在CAPP20多年的發展歷史中,發表的論文已有數百篇,但其中大多數是介紹某一特定的CAPP系統。在這些系統中大多數屬于派生式系統,只是最近幾年半創成式和創成式系統才較多地開發出來。工藝設計自動化是當前CAPP研究熱點之一。本文針對滾動軸承的工藝設計過程進行分析,給出一種實現工藝設計自動化的方法。
1 滾動軸承工藝設計的特點
滾動軸承工藝設計具有以下幾個特點:
(1)加工工藝相對簡單相對于其他機械產品,滾動軸承的產品結構相當簡單,主要的結構就是4大件:內圈、外圈、滾動體和保持架,外形亦不復雜。這4大件的加工工藝比較簡單,工藝種類不多,也不復雜。主要的工藝包括鍛造工藝、材料定額工藝、車削工藝、磨削工藝、熱處理工藝、工裝設計、夾具設計和量具設計。
(2)加工工藝相似度較高軸承從形狀、功能和結構來看相當簡單,并具有很大的相似性。但實際上其種類不少,從規格和品種來看卻非常繁雜。所幸其系列化標準化程度高,生產工藝比較成熟和規范,同一系列的同一類軸承件,其工藝過程基本相同。
(3)工藝設計過程簡單滾動軸承工藝設計最主要的工作就是工藝參數的計算,并且所有參數都可以根據標準或經驗公式和規則來確定。工藝卡片模式統一化程度高。
2 滾動軸承工藝設計自動化
2.1系統原理
鑒于滾動軸承工藝設計的特點,完全可以實現滾動軸承的工藝設計自動化。滾動軸承工藝設計的主要工作是工藝參數計算、工藝方案制定、設備選取、工裝的選用和工藝卡片的繪制。其中,工藝參數可以通過查表或者公式計算得到。而在滾動軸承的工藝設計中,查表的規則種類不多,參數的計算公式亦不復雜,所以實現把參數計算的方法存儲到數據庫中并在使用時取出并進行計算的過程并不困難。滾動軸承的加工工藝方案種類不多,并且每種工藝方案的加工步驟都比較固定,一般變化的只是加工的參數。加工方案的選擇是根據零件的結構和外形尺寸來進行的。因此可以把所有的加工方案和選用規則存儲到數據庫中,并在適當的時候根據規則來選取。設備的選取與加工方案的選用比較類似,很容易建立加工設備和選用規則庫。工裝的選用是根據加工方案以及外形尺寸來確定的,所以可以建立工裝的選用關系庫來存儲工裝的選用規則。對于工藝卡片的繪制,滾動軸承的工藝卡片種類不多,并且每類卡片的形式比較固定,所以可以為每類卡片制作一個模板,保存到模板庫中,然后在繪制的時候把工藝信息填到模板中相應的地方就可以得到完整的工藝卡片。
綜上所述,可以通過建立公式庫、規則庫以及模板庫的方法,把滾動軸承的工藝設計過程信息化。配合適當的公式計算和規則解析模塊,就可以實現滾動軸承工藝設計自動化。圖1為系統的原理圖。
2.2工藝知識庫建立和使用
公式庫、規則庫和模板庫統稱知識庫,是工藝設計自動化系統的核心部分。知識庫的建立和使用是系統的關鍵。
知識庫中的規則表示方式有很多種,IF-THEN規則就是一種常見的表示方式。這里使用的方法為IF-THEN規則的擴展規則,使用與計算機高級語言兼容的表達式來定義。定義計算公式使用的是支持函數的四則運算表達式,而定義規則使用的是邏輯表達式。同時,為了方便系統程序的處理,使用的參數變量的命名方法和一般高級語言的命名規則相同,而不是用中文來表示。使用與高級語言兼容的表達式,可以使用很多現有的表達式求值庫來對知識庫進行處理,從而降低了開發的工作量,也可以提高知識庫的可讀性。
例如,預先定義零件外徑的名稱為Dw0,鍛件外徑為dgDw0,鍛件外徑留量為dgLLw,則在公式庫中,鍛件外徑的計算公式為Dw0+dgLLw。計算公式中可以包括常見的數學函數和自定義函數。利用自定義函數可以實現一些特殊的功能。例如把查表的規則分類,為每一類規則定義一個自定義函數。在某項數據需要查表的時候,只需把相應的表名、列名和條件等信息傳給相應的查表函數,就可以返回查表的結果。通過這種方法,可以把查表操作融合到計算公式中,方便知識庫的定義。把所有工藝參數的計算公式保存到公式庫中,在適當的時候把公式提取出來并求值,就可以得到所要的結果。并把結果保存到工藝設計結果庫中,即可自動完成所有工藝參數的計算。在待確定信息和確定方法一一對應的時候,可以使用公式定義的方式定義到公式庫中。但如果某項信息在不同的條件下會有不同的結果時,就要用到了規則庫。例如滾動軸承套圈鍛造工藝的工藝方案的確定,一般是根據套圈的外徑(Dw0)、內徑(Dn0)、厚度(B0)和重量(Q0)來確定。這時可以為每一種工藝定義一個適用條件和一個優先級。使用條件為一條邏輯表達式,如果表達式的值為真的話,則表示該方案適合使用。優先級是用來在有多個方案都滿足條件的時候優先采用的方案。表1為示意的滾動軸承套圈的鍛工工藝方案選擇規則表。
通過解析適用條件的邏輯表達式,即可自動確定應該采取的加工方案。
模板庫中保存的是各種工藝卡片的模板。模板可以使用各種格式的文檔,如Word文檔或AutoCAD的DWG文檔。模板實際上就是一張空白的工藝卡片。把模板文檔和該模板對應的使用條件保存到模板庫中,在需要輸出工藝卡片的時候,根據所要輸出的卡片的信息選擇合適的模板。并把已經設計好的工藝數據填入到模板中相應的地方,就可以得到所需的工藝卡片。這個過程也可以在不須人工干預的條件下自動完成。
2.3系統結構
系統是采用創成式原理進行設計。當獲取到相應的零件信息之后,系統根據存儲在數據庫內的工藝數據庫和工藝規則庫,應用各種工藝決策邏輯并自動生成該零件的工藝規程,同時也可通過人機交互的方式對工藝規程進行編輯修改。系統總體框架如圖2所示。
3 應用實例
在西北軸承集團的NXZ-CAPP工藝設計系統的開發過程中,充分利用了這項技術,并取得了較好的效果。通過知識庫管理界面定義和創建知識庫之后,系統根據從CAD中獲取的零件信息,自動創建零件的相應工藝設計任務。工藝人員通過向導的模式,一步一步地完成各項工藝的設計。在設計的過程中,各項數據的計算工作都是自動完成的,工藝人員可以看到各項計算的結果,也可以手動修改各項結果。
下面通過具體的實例來說明關鍵技術的實現。以套圈的鍛工工藝為例,圖3為工藝設計流程圖。
用表1中的工藝方案規則,方案"半胎膜自由鍛"和"0.5t錘-Ф250輾環"都符合條件。但方案"0.5t錘-<250輾環"的優先級較高,所以使用加工方案是/0.5t錘-<250輾環"。
在計算很多工藝數據的時候,除了要使用從CAD系統中得到的數據之外,還要使用到其他工藝設計的數據。所以計算的時候要根據先后順序來進行,先計算都已知的工藝參數,再利用已經計算出來的工藝參數去計算其他未知的工藝參數。在建立知識庫的時候應該指定參數的計算順序。例如鍛件外徑的計算公式為Dw0+dgLLw,Dw0已知,要計算就要先確定鍛件外徑留量dgLLw。而dgLLw是通過查表得到的。得到dgLLw后,就可以計算鍛件外徑。
4 結語
本文針對滾動軸承工藝設計的特點,探討了實現工藝設計過程自動化的方法,并開發出了實用的CAPP系統。采用該系統,可以實現滾動軸承鍛工、材料定額、車加工、磨加工、熱處理和工裝等工藝的自動化設計,自動完成工藝規程。應用工藝設計自動化,提高了工藝設計的效率,產生了良好的經濟效益。不足之處是工藝知識庫是各個企業的秘密,需要為每個企業建立各自的知識庫。
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