计算机辅助工艺过程设计第3章

1、计算机辅助工艺过程设计计算机辅助工艺过程设计 教师：王广林教师：王广林 单位：哈尔滨工业大学机电工程学院单位：哈尔滨工业大学机电工程学院 通信地址: 哈尔滨工业大学421信箱 邮政编码: 150001电话:O) 传真:-Mail: 机电工程学院计算机辅助工艺过程设计 第1章 概 述第2章 原始信息的描述与输入第3章 CAPP工艺路线的生成第4章 工序工艺的设计第5章 CAPP系统设计第6章 CAPP系统开发、应用、维护及产品化 第7章 工具型CAPP软件机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 工艺过程通常按如下三个层

2、次进行 1.工艺路线设计 在这一层设计中确定出工序组成及其顺序，以及每道工序所用的设备型号、定位方案，工步组成，工件中间加工要求。 2.工序工艺设计 在这一层设计中要进一步确定出工序详细内容，包括余量、工序(工步)尺寸及切削参数等。 3.工步工艺设计 对一些自动机床的加工，如数控机床加工等，要详细设计出工步工艺，即设计出走刀运动轨迹及机床控制指令。 其中工艺路线设计中的决策最为复杂，是CAPP中的核心部分。 工艺路线设计工序工艺设计工步工艺设计机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 3.1 3.1 派生式派生式( (或称变异式、样件法或称变异式、样件法) )CAPPCAPP的

3、工艺路线生的工艺路线生成成 零件可以按形状分成有限种类型。对这些零件的加工，已经形成了典型的工艺过程。设计零件的工艺过程时，工艺人员通常首先查找典型工艺过程，然后根据具体零件，增删编辑典型工艺路线，最后形成适用于该零件的工艺过程。 在计算机辅助工艺过程设计中，应用典型工艺过程可以明显降低设计难度，提高设计质量，明显缩短编制算法和程序的时间。这种方法就称为派生法，亦称样件法、变异法变异法。机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.1.13.1.1派生式派生式CAPPCAPP的基本原理的基本原理 即系统建立过程如图3-1(a）所示。首先对所有被加工零件按编码法则进行编码。然后按工

4、艺相似性将零件分组(族)，建立零件组特征矩阵，并为每组的代表零件(样件)设计出加工工艺过程。各零件组的分组特征矩阵及对应的典型工艺过程都以文件形式存放在数据库中，同时还要将有关刀具、夹具、量具机床的数据，材料数据及切削参数等以文件形式存入，再配以相应的一整套计算机算法程序，就组成了样件法计算机辅助工艺过程设计系统。当要对一个新的零件设计工艺规程时，启动系统后，系统就按图3-1(b)所示的流程进行工作。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 （a）建立系统零件图编 码分 族特征矩阵样 件典型工艺1 2 1 2 数据文件数据文件图3-1 派生法CAPP的建立和运行过程1. 零件

5、图编 码2. 检索零件族4. 调典型工艺5. 修改（b）运行系统1 2 3 1 2 3 3. 人机对话6. 打印工艺文件找不到所属零件族找到零件族机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 系统运行过程： 第1步，首先输入原始信息。 第2步，由零件族搜索模块对文件中的零件组特征矩阵进行搜索，按编码，寻找新零件属于哪一个零件族。 第3步，若找不到所属零件族，则程序转向人机对话生成工艺规程模块。 若找到所属族，则第4步就从典型工艺文件中将对应的典型工艺过程调入内存。 第5步程序根据输入的原始信息，对典型工艺过程进行编辑加工，生成新零件的加工工艺过程。 最后第6步将编制好的工艺规程存盘

6、或打印输出。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.1.2 3.1.2 零件组特征矩阵及零件寻组零件组特征矩阵及零件寻组 分组方法可以在零件编码的基础上用特征位码域法。关键是具体的相似性准则的确定。相似性准则如下：1.形状相似使加工方法以及定位方案等接近；2.尺寸相似保证能在同一规格机床上加工；一般外形尺寸及加工尺寸相差不应超过3-5倍；3.精度要求相似使加工过程、加工阶段划分，以及设备精度要求接近；4.材料及热处理要求相似。机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 计算机存贮了各种零件组的特征矩阵后，当输入计算机一个新的零件编码后，就可以按特征矩阵寻找其

7、所属组。图3-3 零件寻组过程L = L+1零件属于L组零件不属于系统组内I = N ?I = I + 1L = 0I = 1取I位码值XNNNYC( L10+X，I ) = 1 ?L = M 1 ?Y机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 设零件为N位编码，系统存有M组特征矩阵的集(图3-2)，矩阵各分量的值都存贮在一个两维数组C(J、I)中。其中0JM10，1IN。例如有一个零件编码为131012331，搜索先从第一个矩阵(L=0)开始。取第一位码(I=1)“1”(X=1)，查得C(1.1)=1，表示第一位码符合，再取第二位码(I=2)“3”(X=3)，查得C(3，2)=

8、0表示第二位码不符。程序转向搜索第二个特征矩阵(L=1)。也先取第一位码(I=1)“1”，得C(11,1)=1,再取第二位码(I=2)“3”（X=3）,得C(13，2)=1，也符合。依此查得C(11，3)，C(10，4)，C(11，5)，C(12，6)，C(13，7)，C(13，8)，C(11，9)全都等于“1”，因此这个零件属于第二个组(“1”组)。在查找中只要有一位码不符，程序就转向搜索下一个矩阵。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.1.3 3.1.3 主样件及典型工艺路线主样件及典型工艺路线 为了给一个零件制定一个典型工艺路线，必须有一个代表零件作为分析对象。这

9、个代表零件应该具有全组零件的结构和工艺特征。这个代表零件通常称为主样件。 对于品种多的零件组，可以先把全部零件按特征接近原则划分成小组，每组找一个基础件，把小组其它零件的不同特征迭加到基础件上，生成子样件，然后再由子样件合成主样件。当品种不多时则可由零件组直接合成主样件。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成图3-4 主样件的合成零 件 组零件1零件2零件3零件N -1零件N子样件1= 1+2+3子样件2= 4+5+6子样件M= + N主样件 = 子样件1 + 子样件2 + +子样件M机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成表3-1 主样件合成实例零 件 图

10、主 要 特 征单向台阶、曲面、光滑通孔 双向台阶、光滑通孔 单向台阶、回转槽、光滑通孔 单向台阶、外螺纹、光滑通孔 单向台阶、滚纹、回转槽、平面加工、单向台阶孔、内螺纹 双向台阶、滚纹、回转槽、单向台阶孔、内外螺纹、曲面、平面加工机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 合成主样件之后，就可以按主样件设计出典型的工艺过程。典型工艺过程设计也可以用合成法完成。即通过对单个零件的工艺过程的综合，形成典型工艺过程。但设计时要尽量采用本企业的先进经验，适合本企业生产条件，确保方案技术经济指标达到最佳水平。表3-2 典型工艺路线工序工步工序内容加工表面设备1准备、下料2123456789

11、1011车削装夹车端面车外圆滚花纹车成型面车槽车螺纹钻孔内孔倒角攻丝切断留余量12345266C61631234车削装夹车端面车外圆镗内孔789C616412铣平面装夹铣平面10XB126512钳工去铣后毛刺攻螺纹6机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 上述典型工艺路线，也可用一个N4的矩阵来表示。其中第一列为工序号和工步号，第二列为工序工步内容，第三列为加工表面，第四列为设备。并将其存入计算机典型工艺文件库中。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2 3.2 创成法生成工艺路线的基本过程创成法生成工艺路线的基本过程 创成法与前述样件法不同，工艺路线

12、的生成不是建立在相似性设计的基础上，而是用系统的决策算法，对零件各表面的加工工步进行排列组合，形成工序，再对工序进行排列组合，形成加工阶段及整个工艺过程。而工步的选择仍然是建立在典型加工工艺方法的基础上。 创成法的程序和算法系统要比样件法复杂得多，通常算法是层次的。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2 3.2 创成法生成工艺路线的基本过程创成法生成工艺路线的基本过程图3-6 多层次算法框图输入原始信息W：B1=；B2=；Wj：GC Jk=kWA：JK=KKWX：ALqWP：qq工序工艺设计1234567机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2.

13、1 3.2.1 选择加工工步选择加工工步 在机械加工中，工件可视为由许多相互联系的单元表面要素所组成。这些基本要素的形状通常可以由一个加工工步来获得。但是当对于表面的精度和精糙度有较高要求时，则需要由粗到精经过数个工步的加工。用于加工单元表面要素，由一种或数种工艺方法所组成的单元工艺过程称为表面加工链。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 在输入原始信息后，第2步就是运用算法W求得组成零件的各表面Bi的加工方法(Bi)和加工链。 算法W是一种逻辑决策方法。在一定生产技术发展阶段，每种基本要素总是对应一定类别的典型加工方法。例如外圆表面的加工方法有车、磨、超精研、滚压等；平

14、面的加工方法有刨、铣、拉、磨、刮等。对于不同精度和表面粗糙度要求，不同生产纲领，不同工厂(生产系统)条件，表面加工链是这些加工方法的不同组合。因此根据各种加工方法的经济加工精度和表面粗糙度就可以制定出选择加工方法的决策规则表。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成表3-3 选择外圆表面加工方法决策规则表 加工方法精度等级（IT）表面粗糙度(Rz)车削粗车11124080半精车8102040精车676.320细车、金刚石车560.86.3磨削粗磨86.340精磨671.66.3细磨560.41.6研磨、超精加工 0.20.8滚压 0.23.2机电工程学院CAPPCAPP工艺路

15、线的生成工艺路线的生成图3-7 表面加工链的正算法程序开始 选粗车工步1(Bi) IT12 Rz80符合Bki ?选半精车工步2(Bi) IT10 Rz40符合Bki ?有色金属 ? 选精车工步3(Bi) IT7 Rz20 选粗磨工步3(Bi) IT8 Rz40符合Bki? 选精车工步4(Bi) IT56 Rz6.3符合Bki ? 选精磨工步4(Bi) IT6 Rz1.6符合Bki? 选超精加工5(Bi) IT5 Rz0.8结 束结束YNYYYYNNNNN12345678910111213机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成图3-8 表面加工路线逆运算法程序BikMz取Bi

16、j求(Bij)求Bij-1Bij-1落到粗加工范围？Bij-1Mz输出(Bi1)，(Bi2)，(BiK)2NY345167机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成表3-4 本工步与前工步表面状态对应关系表加工精度等级(IT)加工表面粗糙度(Rz)(m)本工步前工步本工步前工步570.160.636890.321.257100.631.252.52081012132.540204080以上机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 直接建立型面加工链选择的逻辑决策系统，可以简化设计过程，是计算机辅助工艺设计系统研究中的一项重要内容。决策系统包括型面加工链方案选择表格

17、和相应的决策程序其具体内容随企业具体条件不同而不同。 在作决策运算时，将型面最终状态Bik与表格值进行比较，搜索出满足全部要求的加工链方案。从表中可以看出，有时可以有几种可行方案。如外圆加工，精度IT6，表面粗糙度RZ0.4可用表3-5中6、7、8、9及10等方案，这时就需要优先级(一般是根据经济性原则来考虑)选择方案。 上述加工链的选择是孤立地按单个型面来进行的，没有考虑零件各型面在整体上的相互联系，因此不一定是最佳的。所以要在上述运算基础上选出几个方案，然后进一步从零件整体角度上确定各型面加工链的最佳方案。机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成表3-5 外圆表面加工方案序

18、号加工方案经济精度等级(IT)表面粗糙度(Rz)(m)适用范围1粗 车111340320适用于淬火钢以外的各种金属2粗车半精车8910403粗车半精车精车673.2104粗车半精车精车滚压（或抛光）670.11.65粗车半精车磨削671.66.3主要用于淬火钢，也可用于未淬火钢6粗车半精车粗磨精磨570.43.27粗车半精车粗磨精磨超精加工（或轮式超精磨）50.10.8钢，但不宜用于有色金属8粗车半精车精车金刚石车560.13.2主要用于要求较高的有色金属9粗车半精车粗磨精磨超精磨（镜面磨）5级以上0.2主要用于极高精度的外圆加工10粗车半精车粗磨精磨研磨5级以上1040端 面2粗车半精车精车

19、673.2103粗车半精车磨削790.86.34粗刨（或粗铣）精刨（或精铣）796.340一般不淬硬的平面（端铣的粗糙度可较高）5粗刨（或粗铣）精刨（或精铣）刮研560.46.3精度要求较高的不淬硬平面批量较大时，宜采用宽刃精刨方案6粗刨（或粗铣）精刨（或精铣）宽刃精刨60.86.37粗刨（或粗铣）精刨（或精铣）磨削60.86.3精度要求较高的淬硬平面或不淬硬平面8粗刨（或粗铣）精刨（或精铣）粗磨精磨560.16.39粗铣拉690.86.3大量生产，较小的平面（精度视拉刀的精度而定）10粗铣精铣磨削研磨5级以上4080加工未淬火钢及铸铁的实心毛坯，也可用于加工有色金属（但粗糙度稍差）孔径（15

20、20）mm2钻铰896.3203钻粗铰精铰783.2104钻扩112080同 上5钻扩粗铰精铰73.2106钻扩铰896.3207钻扩机铰手铰670.43.28钻（扩）拉790.410大批、大量生产（精度视拉刀的精度而定）9粗镗（或扩孔）11132080除淬火钢以外的各种钢材，毛坯有铸出孔或锻出孔10粗镗（粗扩）半精镗（精扩）893.21012粗镗（扩）半精镗（精扩）精镗浮动镗刀块精镗671.66.313粗镗（扩）半精镗磨孔780.86.3主要用于加工淬火钢也可用于不淬火钢，但不宜用于有色金属14粗镗（扩）半精镗粗磨精磨670.41.615粗镗半精镗精镗金刚镗670.23.2主要用于精度要求较

21、高的有色金属16钻（扩）粗镗精铰珩磨；钻（扩）拉珩磨；粗镗半精镗精镗珩磨670.11.6精度要求很高的孔17以研磨代替上述方案中的珩磨6级以上0.8机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2.2 3.2.2 加工阶段划分的算法加工阶段划分的算法 解决了单个型面的加工链，在下层次设计中，要进一步把各表面加工工步集合GC划分成加工阶段，以便将同一阶段的工步归纳为工序，其运算可表达为： WJ：GC：JK=K J1，J2Jk为加工阶段，K表示归入阶段JK的加工工步。WJ为划分阶段的计算机算法。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成表3-8 工艺过程阶段划分阶段号

22、名称作用与特征J1J2J3J4J5J6J7J8J9J10J11J12J13准 备粗加工热处理I半精加工热处理II半精加工II热处理III精加工I热处理IV精加工II精加工III电镀光整加工获得毛坯及热处理除去多余的余量调质，时效加工精度IT919，表面粗糙度Ra1.25渗炭除去渗炭层淬火、回火加工精度IT78，表面粗糙度Ra0.32渗氮，时效磨去渗氮层加工精度IT5IT6，表面粗糙度Ra0.16镀铬，镀镍表面粗糙度Ra0.040.08机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成表3-9 确定平面、槽加工链算法表选 择 加 工路 线 的 条件阶段加 工 链12345J13 研磨J11

23、 磨削磨削磨削磨削J8铣削铣削铣削铣削铣削J4铣削铣削铣削铣削铣削表面要求精度IT1010866表面要求粗糙度Ra1.251.250.80.320.08热处理调质淬火调质不限不限 为了实现算法WJ，在规定各个表面加工路线时，不只是确定加工方法，而且要确定各工步所属的加工阶段。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2.3 3.2.3 工步归序的运算工步归序的运算这一层次的运算是将各阶段的工步集合，按设备的工艺可能性分解成不相交子集，这一步可表示为WA：JK=KK A1，A2为按设备加工的工艺可能性归并后的工步子集，称为大工序，它是工序集中的极限。WA为按设备工艺可能性划分

24、大工序的算法。机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 设备的工艺可能性是指能加工的表面种类Bi及加工方法j，加工尺寸范围及精度，表面粗糙度等。 解算结果，使每阶段的加工工步最大限度地集中在一至数个大工序中。将大工序作为加工工序，在效率和经济上不一定合理，因为这样在一个工序内可能要多次安装和重调机床。因此以后还要进一步将工序划细。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2.4 3.2.4 将大工序划分成加工工序的运算将大工序划分成加工工序的运算 大工序是按设备工艺可能性划分的，因此是一种工步最大限度集中的方案。直接将大工序作为加工序在技术上是可行的，但经济

25、上不一定合算。这里应遵守工艺学中工序集中与分散的有关原则。 如何划分合适，要考虑总的时间节省。要权衡机床重调的时间损失和工件重新安装的时间损失。这种对比与生产批量及所采用设备和夹具等具体条件有关。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2.4 3.2.4 将大工序划分成加工工序的运算将大工序划分成加工工序的运算 算法表达为：Wx：AQLa1,a2akqLAqL为某一阶段的大工序，a1,a2为细分得的加工工序，算法WX应保证加工工序的工序时间tj总和小于大工序的工序时间TA，并从满足这个条件的方案集中选出工序时间最短的最佳方案。同时还要保证质量！机电工程学院CAPPCAPP

26、工艺路线的生成工艺路线的生成AM=AWAN取AW细分定位方案：顶针增加修顶针孔工步AM=azayaCaq取AN细分nn2?ANA左A右定位方案：夹盘和中心架进一步细分A左、A右模块AM=a1a2a3 图 3-9 磨削工序的细分输入AMYYYYNN1234567891011121314151617AM中有外圆和内孔？有J7热处理？AM中有锥面、球面、成形面？nn1？是内孔表面？两侧向里阶梯孔？机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成3.2.5 3.2.5 工序的排序算法工序的排序算法这一步的运算是将细分得的工序aj，在同一加工阶段范围内进行编排，算法可表达为：WP：qq排序算法W

27、P主要根据如下几方面约束条件：1.加工表面的自然形成秩序 2.基准选择 3.生产车间的设备排列 4.企业的工艺习惯 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成1.加工表面的自然形成秩序 机械加工中表面的形成有其必然规律。如图3-10所示零件，只有在圆柱面1获得以后，才能去加工平面2，然后才能在平面上钻孔3，在孔上攻螺纹孔4。而不可能倒过来生成表面。一般说来，表面生成的规律是先基本表面后辅助表面，而辅助表面又可分为1秩，2秩等等。对回转体来说，一般是内外圆柱面(基本表面)、平面、孔、曲面、槽等(1秩辅助表面)，孔、槽、螺纹等(2秩辅助表面)。对箱体形零件一般生成顺序是平面、主回转面

28、、主孔(基本表面)、槽、曲面、次要孔(辅助表面)。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成2.基准选择 基准选择应遵循基准重合，基准统一，互为基准，有利于夹具设计等工艺原则。一旦基准选择好，在加工顺序上就要先进行基准表面的加工，后加工其他表面。 3.生产车间的设备排列 在不影响加工精度条件下，加工顺序排列应与机床排列一致 ，以避免零件在车间中迂回运输造成混乱。 4.企业的工艺习惯 企业根据自己的人员素质，生产条件，长期以来往往形成自己的一些习惯，要尽可能予以尊重。例如有些企业习惯于把轴上不淬火螺纹的加工放在最后，以免零件反复运输中碰坏螺纹。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路

29、线的生成工艺路线的生成图3-11 工序的排序输入a1,a2,a3,Tij = 1有a平 ?aj= a平j = j +1有a齿a花 ?T1T01?aj= a齿, aj+1= a花 j = j +2T2T02?aj= a孔, aj+1= a槽j = j +2K=1有a方孔 ?aj= a槽, aj+1= a孔j = j +2K=1 ?aj= a花, aj+1= a齿j = j +2aj= a螺输出a1,a2,a3TiYYYYNNNNY123456789101112141315161718192021NNY机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成 为了使排序的思路更清晰，可以采用拓扑排

30、序算法。 分析工艺过程可知，有些工序可以独立进行，有些工序则以完成其它工序为先决条件，例如精车是以完成粗车为先决条件。也就是说两者存在优先关系。这种关系可用有向图清楚表示出来。如图3-12所示，以顶点表示工序，用有向弧线表示先决条件。若工序i是工序j的先决条件，则用有向弧线表示。其中i是j的前趋，j是i的后继。 C1C2C0图3-12 有向图表示机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成5065759021010507040508配钻图3-13 短轴零件简图1.63.2 如图所示零件，其加工工序集合为CO(粗车)，C1(半精车)，C2(精车)，X1(铣键槽)，P4(配钻)，IO(正火)，M1(粗磨)。 机电工程学院CAPPCAPP工艺路线的生成工艺路线的生成表3-10 加工方法优先关系表（节选） 列行C0C1C2X1P4I0M1C001111-11 C1-10111-11 C2-1-1011-12 X1-1-1-101-12 P4-1-1-1-10-1-1 I01111101 M1-1-1221-10 表3-1