浅议基于零件——设备特征匹配的通用CAPP方法
作者：admin时间：2019-03-29 04:09:09阅读：269来源：本站
0.引言
CAPP(computeraidedprocessplanning，计算机辅助工艺过程设计)的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等)，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。
计算机辅助工艺过程设计也常被译为计算机辅助工艺规划。国际生产工程研究会(CIRP)提出了计算机辅助规划(CAP-computeraidedplanning)、计算机自动工艺过程设计(CAPP-computerautomatedprocessplanning)等名称，CAPP一词强调了工艺过程自动设计。但由于工艺设计领域的个性化、复杂性，工艺设计理论多是一些发表指导性原则、经验和技巧，因此让计算机完全替代工艺人员进行工艺设计的愿望是良好的，但研究和实践证明非常困难。在总结以往经验教训的基础上，国内软件公司提出了CAPP工具化的思想：自动化不是CAPP的唯一目标，实现CAPP系统的以人为本的宜人化的操作、高效的工艺编制手段、工艺信息自动统计汇总、与CAD/ERP/PDM系统的信息集成、具有良好的开放性与集成性是工具化CAPP系统研究和推广应用的主要目标。但工具化的CAPP在企业的实际使用中普遍存在应用水平偏浅的问题，绝大部分企业CAPP的应用停留在工艺卡片的老师、工艺信息的统计汇总、工艺流程和权限的管理与控制方面，没有有效的利用起计算机数据汇集检索匹配功能来提高CAPP系统的知识水平，实现参数化、模块化、单元化的工艺设计平台，体现CAPP的有限智能。
迄今为止，在国内外已开发出的CAPP系统中，多数是针对特定的零件类型和特定的设备条件开发的，这种开发策略使得CAPP系统的应用范围受到严格限制，从而严重地影响了其通用性与实用性。为此，面向多品种零件和各个企业加工设备，我们提出基于零件-设备特征匹配(Part-EquipmentFeatureMatching，简称P-EFM)的CAPP方法，较好地解决了CAPP系统的通用性和实用性问题。
1.信息描述模型
CAPP系统的关键技术就是建立完善的零件分类编码系统，建立零件分类编码系统时，首先要提取每个零件的设计特征和制造特征，然后将零件的这些特征通过编码来识别。CAPP的工作就是让计算机“熟悉”零件信息和企业设备制造能力的信息，并把待加工的零件信息与企业加工设备的制造能力(机床、夹具和刀具的制造能力的有机统一)信息进行匹配，为零件设计适当工艺的过程。因此，不仅零件信息，企业设备的制造能力信息也是CAPP系统的基础数据，它们都直接影响整个系统的通用性和实用性。建立好零件与设备的信息描述模型是解决系统通用性和实用性的前提和关键性工作。
P-EFM信息描述模型集零件信息与企业设备制造能力信息的描述于一体。下面从两个基本特性方面进行介绍。
1.1特征性
在制造技术领域中，零件特征表示与制造操作和工具相关的形状和技术方面的属性，即一个零件几何形状的工程意义。特征的分类是P-EFM信息描述模型特征性的基础。一般而言，零件特征可分为管理特征、形状特征、精度特征、技术特征和材料热处理特征共五大类。管理特征描述与零件管理有关的所有信息，如标题栏信息、未注粗糙度信息等。形状特征描述零件的公称几何关系，它不但是最主要的，而且是种类最多、描述最复杂的零件特征。根据其是否常见，形状特征可分为基本形状特征和特殊形状特征两大类。基本形状特征根据其在构造零件中所起的作用不同，可分为主特征和辅特征两类。主特征又分为简单主特征(如圆柱体、圆锥体、长方体等)和宏特征(如轮毂、轮辐、盘等)。辅特征又分为简单辅特征(如孔、槽、螺纹等)、复制特征(如周向均布孔、阵列孔、轮缘等)和组合特征(如阶梯孔、中心孔等)。特殊形状特征是指某些零件上所具有的特殊形状，如水泵叶轮的流道、高压开关上的直向榫槽等。这类特征不便于分类，其信息没有固定的格式。精度特征描述几何关系的允许变化范围。
为了方便起见，精度特征分为如下两类：
(1)独立精度特征是指单个形状特征本身的精度要求，如定形尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等。
(2)关联精度特征是指多个形状特征之间的精度要求，如位置精度、定位尺寸精度等。
我们把独立精度特征作为属性放在形状特征的描述参数里，把关联精度特征分为位置精度特征和定位尺寸精度特征两类，把与关联精度相关的所有因素作为属性，放在关联精度特征的描述参数里。技术特征描述零件的技术要求。材料热处理特征描述与零件材料和热处理有关的所有信息，如零件材料、热处理方式、硬度等信息。
设备制造能力特征则表示与设备制造能力相关的技术属性，即一台设备所能加工零件特征的性能范围。一般而言，设备制造能力特征可分为管理特征和功能特征两大类。管理特征描述与设备管理相关的所有信息，如机床名称、类型、编号、重量、所属车间、所用夹具、所用刀具、工时费用、可用时间和当前状态等。功能特征描述设备所具备的加工能力，其信息内容主要从加工零件范围、设备负荷、切削用量、生产率和加工成本这几个方面进行考虑。根据其是否特殊，功能特征可分为常规功能特征和特殊功能特征两大类。常规功能特征体现设备所具备的通常加工能力。特殊功能特征是指由于采用了特殊的夹具、刀具或者对机床进行了改造而使设备所具备的特殊加工能力，如某厂旧车床改装的钻深偏心孔的加工能力就属此类。
根据上述情况，分别用式(1)和式(2)来描述零件信息和设备制造能力信息的组成。若将零件和设备制造能力统称为描述对象，则描述对象的信息可分解成若干特征单元。
式(1)：零件信息=管理特征+形状特征+精度特征+技术特征+材料热处理特征
式(2)：设备制造能力信息=管理特征+功能特征
1.2开放性
在系统开发中，描述对象特征信息一般都集中于特征信息库中。P-EFM信息描述模型的开放性表现在它所构建的特征信息库为开放式的。多数已开发的CAPP系统构建零件特征信息库时，仅对所考虑范围内的零件特征信息进行描述，当要输入的信息超出特征信息库中描述范围之外时便无法输入。这样构建的特征信息库为封闭式的。封闭式特征信息库不可能包含所有特征，因此严重限制了CAPP系统的应用范围。
P-EFM信息描述模型采用式(3)的结构构建了开放式的特征信息库，很好地克服了上述缺陷。
式(3)：描述对象特征=通用特征+自定义特征
在式(3)中，将描述对象的特征分为通用特征和自定义特征两大类，其中通用特征便于分类，通用性强，应用范围较广，因此我们用固定的描述参数对它进行描述，用户只需根据提示输入具体数值，如零件特征中的管理特征、基本形状特征、精度特征、材料热处理特征和设备制造能力特征中的管理特征、常规功能特征等都属此类。自定义特征不便于分类，一般都为各企业专用，因此其描述参数要由用户根据习惯自行定义，用户在系统中既要输入描述参数名称又要输入具体数值，如零件特征中的特殊形状特征、技术特征和设备制造能力特征中的特殊功能特征等都属此类。
由于用户可以自行定义特征及其描述参数，因而能描述各种零件特征信息和各个企业加工设备制造能力特征信息，故为实现系统通用性和实用性打下了良好的基础。
2.特征匹配思想
一般而言，任何零件都可以看成由若干个形状特征按一定的关系组合而成，各个形状特征可采用的加工方案在长期的生产实践中得到了较全面的总结和广泛认可，每种加工方案的每道工序与企业设备之间必定存在着1：q(q≥0)的关系(即一道工序对应着q台设备，若q=0，说明企业无设备加工该道工序;若q=1，说明企业只有一台设备加工该道工序;若q>1，说明企业有若干台设备加工该道工序)。
设备制造能力功能特征中的加工零件范围信息包括可加工材料、可加工零件范围、可用加工方法、可加工形状特征范围及可达加工精度范围等信息。通过建立设备制造能力功能特征与零件特征之间可比较的对应关系，便可获取能加工零件形状特征的合适的备选设备。因此，设备制造能力特征决定了该种设备是否可以用来加工相应零件的形状特征。P-EFM就是基于上述思想，将零件特征与设备制造能力特征进行比较，最终找到零件形状特征的可行加工方案，为后续开发工作提供切实可行的保障。
根据P-EFM，可能出现以下三种结果：
(1)某个形状特征的m种加工方案都不能实现，说明零件特征与设备制造能力特征不匹配，零件因设备问题无法在企业进行加工;
(2)每个形状特征都只有一种可行加工方案;
(3)n(n≥1)个形状特征有m(m>1)种可行加工方案。
结果(2)和(3)又将出现以下两种情况：
一种情况是可行加工方案的每道工序与企业设备之间存在着1∶1的对应关系，说明零件特征与设备制造能力特征成一一对应的匹配关系，企业有设备可以加工该零件。另一种情况是可行加工方案中的某道工序与企业设备之间存在着1：q(q>1)的对应关系，说明零件特征与设备制造能力特征成一对多的匹配关系，企业有设备可以加工该零件。在多工艺方案评价和选择模块中择优选用。
3.系统模块
基于上述模型与思想，可开发一个可以根据企业具体的设备条件制订零件机械加工工艺规程的CAPP系统或模块。
各模块的主要功能：
(1)信息输入模块
该模块主要实现零件特征信息和企业设备制造能力特征信息的输入。
(2)特征匹配模块
通过该模块进行零件特征信息和企业设备制造能力特征信息的匹配，找出零件形状特征的可行加工方案及可加工设备。
(3)多工艺方案生成模块
根据匹配结果，生成合乎企业设备条件的零件加工的多种工艺方案。
(4)多工艺方案评价和选择模块
该模块以零件的生产周期、制造成本和企业设备条件为评价指标，采取单目标简单评价或多目标综合评价策略，对多工艺方案进行评价和优先排序，并据此选择所需的工艺方案。
(5)零件图生成模块
该模块负责将数据库中的零件几何信息进行格式转换，在AutoCAD中自动生成零件图。
(6)工艺规程生成、和输出模块
利用Windows系统的对象的联接与嵌入(OLE)功能，将零件图插入所选的工艺文件，生成工艺规程;用户对系统生成的工艺规程进行并确认后，输出最终的工艺文件。
4.结论
本文提出的P-EFM的CAPP思想方法，便于实现CAPP系统对零件信息与企业设备制造能力信息的综合考虑。基于此思路所开发的系统具备模块化、灵活化、柔性化、用户化的特点，可满足企业对CAPP系统的通用性、实用性的要求。
CAPP(computeraidedprocessplanning，计算机辅助工艺过程设计)的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等)，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。
计算机辅助工艺过程设计也常被译为计算机辅助工艺规划。国际生产工程研究会(CIRP)提出了计算机辅助规划(CAP-computeraidedplanning)、计算机自动工艺过程设计(CAPP-computerautomatedprocessplanning)等名称，CAPP一词强调了工艺过程自动设计。但由于工艺设计领域的个性化、复杂性，工艺设计理论多是一些发表指导性原则、经验和技巧，因此让计算机完全替代工艺人员进行工艺设计的愿望是良好的，但研究和实践证明非常困难。在总结以往经验教训的基础上，国内软件公司提出了CAPP工具化的思想：自动化不是CAPP的唯一目标，实现CAPP系统的以人为本的宜人化的操作、高效的工艺编制手段、工艺信息自动统计汇总、与CAD/ERP/PDM系统的信息集成、具有良好的开放性与集成性是工具化CAPP系统研究和推广应用的主要目标。但工具化的CAPP在企业的实际使用中普遍存在应用水平偏浅的问题，绝大部分企业CAPP的应用停留在工艺卡片的老师、工艺信息的统计汇总、工艺流程和权限的管理与控制方面，没有有效的利用起计算机数据汇集检索匹配功能来提高CAPP系统的知识水平，实现参数化、模块化、单元化的工艺设计平台，体现CAPP的有限智能。
迄今为止，在国内外已开发出的CAPP系统中，多数是针对特定的零件类型和特定的设备条件开发的，这种开发策略使得CAPP系统的应用范围受到严格限制，从而严重地影响了其通用性与实用性。为此，面向多品种零件和各个企业加工设备，我们提出基于零件-设备特征匹配(Part-EquipmentFeatureMatching，简称P-EFM)的CAPP方法，较好地解决了CAPP系统的通用性和实用性问题。
1.信息描述模型
CAPP系统的关键技术就是建立完善的零件分类编码系统，建立零件分类编码系统时，首先要提取每个零件的设计特征和制造特征，然后将零件的这些特征通过编码来识别。CAPP的工作就是让计算机“熟悉”零件信息和企业设备制造能力的信息，并把待加工的零件信息与企业加工设备的制造能力(机床、夹具和刀具的制造能力的有机统一)信息进行匹配，为零件设计适当工艺的过程。因此，不仅零件信息，企业设备的制造能力信息也是CAPP系统的基础数据，它们都直接影响整个系统的通用性和实用性。建立好零件与设备的信息描述模型是解决系统通用性和实用性的前提和关键性工作。
P-EFM信息描述模型集零件信息与企业设备制造能力信息的描述于一体。下面从两个基本特性方面进行介绍。
1.1特征性
在制造技术领域中，零件特征表示与制造操作和工具相关的形状和技术方面的属性，即一个零件几何形状的工程意义。特征的分类是P-EFM信息描述模型特征性的基础。一般而言，零件特征可分为管理特征、形状特征、精度特征、技术特征和材料热处理特征共五大类。管理特征描述与零件管理有关的所有信息，如标题栏信息、未注粗糙度信息等。形状特征描述零件的公称几何关系，它不但是最主要的，而且是种类最多、描述最复杂的零件特征。根据其是否常见，形状特征可分为基本形状特征和特殊形状特征两大类。基本形状特征根据其在构造零件中所起的作用不同，可分为主特征和辅特征两类。主特征又分为简单主特征(如圆柱体、圆锥体、长方体等)和宏特征(如轮毂、轮辐、盘等)。辅特征又分为简单辅特征(如孔、槽、螺纹等)、复制特征(如周向均布孔、阵列孔、轮缘等)和组合特征(如阶梯孔、中心孔等)。特殊形状特征是指某些零件上所具有的特殊形状，如水泵叶轮的流道、高压开关上的直向榫槽等。这类特征不便于分类，其信息没有固定的格式。精度特征描述几何关系的允许变化范围。
为了方便起见，精度特征分为如下两类：
(1)独立精度特征是指单个形状特征本身的精度要求，如定形尺寸精度、形状精度、表面粗糙度等。
(2)关联精度特征是指多个形状特征之间的精度要求，如位置精度、定位尺寸精度等。
我们把独立精度特征作为属性放在形状特征的描述参数里，把关联精度特征分为位置精度特征和定位尺寸精度特征两类，把与关联精度相关的所有因素作为属性，放在关联精度特征的描述参数里。技术特征描述零件的技术要求。材料热处理特征描述与零件材料和热处理有关的所有信息，如零件材料、热处理方式、硬度等信息。
设备制造能力特征则表示与设备制造能力相关的技术属性，即一台设备所能加工零件特征的性能范围。一般而言，设备制造能力特征可分为管理特征和功能特征两大类。管理特征描述与设备管理相关的所有信息，如机床名称、类型、编号、重量、所属车间、所用夹具、所用刀具、工时费用、可用时间和当前状态等。功能特征描述设备所具备的加工能力，其信息内容主要从加工零件范围、设备负荷、切削用量、生产率和加工成本这几个方面进行考虑。根据其是否特殊，功能特征可分为常规功能特征和特殊功能特征两大类。常规功能特征体现设备所具备的通常加工能力。特殊功能特征是指由于采用了特殊的夹具、刀具或者对机床进行了改造而使设备所具备的特殊加工能力，如某厂旧车床改装的钻深偏心孔的加工能力就属此类。
根据上述情况，分别用式(1)和式(2)来描述零件信息和设备制造能力信息的组成。若将零件和设备制造能力统称为描述对象，则描述对象的信息可分解成若干特征单元。
式(1)：零件信息=管理特征+形状特征+精度特征+技术特征+材料热处理特征
式(2)：设备制造能力信息=管理特征+功能特征
1.2开放性
在系统开发中，描述对象特征信息一般都集中于特征信息库中。P-EFM信息描述模型的开放性表现在它所构建的特征信息库为开放式的。多数已开发的CAPP系统构建零件特征信息库时，仅对所考虑范围内的零件特征信息进行描述，当要输入的信息超出特征信息库中描述范围之外时便无法输入。这样构建的特征信息库为封闭式的。封闭式特征信息库不可能包含所有特征，因此严重限制了CAPP系统的应用范围。
P-EFM信息描述模型采用式(3)的结构构建了开放式的特征信息库，很好地克服了上述缺陷。
式(3)：描述对象特征=通用特征+自定义特征
在式(3)中，将描述对象的特征分为通用特征和自定义特征两大类，其中通用特征便于分类，通用性强，应用范围较广，因此我们用固定的描述参数对它进行描述，用户只需根据提示输入具体数值，如零件特征中的管理特征、基本形状特征、精度特征、材料热处理特征和设备制造能力特征中的管理特征、常规功能特征等都属此类。自定义特征不便于分类，一般都为各企业专用，因此其描述参数要由用户根据习惯自行定义，用户在系统中既要输入描述参数名称又要输入具体数值，如零件特征中的特殊形状特征、技术特征和设备制造能力特征中的特殊功能特征等都属此类。
由于用户可以自行定义特征及其描述参数，因而能描述各种零件特征信息和各个企业加工设备制造能力特征信息，故为实现系统通用性和实用性打下了良好的基础。
2.特征匹配思想
一般而言，任何零件都可以看成由若干个形状特征按一定的关系组合而成，各个形状特征可采用的加工方案在长期的生产实践中得到了较全面的总结和广泛认可，每种加工方案的每道工序与企业设备之间必定存在着1：q(q≥0)的关系(即一道工序对应着q台设备，若q=0，说明企业无设备加工该道工序;若q=1，说明企业只有一台设备加工该道工序;若q>1，说明企业有若干台设备加工该道工序)。
设备制造能力功能特征中的加工零件范围信息包括可加工材料、可加工零件范围、可用加工方法、可加工形状特征范围及可达加工精度范围等信息。通过建立设备制造能力功能特征与零件特征之间可比较的对应关系，便可获取能加工零件形状特征的合适的备选设备。因此，设备制造能力特征决定了该种设备是否可以用来加工相应零件的形状特征。P-EFM就是基于上述思想，将零件特征与设备制造能力特征进行比较，最终找到零件形状特征的可行加工方案，为后续开发工作提供切实可行的保障。
根据P-EFM，可能出现以下三种结果：
(1)某个形状特征的m种加工方案都不能实现，说明零件特征与设备制造能力特征不匹配，零件因设备问题无法在企业进行加工;
(2)每个形状特征都只有一种可行加工方案;
(3)n(n≥1)个形状特征有m(m>1)种可行加工方案。
结果(2)和(3)又将出现以下两种情况：
一种情况是可行加工方案的每道工序与企业设备之间存在着1∶1的对应关系，说明零件特征与设备制造能力特征成一一对应的匹配关系，企业有设备可以加工该零件。另一种情况是可行加工方案中的某道工序与企业设备之间存在着1：q(q>1)的对应关系，说明零件特征与设备制造能力特征成一对多的匹配关系，企业有设备可以加工该零件。在多工艺方案评价和选择模块中择优选用。
3.系统模块
基于上述模型与思想，可开发一个可以根据企业具体的设备条件制订零件机械加工工艺规程的CAPP系统或模块。
各模块的主要功能：
(1)信息输入模块
该模块主要实现零件特征信息和企业设备制造能力特征信息的输入。
(2)特征匹配模块
通过该模块进行零件特征信息和企业设备制造能力特征信息的匹配，找出零件形状特征的可行加工方案及可加工设备。
(3)多工艺方案生成模块
根据匹配结果，生成合乎企业设备条件的零件加工的多种工艺方案。
(4)多工艺方案评价和选择模块
该模块以零件的生产周期、制造成本和企业设备条件为评价指标，采取单目标简单评价或多目标综合评价策略，对多工艺方案进行评价和优先排序，并据此选择所需的工艺方案。
(5)零件图生成模块
该模块负责将数据库中的零件几何信息进行格式转换，在AutoCAD中自动生成零件图。
(6)工艺规程生成、和输出模块
利用Windows系统的对象的联接与嵌入(OLE)功能，将零件图插入所选的工艺文件，生成工艺规程;用户对系统生成的工艺规程进行并确认后，输出最终的工艺文件。
4.结论
本文提出的P-EFM的CAPP思想方法，便于实现CAPP系统对零件信息与企业设备制造能力信息的综合考虑。基于此思路所开发的系统具备模块化、灵活化、柔性化、用户化的特点，可满足企业对CAPP系统的通用性、实用性的要求。
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