第六章 CAPP讲稿.ppt

CAPP的原理及应用 CAPP ComputerAidedProcessPlanning 计算机辅助工艺设计 系统的功能是指利用计算机软硬件作为辅助工具 依据产品设计所给出的信息 对产品的加工 装配等制造过程进行设计 一般认为 CAPP包括毛坯设计 加工方法选择 工序设计 工艺路线制定和工时定额的计算等 其中 工序设计又可包含工装夹具的选择或设计 加工余量分配 切削用量选择以及机床 刀具的选择 必要的工序图生成等 一 概述工艺设计是制造企业技术部门的主要工作之一 其设计效率和质量对生产的组织 产品质量 生产率 产品成本 生产周期等有着极大的影响 长期以来 工艺人员根据个人的经验以手工方式进行工艺设计 这种传统的设计方法存在以下的缺陷 设计效率低 工艺设计人员不仅要考虑工艺方案的设计 还必须进行大量的计算 查阅手册 填写表格 工艺数据的统计等繁琐重复性的工作 设计质量不稳定 标准化程度差 工艺设计是经验性很强的工作 设计质量 所用术语 工艺习惯因人而异 难以统一标准与优化 且随着工艺设计人员的变动使工艺设计经验难以继承 不能实现信息集成 目前越来越多的企业已采用CAD CAM ERP等先进的设计 制造与管理技术 随着制造业信息化的发展 企业进一步要求实现基于网络和数据库的CAD CAM以及技术信息系统和管理信息系统的集成 而手工工艺设计已不能满足系统信息集成的要求 1 CAPP的基本结构尽管CAPP系统的种类很多 但其基本结构都离不开系统控制与人机界面 零件信息描述与输入 工艺决策 工艺数据 知识库 工艺文件管理与输出等五大部分 1 系统控制与人机界面的主要任务就是控制与协调系统各模块的运行 是用户的工作平台 它通过包括系统菜单 工艺设计的界面 工艺数据 知识的输入和管理界面 以及工艺文件的显示 编辑与管理等人机界面实现人机之间的信息交流 2 零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据 计算机目前还不能像人一样识别零件图上的所有信息 所以必须采用一定的方式和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 3 工艺决策的作用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 或者调用已有的零件组标准工艺规程 编辑成零件的工艺规程 如何将人工智能的理论与方法应用于工艺决策是CAPP目前研究的热门课题 4 工艺数据 知识库是系统的支撑工具 包含了工艺设计所要求的所有工艺数据 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 如何组织和管理这些信息 便于使用 扩充和维护 使之适用于各种不同的企业和产品 是CAPP系统需要妥善解决的问题 5 随着系统运行时间的增长 系统生成的工艺文件会越来越多 如何管理和维护这些文件将是CAPP系统的重要工作内容 同时 随着CIMS的实施与应用 迫切要求CAD CAPP CAM集成系统与生产管理系统进行信息集成 工艺文件管理与输出模块则担负着与其他系统进行信息集成的重任 2 CAPP的基本类型CAPP系统就其工作原理主要可以分为派生式 创成式 综合式和交互式四大类 1 派生式 Variant CAPP系统是利用成组技术原理将零件按几何形状和工艺相似性分类 归组 每一零件组有一个典型样件 并为典型样件设计出相应的标准样件工艺 存入工艺文件库中 当需设计一个零件的工艺时 输入零件的成组编码 计算机按此编码检索出相应的零件组的标准样件工艺 并可根据零件的具体结构及工艺要求由计算机自动编辑修改或人工编辑修改 从而得到所需的工艺规程 派生式CAPP系统的基础是成组技术 它依赖于事先归纳整理出来的典型工艺 2 创成式 Generative CAPP系统由系统中的工艺决策逻辑与算法根据输入的详细零件特征信息对零件的加工工艺进行一系列的决策 从无到有自动地生成零件的工艺规程 创成式CAPP系统人工干预少 自动化程度高 易于保证工艺的一致性和实现优化 但由于零件结构的多样性 复杂性以及工艺决策逻辑随环境变化等因素的影响 应用面较宽的全面创成系统还不多见 但创成式CAPP系统代表着CAPP的发展方向 目前人们较多的是将人工智能技术如专家系统 人工神经网络 遗传基因算法等引入到CAPP系统的开发中 这为创成式CAPP系统的研究与开发增添了新的活力 3 综合式 Hybrid CAPP系统 亦称半创成式系统 它是将派生式与创成式相结合 利用各自的优点而开发的CAPP系统 这种模式目前应用较多 如基于实例与知识的混合式CAPP系统 将成组技术与专家系统相结合的混合式CAPP系统等 4 交互式 Interactive CAPP系统就是基于这样的背景而提出的 它以人机交互的形式完成工艺规程的设计 强调CAPP中的A是Aid 辅助 而不是Automatic 自动化 在以交互式为基础的系统模式下 工艺人员是工艺决策的主体 CAPP系统的主要功能是帮助用户 甩笔 告别手册 交互式CAPP是一种框架系统 它含有适用于不同环境 不同需求的基本功能 而对用户的特定工艺数据 工艺知识和文件格式将在系统提供的各种帮助下逐步定义和添加 还可以根据用户的特殊需求进行特定功能的定制和二次开发 系统将根据使用中积累的数据和知识 渐进式地逐步形成一种人机混合的决策功能 此外 在交互式CAPP系统中 产品工艺文件的管理是其重要组成部分 也是保证产品工艺数据的完整性 一致性 实现企业产品工艺信息的集成与共享的基础 在此基础上 系统完全可以自动完成工装设备 工具 材料 工艺关键件 外协外制件 工艺分配工时定额 辅助用料 关键工序等各类统计汇总以及大量的各种工艺文件的归档和日常管理工作 可以极大地提高工艺文件的编制及管理效率 3 成组技术成组技术 GroupTechnology 简称GT 是一门生产技术科学 是CAPP的重要技术基础 它利用事物相似性 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 在生产系统中 成组技术可以应用于不同领域 对零件设计来说 由于许多零件具有类似的形状 可将它们归并为设计族 一个新的零件可以通过修改一个现有同族典型零件而形成 对工艺设计来说 形状相似的零件有相似的加工过程 即同族零件要求类似的工艺过程 从而使工艺设计得到简化 对生产组织来说 可以组建一个加工单元来制造同族零件 对每一个加工单元只考虑类似零件 从而提高了加工系统的柔性 也使得生产计划及其控制变得相对容易 所以GT的核心问题就是充分揭示和利用生产系统中出现的各种相似信息 使企业以最有效的工作方式得到统一的数据和信息 为企业建立集成信息系统打下基础 以获得最大的经济效益 1 零件分类编码系统要揭示与利用零件的相似性 零件的分类编码则必不可少 零件编码系统是由代表零件的设计和 或 制造特征符号所组成 这些符号代码可以是数字 也可以是字母 或者两者的组合 在一般情况下 大多数分类编码系统只使用数字 在成组技术实际应用中 有三种基本编码结构 在树式结构中 码位之间是隶属关系 即除第一码位内的特征码外 其他各码位的确切含义都要根据前一码位来确定 如图6 1a 由树式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 在链式结构中 那些有序符号的意义是固定的 每个码位内的各特征码具有独立的含义 与前后位无关 如图6 1b 链式结构所包含的特征信息量比树式结构少 但结构简单 编码和识别也比较方便 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成 形成混合结构 混合结构具有树式结构和链式结构共同的优点 如图6 1c 它能最好地满足设计和制造的需要 图6 1分类编码的结构 1 2 2 1 3 3 2 1 3 1 2 2 1 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 第一码位第二码位第三码位 第一码位第二码位第三码位 第一码位第二码位第三码位 a 树式结构 b 链式结构 c 混合结构 2 JLBM l系统JLBM 1系统如图6 2所示 它是一个十进制15位代码的混合结构分类编码系统 每一码位用0到9十个数码表示不同的特征项号 15个码位中 第一 二位码为名称类别特征矩阵 第三至九码位为形状与加工码位 第十至十五码位为辅助码位 图6 3a 图6 3b分别表示回转类零件和非回转类零件的编码示例 I JLBM 1分类编码系统 零件名称类别码 形状及加工码 辅助码 III II V IV VI X XV 回转体类零件 非回转体类零件 零件名称类别粗分 零件名称类别细分 材料 毛坯原始形状 热处理 精度 长度 直径或宽度 回转体类零件形状及加工码 外部形状及加工 基本形状 012 9 功能要素 非回转体类零件形状及加工码 外部形状及加工 基本形状 012 9 平面加工 曲面加工 外形要素 内部形状及加工 基本形状 功能要素 平面 曲面加工 端面外平面 内平面 成形刻线辅助孔 辅助加工 成形辅助孔 辅助加工 主孔及内部加工 主加工孔 内部加工 主要尺寸 a 回转体类零件 图6 3JLBM 1分类编码系统的分类编码示例 b 非回转体类零件 3 柔性编码系统Opitz KK 3 JLBM 1等属刚性分类编码系统 存在下列特点 系统结构较简单 便于记忆和分类 便于检索和辨识 由于码位长度有限 不能完整 详尽地描述零件结构特征和工艺特征 同一码位当中存在高数值代码掩盖低数值代码的问题 不能满足生产系统中不同层次 不同方面的需要 特别是不能满足系统集成的需要 刚性分类编码系统存在的缺点 用传统分类编码的概念和理论是无法解决的 所以 人们提出了柔性编码系统的概念和理论 柔性分类编码是指分类编码系统横向码位长度可以根据描述对象的复杂程度变化 即没有固定的码位设置和码位含义 柔性编码系统既要克服刚性编码系统的缺点 又要继承刚性编码的优点 所以 零件的柔性编码结构模型为 柔性编码 固定码位 柔性码位固定码位用于描述零件的综合信息 如类别 总体尺寸 材料 毛坯等 与传统编码系统相似 柔性码位主要描述零件各部分详细信息 如形面的尺寸 精度 形位公差等 固定码要充分体现传统GT编码简单明了 便于检索和识别的优点 因此宜选用或参考码位不太长的传统分类编码系统 柔性码要能充分的描述零件详细信息 又不引起信息冗余 柔性编码的实现一般是以计算机辅助 自动 编码技术为手段进行的 4 零件分组方法成组技术的核心是利用事物的相似性 将相似的问题归类成组 以便提出统一的最佳解决方案 零件分组正是寻求零件的相似性 将相似的零件归并为零件族 这是实施成组技术的基础 这里所说的零件相似性 一般包含了两个方面的内容 即零件形状的相似性与零件的加工方法 工艺 的相似性 常用的零件的分组方法有视检法 生产流程分组法 特征编码分组法等 当被加工的零件数量不太多时 可以用视检法 生产流程分组法是以工厂现行的工艺过程等有关技术资料为依据的 其目的是寻求工厂本已客观存在的零件加工族及其相应的加工设备组 这个方法比较全面地应用了现有生产条件的相似性 广泛地应用于零件分类 特征编码分组法是通过零件编码来分组的 该方法也叫特征数据法或特征矩阵法 A 特征矩阵法是从零件编码中选择几位特征性强并对划分零件组影响较大的码位作为零件分组的主要依据 而忽略那些影响不大的码位 当采用的零件编码较长时一般采用此法 这种方法是根据零件特征信息的统计分析结果 并考虑到车间的加工水平 工装设备条件 设备负荷 管理水平等条件 对每一位代码划定一个范围作为分组的依据 每个特征矩阵对应一个码域 即一个零件组 分组步骤如下 零件编码 首先用零件编码系统对要分组的零件进行编码 这是零件分组的基础 零件代码排序 为了便于零件分组 也为了便于管理和检索 需要对零件代码按从小到大的顺序排序 排序完成后可得到零件代码顺序表或代码清单 代码清单上的每一个零件代码都与其零件图号相对应 零件结构特征统计分析 零件结构特征统计分析的目的是了解产品零件的各种结构和形状信息的分布情况 为制定零件分组方案和建立特征矩阵提供定量依据 统计分析的关键是要对零件编码进行分解 以了解零件代码每一位的数值 并把出现的次数累计入相应的数组中 同时求出每位数值所占的百分比 分组 在对零件的结构特征信息分布情况进行统计分析的基础上 制定出分组标准 按此标准确定若干特征矩阵 并用特征矩阵对零件进行分组 采用特征矩阵法对零件分组是依据每一个零件的代码均可用矩阵来表示的原理 如代码为021051101260513 JLBM 1码 的零件可用矩阵来表示 而一个矩阵也可以表示一个零件组 该矩阵是含有一定范围的零件特征的矩阵 即特征矩阵 根据分组标准 可以确定若干个特征矩阵 作为划分零件组的依据 分组时 将零件代码矩阵与特征矩阵相比较 如果零件代码各个位的数值相对应的位置上都是1 则认为该零件与此矩阵相匹配 该零件就分入这个组 如果与零件代码相对应的矩阵位置上有一位不是1 而是0 则认为该零件与此矩阵不匹配 该零件就不能分入这个组 分组的方法是先用一个特征矩阵与所有零件相比较 把与此矩阵相匹配的零件划分为一个组 同时打印出此特征矩阵和属于该组的零件图号和代码 再用第二个矩阵与剩下的零件相比较 划分出第二个零件组 重复这个过程 直到所有特征矩阵对零件筛选完毕 最后把所有与特征矩阵不匹配的零件单独编成一组 打印出它们的图号和零件编码 图6 5一个零件的特征矩阵 图6 6一组零件的特征矩阵 B 生产流程分析法生产流程分析是研究工厂生产活动中物料流程客观规律的一种统计分析方法 它着重分析生产过程中从原材料到产品的物料流程 研究最佳的物料流程系统 因此 生产流程分析可应用手工厂规划 设计和物料科学管理等方面 生产流程分析一般可以包括以下三个主要步骤 1 工厂流程分析 2 车间流程分析 3 生产单元 小组 流程分析 工厂流程分析是对全厂的物料流进行统计分析 以正确地组成和区划各个生产车间和管理部门 使工厂全生产过程有合理的物料流程 通过工厂流程分析可决定各车间的生产任务和设备 车间流程分析是对本车间生产的全部零件的工艺过程进行统计分析 按工艺过程将零件划分为加工族 与此同时也寻求出加工各加工族的相应的一组设备 机床组 因此 车间生产流程分析有助于正确地规划车间的组成和简化车间物料流程 生产单元流程分析是以单元内生产零件为对象 通过进一步对工艺过程的分析 可以寻求单元最合理的设备平面布置 对单元内生产零件的加工工艺过程分析 还可以把加工族细分为具有某些工艺特征的零件小组 这将有助于成组工艺过程 成组工艺调整方案和成组夹具等方面的设计工作 车间生产流程分析的原始资料是车间的生产零件明细表 零件工艺规程卡片及设备明细表等工艺技术资料 图a是根据25个零件 代表件 的工艺过程卡片绘制的零件 机床图表 矩阵表 图b表示的是用生产流程分析法使零件成组后的零件 机床图表 图表清晰地表明分类后形成的三个加工族及其相应的机床组 零件代号为21的零件为特殊件 因为经过分析 按其工艺过程不宜归属于相应的加工族 二 零件信息的描述与输入零件信息包括总体信息 如零件名称 图号 材料等 和结构形状 尺寸 公差 表面粗糙度 热处理及其他技术要求等 工艺设计的任务 就是要根据这些信息制定一个零件的制造过程 当工艺设计是由人工完成时 人用眼睛看图 并在头脑中还原图纸上表达的产品设计要求 在采用计算机进行辅助工艺设计时 计算机同样要 懂得 零件图上的信息 然而 按照目前已达到的技术水平 计算机还不能直接 读懂 零件图 这样就产生了CAPP所面临的第一个问题 也是最重要的问题 即CAPP系统的零件信息输入与计算机内部如何对产品或零件进行表达的问题 其实质就是如何组织和描述零件信息 让计算也能够 读懂 零件图 为此 需要确定合理的数据结构或零件模型来对零件信息进行描述 1 图纸信息的描述与人机交互式输入 1 分类编码描述法 GT法 与输入分类编码描述法是开发得最早 也是比较成熟的方法 其基本思路是按照预先制定或选用的GT分类编码系统对零件图上的信息进行编码 并将GT码输入计算机 这种GT码所表达的信息是计算机能够识别的 它简单易行 用其开发一般的派生式CAPP系统较方便 所以 现在仍有许多CAPP系统采用此法 但这种方法也存在一些弊端 如无法完整地描述零件信息 当码位太长时 编码效率很低 容易出错 不便于CAPP系统与CAD的直接连接 集成 等 故不适用于集成化的CAPP系统以及要求生成工序图与NC程序的CAPP系统使用 2 知识表示描述法在人工智能技术AI ArtificialIntelligence 领域 零件信息实际上就是一种知识或对象 所以原则上讲 可用人工智能中的知识描述方法来描述零件信息甚至整个产品的信息 一些CAPP系统尝试了用框架表示法 产生式规则表示法和谓词逻辑表示法等来描述零件信息 这些方法为整个系统的智能化提供了良好的前提和基础 在实际应用中 这种方法常与特征技术相结合 而且知识的产生应是自动的或半自动的 即应能直接将CAD系统输出的基于特征的零件信息自动转化为知识的表达形式 这种知识表达方法才更有意义 3 基于形状特征或表面元素的描述与输入法任何零件都由一个或若干个形状特征 或表面元素 组成 这些形状特征可以是圆柱面 圆锥面 螺纹面 孔 凸台 槽 例如 光滑钻套由一个外圆柱面 一个内圆柱面 两个端面和四个倒角组成 一个箱体零件可以分解成若干个面 每一个面又由若干个尺寸与加工要求不同的内圆表面和辅助孔 如螺纹孔 螺栓孔 销孔 等 以及槽 凸台 组成 这种方法要求将组成零件的各个形状特征按一定顺序逐个地输入到计算机中去 输入过程由计算机界面引导 并将这些信息按事先确定的数据结构进行组织 在计算机内部形成所谓的零件模型 这种方法优点在于 机械零件上的表面元素与其加工方法是相对应的 计算机可以以此为基础推出零件由哪些表面元素组成 就能很方便地从工艺知识库中搜索出与这些表面相对应的加工方法 从而可以以此为基础推出整个零件的加工方法 这些表面为尺寸 公差 粗糙度乃至热处理等的标注提供了方便 从而为工序设计 尺寸链计算以及工艺路线的合理安排提供了必要的信息 因此 这种方法在很多CAPP系统中得到了应用 2 从CAD系统直接读取零件信息以上几种方法尽管各有优点 但都存在一个共同的弊病 就是需要人来对零件图纸进行识别和分析 即需要人来对已设计好的零件图进行二次输入 因为输入过程繁琐 费时 易出错 有时甚至还不如手工编制工艺文件来得快 所以在生产实际中 有些工艺人员不大愿意使用这种方法 最理想的方法是 CAD系统进行零件设计的过程就是CAPP的零件信息输入过程 即实现CAD与CAPP信息的集成 从而就避开了零件信息的二次输入问题 1 特征识别法设计者在用CAD绘图系统画好产品或零件图之后 CAD系统会用一定格式的文件记录设计结果 最常见的文件有 dwg 文件和 dxf 等文件 这些文件所包含的一般是点 线 面以及它们之间的拓扑关系等底层的信息 这些信息能够满足CAD系统进行产品或零件图的绘制 但不能满足CAPP系统对零件信息的需求 CAPP所关心的是零件由哪些几何表面或形状特征组成 以及这些特征的尺寸 公差 粗糙度等工艺信息 特征识别法就是要对CAD的输出结果进行分析 按一定的算法识别 抽取出CAPP系统能识别的基于特征的工艺信息 这显然是一种非常理想的方法 它无疑可以克服上述手工输入零件信息的种种弊端 实现零件信息向CAPP CAM等系统的自动传输 但实践证明 这种方法有局限 不通用 而且实现很困难 所以被认为是一个世界难题 这主要因为存在以下几个难点 一般的CAD系统都是以解析几何作为其绘图基础的 其绘图的基本单元是点 线 面等要素 其输出的结果一般是点 线 面以及它们之间的拓扑关系等底层的信息 要从这些底层信息中抽取加工表面特征这样一些高层次的工艺信息非常困难 在CAD的图形文件中 没有诸如公差 粗糙度 表面热处理等工艺信息 即使对这些信息进行了标注 也很难抽取出这些信息 更谈不上把它们和它们所依附的加工表面联系在一起 目前CAD系统种类繁多 即使CAPP系统能接收一种CAD的系统输出的零件信息 也不一定能接收其他CAD系统输出的零件信息 2 基于特征拼装的计算机绘图与零件信息的描述和输入方法这种方法一般是以某种CAD系统为基础的 这种CAD系统的绘图基本单元是参数化的几何形状特征 或表面要素 如圆柱面 圆锥面 倒角 键槽 而不是通常所用的点 线 面等要素 设计者采用这种系统绘图时 不是一条线一条线地绘制 而是一个特征一个特征地绘制 类似于用积木拼装形状各异的物体 所以也叫特征拼装 设计者在拼装各个特征的同时 即赋予了各个形状特征 或几何表面 的尺寸 公差 粗糙度等工艺信息 其输出的信息也是以这些形状特征为基础来组织的 所以CAPP系统能够接收 这种方法的关键是要建立基于特征的 统一的CAD CAPP CAM零件信息模型 并对特征进行总结分类 建立便于用户扩充与维护的特征类库 其次就是要解决特征编辑与图形编辑之间的关系 以及消隐等技术问题 目前这种方法已用于许多实用化CAPP系统之中 被认为是一种比较有前途的方法 3 基于产品数据交换规范的产品建模与信息输入方法要想从根本上实现CAD CAPP CAM的集成 最理想的方法是为产品建立一个完整的 语义一致的产品信息模型 以满足产品生命期各阶段 产品需求分析 工程设计 产品设计 加工 装配 测试 销售和售后服务 对产品信息的不同需求和保证对产品信息理解的一致性 使得各应用领域 如CAD CAPP CAM CNC MIS等 可以直接从该模型抽取所需信息 这个模型是用通用的数据结构规范来实现的 显然 只要各CAD系统对产品或零件的描述符合这个数据规范 其输出的信息既包含了点 线 面以及它们之间的拓扑关系等底层的信息 又包含了几何形状特征以及加工和管理等方面信息 那么CAD系统的输出结果就能被其下游工程 如CAPP CAM等系统接收 近年来流行较广的是美国的PDES以及ISO的STEP产品定义数据交换标准 另外还有法国的SET 美国的IGES 德国的VDAFS 英国的MEDVSA和日本的TIPS等 其中最有应用前景的当属STEP STEP支持完整的产品模型数据 不仅包括曲线 曲面 实体 形状特征等内在的几何信息 还包括许多非几何信息 如公差 材料 表面粗糙度 热处理信息等 它包括产品整个生命周期所需的全部信息 目前STEP还在不断发展与完善之中 三 派生式CAPP系统1 系统的基本工作原理派生式CAPP系统用GT码描述与输入零件信息 系统要预先对现有零件进行分组 得到所谓的零件组 每个零件组对应一个样件 可以是实际零件 也可以是虚构零件 每一个样件对应一个通用的制造过程 即样件的标准工艺规程 派生式系统需要有零件组矩阵文件 用于对标准工艺规程的搜索和筛选 样件的标准工艺规程文件及各种加工工程数据文件 如切削用量 设备 刀具 夹具 量具 辅具 工时定额等资料 供生成新零件时检索调用 在工艺设计时 系统以被设计零件的GT码为依据 首先搜索到该零件所属的零件组矩阵 再通过系统预先制定的筛选逻辑 从标准工艺规程中筛选派生出当前零件的工艺规程 然后调用有关工艺数据 对工艺规程文件进行必要的补充 最后得到当前零件的工艺过程 其系统结构如图6 7所示 零件图 零件编码 零件组检索 标准工艺规程检索 编辑修改 零件组矩阵库 标准工艺规程库 派生式CAPP系统的结构 零件工艺规程 2 系统的设计过程第一步 选择或制定合适的零件分类编码系统 即GT码 其目的是用GT码对零件信息进行描述与输入和对零件进行分组 以得到零件组矩阵和制定相应的标准工艺规程 第二步 进行零件分组 为了合理制定样件 必须对零件分组 一个零件组一般包含了若干个相似零件 可以把每个相似零件组用一个样件来代表 也可以用一个零件族矩阵来代表 这个样件的制造方法就是组内零件的公共制造方法 即标准工艺规程 它除了包括样件的加工内容外 还包括了加工设备 刀具和夹具等信息 它是集中了专家和工艺人员的集体智慧与经验 并通过对生产实践的总结制定出来的 第三步 进行样件的设计 样件是一个零件组的抽象 它是一个复合零件 一个零件组矩阵就是一个样件 设计样件的目的是为了制定标准工艺和便于对标准工艺进行检索 在设计样件之前 要检查各零件组的情况 每个零件组只需要一个样件 对于简单零件组 零件品种不超过100为宜 形状复杂的零件组可包含20个左右的零件 设计样件时 应对零件组的零件进行认真分析 取出最复杂的零件作为设计基础 把其他图纸上不同的形状特征加到基础件上去 从而得到样件 对于比较大的零件组 可先分成几个小的零件组 合成一个组合件 然后再由若干个组合件合成整个零件组的样件 第四步 制定标准工艺规程 样件的工艺规程应能满足该零件组所有零件的加工 并能反映工厂的实际加工水平 使之尽可能是合理可行的 一般是在认真分析组内零件加工工艺并在征求有经验的工艺人员 专家和工人的意见的基础上 选择其中一个工序最多 加工过程安排合理的零件工艺路线作为基本路线 然后把其他零件特有的 尚未包括在基本路线之内的工序 按合理顺序加到基本路线中去 构成代表零件组的样件工艺路线 即标准工艺规程 系统的设计过程如图6 8所示 综上所述 派生式CAPP系统具有如下的特点 相似零件的工艺过程可以达到一定程度上的一致性 技术上较易实现 可减轻工艺文件编制工作 操作人员仍需是有经验的工艺人员 标准工艺规程没有考虑生产批量的因素 适合零件相似程度较高的企业 选择分类编码系统 零件编码 零件分组 编制零件组标准工艺规程 制定检索零件组标准工艺方案及筛选方法 零件组矩阵库 标准工艺规程库 派生式CAPP系统的建立过程 四 创成式CAPP系统创成式CAPP系统是根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程数据信息而生成工艺规程的 这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象 各种设备及刀具的适用范围等一系列的基本知识 而工艺决策中的各种决策逻辑或者植入程序代码 一般的创成式CAPP系统 或者以规则的形式存入相对独立的工艺知识库 供主控程序调用 基于AI或专家系统的CAPP系统 在向创成式CAPP系统输入待加工零件的信息后 系统能自动生成各种工艺规程文件 用户不需或略加修改即可 派生式CAPP系统的缺点可以说正是创成式系统的优点 创成式CAPP系统主要解决两个方面的问题 零件工艺路线的确定 也叫工艺决策 工序设计前者的目的是生成工艺规程主干 即指明零件加工顺序 包括工序与工步的确定 以及各工序的定位与装夹表面 后者主要包括工序尺寸的计算 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内容 前者是后者的基础 后者是对前者的补充 1 一般创成式CAPP的工艺决策创成式CAPP系统的软件设计 其核心内容主要是各种决策逻辑的表达和实现 尽管工艺过程设计决策逻辑很复杂 包括各种性质的决策 但表达方式却有许多共同之处 可以用一定形式的软件设计工具 方式 来表达和实现 最常用的是决策表和决策树 用它们来表示知识 并按一定条件选择工艺方案十分有效 直观 1 决策表决策表是将一组用语言表达的决策逻辑关系 用一个表格来表达 从而可以方便地用计算机语言来表达该决策逻辑的方法 例如选择孔加工方法的决策可以表述为 如果待加工孔的精度在8级以下 则可选择钻孔的方法加工 如果待加工孔的精度为7 8 但位置精度要求不高 可选择钻 扩加工 若位置精度要求高 则可选择钻 镗两步加工 如果待加工孔的精度为7级以上 表面未做硬化处理 但位置精度要求不高 则可选择钻 扩 铰加工 若位置精度要求高 则选择钻 扩 镗加工 如果待加工孔的精度为7级以上 表面经硬化处理 但位置精度要求不高 则可选择钻 扩 磨加工 若位置精度要求高 则选择钻 镗 磨 将上述文字描述的孔加工方法表达为决策表的形式 则决策逻辑如表6 1所示 在决策表中 某特定条件得到满足 则取值为T 真 不满足时 取值为F 假 表的一列算作一条决策规则 采用 标志所选择的动作 表6 1孔加工方法选择决策表 从表6 1可以看出 决策表由四部分构成 双横线的上半部代表条件 下半部代表动作 或结果 右半部为项目值的集合 每一列就是一条决策规则 当以一个决策表来表达复杂决策逻辑时 必须仔细检查决策表的准确性 完整性和无歧义性等内容 完整性是指决策逻辑各条件项目的所有可能的组合是否都考虑到了 它也是正确表达复杂决策逻辑的重要条件 无歧义性是指一个决策表的不同规则之间不能出现矛盾或冗余 无矛盾或冗余的规则可称为无歧义规则 否则为有歧义规则 2 决策树树不仅是一种常用的数据结构 当将它用于工艺决策时 也是一种常用的与决策表功能相似的工艺逻辑设计工具 同时 它很容易和 如果 IF 则 THEN 这种直观的决策逻辑相对应 很容易直接转换成逻辑流程图和程序代码 决策树由各种结点和分支 边 构成 结点中有根结点 终结点 叶子结点 和其他结点 根结点没有前趋结点 终结点没有后继结点 其他结点则都具有单一的前趋结点和一个以上的后继结点 结点表示一次测试或一个动作 拟采取的动作一般放在终结点上 分支 边 连接两个结点 一般用来连接两次测试或动作 并表达一个条件是否满足 满足时 测试沿分支向前传送 以实现逻辑与 AND 的关系 不满足时 则转向出发结点的另一分支 以实现逻辑或 OR 的关系 所以 由根结点到终结点的一条路径可以表示一条决策规则 钢质轴杆件 内表面 外表面 孔 槽 内螺纹 8级以下 7 8级 无高位置要求 有高位置要求 7级以上 无位置要求 有位置要求 无位置要求 有位置要求 未硬化处理 经硬化处理 图6 9孔加工方法选择决策树 钻 钻 扩 钻 扩 镗 钻 镗 钻 扩 铰 钻 扩 磨 钻 镗 磨 结点 边 决策树有如下优点 决策树容易建立和维护 可以直观 准确 紧凑地表达复杂的逻辑关系 而且决策表可以转换成决策树 表6 1所示的决策表可以转换成图6 9所示的决策树 决策树便于程序实现 其结构与软件设计的流程图很相似 决策树是表示 IF THEN 类型的决策逻辑的很自然的方法 条件 IF 可放在树的分支上 而预定的动作 THEN 则放在结点上 因此很容易转换成计算机程序 决策树便于扩充和修改 适合于工艺过程设计 另外 选择形状特征的加工方法 选择机床 刀具 夹具 量具以及切削用量等都可以用决策树 2 基于专家系统的工艺决策方法人工智能技术 AI 的发展 为CAPP的进一步发展开辟了新的道路 其主要原因如下 传统的程序设计方法中 对一个待解决的问题 首先要建立其数学或物理模型 最后以算法的形式安排在计算机中 但在工艺过程设计中 主要的工作不是计算 工艺决策方法主要依靠工艺人员在长期的生产实际中积累起来的经验性知识 这带有明显的专家个人的技巧和智能性质 难以用数学模型表示 求解的过程是逻辑 判断和决策过程 而专家系统正具有处理这些不确定性和多意性知识的特长 专家系统本身具有较大的灵活性 在专家系统中 解决问题所需的知识 知识库 同使用知识的方法 推理 是独立分开的 机器求解问题不是按预先确定的步骤进行 而是根据环境条件及达到的目标 在控制策略 推理机 指导下 通过搜索来寻找问题的解答 解决问题所需的知识 存于知识库中 可以根据用户的需要进行增删和修改 也就是说 当系统应用环境改变时 用户只要对原有知识库进行更新与扩充即可 CAPP专家系统具有对话能力 用户可向机器 寻问 推理过程 CAPP专家系统可以具有学习功能 其学习方法目前主要有基于实例的学习方式 基于神经元网络的样本学习方式等 CAPP专家系统主要由零件信息输入模块 推理机与知识库三部分组成 其中推理机与知识库是相互独立的 CAPP专家系统不再像一般CAPP系统那样在程序的运行中直接生成工艺规程 而是根据输入的零件信息去频繁地访问知识库 并通过推理机中的控制策略 从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则 然后执行这条规则 并把每次执行规则得到的结论部分按照先后次序记录下来 直到零件加工到终结状态 这个记录就是零件加工所要求的工艺规程 专家系统以知识结构为基础 以推理机为控制中心 按数据 知识 控制三级结构来组织系统 其知识库和推理机相互分离 这就增加了系统的灵活性 当生产环境变化时 可通过修改知识库来加入新的知识 使之适应新的要求 因而解决问题的能力大大增强 CAPP专家系统有处理多意性和不确定性问题的能力 并且可以在一定程度上模拟人脑进行工艺设计 使工艺设计中的许多模糊问题得以解决 特别是对箱体 壳体类零件的工艺设计 由于它们结构形状复杂 加工工序多 工艺流程长 而且可能存在多种加工方案 工艺设计的优劣主要取决于人的经验和智慧 因此一般CAPP系统很难满足这些复杂零件的工艺设计要求 而CAPP专家系统能汇集众多工艺专家的经验和智慧 并充分利用这些知识进行逻辑推理 探索解决问题的途径与方法 因而能给出合理的甚至是最佳的工艺决策 1 专家系统的组成专家系统由知识库和推理机两大部分组成 这两部分既彼此分离 又通过综合数据库互相联系 知识库存贮从专家那里得到的有关该领域的专门知识和经验 推理机运用知识库中的知识对给定的问题进行推导并得出结论 专家系统的组成如图6 10所示 信息输入 综合知识库 推理机 知识库 专家系统结构 2 知识的获取知识的获取就是将解决问题所用的专门知识从某些知识来源变换为计算机程序 知识库包括专家经验 专业书籍和教科书的知识或数据以及有关资料等 3 知识的表达专家系统中知识表达是数据结构和解释过程的结合 知识表达方法可分成说明型方法和过程型方法两大类 说明型方法将知识表示成一个稳定的事实集合 并用一组通用过程控制这些事实 过程型方法是将一组知识表示为如何应用这些知识的过程 在CAPP系统中 工艺知识可以采用说明型方法表达 控制性知识可以采用过程型方法表达 产生式规则 产生式规则 ProductiveRule 将领域知识表示成一组或多组规则的集合 每条规则由一组条件和一组结论两部分组成 产生式规则的一般表达方式如下所示 IFand orand or THENandand CAPP系统的控制程序负责将事实和规则的条件部分作比较 若规则的条件部分被满足 则该规则的结论部分就可能被采纳 执行一条规则 可能要修改数据库中的事实集合 增加到数据库中的新事实也可能被规