一种三牙轮钻头牙爪CAPP系统的介绍

　　适用于各类地层、不同岩性的三牙轮钻头系列、规格品种繁多。牙爪零件是非规则体零件，其结构复杂、加工工序多、加工性能差，属难加工零件，给组织生产、缩短生产周期、快速响应用户要求带来一定的困难。为了保证加工质量，减少工艺人员的重复性劳动，有必要采用CAPP系统。本文拟着重介绍由我院开发的牙爪零件CAPP系统的基本原理和工艺生成方法。该系统以实用为原则，建立以派生式和创成式相结合、人机交互方式作为补充的综合式CAPP系统，系统采用C语言编程，可在PC386或更高速度微机上运行。

　　1　系统的工作原理

　　系统的工作原理如图1所示。设计零件工艺过程时，系统根据输入的零件信息和零件分类成组策略将零件特征成组化。如果该零件的成组特征与某已有零件的成组特征相同，则检索已有的零件工艺文件，并以人机交互的方法进行修改。这样有利于保证工艺设计结果的一致性，同时由于已有零件的工艺规程已经过生产实际的检验，在此基础上产生的新零件工艺规程实用性容易保证。如果没有和该零件成组特征相同的零件，则转入创成式CAPP系统，调用系统中的工艺知识库，通过一定的逻辑推理和工艺决策，自动完成工艺过程设计。与此同时，将工艺文件典型化并随该零件的成组特征一起保存在典型工艺库中，留作后用，经过多次反复使用，系统中零件的成组特征及相应的典型工艺越来越多，系统逐步得到完善。

图1　系统工作原理框图

　　2　零件信息描述方法

　　钻头牙爪是非规则体零件，外圆、内孔、平面、沟槽较多，空间不相交，非正交尺寸充满三维空间，这就增加了牙爪零件信息描述的难度。本系统采用基于特征的基准方位描述法，该方法对零件信息的描述可以概括为以下几个方面。

　　2.1　以描述基准方位来确定基本空间关系

　　牙爪零件可以看作是在若干个基准方位上零件特征的组合，基准方位的数量根据具体的零件结构形状来确定。为了描述方便和准确，把基准系分为绝对基准系和相对基准系，将绝对基准系置于三维坐标系中，它的位置坐标是相对三维坐标而言的，而相对基准系则相对于它所依赖的基准系而定，以保证各基准间的尺寸链关系不受破坏。下面是对基准系的数据结构：

　　Ni为基准代码;Nj为该基准相对的基准系代码，三维坐标系时Nj=0;Type为基准类型标识符，Type=0代表基准线，Type=1代表基准面;Lx、Ly、Lz表示基准Ni相对于Nj在X、Y、Z方向上的距离尺寸;α、β、γ表示基准Nj在X、Y、Z方向上的夹角。

　　基准方位仅代表某一方位，它并不一定代表实际存在的加工表面。基准方位的确定将使各加工特征的空间关系变得易于处理，也为工艺设计中装夹方案设计等带来了极大的简化工作。

　　2.2　以描述零件特征为基础

　　在实际工艺设计中，总是以零件特征作为加工过程所考虑的最基本的加工单元，故可采用零件特征来表示零件的几何特性。本系统在对牙爪类零件进行分析与整理的基础上，兼顾特征的结构形式及工艺方法的相似性，提炼出了外圆柱、平面、孔、端面环槽、锥螺纹等特征的各种典型形式。特征的表达方式实质是一个参数表，表中列出了特征所属基准方位代码以及工艺设计所需的各种参数，从而能详尽、准确地为工艺设计提供依据。

　　2.3　以描述特征间的联系作为补充

　　特征间的联系主要是为了进一步确定各加工特征间的联系，为后续的特征排序和合理的工艺设计提供进一步的依据，主要包括：同一基准方位特征间的关联尺寸、形位公差等。

　　3　工艺过程创成方法

　　基于零件特征分析，工艺过程设计可以划分为特征工艺链的生成、特征排序、工步排序、工艺路线生成等几个阶段，其工艺过程设计流程如图2所示。

图2　工艺过程创成流程图

　　3.1　特征工艺链的生成

　　每个特征表面需要经一系列加工才能成形。它对应着一组加工链，我们称之为特征工艺链，不同的加工环境下特征对应着不同加工方法。当制造环境一经约束，具体的加工方法就被确定。一个特征工艺链是由若干个加工工步按一定顺序组成的。例如某个外圆表面的特征工艺链由粗车—半精车—磨削组成。特征工艺链生成原理是：将各种特征在一定条件下(如特征类型、尺寸大小和精度、表面粗糙度及形位公差等)的加工方法去归纳、整理成一系列规则后，形成特征加工工艺库，实际运行时，只需要根据各特征的相应参数进入该库去调用即可。

　　3.2　特征装夹方案的确定

　　特征装夹方案的确定应以保证能加工出精基准定位装夹方案的定位基准为前提，决策粗基准定位方案。粗基准定位方案实际上是工艺路线中的第一个定位方案，精基准定位方案是它的后续定位方案。该系统根据牙爪零件的结构工艺特点，归纳总结出了若干条定位方案选择规则。

　　3.3　特征排序

　　牙爪类零件是由若干特征所组成，由于各个特征在形状、尺寸、精度上的差异以及各特征间存在着复杂的空间位置关系，这就制约了特征加工的先后顺序。因此有必要对各特征进行排序。为了确定各特征加工优先顺序，将零件加工特征分为关联特征和独立特征，所谓关联特征就是指那些在空间位置上有尺寸、精度及形位公差要求的特征族，而独立特征则指那些没有空间位置关系(尺寸、精度)上的要求，也不存在形位公差要求的特征族。系统对特征排序时采用了如下控制策略。

　　(1)关联特征的约束关系　根据特征与其它特征位置关系联系的多少或联系尺寸精度的高低依次排序。

　　(2)先基准后其它　用作基准的特征应先加工。

　　(3)先主后次　先安排主要特征加工，再安排次要特征的加工。

　　(4)先面后孔　先加工平面，再安排孔的加工。

　　(5)先外后内　先安排外特征加工，后安排内特征加工。

　　根据特征链表中的特征参数再结合所确定的特征定位方案，运用上述控制策略进行推理，即可实现特征排序以确定各特征的优先加工级别，在同一加工阶段安排加工工序时，必须按照特征排序的结果来实现各特征加工的先后顺序。

　　3.4　工艺路线的生成

　　生成工艺路线的实质是完成工序的生成，工序顺序的安排和每个特征工艺段中各工步在各个工序中的重组，其映射过程如图3所示。该系统工艺路线的生成是按如下步骤来实现的。

图3　由特征工艺链到工艺路线的映射

　　(1)工步的排序　工步的排序就是将零件各个特征工艺链的工步内容按照一定的规则进行排序，为了对工步进行排序，可对每个工步设置优先级别，优先级大的优先加工。优先级的确定涉及到加工阶段、加工类型和特征优先加工级三方面的因素。例如，粗加工优先级大于精加工优先级;车削加工优先级大于车螺纹优先级。这三个因素对优先级别的影响通过其影响值来表示。加工阶段的影响值最大。因此，一个工步的最终优先级别是在综合评定上述三个影响因素的基础上确定的，可表示为

　　Priority=f(Cut_Phrase,Cut_Type,Feature_Priority)

　　式中：Priority代表加工优先级，Cut_Phrase代表加工阶段，Cut_Type代表加工类型，Feature_Priority代表特征优先级。系统根据各个工步的最终优先级别Priority的大小进行排序即可完成工步的排序。

　　(2)将工步结合成工序　生成工序的过程是：按照工步排序的结果，顺序取出其中的工步，生成一个工序，如果相邻的后续几个工步能够在某一台机床上加工完成，则将这些工步归属于同一个工序;反之，生成一个新工序。以此类推，即可完成工序的生成。当然在工步归序的过程中，还要适当考虑工序的集中与分散的问题。很明显，工序的生成过程实际上也完成了机床的选择。

　　上述工艺过程设计方法简单、方便、可靠，同时也简化了程序的结构设计。由此得到的工艺路线结果基本符合实际加工情况。