第四章 计算机辅助工艺规程设计.ppt

第四章计算机辅助工艺规划 ComputerAidedProcessPlanning CAPP 2020 3 22 2 CAPP ComputerAidedProcessPlanning 借助计算机来完成毛坯设计 工装设计 工艺规程设计等任务 2020 3 22 3 CAPP与CAD和CAM系统之间的联系 2020 3 22 4 第四章计算机辅助工艺设计 内容简介 CAPP系统的发展概况和工作原理成组技术派生式CAPP系统创成式CAPP系统CAPP专家系统简介 2020 3 22 5 第一节CAPP系统的发展概况和工作原理 一 工艺设计自动化的意义 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 2020 3 22 6 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 2020 3 22 7 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 2020 3 22 8 4 计算机辅助工艺规划的概念P98计算机辅助工艺规划是指利用计算机技术进行工艺设计和编制工艺规程 计算机技术在工艺规划中的辅助作用主要体现在交互处理 数值计算 图形处理 逻辑决策 数据存储与管理等方面 2020 3 22 9 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 I SAutomatedProcessPlanning系统 简称CAM I SCAPP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 2020 3 22 10 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 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 2020 3 22 11 基于自动化思想的修订 创成式CAPP系统 90年代中期以前 以工艺决策自动化为唯一目标 造成系统开发周期长 费用高 难度大 工艺人员在使用中需交互输入大量的零件信息 烦琐而又容易出错 难以掌握系统的使用 系统功能和应用范围局限性大 对于复杂问题尚未做到全部自动化 难以推广应用 三 CAPP发展的三个阶段 2020 3 22 12 基于计算机辅助的实用化CAPP系统 20世纪90年代 基于文字 表格处理软件或二维CAD软件等通用软件开发工艺卡片填写系统 用文件形式进行存储和管理 忽视企业信息化中产品工艺数据的重要性 存在难以保证产品工艺数据准确性 一致性 难以实现工艺信息集成 2020 3 22 13 面向企业信息化的制造工艺信息系统要求CAPP系统具有方便 快捷的计算机辅助工艺规程编制功能 具有快速有效的制造工艺信息及工艺工作流管理功能 实现产品工艺设计及管理一体化 2020 3 22 14 零件信息的输入如何输入和描述零件信息是CAPP最关键的问题之一 零件信息包括零件的结构形状和技术要求 图纸的人工输入CAD模型直接读取 四 CAPP系统的基本组成 2020 3 22 15 2 工艺规程的生成 工艺决策 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 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 2020 3 22 16 3 工艺文件管理与输出工艺文件包括工艺过程卡 工序卡 工序简图等 有些系统还能直接输出零件的NC程序 输出部分包括工艺文件的格式化显示 存盘 打印等 2020 3 22 17 2020 3 22 18 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 2020 3 22 19 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 2020 3 22 20 1 成组技术 GroupTechnology 的发展概况1959年 苏联科学家米特洛凡诺夫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 第二节成组技术 GT 一 概述 2020 3 22 21 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 2020 3 22 22 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 零件的相似性设计性质 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 2 成组技术的基本原理 2020 3 22 23 3 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 2020 3 22 24 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 4 成组技术的优点 2020 3 22 25 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 二 零件族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 1 零件族用于工艺设计 2020 3 22 26 几何外形相似 加工工艺相似 2020 3 22 27 2 零件族用于车间的布置 一个传统小批量加工车间布局图中 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运送才能完成加工 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 2020 3 22 28 2020 3 22 29 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 这样不仅避免了车间布局的缺点 而且实现了流水线或自动线作业 2020 3 22 30 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 限用于零件结构和工艺特征比较简单的场合 3 如何将零件组合成组 2020 3 22 31 2 生产流程分析 Productionflowanalysis 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 采用此法可以按工艺相似性将零件分类 形成加工族 分选工艺相似的零件组时效果卓著 分选结构形似的零件组时收效甚微 2020 3 22 32 3 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的相似性 从而将零件分组 按零件编码进行分类便于计算机插入 检索零件的结构和工艺信息 有助于CAPP的实施 2020 3 22 33 三 零件分类编码系统 零件分类编码系统已成为成组技术原理的重要组成部分 是有效实施成组技术的重要手段 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 2020 3 22 34 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 识别码是唯一的 零件识别码便于知道每个外购与自制零件属于哪个产品中的哪个部件 以便在领料 加工 入库 装配时能够被识别 2020 3 22 35 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 并非唯一的 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 前者用于标识某一零件 后者用于制定或检索相似零件的标准工艺 2020 3 22 36 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 2020 3 22 37 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 2020 3 22 38 4 零件分类编码系统的结构 分类环节 包括横向环节 粗分环节 和纵向环节 细分环节 纵向环节属于某一横向环节 2020 3 22 39 根据横向分类环节之间的关系 零件分类编码系统结构有三种形式 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完全独立而互不相干 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 2020 3 22 40 2020 3 22 41 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 后面横向分类环节从属于前面横向分类环节 2020 3 22 42 2020 3 22 43 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 2020 3 22 44 2020 3 22 45 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 5 OPITZ零件分类编码系统 2020 3 22 46 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 形状码 用于描述工件的主要设计特征 辅助码 用于描述制造特征 尺寸 工件材料 毛坯形状和制造精度 2020 3 22 47 2020 3 22 48 2020 3 22 49 2020 3 22 50 OPITZ编码 2020 3 22 51 OPITZ编码 2020 3 22 52 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 例如零件的尺寸标志 既反映零件在结构上的大小 也反映零件在加工中所采用的机床和工艺装备的规格大小 横向分类环节的顺序体现了回转体零件工艺过程的基本工序顺序 2020 3 22 53 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 例如一个回转体零件的外部形状既有功能槽又有螺纹和功能锥面 便被分在单有功能锥面的代码中 是不尽合理的 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 2020 3 22 54 6 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 2020 3 22 55 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0 9十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 表示工艺信息 2020 3 22 56 2020 3 22 57 2020 3 22 58 2020 3 22 59 四 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 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 2020 3 22 60 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 2020 3 22 61 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 OPITZ编码 2020 3 22 62 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 这样即使零件编码的码值不同 也可能根据相似性将其归入同一零件组 扩大了成组的零件总数 2020 3 22 63 2020 3 22 64 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 2020 3 22 65 根据成组技术中相似性原理 将结构形状相似或加工工艺相似的零件分类成组 对于每一个相似零件组 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 当为一个新零件设计工艺规程时 判断该零件属于哪个零件组 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 第四节派生式CAPP系统 2020 3 22 66 二 派生式CAPP系统的工作流程 如图所示 2020 3 22 67 三 成组工艺设计方法 零件族典型工艺设计方法 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 2020 3 22 68 举例 下图表示一个零件组及其复合零件零件族由4种零件组成 中央零件为改组复合零件 它是一个虚拟的假想零件 按零件族内各实际零件所具有的加工表面要素复合而成 共有5种加工表面要素 2020 3 22 69 2020 3 22 70 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 组内各零件的具体工艺是在成组工艺基础上删除各自所没有的工序内容后得到的 2020 3 22 71 2020 3 22 72 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 也最长的工艺路线为代表 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 2020 3 22 73 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 图中画出了该组4个零件及各自工艺路线 选择了第二个零件的工艺路线为代表路线 其它三个零件的工艺路线与代表路线相比较 发现代表路线缺X2这一工序 将这一工序补入得到该组的成组工艺路线 2020 3 22 74 2020 3 22 75 将人们设计工艺过程时用的推理和决策方法转换成计算机可以处理的决策模型 算法和程序代码 从而依靠系统决策 自动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 第五节创成式CAPP系统 一 创成式CAPP系统的工作原理 2020 3 22 76 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 2020 3 22 77 二 创成式CAPP系统设计的一般过程 2020 3 22 78 1 输入零件信息包括毛坯类型及其尺寸 零件的几何信息及有关工艺加工信息等的输入 2 选择加工方法根据零件各种几何表面特征的加工要求 确定各种表面特征的加工方法 组成零件各个表面要素的加工序列 为生成工艺路线打好基础 常用的查表法是根据零件各表面元素的最终要求 直接在工艺数据库或规则库中查出各表面元素的加工方法 2020 3 22 79 3 生成工艺规程主干按照一定的工艺路线安排原则 将己选择好的零件表面要素的加工方法按一定的先后顺序排列 确定出零件的加工工艺路线 生成工艺规程主干 由于确定工艺路线需考虑的因素很多 故这一过程虽困难但重要 针对这种决策过程很复杂的特点 目前采用分级 分阶段考虑零件的几何形状 技术要求 工艺方法等 以经济性或生产率为追求目标进行优化 并考虑工艺要求等约束因素 最终排出合理的工艺路线 2020 3 22 80 4 检查所生成的工艺路线是否达到要求若对生成的工艺路线不满意 可再进行编辑 修改 直到达到满意为止 5 对所生成的工艺规程主干进行扩充包括各工序定位和夹紧方案等 6 检查经扩充后的工艺规程主干是否达到预期目标 进行编辑 修改 直到满意为止 7 进行工序设计包括排列工序中加工的步骤 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 8 对所设计完成的工艺文件进行输出 2020 3 22 81 三 创成式CAPP系统的工艺决策 所谓工艺决策 是指根据产品 零件设计信息 利用工艺知识和经验 参考具体的制造资源条件 确定产品的工艺过程 1 工艺决策解决的问题类型 1 选择性问题加工方法选择 机床 刀具 夹具选择2 规划性问题工艺路线安排 工序和工步确定3 计算性问题工序尺寸计算 切削用量计算 2020 3 22 82 2 工艺决策方法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 2020 3 22 83 决策表用纵横两条线将表分为4个区域 左边分别为条件项目和决策项目 右边分别为条件状态和决策行动 右边每一列为一条决策规则 1 决策表 条件项目可用文字表述 具体数值或数值范围表示 条件状态取值为T TRUE F FALSE 或空格 决策行动可以是无序的行动 用X表示 也可以是有序的决策行动 用序号表示 2020 3 22 84 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 2020 3 22 85 决策表 2020 3 22 86 决策树由树根 节点和分支组成 树根和分支间用数值相互联系 分支上的数值表示向一种状态转换的可能性或条件 条件满足 则继续沿分支向前传递 以实现逻辑 与 的关系 条件不满足 则转向出发节点的另一分支 以实现逻辑 或 的关系 从树根到终端的一条路径就表示一条相似于决策表中的决策规则 2 决策树 2020 3 22 87 决策树 2020 3 22 88 举例 孔加工方法选择 有下面的决策逻辑 尺寸精度低则采用钻孔尺寸精度高且位置精度低 则用钻 铰尺寸精度高且位置精度高 则用钻 镗可以采用下面的决策表和决策树表示 2020 3 22 89 决策树 决策表 2020 3 22 90 各种工艺决策逻辑的模型化和算法化是生成式CAPP系统开发的核心工作 大多数决策过程属于逻辑决策 需要依靠工艺专家丰富的生产实践经验和技巧 不同的生产对象 不同的生产环境 不同的功能需求 可能会总结归纳出不同的工艺决策模型 目前 在国内外的研究中 加工方法选择等选