（机械工程专业论文）拉延模具数控加工capp技术研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n d a p p l b e a o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n gx u ji n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：旅弯允 日期：2 0 11 年f 月彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密0 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：o dff 年厂月8 日 日期：占切，年2 - 月彦日 拉延模具数控加工c a p p 技术研究与应用 摘要 在模具的制造过程中，工艺设计对模具产品的质量、制造成本等具有重要的 影响。传统的工艺设计主要是依靠工程师的经验完成，已不能适应目前的汽车模 具制造行业发展的需求。随着计算机在制造企业中的应用，通过计算机辅助进行 加工工艺设计已成为可能。计算机辅助工艺过程设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s s p l a n m n g ) 且pc a p p ，通常是指机械产品零件制造工艺过程的计算机辅助设计与文 档编制。c a p p 技术的应用，可以提高加工质量、缩短生产准备周期，能对工艺 设计的修改和变更做出快速响应，提高信息处理能力和企业各部门之间信息的交 流能力，工艺人员的经验能够得到充分的积累和继承，减小编制工艺文件的工作 量和产生错误的可能性，将广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来。 本文在研究汽车覆盖件拉延模具加工制造现状及工艺设计现状的基础上，对 大型拉延模具计算机辅助工艺过程设计技术进行了研究和开发。论文研究了模具 型面粗加工和精加工切削用量优化，研究了刀位轨迹走刀方式对加工时间和加工 质量的影响，在此基础上，将工艺经验和工艺优化相结合，以p o w e r m i l l 软件为 开发平台，利用c a p p 技术开发了汽车覆盖件拉延模具数控加工工艺模板，实现 了汽车覆盖件模具的规范化制造，以提高n c 编程的质量和效率，规范汽车覆盖 件模具加工工艺路线、工艺参数等，为汽车覆盖件模具c a d c a p p c a m 一体化 的实现奠定了工程基础。实例应用验证了该c a p pt 艺模板具有可行性和实用性。 关键词：c a p p ；拉延模具；数控加工；工艺模板 工程硕士学位论文 a bs t r a c t i nd i ea n dm o u l dm a n u f a c t u r i n g ，p r o c e s sp l a n n i n gh a sv e r yi m p o r t a n te f f e c to n m a n u f a c t u r i n gq u a l i t ya n dm a n u f a c t u r i n gc o s t t h et r a d i t i o n a lp r o c e s sp l a n n i n g i s b a s e do nt h ee x p e r i e n c eo fe n g i n e e r s ，w h i c hc o u l dn o tm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ed i e a n dm o u l dm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ye f f i c i e n t l y w i t ht h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r si nt h e m a n u f a c t o r yi n d u s t r y , t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gt h ec o m p u t e r st oa s s i s tm a c h i n i n g p r o c e s sp l a n n i n gh a sb e e np r o v e d c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) ，m e a n s t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dt h ed o c u m e n tf o r m a t i o nf o rt h em e c h a n i c a lp a r t m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s c a p pt e c h n o l o g y c a ni m p r o v et h e q u a l i t y o ft h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，s h o r t e np r o d u c t i o np r e p a r a t i o np e r i o d ，p r o c e s sd e s i g nc h a n g e s a n dr e s p o n dq u i c k l y , i m p r o v et h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc a p a c i t ya n db u s i n e s s i n f o r m a t i o nb e t w e e nv a r i o u sd e p a r t m e n t s a n dw i t hc a p pt e c h n o l o g y , t h ee x p e r i e n c e o fp r o c e s sp l a n n i n gc a nb ef u l l ya c c u m u l a t i o na n di n h e r i t a n c e ，t h ew o r kl o a do ft h e p r e p a r a t i o no ft e c h n i c a ld o c u m e n t sa n dt h ep o s s i b i l i t yo f e r r o rc a nb er e d u c e d ，a n dt h e e n g i n e e r sc a nb er e l a x e df r o mt h et e d i o u s ，r e p e t i t i v ep r o c e s sp l a n n i n gw o r k b a s e do nr e s e a r c h e so nt h es i t u a t i o no fm a n u f a c t u r i n ga n dt h ep r o c e s sd e s i g nf o r a u t o m o b i l ep a n e ld r a w i n gm o l d ，t h ec a p pt e c h n o l o g yf o rc n cm a c h i n i n go fd r a w i n g d i e si sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di n t h i sp a p e r t h eo p t i m i z e dm o d e l s o fr o u g h m a c h i n i n gf o rp o c k e t sa n df i n i s hm a c h i n i n gf o rs u r f a c e sa r es t u d i e d ，s od o e st h ee f f e c t o ft h et o o l p a t ho nm a c h i n i n gt i m ea n dm a c h i n i n gq u a l i t y b a s e do nt h er e s e a r c h e so n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa sw e l la si t sp r o c e s so p t i m i z a t i o nf o rd i ea n dm o u l d ，a nc n c p r o c e s s i n gt e m p l a t eo fa u t o m o b i l ep a n e ld r a w i n gd i ei sd e v e l o p e db yu s i n gc a p p t e c h n o l o g ya n dp o w e r m i l ls o f t w a r e ，p r o v i d e di nt h i sp a p e ri sa b l et op r o m o t et h e i n t e g r a t i o no ft h ec a d c a p p c a m ，t oi m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fc n c p r o g r a m m i n g t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h o w st h a t t h ec a p pp r o c e s st e m p l a t ei s f e a s i b l ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：c a p p ；d r a w i n gd i e s ；c n cm a c h i n i n g ；p r o c e s s i n gt e m p l a t e i i i 3 2 1 成组技术的应用1 9 3 2 2 基于实例推理技术的应用2 0 3 3 小结2 3 i v 工程硕士学位论文 第4 章面向大型拉延模具数控加工c a p p 模板开发2 4 4 1 模板的定义2 4 4 2 p o w e r m i l l 软件在大型拉延模具加工中的应用2 4 4 3 大型拉延模具数控加工工艺模板开发实施：2 6 4 3 1 大型拉延模具数控加工工艺模板总体结构2 6 4 3 2 大型拉延模具数控加工工艺模板开发2 8 4 2 3 大型拉延模数控加工工艺模板的应用3 6 4 4 小结3 8 结论与展望3 9 全文总结3 9 研究展望3 9 参考文献4 1 致谢4 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录4 5 v 拉延模具数控加工c a p p 技术研究与应用 插图索引 图2 1 拉延模具结构工艺特征分类。1 2 图2 2 模具数控加工流程1 2 图2 3 拉延模具型面加工工步分析1 3 图2 4 局部曲面加工的划分1 4 图3 1 拉延模具工艺设计基本流程1 8 图3 2 基于实例的大型拉延模具c a p p 总体结构2 2 图4 1 大型拉延模具数控加工工艺模板框架结构2 6 图4 2 工艺模板路径定义对话框2 8 图4 3 工艺模板路径选择对话框2 8 图4 4 拉延模模具型面工艺模板命名对话框2 9 图4 5 残留高度与切削间距之间的关系。3 1 图4 6 大型拉延模具数控加工工艺模板操作界面3 4 图4 7d 3 0 r 1 5 粗清角操作界面，3 5 图4 8 所示为d 3 2 r 1 6 精加工操作界面3 5 图4 9d 6 r 3 精清角操作界面3 5 图4 1 0 汽车覆盖件模具型面三维c a d 图3 6 图4 1 1 型面试刀参数设置界面3 6 图4 1 2 粗清角参数设置界面3 6 图4 1 3 型面精加工参数设置界面3 7 图4 1 4 精清角参数设置界面。3 7 图4 1 5 汽车覆盖件模具型面最终加工结果3 7 v i 表格4 1 大型拉 v i i 攀h v 0 ： ；：f i 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，汽车已经成为一种十分普及的 现代化交通工具。汽车工业的不断成长，已经成为世界工业发达国家和发展中国 家国民经济的支柱产业。但是目前总体上我国的汽车工业水平还比较落后，尤其 在车身制造技术方面与世界先进水平相比，存在着较大的差距。近年汽车产业的 高速发展，对覆盖件模具的需求量很大，市场十分广阔。汽车覆盖件模具是汽车 开发生产的重要工艺装备，其设计速度和质量直接影响着汽车的开发周期和质量。 工艺设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以便 能按设计要求生产出合格的成品零件。工艺设计是模具生产制造过程中技术准备 工作的一个重要内容，是产品设计与车间实际生产的纽带。现行的设计方法难以 保证型面的要求，越来越不能适应汽车工业的飞速发展。为了适应汽车工业的发 展，增强竞争能力，就必须增强覆盖件的设计和制造能力，缩短模具设计、制造 周期，降低成本，减轻设计人员劳动强度【1 卜【2 1 。 计算机辅助技术在模具设计与制造中的应用将可以大大提高模具的质量、缩 短模具的交货期、降低制造成本。虽然大部分企业在模具设计与制造中运用了 c a d c a m 软件，但计算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ：c a p p ) 技术的应用还比较少，这是由工艺设计问题的复杂性和特殊性所决定的。尽管 c a d c a m 软件提供了产品设计、生成刀具轨迹等功能，但是没有c a p p 这个桥 梁，使得c a d 与c a m 之间成了信息孤岛，相互脱节、彼此孤立，没能充分发挥 计算机辅助技术的作用【3 1 。 传统的工艺设计方式已经严重地阻碍了设计生产效率的提高，存在以下缺陷： ( 1 ) 对工艺设计人员要求高：传统的工艺设计是由工艺人员手工进行设计的， 工艺文件的合理性、可操作性以及编制时间的长短主要取决于工艺人员的经验和 熟练程度。 ( 2 ) 传统的工艺设计是人工编制的，劳动强度大，效率低，是一项繁琐重复性 的工作。 ( 3 ) 难以保证数据的准确性；工艺设计需要处理大量的图形信息、数据信息， 并通过工艺设计产生大量的工艺文件和工艺数据；传统的设计方式需要人工处理 图形及数据信息，由于数据繁多且很分散，因此，处理起来繁琐、易出错。 拉延模具数控加工c a p p 技术研究与应用 ( 4 ) 工艺设计最优化、标准化较差，工艺设计经验的继承性亦较困难。设计效 率低下，存在大量的重复劳动，而工艺设计质量完全取决于工艺人员的技术水平 和经验。当产品更换时，原有的工艺规程就不再使用，必须重新设计一套产品的 工艺规程，既使新产品中某些零件与过去生产的零件相同，也必须重新设计。 ( 5 ) 无法利用c a d 的图形、数据，随着二维c a d 技术在企业中的应用已很普 及，各部门之间通过电子图档进行交流，如果工艺设计部门仍采用人工方式进行 设计，这样就无法有效利用c a d 的图形及数据。 ( 6 ) 不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护。 ( 7 ) 信息不能共享，随着企业计算机应用的深入，各部门所产生的数据可以通 过计算机进行数据交流和共享，如果工艺部门仍采用手工方式，其他部门的数据 就只能通过手工查询，工作效率低且易出错；所产生的工艺数据也无法方便地与 其他部门进行交流和共享。 ( 8 ) 工艺设计工作贯穿于企业的整个生产活动中，在各个方面都充满着“个 性”。工艺设计所涉及的因素不仅是大量的，而且是极其错综复杂的，如企业的生 产类型、产品结构、工艺准备、生产技术发展等的影响，甚至受到管理体制的制 纠4 1 。 上述因素中的任何变化，均可能导致工艺设计方案的变化。 对于汽车覆盖件模具制造企业来说，其首要任务是建立起现代模具设计制造 模式，在并行环境下集成各项先进技术组织生产。现在市场上已有很多成熟的商 品化c a d c a m 软件( 如c a t i a 、u g n x 、p r o e n g i n e e r 、i d e a s 等) ，采用数 控技术解决加工制造的精度、速度与自动化，采用先进生产方式，组织成组加工、 批量定制生产，扩大零部件投产批量，把单件小批生产改变为批量生产，既降低 成本也提高效益，还能缩短交货期等等。对于技术应用企业来说，如何有效地组 织软硬件进行生产，即加工工艺设计是最重要的，同时也是最困难的，而传统的 工艺设计方式显然不能满足要求。因此，为了保证工程的可靠性，提高生产效率， 构造一个集成化的制造环境，工艺设计的计算机化、自动化是十分必要的。但就 目前情况来看，汽车覆盖件模具加工工艺设计仍然是以工程设计人员的经验和知 识为主，通过类比进行设计。随着新车型更新换代的日益加速，这种传统的工艺 设计方法已经不能适应产品发展的需要。因此，汽车覆盖件模具加工工艺设计技 术的滞后使整车开发周期变长，耗费大量的人力和物力。随着学科交叉和计算机 等相关技术的发展，采用c a p p 技术设计可以大大提高模具生产的质量和效率。 对于现代模具制造业来说，模具数控加工是模具制造过程中的重要一环，用 2 工程硕士学位论文 来完成模具工作部分的加工任务，也是模具制造周期长短的主要影响因素之一。 尤其是飞机、汽车和轮船上的主要零件以及大量的塑料制品，由于功能或者美学 的要求，通常包含有很多自由曲面，我们称之为曲面类零件。这类零件的模具工 作部分或相关电极一般是数控铣削加工完成的，加工时间( 包括数控编程、切削加 工和抛光时间) 占整个制造周期6 0 以上，其中切削加工时间是最主要的，约占整 个制造周期的3 0 5 0 t 5 1 。可见，为了缩短模具制造周期，提高加工效率、降低模 具成本，着眼于寻找一个最好的模具切削加工工艺方案不失为一种有效的办法。 通过对汽车覆盖件模具设计与制造现状的分析，可以看出，提高汽车覆盖件 模具快速响应市场的能力，需要运用现代设计技术实现汽车覆盖件模具快速设计， 结合先进制造技术实现覆盖件模具c a d c a p p c a m 快速集成。 为了解决上述问题，需要开发一种适合汽车覆盖件模具制造特点的c a p p 系 统，实现覆盖件模具c a d c a m c a p p 的有机集成，从而实现汽车覆盖件模具的 c a d c a m c a p p 一体化，提高汽车覆盖件模具快速响应市场的能力，提高模具 制造工艺设计和数控编程人员的工作效率，提高产品的质量，提高工艺程序设计 的稳定性和规范性，缩短模具制造周期。 1 2c a p p 技术概述 计算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ：c a p p ) 是借助于计算 机手段来制定产品的工艺规程、计算工艺参数、生产工序图，最终得到一份完整 的加工工艺卡，用于生产加工。首先，将零件的特征信息以代码或数据的形式输 入计算机，并建立零件信息的数据库；其次，把工艺人员编制工艺的经验、工艺 知识和逻辑思想以工艺决策规则的形式输入计算机，建立起工艺决策规则库( 7 - 艺 知识库) ；第三，把制造资源和工艺参数等以适当的形式输入计算机，建立起制造 资源和工艺数据库；第四，通过程序设计充分利用计算机的计算、逻辑分析判断、 存贮以及编辑查询等功能来自动生成工艺文件【6 j 。 工艺过程设计是连接产品设计和制造的桥梁，是整个制造系统的重要环节， 对产品质量和制造成本有极为重要的影响。c a p p 的使用不仅可以提高工艺过程 设计的效率，而且保证工艺设计的一致性、规范化和标准化。在现代机械制造业 中，c a p p 具有重要的理论意义和广泛、迫切的实际需求。因此，c a p p 从2 0 世 纪六十年代末诞生以来，其研究开发工作一直在国内外蓬勃发展，经过4 0 多年的 研究，c a p p 已经取得了巨大的发展，但由于工艺设计是一个经验性很强且随制 造环境而不断变化的决策过程，并且传统c a p p 以零件为对象，自动化为目标， 拉延模具数控加工c a p p 技术研究与应用 主要为车间提供指导制造活动的技术文件即工艺规程，尽管国内外在各种工艺决 策方式、各种机加工艺c a p p 、智能化、集成化方面取得许多成绩，但研究开发 方向和当前实际需求仍有较大差距。 1 2 1c a p p 研究的发展过程和现状 c a p p 的开发、研究是从2 0 世纪六十年代末开始的，在制造自动化领域，c a p p 是发展最迟的部分。世界上最早研究c a p p 的国家是挪威，始于1 9 6 9 年，并于 1 9 6 9 年正式推出世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s ；1 9 7 3 年正式推出商品化 的a u t o p r o s 系统。但在c a p p 发展史上具有里程碑意义的是设在美国的国际 性组织c a m i 于1 9 7 6 年开发的c a p p 系统( c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s s p l a n n i n g ) 7 1 。我国在2 0 世纪8 0 年代初期也开始了c a p p 的研究工作，一些商业 化的c a p p 软件开始逐步走向市场。国内最早开发的c a p p 系统是同济大学的修 订式t o j i c a p 系统和西北工业大学的创成式c a d s ，系统其完成的时间都在2 0 世纪八十年代初。 经过四十多年的历程，国内外已经对c a p p 进行了大量的探讨和研究，无论 在研究的深度和广度上都不断取得了进展u 7 1 。例如： 在设计对象上，所涉及的零件从回转体零件、箱体类零件、支架类零件到复 杂的飞机结构件零件。 在设计的工艺范围上，从普通机加工工艺到数控加工工艺；从机械加工工艺 到装配工艺、钣金工艺、热处理工艺等。 在系统功能上，从独立的计算机辅助技术“孤岛”，到满足系统集成化需求的 集成化系统。 在系统设计方法上，从单一的派生式、创成式到应用专家系统等人工智能技 术，并具有检索、修订、创成等多种决策方式的综合、智能化系统模式。 在系统开发上，从单纯的学术探讨逐步走向以实用化、商品化系统开发。 2 0 世纪9 0 年代末，一些商业化的c a p p 软件开始逐步走向市场。国内比较 有名的c a p p 软件有武汉开目公司的开目c a p p ，陕西金叶西工大公司的 c a p p f r a m e w o r k 以及北京清华京渝天河公司的t h c a p p 2 0 0 0 等等。这些c a p p 软件一般通用性较强，能够与自行开发的p d m ，c a d 等系统实现集成。 开目c a p p 系统是运用c a p p 的实用化思想而开发的，一定程度上实现了基 于知识的工艺决策。该系统拥有基于数据库的大型工艺集成管理系统，拥有较强 的兼容复杂数据表格的功能，并且有权限管理、流程管理、支持大团队并行工程， 有良好的与p d m 、c a d 、e r p 的集成性，具有很强的编辑功能，是开放性的工 4 工程硕士学位论文 具化软件系统【引。 陕西金叶西工大公司的c a p p f r a m e w o r k 是集成化c a p p 应用框架与开发平 台。c a p p f r a m e w o r k 系统的主要功能包括：产品结构管理、工艺分工计划、材料 定额、工艺设计、工艺信息管理、工艺文档管理、工艺审批流程管理、产品工艺 配置、工艺文档浏览、工艺制造资源管理、工艺知识管理、工艺信息建模、工艺 卡片定制、用户管理、系统配置管理等功能。 天河t h c a p p 2 0 0 0 是智能化工艺设计及集成管理系统。它实现“所见既所 得”卡片填写方式，支持文字和符号标注混排；卡片和数据库双向自动关联，卡片 和数据库内容自动更新；智能化在线资源利用；支持企业技术和管理的更新。以 及卡片格式的更新；支持用户进行二次开发；基于网络和数据库，与p d m 、e r p 等企业软件无缝集成；灵活方便的数据汇总以及各专业工艺信息集成；支持卡片 批量打印。该软件基本满足用户要求，目前己广泛应用于机械、航天、航空、电 气、汽车、仪器仪表等领域。 1 2 2c a p p 系统的分类 从c a p p 研究发展过程看，先后出现了各种各样的c a p p 系统，按其工作原 理可分为五类：( 1 ) 交互式( i n t e r a c t i v e ) c a p p 系统；( 2 ) 派生式( v a r i a n t ) c a p p 系统； ( 3 ) 创成式( g e n e r a t i v e ) c a p p 系统；( 4 ) 综合式( h y b r i d ) c a p p 系统；( 5 ) 专家系统 ( e x p e r t s y s t e m ，e s ) 1 0 】。 ( 1 ) 交互式c a p p 系统 交互式c a p p 系统是c a p p 的最早发展形式。交互式c a p p 系统完全依赖于 人工完成工艺决策过程，工艺人员是工艺决策的主体。c a p p 系统只能提供工艺 设计所需的计算机环境，以交互的方式由系统提供典型( 标准) - r 艺及制造资源， 让工艺人员进行工艺设计时“放下钢笔”、“告别手册”，实现工艺设计与管理的计 算机化，提高工艺人员的工作效率。这种系统开发简单、实用，但对人的依赖性 很大，工艺决策完全由人工完成。所以交互式c a p p 系统的工艺设计质量对工艺 设计人员的依赖性很强。 ( 2 ) 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 系统又称变异式c a p p 系统，由成组技术发展而来。派生式 c a p p 系统基本原理是利用零件的相似性，即相似零件具有相似的加工工艺。按 成组技术要求，c a p p 系统把几何形状和工艺特征相似或相近的零件归为一个零 件族，每一族零件都制订了典型工艺路线，并存储在系统的工艺数据库中。工艺 设计时，工艺人员首先输入零件的编码，系统根据零件编码确定该零件所属的族， 拉延模具数控加工c a p p 技术研究与应用 然后从标准典型工艺库中检索零件对应族的典型工艺路线，输出的工艺规程最后 由人工编辑、修改，直至满意为止。由于在计算机中存储的是标准典型工艺，这 些标准典型完全由人工预先制订，而不是由工艺知识和决策逻辑产生的，对输出 的工艺规程的修改也是由工艺人员来完成。因此，派生式c a p p 系统的工艺决策 在实质上也是由人工完成的。根据零件信息的描述与输入方法不同，派生式c a p p 系统又分为基于成组技术的派生式c a p p 系统和基于特征的派生式c a p p 系统。 ( 3 ) 创成式c a p p 系统 创成式c a p p 系统是应用数学模型决策和逻辑推理决策自动生成工艺规程 的。创成式c a p p 系统根据工艺决策逻辑与算法进行工艺过程设计，它能够从无 到有的自动生成具体对象的工艺规程。在创成式c a p p 系统中事先不存入任何工 艺过程方案，工艺规程的生成由决策表、决策树或数学模型等表达的工艺决策知 识来实现。应用创成式c a p p 系统时，首先向系统输入零件信息。系统的自动化 程度不同，输入方式会有所不同，如人机交互式、型面描述谓词、标准交换数据 等；系统根据输入的信息，对零件进行识别，并建立临时数据库，存储工艺设计 所需的零件材料、毛坯、尺寸、精度等信息。系统按照工艺决策逻辑与算法和工 艺数据库自动生成工艺规程。系统的工艺决策是分步进行的，如加工方案选择、 工艺路线规划、加工方法选择、加工顺序安排等，每一步都有自己对应的决策模 块。创成式c a p p 系统工艺决策时不需要人工干预，因此易于保证工艺规程的一 致性，提高工艺设计工作的自动化程度。但是由于工艺决策随制造环境变化的多 样性及复杂性等因素的影响，对于结构复杂多样的零件实现创成式还存在一定的 困难。 ( 4 ) 综合式c a p p 系统 综合式c a p p 系统针对不同的零件和不同的场合采用集派生式和创成式 c a p p 系统优点于一体，目前多数系统都是综合式c a p p 系统。综合式c a p p 系 统有时也指基于实例和知识相结合的工艺决策系统或其他的在工艺生成原理采用 综合方法的c a p p 系统。 综合式c a p p 系统综合了派生式c a p p 和创成式c a p p 系统的优点，使c a p p 系统具有更多的柔性、协同性及处理复杂问题的智能性，它既弥补了派生式c a p p 功能上的不足，又克服了创成式c a p p 系统的软件开发难度。综合式c a p p 系统 继承了派生式c a p p 系统的按相似性原理对零件进行分类，然后应用成组技术编 制工艺规程的方法。同时，综合式c a p p 系统又结合了创成式c a p p 系统的功能 工艺决策方法。因此，综合式c a p p 无论是在软件开发上，还是在系统使用上都 6 工程帧士学位论文 曼曼鼍! ! ! ! ! 曼! 曼! 曼! ! ! ! ! 苎詈! ! ! 皇苎曼竺苎! ! 曼! 寡詈詈曼皇皇詈昌詈鼍i 一 11 1m li 是一种比较实用的c a p p 系统。 ( 5 ) 专家系统 c a p p 专家系统是c a p p 智能化研究的成果，它是基于人工智能的c a p p 系 统，目前各种c a p p 专家系统就是以人工智能决策方式生成工艺规程的。 从2 0 世纪8 0 年代开始，人们开始应用人工智能技术来研究智能化c a p p 系 统，试图模拟工艺设计专家设计工艺过程，c a p p 专家系统就是重要的成果之一。 它与创成式c a p p 系统不同，前者是以知识库加推理机为特征的，后者则以数学、 逻辑算法加决策表为特征的。在专家系统中，工艺专家编制工艺的经验和知识都 存储在知识库中，并可以方便地通过专用模块进行增删和修改，提高了系统的适 应性和通用性。推理机从数据库中读取零件的制造特征信息，经过决策推理，生 成工艺规程。 工艺设计是一个与制造环境、制造资源相关度相当大的课题，涉及的因素非 常复杂，因此与c a d 、c a m 、p d m 等系统相比，计算机在这一领域的应用遇到 了较大的困难。在c a d c a m 技术发展日趋成熟的今天，c a p p 技术却相对滞后。 有关文献曾对英国企业的c a p p 应用和对其认识进行了广泛的调查，在实际生产 中c a p p 技术不仅应用较少，而且普遍认识不足，多数企业认为c a p p 只能依附 于p d m 而存在。在许多企业里，加工部门早己用上了c a m 软件，产品的设计部 门早己甩掉了图板，甚至用上了三维的设计和分析软件，而工艺设计部门却迟迟 扔不了钢笔，仍然重复着几十年来的工作习惯和方法。近年来，制造业企业信息 集成化发展迅速，一定程度上促进了c a p p 技术的推广和应用。 1 3 课题研究的现状、问题及发展趋势 1 3 1 课题研究的现状 由于c a p p 问题的复杂性和特殊性，模具企业中应用c a p p 技术的还比较少， 这正是制约模具企业发展的重要因素之一。其原因一方面在于面向模具的c a p p 技术领域少有研究，通常大型软件公司开发的企业自动化软件中c a p p 软件侧重 于软件的通用性和开放性，对于作为中小企业的模具企业来说，投资大，开发周 期长。另一方面，企业界对c a p p 技术在模具企业中的应用也存在一定的误区， 即认为c a p p 仅用于大批量生产。 综合查阅的文献来看，面向模具制造的c a p p 无论在国内还是国外研究的都 比较少，商品化的c a p p 软件更是少见。国内相关文献资料有： 文献【1 l 】上海交通大学模具c a d 国家工程研究中心开发的基于u g 平台的模 7 拉廷模具数控加工c a p p 技术研究与虑用 具c a p p 系统，它实现了下列功能：由于它是在现有c a d c a m 系统上二次开 发的，因此它实现了c a d c a m c a p p 的集成，同时与其它系统数据共享；建 立了工艺知识库，针对不同的加工特征，系统可以自动推荐符合用户指定工艺要 求的特征加工链；提供数控加工时曲面分析和刀具选择功能。该系统经过运行 测试，取得了令人满意的效果。 文献 1 2 】介绍了大连理工大学开发的基于c a p p 的模具报价系统。该系统是 针对长春客车厂开发的，该文献建立了对模具价格进行预算的计算机模型，在三 维c a d 产品信息模型支持下，利用c a p p 技术，确定模具零件的加工工艺过程， 给出了分析价格成本预算的方法和模具报价系统的构成。该系统提高了模具报价 的效率和准确性，降低了模具报价的成本。 文献 1 3 】介绍了一种面向模具热处理的c a p p 系统。 文献 1 4 】介绍了汽车覆盖件模具c a p p 系统，由于汽车覆盖件模具形状和制 造工艺的特殊性和复杂性，难以使现有c a p p 分类编码和特征建等方法进行零件 信息输入。该文介绍了基于零件分组和面向工艺决策的特征描术方法，以及基于 并行工程思想的c a p p 与生产网络计划的集成化。 文献 15 】介绍了基于实例推理技术( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ，即c b r ) 的面向模具 设计与制造的c a p p 技术。基于c b r 建立数据库更适合模具设计与制造的特点， 对于被检索出的事例与新的零件不符合时，可以对该事例进行修改，新修改的事 例可以加入事例库中以适应新的情况。 国外相关文献资料有：文献 1 6 】介绍了并行工程的模具制造工艺规划系统。 开发了基于并行工程的模具制造规划模型、工艺规划系统、知识库。 文献 1 7 】开发了基于知识库的注塑模具工艺规划系统。该系统将建立好的模 具零件模型通过一个数据转换模块，创建注塑模具零件特征数据库，通过制造特 征识别模块将建立的模具零件特征数据库信息作为基于知识库的工艺规划专家系 统中的工艺设计和工时估算的输入信息，工艺决策通过系统中的工艺规则来执行。 1 3 2c a p p 应用存在的不足与问题 ( 1 ) 应用水平偏低 目前大多数企业c a p p 的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇总 和权限的管理与控制方面，有效地提高了工艺设计的效率和标准化水平，这是 c a p p 应用的基础。但c a p p 应用的深度还不够，还不能有效地总结行业工艺“设 计经验”和“设计知识”，从根本上解决企业有经验的工艺师匮乏的问题。目前通用 的c a p p 系统还无法实现对工艺知识的总结、积累和应用。 8 工程硕：e 学位论文 ( 2 ) c a p p 与c a d p d m 的集成性差 目前大多数企业的c a p p 的绘图环境可以与c a x a 完全集成，而与c a d 还不能 完全集成，而设计人员大部分使用c a d 绘图软件，因此工艺附图的设计和更改是 c a p p 的一个薄弱环节，工作量也相对较大。另外c a p p 与p d m 也没有实现完全的 集成，在p d m 中不能直接浏览c a p p 文件，而是需要调用c a p p 本身的浏览器来查 看工艺文件，并且在p d m 的流程中不能直接进行圈红，只能输入一些说明性的文 字，这样的批注既不方便又不直观。 ( 3 ) c a p p 与p d m 中的管理功能的冲突 近年来，随着c a p p 功能不断扩展，c a p p 系统已经增加了工艺管理的内容， 包括权限管理、流程管理、更改管理，但随着企业p d m 的实施推广应用，c a p p 自身的管理功能和p d m 的管理功能发生了冲突。 ( 4 ) 基于三维c a d 的工艺设计与管理 随着三维c a d 在国内制造业的广泛推广应用，三维c a d 在不远的将来会成 为我国企业产品设计的主流设计工具。工艺如何和三维c a d 进行集成，工艺如 何基于三维c a d 进行加工工艺设计和装配工艺设计等等，目前在很多企业都有 迫切的需求。现阶段，c a p p 的应用基本上基于二维c a d 进行，与三维c a d 的 集成应用还处于起步阶段，有待研究和突破。 1 3 3 发展趋势 拉延模具数控加工c a p p 系统是先进制造技术、电子信息及计算机集成技术 等众多学科相互交叉、紧密结合，在汽车车身及模具设计领域的集中体现，它代 表着该领域2 1 世纪的科技发展方向，具有基础性、前沿性和战略性。可以预见，汽 车覆盖件模具数控加工c a p p 系统将沿着以下方面不断发展： 基于知识的智能化交互式c a p p 系统，工艺设计系统的智能化应是以交互式 为基础，以知识库为核心，并采用检索、修订、创成等混合决策技术和多智能体 技术的综合智能化，从而形成基于知识的智能化交互式系统框架，真正实现先进 性和实用性的要求。覆盖件模具制造工艺设计系统的知识库应该包含工艺数据库、 典型工艺事例库和工艺规则库。它的作用是为工艺设计人员的决策提供多种使用 方便的帮助，从而在复杂的覆盖件产品工艺设计时，一些只有较少经验的工艺人 员也能够设计出具有专家或者准专家水平的产品工艺。 9 1 0 分类和加工工艺，对拉延 研究拉延模具数控加工 发拉延模具数控加工工艺 应的工艺模板或只对少数 工艺和数控程序，以提高 工程硕士学位论文 第2 章大型拉延模具及其加工工艺 2 1 大型拉延模具的特点及结构特征分类 汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制 成的异形体表面( 称外覆盖件) 和内部零件( 称内覆盖件) 。轿车的车前板和车身、载 重车的车前板和驾驶室等都是由覆盖件和一般冲压件构成的。覆盖件组装后构成 了车身或驾驶室的全部外部或内部形状，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳 的受力零件。覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。 覆盖件同一般冲压件相比，具有材料薄、形状复杂( 多为立体曲面) 、结构尺 寸大和表面质量要求高等特点，因此对覆盖件的表面质量、尺寸、刚性、以及工 艺性等方面都提出了更高的要求，在覆盖件的冲压工艺编制、冲模制造和冲模制 造工艺上也有其特点【l 引。按照冲压工艺把覆盖件模具划分为拉延模、修边模、翻 边模。拉延模具是保证合格成形的关键模具，是用于将板件冲压成预期型面的模 具。拉延模具有以下特点： ( 1 ) 零件轮廓尺寸一般较大，模具成本高。轮廓尺寸是指模具下底板的长度 和宽度之和，拉延模具的轮廓尺寸一般在3 5 米左右，轮廓尺寸达6 米以上，重 ! 达3 0 吨。 ( 2 ) 模具毛坯大量采用薄壁箱式结构、铸造镶块等工艺以降低成本，节约能 源。 ( 3 ) 工作零件的型面都是复杂的自由曲面，难以用二维图纸来充分表达其几 何信息。传统上，对于模具工作零件的型面有时采用二维图纸和产品模型( 现主 要采用三维数字模型作为先进方法的主流) 相结合的办法来描述。 ( 4 ) 工作零件型面复杂，尺寸精度和表面粗糙度要求高，需要有专用的工装 夹具和大型加工、调试设备，加工的工艺过程和技术准备工作复杂，设计和制造 周期长。 由于覆盖件是形状复杂的薄板型零件，为了满足设计和制造的需求，根据加 工工艺的不同，可以将每一个零件分解为几个加工特征。本文从这一基本原则入 手，结合拉延模结构复杂，型面多变的特点，分析拉延模与以往一般零件特征分 类的不同之处，并在此基础上提出拉延模的工艺特征分类。 对拉延模具的结构特征进行基于加工工艺的分类，拉延模具结构工艺特征可 分为模具型面、模具底面、导板面、结构平面等【1 9 】，具体如图2 1 所示。 拉延模具数控加工c a p p 技术研究与应用 图2 1 拉延模具结构工艺特征分类 2 2 大型拉延模具数控的加工 1 拉延模具数控加工的工艺流程 利用c a d c a m 软件进行模具数控加工的工艺流程，见图2 2 。 生成数控刀具运动 轨迹 刀具运动轨迹校验卜l 生成数控加工程序 图2 2 模具