第3章 CAPP的基本原理与方法

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1、 3 1CAPP系统的基本原理 一 人工编制工艺的过程分析了解分析待加工另件的技术要求 结构要求及生产纲领 查阅工艺手册或根据工艺知识进行决策 确定加工方法和工艺路线 查阅工艺标准 确定机床设备 切削用量 工装及工时定额 按工厂工艺规程格式要求编写工艺文件 二 CAPP的原理将另件特征信息以代码或数据的形式输入计算机 建立零件信息数据库 将工艺人员编制工艺的经验 工艺知识和逻辑思想以及工艺决策规则形式输入计算机 建立工艺决策规则库 知识库 把制造资源 工艺参数以适当形式输入计算机 建立制造资源和工艺参数库 通过程序设计 充分利用计算机的计算 逻辑分析判断 以及逻辑查询功能来生成工艺规程 工艺设

2、计的内容 工艺设计的内容 计算机辅助工艺设计的基本原理正是基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的 首先 产品零件的数据信息应能利用 并建立零件信息的数据库 其次 工艺人员的工艺经验 工艺知识能够得到充分的利用和共享 第三 制造资源 工艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库 第四 充分利用标准 典型 工艺生成新的工艺文件 由此可以看见 任何CAPP系统 必须解决的主要问题是 工艺设计所需信息的描述和代码化 工艺设计所需信息的数据结构形式的合理制定 程序设计 人机界面 推理程序 打印输出等 实现CAPP基本原理的方式有4种 即检索 派生式 创成式及专家系统 下面介绍每种方式的工作原理 3

3、 2CAPP的类型与特点 1 检索式CAPP检索式系统实际上是工艺规程的技术文档原理系统 它事先把现行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 在编制新零件工艺规程时 先按成组编码检索出存有的零件工艺规程 如不需变动就可直接使用 也可稍加修改后使用 当检索不到该成组编码的零件工艺规程时 必须以手工编制工艺 并通过键盘把所编工艺输入到计算机内存贮 这类CAPP系统的功能最少 生成工艺规程的自动化程度也最差 但最易建立 有现成且稳定的工艺规程的工厂企业可建立这类系统 计算机打印输出的工艺规程内容与原来手工编写的相同 由于计算机检索十分方便 打印输出整齐美观 是一种实用的CAPP系统

4、 输入编码或图号 检索工艺规程 修改编辑工艺规程 输出工艺规程 工艺规程数据库 检索式CAPP系统原理图 2 派生式CAPP派生式 Variant CAPP系统是一种建立在成组技术基础上的CAPP系统 也叫变异式 修订式 样件式CAPP系统 派生式计算机辅助工艺设计VCAPP VariantComputerAidedProcessPlanning 的基本原理是利用零件在结构或工艺方面所表现出来的相似性来设计工艺规程 它以成组技术为基础 利用编码系统对研究的对象零件进行编码 利用所制定的相似性特征对已编码的零件进行分类 形成相似零件族 再由有经验的工艺设计人员的对各相似族零件进行工艺路线优化 编

5、制出标准工艺规程 将其储存于计算机的数据库中 当设计新零件工艺时 首先为新零件编码 然后在计算机数据库中检索 若新零件属于某一零件族时 即调出该零件的标准工艺 经编辑或修改而派生出新零件的制造工艺规程 派生式 变异式 CAPP系统 VariantCAPPSystem 该类系统以成组技术为基础 根据零件编码查找所属零件组 调出零件组的标准工艺 进行适当的编辑或修改 生成所需的工艺规程 查找零件组 输入表头信息 工艺规程格式 图CAM I推出的派生式CAPP系统框图 工艺路线检索 编辑 标准工序检索 编辑 派生式CAPP系统工作的两个阶段 b 使用阶段 派生式CAPP系统工作的两个阶段 派生式计算

6、机辅助工艺设计系统的使用一般包括以下步骤 1 给待编工艺的零件按已选定的零件分类编码系统编码 并将该编码输入到计算机中 如果该零件不在已建零件族内 则提示用户 否则 调出相应零件族的标准工艺规程 2 计算机根据输入代码和已确定的逻辑 对标准工艺进行编辑修改 其基本原理是根据分组代码调出现有的工艺路线 将零件编码与工序代码的对应关系制成规则 根据规则对标准工艺路线的相应工序进行删除 剩下的工序即是这一具体零件的工艺路线 3 如果零件太特殊 有的工序已不在原标准工艺路线中 则用户可以进行增加或修改编辑 4 将经过编辑修改的工艺规程存储在工艺规程库中 必要时以符合企业要求的格式打印输出 派生式CAP

7、P系统特点派生式是利用另件间的相似性 检索已存储的另件族的标准工艺 因此 计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序 而不是工艺决策逻辑 从设计角度看 与常规工艺设计的类此设计相同 也就是利用计算机模拟人工设计的方式 其继承和应用的是标准工艺 它没有指出工艺设计的最基本知识 知识源的划分比较粗大 不利于工艺设计知识源开发 该系统柔性差 移植性差 系统原理简单 容易开发 发展较早 在应用方面还有一定优势 3 创成式CAPP系统 GenerativeCAPPSystem 创成式CAPP系统的工作原理与派生式不同 在系统中没有预先存入典型工艺过程 它根据输入的零件信息 通过逻辑推理 公式和算法等 作

8、出工艺决策以自动地 创新 一个新的优化的工艺过程 可见创成式的自动化程度又高于派生式 一个较复杂的零件由许多几何要素组成 每一几何要素又可用多种加工工艺方法去完成 而且它们之间的顺序又有着许多组合方案 还需综合考虑材料和热处理等影响因素 所以创成式CAPP系统要求计算机有较大的存贮容量和计算能力 而且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 至今仍未能开发出通用的创成式CAPP系统 除此之外 系统开发中还常将派生式与创成式结合起来 即综合式或半创成式CAPP系统 一般工序设计用派生式方法 而工步设计用创成式方法 由于实际工艺设计中最困难的工作是确定定位装夹方案和工序顺序 事实

9、上创成式的难点也在于此 综合式避开了这一难题 它将上述工作仍用样件工艺来实现 而在较简单的工步设计中利用创成的思想 使整个系统易于开发 例 普渡大学APPAS AutomatedProcessPlanningandSelection 系统是一个实验性系统 适用于非回转类零件表面加工方法的生成 数组各元素含义 表面编号 表面类型 如 1 圆孔 2 平面 3 槽 类型号码 取决于类型 如孔 1 圆孔 2 锥孔 3 螺孔 材料类型 如 1 铸铁 2 球铁 3 钢 材料硬度 零件加工表面信息输入 逻辑关系的建立 创成式CAPP系统特点 1 不需人工干预 自动化程度高 2 决策更科学 具有普遍性 3 由

10、于工艺过程设计经验成分偏多 理论还不完善 完全彻底的创成式CAPP系统还在研究探索之中 4 半创成式CAPP系统 Semi GenerativeCAPPSystem 派生式CAPP系统完全以人的经验为基础 难于保证设计最优 且局限性较大 完全创成式CAPP系统还不成熟 将两者结合起来 采用部分创成 部分派生 或部分人工干预 的方法是一种可取的方案 半创成式CAPP系统特点 1 集派生式及创成式系统的优点 又克服两者的不足 2 目前为多数CAPP系统采用 例 神户大学开发的半创成式CAPP系统 图5 45 5 6 2CAPP工作原理 半创成式CAPP 派生式CAPP 创成式CAPP 工艺路线 工

11、序内容 5 CAPP专家系统所谓CAPP专家系统就是把专家系统的概念和方法应用于CAPP系统 专家系统求解问题的过程是逻辑判断和决策过程 由于工艺过程设计中 主要的任务不是计算 而是逻辑判断和推理决策 因此开发CAPP专家系统前景广阔 实际上 专家系统就是一种智能计算机程序 它具有如下两点特性 1 处理现实世界中提出的需要由专家来分析和判断的复杂问题传统的程序设计方法中 对一个待解决的问题 首先要建立其数学或物理模型 最后以算法的形式安排在计算机中 但在工艺过程设计中 主要的工作不是计算 工艺决策方法主要依造工艺人员在长期的生产实际中积累起来的经验性知识 这带有明显的专家个人的技术和智能性质

12、难以用数学模型表示 求解的过程是逻辑 判断和决策过程 而专家系统正具有处理这些不确定性和多意性知识的特长 2 应用专家推理方法的计算机模型来解决问题 而且应使专家系统得到的结论和人类专家得到的结论一致在专家系统中 解决问题所需的知识 知识库 同使用知识的方法 推理 是独立分开的 机器求解问题不是按预先确定的步骤进行 而是根环境条件及达到的目标 在控制策略 推理机 指导下 通过搜索来寻找问题的解答 解决问题所需的知识 存于知识库中 可以根据用户的需要进行增删和修改 也就是说 当系统应用环境改变时 用户只对原有知识训进行更新与扩充即可 而传统的创成式CAPP系统其决策逻辑和算法是预选固化在程度之中

13、的加工环境的变化 系统的原程序也需要发生变化 如上所述 CAPP专家系统有处理多意性和不确定性问题的能力 并且可以一定程度上模拟人脑进行工艺设计 使工艺设计中的许多模糊问题得以解决 特别是对箱体 壳体类零件的工艺设计 由于它们结构形状复杂 加工工序多 工艺流程长 而且可能存在多种加工方案 工艺设计的优劣主要取决于人的经验和智慧 因此一般CAPP系统很难满足这些复杂零件的工艺设计要求 而CAPP系统能汇集众多工艺专家的经验和智慧 并充分利用这些知识 进行逻辑推理 探索解决问题的途径与方法 因而能给出合理的甚至是最佳的工艺决策 通过建立CAPP专家系统 我们可以达到以下目的 1 继承和传播宝贵工艺

14、设计知识 2 使工艺师的知识形式化 3 汇集各种来源的知识 此外 专家系统和人类专家相比也还有其他许多优点 如工作效率高 稳定 不受个人情绪影响等 但另一方面 由于专家系统的知识来源于人类专家 模仿人类专家的思维 推理方法 所以不可避免的要犯错误 因此 在CAPP专家系统中 我们强调吻合性 即专家系统推出的结果和人类专家系统的相一致 而不是精确性 3 3CAPP系统的开发模式 尽管CAPP系统有以上多种类型 但从总体来看 可将CAPP系统的开发模式归纳为 专用型CAPP系统和工具型CAPP系统 1 专用型CAPP系统即专为某一企业开发的CAPP系统 现有的CAPP系统大多数属于这一类型 早期的

15、专用型CAPP系统 其程序与数据 知识是集成在一起的 针对性强 可移植性差 维护困难 很难适应企业的产品类型 工艺方法和制造环境的发展和变化 目前这种模式已很少采用 而是采用数据建模 知识抽象以及功能分析等新的CAPP系统设计理论 其程序与数据 知识是分离的 但其制造资源数据 工艺决策和其它系统功能仍是针对具体的应用背景而设计 专用型CAPP系统的特点 1 针对性强 与企业具体情况结合较好 工艺决策质量较高 适用于产品类型专业化 产品结构复杂 工艺复杂的企业 2 适应性有一定的局限 当企业在产品类型 工艺方法以及生产组织结构上发生变化时 难于扩充和更新 3 开发周期长 这种系统缺乏商品化标准块

16、 往往从系统的基本功能开始 而要真正达到实用必须经过较长时期的调试和完善 图2HCCAPPDTS总体结构框图 1 专用CAPP系统构造工具用HCCAPPDTS开发工具系统中的构件库构造适合某企业用的专用CAPP系统原型时 必须按照一定的构造逻辑规则 本工具系统提供了人工交互构造和应用构造工具自动构造两种模式 前者对构造人员有较高的要求 应具备一定的计算机软件开发能力和工艺基础知识 并经过培训 用户可按照一定的原则自由地选择构件进行拼装 后者是根据用户对CAPP系统提出的功能要求 自动选择某种预定义的CAPP模式 作为CAPP的原型 框架 构造方便 无论采用哪种构造方式 工具系统都会获得一个专用CAPP的 外壳 必要时可补充专用构件 然后填充修改符合本企业特点的决策知识库和工艺数据 最后测试和修改应用原型系统 2 工艺文件管理构件构造工具该工具能完成对工艺文件的管理 一个零件在用CAPP系统设计工艺前首先要进行检索 以确定该零件的工艺文件是否已设计过 如果检索结果为已设计过 则可装入工艺数据修改输出即可 否则 要重新进行工艺设计 零件在完成工艺设计后除打印输出工艺文件外 还应将工艺数据保