創成式CAPP在數控加工中的應用

工藝規程設計是工廠工藝部門的一項經常性技術工作, 是生產準備工作的第一步, 也是連接產品設計和產品制造的中間環節。傳統的工藝規程設計一直是由具有豐富實踐經驗的工藝工程師擔任。隨著計算機技術的發展, 計算機輔助工藝過程設計( CAPP )大量取代工藝工程師繁重的重復勞動。計算機技術的發展及其在機械制造領域中的廣泛應用, 為工藝過程設計提供了理想的工具。CAPP上與CAD 相接,下與CAM 相連,從而形成了一種新型的現代的設計與制造技術。CAPP系統按其工作原理可分成3 種形式: 檢索式、派生式、創成式。這三種形式的基礎是零件工藝的三種類型: 標準工藝、典型工藝、生成工藝。其中,創成式CAPP 的計算機輔助工藝設計最為復雜。
創成式CAPP 又叫生成式。它與派生式CAPP 不同,不以對典型工藝的檢索和修改為基礎。它是根據輸入的或者是直接從CAD 系統獲得的零件信息, 依靠系統中的工藝數據和決策方式自動生成零件的工藝過程的系統。根據具體零件,系統能自動產生零件加工所需的各個工序和加工順序, 自動提取制造知識, 自動完成機床選擇、工夾量具選擇和加工過程最優化; 通過應用工藝決策邏輯, 可以模擬工藝設計人員的決策過程。創成式CAPP工藝設計可完成復雜的多層次、多任務的決策過程。它涉及到選擇、計算、規劃、繪圖以及文件編輯等工作。
創成式CAPP 系統不以標準工藝規程為基礎, 而是從零開始由軟件系統根據零件信息直接生成一個新的工藝規程。當系統選擇了零件各個表面的加工方法以及安排了加工順序后,就要進行詳細的工序設計。對于數控機床上加工的零件更為重要。創成式CAPP在數控機床上進行零件的數控加工的過程大體有以下幾個流程:
1. 切削表面加工方法的選擇
加工方法選擇實際上是將零件信息與工廠的加工能力信息進行匹配的過程。零件是由許多表面組成的,往往包含有多種典型的切削表面, 如外圓、孔、槽、平面、成形表面等等。對于每一種典型切削表面,均可列出各種加工方法所能達到的精度及表面粗糙度。因此,在識別或理解了零件切削表面的信息后,便可根據具體情況,選擇最合適的加工方法。加工方法的選擇需要一系列的邏輯決策。典型的加工方法是指在分析、總結企業內部各種生產工藝方法、生產經驗以及與加工有關的規范后提出的帶有一般指導意義的選擇加工方法的準則。它隨著設備更新、生產工藝發展而變化,所以具有較大靈活性。有的準則是模糊的,這就是工序設計的非一致性。這些特點在用計算機輔助工序決策時應給以適當考慮。
2. 加工順序的安排
加工順序是指工序的先后排列, 它與加工質量、生產率和經濟性密切相關。安排加工順序首先要考慮的就是工藝基準面,尤其是定位基準。定位基準選擇時應按機械制造工藝學的要求, 按粗、精基準的選擇原則進行。機械加工順序、熱處理工序、輔助工序以及在加工中心機床上進行的加工, 均應按機械制造工藝學中的加工順序安排的要求進行。
總之,加工順序的安排是一個比較復雜的問題,要考慮的問題很多, 實際情況也靈活多變。目前, 這方面的決策邏輯研究尚不成熟,很難總結出通用的決策模式, 只能按具體生產環境和特定零件對象, 設計相應的決策模式。
3. 機床及工藝裝備的選擇
機床選擇對工序的加工質量、生產率和經濟性都有很大影響。它與加工方法、切削力、切削功率和機床利用率都有關系。
機床選擇時, 可將CAPP 系統內預先建立的機床數據庫中的機床規格信息與零件信息、零件所選擇的加工方法信息相比較,然后作出決策。一般可先按零件及其加工方法的要求作出初選; 然后再根據選得的切削用量計算出切削力、切削功率進行校核; 有的系統還可根據機床利用率進行適當的調整。
工藝裝備(刀具、夾具) 的選擇與機床選擇類似,即同樣需要根據零件信息、零件所選擇的加工方法信息去和預先建立在工裝數據庫中的信息相比較, 然后作出決策。當沒有現成的通用工裝可利用時, CAPP系統就應提出專用工裝設計的要求。
4. 加工余量的確定
加工余量的確定通用的有3 種方法: 即分析計算法、查表法和經驗法。
用分析計算法確定加工余量必須有充分的資料及統計數據。查表法是根據資料整理而得到的通用表格直接查出工序間余量推薦值, 比較方便迅速。但因表格是通用的,無法考慮具體情況。經驗法是工藝人員依據經驗來確定加工余量。
5. 工序尺寸及公差的確定
一般采用“由后往前”的方法, 先按零件圖要求,確定最終工序的尺寸及公差,再按選定的加工余量推算出前工序的尺寸。公差按本工序加工方法的精度來給出。
當工序設計中存在基準轉換時, 就需要進行工序尺寸換算,即用工藝尺寸鏈求解。此時, 可通過建立數學模型用計算機求解。利用數學模型求解的方法和步驟如下:
( 1 ) 建立尺寸聯系矩陣。尺寸聯系矩陣是一種數學模型,反映了零件加工過程中毛坯尺寸、工序尺寸、最終尺寸及其相互間的聯系。它由零件的工藝尺寸鏈圖表而來,是利用計算機計算的原始資料。
( 2 ) 建立尺寸鏈矩陣。利用計算機可從尺寸聯系矩陣查找出各個工序尺寸鏈,從而建立尺寸鏈矩陣。
( 3 ) 計算工序尺寸偏差。以極值法的計算公式為基礎,按事先設計的線性方程,利用計算機進行計算,確定各工序尺寸及其偏差。
6. 切削用量的確定
切削用量是指切削速度、進給量和切削深度。切削用量的決策常采用的方法有數學模型法和查手冊選取法等。數學模型法是通過大量實驗研究, 取得參數后將各種刀具和加工方法的數學模型建成相應的模型庫,同時將數學模型中與工件材料、刀具材料、刀具耐用度、冷卻液等有關的參數寫成數據文件存入庫中,以便數學模型計算時調用。查手冊選取法是根據長期實驗研究積累的, 經過分析整理, 對各種刀具的壽命值規定出相應的切削速度、切削深度和進給量,并據此作成切削用量手冊。
在具體進行切削用量選擇時, 先按切削表面質量的要求初選切削深度和進給量; 再按切削力的限制計算進給量, 可盡量選大值; 然后再根據刀具壽命計算出切削速度、切削功率。
若算得的切削用量不能滿足切削表面質量要求,則需再次修正進給量。如此反復,直至滿足零件的加工精度、表面粗糙度和刀具壽命為止。
7. 工序圖的生成與繪制
工序圖是工藝設計的圖形表達方式。CAPP 系統中開發工序圖生成模塊對于提高工藝設計的效率和質量,實現工藝設計的標準化有很重要的意義。目前,CAPP系統的工序圖繪制仍是CAPP系統研制和開發的一個關鍵性技術難題,這是因為它與通常的計算機繪圖有所不同。后者僅僅起到代替人工執行繪圖工作。在CAPP系統中, 工序圖的生成過程是一種動態的過程, 不能完全固定其圖形信息。當工件的形狀、尺寸改變時,相應的繪圖信息參數也要改變, 以適應工序的變化要求。由此可見,工序圖的生成過程實際上是一種結合零件圖形信息和加工工藝信息, 由計算機輔助生成工序圖形信息的過程。
工序圖生成和繪制從功能上看, 可分為信息轉換、圖形生成、尺寸標注及非尺寸標注等幾個子模塊,如圖1 所示。


( 1 ) 工序圖生成方案
從工序圖的生成機理來看, 可以采用成組代碼法、形狀參數法和數學模型法等不同方案。成組代碼法建立在零件成組技術基礎上,預先建立按零件族存放的幾何圖形要素庫, 并以零件的代碼作為檢索、拼合的依據。為滿足各種結構零件要求, 其圖庫結構龐大,建庫難度也較大。
形狀參數法是根據參數繪圖原理, 將零件圖形要素分離成圖素單元,針對每種圖素單元編寫一個繪圖子程序,這些子程序構成了CAPP 工序圖輔助生成軟件中的繪圖子模塊。工序設計時,給出每道工序的工作指令。這些信息正是繪圖子模塊的輸入參數, 每個圖素單元的繪圖子程序都設置一個形狀標識。輸入參數可方便地進入相應的繪圖子程序, 繪制出相應的圖形。
數學模型法的基礎是建立各類零件的數學模型,也是應用成組技術對零件進行分類, 然后為各類零件建立一個復合零件。在對復合零件進行分析研究和歸納概括后,抽象出已加工表面描述為主的零件數學模型。CAPP系統工作時, 產生了每道工序對加工表面進行改變的信息。這時,工序圖生成系統應根據已建立的數學模型, 對加工表面的描述信息進行再處理,自動生成工序圖中每個幾何要素的空間矢量數據信息。然后,再進一步自動生成幾何要素空間坐標數據信息,得到需要的工序圖。
( 2 ) 工序圖圖形數據生成
工序圖圖形數據的生成是工序圖繪制的關鍵, 工序圖圖形數據來源于工藝結論。
一種生成方法是直接從工序內容中取出數據。根據取出的數據就可構成工序圖圖表數據, 這種處理方式要求工序和工步內容描述要非常詳細。
另外一種是由工序圖設計決策生成工序圖圖形數據。工序內容由工序推理生成,工序內容隱含在工序內容設計推理規則之中。所以,從工序內容設計推理規則中派生出工序圖設計推理規則, 再由工序圖設計推理規則生成工序圖圖形數據。工序圖圖形數據生成子模塊首先讀入零件的特征信息文件和工藝流程。根據工藝流程, 系統對零件特征鏈進行搜索, 找出與加工內容相對應的特征型面,提出該特征型的尺寸信息, 經加工余量推理選擇之后, 即可獲得工序圖上繪制特征型面所需的圖形信息。
( 3 ) 確定工序圖輸出方案
工序圖圖形數據生成后, 工序圖可有以下幾種方法輸出:
①利用高級語言在計算機上畫出工序圖, 然后打印輸出。此法簡單,但輸出圖形質量低。
②利用高級語言直接用繪圖機的繪圖指令編程,在繪圖機上畫出工序圖。此法速度快, 圖形質量高,但受繪圖機型號限制。
③利用AutoCAD 輸出工序圖。其方法是通過高級語言編制AutoCAD 二次開發程序:
A. 由高級語言直接生成AutoCAD 的圖形交換文件[ . dxf ] 。該文件結構復雜, 編程困難, 占用大量外存空間,但這種方法生成圖形速度快。
B. 由高級語言直接生成AutoCAD 的命令文件[ .scr ] 。該文件可以模仿AutoCAD 的各項功能, 結構簡單易懂,便于編程,但文件的執行時間長。
C. 用AutoCAD 的ADS 或ARX 語言編制繪圖程序,繪圖時調用由高級語言程序產生的數據文件中的數據。采用此方法, 系統具有一定的靈活性, 繪圖時可直接調用由CAD 設計時產生的數據文件中的數據,簡化設計程序,圖形子系統易于擴充和維護。