CAD/CAM 原理与应用

1. CAD/CAM原理与应用 第7章 计算机辅助工艺 规程设计

2. 工程系统 ERP系统 PDM系统 BOM接口 NC代码文件 ERP 公共 数据库 管理信息 CAM系统 ERP　管理系统 设计信息 PBOM信息 CAPP系统 工作 数据库 共享 信息 材料 定额 工时 定额 标准 工艺库 ERP 基础 数据库 管理信息 工程信息 产品数据库 CAD-2D CAD-3D 数字化技术应用

3. 7.1 CAPP系统发展概况和工作原理 7.1.1 工艺设计自动化的重要意义 1. 工艺规程设计的任务和主要内容 工艺规程设计的任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。其主要内容有： ①选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备； ②安排合理加工顺序； ③选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差； ④选用合理的切削用量； ⑤计算时间定额和加工成本； ⑥编制包含上述所有资料的工艺文件。 其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。

4. CAPP系统的发展概况和工作原理 2.传统的工艺规程设计方法 传统的工艺规程设计方法存在许多不足之处，表现在以下几点： 传统设计方法的设计质量完全取决于工艺人员的术水平和经验；手工编制的工艺规程缺乏一致性，很难得到最佳制造方案。工艺规程设计中存在着大量的重复性和多样性，造成巨大的浪费。 3.利用计算机实现CAPP 计算机技术为工艺规程设计提供了理想的工具。利用计算机进行辅助工艺规程设计简称CAPP。CAPP是实现工艺设计自动化，把CAD和CAM信息联系起来，实现CAD/CAM一体化，建立集成制造系统的关键性中间环节。

5. 7.1.2 CAPP发展概况 1. 国外CAPP的发展概况 • 挪威于1969年正式发表了AUTOPROS系统，这是第一个CAPP系统； • 美国的CAM-Ⅰ公司也研制出自己的CAPP系统。 2. 国内CAPP的发展概况 • 最早进行此项研究工作的是同济大学，他们于1982年研制成功TOJICAP系统； • 北京理工大学也研制出用于回转体零件的BITCAPP系统；北京航空航天大学发表了BHCAPP系统。

6. CAPP发展概况 3. CAPP系统的主要功能 • 检索标准工艺文件； • 选择加工方法，安排工艺路线； • 选择机床、刀具、夹具； • 选择切削用量，计算切削参数、加工时间和加工费用； • 确定工序尺寸和公差、选择毛坯； • 绘制工序图； • 给出刀具轨迹，自动进行NC编程，进行加工过程模拟。 4. CAPP作用 CAPP将产品设计信息转变为制造加工与生产管理信息，是CAD与NCP之间的桥梁与纽带。

7. 7.1.3 CAPP系统工作原理 ○成组技术(group technology) 揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术，称为成组技术。 在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础，将成组哲理用于设计、制造和管理等整个生产系统，改变多品种小批量生产方式，以获得最大的经济效益。     成组技术的核心是成组工艺，它是把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族（组），按零件族制定工艺进行加工，从而扩大了批量、减少了品种、提高了劳动生产率。

8. 成组工艺是把零件的几何信息(形状、尺寸、精度、表面粗糙度等)和工艺信息(材料、热处理、批量等)相近似的零件组成一个个零件族(组)，按零件族进行加工制造，从而减少了品种，扩大了批量，便于采用高效的生产方法，从而提高了劳动生产率和经济效益。成组工艺是把零件的几何信息(形状、尺寸、精度、表面粗糙度等)和工艺信息(材料、热处理、批量等)相近似的零件组成一个个零件族(组)，按零件族进行加工制造，从而减少了品种，扩大了批量，便于采用高效的生产方法，从而提高了劳动生产率和经济效益。 零件的相似性是实现成组工艺的基本条件。工艺相似性是指可采用相同的工艺方法进行加工，采用相似的夹具进行装夹，采用相似的量具进行检测等。

9. CAPP系统工作原理 • 派生法(Variant) 又叫经验法、样件法，是根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出标准工艺规程，并以文件的形式贮存在计算机中。 • 创成法(Generative) 不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中，收集了大量的工艺数据和加工知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。输入新零件的有关信息，系统模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的条件下，自动地生成零件的工艺规程。

10. 7.1.4 CAPP系统的经济效益 采用CAPP技术优点 • 可以大大提高工艺人员的工作效率，加快工艺规程设计的速度、缩短生产准备时间。 • 可以减少工艺设计费用，降低制造成本。据国外统计，采用CAPP技术后．工艺设计劳动量减少20%-40%，工艺设计费用降低20%-50%，总的制造成本降低9.6%。

11. 7.2 派生法CAPP系统 7.2.1 派生法CAPP系统的工作原理 利用计算机进行工艺设计，要解决两个主要问题 • 实现零件图样信息代码化，即让计算机能够了解零件的技术要求。 • 把工艺人员的经验和技能系统化、理论化、代码化，即把工艺人员的加工能力知识有规律地贮存起来，需要时可用代码随时调用，让大家共享知识库。 派生法CAPP系统的工作原理 根据成组技术中相似性原理，如果零件的结构形状相似，则它们的工艺规程也有相似性。对每一个相似零件组，可以采用一个公共的制造方法加工，并作为一个标准工艺贮存在计算机中。在设计新零件的工艺规程时，先从计算机中检索标准工艺文件，然后经编辑和修改即可得到该零件的工艺规程。

12. 7.2.2 派生法CAPP系统的研制过程 1．零件编码 首先对已有的零件进行编码。其目的是将零件图上的信息代码化，把零件的属性用数字代码表示，使计算机容易识别。 可根据具体情况选用通用的分类系统，如JCBM、Opitz、JLBM、KK系统等。 编码方法有手工编码和计算机辅助编码两种方法。 手工编码是编码人员根据分类系统的编码法则，对照零件图用人工方式逐一编出各码位的代码。 计算机辅助编码以人机对话方式进行，把零件的信息输入计算机，计算机软件进行逻辑判断并自动编出零件的代码，并在终端显示器上显示或打印输出。

13. 派生法CAPP系统的研制过程 ◆零件分类的基本依据 零件分类是依据零件的各方面特征来进行的，一般按以下3个方面的特征分类。 (1)结构特征零件的几何形状、尺寸大小、结构功能和毛坯类型等。 (2)工艺特征零件的毛坯形状、加工精度、表面粗糙度、加工方法、材料、定位夹紧方式，选用的机床类型等。 (3)生产组织与计划特征加工批量、制造资源状况和工艺过程跨车间、工段及厂际协作等情况。

14. 派生法CAPP系统的研制过程 ◆ 零件编码系统的编码结构 零件分类编码大多采用表格形式。

15. 派生法CAPP系统的研制过程 ◆OPITZ零件分类编码系统 OPITZ系统是一个十进制的9位代码的混合结构分类编码系统。它是由联邦德国Aachen工业大学H.Opitz教授领导的机床和生产工程实验室开发的，随着这一系统的完善而被用于成组技术中，习惯上称为0PITZ系统。 该系统广泛应用于机械制造、设计及生产管理。 最早的OPITZ系统只有5位代码，也即目前所称的形状码。为了完善自己的系统，Opitz教授在原来5位形状码之后，又增补了4位所谓的辅助码 。

16. 派生法CAPP系统的研制过程

17. 派生法CAPP系统的研制过程 分类编码结果

18. 派生法CAPP系统的研制过程 分类编码结果

19. 派生法CAPP系统的研制过程 2．零件分组 零件组的划分建立在零件特征相似性基础上。 ⑴ 编码分组法 编码分组法是应用较广泛的一种方法，又可分为特征数据法和特征矩阵法。 ①特征数据法从零件代码中选择几位特征性强，对划分零件组影响较大的码位作为零件分组的主要依据，而忽略那些影响不大的码位。 ②特征矩阵法根据对零件特征信息的统计分析结果，并考虑到车间加工水平，工装设备条件，设备负荷，管理水平等条件，对每位代码划定一个范围，作为分组的依据，每个特征矩阵对应着一个码域，即一个零件组。

20. 特征矩阵法 特征矩阵法对零件进行分组的原理：每一个零件的代码均可以用矩阵来表示。下图为特征矩阵，左右分别为单个零件和一组零件的特征矩阵。

21. 特征矩阵法 为方便计算机识别，可将特征矩阵的每一列作为一个数来处理，如第一列可记为1100000000，第二列可记为1111100000。该特征矩阵最后变成9个十位数。每一个特征矩阵都可以用这样一组数据来表示，并以文件形式贮存在计算机中，称为特征矩阵文件。 对零件分组时，先将零件代码与特征矩阵进行比较，如果与零件代码各个位的数值相对应的矩阵位置上都是1，则认为该零件与此特征矩阵相匹配，该零件就分入这个组。

22. 生产流程分析法 ⑵ 生产流程分析法 • 生产流程分析法通过分析全部零件的工艺流程，并根据零件的加工方法和所用设备来分组，而不是依据零件图样代码。它划分零件组后还可得到加工该零件组的机床组。 • 生产流程分析法的目标是将那些需要一组相同或相似加工工序的零件归并成组。可采用排序聚类分析算法划分零件组。 ①对每一列计算它们的总权： ②把它们按升序次序排列。 ③对每一行计算它们的总权： ④把它们按升序次序排列。再重复进行上述步骤，直到自然处于升序状态，就可以确定相似零件组。

23. 聚类分析法 聚类分析法是用一些数学方法来定量确定零件之间的相似程度，进行聚类成组。 由于所用数学方法不同，有多种不同的聚类分析法： ● 单链聚类分析法 通过计算零件之间的相似系数进行聚类。 ● 循序聚类分析法 对应用零件间的相似性进行聚合，需要计算每一对零件之间的相似系数，据此建立一个原始相似系数矩阵。 ● 排序聚类分析法 将零件-机床矩阵按行列交替排序聚合，最后得到零件分类成组。

24. 生产流程分析法矩阵

25. 排序聚类分析法算法

26. 排序聚类分析法算法

27. 排序聚类分析法算法

28. 排序聚类分析法算法

29. 排序聚类分析法算法

30. 排序聚类分析法算法 在得到最后的矩阵之后，我们可以确定零件A123，A120，A131，A432， A45l，A112形成一个零件组，它们要 求SAW01，LATHE 01，LATHE02和 GNND05等加工工序；而零件A115， A212，A230，A510形成另外一个零件组，它们要求DRL01，MILL02，MILL05和GRIND06等加工工序。然后可以根据每一个零件组中各零件代码建成零件组矩阵。 用这种方法形成的零件组及其标准工艺文件，在为每个零件编制工艺规程时，只需要对标准工艺文件作少量修改。但这种方法仅对少数零件和少量工序时计算比较方便，若零件数量多，工件加工流程长，应用效果较差。

31. 派生法CAPP系统的研制过程 3．设计零件组的复合零件 复合零件又叫主样件，它包含一组零件的全部形状要素，有一定的尺寸范围，可以是实际存在的，也可以是假想的。以它作为样板零件，设计适用于全组的通用工艺规程。

32. 派生法CAPP系统的研制过程 4．设计标准工艺规程 标准工艺规程应能满足该零件组所有零件的加工要求，并能反映工厂实际工艺水平，尽可能是合理可行的。 5．建立工步代码文件 标准工艺规程是由各种加工工序组成的，一个工序又可以分为多个工步，所以工步是标准工艺规程中最基本的组成要素。如车外圆、钻孔、铣平面、磨外圆、滚齿、拉花键等。 6．建立切削数据文件 所有的加工方法都必须要有切削数据(进给量、切削速度、切削深度)，为此必须建立大量的切削数据文件。

33. 派生法CAPP系统的研制过程 7．设计各种功能子程序 由于CAPP系统需要应用各种计算方法，为此需预先将各种计算公式和求解方法编成各种功能子程序，如切削参数的计算，加工余量、工序尺寸公差的计算，切削时间及加工费用的计算等。 8．CAPP系统总程序设计 上述各项准备工作完成以后，用一个主程序和界面把所有子程序连接起来，每一个单元功能可以采用模块结构形式，可以单独调试和修改，再把各个功能模块组合起来，就构成CAPP系统的总程序。

34. 7.2.3 派生法CAPP系统实例 1. TOJICAP系统 该系统用于生成回转体零件的工艺规程。工艺规程内容详细完整，系统采用BASIC语言编程。 2. WLCAPP系统 WLCAPP系统是北京理工大学为航天部某卫星制造厂开发的派生CAPP系统，采用FOXBASE为主要开发工具，运行环境为各类微机。整个系统有计算机辅助编码子系统和计算机辅助工艺设计子系统组成，通过分级下拉式菜单驱动各模块的运行。

35. 7.3 创成法CAPP系统 7.3.1创成法CAPP系统的工作原理 • 创成法CAPP系统不以对标准工艺规程的检索和修改为基础，而是由计算机软件系统，根据加工能力知识库和工艺数据库中加工工艺信息和各种工艺决策逻辑，自动设计出零件的工艺规程。 • 创成法CAPP系统是让计算机模仿工艺人员的逻辑思维能力，自动进行各种决策，选择零件的加工方法，安排工艺路线，选择机床、刀具、夹具，计算切削参数、加工时间、加工成本，并对工艺过程进行优化。 • 创成法CAPP系统能很方便地设计出新零件的工艺规程，有很大的柔性，还可以和CAD系统以及自动化的加工系统相连接，实现CAD/CAM的一体化。

36. 7.3.1 创成法CAPP系统的工作原理 实现完全创成法CAPP要解决的关键问题 • 零件的信息必须要用计算机能识别的形式完全准确地描述。 • 收集大量的工艺设计知识和工艺规程决策逻辑，并以计算机能识别的方式贮存。 • 工艺规程的设计逻辑和零件信息的描述必须收集在统一的工艺数据库中。 目前技术上存在的困难 • 零件图样上的各种信息要完全准确地描述还存在困难，特别是对复杂零件的三维模型的建立也还没有完全解决。 • 工艺知识是一种经验型知识，如何建立完善的工艺决策模型，使计算机能够识别、处理还有待进一步解决。 • 工艺过程的优化理论还不完善，没有严格的理论和数学模型。

37. 7.3.2 零件信息描述 零件信息描述是设计创成法CAPP系统首先要解决的问题。所谓零件信息描述就是把零件的几何形状和技术要求转化为计算机能够识别的代码信息。 1．柔性编码法 柔性编码系统是指其码位长度和每一码位所含的信息量都可以根据描述对象的复杂程度柔性变化，没有固定的码位设置和码位含义。 柔性编码由固定码和柔性码两部分组成。固定码主要用于零件分类、检索和描述零件的整体信息；柔性码详细地描述零件各部分结构特征和工艺信息，用于加工、检测等环节。柔性码面向形状特征，要详细地描述零件各加工部分的形状要素及与加工有关联的几何信息和工艺信息。

38. 零件信息描述 2．型面描述法 这种方法把零件看成是由若干种基本型面按一定规则组合而成，每一种型面都可以用一组特征参数给予描述，型面种类、特征参数以及型面之间的关系都可以用代码来表示。每一种型面对应着一组加工方法，可根据其精度和表面质量要求确定。 型面可分为：基本型面、复合型面和型面域。 3．体元素描述法 体元素是零件可分解的最基本的三维几何体，如圆柱体、圆锥体、六面体、圆环体、球体等。体元素描述法把零件看成是由若干基本几何体按一定位置关系组合而成。 工艺设计时，以体元素为基本单元，每种对应一组加工方法，根据情况选用并调整加工顺序，从而获得完整加工路线。

39. 零件信息描述 4．特征描述法 特征描述法不是按传统的用纯几何体素来描述零件，而是根据零件特点，以具有明显工程意义的实体来描述零件。特征是具有一定拓扑关系的一组几何元素构成的形状实体，它对应零件上一个或多个功能，可通过特定的加工方式来生成。 5．从CAD系统的数据库中直接获得零件信息 该方法是利用中间接口或其它的传输手段，将零件的设计信息，直接从CAD系统的数据库中提取出，用于对零件进行工艺规程设计。 该方法可以省去工艺设计前对零件信息的二次描述，可获得较完整的零件描述信息，实现CAD/CAPP/CAM一体化。

40. 7.3.3 创成法CAPP系统的工艺决策逻辑

41. 创成法CAPP系统的工艺决策逻辑 1．建立工艺决策逻辑的依据 • 建立工艺决策逻辑应根据工艺设计的基本原理、工厂生产实践经验的总结以及对具体生产条件的分析研究，并集中有关专家、工艺人员的智慧及工艺设计中常用的、并行之有效的原则，如各表面加工方法的选择，粗、细、精、超精加工阶段的划分，装夹方法的选择，机床、刀具类型规格的选择，切削用量的选择，工艺方案的选择等，结合各种零件的结构特征，建立起相应的工艺设计逻辑。 • 还要广泛收集各种加工方法的加工能力范围和所能达到的经济精度以及各种特征表面的典型工艺方法等数据，作为文件贮存在计算机内。

42. 创成法CAPP系统的工艺决策逻辑 2．工艺决策逻辑的主要形式 目前有很多种工艺决策逻辑用于创成法CAPP系统中，其中最常用的是决策表和决策树。近来也有采用专家系统和人工智能中的其它决策技术。 (1) 决策表 决策表是将一类不易用语言表达清楚的工艺逻辑关系，用一个表格形式来表达的方法，它是计算机软件设计的基本工具。 在决策表中，当某一条件是真实的，则取值为T(TRUE)或Y(YES)，当条件是假的，则取值为F(FALSE)或N(NO)。条件状态也可用空格表示，它表示这条件是真是假与该规则无关，或无所谓。条件项目也可用具体数值或数值范围表示，决策行动可以是无序的决策行动，用X表示，也可以是有序的决策行动，并给予一定序号。

43. 创成法CAPP系统的工艺决策逻辑 决策表的格式如右图所示，它用纵横 两组双线将表分为四个区域，左边分别为 条件项目和决策项目。 下图为选择孔加工方法的简易决策表。

44. 决策树 (2) 决策树 工艺决策树是一个同决策表功能相似的工艺逻辑设计工具，是一种树状的图形，它由树根、节点和分支组成。 树根和分支间都用数值互相联系，通常用来描述事物状态转换的可能性以及转换过程和转换结果。分支上的数值表示向一种状态转换可能性或条件。当条件满足时、则继续沿分支向前传递，以实现逻辑与“AND”的关系；当条件不满足时则转向出发节点的另一分支，以实现逻辑或“OR”的关系。在每一分支的终端列出了应采取的动作。所以，从树根到终端的一条路径就可以表示一条类似于决策表中的决策规则。

45. 决策树

46. 尺寸精度低 钻孔 孔加工 位置度低 钻铰 尺寸精度高 位置度高 钻镗 决策表转换为决策树 决策树 同决策表相比，决策树具有下列优点： • 决策树比决策表更容易建立和维护，而且比较直观 ，可以把决策表转换成决策树。 • 便于扩展和修改, 适合于工艺规程设计。 • 便于编程，其结构与软件设计的流程图很相似。

47. 7.3.4 创成法CAPP系统的逆向编程原理 在创成法CAPP系统中，工艺规程设计有两种方法： • 正向编程：从零件毛坯开始进行分析，选择一定的加工方法和顺序，直到能加工出符合最终目标要求的零件形状。 • 逆向编程：从零件最终的几何形状和技术条件开始分析，反向选择合适的加工工序，直到零件恢复成无需加工的毛坯。在逆向编程系统中，以零件的最终状态作为前提，出发点明确。 • 传统上工艺人员都采用正向编程方法，从毛坯开始进行工艺设计。起始点是毛坯粗表面，其前提条件很不明确，零件在加工过程中的状态也不明确。工艺设计的自由度较大，因而加大了工艺规程自动设计的难度。

48. 7.3.5 创成法CAPP系统中的工序设计 创成法CAPP系统不以标准工艺规程为基础，而是从零开始由软件系统根据零件信息直接生成一个新的工艺规程。因此，当系统选择了零件各个表面的加工方法，安排了加工顺序后，还必须进行详细的工序设计。 工序设计的主要内容是：机床、刀具和夹具的选择，工步顺序的安排，工序尺寸和公差的计算，切削用量的确定，工时定额和加工成本的计算，工序图的生成和绘制，工序卡片的编辑和输出等工作。 其中很多任务与工艺过程设计一样，需要采用各种逻辑决策、数学计算、计算机绘图和文件编辑等手段来完成。

49. 创成法CAPP系统中的工序设计 1．工序内容的确定和工步顺序的安排 在安排零件的工艺路线时，一般都分层次、分阶段地考虑各个工序的加工顺序。 2．工序尺寸和公差的计算 零件在加工过程中，各工序的加工尺寸和公差是根据逆向编程原理进行计算的。 3．工序图的自动绘制 工序图的绘制与零件图的绘制是不一样的。绘制工序图必须从CAPP系统本身中获得每个工序的图形信息，自动绘制出工序图，并能把工序尺寸、公差及各种技术要求标注在工序图上。

50. 7.3.6 创成法CAPP系统实例 1．CAPSY系统 CAPSY系统是柏林工业大学(TU Berlin)开发的图形人机对话式创成法CAPP系统。它能和CAD系统和NC编程系统配套使用。 2．BITCAPP系统 BITCAPP系统是一个适用于FMS的创成法CAPP系统，它是由北京理工大学针对FMS中所加工的兵器零件而开发的。