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自动机加工智能CAPP系统的研究 |
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作者：程光耀 孙厚芳 |
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前言
自动机加工在导弹引信和钟表小轴类零件的加工中得到了广泛的应用，由于零件的几何尺寸小，形状复杂，工步参数计算繁琐，工艺编制周期长且工艺参数计算常常出错，给生产带来了极大的不便。目前国内外对自动机加工 CAPP 系统的研究很少，由于缺乏理论基础，实现方法难度大，没有应用到实际生产中。因此，对小轴类零件的自动机加工智能 CAPP 系统的研究就显得格外重要。
零件工艺路线的生成过程是经验性很强且随加工环境多变的决策过程，如何合理的安排组成零件各特征的加工顺序，从而生成整个零件的加工工艺路线，是CAPP 系统要解决的关键技术。由于组成零件的特征模型是一个复杂的树状层次结构，工艺路线也是由工序和工步组成的分层结构，决定了工艺路线的决策过程也是一个分层规划的过程。本文通过对零件的几何和工艺特征信息的描述，建立了零件加工工步的自动排序和工艺过程参数计算模型，动态实现了工艺文件和控制凸轮曲线的自动生成。
1 面向对象的零件信息描述方法
零件特征信息的表达是 CAPP 系统进行工步自动排序、工序自动生成、工步参数自动计算的前提和基础，必须包括问题状态的描述、解的描述和解执行情况的描述等方面的信息。
1. 1 零件信息描述模型
由于自动机加工由 5 把刀具和一把尾座辅助刀具完成零件的全部加工，主要的外圆表面由天平刀架的1 号和 2 号刀架完成，倒角、端面孔、端面挖槽等由 4号、5 号刀和尾座刀具分别完成。根据自动机加工的特点及面向对象的特征建模原理，将零件特征信息分为几何特征、精度特征、材料特征、技术特征及管理特征。上述特征都被抽象化为具有相应属性和行为的抽象对象，所有这些特征对象都封装了多重的属性。零件多层次特征模型如图 1 所示，几何特征是特征层次中最重要的子模型，包含的信息最多，除几何信息外，还包括尺寸约束及精度信息，几何特征的关联采用特征树的结构来描述。几何特征分为主特征和辅特征，根据每一个特征的特点对特征进行分类，建立特征的抽象类和子类，子类继承抽象类的所有属性，形成一个完整的树状特征关系图。精度特征的表达是以几何特征和几何要素为载体。管理特征、材料特征和技术特征是描述零件总体信息的，将它们归并为总体信息。通过上述的零件信息的层次结构，可构造基于零件类和特征类的零件信息模型。
图1 基于特征的轴类小零件信息模型层次结构
1. 2 零件的特征信息和工艺信息描述模型
一个完整的零件信息表示包括 3 个部分：①零件的整体信息，它是零件的索引信息，包括零件的总体信息和精度信息；②零件的特征信息，是对零件工艺信息的描述；③零件的加工工艺方案的描述信息，即工艺文件。这三部分是一一对应的关系，共同组成零件信息模型存储在零件信息库中。零件信息模型可以表示为：
零件信息 = 零件的索引信息 + 零件的特征信息 + 零件的工艺信息
为了实现特征工艺的自动排序，零件的主特征决定了自动机加工工序的工步路线主干，由天平刀架上的 1 号和 2 号车刀完成加工，辅特征依附于对应的主特征，由4 号和5 号车刀完成加工。把主特征所处的方位从送料到切断依次规定为 L、M、M1. . . R 等，辅特征与对应的主特征的方位相同。图 2 所示为零件特征信息和工艺信息模型，对于每一种类型的零件，确定该类型零件的主特征，一种类型的零件一般由一个或多个主特征组成，每一个主特征对应着多个加工工步。每一个主特征一般依附着一个或多个辅特征，每一个辅特征对应着多个加工工步。所有这些信息构成了零件的完整信息，完整地表达了零件实例。
图2 零件特征信息和工艺信息模型
2 基于分层规划和约束的自动机加工工步自动排序模型
自动机特征加工顺序决定了加工工艺路线的拟订，根据自动机加工特点，采用基于约束和分层规划的原理设计了特征加工顺序排序数学模型。
2. 1 第一层单个主特征与所属辅特征的排序算法
设单个主特征和对应的辅特征分别为 Fmi 和 Faij，其中 i 表示特征在零件中的方位，i = L，M，M1，. . . ，R，j 表示此主特征所附属的辅特征的类型，则排序前的特征关系为：
设辅特征的排序规则函数为 S（ax），则：
设 Sa（ix）为单个主特征和对应的辅特征之间的排序规则函数，R i 为排序后的特征关系和，则：
2. 2 第二层主特征排序算法
设主特征所在零件中所处的方位和类型为 Fmij，则零件的主特征排序前的特征关系和为：
设零件的主特征的排序规则函数为Sm（x），R'm 为排序后的特征关系和，则：
2. 3 第三层特征总排序算法
设零件排序前的总特征关系为 Rt，则：
设零件特征总排序规则函数为 Rp（x），Rt' 为排序后的特征关系和，则：
由上式可以看出，经过主特征和辅特征的第一层排序，确定了主特征和辅特征之间的加工顺序关系，通过主特征的加工顺序排序就确定了零件加工工艺路线的主干，再对主特征和对应的辅特征进行总排序，就可以得到了零件加工工艺路线。
3 工艺过程参数的自动计算
自动机每一次走刀就是一个工步，每一个工步要分别计算刀具行程、工作行程、空车工步凸轮度数、工作转数、工作工步凸轮度数、工步开始凸轮角度、工步终止凸轮角度和凸轮标号等。每一个工步的参数计算都要先查询工件的材料种类、走刀量、选择机床型号、计算机床的转速和生产率，再根据机床的标准生产率，进行工艺过程的参数计算。图 3 为工艺参数计算流程图。
4 系统的实现
图 4 所示为 GT - CAPP 系统原理图，GT - CAPP 系统由CAD 特征建模和 CAPP 工艺设计两个子系统组成，在 PDM 框架上集成。CAD 特征建模子系统为基于 Pro/ E 平台上开发的特征信息输入系统，通过预先定义的零件特征类型和交互式特征参数输入方法，将零件的几何特征信息和工艺特征信息存入到PDM 的零件特征信息库中。CAPP 子系统分成三个层次完成零件工艺的生成：零件的加工工艺路线通过最相似实例的推理，将最相似实例零件的工艺路线进行适当地修改后生成；自动机加工工序工步设计采用创成式工艺生成方法完成；需要普通机械加工的部分工艺，采用最相似实例工艺修改方法获得。通过建立切削用量模型和制造资源模型，实现自动机加工工艺过程参数的自动计算。
图3 工艺参数计算流程图
图4 GT-CAPP系统原理图
5 结论
通过对小轴类零件的面向对象的特征表示，建立了自动机零件加工的特征信息和特征工艺的自动排序模型，实现了自动机工艺路线的自动生成、工艺过程参数的自动计算、工艺文件的自动输出和控制凸轮曲线的自动绘制问题，解决了自动机工艺编制中烦琐的工艺参数计算和工艺编制问题。该系统在某引信零件的生产中得到了成功的应用，极大地提高了工艺编制的效率。(end)
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(6/20/2008) |
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