生产系统学-计算机辅助工艺设计

生产系统学-计算机辅助工艺设计

生产系统学第四章计算机辅助工艺设计\n第四章计算机辅助工艺设计第一节CAPP系统的基本概念和组成一、工艺过程设计的基本概念工艺过程设计是产品设计和制造之间的桥梁，它把产品的设计信息转化为制造信息。SME定义：“为了经济地和有竞争力地制造某一产品，对其加工方法进行系统的决策”。\n第一节CAPP系统的基本概念和组成用IDEF0模型描述的工艺过程设计的主要功能和作用：\n第一节CAPP系统的基本概念和组成完整的工艺过程设计可分为以下步骤：（1）进行零件的描述，建立零件的信息模型；（2）设计加工工艺方法和路线，选择机床或其他设备；（3）确定加工基准，选用或设计夹具；（4）设计加工工序和工步，选用或设计刀具；（5）确定加工余量和公差，确定加工工艺参数；（6）计算工时和加工费用；（7）设计检验方法，选择检验量具；（8）生成工艺规程、工夹具清单、机床调整卡片等。\n产品设计遵循国家制图标准，适用于所有企业工艺方法多种多样，与零件形状、材料、批量有关，尤其在很大程度上取决于各企业的工艺习惯和设备条件工艺过程设计很大程度上受工艺人员的个人经验的制约第一节CAPP系统的基本概念和组成工艺过程设计与产品设计的区别\n第一节CAPP系统的基本概念和组成计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning--CAPP）的基本概念如下图（图4-2）所示。\n第一节CAPP系统的基本概念和组成\n第一节CAPP系统的基本概念和组成实践经验明，CAPP给企业生产活动的各个方面都会带来经济效益，可使生产总成本降低10%左右。据不完全统计，工艺过程设计给企业各种活动目带来的费用节省（%）如表4-1所列：表4-1CAPP系统的效益工夹具费用12%工人工资10%工艺过程设计58%废品和返修10%材料利用4%制造过程费用6%\n第一节CAPP系统的基本概念和组成非货币形式的间接效益：提高效率提高质量面向市场面向车间数据共享\n第一节CAPP系统的基本概念和组成二、CAPP系统的组成零件描述其主要功能是把零件图纸或CAD系统的零件信息转化为生成工艺路线和进行工序设计所需要的数据结构；工艺路线生成按照一定的工艺设计逻辑（如典型工艺过程、决策树或决策表、产生式规则）生成加工该零件的工艺路线，确定加工工序的顺序；工序设计确定工序内的工步，选定机床设备和工夹量具，确定加工余量和工艺参数，计算切削用量和工时定额；工艺文件管理按照规定格式打印输出工艺路线单、刀具清单、毛坯需求单、工艺规程等，并与其它系统进行数据交换。\n第一节CAPP系统的基本概念和组成CAPP系统的组成(图4-3)\n第一节CAPP系统的基本概念和组成具有实时优化功能的CAPP系统(图4-4)工艺路线、工时定额自动修订工艺路线自动调整资源利用分析工时统计分析工况数据采集生产调度设备负荷实际工时设备、工时作业计划编制动态CAPP系统图4-4面向车间的动态CAPP系统\n能够根据设备负荷情况自动修改工艺路线，从而提高机床利用率;能够按照工况数据采集系统提供的实际工时，进行统计和回归分析后，自动修改工时定额，使作业计划的安排更为合理，更符合生产实际情况，促使整个生产活动的效益和效率明显提高。第一节CAPP系统的基本概念和组成具有实时优化功能的CAPP系统:\n第二节零件信息的描述一、描述方法零件信息描述是对零件实体的一种抽象，用数据和对数据的操作来表达零件，是构成CAPP系统的重要基础。\n第二节零件信息的描述CAPP系统中，零件信息的描述都将涉及以下内容：零件的材料、物理性能以及毛坯形式；零件表面的几何形状；零件表面的尺寸和公差；零件表面的几何精度和粗糙度；零件各表面之间的连接关系；零件各表面之间的形位公差关系。确定表面加工的工艺方法判断表面的加工顺序和尺寸链、公差计算\n四种零件信息描述方法：第二节零件信息的描述借助零件图号和成组编码检索基于特征的零件信息描述直接利用CAD系统的数据建立集成的零件产品模型人机交互自动进行\n二、基于特征的零件信息描述法第二节零件信息的描述根据第三章中的特征造型原理，采用基于形面特征的描述方法不仅包括了零件结构的功能和几何信息，同时也包括零件制造的工艺信息，因为形面特征是零件的功能、结构和制造工艺的几何载体。形面特征与加工方法往往是一一对应的，因此分析零件的特征组成，容易得出加工该零件的工艺方法和路线\n一根几何形状由六个外圆柱面构成的传动轴的例子第二节零件信息的描述几何形状?轴承安装面齿轮安装面密封面传动轴面非功能面功能特征辅助特征退刀槽分割槽倒角圆角键槽中心孔允差和配合表面处理和粗糙度形状和位置精度加工方法+0.1A//0.01A磨削10050h7fRa=0.3Rc48淬硬工艺特征\n1.回转体零件的描述第二节零件信息的描述以TOJICAP系统为例，说明回转体零件的形面特征描述过程。TOJICAP系统采用窗口技术，下拉式菜单，用户界面友好，描述过程清晰、输入操作极为方便。图4-6是工艺规程表头信息（主要是零件的管理信息）的描述屏幕。\n第二节零件信息的描述工艺规程表头信息的描述\n1.回转体零件的描述第二节零件信息的描述对回转体零件来说，形面特征信息的输入次序是可以先从右向左依次描述外部形面特征，再从左向右依次描述内部的形面特征，即采用逐段输入的规则。在每一段中，先描述主要形面特征（如外圆柱面，参见图4-7），再描述依附在该主要形面特征上的辅助形面特征（如外圆柱面上的环槽）。在描述形面特征的同时，还输入有关的加工工艺信息，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。\n第二节零件信息的描述外部主要形面特征（外圆柱面）的描述举例\n第二节零件信息的描述外部辅助特征（拨叉槽）的屏幕描述举例\n第二节零件信息的描述为了避免在输入时要求给出图纸上没有标出的轴向尺寸，系统将根据已输入的外部主特征，在屏幕上显示轴向尺寸的轮廓图，图上给出每一端面的编号，用户再按照零件图纸上标注的轴向尺寸及其公差值输入数据。系统将自动校验尺寸链的正确与否，如果缺少或多余轴向尺寸的信息，系统将提示。如果输入数据正确，系统将计算每一特征的轴向尺寸，并在屏幕上显示按比例的图形，如图4-9所示。\n第二节零件信息的描述在屏幕上显示按比例的图形\n2.箱体类零件的描述第二节零件信息的描述将箱体类零件看成为一个立方多面体。把组成多面体的各包容表面定义为“方位面”，则可以把箱体类零件看成由每一方位面上的若干形面特征和特征集组成的空间集合。箱体类零件的形面特征是孔、面、槽三类主要形面特征和若干辅特征的组合。对于立方块状箱体类零件，一般只需要考虑六个方位面，即以它的最大包容立方体为基础，分为前、后、左、右、顶、底六个方位面。每个方位面具有独立的、描述用的参考坐标系，完整的零件有一个统一的坐标系。特征在空间的位置首先由参考坐标系来确定，然后再通过坐标换算，叠加到统一坐标系中。\n图4-10方位面5的参考坐标系和统一坐标系第二节零件信息的描述\n基于特征的描述方法是通过统计分析将箱体类零件各方位面上的特征加以分类，按照递阶关系归纳出有代表性孔、面、槽、导轨等。如孔有直通孔、台阶孔、沉头孔、螺纹孔等，面有主平面、轮廓面、台阶面等，槽有键槽、Ｔ形槽、燕尾槽等，并对每一形面特征赋以相应的代码。特征的划分取决于它的几何形状、功能和加工方法。TOJICAP系统所采用的孔类形面特征如表4-2所列。第二节零件信息的描述\n第二节零件信息的描述表4-2孔类形面特征\n基于特征的零件信息描述方法存在的不足：第二节零件信息的描述输入效率低：人工输入影响了CAPP系统的总效率，这在箱体类零件描述中尤其明显信息不全面：缺少对非加工表面的描述，对于铸件难于确定装夹部位和绘制工序图\n工艺过程生成，包括工艺路线的确定以及工序和工步的设计两个部分。按工艺过程的生成原理来划分，有四种不同的生成方法：第三节工艺过程的生成检索法派生法创成法专家系统\n一、检索法CAPP系统第三节工艺过程的生成检索法检索法实际上是工艺规程的技术档案管理和文字处理系统。检索法CAPP系统是事先把已有的零件工艺规程存贮在计算机中，使用时按图号或成组编码检索。如果要编制新零件的工艺规程，可以通过人机交互方式，修改已有的相似零件的工艺规程，或借助文字处理系统人工重新编写。这是一种比较简单而实用的方法。由于软件开发和维护的费用很少，检索法CAPP系统可以在任何一个中小企业中很快推广应用，并带来良好的经济效益。\n二、派生法CAPP系统第三节工艺过程的生成1.派生法的基本原理以成组技术为基础，按照零件结构、尺寸和工艺的相似性，把零件划分为若干零件族，并将一个零件族中的各个零件所具有的形面特征合成为主样件（也叫复合零件）根据主样件制定出反映本厂最佳制造方案的典型工艺过程，以文件形式存贮在计算机的数据库中当编制新零件的工艺规程时，先判别出成组编码，识别它所属的零件族，调出该零件族的典型工艺，再自动搜索零件的形面特征和尺寸的数据，从典型工艺过程中挑选出需要的工序和工步，以及计算加工参数、工时和成本派生法CAPP系统编制零件工艺规程的自动化和智能程度比检索法高得多。这对产品相对稳定的各类企业很适用\n第三节工艺过程的生成2.主样件的设计一个零件族通常包含若干个零件，把这些零件的所有形面特征"复合"在一起的零件称为主样件。\n第三节工艺过程的生成主样件14253形面特征：1—外圆柱面；2—键槽；3—功能槽；4—平面；5—径向辅助孔12354零　件　简　图工　艺　过　程主样件车一端外圆—调头—车另一端外圆—铣键槽—铣方头平面—钻径向辅助孔零件１车一端外圆—调头—车另一端外圆—铣键槽零件２车一端外圆—调头—车另一端外圆—铣键槽零件３零件４车一端外圆—调头—车另一端外圆—钻径向辅助孔车一端外圆—调头—车另一端外圆—铣键槽—铣方头平面\n第三节工艺过程的生成3.典型工艺过程的制定典型工艺过程的适用范围制定的典型工艺过程必须能满足零件族内所有零件的加工，即零件族内任一个零件的加工工艺过程中的工序和工步都应包含在典型工艺过程之内。典型工艺过程的制定方法制定典型工艺过程应照顾本厂的工艺习惯和生产条件，但又必须是反映先进技术的制造方案，这样才能保证实现高效、优质和低成本的生产。因此，要集中工艺员和车间工人的智慧和经验，制定出切实可行的工艺方案，并加以标准化。基础典型工艺过程是否合理和先进，将直接影响派生法工艺过程生成的质量，在制定典型工艺过程时应注意:\n第三节工艺过程的生成4.系统实例TJCAPP系统（回转体）：派生法CAPP系统的典型例子开发于八十年代初，为国内首创所生成的工艺规程内容详细完整，并可绘制出锻件图和车削工序图，是一个功能较为完整的实用系统流程框图：图4-12\n开　　始零件描述工艺生成建立数据库输入零件几何和工艺信息输入图号及批量输入各种原始数据零件信息库取出零件信息检索零件族矩阵零件族矩阵典型工艺工夹量具切削用量工时定额加工成本属于族内？调出典型工艺是否人机交互工艺编制将零件的型面特征数据构连成加工链顺序检索典型工艺过程输出工艺规程人机交互工艺修改选择工夹量具计算切削参数计算工时定额计算加工费用TJCAPP系统（回转体）流程框图\n第三节工艺过程的生成回转体零件的数据处理LLL0L2L1D3L5L6L4(L7)D7D6D5D4D2D1D3D4D2D1D5D6D7\n齿轮零件的工艺规程举例工序工步名称机床或工夹具切次进给转速工时费用条形码机床齿轮厂名称：齿轮图号：20202批量：20日期：94.12材料：40Cr处理：调质质量：1.8Kg编制：王国权10推孔推孔机4.5091推孔花键推刀3.0092测量　　塞规093检验按图纸检验05滚齿Y3150滚齿机35.306齿端倒角Y9380倒角机6.5051齿端倒角倒角刀具112505.5071机修毛1.0072手工刮毛1.507修毛刺2.5051剃前滚齿2.25M剃前滚刀20.813532.508剃齿Y4323剃齿机6.509齿部淬火高频淬火机G520.72公法线长度W=44.817082测量081剃齿2.25M剃齿刀4.5083检验01模锻成形11.2002粗车C630M车床23.503正火处理04精车C6140车床35.5040装夹041精车端面端面车刀20.14806.5042精车外圆外圆车刀20.24803.0043精车内孔内孔车刀20.24803.5040调头装夹044精车端面端面车刀20.26005.5045精车外圆外圆车刀20.26002.5046精车内孔内孔车刀20.26007.5047测量检验按图纸检验齿圈径向跳动，A面端面跳动11珩齿Y4632珩齿机3.00.48111珩齿M2.25珩磨轮2.0112测量113检验12入库清洗、上油2.00.20齿圈Fr<0.036公法线长度Fw<0.009齿向Fb<0.009周节Fpt<0.01加工成本26.92公法线长度W=44.827\n三、创成法CAPP系统第三节工艺过程的生成1.创成法基本原理一个零件是由若干待加工的形面特征组成的。每个形面特征及其相关属性（形状、尺寸和精度）在很大程度上决定了它的加工工艺方法。零件的加工工艺过程是根据输入的零件信息，通过一定的规则、逻辑推理、公式和算法等，作出工艺决策，自动地“创成”一个新的优化的工艺过程。创成法工艺生成与派生法的最根本差别在于系统事先不存有零件族的典型工艺过程。创成法的基本思路是：\n第三节工艺过程的生成1.创成法基本原理创成法的自动化和智能程度又高于派生法，具有较多的自动决策功能，克服了派生法不能适用全新零件的缺点创成法CAPP系统要求计算机有较大的存贮容量和计算能力由于工艺过程设计的影响因素错综复杂，难于建立完整的数学模型，故至今仍未能开发出通用的创成法CAPP系统\n创成法工艺生成的原理（图4-14）第三节工艺过程的生成\n第三节工艺过程的生成2.工艺决策方法工艺限制矩阵是选择工艺方法的一种常用的决策表，它是某一类形面特征的不同加工方法与形面特征的属性之间的相关矩阵。下表是圆柱孔的工艺限制矩阵的例子。工艺限制属性麻花钻钻孔扁钻钻孔粗镗孔精镗孔铣孔最小刀具直径1.5mm20mm30mm10mm150mm最大刀具直径50.0mm100mm300mm250mm500mm正负公差范围0.15～0.500.10～0.400.10～0.400.01～0.100.10～0.50直线度0.20～0.800.20～0.800.10～0.200.01～0.050.10～0.50圆柱度0.10～0.200.10～0.200.05～0.100.01～0.050.10～0.20平行度0.10～0.200.10～0.200.05～0.100.01～0.050.10～0.20位置度0.20～0.400.20～0.400.10～0.200.01～0.100.20～0.40L/D极限12510100.8表面粗糙度Ra32Ra16Ra16Ra3.2Ra6.4\n第三节工艺过程的生成2.工艺决策方法创成法创成法的另一种决策形式是决策树决策树由树根、结点和树枝组成。每一个分枝上有一个决策语句，给出逻辑值“真”或“假”。结点有“或”和“与”两种。“或”结点可能通向下面几个树枝之一，而“与”结点允许通过所有下面的树枝。\n第三节工艺过程的生成圆柱孔的工艺决策流程框图（图4-15）\n第三节工艺过程的生成3.系统实例TOJICAP（箱体）\n第三节工艺过程的生成四、CAPP专家系统CAPP专家系统是人工智能在机械制造工程中的应用所谓专家系统是在特定领域里具有与该领域的人类专家相当的智能水平的计算机知识处理程序系统1.基于专家系统的工艺过程设计\n第三节工艺过程的生成柔性当生产环境改变时，如更新设备、采用新技术，或要移植到其它工厂，专家系统只要输入新的知识就能适应，不需要改写程序透明性系统与用户之间有着友好的交互界面。系统能随时向用户提供运行的过程和理由，并向用户作出各种解释，所以系统的工作是“透明”的。这就便于工艺员作出干预和选择，以制订出优化的工艺过程可扩展性专家系统可以不断补充和更新知识，从而能随着科技的发展和生产条件的改进而提高工艺过程设计的水平CAPP专家系统有三个突出的优点，是其它CAPP系统难于实现的：\n第三节工艺过程的生成专家系统与常规程序的比较（表4-5）比较项目常规程序专家系统结构特征数据＋算法数据＋知识＋控制求解可能性预定组合任意组合程序运行隐式的显式的步骤检查程序文件解释器柔性及扩展困难容易\n第三节工艺过程的生成CAPP专家系统的构成（图4-17）推理机综合数据库CAD接口知识库解释模块知识获取模块用户接口工艺专家接口\n第三节工艺过程的生成可扩充性因为知识库主要存放从专家经验归纳出的启发性知识，它需针对新情况不断更新和扩充知识简明性数据结构应简单明了，易于理解和修改。并且使知识的获取只通过存取程序而不直接涉及数据结构精确性尽可能精确地表达出专家的思维。即各项知识用确切的术语表达，从而提高问题求解的水平一致性因为从专家处获取的知识大多有不确定性，在补充新知识时要作语法检查，看是否与已有知识冲突，并给出产生冲突时的处理方法2.工艺知识的表达和知识库在建立知识库时应考虑以下四点基本要求：\n第三节工艺过程的生成语义网络这是最通用的表达知识的方法，它通过结点和链的搜索表达知识域。结点表示实体，弧线表示结点间关系。它适用于表达确定性的描述性知识实体—属性—值它是语义网络的特殊情况，其知识域是单一实体，不能表达继承，适用于表达事实，但其规则可用于产生新值规则它用来表示实体—属性—值（三元组）和属性—值之间的关系。每一规则有结论和前提，并且在规则中能够使用变量。在一个规则内能表达几个相互关系。与事实有关的规则称为产生式规则，而用产生式规则的系统称为产生式系统。元规则是定义其他规则的规则知识表达的方法\n第三节工艺过程的生成产生式规则的例子如下：IF一个圆柱体的被加工表面的一部分包含一个槽；AND槽左部直径等于右部直径；AND槽的长度小于10mm；THEN加工工步是槽加工。\n第三节工艺过程的生成框架它可用来表达描述性或工艺过程性知识。框架按层次分布，带有最高级的框架命令，可以连接其它框架来表达一种知识结构，框架的基本成分是槽，每个槽描述实体的某个方面，包含框架的继承。描述一个圆柱孔的框架如下：框架类型：圆柱孔槽名：直径；直径上偏差；直径下偏差；表面粗糙度；…知识表达的方法\n第三节工艺过程的生成逻辑表达式它是用逻辑推理语言(如PROLOG)来表达知识。最常见的两种逻辑表达式是命题逻辑和谓词演算。谓词演算允许在两个实体之间用变量表示符号关系。例如，工件A装卡在夹具B上可表达为：ON（A，B）；机器人M转移工件给机床N可表达为：MOVE（M，N）。知识表达的方法\n第三节工艺过程的生成所谓推理是指依据一定的原则，从已知的事实和知识推出结论的过程。所谓推理机也称为规则解释器。CAPP专家系统的推理机是基于知识的推理，它执行两种功能，一是推理，二是控制。3.推理机及推理机制\n第三节工艺过程的生成推理方式有确定性的推理和非确定性推理两种。非确定性推理的方法主要有：可信度方法、概率论方法、模糊子集法和证据论方法等。（1）推理\n第三节工艺过程的生成推理机的控制部分决定搜索规则的顺序。推理机使用的搜索策略的主要类型是正向链和反向链机制。对每一种机制的搜索，可以是深度优先，也可以是广度优先。（2）控制\n第三节工艺过程的生成正向搜索也称数据驱动或正向链控制。它的基本思想是从已知数据信息出发，正向使用规则求解。其逻辑传递形式是：“如果A成立则结果为B”及“如果B成立则结果为C”，那么推理的最后结论为“如果A成立，则结果为C”。反向搜索也称目标驱动或反向链控制。它的基本思想是先定一个目标，然后在知识库中找出能导出该目标的规则集，若某条规则的前提条件与数据库事实相匹配，则执行该规则。该规则的前提条件成为新的子目标，再寻找导出子目标的规则。依此继续搜索，直到初始状态（例如毛坯状态）为止。正反向混合搜索也称混合式控制或混合链控制。（2）控制\n第三节工艺过程的生成规则一：IF零件形状为圆柱齿轮；AND齿部精度等级6级；AND齿部高频淬火；AND与相邻直径＞4.5m（m为模数）；AND设备允许；THEN加工工序为磨齿工序。。下面以齿部精度为６级的单联圆柱齿轮为例，说明如何按推理机制求解出部分的工艺路线。\n第三节工艺过程的生成规则二：IF磨齿；THEN先进行磨孔工序；规则三：IF端面的表面粗糙度＜１；OR端面的表面粗糙度＜２；AND有磨孔工序；THEN先进行平磨工序。…事实一：齿轮需要齿部高频淬火事实二：齿轮精度6级的端面的表面粗糙度≤1.6…\n第三节工艺过程的生成按反向链推理机制，已知单联圆柱齿轮，且齿部精度为6级。由事实一知道需高频淬火再由规则一求得最后一道工序为磨齿工序由规则二求得倒数第二道工序为磨孔工序由事实二和规则三求得倒数第三道工序为平磨工序。\n第三节工艺过程的生成4.系统实例TOJICAP（ES）专家系统：采用PROLOG语言，由专家系统确定工艺过程设计方案其他部分延用TOJICAP（回转体）系统的模块流程框图：图4-18\n第三节工艺过程的生成TOJICAP（ES）系统的流程框图\n第四节CAPP系统的其他功能现有CAPP系统通常采用理论的或经验的数学模型来确定工艺参数。数学模型的基本形式符合金属切削原理教程的论述，但数学模型中的系数和指数需结合工厂实际生产情况给定。例如，计算车削加工切削速度v的数学模型如下：一、工艺参数的确定\n第四节CAPP系统的其他功能有些CAPP系统采用切削参数的优化程序确定切削参数。切削速度的优化可以取不同的目标函数作为优化对象，例如：最大生产率（即最短加工时间）最高利润或最低加工费用也可取其中的几项加权后组合作为目标函数切削参数的确定\n第四节CAPP系统的其他功能二、工时定额计算1.回归处理法这种方法是将企业的现有工时定额手册的数据按最小二乘法原理求出回归方程，作为工时计算数学模型编入工时定额计算模块。最常用的回归数学模型是幂函数方程：式中：t─工时定额；b0、b1─系数；m、n、p─指数；x1、x2、x3─变量，如加工的直径、长度、表面粗糙度等。\n第四节CAPP系统的其他功能2.切削参数计算法当CAPP系统确定切削参数的计算功能时，每个工步的机动工时可直由切削参数算出，得到工步工时定额。把工序中各工步工时定额累计，加上装夹时间，可得到工序时间。再将机床调整等辅助时间按批量大小进行分摊，就是工序的工时定额。\n第四节CAPP系统的其他功能3.统计分析法在典型零件或典型工艺过程的基础上，用成组编码作为估算工时定额的依据，对新零件给出估算工时。借助工况数据采集终端采集车间生产的实际工时和机床的实际开动时间，按照一定的周期（如按月）进行统计分析，取其平均值作为下一生产周期的工时定额。\n第四节CAPP系统的其他功能三、工序图的自动生成和绘制工序图的绘制是CAPP中的一个重要组成部分，也是正确实施工艺过程设计结果的手段之一。自动生成和绘制工序图，一般有两个步骤。首先，必须用某种数学模型或信息集合来描述所需的工序图。其次，将数学模型转换成计算机能够接受的绘图信息。前者为图形的数学处理，后者为图形的绘制。\n第三节工艺过程的生成因此，工序图自动生成过程中有三个关键问题：工序图图形数据（包括加工信息与标注信息）的生成；数据存取与传递；图形绘制。\n思考题工艺过程设计和CAPP的定义和作用。CAPP的组成和工作原理。派生法CAPP和创成法的基本工作原理；它们之间的优缺点？CAPP专家系统的基本组成和工作原理。何谓正向推理和反向推理？