CAPP系统中通用化及实用化关键技术研究

作者：刘道标 葛友华 王正刚

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 引言 CAPP是制造业信息化的一个重要环节，它将产品数据转换成面向制造的指令性数据，是连接 CAD 与CAM 之间的桥梁。由于企业中 CAD 应用的水平不一致，企业对工艺的不重视，创成式 CAPP系统未进入实用阶段，工艺设计系统功能的局限性，以及工艺设计对产品对象、制造环境和生产类型的依赖性等，在一定程度上限制了 CAPP的推广应用。 本文探讨并给出通用化 CAPP系统的结构及关键技术，着力解决 CAPP系统通用化程度与系统的实用性不相适应的难题。在总结企业中的工艺设计经验，对零件结构、工艺知识、制造资源进行规范化的基础上，采用与传统工艺知识相一致的几何特征分类方法，建立以七大类几何基本特征和十大类几何附加特征为载体的特征工艺信息模型。建立基于几何基本特征的工艺设计模板，采用在模板内进行工艺参数化匹配方法，由几何基本特征的工艺设计模板确定零件的主干工艺路线，并根据特征工艺迭加规则和辅助规则，把几何附加特征工艺迭加到零件的主干工艺路线中去。为了适应不同企业制造环境的变化，建立工艺环境资源适配器，使得生成的工艺规程中设备、工艺装备与企业中实际资源相匹配。这些技术的突破性进展，有助于开发通用化、实用性的 CAPP系统，同时符合工艺人员的思维习惯，将 CAPP推广应用向通用化、实用化方面推进一大步。 1 通用化 CAPP系统的结构 本文从模式上研究 CAPP系统的通用性问题，通用化 CAPP系统的结构如图 1 所示，该系统的工艺生成采用基于几何基本特征工艺设计模板技术，建立在工艺知识库/制造资源库的管理平台上，能满足系统的初始化、工艺知识更新和系统扩充等要求，可以覆盖轴类、箱体类、支架类、盘套类、齿轮类等零件的工艺规程的编制，符合工艺人员的思维习惯。 2 零件信息的特征描述与提取 2.1 零件特征工艺模型 零件信息的描述和输入是 CAPP系统的关键技术之一。CAPP系统的输入信息就是需加工零件的几何与制造特征信息，它是 CAPP系统进行工艺决策生成零件加工过程的初始依据。 根据工艺规程设计的特点和零件在加工过程中的形成关系，从工序独立的角度来划分几何特征，将零件的几何形状分为基本特征和几何附加特征。其中基本特征描述零件基本几何形状的主要外表面，附加特征描述零件次要几何形状以及在功能、结构、工艺特点上存在组合要求的特征，它依附于基本特征。基本特征决定的是零件的工艺规程框架，决定零件加工的主要工艺路线，附加特征则是零件具体结构的描述，是在几何基本特征加工的基础上，一般需要增加工序或至少是增加工步才能形成。根据此定义，零件可以看作由一个基本特征和若干个附加特征组合而成。 零件的特征信息从制造角度看，可分为总体特征、几何特征和工艺特征。其中几何特征作为工艺特征的载体，工艺特征可由几何特征通过映射和转化得到。 1)总体特征是指零件的管理信息，描述的参数包括产品型号、零件名称、零件图号、材料名称、毛坯类型、外型尺寸、生产批量等。2)几何特征是指零件的几何形状和尺寸，可分为七大类几何基本特征和十大类几何附加特征。3)工艺特征是指附属在几何特征之上的工艺属性。包括精度特征、材料特征、技术特征和资源特征等。零件的特征工艺模型如图 2所示。 2.2 零件特征信息的输入 2.2.1 零件特征工艺参数库的建立 构建零件特征工艺参数库，存储零件特征工艺信息。特征工艺参数库中的信息分为两类信息，一类是逻辑判断信息，该类信息给出的是系统根据国标或规范提供的一系列参数，如精度等级、热处理状态、材料牌号等。一类是量化参数信息，该类信息需要工艺设计人员的输入，如结构尺寸、测量参数等。 每一个几何特征（包括几何基本特征和几何附加特征）作为特征信息的载体，赋予惟一的标识，采用数据库方式存储，特征要求的内容为字段的参数，不同的特征则为数据库的记录，每一条记录就是特征信息的总和。 为了便于工艺决策和零件信息的存储与管理，按零件特征组成零件信息，零件特征信息存储采用面向对象的类结构，形成零件特征类库。特征类库中的参数对工艺路线的制定、工艺装备、切削用量的选择具有决定性的作用。 2.2.2 特征信息的输入 零件特征信息的输入包括总体特征信息输入和特征工艺信息输入。零件的总体特征信息是在产品的设计阶段产生的，已经存放在系统的数据库中，可以从产品数据库中自动导入。特征工艺信息主要是零件图上标注的信息，由于 CAD模型的不一致，以及自动识别技术的局限性，需要在系统输入界面上采用人机交互方式进行选择性输入或直接输入。 零件特征工艺信息的输入分两步进行。第一步，根据零件的图样信息，识别零件的几何基本特征参数及其相应的工艺参数。几何基本特征识别时，主要是以零件的外轮廓为主，与工艺设计无关的轮廓与结构可以进行适当的简化，以便于特征的处理，包括工艺简图的绘制与生成。第二步，根据零件的图样信息，识别零件的几何附加特征参数以及相应的工艺参数，几何附加特征识别时，主要考虑各种需要加工结构要素的基准关系、测量尺寸、与轮廓的连接参数等。 3 基于特征工艺设计模板的工艺生成 3.1 基于几何基本特征的工艺设计模板 基于几何基本特征的工艺设计模板是按照零件的几何特征大类进行划分。其目的是使得模板结构变小，模板的多义性减少，提高模板适配的精度。特征是构成零件的基本要素，不同的零件是由相同的若干种几何特征组合而成的，解决了几何特征的工艺以及各种几何特征工艺的迭加方法，即可使用这类模板进行各种零件工艺的生成。 基于几何基本特征的工艺模板的设计，将几何基本特征工艺信息集分为条件和结论两大部分。条件部分是由特征号、特征名称、毛坯状态、材料热处理、最高精度等组成。结论部分按照加工的工序，分为粗加工、半精加工、精加工、磨削加工、精密加工等几个阶段，每个阶段的工艺内容排列顺序是：工序号---工艺名称-工序内容-车间---设备---刀具---夹具-基准-工时等。其中工序内容包含若干个工步和工序精度及几何尺寸，把工序内容用不同的参数表示，并进行规范化、标准化。这样，将零件的几何基本特征的工艺按加工阶段进行有序的排列，组合在一起，就形成特征工艺设计模板。 3.2 基于特征模板的工艺生成方法 几何基本特征的工艺设计模板结构如图3所示。工艺生成以几何基本特征工艺设计模板决定零件的主干工艺路线，同时考虑零件的附加特征工艺，按照一定的迭加规则，将附加特征工艺迭加到主干工艺路线去，实现零件工艺规程的生成，使得工艺修改量小，工艺生成简单。 （1）几何基本特征工艺的匹配 按照零件的材料和几何基本特征中加工表面精度要求最高的精度等级，进行零件加工阶段的划分，匹配几何基本特征工艺设计模块，生成零件的基本特征工艺，形成零件的工艺主干路线。 （2）几何附加特征工艺的匹配 按零件几何附加特征的加工顺序，根据零件几何附加特征名称、特征号、最高精度等，匹配附加特征工艺模块，依次生成零件的附加特征工艺。 （3）基本特征工艺与附加特征工艺的迭加。 根据特征工艺迭加规则，将附加特征工艺依次插入到零件的工艺主干路线中，生成零件的初始工艺文件。 3.3 特征工艺迭加规则库和辅助规则库的建立 为了实现几何基本特征工艺、附加特征工艺按照一定的规则生成零件工艺，需要建立特征工艺迭加规则库，并在数据库中以表的形式存放。表的横坐标字段为基本特征与附加特征共17 种，表的纵坐标字段为附加特征 10种，而且每一个几何特征分为粗加工、半精加工、精加工、磨削加工、精密加工等 5个精度区段，这样就构成了特征工艺迭加规则矩阵。这个特征工艺迭加规则表不仅反映了不同的精度区段、几何基本特征工艺与几何附加特征工艺、几何附加特征工艺与几何附加特征工艺的迭加规则，也反映了相同的精度区段中各工序的排序应满足相应的逻辑关系，如平面在孔加工之前，螺纹在孔加工之后，几何基本特征与几何附加特征加工有主从关系，如圆周槽、螺纹、键槽在轴加工之后等。 然而，特征工艺迭加规则仍不能完全满足特征工艺迭加的要求，还需要借助一些辅助规则，才能生成零件的初始工艺文件。例如：几何基本特征工艺的加工区段是按最高精度确定的，对于阶梯轴有不同精度的外圆，低精度的外圆加工工艺则按精度辅助规则在调用几何基本特征工艺模板中自动生成，不需要全部调出，再删除多余部分等。 4 企业资源适配器的建立 CAPP 系统推广应用的难度主要有，企业中不同的制造资源环境和企业中不同的工艺设计人员会生成不同的工艺规程，这也是 CAPP 通用化必须解决的难点之一。建立企业资源适配器主要解决 CAPP 系统能适应不同企业资源的变化，通过应用前期的相关工作，使系统在不改变结构的前提下，满足不同企业的要求。企业资源主要包括两大部分，一是企业中现行的一些工艺规范（如现有的工艺模式、工艺方法等），它涉及到相关规则的调整；另一是现行的工艺条件（如设备、工装等），它涉及到相关数据库的调整。企业资源适配器的结构如图4 所示。 资源适配器是企业资源管理的一个重要模块，它的功能包括建立企业设备库、查找企业资源库与工艺规程中的要求相匹配、企业资源数据库、特征规则数据库的维护与更新、典型工艺的对接等。 （1）建立企业设备库。提取企业设备信息，并存入数据库表中，数据表的字段为：工序名称、设备类型、设备名称、设备型号、加工精度范围、加工尺寸范围、电机功率、部门序号等。表中设备的排列采用先小后大的顺序，即零件加工尽量采用最小设备，以节省加工费用。 （2）查找企业设备库与工艺规程中的设备相匹配。 1）根据加工工序选择本工序机床类型，若没有机床类型可选择，则建议修改工序内容。 2）根据工序的加工尺寸、工序最高精度选择机床型号。若选定机床类型中没有合适的机床可选，则重新选择机床类型。 3）针对不同的企业资源管理，用户可以通过资源适配器，添加，扩充，更新企业专用的工艺资源。 （3）特征规则库的维护与更新。几何基本特征的工艺路线框架基本上决定了零件的工艺路线，在 CAPP系统实施之前，先将几大类几何基本特征的工艺规程重新过滤一遍，与企业现有的制造资源相适应。几何附加特征的工艺规则比几何基本特征简单，也比较容易更新。同时系统设置特征工艺模板维护模块，系统在使用过程中，可以对特征工艺进行动态的修改和维护，调整或扩充相关内容，保证系统有广泛的适应性、可移植性和可重构性。 （4）典型工艺规程的对接。有些企业对某种类型的零件有独特的加工方法，以及对某些结构的制造有成熟的制造经验等，需要对这些典型的工艺规则进行更新。 5 应用实例 基于上述思想，开发了通用化 CAPP 原型系统，并在多个中小型制造企业应用，取得较好的使用效果。其主要功能模块如下： （1）零件特征信息提取 根据所设计零件，导入零件总体信息，提取零件零件基本特征工艺信息以及零件附加特征工艺信息并存到零件特征工艺信息库，以便后续特征工艺设计需要（如图 5 所示）。 （2）基于特征工艺设计模板的工艺生成 根据零件特征工艺信息，进行几何基本特征工艺匹配、几何附加特征工艺匹配以及特征工艺迭加，通过适当修改，生成新零件工艺（如图6、图 7所示）。 （3）系统资源适配器 系统初始化是系统通用化的接口，初始化实质上是资源适配器的实现过程，它实现企业现有工艺信息、制造资源的采集，形成系统工艺规程生成时所需要的约束条件、文件模板及工艺规则。（如图8所示） 6 结论 本课题主要采用针对零件的几何特征编制工艺，而不是针对零件编制工艺。在几何特征分类的基础上，提出以几何特征标识为信息柄的工艺特征参数输入模型，建立基于几何基本特征的工艺设计模板以及在模板内实现零件工艺主干路线的参数化匹配，可以解决由于零件的不同所造成的不实用情况。建立工艺资源适配器，在系统的应用前和应用过程中，将系统的资源与企业的资源进行适配。解决 CAPP 系统中通用化程度和智能化程度与系统的实用化不相适应的难题，提出一整套与各种不同制造模式，不同类型企业相配套的解决方案，具有较大的社会效益。

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