適用于各類地層、不同巖性的三牙輪鉆頭系列、規(guī)格品種繁多。牙爪零件是非規(guī)則體零件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工序多、加工性能差，屬難加工零件，給組織生產(chǎn)、縮短生產(chǎn)周期、快速響應(yīng)用戶要求帶來一定的困難。為了保證加工質(zhì)量，減少工藝人員的重復(fù)性勞動，有必要采用CAPP系統(tǒng)。本文擬著重介紹由我院開發(fā)的牙爪零件CAPP系統(tǒng)的基本原理和工藝生成方法。該系統(tǒng)以實用為原則，建立以派生式和創(chuàng)成式相結(jié)合、人機交互方式作為補充的綜合式CAPP系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C語言編程，可在PC386或更高速度微機上運行。

　　1　系統(tǒng)的工作原理

　　系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。設(shè)計零件工藝過程時，系統(tǒng)根據(jù)輸入的零件信息和零件分類成組策略將零件特征成組化。如果該零件的成組特征與某已有零件的成組特征相同，則檢索已有的零件工藝文件，并以人機交互的方法進(jìn)行修改。這樣有利于保證工藝設(shè)計結(jié)果的一致性，同時由于已有零件的工藝規(guī)程已經(jīng)過生產(chǎn)實際的檢驗，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新零件工藝規(guī)程實用性容易保證。如果沒有和該零件成組特征相同的零件，則轉(zhuǎn)入創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)，調(diào)用系統(tǒng)中的工藝知識庫，通過一定的邏輯推理和工藝決策，自動完成工藝過程設(shè)計。與此同時，將工藝文件典型化并隨該零件的成組特征一起保存在典型工藝庫中，留作后用，經(jīng)過多次反復(fù)使用，系統(tǒng)中零件的成組特征及相應(yīng)的典型工藝越來越多，系統(tǒng)逐步得到完善。

圖1　系統(tǒng)工作原理框圖

　　2　零件信息描述方法

　　鉆頭牙爪是非規(guī)則體零件，外圓、內(nèi)孔、平面、溝槽較多，空間不相交，非正交尺寸充滿三維空間，這就增加了牙爪零件信息描述的難度。本系統(tǒng)采用基于特征的基準(zhǔn)方位描述法，該方法對零件信息的描述可以概括為以下幾個方面。

　　2.1　以描述基準(zhǔn)方位來確定基本空間關(guān)系

　　牙爪零件可以看作是在若干個基準(zhǔn)方位上零件特征的組合，基準(zhǔn)方位的數(shù)量根據(jù)具體的零件結(jié)構(gòu)形狀來確定。為了描述方便和準(zhǔn)確，把基準(zhǔn)系分為絕對基準(zhǔn)系和相對基準(zhǔn)系，將絕對基準(zhǔn)系置于三維坐標(biāo)系中，它的位置坐標(biāo)是相對三維坐標(biāo)而言的，而相對基準(zhǔn)系則相對于它所依賴的基準(zhǔn)系而定，以保證各基準(zhǔn)間的尺寸鏈關(guān)系不受破壞。下面是對基準(zhǔn)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

　　Ni為基準(zhǔn)代碼;Nj為該基準(zhǔn)相對的基準(zhǔn)系代碼，三維坐標(biāo)系時Nj=0;Type為基準(zhǔn)類型標(biāo)識符，Type=0代表基準(zhǔn)線，Type=1代表基準(zhǔn)面;Lx、Ly、Lz表示基準(zhǔn)Ni相對于Nj在X、Y、Z方向上的距離尺寸;α、β、γ表示基準(zhǔn)Nj在X、Y、Z方向上的夾角。

　　基準(zhǔn)方位僅代表某一方位，它并不一定代表實際存在的加工表面。基準(zhǔn)方位的確定將使各加工特征的空間關(guān)系變得易于處理，也為工藝設(shè)計中裝夾方案設(shè)計等帶來了極大的簡化工作。

　　2.2　以描述零件特征為基礎(chǔ)

　　在實際工藝設(shè)計中，總是以零件特征作為加工過程所考慮的最基本的加工單元，故可采用零件特征來表示零件的幾何特性。本系統(tǒng)在對牙爪類零件進(jìn)行分析與整理的基礎(chǔ)上，兼顧特征的結(jié)構(gòu)形式及工藝方法的相似性，提煉出了外圓柱、平面、孔、端面環(huán)槽、錐螺紋等特征的各種典型形式。特征的表達(dá)方式實質(zhì)是一個參數(shù)表，表中列出了特征所屬基準(zhǔn)方位代碼以及工藝設(shè)計所需的各種參數(shù)，從而能詳盡、準(zhǔn)確地為工藝設(shè)計提供依據(jù)。

　　2.3　以描述特征間的聯(lián)系作為補充

　　特征間的聯(lián)系主要是為了進(jìn)一步確定各加工特征間的聯(lián)系，為后續(xù)的特征排序和合理的工藝設(shè)計提供進(jìn)一步的依據(jù)，主要包括：同一基準(zhǔn)方位特征間的關(guān)聯(lián)尺寸、形位公差等。

　　3　工藝過程創(chuàng)成方法

　　基于零件特征分析，工藝過程設(shè)計可以劃分為特征工藝鏈的生成、特征排序、工步排序、工藝路線生成等幾個階段，其工藝過程設(shè)計流程如圖2所示。

圖2　工藝過程創(chuàng)成流程圖

　　3.1　特征工藝鏈的生成

　　每個特征表面需要經(jīng)一系列加工才能成形。它對應(yīng)著一組加工鏈，我們稱之為特征工藝鏈，不同的加工環(huán)境下特征對應(yīng)著不同加工方法。當(dāng)制造環(huán)境一經(jīng)約束，具體的加工方法就被確定。一個特征工藝鏈?zhǔn)怯扇舾蓚€加工工步按一定順序組成的。例如某個外圓表面的特征工藝鏈由粗車—半精車—磨削組成。特征工藝鏈生成原理是：將各種特征在一定條件下(如特征類型、尺寸大小和精度、表面粗糙度及形位公差等)的加工方法去歸納、整理成一系列規(guī)則后，形成特征加工工藝庫，實際運行時，只需要根據(jù)各特征的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)入該庫去調(diào)用即可。

　　3.2　特征裝夾方案的確定

　　特征裝夾方案的確定應(yīng)以保證能加工出精基準(zhǔn)定位裝夾方案的定位基準(zhǔn)為前提，決策粗基準(zhǔn)定位方案。粗基準(zhǔn)定位方案實際上是工藝路線中的第一個定位方案，精基準(zhǔn)定位方案是它的后續(xù)定位方案。該系統(tǒng)根據(jù)牙爪零件的結(jié)構(gòu)工藝特點，歸納總結(jié)出了若干條定位方案選擇規(guī)則。

　　3.3　特征排序

　　牙爪類零件是由若干特征所組成，由于各個特征在形狀、尺寸、精度上的差異以及各特征間存在著復(fù)雜的空間位置關(guān)系，這就制約了特征加工的先后順序。因此有必要對各特征進(jìn)行排序。為了確定各特征加工優(yōu)先順序，將零件加工特征分為關(guān)聯(lián)特征和獨立特征，所謂關(guān)聯(lián)特征就是指那些在空間位置上有尺寸、精度及形位公差要求的特征族，而獨立特征則指那些沒有空間位置關(guān)系(尺寸、精度)上的要求，也不存在形位公差要求的特征族。系統(tǒng)對特征排序時采用了如下控制策略。

　　(1)關(guān)聯(lián)特征的約束關(guān)系　根據(jù)特征與其它特征位置關(guān)系聯(lián)系的多少或聯(lián)系尺寸精度的高低依次排序。

　　(2)先基準(zhǔn)后其它　用作基準(zhǔn)的特征應(yīng)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)先外后內(nèi)　先安排外特征加工，后安排內(nèi)特征加工。

　　根據(jù)特征鏈表中的特征參數(shù)再結(jié)合所確定的特征定位方案，運用上述控制策略進(jìn)行推理，即可實現(xiàn)特征排序以確定各特征的優(yōu)先加工級別，在同一加工階段安排加工工序時，必須按照特征排序的結(jié)果來實現(xiàn)各特征加工的先后順序。

　　3.4　工藝路線的生成

　　生成工藝路線的實質(zhì)是完成工序的生成，工序順序的安排和每個特征工藝段中各工步在各個工序中的重組，其映射過程如圖3所示。該系統(tǒng)工藝路線的生成是按如下步驟來實現(xiàn)的。

圖3　由特征工藝鏈到工藝路線的映射

　　(1)工步的排序　工步的排序就是將零件各個特征工藝鏈的工步內(nèi)容按照一定的規(guī)則進(jìn)行排序，為了對工步進(jìn)行排序，可對每個工步設(shè)置優(yōu)先級別，優(yōu)先級大的優(yōu)先加工。優(yōu)先級的確定涉及到加工階段、加工類型和特征優(yōu)先加工級三方面的因素。例如，粗加工優(yōu)先級大于精加工優(yōu)先級;車削加工優(yōu)先級大于車螺紋優(yōu)先級。這三個因素對優(yōu)先級別的影響通過其影響值來表示。加工階段的影響值最大。因此，一個工步的最終優(yōu)先級別是在綜合評定上述三個影響因素的基礎(chǔ)上確定的，可表示為

　　Priority=f(Cut_Phrase,Cut_Type,Feature_Priority)

　　式中：Priority代表加工優(yōu)先級，Cut_Phrase代表加工階段，Cut_Type代表加工類型，F(xiàn)eature_Priority代表特征優(yōu)先級。系統(tǒng)根據(jù)各個工步的最終優(yōu)先級別Priority的大小進(jìn)行排序即可完成工步的排序。

　　(2)將工步結(jié)合成工序　生成工序的過程是：按照工步排序的結(jié)果，順序取出其中的工步，生成一個工序，如果相鄰的后續(xù)幾個工步能夠在某一臺機床上加工完成，則將這些工步歸屬于同一個工序;反之，生成一個新工序。以此類推，即可完成工序的生成。當(dāng)然在工步歸序的過程中，還要適當(dāng)考慮工序的集中與分散的問題。很明顯，工序的生成過程實際上也完成了機床的選擇。

　　上述工藝過程設(shè)計方法簡單、方便、可靠，同時也簡化了程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由此得到的工藝路線結(jié)果基本符合實際加工情況。