《CAD CAM技术》-CAD CAM技术第六章

6.1CAPP的原理与关键技术6.1.1CAPP的基本概念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，由计算机来制订零件的加工工艺过程，自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件，把毛坯加工成工程图样上所要求的零件的过程。计算机辅助工艺过程设计上与计算机辅助设计(CAD)相接，下与计算机辅助制造(CAM)相连，它是设计与制造的桥梁。用计算机辅助工艺规程设计代替传统的工艺设计方法具有重要的意义，主要表现在:①可以将工艺人员从烦琐和重复性的劳动中解放出来，转而从事新工艺的开发工作。下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术②可以大大缩短工艺设计周期，提高产品对市场的响应能力。③有助于对工艺人员的宝贵经验进行总结和继承。④有利于工艺设计工作的最优化和标准化。⑤为实现面向21世纪的先进的生产模式创造条件。6.1.2CAPP的原理和组成一、CAPP的工作原理和类型从系统的基本工作原理来分，一般将CAPP系统分为三种类型，即派生式CAPP系统、创成式CAPP系统和CAPP专家系统(KnowledgeBasedCAPPSystem)。(1)派生法(Variant)(2)创成法(Generative)上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术(3)CAPP专家系统近些年来，国内出现了一些商品化的CAPP系统，从实现方式来看，一般可归纳为以下几类:①使用Word、Excel、AutoCAD等软件平台生成或在其上进行二次开发的CAPP系统。②工艺数据用数据库管理、工艺文件用数据库语言或其他高级语言的报表设计器生成的CAPP系统。③采用“所见所得”的交互式填表方式和工艺数据管理集成的综合式CAPP系统。另外，从CAPP系统的功能来分，有:(1)交互式的CAPP系统上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术(2)基于并行工程的CAPP系统(3)基于PDM的CAPP系统二、CAPP的组成和基本结构尽管CAPP系统的种类很多，但其基本结构都离不开零件信息的输入、工艺规程的生成、工艺数据/知识库、系统的控制和管理以及工艺文件管理与输出五个部分，如图6-1所示。三、CAPP的工作过程与步骤图6-2所示为CAPP系统工作过程与步骤。在CIMS环境下，CAPP与CIMS中其他系统的信息流如图6-3所示。6.1.3CAPP的关键技术一、成组技术(GroupTechnology,GT)上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术1.基本原理制造业中的产品种类尽管成千上万，但零件之间存在相似性:有的零件具有不同的功能，但形状尺寸相似;有的零件在形状上差异较大，但加工工艺过程具有较高相似性。因此，可根据零件几何形状的相似性和零件加工工艺的相似性，将零件进行分类并归并成组(常称零件族)。零件的分组是实现成组技术的基础。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，设计一个新的零件，这可以通过修改一个现有同族典型零件而形成。成组技术的基础是产品零件的分类成组。2.零件分类编码系统上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术零件的分类编码就是用数字或字母来描述零件的几何形状、尺寸和工艺特征。在成组技术实际应用中，有三种基本编码结构。①树式结构。码位之间是隶属关系，即除每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6-5(a)所示。②链式结构。在链式结构中，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6-5(b)所示。③混合式结构。混合式结构是指同时存在以上所说的两种结构(图6-5(c))。3.OPITZ分类编码系统OPITZ系统是一个十进制9位代码的混合结构系统，其基本结构如图6-6所示。上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术4.零件分组方法零件分组是为寻找零件的相似性，将相似的零件归并为零件族，这是实施成组技术的基础。零件的分组方法主要有视检法、生产流程分析法、特征编码分类法等。当被加工的零件数量不太多时，可以用视检法。生产流程分析法是以工厂现行的工艺过程等有关技术资料为依据，其目的是寻求工厂本已客观存在的加工族及其相应的加工设备组，这个方法能较全面地应用现有生产条件的相似性。特征编码分类法也叫特征数据法或特征矩阵法，是通过零件编码来分组的，下面主要介绍这种方法。特征数据法是从零件代码中选择几位特征性强并将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。上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术采用特征矩阵法对零件进行分组的原理如下:每一个零件的代码均可以用矩阵来表示。二、零件信息的描述与获取技术零件信息包括管理信息(又称表头信息，如零件名称、图号、所属产品和部件)、结构形状、尺寸、加工精度(尺寸公差、形位公差和表面粗糙度)、材料及热处理以及其他技术要求，是工艺设计的对象和依据。零件信息的输入方法可采用人机交互式输入或从CAD图形数据库中直接提取。在人机交互输入法中，主要采取成组技术代码法(GT代码法)或型面特征描述法。成组技术代码法前面已经介绍过，这里介绍型面特征描述法。上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术这种方法可以对零件信息进行详细描述，能将零件的所有设计信息都输入计算机中，并能与加工方法等相对应，使CAPP系统取得零件全部、精确、定量的输入数据，为工艺决策提供可靠依据。型面特征类型如下。几何形状特征:一般是组成零件型面特征的几何单元。拓扑特征或方位特征:用于表示各几何形状的顺序关系。精度特征:用于描述几何形状的尺寸公差、形状公差、位置公差以及表面粗糙度等信息。材料特征:描述型面的材料及热处理信息。其他技术特征:描述上述四大类特征尚没有包括的技术特征参数。三、零件信息的输入上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术1.特征识别法但实践证明，该方法存在如下严重的局限性:①只能用于一些简单的、特定的零件。②从大量底层信息中提取加工表面特征这样一些高层次工艺信息是非常困难的。③难于识别和应用诸如公差、表面粗糙度、热处理等工艺信息的标注。2.基于三维特征造型的零件信息描述与输入方法3.基于产品数据交换规范(STEP)的产品建模与信息输入方法四、其他关键技术1.工艺设计决策机制上一页下一页返回6.1CAPP的原理与关键技术2.工艺知识的获取及表示3.工序图及其他文档的自动生成4.NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真5.工艺数据库的建立上一页返回6.2派生式CAPP系统6.2.1派生式CAPP系统原理派生式CAPP系统，是利用零件的相似性来检索现有工艺规程的一种软件系统，其工作原理如图6-10所示。6.2.2派生式CAPP系统的开发设计过程开发设计一个派生式CAPP系统一般包括以下工作。(1)选择或开发零件分类编码系统(2)对现有的零件进行编码(3)划分零件族，建立零件族特征矩阵(4)编制零件族标准工艺过程(5)建立工艺数据库或数据文件(6)CAPP系统软件的设计和调试下一页返回6.2派生式CAPP系统开发一个派生式CAPP系统是一个工作量很大的过程。有资料报道称，需要18~24个人一年的工作量。图6-11所示为派生式CAPP系统开发过程的流程。6.2.3派生式CAPP系统的应用图6-12所示是派生式CAPP系统使用的流程图。上一页返回6.3创成式CAPP系统6.3.1创成式CAPP系统原理创成式CAPP系统是一种能综合零件加工信息，自动为一个新零件创造工艺规程的CAPP系统，其工作原理如图6-13所示。6.3.2创成式CAPP系统设计的一般过程1.准备阶段准备阶段可以说是基础性工作阶段，需要大量的调查研究和仔细的分析归纳。2.软件编程阶段6.3.3创成式CAPP系统的工艺决策1.建立工艺决策逻辑的依据2.一般创成式CAPP系统的工艺决策过程下一页返回6.3创成式CAPP系统一般创成式CAPP系统的工艺决策过程如图6-14所示。6.3.4工艺决策逻辑的主要形式1.决策表决策表是将一类不易用语言表达清楚的工艺逻辑关系，用一个表格形式来表达，从而可以方便地用计算机语言来表达该决策逻辑的方法。决策表的格式如图6-15所示。2.决策树同决策表相比，决策树有以下优点:①更容易建立和维护，可以直观、准确地表达复杂的逻辑关系。上一页下一页返回6.3创成式CAPP系统决策表可以转换为决策树。图6-16所示的决策表可转换为图6-18所示的决策树。②便于扩充和修改，适合于工艺规程设计。③便于程序的实现，其结构与软件设计的流程图相似。上一页返回6.4CAPP专家系统介绍CAPP专家系统(ExpertSystem,ES)是一种在特定专业领域以专家水平求解问题的计算机智能软件系统，它将人类专家的知识和经验以计算机能够接受和处理的形式表示出来，并存入知识库，模拟和运用人类专家解决问题的推理方式、思维过程及控制策略，处理和解决该领域内只有专家才能解决的问题。专家系统是一个基于知识的智能推理系统，它涉及对知识获取、知识库、推理控制机制以及智能人机接目的研究，是集人工智能和领域知识于一体的系统。在CAPP专家系统中，要分别建立工艺数据库和工艺知识库。在设计专家系统时，知识工程师的任务是使系统尽可能模仿人类专家在解决问题时运用知识和经验进行决策和工作的方法、技巧、步骤、过程。下一页返回6.4CAPP专家系统介绍因此，所建系统应具备以下特点。①启发性。②透明性。③灵活性。6.4.1CAPP专家系统的基本组成和工作过程CAPP专家系统是将人工智能技术应用在CAPP系统中所形成的专家系统。与创成式CAPP系统相比，虽然二者都可自动生成工艺规程，但创成式CAPP是以“逻辑算法+决策表”为特征，而CAPP专家系统是以“推理+知识”为特征。CAPP专家系统的组成如图6-19所示。系统各模块的功能如下:①建立零件模型模块采用人机对话方式收集和整理零件的设计信息，上一页下一页返回6.4CAPP专家系统介绍并以框架形式表达。②框架信息处理模块处理所有用框架描述的工艺知识，起到推理机与外部数据信息接目的作用。③工艺决策模块即系统的推理机，它是根据当前事实，按照一定的推理策略进行推理得到可行解集，即冲突集，通过冲突消解而得到各种工艺决策。④知识库用“产生式规则”表示的工艺决策知识集。⑤数控程序编制模块产生数控指令。⑥解释模块是系统与用户的接口，解释各决策过程。⑦知识获取模块通过向用户提问或通过系统不断应用，来不断地扩充和完善知识库。上一页下一页返回6.4CAPP专家系统介绍系统根据输入的信息，利用知识库及推理机作出如下决策:①毛坯的选择。②各表面最终加工方法的选择。③工艺路线的确定。④工序设计。⑤零件模型的修改。⑥机床和夹具选择。⑦加工余量选择。⑧切削用量的选择。6.4.2CAPP专家系统的推理机设计上一页下一页返回6.4CAPP专家系统介绍1.推理机功能所谓推理，是指依据某种策略，从已知的事实或知识推出结论的思维过程。专家能够高效求解复杂的问题，除了他们拥有大量的专门知识以外，还体现在他们选择和运用知识的能力方面。2.推理方法专家系统中的推理方法分为精确推理和不精确推理两种。①精确推理。所谓精确推理，就是把领域知识表示为必然的因果关系，并根据数理逻辑或形式逻辑进行推理的方法，也称逻辑推理。精确推理的方法主要有归纳推理和演绎推理。②不精确推理。不精确推理也称为不确定性推理或似然推理。处理不确定性的方法有上一页下一页返回6.4CAPP专家系统介绍两种:一种是数值计算方法，包括主观B9yPS方法、确定性理论、证据理论和可能性理论等;另一种是非数值计算方法，如非单调推理和批注模型等。3.控制策略①推理方向。在专家系统中，普遍使用三种推理方向:正向推理、反向推理和正反向混合推理。②推理路线。从问题的初始状态到目标状态所启用的知识形成的一个推理链称为推理路线。③推理效率。推理效率是指推理时所付出的时空代价。上一页返回6.5CAPP应用实例1.KYCAPP软件功能及特点2.零件编码系统的基本结构(表6-1)3.