鍛件實用CAPP系統(tǒng)的研究與開發(fā)

杜官將，李東波，伏開放

（1.南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，南京 210094）

0 引言

工藝設(shè)計是機(jī)械制造過程中技術(shù)準(zhǔn)備的一項重要內(nèi)容，是產(chǎn)品設(shè)計與制造的橋梁，也是連接產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)管理的重要紐帶，具有很強(qiáng)的實踐性特征。隨著國內(nèi)和國際市場對產(chǎn)品需求的多樣性，生產(chǎn)規(guī)模日益向中小批量發(fā)展，這就要求新產(chǎn)品開發(fā)周期要盡量縮短和工藝設(shè)計效率要高，以適應(yīng)市場需求。在這樣一種背景下，隨著計算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展，建立企業(yè)的CAPP（Computer Aided Process Planning）系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前機(jī)械行業(yè)（尤其是中小企業(yè)）的迫切需要。它不僅可以提高工藝規(guī)程設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，縮短技術(shù)準(zhǔn)備周期，把工藝人員從繁瑣、重復(fù)的勞動中解放出來，而且可以保證工藝設(shè)計的一致性和規(guī)范化，有利于推進(jìn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。同時為企業(yè)信息化（如PDM、ERP等）創(chuàng)造了條件。

目前，CAPP系統(tǒng)類型，主要有派生式系統(tǒng)、創(chuàng)成式系統(tǒng)和綜合式系統(tǒng)。派生式CAPP系統(tǒng)可分為基于成組技術(shù)的CAPP系統(tǒng)和基于特征的CAPP系統(tǒng)；創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)分為基于傳統(tǒng)過程性結(jié)構(gòu)與決策形式的系統(tǒng)、基于知識的CAPP系統(tǒng)、CAPP工具系統(tǒng)和基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的CAPP系統(tǒng)；綜合式系統(tǒng)是派生式和創(chuàng)成式相結(jié)合的CAPP系統(tǒng)，也是基于實例和知識的CAPP綜合式系統(tǒng)[1]。

自上世紀(jì)80年代以來，CAPP得到了長足的發(fā)展，國內(nèi)許多企業(yè)與高等院校、研究所合作研制了眾多的CAPP系統(tǒng)。由于各企業(yè)的產(chǎn)品特點、企業(yè)資源情況、技術(shù)條件、工藝習(xí)慣等方面的差異以及工藝設(shè)計的復(fù)雜性，使創(chuàng)成型CAPP系統(tǒng)的構(gòu)建非常復(fù)雜，實用性也比較差。根據(jù)某鍛造企業(yè)的具體需求，本系統(tǒng)以實用性為開發(fā)目的，采用派生式CAPP系統(tǒng)，結(jié)合人機(jī)交互方式，研究繪制工序圖的方法，從而完成鍛件的工藝設(shè)計。

1 系統(tǒng)原理及架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)原理

按照成組技術(shù)原理，將結(jié)構(gòu)相似的零件分類歸族，每一族制訂一典型工藝模板。典型工藝模板是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備及工藝經(jīng)驗的基礎(chǔ)上制定的，它包含了本族零件加工的所有典型工序，并存入工藝數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)需要設(shè)計某一零件的工藝時，識別并調(diào)出相應(yīng)零件族的典型工藝。根據(jù)零件的設(shè)計要求，將零件的特征與典型工藝模板進(jìn)行對比，添加或刪除特定的工序，即可得到適合該零件的工藝規(guī)程。在工序設(shè)計時，完成工序圖的繪制。

1.2 系統(tǒng)的架構(gòu)

本系統(tǒng)適合于10～50名工藝人員操作訪問。采用SQL Server 2000作為底層的數(shù)據(jù)庫平臺，通過ODBC進(jìn)行連接訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；在Windows環(huán)境下，采用面向?qū)ο蟮母呒壵Z言Visual Basic 6.0進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)界面友好，具有很好的可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 CAPP系統(tǒng)的流程圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工藝數(shù)據(jù)庫

對于工藝數(shù)據(jù)的保存，早期CAPP系統(tǒng)常采用數(shù)據(jù)文件，現(xiàn)在大多采用數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行存儲。

工藝數(shù)據(jù)庫是CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，CAPP系統(tǒng)運行時需要調(diào)用大量相關(guān)聯(lián)的工藝數(shù)據(jù)。目前，典型的數(shù)據(jù)庫有Access、SQL Server、Oracle等。考慮到企業(yè)聯(lián)機(jī)事務(wù)處理的需要，系統(tǒng)采用SQL SERVER 2000來存儲工藝數(shù)據(jù)。

在SQL Server 2000上，建立四類數(shù)據(jù)庫：用戶信息數(shù)據(jù)庫；典型工藝數(shù)據(jù)庫；工藝資源數(shù)據(jù)庫及鍛件形狀參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

1）用戶信息數(shù)據(jù)庫：用戶登錄、角色劃分及每個角色的權(quán)限，以保護(hù)系統(tǒng)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全。

2）典型工藝數(shù)據(jù)庫：將某鍛造企業(yè)的產(chǎn)品分為十三大類，根據(jù)每一類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征及加工工藝特點，制定其典型工藝模板，并存入數(shù)據(jù)庫，以備調(diào)用。

3）工藝資源數(shù)據(jù)庫：工藝設(shè)計過程中涉及到大量的數(shù)據(jù)，有靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。此處主要是靜態(tài)數(shù)據(jù)，包含機(jī)床、刀具、夾具、零件名稱、零件材料及零件工作令號等，以便于工藝設(shè)計時查詢，提高工藝設(shè)計效率。

4）鍛件形狀參數(shù)數(shù)據(jù)庫：對于企業(yè)的每一類產(chǎn)品，通過研究零件的圖形單元，提取出結(jié)構(gòu)化參數(shù)，完成形狀參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

2.2 工序圖

工序圖是工藝設(shè)計的圖形表達(dá)方式，在工序圖上不僅要求顯示零件在本工序加工完成之后的基本形狀，而且還要清楚地表明本工序所有加工面的尺寸、精度、粗糙度、形位公差及其他特殊要求，并指明本工序加工時的定位基準(zhǔn)面、夾緊力的位置等內(nèi)容。

工序圖的繪制是企業(yè)實施CAPP系統(tǒng)的一個難題。傳統(tǒng)手工繪制工序圖效率低、工作繁瑣和標(biāo)準(zhǔn)化程度差。為提高工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量，實現(xiàn)工藝設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化，近年來，研究人員進(jìn)行了大量的研究和實踐[2]。目前常用的CAPP系統(tǒng)普遍采用OLE方式調(diào)用CAD圖形文件。要完成一個工藝簡圖的繪制，需要在CAD和CAPP系統(tǒng)中來回切換，使用相當(dāng)不便，且容易出錯。有些學(xué)者[3]研究了在建立各工序加工余量數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)尺寸反推原理，由零件尺寸逐步得到各工序的工序尺寸，直至毛坯。

本系統(tǒng)根據(jù)鍛件的結(jié)構(gòu)特點，采用兩種方式實現(xiàn)工序圖的繪制。

1）參數(shù)化繪圖

根據(jù)參數(shù)化繪圖的原理，將零件的圖形要素分離成圖素單元。針對某種圖素單元，編寫一個繪圖子程序，這些子程序在一起就形成了CAPP工序圖自動生成模塊?？紤]到某鍛造公司現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對比較簡單，可采用參數(shù)化繪圖。繪圖時，通過零件的工作令號，調(diào)用零件形狀參數(shù)數(shù)據(jù)庫，獲取鍛件有關(guān)形狀參數(shù)及相對位置，通過圖形生成模塊，即可完成工序圖的繪制。也可以在CAPP運行界面上直接輸入零件形狀參數(shù)，進(jìn)行繪圖。圖2為套管四通零件形狀參數(shù)圖，表1為套管四通形狀參數(shù)數(shù)據(jù)庫，圖3為套管四通形狀參數(shù)輸入界面。

2）開發(fā)專用的繪圖工具（draw.Ocx）

圖2 套管四通形狀參數(shù)

表1 套管四通形狀特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫

圖3 套管四通形狀參數(shù)輸入界面

在CAPP系統(tǒng)中，通過VB中調(diào)用Windows API函數(shù)和VB自身提供的繪圖方法，開發(fā)出具有一定繪圖功能的工具[4]。利用它，可以實現(xiàn)工序圖的繪制、圖形的縮放、復(fù)制、粘貼及工序尺寸的標(biāo)注等功能，使CAPP系統(tǒng)不依賴任何CAD平臺就可完成工序圖的繪制，可以大大縮減開發(fā)進(jìn)度和提高程序性能。

在VisualBasic6.0環(huán)境下，可通過圖形控件（如Line、Circle、Shape等）繪圖；也可利用API繪圖。API的全稱是Application Programming Interface，可稱為“應(yīng)用程序編程接口”。API是Windows操作系統(tǒng)自帶的一套功能強(qiáng)大的函數(shù)集，它直接面對操作系統(tǒng)的底層，可以完成一些VB不能實現(xiàn)的功能，且執(zhí)行效率高。在VisualBasic6.0程序中調(diào)用API函數(shù)時，必須進(jìn)行API函數(shù)聲明。

Ocx控件即嵌入用戶控件，是一種可以在Windows系統(tǒng)中創(chuàng)建使用的特殊用途的程序。在CAPP程序中使用自制的Ocx控件，實現(xiàn)工序圖的繪制、尺寸標(biāo)注等功能。利用繪圖控件Ocx，可以簡化程序的代碼，起到程序優(yōu)化的作用。Ocx控件可以通過ActiveX控件中UserControl對象創(chuàng)建。

在工藝設(shè)計過程中，對于新產(chǎn)品或數(shù)據(jù)庫中無參數(shù)數(shù)據(jù)庫的鍛件工序圖，可以使用開發(fā)的繪圖環(huán)境，直接繪制工序圖，標(biāo)注相關(guān)的技術(shù)要求等。

3 實例

某鍛造股份有限公司現(xiàn)有13類產(chǎn)品，主要有閥體、套管頭、套管四通等。現(xiàn)以套管四通零件為例介紹CAPP系統(tǒng)的功能。

工藝卡片的內(nèi)容可分為表頭、表尾和中間三部分。表頭部分涉及零件的基本信息，如零件工作令號、材料牌號、毛坯類型、零件名稱、毛坯外形尺寸等內(nèi)容；表尾部分涉及工藝設(shè)計人員、會簽人員、日期等；中間部分為零件加工工藝或工序圖。

圖4為CAPP系統(tǒng)生成的套管四通零件的工藝卡片；圖5為CAPP系統(tǒng)生成的套管四通零件的工序卡片。

工藝文件生成后可以保存，也可以輸出打印。

圖4 套管四通工藝卡片

圖5 套管四通工序卡片

4 結(jié)束語

本文介紹了某鍛造公司產(chǎn)品的CAPP系統(tǒng)的設(shè)計，并以套管四通零件為例說明了工藝文件生成的過程。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，使用VB語言成功開發(fā)了鍛件CAPP系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好，操作方便，生成的工藝卡片符合規(guī)范。該系統(tǒng)已在南京某鍛造公司投入使用，較好地滿足該廠產(chǎn)品的工藝設(shè)計要求，大大提高了工藝設(shè)計的效率，規(guī)范了工藝文件，減輕了工藝設(shè)計人員的勞動強(qiáng)度，提高了企業(yè)的競爭力。

[1]劉保華, 喬愛科.CAPP系統(tǒng)類型及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2009(8): 62-64.

[2]高征兵.變異式CAPP系統(tǒng)中工序圖的研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2007(12): 79-81.

[3]張學(xué)友, 王中王, 薛建彬.軸類零件實用CAPP系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2010(8): 89-91.

[4]王秋萍, 陸達(dá), 王顯利.基于VB的繪圖工具的繪圖技術(shù)[J].北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2001(6): 549-552.