0 前言
現(xiàn)代制造工業(yè)面對的是一個結構復雜, 品種多, 批量小, 生產(chǎn)周期短和日益集成的生產(chǎn)環(huán)境。它要求從產(chǎn)品設計開始就考慮到產(chǎn)品的制造、管理、銷售、使用和報廢, 即考慮到產(chǎn)品生命周期的全過程。因此根據(jù)柔性制造( F lex ib leM anufacturing, FM )與計算機集成制造( Computer Integrated Manu facturing, C IM ) 的原理和并行工程( C oncurrent Eng ineering, CE )的方法, 研究柔性化及集成化的計算機輔助工藝過程設計系統(tǒng)( ComputerAided Process Plann ing, CAPP)就顯得十分重要。
它是CIMS的重要環(huán)節(jié), 是連接計算機輔助設計( ComputerAided Design, CAD)和計算機輔助制造( ComputerA idedManufacturing, CAM )的橋梁和紐帶。本著實用、通用的基本原則, 我們開發(fā)了CAPP /NC 編程集成的NDCAPP系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應用于柔性制造單元上的箱體類零件加工, 能完成包括零件信息的描述和輸入、工藝過程的生成和數(shù)控程序的自動編制。由于CAPP和NC 編程都是制造工藝方面的問題, 信息上易于集成; 同時兩者大多是由工藝技術人員開發(fā)的, 數(shù)據(jù)內涵和格式易于統(tǒng)一, 因此兩者之間的集成易于解決。
1 系統(tǒng)結構設計及主要功能模塊
1. 1 系統(tǒng)結構框圖如圖1所示
1. 2 系統(tǒng)的主要模塊
( 1)控制模塊。協(xié)調各模塊運行, 實現(xiàn)人機之間的信息交流, 控制零件信息獲取方式。
( 2)零件信息獲取模塊。零件信息輸入可以有下列三種方式: 人機交互輸入; 來自集成環(huán)境下數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型; 在集成制造系統(tǒng)中, 零件的信息可由CAD 系統(tǒng)直接輸入。
( 3)工藝過程設計模塊。進行加工工藝過程的決策, 生成工藝過程卡。
( 4)工序決策模塊。進行工序設計, 生成工序卡。
在這里完成切削用量、加工余量、工序尺寸及其公差和時間定額等項工藝參數(shù)的計算。
( 5)工步?jīng)Q策模塊。劃分工步及提供形成NC 指令所需的刀位文件。
( 6)工藝文件生成模塊。生成規(guī)定格式的工藝文件。
( 7) NC 加工指令生成模塊。根據(jù)工序內容、刀位文件, 所選用的NC 機床自動編制用于控制數(shù)控機床的NC加工指令。
( 8)輸出模塊。可輸出工藝過程卡、工序卡和工序圖及NC 加工程序單等各類文檔, 并可利用編輯工具對現(xiàn)有文件進行修改后得到所需的工藝文件。
( 9)加工過程動態(tài)仿真模塊。可檢查工藝過程和NC指令的正確性。
2 零件信息描述
零件信息描述是CAPP系統(tǒng)運行的前提條件。為提高CAPP 系統(tǒng)的柔性, 考慮到箱體類零件的特點, NDCAPP系統(tǒng)采用基本實體+ 方位特征的零件信息描述, 該信息描述方法主要是為計算機處理零件信息提供可靠基礎, 它不僅能滿足工藝過程設計要求, 而且為CAD /CAPP /NCP的集成奠定了基礎。
工藝人員在進行工藝過程設計時, 總是先從某個方向入手, 找出這個方向上的各個表面, 接著找出每個面上有哪些型面特征, 如幾個孔、幾個槽或幾個螺紋孔等, 然后針對這些形狀特征選擇加工方法并進行排序。在分析工藝人員推理過程的基礎上, 總結出/基本實體+ 方位特征0的零件信息描述方法。這種方法是結合CAD 中實體造型的體素概念和特征造型的特征概念。基本實體是三維特征, 包括軸、盤、齒輪等回轉類零件和箱體、殼體、棱形體、閥體等非回轉類零件。在三維空間, 任何一個實體各表面按其法向所指的方向, 即為方位。根據(jù)方位理論, 將實體分解為若干方位面, 如箱體類零件按其表面所在方向的法向所指的情況, 有6個方位面。零件的加工方向即為零件的方位方向。將每個方位面分解為若干操作面, 用特征要素對操作面上的型面進行描述。特征是零件信息模型的核心部分。特征是指在制造時可識別的包含完整工藝信息的結構單元, 如特征總體信息、構造信息、公差信息和工藝信息等。它是一組與零件的描述相關的信息集合。
箱體類零件的基本型面特征可分為以下幾種:
( 1)平面。普通大平面、軌跡大平面、斜平面、輪廓面、臺階面等。
( 2)組合孔。通孔、盲孔、螺紋孔、錐孔等。
( 3)槽與導軌。矩形通槽、T 型通槽、燕尾導軌、油槽等。
一個零件上的特征往往不是孤立的, 存在著某些關系。在機械零件中, 用特征間的關系來表示形位公差, 即同軸度、平行度、垂直度、對稱度、位置度和跳動等。
3 工藝過程設計
( 1)選擇加工方法。工藝過程設計的第一步是為特征選擇加工方法, 它是安排加工路線和工序詳細設計的基礎。在長期的生產(chǎn)實踐中, 何種形狀特征采用何種加工方法是固定的。因此, 特征的定義與描述已為加工方法的選擇奠定了基礎。NDCAPP系統(tǒng)采用加工鏈方法, 這種方法集中了工藝設計師們的智慧, 是一種從長期實踐中總結出來的可行的方法, 且簡單方便,是一種在箱體類零件的加工中廣泛應用的方法。
( 2)加工路線的確定。確定加工路線是CAPP系統(tǒng)中最為靈活的決策問題。箱體類零件的主要為平面、孔系和槽的加工。在信息描述和輸入過程中沒有反映各元素的相互鄰接關系, 加上在柔性單元上加工的特殊性, NDCAPP系統(tǒng)加工路線確定的順序是: 先輪廓、平面和槽, 后孔; 先粗后精分階段進行。
輪廓和平面是由直線段和圓弧段及方程曲線、列表曲線所構成的表面。輪廓指的是與Z 軸平行的側平面, 而平面是指平行于XOY平面的平面。確定輪廓和平面加工路線時應解決的問題為:
1)構造輪廓和平面的數(shù)據(jù)鏈表。系統(tǒng)按零件的描述順序一個面一個面的依次進行處理, 將它們分別組成一個環(huán)形的輪廓數(shù)據(jù)鏈和一個環(huán)形的平面數(shù)據(jù)鏈。鏈表的順序與加工路線呈對應關系;
2)確定加工起點和方向;
3)選擇刀具的切入點。
確定孔加工路線的原則是:
1)使換刀次數(shù)最少;
2)使加工路線最短。
4 NC程序的編制
NDCAPP系統(tǒng)編制NC 程序的基本原理是: 根據(jù)當前加工部位基本的加工特征, 生成對應的加工指令及S、F和T 指令; 根據(jù)對當前加工部位的幾何形狀的描述, 生成坐標指令。
系統(tǒng)將編制NC程序工作分為兩個階段。第一是準備工作階段, 即從工藝文件中依次讀取每一個工步,然后根據(jù)工序內容及NC 編程所要求的參數(shù)取出相應的數(shù)據(jù), 再將這些數(shù)據(jù)進行坐標變換; 第二是NC 程序生成階段, 即依次取出每一工步所對應的NC 程序段,并根據(jù)有關數(shù)據(jù)對此程序段的變量進行賦值, 從而得到該工步的NC 程序, 重復上述工作直至所有工步完成NC程序的編制。在各工步間還配有可能存在的選刀、換刀等輔助性工作, 其處理過程為: 首先判別下一工步是否采用同一把刀具, 若不是, 則發(fā)出選刀指令,然后安排本工序的加工。
NC程序的編制時, 坐標變換工作時必不可少的。由于CAPP系統(tǒng)的需要, NDCAPP系統(tǒng)在進行零件描述時, 零件的各特征是采用統(tǒng)一的坐標系進行描述的。而確定裝夾方式后, 零件坐標系與機床坐標系往往是不一致的。因此, 應該根據(jù)零件的裝夾方式對各特征數(shù)據(jù)進行必要的坐標變換, 使其能與機床坐標系相一致, 這樣才能編出正確的NC 程序。并對NC 編出加工控制指令進行語義、語法檢查, 還可以對其加工過程進行動態(tài)仿真, 以檢查該程序的正確性。加工過程動態(tài)仿真是一項十分重要的工作。通過仿真, 可以檢查零件加工過程中可能存在的不合理現(xiàn)象和可能出現(xiàn)的干涉和碰撞現(xiàn)象, 通過圖形和工藝參數(shù)的顯示, 形象直觀地仿真零件加工過程。
5 結論
在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中, CAPP系統(tǒng)無論是作為一個獨立的系統(tǒng)還是作為C IMS 的一個子系統(tǒng)都具有極其重要的地位。開發(fā)一個實用、高效的CAPP 系統(tǒng)是實現(xiàn)集成的前提和關鍵。
箱體類零件的信息描述之所以是個難點, 就在于其型面多(不少于6個) , 結構不統(tǒng)一, 幾何信息轉化為坐標信息有一定的難度。本文所提出的/基本實體+方位特征0描述法較好的解決了箱體類零件的描述問題以及坐標尺寸的轉化問題。
實現(xiàn)CAPP/NCP集成的關鍵在于兩個方面: 一是幾何信息向坐標信息的轉換; 另一個就是數(shù)據(jù)庫(包括零件建模數(shù)據(jù)庫、機床數(shù)據(jù)庫、刀具數(shù)據(jù)庫、切削用量數(shù)據(jù)庫和NC 指令數(shù)據(jù)庫等)的完善和高效。NCCAPP系統(tǒng)在這方面作了很好的嘗試, 并取得較好的效果。
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