设计前应该清楚要开发的CAPP系统是针对哪一种类型零件的。 （2）对本类零件进行工艺分析； （3）搜集和整理各种加工方法的加工能力范围和经济加工精度等数据。 （4）收集、整理和归纳各种工艺设计决策逻辑或决策法则,64,2.软件设计阶段 就创成式CAPP系统工艺决策的软件设计而言，主要任务就是将准备阶段所搜集到的数据和决策逻辑用计算机语言来实现，对于传统创成式来说，就是将各种工艺设计决策逻辑模型化和算法化，对于CAPP专家系统而言，就是实现工艺系统决策的推理机。,65,（三）创成式CAPP系统的工艺决策,1、工艺决策的内容 1）选择加工方法 用创成式CAPP设计工艺规程时，计算机将根据输入的零件特征的几何信息和加工技术要求，自动选择相应的工艺决策逻辑，确定加工方法。 2）工艺路线的自动生成 按照一定的工艺路线安排原则，将已选择好的零件各表面要素的加工方法按一定的先后顺序排列，以确定零件的工艺路线。,66,2、一般创成式CAPP系统的工艺决策过程,67,3工艺决策逻辑的主要形式 在目前国内外的各种CAPP系统中，工艺过程决策逻辑的表达方式用的最多的是决策表和决策树。现在随着计算机技术的发展，决策表和决策树已成为计算机软件设计的基本技术工具。,68,举例： 车削装夹方法选择：有下面的决策逻辑： 工件的长径比=4，且=16，则采用前顶尖+跟刀架+尾顶尖 可以采用下面的决策表和决策树表示,69,决策表,70,决策树,71,三 综合式CAPP系统,原理：综合派生式CAPP采取派生与创成相结合的方法生成工艺规程，即工艺设计采用派生法，工序设计则采用创成决策方法产生。,72,1CAPP的应用问题 目前多数企业使用的系统存在功能少，应用范围窄等缺陷，系统开发水平低，一般只承担文档处理和数据检索。 2存在一些基本的没有很好解决的问题 1）零件信息的描述和输入 2）工艺知识的获取和学习 3）制造公差的确定和基准、夹具的选择 4）各种工程数据库的建立和维护,第四节 CAPP的发展趋势和存在的问题,一存在的问题,73,3与其他系统的集成还有一定的难度 4系统的体系结构还缺乏柔性和开放性。 工艺设计是一项个性很强的工作，各个企业由于产品不同、零件批量不同、加工设备不同都直接增加了CAPP系统的开发难度。目前 CAPP系统的开发与应用环境的数据结合紧密，当应用环境改变时，系统的结构却难以随之改变。因此，当前的CAPP系统还无法适应制造企业多类型、多层次的需求。,74,1集成化趋势 未来的CAPP系统除了与CAD和CAM集成之外，还应该与制造自动化系统（MAS）、管理信息系统集成（MIS）。,二发展趋势,75,在CIMS生产背景下: 1.接收来自CAD的零件的各种工艺信息，进行工艺规程设计，并向CAD反馈零件的工艺性评价； 2.向CAM提供零件加工所需的信息，并接收CAM反馈的工艺修改意见； 3.向MIS系统提供工艺路线、设备、工装、工时、材料定额等信息，并接收MIS系统发出的技术准备计划、设备负荷、刀量具信息等； 4.向MAS提供各种工艺规程文件以及工装信息，接收MAS的工装使用报告和修改意见等各方面的信息,76,2通用化趋势 通用化问题是CAPP面临的最主要的问题之一，也是制约CAPP系统实用化与商品化的一个重要因素。使CAPP系统各工艺设计模块与系统所需的工艺数据与知识完全独立，是实现CAPP系统通用化的前提。,77,3智能化趋势 专家系统技术以及其它人工智能技术已越来越广泛地应用于各种类型的CAPP系统之中，还有将人工神经元理论、模糊理论、黑板推理与实例推理等方法用于CAPP系统的开发。,78,4工具化趋势 通用性问题是阻碍CAPP应用的一大难题，也是制约CAPP系统商品化的一种重要因素。目前许多人提出了CAPP构造工具的思想，使CAPP系统能适应制造业各层次的需求，力求使CAPP向CAD系统那样具有通用性。,79,主要思想： 针对不同的应用环境在开发平台上构造符合用户需要的CAPP系统，也可以将开发平台提供给用户，使用户可以进行二次开发。 主要工具： 零件信息描述工具、工艺决策工具、工艺文档输出工具，知识和数据的输入工具、用户界面构造工具等。,80,该系统是国内开发较早的系统，由同济大学开发，适用于生成回转体零件的工艺规程。该系统主要以派生法原理为基础，部分采用创成式原理，属于半创成式CAPP系统，零件编码采用JLBM编码系统，使用BASIC语言编程，在IBM系列微机或兼容机上运行，工艺规程内容详细完整，可以完成工序和工步的确定.,第五节 典型CAPP系统介绍,一、TOJICAPP系统简介,81,该系统能完成机床和刀具的选择、计算切削参数、时间定额和加工费用、车削工序图的绘制以及打印输出具有所需格式的工艺规程等工作，是一个功能较完整的实用系统。该系统的程序结构按模块化原理设计。其流程图如下图所示。 该系统在生成工艺规程之前，必须为系统建立各种文件数据库。系统可以输入零件图信息以生成工艺规程，也可以从零件信息中调用零件。,82,83,生成工艺规程过程如下： 1进入工艺规程主流程，输入图形信息。 2系统运行成组代码模块，生成零件的成组代码，从而检索零件的典型工艺规程 3根据典型工艺规程，生成毛坯尺寸。 4按典型工艺规程的工序和工步搜索零件信息。 5进入人机