（机械工程专业论文）齐厂铁路货车冲压件capp系统开发.pdf

摘要 摘要 工艺设计是机械制造过程的技术准备工作中一项重要内容，是产品设计与车间生产 的纽带，工艺设计所生成的工艺文件是指导生产过程的重要文件及制订生产计划与调度 的依据。 本文通过研究国内外先进的计算机辅助工艺设计( c a p p ) 的理论、方法、基础技 术及齐厂工艺设计的规范和程序，针对齐厂铁路货车冲压件产品的特征和生产的特点， 建立典型零件的工艺规程的设计框架，在此基础上采用v i s u a lb a s i c6 0 实现铁路货车冲 压件变异型c a p p 系统的开发。 在系统结构设计上采用模块化构成的有序分层法，系统从产品图纸、工艺文件信息 中提取信息，通过人机交互的方式输入信息。在数据库结构设计中，应用了特定的控制 信息，实现了数据描述详尽和冗余度最小。在绘制卡片的设计中，在a u t o c a d 的基础 上进行了尺寸、形位公差、粗糙度等标注及参数化图库的二次开发，为提高绘图效率提 供了技术保障手段。 系统采用成组技术( g t ) ，按零件特征进行编码并归类成族，建立零件族主样件 的工艺规程，并将此工艺规程作为该零件族的标准工艺，系统通过检索零件特征码找到 对应的标准工艺和推荐的加工设备，经筛选后形成正式的加工工艺。 关键词：冲压件c a p p ；制造信息化技术：成组技术 大连交通人学t 稃硕十学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si so n eo ft h ek e yi t e m si nt h et e c h n i c a lp r e p a r a t i o n f o rm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e i ti st h et a c h ec o n n e c t i n gt h ep r o d u c td e s i g na n dt h ep r o d u c t m a n u f a c t u r ei nw o r k s h o p t h ep r o c e s sd o c u m e n t sm a d ef r o mp r o c e s sd e s i g na r eo fr e f e r e n c e s f o rc o m p o s i n gi m p o r t a n td o c u m e n t sg u i d i n gt h e p r o d u c t i o np r o c e s sa n dm a k i n g t h e p r o d u c t i o np l a na n dd i s p o s i t i o n i nt h i sp a p e r ，t h et y p i c a ld e s i g nf r a m ef o rp r o c e s ss p e c i f i c a t i o nf o rc o m p o n e n t si s e s t a b l i s h e db a s e do nt h ep r o d u c tc h a r a c t e r i s t i c so fp r e s s i n gp a r t sa n dt h ef e a t u r e so f p r o d u c t i o no fr a i l w a yw a g o np r o d u c e db yq i q i h a rr a i l w a yr o l l i n gs t o c k ( g r o u p ) c o ，l t d ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sq r r s ) b ys t u d y i n gt h et h e o r y ，m e t h o da n ds u p p o r t i n gt e c h n o l o g y o fi n t e r n a t i o n a l l ya d v a n c e dc a p pa n dt h es p e c i f i c a t i o na n dp r o c e d u r eo ft h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s sd e s i g no fq r r s b a s e do nt h e s e ，t h ev i s u a lb a s i c 6 0i sa p p l i e dt or e a l i z et h e d e v e l o p m e n to fv a r i a n tc a p ps y s t e mf o rp r e s s i n gp a r t so fr a i l w a yw a g o n t h eo r d e rl a y e r i n gm e t h o di sa p p l i e df o rb l o c k i n gc o m p o s i n gi ns y s t e ms t r u c t u r ed e s i g n t h es y s t e ms h a l le x t r a c ti n f o r m a t i o nf r o mp r o d u c td r a w i n g ，m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sd o c u m e n t t h ei n f o r m a t i o ns h a l lb ei n p u u e db yh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n i nt h es t r u c t u r ed e s i g nf o r d a t ab a s e ，t h es p e c i a lc o n t r o li n f o r m a t i o ns h a l lb ea p p l i e dt or e a l i z et h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n f o rd a t aa n dm i n i m i z et h er e d u n d a n c y i nt h ed e s i g nf o rc o m p o s e dc a r d s ，t h es e c o n d d e v e l o p m e n tf o rl a b e l ss u c ha sd i m e n s i o nt o l e r a n c e ，g e o m e t r i ct o l e r a n c ea n dr o u g h n e s sa n d t h ep a r a m e t e r i z e dg a l l e r yi sc a r r i e db a s e do na u t o c a d b yt h u s ，t h et e c h n i c a la s s u r a n c e m e a s u r e m e n t sa r ep r o v i d e df o ri m p r o v i n gd r a w i n ge f f e c t i v e n e s s t h eg r o u pt e c h n o l o g y ( g t ) i sa p p l i e df o rs y s t e m t h ep a r t ss h a l lb ec o d e da c c o r d i n gt o p a r tc h a r a c t e r i s t i ca n dg r o u p e dt of a m i l y t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s ss p e c i f i c a t i o nf o rm a s t e r w o r kp i e c ef o rp a r t sf a m i l ys h a l lb ee s t a b l i s h e d t h i sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s ss h a l lb ea p p l i e d a st h es t a n d a r dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sf o rt h e s ep a r t sf a m i l y t h ec o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n dt h er e c o m m e n d e dm a c h i n i n ge q u i p m e n t ss h a l lb e f o u n db y s e a r c h i n gc h a r a c t e r i s t i cc o d eo fp a r t s t h e s es h a l lb es e l e c t e dt of o r mt h ef o r m a lm a c h i n i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：c a p pf o rp r e s s i n gp a r t s ；i n f o r m a t i o n b a s e dt e c h n o l o g yf o rm a n u f a c t u r e ； g r o u pt e c h n o l o g y 绪论 绪论 1 选题的背景 计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c p a a ) 在现代制造业中， 具有重要的理论意义和广泛迫切的实际需求。因为c a p p 系统的应用，不仅可以代替工 艺师的繁重劳动、提高工艺过程设计质量，还能缩短生产准备周期，提高生产率，减少 工艺过程设计及制造费用“1 。还为广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来提供了 一条切实可行的途径，工艺人员可以更多地投入工艺试验和工艺攻关，而且可以保证工 艺设计的一致性、规范化，有利于推进工艺的标准化。更重要的是工艺b o m 数据是指 导企业物资采购、生产计划调度、组织生产、资源平衡、成本核算等的重要依据，c a p p 系统的应用将为企业数据信息的集成打下坚实的基础埋1 。 齐厂是隶属于国资委管辖的中国北车集团的下属公司，是我国铁路货车、铁路起重 机研发设计、生产制造的主导厂，产品主要有棚车、敞车、平车、漏斗车及特殊用途 的长大货车等准轨车辆，年产量在8 0 0 0 辆左右。这些产品的结构相同，只是外观形状 因运输的货物不同而有所变化，车辆的制造以板材冲压件焊接为主，机械加工件的组装 为辅，产品的复杂程度较低而且成系列化，零部件的制造难度小且变化很小，针对每种 车型进行一次工艺设计就可以满足生产需要，因此齐厂的工艺设计始终按传统的方式进 行，由人工编制产品的工艺路线和指导生产的工艺文件。进入上世纪9 0 代后，由于计 算机的普及应用，齐厂的工艺设计工作也甩掉了图板，使用计算机软件进行图纸绘制， 这只是利用c a d 绘图软件或w o r d 软件在画工艺路线和工艺文件，没有进行c a p p 系 统的开发和研究。近几年来，齐厂为了适应瞬息万变的市场需求，巩固铁路货车研发和 制造的龙头地位，加大新产品的开发力度和速度，相继开发出了出口澳大利亚、巴西、 坦赞尼亚、缅甸等国家的宽轨、窄轨车辆及满足国内不同客户要求的各种特殊车辆。每 年试制的新产品都在十余种以上，甚至有时两种新产品同时进行试制，传统的工艺设计 方法已非常不适应新的生产形式，超常规组织工作，在极短的时间完成大量的工艺设计 工作。由于时间仓促导致工艺设计的质量不高，使得产品试制走了许多弯路，付出了昂 贵的代价。此外，工艺设计人员每天都在进行大量的繁琐的重复性劳动，无暇进行新工 艺、新技术应用的研究，使得齐厂的制造工艺跟不上先进工艺技术的发展，导致产品质 量始终处于不稳定状态，产品的制造成本始终居高不下，加之工艺设计人员的不断更新 替换，多年积累的工艺设计经验没有被继承传接，这使得已经落后的工艺设计工作更是 举步维艰。 大连交通大学t 稃硕十学位论文 就齐厂发展趋势来看，计算机辅助工艺过程设计系统开发的条件日趋成熟，工厂 花费了大量资金引进p r o e 、c a d 等先进的设计软件和c n c 数控机床、加工中心、焊接 机械手和数控等离子切割机等先进的生产设备，开发了车间计算机管理系统，使得工厂 的设计、生产和管理有了质的飞跃，整体的市场竞争能力有大踏步的提升，现已意识到 落后的工艺设计能力是制约工厂今后发展的瓶颈，无法将先进的设计方法和一流的制造 设备有效的联系起来，无法发挥其应有的效能。因此，工厂决定投入资金组织工艺人员 和计算机软件开发人员以冲压件为切入点进行适合齐厂实际情况的c a p p 系统的研究开 发，来适应新产品种类多、生产准备周期短形成的多品种、小批量、频繁转产的生产经 营形式。由上分析可见，为适应市场经济的新形势，适应于齐厂的计算机辅助工艺过程 设计系统开发显得非常迫切，重要价值不言而喻。 2 相关研究的现状及发展趋势 ( 1 ) 计算机辅助工艺设计系统研究现状 计算机用于产品设计计算、绘图从上世纪5 0 年代就开始了，至今已基本形成一个 比较完整的辅助设计系统。由于工艺设计的复杂性，直到1 9 6 7 年开始研究计算机辅助 工艺设计，经过3 0 多年的研究与应用，有了很大的发展，从最基本的样件法、派生法 发展到生成法和应用人工智能专家系统的原理开发c a p p 。但由于工艺设计的多样性、 不确定性，过去开发的都是在特定环境下的工艺系统，通用化、商品化程度很低，目前 提供的某些商品化软件也只是一种模式c a p p ，并没有具体的工艺内容，因此至今c a p p 没有形成像c a d 、m r p i i e r p 那样比较完善的支撑系统与原型系统乜】。 目前，c a p p 技术在国外工业发达国家已被广泛应用于机械、电子、航空、航天、 汽车、船舶、轻工、建筑及工程建设等各个领域，成为提高产品质量与设计水平，缩短 工艺设计周期与生产制造周期，大幅度提高生产效率的重要手段口1 。从8 0 年代初，我国 院校、研究设计单位和企业丌始进行c a p p 的应用研究并跟踪世界这一技术的发展，近 2 0 年在理论和实践上均取得了重大成就，首先在机床工具行业进行了成功的应用，随后 航空、兵器、煤炭、石油、轻工、纺织、铁道等十几个部门及大多数省市相继开展了试 点应用。但与国外发达国家相比仍存在较大的差距，主要表现在国内的一些研究均表现 为“孤岛式“的c a p p 1 。现在，全国许多高校、研究所、设计院和企业单位都研究开 发了计算机辅助工艺设计系统，比较有代表性的有以下几个： 大连交通大学开发的b r c a p p 系统n 1 。该系统是一个集交互性、派生型为一 体，对各个企业共性部分，采用统一的、详细的模板框架，并融入一定智能的实用化的 系统。系统在做好建立原型工艺等基础性工作的基础上，采用多种方法相结合，生成目 绪论 标工艺，以人为主，人机相结合，以提高系统的柔性化水平：采取工艺设计和管理并重 的办法，即生成工艺设计文件，也生成或派生多种工艺管理文件，以满足企业的需求。 中国机床行业的c m t b c a p p s 系统馏1 。由中国机床工具工业计算机应用专家委 员会及培训中心组织行业内有关企业研究开发的c m t b c a p p s 系统是根据原型生命周 期，充分利用相似性原理、标准化技术、模块化技术，建立了大量的标准工序、工艺及 设备、工装、余量、工艺路线规范、加工路线规范的知识库，解决了c a d c a p p 的集 成，通过p d m 使c a p p 与m r p 集成，自动为p d m p l m 提供必需的内容，也为d f a d f m 提供了依据。该系统从1 9 8 6 年起先后在全国机床、铸造、锻压、石油、电子、汽车、 摩托车、轻工、纺织、农机、动力、航天等行业中应用。 沈阳第一机床厂s 1 z p t c a p p 系统砼1 。该系统是吸收了国内开发c a p p 的经验 而成功开发的专用系统，是在计算机辅助零件编码( s 1 c a p c ) 和计算机辅助工艺路线 编制( s 1 c a p i 冲) 的基础上，以专家的理论和方法为指导，开发专家式的计算机辅助 工艺规程设计系统。其工作原理是用计算机模拟专家设计工艺规程的一般思维过程，然 后依据设计工艺规程决策推理，结合工厂的实际情况，最终设计完成的工艺规程，通过 运用情况看，零件可编码率为l o o ；可分类率为9 9 8 ，正确率为9 5 ；工艺路线编制 率为1 0 0 ，准确率为9 5 ；工艺规程可编制率为9 5 ，正确率为7 5 。效果非常好， 达到并超过了预期的经济和技术指标。 昆明机械厂的g s c a p p 系统1 。该系统为交互式c a p p 系统，集工艺设计、工 艺管理于一体，对整个工艺设计流程进行控制和管理，并提供了完备的安全机制。系统 针对不同产品、不同种类工艺的工艺设计特点，给出不同的工艺设计方法。如基于典型 工艺检索，可以对企业已有产品零部件的工艺进行归纳、整理，得到优化、标准的典型 工艺，在此基础上系统提供典型工艺管理功能，可以在使用系统过程中不断积累企业的 典型工艺。同时提供基于产品树检索、基于零部件名称检索等设计方法，使系统的适应 面较广、柔性较好。 山东双力集团股份有限公司x t c a p p 系统的实施与应用哺1 。该系统实现了以产 品工艺结构为核心的工艺文件编辑，建立了典型工艺管理体系，实现了工艺批量处理功 能，实现了工艺简图与a u t o c a d 完全兼容，提高了工艺数据汇总的速度、准确率，采 用“组织一角色一用户 方式管理用户及权限，实现了具有“拼图打印功能 的工艺图 册管理，创建并提供了各种基础数据库( 机床数据库、刀具数据库、量具数据库、工装 数据库、材料、焊接、涂装、冲压等数据库) 以及常用的加工步骤描述术语库，实现了 c a p p p d m e r p 数据集成。 ( 2 ) 计算机辅助工艺设计系统发展趋势 大连交通大学1 ：程硕十学位论文 纵观c a p p 发展的历程，可以看到c a p p 的研究和应用始终围绕着两方面的需要 而展开：一是不断完善自身在应用中出现的不足；二是不断满足新的技术、制造模式对 其提出的新的要求h 1 。因此，未来c a p p 的发展，将在应用范围、应用的深度和水平等 方面进行拓展，表现为以下的发展趋势： 面向产品全生命周期的c a p p 系统，c a p p 的数据是产品数据的重要组成部分， c a p p 与p d m p l m 的集成是关键，基于p d m p l m 支持产品全生命周期的c a p p 系统 将是重要的发展方向。 基于知识的c a p p 系统，c a p p 目前已经很好的解决了工艺设计效率和标准化 的问题，下一步如何有效地总结、沉淀企业的工艺设计知识，提高c a p p 的知识水平， 将会是c a p p 应用和发展的重要方向。 基于三维c a d 的c a p p 系统，随着企业三维c a d 的普及应用，工艺如何支持 基于三维c a d 的应用，特别是基于三维c a d 的装配工艺设计成为企业需求的热点。科 技部在“十五 8 6 3 现代集成制造系统技术主题，将“基于三维c a d 的c a p p ”专门立 项研究和推广h 1 。可以预见，基于三维c a d 的c a p p 系统将成为研究的热点。国内开 目、金叶等几家软件公司正在进行研究，并且开目公司目前已经推出了原型的应用系统。 基于平台技术、可重构式的c a p p 系统，开放性是衡量c a p p 的一个重要的因 素。工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，c a p p 必须能够持续满足客 户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的c a p p 系统将 是重要的发展方向。 c a p p 系统与生产作业计划调度和控制系统集成，特别是在并行设计环境下，根 据企业资源的动态变化，寻求满足当前资源及t ( 时间) 、q ( 质量) 、c ( 成本) 、s ( 服务) 、e ( 环境) 的约束条件下的最优工艺规划的决策方法及评价标准。 3 课题的研究意义 在我国，许多企业为了提高自身的的设计研发和生产制造能力，在同行业中占据主 导、在激烈的市场竞争中占领制高点，花费了大量的资金引进了p r o e 、c a d 等先进的 设计软件和c n c 数控机床、加工中心等先进的生产设备。然而多数的企业没有开发应 用c a p p 系统，仍然采用传统的工艺设计方法，由人工手写或利用c a d 绘图软件来完 成产品的工艺设计，导致设计、工艺和制造三者的关系如“哑铃”，设计和制造两个“球” 由中间狭细的“柄工艺连接着，落后的工艺是制约先进技术和设备发挥效能的瓶颈。 将先进的计算机技术引入工艺的编制过程，改变原有的工艺编制手段，改善企业的 工艺管理观念，实现了计算机网络上的信息资源共享。通过制作工艺资源管理器，促进 了工艺的电子化和管理标准化，使工艺文件存储和查询方便快捷，降低了人员和时间造 4 绪论 成的工艺文件表述多样化，提高了工艺汇总的效率1 。工艺文件各个时期的版本得以保 存，使人员的衔接变为技术的衔接，并为培养和培训工艺员提供了方便。 繁琐而重复的密集型劳动会束缚工艺人员的设计思想，妨碍他们更好地开展创造性 工作，难以进行工艺过程的优化。c a p p 系统可以使工艺人员从繁琐重复的事务性工作 中解脱出来，高质量地编制出完整而详尽的工艺文件，缩短生产准备周期，提高产品制 造质量，进而缩短整个产品的开发周期，充分发挥先进的技术和设备的效能。 从发展看，c a p p 可以从根本上改变工艺过程设计的“个体一劳动与“手工 劳动 性质，提高工艺设计质量，并为制定先进合理的工时定额，改善企业管理提供科学依据， 同时还可以逐步实现工艺过程设计的自动化及工艺过程的规范化、标准化与优化。 更为重要的是工艺人员的知识与经验的积累太慢，长期的工艺工作实践中所积累的 大量知识和经验，难以有效保存下来，新的工艺人员需要从头积累工艺设计知识与经验， 这无疑是企业财富的巨大损失。通过c a p p 的深入应用，将不断把工艺人员的丰富经验 保存下来，并从根本上解放工艺人员，使工艺人员有精力进行产品工艺的改进和优化。 基于以上原因，对一个有一定规模的企业来讲，若能够开发出适用于本企业的产品 满足系统多种功能的需求，具有良好的维护性，便于修改、扩充，还具有良好的人机界 面接口，便于用户操作使用的c a p p 系统，其经济价值和技术价值会非常大。一是使齐 厂的产品工艺过程设计水平上升到一个新台阶，提高工艺过程设计的质量和效率，满足 市场的不断变化的需要；二是中国北车集团的同类型企业也可采用该系统或借鉴该系统 开发出适用于自己企业的c a p p 系统，提高整个集团公司的工艺设计水平。 4 本文的研究内容 本系统的研究、开发和实现充分考虑了齐厂的实际情况，从分析其产品结构特点和 材料的材质、形状的相似性入手，利用成组技术，编制冲压零件的编码系统，实现冲压 工艺过程的计算机辅助编制、维护、综合查询和工艺过程卡打印的全面管理；本系统 不但提高工艺过程卡流转的效率，而且提高工艺过程数据的唯一性、准确性，还为材料 定额、制造过程提供有力依据。 系统开发研究的主要内容： ( 1 ) 零件的分类编码系统制定的研究 ( 2 ) 工艺设计系统功能需求分析 ( 3 ) 系统的工作原理的分析 ( 4 ) 数据与图形的连接技术实现的研究 ( 5 ) 软件设计方法的研究 ( 6 ) 系统数据库设计和结构实现的研究 大连交通大学t 稃硕十学位论文 第一章计算机辅助工艺设计基本理论 1 1 计算机辅助工艺设计的概述 1 1 1 计算机辅助工艺设计的基本概念 计算机辅助工艺设计是通过向计算机输入被加工零件的几何信息和加工工艺信息 等，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。 计算机辅助工艺设计属于工程分析与设计的范畴，是重要的生产准备工作之一。上 与计算机辅助设计( c a d ) 相接，下与计算机辅助制造( c a m ) 相连，它是设计与制 造之间的桥梁，设计信息只有通过工艺过程设计才能生成制造信息，设计只能通过工艺 设计才能与制造实现信息和功能的集成。 从狭义的观点看，c a p p 是完成工艺过程设计，输入工艺规程。但在集成化、智能 化、网络化、可视化c a d c a m 系统或先进的制造模式中，特别是在并行工程工作中， 产生了c a p p 的广义概念旧1 ：即c a p p 的一端向生产规划最佳化及作业计划调度最佳化 发展，作为m r p i i 的一个重要组成部分；向另一头扩展是能够与物流系统相联系，生成 n c 加工指令，以控制物流或加工过程。 1 1 2 计算机辅助工艺设计的阶段 计算机辅助工艺设计有7 个阶段，每个阶段的具体内容分述如下： ( 1 ) 零件信息输入 了解产品的装配图和零件图、各部件装配关系与要求，以及零件在整个产品中的作 用，分析零部件的技术要求与结构工艺性，在此基础上应用所开发的零件信息描述系统， 输入零件的几何信息和工艺信息等。 零件信息描述方法很多，从描述零件的组成结构看，有分类法、型面法、型体法等； 从所用的描述工具来看，有编码描述、语言描述、数学描述等。同一种零件结构可用不 同的描述工具来描述，在一个零件信息描述系统中，可同时存在多种描述方法。 ( 2 ) 毛坯信息生成 毛坯信息包括毛坯的选择和设计。根据零件结构性状及技术要求，选择毛坯类型； 在考虑毛坯尺寸尽量与成品零件相近等原则下，根据毛坯的制造方法、加工余量设计并 绘制毛坯图。 ( 3 ) 工艺路线和工序内容拟定 该阶段主要是选择定位夹紧方案、加工方法，以及安排加工顺序。 6 第一章计算机辅助t 艺设计基本理论 根据零件的结构性状特点选择零件加工时的粗、精基准，并根据夹紧力的方向、作 用点及大小选择原则，确定夹紧方案；根据零件结构性状与技术要求，以及企业生产的 实际情况等，选择合理的加工方法；合理划分加工阶段，在充分考虑先粗后精、先基准 后其他、先主后次及工序的集中与分散等原则，确定零件的加工顺序，拟订工序、安装、 工位、工步和走刀等。 ( 4 ) 加工设备和工艺装备的确定 根据零件的结构大小、技术要求和生产类型选择通用加工设备和工艺装备，对于通 用加工设备和工艺装备不能满足加工要求的，进行专用设备和专用工装设计。 ( 5 ) 工艺参数计算 该阶段需要确定切削用量，计算加工余量、工序尺寸及其公差、材料消耗工艺定额 和工时定额。 ( 6 ) 工艺方案确定 在工艺设计过程中，通常情况下提出若干个方案，通过对每个工艺方案进行结构工 艺性分析、加工可行性和技术经济分析，以确定最优工艺过程。 ( 7 ) 工艺文件输出 工艺文件可用多种表格形式输出，在工序卡片上绘制的工序简图的图形可根据零件 信息描述系统的输入信息绘制，也可从计算机辅助设计中的信息获得，建立好工序图库 是c a p p 的一项重要工作。 1 1 3 计算机辅助工艺设计的结构组成 c a p p 系统的构成，视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。c a p p 系统基本的构成模块包括心1 ： ( 1 ) 控制模块 控制模块的主要任务是协调各模块的运行，使人机交互的窗口，实现人机之间的信 息交流，控制零件信息的获取方式。 ( 2 ) 零件信息输入模块 当零件信息不能从c a d 系统直接获取时，用此模块实现零件信息的输入。 ( 3 ) 工艺过程设计模块 工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理 部门使用。 ( 4 ) 工序决策模块 工序决策模块的主要任务是生成工序卡，对工序问尺寸进行计算，生成工序图。 7 大连交通大学工程硕十学位论文 ( 5 ) 工步决策模块 工步决策模块对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成n c 加工控制指令所 需的刀位文件。 ( 6 ) n c 加工指令生成模块 n c 加工指令生成模块依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用n c 指令代码系统， 产生n c 加工控制指令。 ( 7 ) 输出模块 输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其它文档，输出亦可从现 有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改的到所需的 工艺文件。 ( 8 ) 加工过程动态仿真 加工过程动态仿真对所产生的) b n - r 过程进行模拟，检查工艺的正确性。 1 1 4 计算机辅助工艺设计的基础技术 支持计算机辅助工艺设计的基础技术有n 叭： ( 1 ) 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y g t ) ： ( 2 ) 零件信息的描述与获取； ( 3 ) 工艺设计决策机制； ( 4 ) 工艺知识的获取及表示； ( 5 ) 工序图及其他文档的自动生成； ( 6 ) n c 加工指令的自动生成及加工过程动态仿真： ( 7 ) 工艺数据库的建立。 1 1 5 计算机辅助工艺设计的类型 计算机辅助工艺设计系统按其工作原理可分为伽： ( 1 ) 交互型c a p p 系统 按照不同类型零件的加工工艺需求，编制一个人机交互软件系统，工艺过程设计的 过程中，工艺设计人员根据屏幕上的提示，进行人机交互操作，因而其设计质量对人的 依赖性很大，且因人而异。 ( 2 ) 变异型c a p p 系统 利用成组技术原理将零件按几何形状及工艺相似性分类、归族，对每一族的主样件 建立加工文件，作为典型工艺规程存入典型工艺规程库，当设计一个新零件的工艺规程 时，根据编码确定其所属零件族，由计算机检索相应零件族的典型工艺规程，在根据当 8 第一章计算机辅助工艺设计基本理论 前零件的具体要求，对典型工艺进行修改从而得到所需要的工艺规程。又称为派生型、 修订型c a p p 系统。 ( 3 ) 创成型c a p p 系统 系统根据零件信息，自动提取制造知识，产生零件所需要的各个工序和工步的加工 内容，自动完成机床、工具的选择和加工过程的最优化，工艺规程是根据工艺数据库的 信息在没有人工干预的条件下从无到有创造出来的。 ( 4 ) 综合型c a p p 系统 在零件设计时，采取变异与自动决策相结合的工作方式，即先通过计算机检索它所 属零件族的典型工艺，然后根据零件的具体情况，对典型工艺进行修改。又称半创成型 c a p p 系统。 ( 5 ) 智能型c a p p 系统 将人工智能技术应用在c a p p 系统中而形成c a p p 专家系统，该系统是以推理加知 识为特征。作为工艺设计专家系统的特征是知识库及推理机，其知识库由零件设计信息 和表示工艺决策的规则集所组成。而推理机是根据当前的事实，通过激活知识库的规则 集，而得到工艺设计结果，专家系统中所具备的特征在智能c a p p 系统中都得到体现。 1 2 计算机辅助工艺设计的使能技术 1 2 1 零件信息描述与输入 各类c a p p 系统其工作过程可用如图1 1 所示的框图抽象地表示，在计算机硬件、 软件系统支持下和在资源及标准约束控制下，将输入信息通过不同机制转变成所需的文 档。简明、准确描述零件信息是实现c a p p 系统的前提条件和c a p p 系统进行工艺决策 分析的可靠保证，也是c a p p 系统运行的基础和依据，同时对于c a p p 系统的输出质量 和运行效率也具有决定性的影响归1 。 资源标准规范 计算机软硬件支撑 图1 1c a p p 系统一i j 作过程 f i g 1 1t h ew o r kp r o c e s s i n go fc a p ps y s t e m 9 大连交通大学t 程硕十学位论文 上图中的零件信息包括几何信息和工艺信息，几何信息就是零件的图形信息，其包 括零件的几何形状、尺寸等；工艺信息包含零件各表面的精度、粗糙度、热处理要求、 材料和毛坯类型等多种信息。 ( 1 ) 零件描述的基本方法 在开发c a p p 系统时，针对不同的零件和应用环境，采取各不相同的零件信息描述 与输入方法。 零件分类编码描述法 一般采用零件分类编码系统，输入零件的编码以及一些补充信息，用零件编码来粗 略描述零件的形状、尺寸、精度等信息，适用于变异型c a p p 系统。 形面要素描述法 把一个零件看作是由若干个基本的几何要素所组成的，几何要素分为主要形面、次 要形面和辅助形面要素，把上述各种形面要素任意组合，对零件的各个形面要素进行编 号，以便能正确地输入零件各形面要素的尺寸、位置、精度、粗糙度等信息，适合描述 和输入回转体零件的要素，对于非回转体零件的形面要素描述有一定难度3 。 图论描述法 利用图论的基本原理来描述零件的结构形状，即用节点表示零件的形状要素，并赋 以固定代码；用边表示两个相邻表面的连接情况，边上赋值表示两个相邻表面的夹角， 若两表面完全无关时则无边，适用于结构形状较简单、较规则的回转类零件。 面向零件特征要素法 用来描述比较复杂的非旋转体零件，对于这类零件，只要描述零件由哪些特征组成， 以及这些特征的组织关系，就可作出相应的工艺决策。 拓扑描述法 一个零件可以用如点、线、面、体等一组单元来表示，能详尽地描述零件的结构形 状，对于c a p p 系统来说，用于工艺决策的信息不需要如此详细，这种方法描述时很不 方便，并缺少c a p p 所需的工艺信息，主要适用于c a d 系统。 知识表示描述法 采用如框架表示法、产生式规则表示法、谓词逻辑表示法等知识表示法来描述零件 信息，这为整个系统的智能化提供了良好的前提和基础。 直接与c a d 系统相连 基于加工特征的建模系统不但提供了几何拓扑信息，还提供了工艺信息作为工艺决 策的依据，实现了c a d c a p p 二者之间的信息共享。 l o 第一章计算机辅助j r 艺设计基本理论 综上所述，在众多的零件信息描述与输入方法中，适合于轴类零件的较多，适用于 箱体类零件的较少。 ( 2 ) 零件图形输入方法 回转体零件通常是指轴类、盘类、套类、环类、垫类等旋转类零件，它们的共 同特点是形状比较简单，整个零件可以看成若干个形体要素的组合，其零件图形的输入 方法有基于形面要素法、基于信息树的零件描述与输入法。 非回转体零件主要是指箱体类及板、杆类零件，这些零件结构复杂，形面参数 繁多。目前，箱体类零件信息描述应用较多的是多层次多方位特征描述法。其主要的思 想是：箱体类零件有若干方位面组成，零件的各形面都分布在各方位面上，以零件各个 方位面作为基本描述单元，采用面向零件特征的方法完成对零件形面的描述n 训。 1 2 2 成组技术 成组技术是- - i - j 生产技术科学。利用事物的相似性，把相似问题归类成组，寻求解 决这一类问题相对统一的最优方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益n 射。 零件分类编码系统是由代表零件的设计和制造的特征符号所组成的，在成组技术的 实际应用中，有三种基本编码结构： ( 1 ) 层次结构 在层次结构中，每一个后级符号的意义取决于前级符号的值，这种结构亦称为单码 结构或树状结构。由层次代码组成的层次结构具有相对密实性，能以有限个位数传递大 量有关零件信息。 ( 2 ) 链式结构 在链式结构中，那些有序号的意义是固定的，与前级符号无关，这种结构亦称为多 码结构。它可以方便地处理具有特殊属性的零件，有助于识别具有工艺相似要求的零件。 ( 3 ) 混合结构 工业上大多数商业零件编码系统都是由上述两种编码系统组合而形成的混合结构。 混合结构具有单码结构和多码结构共同的优点n 引。由德国a a c h e n 工业大学提出的o p i t z 编码系统、日本通产省机械技术研究所提出的k k 一3 编码系统以及我国原机械工业部 为在机械加工中推行成组技术而开发的j l b m 1 编码系统都是混合结构的编码系统。 o p i t z 编码系统 o p i t z 系统是一个十进制9 位代码的混合结构分类编码系统0 1 ，其结构如图1 2 所 示，前5 位数称为形状代码，用于描述零件的基本设计特征；后4 位数构成增补代码， 用来描述对制造有用的特征，如尺寸、原材料、毛坯形状和精度等。 大连交通大学t 程硕十学位论文 该系统的结构较简单，便于记忆和手工分类；分类标志虽然形式上偏重零件结构 特征，但实际上隐含着工艺信息。不过只用一位码来表示精度是不够充分的，分类标志 尚欠严密和准确，从整体结构上看，虽属简单，但从局部结构看，则仍旧十分复杂。 口 h h h 夏卜乜 匝h 亘h 因 叫 零件类别码卜一- 卜一形状及加工码一卜一辅助码一 o百l 0 5 ooo 7 辅0 1 回0 5 育l 3 及要素及要素 加工 加 7 寸 工 2 u90 9- 体 o ooo 3类 - ；- 2 带变异 及要素 加工 4 件 口 5特殊件 _ _ oo 7 辅 i 助 8 6 非 板状零件 。总体形状 主要孔 加工 9 工 i 9 回 平面 7 转 杆状零件 。总体形状 8 体 块状零件总体形状 零 999 口 9 件 特殊件 一 9 图1 2o p 娩的基本结构 f i g 1 2t h eb a s i ss t r u c t u r eo fo p i t z ( 1 ) k k 3 编码系统 k k 3 系统是一个供大型企业使用的十进制2 1 位代码地混合结构系统n0 | ，其基本结 构如图1 3 所示。 码位ii ii i l l 、， vx ) ( i 1 1 ) d vx v煳 煳 凇 ) o () 。a 名称材料主要尺寸各部形状与加工 分 弯曲形状 外表面 主孔辅助孔 粗细 粗 细 l d 外弯弯外外主 周 方螺主方形特非精 类 廓 期 纹 孔 _ 、 形 曲曲成 面 向 与以 切 长直 状 与 成外 殊 项 分分分分 与 方角 平曲 形 辅 与 形 的 削 尺 助 面内 j r 向度表 成 阶 表 向 状 孔 加 度 目 度径 比 形 面 类类类类、 面 面 面面梯 工 图1 3k k 3 分类编码系统基本结构 f i g 1 3t h eb a s i ss t r u c t u r eo f k k 一3c l a s s i f yc o d i n gs y s t e m 由上图可见，k k 3 系统在位码先后顺序安排上，基本上考虑到各部分形状加工顺 序关系，是一个结构、工艺并重的分类编码系统；其前7 位代码作为设计专用代码，便 1 2 第一章计算机辅助工艺设计基本理论 于设计部门使用；在分类标志配置和排列上，便于记忆和应用；采用了按零件功能和名 称作为分类标志，这特别便于设计部门检索用。但系统的环节过多，在某些环节上，零 件出现率极低，这意味着有些环节设置不当。 ( 2 ) j l b m 1 编码系统 j l b m 1 系统的结构是o p i t z 系统和k k 3 系统的结合，它是一个十进制1 5 位代码 的混合结构分类编码系统n 叫，如图1 4 所示。 匝m 亘卜匝h 夏卜 丑也p 哑h 亘卜 困珈囤囤圆团圆 - 一零件类别码卜叫i _ 一 形状及加工码一卜一辅助码，一 眄_ 卜啊卜1 1 啼 l 本l 能ii 本i 能il 姜i 平li 磊形i l 形i 要广 形f 要广 ：i 面广i 荆刻i i 状i 素ff 状f 素fl 蔷fli 线i 厂百丽磊磊订厂叠腰 网 材 料 毛 坯 原 始 形 状 热 处 理 直 径 或 宽 度 长 度 精 度 图1 4j l b m - 1 系统的基本结构 f i g 1 4t h eb a s i ss t r u c t u r eo fj l m b - 1s y s t e m 将图1 4 与图1 2 作一对比，可看出j l b m 1 系统的结构基本上和o p i t z 系统相似。 为弥补o p i t z 系统的不足，把o p i t z 系统的开头加工码予以扩充，把o p i t z 系统的零件分 类码改为零件功能名称码，把热处理标志从o p i t z 系统中的材料、热处理码中独立出来， 主要尺寸码也由一个环节扩大为两个环节。另外，还增加了形状加工的环节，因而比 o p i t z 系统可以容纳较多的分类标志，它在系统的总体组成上要比o p i t z 系统简单，也易 于使用。 1 2 3 工艺决策技术 c a p p 的工艺决策方法分为三类：逻辑决策、计算决策和创造性决策旧1 。 ( 1 ) 判定表与判定树 判定树由结点和分枝组成，结点中没有前趋结点的称之为根结点，没有后继结点的 称之为终结点，其它结点都有一个前趋结点和一个以上的后继结点。拟采取的动作，即 决策的结果放在终结点上，其它结点表示次测试，分枝连接两个结点，表达一个条件 是否满足。若满足，测试就沿分支向前传送，以实现逻辑“与”的关系；若不满足，则 0一一23456789 成形 辅助孔 h 内部加工主孔加工 几 外形要素 曲面加工平面加工 基本形状 o ， p 零 件 名 称 类 别 细 分 零 件 名 称 类 别 粗 分 回转体类零件一非回转体零件 大连交通大学t 程硕十学位论文 转向出发结点的另一分支，以实现逻辑“或 的关系。从根结点到终结点的任一条路径 都表达了一条决策规则n 训。 判定表是由四部分组成如表1 1 所示，双横线的上部两个区域是条件，其中左上区 是条件说明，右上区是满足这些条件的各种可能的组合，表中用t 表示满足所在行的条 件。双横线的下部是结果，其中左下区是各种可能的行动，右下区是条件组合下采取的