0 引言
创成式CAPP是以零件信息为依据进行工艺过程自动决策的，因此，建立和采用统一的零件信息模型、工艺知识模型和工艺决策模型，保证各种数据存储与传递流畅而完整至关重要。
轴类零件虽然结构和加工工艺相对简单，信息量较少，但由于加工过程中定位基准多次变化，工序尺寸解算复杂，是常规工艺设计中比较棘手的问题，因此开发实用的轴类零件CAPP系统是有现实意义的。
本文结合轴类零件的特点，采用参数描述和特征描述相结合的方法建立数据模型，数据结构简洁完整，提取方便，易于计算机实现，数据以代码的形式存储与传递，面向整个工艺过程，数据采集与处理一体化。
1 系统总体结构
系统采用创成式CAPP技术，通过零件信息描述生成零件信息编码，调用机械加工知识库和规则库进行工艺决策，生成工艺文件。图1为系统总体结构图。
图1 系统总体结构图
2 零件信息描述与存储
在常规的零件信息特征描述法中，每个型面要素建立一组表达其特征的代码，该型面要素的具体参数单独记录，并将二者存放在二维表中以生成一个关系型数据库，数据以文件的形式存取。这种数据结构，型面要素的特征和参数是分离的，靠指针建立两者间的联系，数据结构复杂，数据的存储与处理繁琐，软件体系庞大。
本系统采用参数描述和特征描述相结合的描述方法，建立了顶层码、次层码和底层码三级动态复合型零件信息编码结构。系统只需存储和提取这三级代码，就可为整个工艺过程提供原始数据。
顶层码为七位数字静态码，前四位码为主码，描述零件的总体外形特征，分别记录外圆段数m、内孔段数n、端面段数k及轴的类别（长短轴）。后三位码为辅码，描述零件的毛坯特征，分别记录毛坯材料、毛坯种类和毛坯精度。
次层码为顶层码前三位主码的展开，采用特征描述法按从左至右的顺序依次描述零件m段外圆、n段内孔和k段端面的特征要素。次层码为动态码，码位随着顶层码的主码变化而变化，记为t，t=m+n+k。常见的特征要素及特征码见表1。
表1 各特征要素的特征码
底层码为次层码的进一步展开，采用参数描述法依次描述零件各段外圆、内孔和端面的几何要素，包括各型面主要特征及辅助特征的几何参数和精度等级，为t×16矩阵结构。由于端面是两个型面的连接面，所以端面信息与各型面信息有密切的关系，矩阵不仅记录了各型面的几何要素，还记录了各型面间的拓扑关系。
系统运行时，设计人员在零件信息输入窗体中，根据零件结构输入七位顶层码，按窗体提示选择每一型面的特征要素，输入各几何参数，系统就可以按编码规则自动生成该零件的t位次层码和t×16底层码矩阵。
例如，图2所示轴类零件的顶层码为4262222，表示该零件有4段外圆面、2段内孔面和6段端面，0.5＜L/D≤3，中碳钢，锻件，2级精度毛坯。m=4，n=2，k=6，t=12。
图2 示例轴类零件图
在图3所示窗体中输入相应的参数后，系统自动生成该零件的12位次层码134211113112，从左至右表示第1段外圆为圆柱面、第2段外圆带键槽、第3段外圆带径向孔、第4段外圆带螺纹，2段内孔均为圆柱孔，1、2和4、5段端面均为光面，第3段端面带轴向孔，第6段端面带倒角（参照表1）。同时系统生成该零件的12×16的底层码矩阵如式(1)，供后续程序调用。
图3 零件信息输入窗体
矩阵1～4行表达4段外圆面信息，5～6行表达2段内孔面信息，7～12行表达6段端面信息。如，矩阵第二行从左至右表达第二段外圆直径φ80mm，长70mm，IT7，键槽宽22mm，长26mm，IT10。
3 工艺卡生成与编辑
零件信息输入后，系统根据零件的信息编码检索加工工艺规则库中特征之间的约束关系，自动进行工艺决策，包括各表面加工方法的选择和工序顺序的安排，生成工艺路线，填写工艺卡，系统遵循的约束关系依次为：先基准后其他、先主后次、先粗后精、先面后孔。图4为系统自动生成的示例轴类零件加工工艺卡。
系统首先执行第一层约束关系，检索顶层码的第四位特征码，完成基准面和主要表面的粗加工。若第四位特征码为“4”或“5”（长轴，中心孔定位），生成工序1：铣两端面，工序2：钻中心孔，工序3：车各外圆面及台阶面，工序4：车各内孔面及台阶面；否则（短轴，三爪卡盘定位夹紧），生成工序1：车小端端面、车小端各外圆面及台阶面，工序2：车大端端面、车大端各外圆面及台阶面，工序3：钻通孔、车各内孔面及台阶面，见图4工序1、2、3。
其次系统执行第二层约束关系，根据次层码的各码位特征信息判断各型面上是否有辅助特征，若有（码位数字非“1”），安排相应的加工工序，完成次要表面的加工。例如示例中次层码的第2位是“3”，表明第2段外圆带键槽，安排铣键槽工序；第3位是“4”，表明第3段外圆带径向孔，安排钻孔工序；第4位是“2”，表明第4段外圆带螺纹，安排车螺纹工序等，见图4工序4、5、6、7、12。
图4 示例轴类零件加工工艺卡
最后系统执行第三层约束关系，根据底层码矩阵中各行的第七、八两位（表达该表面加工精度）判断各型面所需的加工方案，完成各型面的精加工，见图4工序8～11。
第四层约束关系包含于前三层约束关系之中，即在前三层约束关系中，均先进行面的加工，再进行孔的加工。
设计人员可以在上述工艺路线基础上进行加工顺序调整、加工内容修改和加工工序增减，最终完成加工工艺卡。
4 工序卡生成与编辑
系统把工序信息分成加工内容、工序尺寸、定位基准、切削参数四部分，同时建立了刀具库、机床库、切削参数库等以备设计人员编辑时查找和参考。该部分主要包括工序内容生成与编辑、工序简图绘制、工序尺寸解算三大功能模块。
4.1 工序内容生成与编辑
点击工艺卡中某一工序的工序卡生成按钮，就会生成相应工序的工序卡，并允许进行编辑。在工序卡生成过程中，多工步工序的生成需要遵循直径由大到小的加工顺序约束。
例如，图4示例零件工艺卡中第一道工序，首先生成工步1：粗车小端端面。其次系统根据底层码矩阵前m行的前三位码数值（各段轴直径）找出最大直径φ80和最小直径φ25，然后按由大至小的顺序生成最大直径至最小直径之间的所有外圆面及台阶面的车削工步，即工步2：粗车φ40外圆面及台阶面，工步3：粗车西25外圆面及台阶面。本工序不含最大直径φ80外圆面的加工，该外圆为本工序的装夹基准面，具体工序内容见图5。
图5 示例轴类零件加工工序卡
由于底层码矩阵中的第四、五、六位长度码记录了各型面的长度信息，在工序简图中就可以按英文字母顺序标识各端面符号。在生成工步内容的同时，记录下加工端面（台阶面）的信息，包括位置信息和端面符号信息。在工序图中点击某表面作为定位基准面，该表面符号即可记录并显示在工步中。提取工步内容中的加工端面符号和定位基准面符号，按规则生成该工步工艺尺寸式代号，系统按顺序保存所有工序和工步的工艺尺寸式代号，为工序尺寸解算提供依据。
4.2 工序简图绘制
工序简图包括零件基本外形、加工面、定位面和工序尺寸四大要素。零件基本外形由零件信息码生成的图导入，加工面由粗糙度符号标识，定位面由定位符号标识，工序尺寸由尺寸解算模块解算，并在图中标识其代号。
系统采用图形块技术，将粗糙度符号和定位符号定义为图形块，并运用图形捕捉算法方便设计人员在工序简图中选取所要标注的加工面或定位面进行添加操作。该算法可以捕捉到一定范围内的零件端面，并根据加工余量的符号（向右加工为正，向左加工为负）判断定位符号的方向。利用这一技术的还有零件图中形位误差的标注。
4.3 工序尺寸解算
轴类零件工序尺寸有径向尺寸和轴向尺寸两种。径向工序尺寸由于基准重合，计算简单，可用反推法，将下道工序的基本尺寸加（或减）下道工序的加工余量，即为本道工序的基本尺寸，公差取本道工序的加工精度，按人体原则标注。轴向工序尺寸涉及基准不重合及定位基准多次转换，需解工艺尺寸链。
系统将零件底层码矩阵中各表面的尺寸数值信息和每一工步的工艺尺寸式导入工序尺寸解算子模块，运用图解追迹法解算出轴向工序尺寸。这种方法包含两部分内容，一是工艺尺寸式法和动态向量标记法来完成各工序的尺寸链查找和各组成环增减性判断；二是运用VB实现加工路线图自动生成和工艺尺寸链追迹图自动绘制。该子模块还提供尺寸偏差计算和加工余量验算功能以及多工艺方案分析比较功能，从而确定一套较为合理的加工方案。
5 数据传递与联动
系统以简单的三个代码驱动所有功能模块的处理和操作，数据模型统一，当顶层码、型面特征和型面参数发生变化时，次层码和底层码随之变化，后续所有模块的原始数据也随之改变，保证了整个系统数据的一致性。
工序尺寸解算是单独进行的，在生成工序卡时，只生成各工步内容、加工面、定位面及工艺尺寸式，而工序尺寸“直径”、“长度”未计算，也未标注，见图5中工步1。工序卡生成后，进入工序尺寸解算模块，通过三级代码和工艺尺寸式解算工序尺寸，计算结果返传到工序卡中，最终完成工序卡编辑。在工序尺寸解算模块中，支持工艺尺寸式的修改和多方案比较，即改变工序顺序和工步内容，修改后的计算结果在返传工序卡时，相应的工艺卡和工序卡也随之改变，即实现数据联动。
6 结论
系统采用编程语言Visual Basic 6.0开发，应用于轴类零件加工工艺规程的制定。系统以参数描述和特征描述相结合的复合型三级动态码为信息载体，在各功能模块间进行数据传递，实现了统一的数据结构。本文以某轴类零件为例进行实例验证，设计人员只需输入简单的七位顶层码，选择相应的特征要素，输入相应的几何参数，系统就可自动生成次层码和底层码，自动完成零件图绘制、毛坯图绘制、工艺决策、工艺卡生成、工序卡生成和工序尺寸解算等功能。系统同时支持工艺文件的编辑修改，不但实现了创成式CAPP自动进行工艺决策的特点，也兼顾了计算机辅助设计的根本。系统针对轴类零件特点开发，不拘于符号、数据的抽象推理，数据结构简洁而完整，操作简便，算法简练，数据处理简化，易于计算机实现，实用性较强。
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