基于參數(shù)和特征的軸類(lèi)零件CAPP系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

0 引言

    創(chuàng)成式CAPP是以零件信息為依據(jù)進(jìn)行工藝過(guò)程自動(dòng)決策的，因此，建立和采用統(tǒng)一的零件信息模型、工藝知識(shí)模型和工藝決策模型，保證各種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳遞流暢而完整至關(guān)重要。

    軸類(lèi)零件雖然結(jié)構(gòu)和加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，信息量較少，但由于加工過(guò)程中定位基準(zhǔn)多次變化，工序尺寸解算復(fù)雜，是常規(guī)工藝設(shè)計(jì)中比較棘手的問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)實(shí)用的軸類(lèi)零件CAPP系統(tǒng)是有現(xiàn)實(shí)意義的。

    本文結(jié)合軸類(lèi)零件的特點(diǎn)，采用參數(shù)描述和特征描述相結(jié)合的方法建立數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔完整，提取方便，易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)以代碼的形式存儲(chǔ)與傳遞，面向整個(gè)工藝過(guò)程，數(shù)據(jù)采集與處理一體化。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)采用創(chuàng)成式CAPP技術(shù)，通過(guò)零件信息描述生成零件信息編碼，調(diào)用機(jī)械加工知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)進(jìn)行工藝決策，生成工藝文件。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 零件信息描述與存儲(chǔ)

    在常規(guī)的零件信息特征描述法中，每個(gè)型面要素建立一組表達(dá)其特征的代碼，該型面要素的具體參數(shù)單獨(dú)記錄，并將二者存放在二維表中以生成一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)以文件的形式存取。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，型面要素的特征和參數(shù)是分離的，靠指針建立兩者間的聯(lián)系，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理繁瑣，軟件體系龐大。

    本系統(tǒng)采用參數(shù)描述和特征描述相結(jié)合的描述方法，建立了頂層碼、次層碼和底層碼三級(jí)動(dòng)態(tài)復(fù)合型零件信息編碼結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)只需存儲(chǔ)和提取這三級(jí)代碼，就可為整個(gè)工藝過(guò)程提供原始數(shù)據(jù)。

    頂層碼為七位數(shù)字靜態(tài)碼，前四位碼為主碼，描述零件的總體外形特征，分別記錄外圓段數(shù)m、內(nèi)孔段數(shù)n、端面段數(shù)k及軸的類(lèi)別（長(zhǎng)短軸）。后三位碼為輔碼，描述零件的毛坯特征，分別記錄毛坯材料、毛坯種類(lèi)和毛坯精度。

    次層碼為頂層碼前三位主碼的展開(kāi)，采用特征描述法按從左至右的順序依次描述零件m段外圓、n段內(nèi)孔和k段端面的特征要素。次層碼為動(dòng)態(tài)碼，碼位隨著頂層碼的主碼變化而變化，記為t，t=m+n+k。常見(jiàn)的特征要素及特征碼見(jiàn)表1。

表1 各特征要素的特征碼

    底層碼為次層碼的進(jìn)一步展開(kāi)，采用參數(shù)描述法依次描述零件各段外圓、內(nèi)孔和端面的幾何要素，包括各型面主要特征及輔助特征的幾何參數(shù)和精度等級(jí)，為t×16矩陣結(jié)構(gòu)。由于端面是兩個(gè)型面的連接面，所以端面信息與各型面信息有密切的關(guān)系，矩陣不僅記錄了各型面的幾何要素，還記錄了各型面間的拓?fù)潢P(guān)系。

    系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)人員在零件信息輸入窗體中，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)輸入七位頂層碼，按窗體提示選擇每一型面的特征要素，輸入各幾何參數(shù)，系統(tǒng)就可以按編碼規(guī)則自動(dòng)生成該零件的t位次層碼和t×16底層碼矩陣。

    例如，圖2所示軸類(lèi)零件的頂層碼為4262222，表示該零件有4段外圓面、2段內(nèi)孔面和6段端面，0.5＜L/D≤3，中碳鋼，鍛件，2級(jí)精度毛坯。m=4，n=2，k=6，t=12。

圖2 示例軸類(lèi)零件圖

    在圖3所示窗體中輸入相應(yīng)的參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)生成該零件的12位次層碼134211113112，從左至右表示第1段外圓為圓柱面、第2段外圓帶鍵槽、第3段外圓帶徑向孔、第4段外圓帶螺紋，2段內(nèi)孔均為圓柱孔，1、2和4、5段端面均為光面，第3段端面帶軸向孔，第6段端面帶倒角（參照表1）。同時(shí)系統(tǒng)生成該零件的12×16的底層碼矩陣如式(1)，供后續(xù)程序調(diào)用。

圖3 零件信息輸入窗體

    矩陣1～4行表達(dá)4段外圓面信息，5～6行表達(dá)2段內(nèi)孔面信息，7～12行表達(dá)6段端面信息。如，矩陣第二行從左至右表達(dá)第二段外圓直徑φ80mm，長(zhǎng)70mm，IT7，鍵槽寬22mm，長(zhǎng)26mm，IT10。

3 工藝卡生成與編輯

    零件信息輸入后，系統(tǒng)根據(jù)零件的信息編碼檢索加工工藝規(guī)則庫(kù)中特征之間的約束關(guān)系，自動(dòng)進(jìn)行工藝決策，包括各表面加工方法的選擇和工序順序的安排，生成工藝路線，填寫(xiě)工藝卡，系統(tǒng)遵循的約束關(guān)系依次為：先基準(zhǔn)后其他、先主后次、先粗后精、先面后孔。圖4為系統(tǒng)自動(dòng)生成的示例軸類(lèi)零件加工工藝卡。

    系統(tǒng)首先執(zhí)行第一層約束關(guān)系，檢索頂層碼的第四位特征碼，完成基準(zhǔn)面和主要表面的粗加工。若第四位特征碼為“4”或“5”（長(zhǎng)軸，中心孔定位），生成工序1：銑兩端面，工序2：鉆中心孔，工序3：車(chē)各外圓面及臺(tái)階面，工序4：車(chē)各內(nèi)孔面及臺(tái)階面；否則（短軸，三爪卡盤(pán)定位夾緊），生成工序1：車(chē)小端端面、車(chē)小端各外圓面及臺(tái)階面，工序2：車(chē)大端端面、車(chē)大端各外圓面及臺(tái)階面，工序3：鉆通孔、車(chē)各內(nèi)孔面及臺(tái)階面，見(jiàn)圖4工序1、2、3。

    其次系統(tǒng)執(zhí)行第二層約束關(guān)系，根據(jù)次層碼的各碼位特征信息判斷各型面上是否有輔助特征，若有（碼位數(shù)字非“1”），安排相應(yīng)的加工工序，完成次要表面的加工。例如示例中次層碼的第2位是“3”，表明第2段外圓帶鍵槽，安排銑鍵槽工序；第3位是“4”，表明第3段外圓帶徑向孔，安排鉆孔工序；第4位是“2”，表明第4段外圓帶螺紋，安排車(chē)螺紋工序等，見(jiàn)圖4工序4、5、6、7、12。

圖4 示例軸類(lèi)零件加工工藝卡

    最后系統(tǒng)執(zhí)行第三層約束關(guān)系，根據(jù)底層碼矩陣中各行的第七、八兩位（表達(dá)該表面加工精度）判斷各型面所需的加工方案，完成各型面的精加工，見(jiàn)圖4工序8～11。

    第四層約束關(guān)系包含于前三層約束關(guān)系之中，即在前三層約束關(guān)系中，均先進(jìn)行面的加工，再進(jìn)行孔的加工。

    設(shè)計(jì)人員可以在上述工藝路線基礎(chǔ)上進(jìn)行加工順序調(diào)整、加工內(nèi)容修改和加工工序增減，最終完成加工工藝卡。

4 工序卡生成與編輯

    系統(tǒng)把工序信息分成加工內(nèi)容、工序尺寸、定位基準(zhǔn)、切削參數(shù)四部分，同時(shí)建立了刀具庫(kù)、機(jī)床庫(kù)、切削參數(shù)庫(kù)等以備設(shè)計(jì)人員編輯時(shí)查找和參考。該部分主要包括工序內(nèi)容生成與編輯、工序簡(jiǎn)圖繪制、工序尺寸解算三大功能模塊。

    4.1 工序內(nèi)容生成與編輯

    點(diǎn)擊工藝卡中某一工序的工序卡生成按鈕，就會(huì)生成相應(yīng)工序的工序卡，并允許進(jìn)行編輯。在工序卡生成過(guò)程中，多工步工序的生成需要遵循直徑由大到小的加工順序約束。

    例如，圖4示例零件工藝卡中第一道工序，首先生成工步1：粗車(chē)小端端面。其次系統(tǒng)根據(jù)底層碼矩陣前m行的前三位碼數(shù)值（各段軸直徑）找出最大直徑φ80和最小直徑φ25，然后按由大至小的順序生成最大直徑至最小直徑之間的所有外圓面及臺(tái)階面的車(chē)削工步，即工步2：粗車(chē)φ40外圓面及臺(tái)階面，工步3：粗車(chē)西25外圓面及臺(tái)階面。本工序不含最大直徑φ80外圓面的加工，該外圓為本工序的裝夾基準(zhǔn)面，具體工序內(nèi)容見(jiàn)圖5。

圖5 示例軸類(lèi)零件加工工序卡

    由于底層碼矩陣中的第四、五、六位長(zhǎng)度碼記錄了各型面的長(zhǎng)度信息，在工序簡(jiǎn)圖中就可以按英文字母順序標(biāo)識(shí)各端面符號(hào)。在生成工步內(nèi)容的同時(shí)，記錄下加工端面（臺(tái)階面）的信息，包括位置信息和端面符號(hào)信息。在工序圖中點(diǎn)擊某表面作為定位基準(zhǔn)面，該表面符號(hào)即可記錄并顯示在工步中。提取工步內(nèi)容中的加工端面符號(hào)和定位基準(zhǔn)面符號(hào)，按規(guī)則生成該工步工藝尺寸式代號(hào)，系統(tǒng)按順序保存所有工序和工步的工藝尺寸式代號(hào)，為工序尺寸解算提供依據(jù)。

    4.2 工序簡(jiǎn)圖繪制

    工序簡(jiǎn)圖包括零件基本外形、加工面、定位面和工序尺寸四大要素。零件基本外形由零件信息碼生成的圖導(dǎo)入，加工面由粗糙度符號(hào)標(biāo)識(shí)，定位面由定位符號(hào)標(biāo)識(shí)，工序尺寸由尺寸解算模塊解算，并在圖中標(biāo)識(shí)其代號(hào)。

    系統(tǒng)采用圖形塊技術(shù)，將粗糙度符號(hào)和定位符號(hào)定義為圖形塊，并運(yùn)用圖形捕捉算法方便設(shè)計(jì)人員在工序簡(jiǎn)圖中選取所要標(biāo)注的加工面或定位面進(jìn)行添加操作。該算法可以捕捉到一定范圍內(nèi)的零件端面，并根據(jù)加工余量的符號(hào)（向右加工為正，向左加工為負(fù)）判斷定位符號(hào)的方向。利用這一技術(shù)的還有零件圖中形位誤差的標(biāo)注。

    4.3 工序尺寸解算

    軸類(lèi)零件工序尺寸有徑向尺寸和軸向尺寸兩種。徑向工序尺寸由于基準(zhǔn)重合，計(jì)算簡(jiǎn)單，可用反推法，將下道工序的基本尺寸加（或減）下道工序的加工余量，即為本道工序的基本尺寸，公差取本道工序的加工精度，按人體原則標(biāo)注。軸向工序尺寸涉及基準(zhǔn)不重合及定位基準(zhǔn)多次轉(zhuǎn)換，需解工藝尺寸鏈。

    系統(tǒng)將零件底層碼矩陣中各表面的尺寸數(shù)值信息和每一工步的工藝尺寸式導(dǎo)入工序尺寸解算子模塊，運(yùn)用圖解追跡法解算出軸向工序尺寸。這種方法包含兩部分內(nèi)容，一是工藝尺寸式法和動(dòng)態(tài)向量標(biāo)記法來(lái)完成各工序的尺寸鏈查找和各組成環(huán)增減性判斷；二是運(yùn)用VB實(shí)現(xiàn)加工路線圖自動(dòng)生成和工藝尺寸鏈追跡圖自動(dòng)繪制。該子模塊還提供尺寸偏差計(jì)算和加工余量驗(yàn)算功能以及多工藝方案分析比較功能，從而確定一套較為合理的加工方案。

5 數(shù)據(jù)傳遞與聯(lián)動(dòng)

    系統(tǒng)以簡(jiǎn)單的三個(gè)代碼驅(qū)動(dòng)所有功能模塊的處理和操作，數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一，當(dāng)頂層碼、型面特征和型面參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，次層碼和底層碼隨之變化，后續(xù)所有模塊的原始數(shù)據(jù)也隨之改變，保證了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。

    工序尺寸解算是單獨(dú)進(jìn)行的，在生成工序卡時(shí)，只生成各工步內(nèi)容、加工面、定位面及工藝尺寸式，而工序尺寸“直徑”、“長(zhǎng)度”未計(jì)算，也未標(biāo)注，見(jiàn)圖5中工步1。工序卡生成后，進(jìn)入工序尺寸解算模塊，通過(guò)三級(jí)代碼和工藝尺寸式解算工序尺寸，計(jì)算結(jié)果返傳到工序卡中，最終完成工序卡編輯。在工序尺寸解算模塊中，支持工藝尺寸式的修改和多方案比較，即改變工序順序和工步內(nèi)容，修改后的計(jì)算結(jié)果在返傳工序卡時(shí)，相應(yīng)的工藝卡和工序卡也隨之改變，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。

6 結(jié)論

    系統(tǒng)采用編程語(yǔ)言Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于軸類(lèi)零件加工工藝規(guī)程的制定。系統(tǒng)以參數(shù)描述和特征描述相結(jié)合的復(fù)合型三級(jí)動(dòng)態(tài)碼為信息載體，在各功能模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文以某軸類(lèi)零件為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，設(shè)計(jì)人員只需輸入簡(jiǎn)單的七位頂層碼，選擇相應(yīng)的特征要素，輸入相應(yīng)的幾何參數(shù)，系統(tǒng)就可自動(dòng)生成次層碼和底層碼，自動(dòng)完成零件圖繪制、毛坯圖繪制、工藝決策、工藝卡生成、工序卡生成和工序尺寸解算等功能。系統(tǒng)同時(shí)支持工藝文件的編輯修改，不但實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)成式CAPP自動(dòng)進(jìn)行工藝決策的特點(diǎn)，也兼顧了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的根本。系統(tǒng)針對(duì)軸類(lèi)零件特點(diǎn)開(kāi)發(fā)，不拘于符號(hào)、數(shù)據(jù)的抽象推理，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔而完整，操作簡(jiǎn)便，算法簡(jiǎn)練，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)化，易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，實(shí)用性較強(qiáng)。

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