面向复杂零件成组编码系统及其与CAPP集成的研究

作者：孙进平 李广一 王先遣 李书宇

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 企业的生产环境，从计划经济到今天的市场经济，发生了质的变化。产品越发体现出了多品种、小批量的特点。成组技术利用相似性原理把零件分类归组，从而使小批量生产能获得接近于大批量生产的效果。发展到今天，成组技术已成为许多先进制造技术的基础，并被广泛应用到产品设计、制造、工艺、生产管理等诸多领域，形成了计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造以及有成组技术特色的计算机集成制造系统。 零件分类编码系统是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，也是企业各部门共享有关产品零件信息的重要手段。目前，成熟的零件分类编码系统很多，如:OPITZ系统、KK-3系统、JLBM-1系统等。 然而，由于实施成组技术大多要面向具体行业，具体企业，甚至企业的具体部门，很少能套用现有系统，尤其是对于一些复杂零件的成组，由于结构和工艺的复杂其零件相似性差，实施成组的难度大，因而在这方面的研究较少。如何建立一套完善的编码系统来描述形状结构复杂、形面参数繁多、信息量大的复杂零件以实现其成组成为一个巫待解决的问题。本文针对某行业成组技术的研究，提出了以固定码描述一般零件，以固定码+柔性码描述复杂零件的成组编码系统，并对编码系统与CAPP系统的集成进行了研究。 1 编码系统设计 1.1 所覆盖零件的特点分析 所涉及的零件中复杂零件占较大比重。由于这些零件完成的功能特殊，因此其结构和工艺非常复杂。以某壳体零件为例，其铸造毛坯价格十几万元，其零件成品价格几十万元至上百万元，其材料属于难加工材料，共有工序60多道，其中关键工序将近40余道。除内腔主孔加工外，还有210个辅助孔加工，均有较高的位置度要求，其中多个为长径比高达20的垂直相交深孔加工，壳体内腔叶片及变截面阿基米德螺线流道属于复杂曲面加工，要经过铣削加工、电解加工、插削加工、磨粒流加工等多道工序。还有些零件虽然结构简单，但工艺复杂。例如某十字轴，其结构为一方形体四个端面均匀分布四个圆柱体，但因加工时圆柱体同轴度很难保证，共需工序30多道。 总的说来零件有如下特点:结构不对称、复杂曲面多、难加工材料多、尺寸范围变化大、精度要求高、工序数量多等。 1.2 编码系统使用范围的确定 本编码系统主要应用在某厂的机加车间，主要为工艺设计和组织生产服务，但考虑到企业今后的发展和信息集成化程度的不断深人，在满足工艺部门使用要求的前提下，又充分考虑了设计部门的需求，建立了一套多功用的分类编码系统。 对七个产品的4000多个机加零件图纸信息进行了全面的统计和分析，建立了完备的基础数据。在此过程中曾先后套用KK-3系统和JLB系统但效果均不理想。由于行业的特殊性，其中很多零件描述不完整、不准确，甚至无法描述。为此，在参考多个原有成熟的编码系统的基础上，自行开发零件编码系统，尤其是要解决对复杂零件的描述问题。 1.3 编码系统总体方案设计 为了能以较少的码位包含较多的信息，采用混合型分类法，即线分类法与面分类法混合使用的方式，并同时嵌套矩阵结构。 系统的用途和目的的不同决定了系统中各类信息的排列顺序也有所区别。在排列顺序时遵循以下原则:先主后次，先粗后细，先外形后内形，先形状尺寸后精度材料。这样既便于人们掌握和应用，又便于使用计算机进行处理。 鉴于复杂零件占总零件的比重较大，对复杂零件用较少的码位描述不清楚，不能达到准确地分类成组的目的，而增加码位数量会给编码系统的应用带来困难，尤其会使一般零件的编码复杂化。为此，采用了固定码+柔性码的柔性编码系统，即用固定码去描述一般零件，而用固定码+柔性码去描述复杂零件。这样既能准确地描述复杂零件，又不会导致一般零件的描述复杂化，也就是说只有在描述复杂零件时才用到柔性码部分。编码系统总体结构如图1所示。 1.4 编码系统结构组成 1.4.1 类别部分 共2位码表示，可以描述零件的基本类别。第一位为粗分类、第二位为细分类。首先通过这两位码对零件进行初步的分类。 1.4.2 内、外形及要加工部分 共10位码表示。内外形状、要素及要素位置，描述零件的基本形状与基本特征，共6位码。特殊形面用来描述平面加工以及一些特殊的形面要素，如斜面、键槽、花键、梅花孔等。孔系描述，共2位码，主要用来描述主孔以外的辅助孔，如螺钉孔等。如何抓住零件的特点，利用有限的码位及码值信息来使零件准确地分类成组是编码系统开发的主要目标之一。在外部形状码位上，对轴类零件的描述采用了传统的光滑、单向台阶、双向台阶。而对于某阀体类零件其形状各异，除了有外台阶圆柱之外，还有两个或者多个台阶圆柱在不同位置的组合，以及圆柱与方形体的组合。若对以上内容进行描述仅0-9个码是远不够的，而且这种描述方法与零件工艺的相似性关系甚微。如:只有单一轴线的圆柱体可以车削加工，而其它无论是圆柱体的组合还是圆柱体与方形体的组合均需用铣削方法加工外形。针对这种情况，采用通过细节特征把握整体的方法，在对大量零件图纸的深人分析后，将此种零件的外部形状概括为管嘴型、法兰型以及管嘴法兰复合型，只用了三个码值就可以清晰的说明了零件的形状，并且为典型零件组的划分以及零件组特征矩阵的建立创造了有力条件;再如:某内部要素码位的信息排列方法如下:0.无;1.功能锥度或圆锥面;2.圆柱面环形槽;3.端面环形槽;4.活门座;5.1+2;6.1+2+3;7.1+3+4等，功能锥度与圆锥面的加工方法基本相同，故用同一个码值来表示，而圆柱面环形槽和端面环形槽，虽都是环形槽，但加工方法却有差异:前者是普通车刀在圆柱体外圆柱面上加工而成，需保证槽的两个端面到零件端面的两个长度尺寸，精度要求较低;后者使用成型车刀在圆柱体端面加工而成，需保证两个圆柱面的直径尺寸，尺寸精度及位置精度要求较高，因此用两个码值分别表示二者。活门座的加工比较复杂通常要经过车削、镬削加工出基本外形，再用金刚石车刀经一次走刀加工而成或用鹿皮进行研磨加工，位置精度和表面质量要求极高(表面粗糙度达到0.1μm)，且通常带有活门座的零件同时具有功能锥度、环形槽等加工要素。综上，将此码位的信息按上述方法排列。这种方法既符合零件的工艺特点，又符合人们认识事物从易到难、从简到繁、从常见到特殊的过程。 零件类别码部分和内、外形状及要素加工码部分采用关系结构，共三个层次，零件细分类码位是零件粗分码位的子码段，内外形状及功能要素码部分是零件细分类码位的子码段，而内外形状及要素加工码部分本身是链式结构，这样就形成了三个层次的关系结构，信息量极为丰富，是系统的主要部分。 1.4.3 尺寸及精度部分 共5位码。回转体尺寸用长、外径、内径表示;非回转体用长、宽、高表示。其中2位码表示精度。 1.4.4 材质特征 包括毛坯类型、材料、热处理及表面处理，共5位码。材料码位采用关系结构共有二位码，第一位码是对材料类型的概括说明(即粗分类)，第二位码分别与第一位码的0-9个码值对应，对每一种类型的材料做进一步的说明(即细分类)。如第一位码中有:0.铸铁、1.钢、2.合金钢、3.铝及铝合金等，而其中的2.合金钢又可分为:0.合金结构钢、1 合金工具钢、2.不锈耐酸钢等。这样一来有关零件材料的信息变得非常详细。并且使用时更具有灵活性，材料的粗略信息只通过第一位码即可获得，而获得详细的信息则需要输人两位码。 热处理及表面处理部分的信息量大，故采用二维矩阵结构即通过二位码的排列组合得出0-99共 100个信息，使相关内容表达全面准确，例如:01.淬火、02.淬火+回火、……、11.固熔、12.固熔 +深冷处理等。 1.4.5 柔性码部分 对于复杂零件编码要编人柔性码部分，柔性码是对零件信息的补充说明。为了充分保证零件的可靠性，在生产过程中要进行较多的液压强度试验、气密性试验以及X光检查、超声波探伤等，根据这一特点设置了试验和检查两个码位。非切削加工码位用来描述塑性加工、焊接加工等一些特殊的加工方法。辅助结构或功能码位是对零件结构和功能的补充说明，如某阀门类零件的此位码内容为:0.无;1.清泄阀;2.气动换向阀;3，旁通阀。柔性码是为了对零件，尤其是复杂零件更完整地描述。通过柔性码的输人可使复杂零件准确定位到所在的典型零件组，同时也可以被设这可计部门检索利用。 在每一个码位的码值信息中尽量留出空码值，样零件的特征在编码系统上无码位又必须编码时，以利用空白部分自行添补，提高编码系统的可扩展性。 2 零件相似性标准的制定以及零件组的形成 2.1 零件相似性标准的制定 零件编码是零件有关信息的组合，零件分类成组是根据零件在某方面的相似性将零件汇集在一起。因此，可以按照一定的相似性标准利用编码对零件分类归组，通常有三种方法:特征码位法、码域法和特征位码域法。 对零件进行分组时，若相似性标准太高会使零件不易汇集成组，掩盖了实际存在的相似性，甚至使零件分类转变为对零件的识别;若相似性标准过低，会使同一组零件数量太多，使组内零件间差异性太大。使用特征位码域法既能抓住零件分类的主要特征，又能适当放宽相似性要求，以得到满意的分组效果。 2.2 零件组的形成 首先利用视检法对零件进行初步分组，然后制定每组零件的特征矩阵。对零件进行编码利用特征矩阵对所有零件进行分组，将有歧义的零件进行调整，或修改特征矩阵。重复上述过程，最后得到每组零件的特征。在实际使用中将特征码位提前，使得使用人员只需编人特征码位即可检索到零件组，简化了使用过程，提高了准确率。以免使用人员从繁重的工艺文件编制中解脱出来却又陷人了数字迷宫中，并没有享受到计算机技术带来的种种好处。最终，将所提取的零件分为180个零件组，构造(或选择)了每组零件的典型零件，编制了典型零件的加工工艺，将典型零件图库与典型工艺库存入CAPP系统中。 3 编码系统与CAPP的集成 成组编码系统只有与CAPP集成才会有生命力，使之可以调用CAPP库中的资源(如:典型零件图库和典型工艺库)。 成组编码不同于零件编号，零件编号是零件的识别码，而成组编码是零件的分类码。通常情况下，在CAPP中查获一个零件或一份工艺文件是通过它们的识别码，即编号实现的，因为零件与其编号是一一对应的关系，而一个典型零件不能由唯一的一个成组编码来表示，也就是说多个成组编码可能对应一个典型零件。为此，赋予典型零件一个唯一的零件编号，建立零件成组编码与零件编号的映射关系。使用 VC++语言编写了零件分组查找程序，使零件通过成组编码进行分类归组，并查找到所在典型零件组的相关信息，从而实现了编码系统与CAPP的集成。程序流程如图2所示。 使用编码系统对零件进行编码，将零件编码输人到分组程序中，在CAPP中调用该程序，根据分组规则及映射关系找到所在的典型零件组，再调用CAPP中的信息资源使之为设计或生产部门服务。 4 结语 利用所开发柔性编码系统解决了复杂零件的编码描述问题。编码系统是有效实施成组技术的前提，CAPP系统是实施成组技术，尤其是成组生产的必要环境。利用所编制的零件分组程序实现了编码系统与CAPP系统的集成。以零件编码系统为基础，以CAPP系统为平台实现了复杂零件的成组。这种基于成组技术的CAPP系统，可以充分利用企业原有的生产资源和积累的大量行之有效的工艺信息，从而缩短 CAPP的开发周期，减小开发成本，使之见效快，有利于CAPP普及、推广和商品化，是一种适合我国国情的CAPP系统。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/8/2008)