成形工藝輔助設(shè)計技術(shù)發(fā)展

成形工藝輔助設(shè)計技術(shù)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(zhuǎn)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(gòu)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(jié)構(gòu)、使用的機(jī)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(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程根據(jù)產(chǎn)品圖紙、技術(shù)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(zhǔn)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(xì)的加工指令，這一設(shè)計工作就是工藝過程設(shè)計（ProcessPlanning）

工藝過程設(shè)計是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)的技術(shù)水平、生產(chǎn)周期、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵，是連接產(chǎn)品設(shè)計與加工過程的橋梁。塑型加工工藝過程設(shè)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(shè)備與檢測方法；（4）確定工藝參數(shù)與條件；（5）提出模具設(shè)計任務(wù)等；工藝過程設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shù)性強(qiáng)2.重復(fù)性和事務(wù)性工作較多3.設(shè)計方案多樣化4.構(gòu)成CAD與CAM之間的瓶頸需要考錄的因素錯綜復(fù)雜，不僅要有關(guān)于加工工藝的良好知識基礎(chǔ)，還要有相當(dāng)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(shè)計都要從頭開始做起，原有經(jīng)過實踐考驗的設(shè)計結(jié)果很難直接應(yīng)用。受設(shè)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(shè)計人員所設(shè)計出的工藝規(guī)程會相差甚遠(yuǎn)。作為產(chǎn)品設(shè)計與加工之間的接口環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)設(shè)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(shè)計方式存在的問題，自60年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以實現(xiàn)工藝過程設(shè)計自動化為目的計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）成為生產(chǎn)工程研究中的基礎(chǔ)學(xué)科而受到普遍重視。三.計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計概念：計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計，是通過計算機(jī)技術(shù)輔助工藝人員，以系統(tǒng)、科學(xué)的方法確定零件從毛坯到成品的整個技術(shù)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(shè)計信息輸入工藝決策產(chǎn)品設(shè)計信息輸入人機(jī)交互輸入系統(tǒng)所需的產(chǎn)品設(shè)計信息直接從CAD系統(tǒng)讀取所需的產(chǎn)品設(shè)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(shè)計出可供全組零件參考的標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程，并把標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程以數(shù)據(jù)庫的形式存儲在系統(tǒng)中。

設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程。最后，根據(jù)具體零件結(jié)構(gòu)、工藝特征和技術(shù)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(shù)（GroupTechnology,GT）是建立修訂式CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)。修訂式CAPP系統(tǒng)構(gòu)成成組技術(shù)：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(dá)到省時省力的目的。實施：第一階段建立用于標(biāo)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(biāo)識零件的編碼系統(tǒng)編碼：就是由一定的數(shù)字與字母構(gòu)成的字符串，用來表達(dá)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(jié)構(gòu)所用字符的類型。常用的碼數(shù)制十進(jìn)制、十六進(jìn)制等數(shù)字式和字母-數(shù)字式。數(shù)字式簡單十進(jìn)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(zhǔn)確的定義。鏈?zhǔn)?、樹式、混合式碼位之間是隸屬關(guān)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(jìn)行較詳細(xì)的描述，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編碼和識別不太方便。各碼位之間為并列關(guān)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(guān)。特點：所包含的特征信息量比樹式結(jié)構(gòu)少，但結(jié)構(gòu)簡單，編碼和識別也比較方便。鏈?zhǔn)胶蜆涫降木C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(chǔ)上，制定適宜的相似性準(zhǔn)則，將相似零件劃歸至相應(yīng)零件組。設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程。最后，根據(jù)具體零件結(jié)構(gòu)、工藝特征和技術(shù)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(xué)習(xí)和操作缺點：1.僅能為與原零件相似的零件設(shè)計工藝規(guī)程2.仍然需要經(jīng)驗豐富的工藝設(shè)計人員修改和完善標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程3.不能應(yīng)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(jī)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(shè)計人員進(jìn)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?，F(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(yīng)用專家系統(tǒng)，能使計算機(jī)代替人去完成藝設(shè)計的推理過程。以人類專家的水平去解決該領(lǐng)域中困難問題的計算機(jī)軟件系統(tǒng)生成式CAPP系統(tǒng)構(gòu)成：

關(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)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(qiáng)的針對性，同時也就具有局限性。推理機(jī)：根據(jù)已知信息和條件，推斷出某些結(jié)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(shè)計過程不需要用戶的干預(yù)，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(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程，工藝設(shè)計的難易與以前是否設(shè)計過該零件或類似的零件無關(guān)，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(xùn)工具，使初學(xué)者能學(xué)習(xí)到有經(jīng)驗的專家在進(jìn)行工藝過程設(shè)計時的推理決策過程4.設(shè)計效率高，易于完善和擴(kuò)展5.具有和CAD/CAM系統(tǒng)集成實現(xiàn)自動化設(shè)計與制造系統(tǒng)的可能不足之處：采用專家系統(tǒng)技術(shù)，可以實現(xiàn)工藝知識庫和推理機(jī)的分離。在一定范圍內(nèi)或理想情況下，當(dāng)CAPP系統(tǒng)應(yīng)用條件發(fā)生變化時，可以擴(kuò)充或修改知識庫中的知識，而無需從頭進(jìn)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(zhuǎn)機(jī)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(yīng)用。四.CAPP技術(shù)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(yīng)用的還很少。同CAD、CAM等計算機(jī)輔助技術(shù)相比，CAPP仍是薄弱環(huán)節(jié)，許多技術(shù)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(chǔ)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(guān)信息系統(tǒng)之間的信息集成。但從技術(shù)角度看，CAD/CAM/CAPP特別是CAD/CAPP間的信息集成是CAPP集成化的關(guān)鍵所在，也是當(dāng)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(zhuǎn)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(guān)聯(lián)的：設(shè)計決定了制造方法，反過來制造環(huán)境又要求設(shè)計與之相適應(yīng)，必須綜合、全面考慮相關(guān)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(jī)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(fù)。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(yīng)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(shè)計、閉環(huán)工藝設(shè)計、分布式工藝設(shè)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(diào)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(yù)設(shè)計段、詳細(xì)設(shè)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(rèn)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(biāo)就是利用計算機(jī)自動進(jìn)行工藝設(shè)計，然而工藝設(shè)計是一個非常復(fù)雜的過程，范圍廣、性質(zhì)各異，大大依賴于專家和個人的經(jīng)驗和技巧。當(dāng)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(luò)的的智能化CAPP。主要研究知識處理技術(shù)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(jī)，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(luò)反映智能技術(shù)中的連接主義，模擬人的大腦結(jié)構(gòu)，構(gòu)造人工神經(jīng)元和神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)，通過訓(xùn)練獲取知識。特征之一是具有自我學(xué)習(xí)和完善能力大大簡化工藝知識的獲取，使設(shè)計速度很快。CAPP的工具化：工藝設(shè)計對制造環(huán)境有強(qiáng)烈的依賴性，環(huán)境不同或類型不同必然導(dǎo)致工藝設(shè)計結(jié)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(yīng)用環(huán)境的CAPP特點：具有合理的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，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(dá)方式多樣化；建立具有一定通用型的數(shù)據(jù)模型。五.總結(jié)三十多年的時間里，為適應(yīng)不斷變化的環(huán)境和需求，CAPP系統(tǒng)的發(fā)展在不斷的調(diào)整，但是核心思想始終沒有改變，即利用計算機(jī)實現(xiàn)零件工藝的自動化設(shè)計，提高工藝設(shè)計