1 引言
轴类零件按结构形状可分为光轴、阶梯轴和曲轴3大类。轴类零件的加工方法通常有铸造、锻造及车削等等，一般对于复杂的重要主轴，大批生产时采用模锻件，单件小批生产，则采用自由锻。其机械加工工艺规程的编制是在生产实践和科学实验的基础上，依据科学理论和必要的工艺试验而制订的，是一个繁琐复杂的过程。工艺设计人员需要通盘考虑产品图纸、生产纲领、现场加工设备以及生产条件等多种因素，因此对设计人员的素质提出较高的要求。最初的工艺规程的制订是由工艺设计人员根据自己的经验并通过查阅各种设计资料手工进行，编制效率低，且编制结果因人而异，编制结果的科学性、规范性及传承性也难以保证。随着计算机技术的发展，计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning，简称CAPP)也得到了发展。
CAPP产生于20世纪60年代，但在80年代以后才得到较大的发展，先后经历了派生式、创成式和专家系统等几个发展阶段。经过多年的研究与开发，目前国内外也有不少较为成熟的CAPP系统，如美国普度大学的APPAS及TIPPS，柏林工业大学开发的CAPSYS等，我国的有同济大学开发的TOJICAPP，华中理工大学的RCAP等。这些系统多数为检索式的CAPP，系统必须通过与用户大量的交互操作，才能最后生成符合要求的工艺卡片。
系统的作用一是起到了电子技术手册的作用，系统中存储了各种相关手册供查询；二是起到了电子工艺卡片的作用，将原来用户必须在纸质的工艺卡片上填写的内容换到电脑上填写。其工艺规程的编制仍然少不了经验丰富的工艺人员，因此CAPP的出现并没有从根本上为企业解决工艺人员匾乏的问题。产生以上问题的主要原因就是系统的智能性难以实现，由于工艺规程的制订需要考虑的因素较多且很多需要借助于专家的经验，而这些经验很难形成计算机的智能系统。因此CAPP的发展一直落后于CAD和CAM的发展，成为计算机辅助技术在现代制造业中应用的一个瓶颈。本文通过常见的轴类零件，探讨了CAPP系统的设计与开发问题。
2 轴类零件CAPP系统的功能规划
系统采用模块化设计思想，按功能不同划分为4大模块，如图1所示。
图1 轴类零件CAPP系统的功能规划
(1)零件信息输入模块：用于用户交互输入与零件相关的基本信息，比如：零件的CAD参数信息以及相应的加工信息等，这些信息是进行工艺设计的基础和推理依据。目前计算机还不能像人一样识别零件图纸所包含的各种信息，另外CAPP系统与其它机械 CAD软件在通讯上还存在一些障碍，CAD软件设计的结果还需要人工协助转化为CAPP系统能够识别的信息。
(2)工艺设计专家系统：是CAPP系统的主体及核心，其作用是以零件信息为基础，按既定的推理逻辑与顺序，推理、计算出相关的加工工艺路线和加工工艺参数。该模块编制水平的高低直接关系到设计结果的优劣，因此必须建立在工艺编制人员和锻造专家们长期积累的成熟经验及数据基础之上，并能最大限度地模拟工艺专家的智慧。本模块核心是知识库和推理机。
(3)工艺文件管理模块：工艺规程制订后是以表格或卡片的形式确定下来，作为生产准备和施工的依据，这些表格或卡片统称为工艺文件。机械加工工艺规程卡片主要包括机械加工工艺过程卡片、机械加工工艺卡片和机械加工工序卡片3种类型。CAPP系统最终必须能够生成并输出完备的、标准的工艺文件。工艺文件管理模块的作用就是将工艺设计专家系统模块的设计结果输出成标准的工艺规程卡片，并可对已有的卡片进行查询、修改、保存、删除、打印以及输出等操作。
(4)数据库及管理模块：是本系统的关键模块，也是系统完成功能的基础。它由两个相对独立的数据库系统即工艺知识库和工艺文件库组成。工艺知识库用于存放与工艺设计相关的各种资源及数据，比如设计的经验公式、设备及原材料情况、公差余量数据、材料的热处理信息等等；工艺文件库用于存放工艺文件的标准模板及成形的工艺文件。数据库管理用来对数据库中的数据进行合理的组织和管理，包括更新、查询数据和防止数据的意外丢失及破坏等功能。
3 系统实现中的关键技术处理
3.1 专家系统推理机的实现
如前所述，专家系统是CAPP系统的核心，而建立合理的推理机制是专家系统的关键。阶梯轴是轴类零件中应用最多的类型之一，多数的阶梯轴都是通过对毛坯进行锻造加工而成，下面就以阶梯轴锻造加工为例说明推理机的实现方法。
如图2所示，每个阶梯轴都包含若干的台阶与凹档，但并非所有的台阶与凹档都能直接锻打出来，其能否锻出与轴段长度、台阶差、台阶轴总长以及相邻直径的大小等约束条件有关。对于不能直接锻打出来的台阶与凹档，必须通过添加余块将相邻台阶或凹档归并成一个轴段再进行锻打。余块有不同的添加方式，因此相应的锻造工艺也不一样，好的余块添加方法能大大减轻机械加工的工作量，提高锻造材料的利用率和锻造的工作效率。就本CAPP系统而言，必须建立有效的专家系统推理机制以得到最优的余块添加方法进而得到最佳的工艺规程。
图2 阶梯轴的台阶和凹档
(1)推理机制中设计变量的选取：以阶梯轴各轴段的轴径xi(i=1，2…，n)为设计变量，n为阶梯轴轴段数目，有：
X={x1，x2，……，xn}
(2)推理机制中目标函数的建立：取阶梯轴的体积(重量)最小为优化目标，可建立如下的目标函数：
式中li(i=1，2，…，n)为各轴段长度，通常由初始条件确定，为常数。
(3)台阶数量的确定：对于台阶和凹档总数为N的台阶轴，它总共可能锻出的外形数I按排列组合原理为：
由此可见，随着阶梯轴段数的增加，可能的归并形式将呈指数级增长，这也正是手工方式难以获取最佳锻造毛坯外形的困难所在。
(4)台阶轴优化模型的构建：
针对阶梯轴的特点，可将2级和3级台阶定义成6种基本台阶单元(T2表示2阶阶梯轴，共有2种外形；T3表示3阶阶梯轴，共有4种外形)，其它的N级阶梯轴类锻件都可看成由这6种基本单元组合形成。采用基本台阶单元技术，其实质是降维优化处理。为了避免在降维过程中遗漏最优解，本法将阶梯轴分成若干基本台阶单元构成的台阶族，用台阶矩阵TMn表示：
推理的约束条件可根据锻造手册中关于台阶与凹档的锻出条件进行确定。由于阶梯轴存在着台阶与凹档两种形式，导致了优化的复杂性，可采取先处理凹档，剩下的就是纯台阶问题了。推理系统采用循环扫描的方法进行处理，最终得出的结果为既满足台阶和凹档的锻出条件又是锻造体积最小的轴。
3.2 数据库的实现
余量及公差是工艺卡片中需要显示的一个重要内容，余量和公差一般都有相应的国家标准。本CAPP系统运用关系性数据库结构，将整套国家标准转化成了数据库的形式，随时供专家系统编制工艺时进行调用。下面以光轴类锻件公差和余量的选取为例，说明工艺数据是如何在数据库中存储的。
手册中关于光轴类锻件的余量和公差是以二维表格的形式出现的，查询时分别通过零件的直径及长度两个参数进行确定。这种二维表格建立数据库的方法通常是建立多个相互关联的表，之后通过SQL语句建立多表之间的联合查询。这种建库方式有如下缺点：查询速度慢，存储空间大，而且由于数据被分别存放在不同表格内，不利于工艺人员直观、方便地对数据进行维护。
系统采用变二维为一维将余量及公差归并到一起只用一个表格的建库方法，如表1所示。其中第一行数据为存储在数据库中的字段名称，第二行为零件的长度尺寸，第一列为零件的直径信息，其他数据都是余量和公差信息。余量和公差合成为一个数据，其中小数点前面为余量数值，小数点后第1和第2位为正公差数值，第3和第4位是负公差数值。调用程序读取表内数据后，通过一个函数将数据进行分离以得到余量和公差。如8.0303，可分解为余量：8mm，锻造上偏差+3mm，下偏差-3mm。
表1 余量公差表
4 系统应用实例
运行系统进行工艺规程的编制时，首先要求用户填写一些基本信息，包括零件的基本信息，如产品名称、产品型号、零件名称、零件编号、材料牌号、工艺装备等；基本锻造信息，如锻打火次、锻造比、锻件是否要求调质和是否需要去渗碳层等。这些信息有些比较固定的可以用下拉列表框的方式进行，而有些特殊的或不常见的信息可由用户手动输人。
比如要生成某阶梯轴的工艺卡片，需要首先输人该阶梯轴的名称、图号，所属产品的型号及名称，选择火次、锻比、装炉方式等信息。待所有信息输入完毕后，会得到相应的成套的工艺规程卡片，图3为生成的阶梯轴锻造工艺卡片。
图3 锻造工艺卡片
5 结论
(1)CAPP系统应着眼于专用性而非通用性。
工艺规程的编制既要考虑基本的加工准则、国家标准、材料属性等一般因素，也要考虑企业自身的加工设备、生产能力、库存等因素，因此既有普遍性，也有特殊性。不同的企业需要的CAPP系统不尽相同，因此CAPP系统应针对不同企业区别对待，着眼于专用性而非通用性是明智的。
(2)数据库技术和专家系统技术是CAPP系统的研发关键，CAPP系统必须具有一定的智能性，而系统智能化程度如何在一定程度上是由这两项技术所决定。如何将专家的经验用计算机语言表达出来并建立合理的推理应用机制是一个需要长期研究的课题。
(3)本系统在信息共享方面还需要加强。在本系统中，图形的输人及输出自成体系，还无法与其它CAD软件进行信息交流，无法直接应用CAD软件的设计结果，因此系统如何与主流的CAD软件进行信息共享还需要进行研究。
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本文标题：轴类零件CAPP系统的设计与实现
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