0 前言
現(xiàn)代制造工業(yè)面對(duì)的是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)計(jì)開(kāi)始就考慮到產(chǎn)品的制造、管理、銷售、使用和報(bào)廢, 即考慮到產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程。因此根據(jù)柔性制造( F lex ib leM anufacturing, FM )與計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( ComputerAided Design, CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造( ComputerA idedManufacturing, CAM )的橋梁和紐帶。本著實(shí)用、通用的基本原則, 我們開(kāi)發(fā)了CAPP /NC 編程集成的NDCAPP系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)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(guò)程的生成和數(shù)控程序的自動(dòng)編制。由于CAPP和NC 編程都是制造工藝方面的問(wèn)題, 信息上易于集成; 同時(shí)兩者大多是由工藝技術(shù)人員開(kāi)發(fā)的, 數(shù)據(jù)內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要功能模塊
1. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)各模塊運(yùn)行, 實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)交互輸入; 來(lái)自集成環(huán)境下數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程設(shè)計(jì)模塊。進(jìn)行加工工藝過(guò)程的決策, 生成工藝過(guò)程卡。
( 4)工序決策模塊。進(jìn)行工序設(shè)計(jì), 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(shí)間定額等項(xiàng)工藝參數(shù)的計(jì)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(nèi)容、刀位文件, 所選用的NC 機(jī)床自動(dòng)編制用于控制數(shù)控機(jī)床的NC加工指令。
( 8)輸出模塊。可輸出工藝過(guò)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(duì)現(xiàn)有文件進(jìn)行修改后得到所需的工藝文件。
( 9)加工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真模塊。可檢查工藝過(guò)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(yùn)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(diǎn), NDCAPP系統(tǒng)采用基本實(shí)體+ 方位特征的零件信息描述, 該信息描述方法主要是為計(jì)算機(jī)處理零件信息提供可靠基礎(chǔ), 它不僅能滿足工藝過(guò)程設(shè)計(jì)要求, 而且為CAD /CAPP /NCP的集成奠定了基礎(chǔ)。
工藝人員在進(jìn)行工藝過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí), 總是先從某個(gè)方向入手, 找出這個(gè)方向上的各個(gè)表面, 接著找出每個(gè)面上有哪些型面特征, 如幾個(gè)孔、幾個(gè)槽或幾個(gè)螺紋孔等, 然后針對(duì)這些形狀特征選擇加工方法并進(jìn)行排序。在分析工藝人員推理過(guò)程的基礎(chǔ)上, 總結(jié)出/基本實(shí)體+ 方位特征0的零件信息描述方法。這種方法是結(jié)合CAD 中實(shí)體造型的體素概念和特征造型的特征概念。基本實(shí)體是三維特征, 包括軸、盤(pán)、齒輪等回轉(zhuǎn)類零件和箱體、殼體、棱形體、閥體等非回轉(zhuǎn)類零件。在三維空間, 任何一個(gè)實(shí)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(shí)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(gè)方位面。零件的加工方向即為零件的方位方向。將每個(gè)方位面分解為若干操作面, 用特征要素對(duì)操作面上的型面進(jìn)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(shí)可識(shí)別的包含完整工藝信息的結(jié)構(gòu)單元, 如特征總體信息、構(gòu)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(guān)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(tái)階面等。
( 2)組合孔。通孔、盲孔、螺紋孔、錐孔等。
( 3)槽與導(dǎo)軌。矩形通槽、T 型通槽、燕尾導(dǎo)軌、油槽等。
一個(gè)零件上的特征往往不是孤立的, 存在著某些關(guān)系。在機(jī)械零件中, 用特征間的關(guān)系來(lái)表示形位公差, 即同軸度、平行度、垂直度、對(duì)稱度、位置度和跳動(dòng)等。
3 工藝過(guò)程設(shè)計(jì)
( 1)選擇加工方法。工藝過(guò)程設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)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(chǔ)。NDCAPP系統(tǒng)采用加工鏈方法, 這種方法集中了工藝設(shè)計(jì)師們的智慧, 是一種從長(zhǎng)期實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的可行的方法, 且簡(jiǎn)單方便,是一種在箱體類零件的加工中廣泛應(yīng)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(wèn)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(guò)程中沒(méi)有反映各元素的相互鄰接關(guān)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(jìn)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(gòu)成的表面。輪廓指的是與Z 軸平行的側(cè)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(shí)應(yīng)解決的問(wèn)題為:
1)構(gòu)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(gè)面一個(gè)面的依次進(jìn)行處理, 將它們分別組成一個(gè)環(huán)形的輪廓數(shù)據(jù)鏈和一個(gè)環(huán)形的平面數(shù)據(jù)鏈。鏈表的順序與加工路線呈對(duì)應(yīng)關(guān)系;
2)確定加工起點(diǎn)和方向;
3)選擇刀具的切入點(diǎn)。
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(dāng)前加工部位基本的加工特征, 生成對(duì)應(yīng)的加工指令及S、F和T 指令; 根據(jù)對(duì)當(dāng)前加工部位的幾何形狀的描述, 生成坐標(biāo)指令。
系統(tǒng)將編制NC程序工作分為兩個(gè)階段。第一是準(zhǔn)備工作階段, 即從工藝文件中依次讀取每一個(gè)工步,然后根據(jù)工序內(nèi)容及NC 編程所要求的參數(shù)取出相應(yīng)的數(shù)據(jù), 再將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換; 第二是NC 程序生成階段, 即依次取出每一工步所對(duì)應(yīng)的NC 程序段,并根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)此程序段的變量進(jìn)行賦值, 從而得到該工步的NC 程序, 重復(fù)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(guò)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(shí), 坐標(biāo)變換工作時(shí)必不可少的。由于CAPP系統(tǒng)的需要, NDCAPP系統(tǒng)在進(jìn)行零件描述時(shí), 零件的各特征是采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系進(jìn)行描述的。而確定裝夾方式后, 零件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系往往是不一致的。因此, 應(yīng)該根據(jù)零件的裝夾方式對(duì)各特征數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的坐標(biāo)變換, 使其能與機(jī)床坐標(biāo)系相一致, 這樣才能編出正確的NC 程序。并對(duì)NC 編出加工控制指令進(jìn)行語(yǔ)義、語(yǔ)法檢查, 還可以對(duì)其加工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真, 以檢查該程序的正確性。加工過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真是一項(xiàng)十分重要的工作。通過(guò)仿真, 可以檢查零件加工過(guò)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(guò)圖形和工藝參數(shù)的顯示, 形象直觀地仿真零件加工過(guò)程。
5 結(jié)論
在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中, CAPP系統(tǒng)無(wú)論是作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)還是作為C IMS 的一個(gè)子系統(tǒng)都具有極其重要的地位。開(kāi)發(fā)一個(gè)實(shí)用、高效的CAPP 系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)集成的前提和關(guān)鍵。
箱體類零件的信息描述之所以是個(gè)難點(diǎn), 就在于其型面多(不少于6個(gè)) , 結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一, 幾何信息轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)信息有一定的難度。本文所提出的/基本實(shí)體+方位特征0描述法較好的解決了箱體類零件的描述問(wèn)題以及坐標(biāo)尺寸的轉(zhuǎn)化問(wèn)題。
實(shí)現(xiàn)CAPP/NCP集成的關(guān)鍵在于兩個(gè)方面: 一是幾何信息向坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)換; 另一個(gè)就是數(shù)據(jù)庫(kù)(包括零件建模數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)、刀具數(shù)據(jù)庫(kù)、切削用量數(shù)據(jù)庫(kù)和NC 指令數(shù)據(jù)庫(kù)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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