成形工藝輔助設計技術發(fā)展

成形工藝輔助設計技術發(fā)展

主講人：劉嬌

一.概述

塑性加工過程是指將金屬毛坯材料經(jīng)塑性變形轉變?yōu)榕c圖紙要求完全一致的零件加工過程，它往往由多個依次完成的不同工序構成。各工序的加工方法、工藝參數(shù)、工序件形狀和要求、模具結構、使用的機床等均不相同。為了保證穩(wěn)定、高效地加工出合格產(chǎn)品，必須要在零件的加工過程實施前，對加工方案作出計劃。

機械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程根據(jù)產(chǎn)品圖紙、技術要求、產(chǎn)量和現(xiàn)實生產(chǎn)條件等因素，對加工過程中所包括的諸如原材料準備、加工方法、輔助加工工序、檢測手段等做出詳盡、周密、切合實際的計劃，為加工過程制定出詳細的加工指令，這一設計工作就是工藝過程設計（ProcessPlanning）

工藝過程設計是保證產(chǎn)品質量、生產(chǎn)的技術水平、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成本等技術經(jīng)濟指標的關鍵，是連接產(chǎn)品設計與加工過程的橋梁。塑型加工工藝過程設計的主要內(nèi)容：（1）確定成形方法；（2）安排成形與輔助加工的工序；（3）選擇加工設備與檢測方法；（4）確定工藝參數(shù)與條件；（5）提出模具設計任務等；工藝過程設計的傳統(tǒng)方式：由工藝人員根據(jù)具體的生產(chǎn)條件和以往積累的經(jīng)驗，參考各種設計標準和手冊，對每一個待加工零件的加工工藝過程做出計劃。特點：1.經(jīng)驗性和技術性強2.重復性和事務性工作較多3.設計方案多樣化4.構成CAD與CAM之間的瓶頸需要考錄的因素錯綜復雜，不僅要有關于加工工藝的良好知識基礎，還要有相當豐富的生產(chǎn)車間工作經(jīng)驗一般是一個具體的零件，幾乎每一零件的設計都要從頭開始做起，原有經(jīng)過實踐考驗的設計結果很難直接應用。受設計者知識水平和經(jīng)驗的限制，即使在同一車間，針對同一零件由不同設計人員所設計出的工藝規(guī)程會相差甚遠。作為產(chǎn)品設計與加工之間的接口環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)設計方式已經(jīng)成為生產(chǎn)過程的瓶頸，CAD與CAM難以實現(xiàn)真正的集合。二.引入：

為了有效的解決工藝過程傳統(tǒng)設計方式存在的問題，自60年代以來，隨著計算機技術的迅速發(fā)展，以實現(xiàn)工藝過程設計自動化為目的計算機輔助工藝過程設計（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）成為生產(chǎn)工程研究中的基礎學科而受到普遍重視。三.計算機輔助工藝過程設計概念：計算機輔助工藝過程設計，是通過計算機技術輔助工藝人員，以系統(tǒng)、科學的方法確定零件從毛坯到成品的整個技術過程。

意義：CAPP徹底改變了手工編制工藝文件的方式和對人的依賴，大大提高了編制工效，縮短了生產(chǎn)周期，保證工藝文件的一致性和工藝規(guī)程的精確性，避免不必要的差錯，為實現(xiàn)工藝過程優(yōu)化，集成制造創(chuàng)造條件。CAPP主要內(nèi)容框圖：產(chǎn)品設計信息輸入工藝決策產(chǎn)品設計信息輸入人機交互輸入系統(tǒng)所需的產(chǎn)品設計信息直接從CAD系統(tǒng)讀取所需的產(chǎn)品設計信息修訂式方法（VariantApproach）生成式方法（GenerativeApproach）專家系統(tǒng)、人工智能工藝卡片、工藝參數(shù)文件、數(shù)據(jù)庫存儲、信息共享修訂式CAPP系統(tǒng)：

修訂式CAPP（也稱派生式CAPP）系統(tǒng)把相似零件匯集成零件組，為每個零件組設計出可供全組零件參考的標準工藝規(guī)程，并把標準工藝規(guī)程以數(shù)據(jù)庫的形式存儲在系統(tǒng)中。

設計具體零件的工藝規(guī)程時，首先確定出零件所在的組。然后，利用相似零件其工藝規(guī)程也相似這一設計邏輯，從工藝規(guī)程數(shù)據(jù)庫中檢索出零件所在組的標準工藝規(guī)程。最后，根據(jù)具體零件結構、工藝特征和技術要求，經(jīng)用戶必要的修改和編輯，便可得到該零件的工藝規(guī)程。成組技術（GroupTechnology,GT）是建立修訂式CAPP系統(tǒng)的基礎。修訂式CAPP系統(tǒng)構成成組技術：將各種零件按一定規(guī)則，劃分為具有共同特征并可識別的零件組，使同一組內(nèi)的零件能夠采用基本一致的加工方法，以達到省時省力的目的。實施：第一階段建立用于標識零件的編碼系統(tǒng)

第二階段按相似原則形成零件組第一階段建立用于標識零件的編碼系統(tǒng)編碼：就是由一定的數(shù)字與字母構成的字符串，用來表達零件的各種特征。（GT編碼）著名GT編碼系統(tǒng)如：西德Opitz、荷蘭Miclass、日本KK-3四個基本要素：1.碼數(shù)制2.碼位數(shù)3.碼定義4.碼結構所用字符的類型。常用的碼數(shù)制十進制、十六進制等數(shù)字式和字母-數(shù)字式。數(shù)字式簡單十進制最為普通。組成碼數(shù)的數(shù)字和字母的總數(shù)。太多太少都不好，15位適合。對編碼中每一位碼的各種取值規(guī)定準確的定義。鏈式、樹式、混合式碼位之間是隸屬關系，即除第一碼位外，其他代碼值的確切含義都有前級碼位限制。特點：所包含的特征信息量較多，能對零件特征進行較詳細的描述，但結構復雜，編碼和識別不太方便。各碼位之間為并列關系，編碼的每一位碼代表著不同的信息，有獨立的含義，與前后碼位的值無關。特點：所包含的特征信息量比樹式結構少，但結構簡單，編碼和識別也比較方便。鏈式和樹式的綜合，兼有二者之長。

第二階段按相似原則形成零件組在綜合考察、分析各種零件特征的基礎上，制定適宜的相似性準則，將相似零件劃歸至相應零件組。設計具體零件的工藝規(guī)程時，首先確定出零件所在的組。然后，利用相似零件其工藝規(guī)程也相似這一設計邏輯，從工藝規(guī)程數(shù)據(jù)庫中檢索出零件所在組的標準工藝規(guī)程。最后，根據(jù)具體零件結構、工藝特征和技術要求，經(jīng)用戶必要的修改和編輯，便可得到該零件的工藝規(guī)程。對修訂式CAPP系統(tǒng)評價：優(yōu)點：1.易于開發(fā)2.用戶可以控制最終形成的工藝規(guī)程3.易于學習和操作缺點：1.僅能為與原零件相似的零件設計工藝規(guī)程2.仍然需要經(jīng)驗豐富的工藝設計人員修改和完善標準工藝規(guī)程3.不能應用于自動化的制造系統(tǒng)中生成式CAPP系統(tǒng)：是一種計算機程序系統(tǒng)，它依靠建立在系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯、算法、公式和幾何數(shù)據(jù)，模仿工藝設計人員進行工藝問題的推理決策，自動生成將材料毛坯加工成要求零件的工藝規(guī)程。現(xiàn)在已公開面世的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)大都是按專家系統(tǒng)組織的。應用專家系統(tǒng)，能使計算機代替人去完成藝設計的推理過程。以人類專家的水平去解決該領域中困難問題的計算機軟件系統(tǒng)生成式CAPP系統(tǒng)構成：

關鍵零件的描述：GT編碼法、零件描述專用語言

決策邏輯決策樹決策表工藝知識及知識庫：

工藝知識是大量工藝專家智慧和經(jīng)驗的結晶，是生產(chǎn)實踐經(jīng)驗的積累。然而知識獲取是一項重要而艱難的工作，因為，經(jīng)驗和技能不一定具有系統(tǒng)的形式或合理的結構模式；個人經(jīng)驗往往不完整，有時還是含糊的；經(jīng)驗知識往往具有很強的針對性，同時也就具有局限性。推理機：根據(jù)已知信息和條件，推斷出某些結論，從而控制整個系統(tǒng)運行的一組程序。

與修訂式CAPP相比較優(yōu)點：

1.設計過程不需要用戶的干預，生成的工藝規(guī)程是唯一的，不會因人而異2.系統(tǒng)內(nèi)不需要標準工藝規(guī)程，工藝設計的難易與以前是否設計過該零件或類似的零件無關，特別適用產(chǎn)品品種多、變化頻繁的生產(chǎn)環(huán)境。3.可以作為培訓工具，使初學者能學習到有經(jīng)驗的專家在進行工藝過程設計時的推理決策過程4.設計效率高，易于完善和擴展5.具有和CAD/CAM系統(tǒng)集成實現(xiàn)自動化設計與制造系統(tǒng)的可能不足之處：采用專家系統(tǒng)技術，可以實現(xiàn)工藝知識庫和推理機的分離。在一定范圍內(nèi)或理想情況下，當CAPP系統(tǒng)應用條件發(fā)生變化時，可以擴充或修改知識庫中的知識，而無需從頭進行系統(tǒng)的開發(fā)。80年代以來，國內(nèi)外已開發(fā)了許多工藝決策轉機系統(tǒng)，但多是原型系統(tǒng)，知識數(shù)量少、功能有限，難以滿足實用化要求，因此僅有很少的幾個系統(tǒng)獲得了實際應用。四.CAPP技術的發(fā)展趨勢經(jīng)過20多年的努力，國內(nèi)外已開發(fā)數(shù)百個CAPP系統(tǒng)，但真正得到應用的還很少。同CAD、CAM等計算機輔助技術相比，CAPP仍是薄弱環(huán)節(jié)，許多技術問題還待解決。目前，集成化、智能化、工具化是CAPP發(fā)展的主要趨勢。CAPP的集成化：1.信息集成

CAPP集成化的基礎是信息集成。從完整意義上講CAPP的信息集成不僅是CAD/CAM/CAPP的集成，而且還包括CAPP與其他各相關信息系統(tǒng)之間的信息集成。但從技術角度看，CAD/CAM/CAPP特別是CAD/CAPP間的信息集成是CAPP集成化的關鍵所在，也是當前研究的重點。CAPP與CAD的信息集成實現(xiàn)工藝信息獲取的自動化，直接讀入CAD生成并經(jīng)過轉化的數(shù)據(jù)，生成零件加工工藝規(guī)程。CAPP與CAM的信息集成保證產(chǎn)生的加工工藝信息傳遞到CAM，自動的產(chǎn)生數(shù)控加工程序。2.功能集成

制造系統(tǒng)是一個整體，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中上下游環(huán)節(jié)之間是相互制約、相互關聯(lián)的：設計決定了制造方法，反過來制造環(huán)境又要求設計與之相適應，必須綜合、全面考慮相關的環(huán)節(jié)。CAPP的功能集成就是要求其能與它的上下游計算機輔助系統(tǒng)實現(xiàn)并行，盡可能造的發(fā)現(xiàn)問題，減少重復。3.CAPP與車間作業(yè)計劃的集成

通常CAPP與車間作業(yè)計劃是相互獨立運行的，并且CAPP在車間作業(yè)計劃之前。由于企業(yè)實際生產(chǎn)制造資源狀況在不斷的變化，會造成工藝計劃實際上的不可用或者不適用；車間中一些突發(fā)事件，CAPP也不能及時作出反應易造成生產(chǎn)的混亂。國內(nèi)外展開研究，提出一些CAPP與車間作業(yè)計劃集成方法：非線性工藝設計、閉環(huán)工藝設計、分布式工藝設計。通過產(chǎn)生被加工零件的多個具有不同優(yōu)先級的可供選擇的工藝方案，為車間調度提供一種柔性。通過接收車間資源信息的動態(tài)反饋，產(chǎn)生實施優(yōu)化的工藝方案通過劃分階段，如預設計段、詳細設計階段等，在不同的階段分別實現(xiàn)CAPP與車間作業(yè)計劃的并行集成，被認為是一種理想的集成方法。CAPP的智能化：

長期以來CAPP的一個目標就是利用計算機自動進行工藝設計，然而工藝設計是一個非常復雜的過程，范圍廣、性質各異，大大依賴于專家和個人的經(jīng)驗和技巧。當專家系統(tǒng)被引入后，對智能化CAPP的研究不斷發(fā)展，目前主要包括基于專家系統(tǒng)和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的的智能化CAPP。主要研究知識處理技術和工藝決策過程模型及算法，它將人類專輯的知識和經(jīng)驗存入計算機，并像人類專家那樣運用知識，通過推理作出判斷和決策。人工神經(jīng)網(wǎng)絡反映智能技術中的連接主義，模擬人的大腦結構，構造人工神經(jīng)元和神經(jīng)元連接網(wǎng)絡，通過訓練獲取知識。特征之一是具有自我學習和完善能力大大簡化工藝知識的獲取，使設計速度很快。CAPP的工具化：工藝設計對制造環(huán)境有強烈的依賴性，環(huán)境不同或類型不同必然導致工藝設計結果的不同，因此大多數(shù)CAPP系統(tǒng)都是針對某一個具體生產(chǎn)環(huán)境的，工具化CAPP主要致力于開發(fā)柔性系統(tǒng)，使不同的用戶通過簡單的二次開發(fā)，獲得適合自己實際應用環(huán)境的CAPP特點：具有合理的系統(tǒng)體系結構，使得工藝數(shù)據(jù)、工藝知識和控制程序盡量分離、獨立；工藝決策方式、工藝知識表達方式多樣化；建立具有一定通用型的數(shù)據(jù)模型。五.總結三十多年的時間里，為適應不斷變化的環(huán)境和需求，CAPP系統(tǒng)的發(fā)展在不斷的調整，但是核心思想始終沒有改變，即利用計算機實現(xiàn)零件工藝的自動化設計，提高工藝設計