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机械CAD CAM 讲稿 第11讲抚顺广播电视大学郑红 第6章计算机辅助工艺过程设计 学习目标 计算机辅助工艺规程设计 CAPP 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 由计算机自动输出零件的工艺路线及工序内容等工艺文件的过程 通过本章内容学习要重点掌握成组技术的基本概念 OPITZ分类编码系统以及分类归组方法 了解CAPP的意义 发概况和工作原理 熟悉派生式CAPP系统和创成式CAPP系统的工艺决策及工艺过程设计的方法 成组技术 GT 就是用科学的方法 在多品种生产中将相似零件组织在一起 成组 进行生产 以相似产品零件的 叠加批量 取代原来的单一品种批量 采用近似大批量生产中的高效工艺 设备及生产组织形式来进行生产 从而提高生产率和经济效益 成组技术是一门涉及多学科的综合性技术 其理论基础是研究如何识别和发掘生产活动中有关事物的相似性 并充分利用它 即把相似的问题归类成组 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 成组技术的核心问题是成组工艺 成组工艺与计算机技术 数控技术 相似论和方法论等结合才形成了成组技术 6 1成组技术 在机械加工中 成组工艺是把零件的几何信息 形状 尺寸 精度 表面粗糙度等 和工艺信息 材料 热处理 批量等 相近似的零件组成一个个零件族 组 按零件族进行加工制造 从而减少了品种 扩大了批量 便于采用高效的生产方法 从而提高了劳动生产率和经济效益 零件的相似性是实现成组工艺的基本条件 工艺相似性是指可采用相同的工艺方法进行加工 采用相似的夹具进行装夹 采用相似的量具进行检测等 零件分类编码系统是实施成组技术的重要手段 也是成组技术的重要组成部分 成组工艺首先是对产品零件按零件分类编码系统进行分组分类 制订零件的成组加工工艺 然后设计成组工艺装备和制造成组加工生产线等 成组工艺的生产组织形式一般分为单机或生产单元 混合生产线和成组生产线或柔性制造系统等三大类 随着成组技术的不断发展 出现了用计算机对零件进行分类编码 成组技术被系统地运用到产品设计 制造工艺 生产管理等各个领域 形成了计算机辅助设计CAD 计算机辅助工艺过程设计CAPP 计算机辅助制造CAM 以及有成组技术特色的计算机集成制造系统CIMS 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 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 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 6 1 1零件分类编码系统 利用零件分类编码 可以得出零件频谱 反映了这个企业在产品设计 制造工艺和生产等方面的基本数据 它是企业据以进行生产合理化和制定技术改造方案的重要原始资料 零件分类编码是实现设计 工艺标准化的基础 提高企业标准化水平 零件分类编码提供了有效的检索手段 零件分类编码系统的推广应用 有利于实现专业化生产 零件分类编码系统的应用 有助于生产信息管理和使用的合理化 2 零件分类编码的作用零件的分类编码 除了能对零件分类分组外 其主要功能还在于能搜集和检索有关零件从设计 加工工艺到制造各环节的信息 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 3 零件分类的基本依据 4 零件的分类系统分类系统是为了达到一定分类目的和要求而采用的相应分类原理 规划和步骤所构成的一个体系的总称 1 分类环节1 横向分类环节横向分类环节是较笼统的分类标志 所以它具有粗分类的作用 横向分类环节一般称为码位 其先后顺序安排上 应该先安排与设计检索有关的 然后安排与工艺有关的 2 纵向分类环节纵向分类环节是对其所属的横向分类环节进一步具体化的细化 纵向分类环节一般称为特征项 其先后顺序安排上 应遵循由简渐繁 由一般到特殊的原则 2 分类系统的结构形式根据分类环节数量的多少 零件的分类系统可分为多级和单级2种结构形式 详见教材表6 1 3 多级分类系统的结构 1 独立环节的分类系统 链式结构若系统内各横向分类环节之间彼此安全独立而互不相干 则这样的横向分类环节便是独立环节 由独立环节组成的分类系统一般称为链式结构 如图所示 横向分类环节用罗马数字表示 它们之间的关系用 表示 若系统横向分类环节总数为N 每一横向分类环节所辖纵向分类环节数为Z 则链式结构的纵向分类环节总数为ZN 2 关联环节的分类系统 树式结构若系统中相邻横向分类环节之间有从属关系而互相关联 则这样的横向分类环节称作关联环节 它们之间的关系用 表示 由关联环节组成的分类系统一般称为树式结构 如图所示 若系统横向分类环节总数为N 每一横向分类环节所辖纵向分类环节数为Z 系统中拥有的关联环节数为L 则树式结构的纵向分类环节总数为 3 多级分类系统的结构 3 多级分类系统的结构 3 混合环节的分类系统 混合结构这种分类系统中的横向分类环节既有独立环节又有关联环节 因此属于兼有链式结构和树式结构的混合结构 不少实际的零件分类系统都由这种混合环节组成的 图所示即是此种分类系统 若系统横向分类环节总数为N 每一横向分类环节所辖纵向分类环节数为Z 系统中拥有的关联环节数为L 则混合结构的纵向分类环节总数为 N L Z 5 零件编码系统的编码结构 零件分类编码大多采用表格形式 其结构和描述的信息如表所示 零件分类编码系统对成组技术实施有重要作用 基本要求 系统内各特征代码含义明确 无 多义性 且结构应力求简单 使用方便 标识零件几何形状的特征代码应具有永久性 以保持分类编码系统的延续性 系统应能满足企业产品零件的使用要求 并为新产品发展留有余地 系统要便于用计算机进行处理 零件分类编码系统已有国标 部标 应尽量采用 不能满足时可建立本企业或部门的系统 6 对零件分类编码系统的基本要求 各国常用的机械加工零件分类编码系统列于教材表6 6中 要求重点掌握OPITZ分类编码系统 7 常用机械加工零件分类编码系统 8 OPITZ零件分类编码系统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 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 分类编码结果 分类编码结果 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 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 2 系统特点 成组技术的基本原理 是充分认识和利用生产活动中有关事物客观存在着的相似性 以提高生产的效益 因此 按一定的准则将有关事物分类成组是实施成组技术的基础 组 一般理解为具有某些共同属性的事物集合 成组技术在研究零件分类时 常采用 零件族 这一更为形象的概念 可以认为 零件族是具有某些共同属性的零件集合 采用不同的相似性标准 可将零件划分为具有不同属性的零件族 例如根据分类的目的要求 制定相应的分类的相似性标准 可将零件分类以组成设计族 加工族或管理族等 目前应用的分类方法主要有视检法 生产流程分析法和编码分类法等 6 1 2零件分类成组方法 生产流程分析法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 一般包括工厂和车间的生产流程分析这2个步骤 而关键的一步是车间生产流程分析 车间生产流程分析的算法很多 如关键机床法 顺序分枝法 聚类分析法及分枝 聚类法等 它们的算法复杂度和取得的效果不尽相同 1 生产流程分析法 关键机床法是根据零件的加工工艺路线 分析其使用的关键机床而进行分组 其分组步骤如下 列出各零件的工艺路线 形成按工序所用机床排列的工艺路线表 分析关键机床 找出基本零件 将基本零件合并成零件组 同时也形成了机床组 检查各机床的负荷率 1 关键机床法 顺序分枝法原理是将待分类的全部零件按其工艺过程逐个判别 使之归属于相应的各级分枝组 进入各级分枝组的诸零件在工序 主要的 类型 数目和顺序上完全一致 然后 按照一定的并枝原则把各级分枝组合并为零件种数适当的加工族 用顺序分枝法对零件分类包括2个过程 分枝过程和并枝过程 2 顺序分枝法 聚类分析法是用一些数学方法来定量确定零件之间的相似程度 进行聚类成组 由于所用数学方法不同 有多种不同的聚类分析法 单链聚类分析法 是通过计算零件之间的相似系数进行聚类 循序聚类分析法 是应用零件之间的相似性进行聚合 需要计算每一对零件之间的相似系数 据此建立一个原始相似系数矩阵 排序聚类分析法 是将零件 机床矩阵按行列交替排序聚合 最后得到零件分类成组 3 聚类分析法 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 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 2 编码分类法 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 制定零件族相似性标准的方法 编码分类法简单易行 其关键问题有2个 要有一个合适的零件分类编码系统 要制定一个合适的零件族相似性标准 特别是后者 对零件分类成组的影响很大 制定时的难度也很大 可参考视检法 生产流程分析法等的分类效果作为依据 6 2工艺设计自动化的意义和发展概况 6 2 1计算机辅助工艺过程设计的意义 1 代替了工艺设计人员的手工劳动 2 提高工艺过程设计的质量 3 设计周期短 效率高 4 有利于计算机集成制造工艺过程设计处于产品设计和制造的接口处 需要分析和处理大量信息 各种信息之间的关系极为错综复杂 计算机辅助工艺过程设计是计算机辅助设计和计算机辅助制造之间的桥梁 同时又是计划调度 生产管理等所需信息的交汇枢纽 所以它在计算机集成制造系统中占有重要的地位 计算机辅助工艺过程设计系统按其工作原理主要可以分为3种型式 即检索式 派生式和创成式 这3种型式的基础分别是零件工艺的3种类型 标准工艺 典型工艺 生成工艺 本章将主要介绍派生式和创成式2种系统 6 3CAPP工作原理 生产中有不少较简单的零件 其工艺是相对固定的 长时间没有变化 这样就形成了标准工艺 标准工艺经整理后以代号表示 用时只要标明其工艺代号即可进行生产准备和制造 标准工艺可减轻工艺人员的重复劳动 提高效率 在计算机辅助工艺过程设计时 利用检索式系统即可查出相应工艺 1 标准工艺 机械零件种类多 数量大 但可利用成组技术将其分组 分类 形成零件族或零件组 同一零件族的零件工艺过程虽有差异 但基本上是类似的 因此对每个零件族可以设计出一个代表零件及其工艺 称为典型工艺 一个零件根据其分类编码号 首先查出属于那个零件族 再找出该零件族的典型工艺 然后根据这个零件的具体结构对典型工艺进行修订 最后即得到该零件的加工工艺过程 在计算机辅助工艺过程设计中 可利用派生式系统 利用计算机输入零件成组技术代码 判别属于哪个零件族 检索其典型工艺 根据零件结构进行修改 最后输出成形的工艺过程文件 2 典型工艺 有些零件的工艺既不属于标准工艺 又不属于典型工艺 可直接利用计算机的工艺决策系统生成工艺 它既不像标准工艺可查询 也不像典型工艺可以参考 生成工艺包含某类零件的全部 计算机辅助工艺过程设计中的创成式系统工作复杂 效率低 目前创成法原理尚不完善 大部分系统只能叫 半创成式 系统 3 生成工艺 零件信息输入是计算机辅助工艺过程设计的第一步 零件信息的描述则是计算机辅助工艺过程设计的关键 1 零件信息描述在计算机辅助工艺过程设计中 零件信息应包括2个方面 一是几何信息 即零件的几何形状 尺寸 表面间相互位置等 二是工艺信息 指零件材料 毛坯 加工精度 热处理等及相应的技术要求 零件信息描述方法很多 从描述零件的组成结构来看 有分类法 型面法 形体法等 从所用描述工具来看 有编码描述 语言描述 数学描述等 在同一个零件的信息描述中可用多种描述方法 6 3 1CAPP的零件信息描述与输入 1 人机交互式信息输入计算机能够准确无误地接受零件的信息并能描述 检索 存储和处理这些信息 通过手工或人机对话方式 将零件的信息完整地输入到计算机中 2 从CAD系统中提取零件信息零件信息描述在计算机集成制造系统和并行工程中 需遵守统一的数据交换标准 STEP 和产品数据管理 PDM 等规定 数据格式和管理应统一 在实现了CAD CAPP CAM一体化的情况下 可以利用中间接口或其它传输方式 将零件的设计信息直接从CAD系统数据库中提取出来 用到零件工艺过程设计中去 而不必通过零件信息描述模块 2 零件信息输入 派生式又叫变异式 样件法等 它利用成组技术中的零件相似性原理进行设计 如果零件的结构形状相似 则其工艺也有相似性 对于每个零件族 可以通过生产实践和工作经验制订出一个典型工艺 当设计一个新零件的工艺时 通过检索相似零件的典型工艺 经过编辑和修改而派生出一个该零件的工艺过程 6 3 2派生式CAPP系统 对设计零件按所选分类编码系统进行编码 完成对零件的描述 利用输入模块输入零件的信息 检索及判断新零件是否属于某零件族 如属于则调出 调出该零件族的典型工艺过程 包括工艺路线和各工序内容 根据输入的零件信息 对典型工艺进行修改和编辑 生成零件的工艺规程 对设计结果进行存储或输出 零件工艺规程生成过程如下 创成式又叫生成式 它与派生式不同 不以对典型工艺的检索和修改为基础 它是根据输入的或者是直接从CAD系统获得的零件信息 依靠系统中的工艺数据和决策方式自动生成零件的工艺过程的系统 根据具体零件 系统能自动产生零件加工所需的各个工序和加工顺序 自动提取制造知识 自动完成机床选择 工夹量具选择和加工过程最优化 通过应用工艺决策逻辑 可以模拟工艺设计人员的决策过程 6 3 3创成式CAPP系统 工艺设计是一项复杂的多层次 多任务的决策过程 工艺过程设计中的决策方式有多种型式 介绍3类决策方式 即数学模型 公式计算 决策 逻辑 推理 决策和智能思维 创造 决策 1 数学模型决策这种