基于零件特征的生产工艺系统的研究

　　在传统的机械制造过程中，零件加工时间仅占零件生产周期的20%左右，而零件加工所需的生产准备时间则占80%左右，因此缩短生产准备时间，是实现制造过程自动化，提高生产效率的“瓶颈”。在开展产品关键件CAD/CAM一体化研究过程中，采用基于零件特征的一体化设计方法，改变传统的以零件为研究对象的思维模式，以零件中的特征要素作为研究对象，因为特征要素相对于零件来说是一个较低的层次，它具有相对于零件较简单的几何拓扑结构、易于描述，而相对于传统的CAD系统中的造型元素(如Brep中的点、线、面，CSG中体素)又是较高的层次。这个层次直接具有工程化意义，即零件设计时以特征要素为操作对象，工艺过程设计时以特征为基本单位，用适当的表示方法提供计算机可以理解的信息模型，从而形成一个先进生产工艺过程。这样不仅可以解决制造过程中的生产准备时间过长的问题，克服传统CAD/CAPP/CAFD/CAM系统单向开环信息流动与控制、对产品工艺设计不能及时评价与跟踪、对工艺过程设计和制造过程中所出现的问题不能实时监控和反馈修改等缺点，而且可以大大提高生产效率。本系统通过CAPP、CAFD、CAM等子系统的协同工作，完成CAD/CAPP/CAFD/CAM信息共享与集成的研究工作。

    1　系统总体结构

　　生产工艺系统是产品关键结构件CAD/CAM一体化工程中的重要组成部分，是连接设计与制造的桥梁。在功能上它包括3个主要的子系统，即计算机辅助工艺设计(CAPP)子系统、计算机辅助夹具设计(CAFD)子系统和计算机辅助制造(CAM)子系统。从CAD传来的信息经CAPP子系统后得到有关零件加工工艺信息和工装夹具的设计信息，再分别传递给CAFD和CAM子系统，最后得到各工序工装夹具图纸信息、加工刀具文件和NC代码等加工信息。生产工艺系统结构见图1。

图1　生产工艺系统结构框图

    1.1　系统特点
　　生产工艺系统不仅要接收和处理大量的设计信息，而且要实现从工艺特征提取、工艺过程设计、夹具设计到制造与装配等大量信息和功能的集成与并行。因此，拟采用数据管理系统作为并行设计框架，将工艺设计领域中的信息集成起来，并由网络和数据库提供有力的支持。
　　生产工艺系统的特点是：
　　(1)采用统一的数据标准，建立一个完整统一的工艺数据模型，并将其存放在一个共享数据文件或数据库中，通过并行框架，任一阶段的设计修改信息都能够直接反映到其它工作中并保证数据的计算机辅助唯一性和可跟踪性；
　　(2)功能上，具有层次性。一方面，具有最基本的功能模块，如零件特征建模、可制造性评价及工艺生成等模块。另一方面，还有上层模块对上述各基本模块在并行模式下的工作进行控制，以实现对各功能活动的管理；
　　(3)结构上，不是单一的流程形式，而是更复杂的具有反馈的双向镶嵌式并行结构，制造过程中出现的问题可直接反馈给工艺设计模块进行评价和修改，缩短了产品的制造周期；
　　(4)性能上，是更加灵活开放的系统，表现为具有可扩展性，能添加新的功能模块(如可装配性评价)，同时在不影响内部推理机制的情况下，系统数据及知识库能方便地扩充。

    1.2　系统功能
　　(1)CAPP　通过零件信息输入，识别结构要素和检索其工艺特征，通过专家推理完成结构要素的工艺设计、机床刀具选择、夹具类型的选择，并通过人机交互，确定出加工工艺路线和工序内容，优化设计方案。
　　(2)CAFD　根据CAPP设计信息完成夹具的方案设计，优化结构设计和夹具设计精度分析校验、夹具预装配仿真。
　　(3)CAM　根据CAPP产生的零件工艺信息，计算刀位轨迹，生成NC程序，进行后置处理和仿真。

    2　CAPP的实现方案

　　针对某厂的四大类零部件，从零件的结构设计和加工工艺统一的角度进行归纳和提炼，抽取和定义工艺特征要素，形成特征要素库，通过对工艺领域专家的知识，经验以及工艺设计的思路和方法进行归纳和总结，建立各种工艺特征要素的工艺知识库，然后以零件的形状特征、加工要素的方向与位置特征和粗糙度特征作为推理过程的判据，通过专家系统中的推理机推出各种工艺特征要素的加工方法、刀具类型、机床类型、夹具类型以及切削用量等，生成工艺过程文件，对于工序集中的数控加工工序，根据起刀点的位置、加工要素的尺寸、形状和方向，通过推理机推出各工序的顺序，再根据加工的尺寸与位置要求自动生成NC代码。生成各种工艺文件之后，进行可行性评价，一方面检查设计中的错误，包括结构不合理、尺寸矛盾、公差不一致等；另一方面结合工艺生成，评价零件的工艺合理性。这种并行环境下的CAPP的工作模式，能实现CAPP系统与设计系统、CAFD系统、CAM系统及本系统内部的信息交换方式的统一，将CAPP前镶后嵌于CAD与CAM中，实现CAD/CAM共享与集成。其开发流程见图2。

图2　工艺设计流程图

    3　CAFD的实现方案

　　CAFD是产品生产工艺过程设计的重要组成部分，在CE环境下，当CAPP确定了初步工艺方案后，CAFD根据工艺设计结果进行定位夹紧方案设计，并向CAPP反馈有关信息，CAFD同时还接受下游的加工仿真系统的反馈信息，及时修正不合理的夹具设计。该系统主要内容是：根据某厂零部件品种多、批量小的特点，夹具设计采用以组合夹具加标准专用合件为主，专用夹具为辅，组合夹具与专用夹具并行设计的原则进行夹具的计算机辅助设计，根据CAPP产生的工装设计信息(定位基准，夹紧部位等)，首先判断采用组合夹具还是采用专用夹具，组合夹具采用半智能化设计，利用专家推理进行选件，通过人机对话进行组装，为了缩短夹具的设计与制造装配周期，针对产品设计制造一批针对某一零件的标准专用组件，例如夹具组件、定位组件、支承组件等，用以扩充现行组合夹具的应用范围，并使之更具有针对性。
　　在CAPP和CAFD中将综合运用创成法、检索法与人工交互方法各自的优点，使整个系统既操作方便又运行可靠。其开发流程见图3。

图3　夹具设计流程图

    4　CAM的实现方案

　　将CAD产生的零件特征几何信息和CAPP产生的零件工艺信息，以及生产管理子系统的物料需求信息，车间作业调度信息输入CAM子系统后，进行刀位轨迹计算、刀位文件编辑、刀具运动仿真和后置处理，输出数控加工指令和切削加工时间等信息，在Pro/E所提供的开发环境中，开发如下软件：NC代码翻译转换和三维动画仿真，从毛坯到成品演变过程干涉检验程序，夹具的精度校核，夹紧力校核及工装预装配仿真软件。其结构见图4。

    5　CAPP/CAFD/CAM集成

　　在Pro/E环境下进行特征识别与信息匹配，建立用户自己的特征模型数据结构，输出STEP标准文件，然后借助STEP develope tools转化为CAPP可接受的文件，以便于后续的CAPP，CAFD，CAM接收该文件，所以这是中性文件级数据共享层次，其关键技术为特征识别、STEP方法学的研究与应用协议制定、STEP中性文件的形成以及STEP开发工具的输入/输出接口等。

图4　CAM的结构示意图