滾珠絲杠BGS-CAPP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

樊偉， 李曉， 王科社， 高燦， 查初亮

（1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.北京機(jī)床研究所，北京 101500）

0 引 言

計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)稱(chēng)CAPP）是通過(guò)向計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的幾何信息（圖形）和加工工藝信息（材料、熱處理、批量等），由計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出零件的工藝路線(xiàn)和工序內(nèi)容等工藝文件的過(guò)程［1］。CAPP是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為各種加工、管理信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是聯(lián)系CAD、CAM的橋梁和紐帶。沒(méi)有CAPP，CAD和CAM就成了相互隔離的信息孤島，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上計(jì)算機(jī)集成制造（CIMS)。因此，CAPP現(xiàn)已不再是單純的工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，而是制造系統(tǒng)不可缺少的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)。

作為重要傳動(dòng)和定位部件被廣泛運(yùn)用于機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域的滾珠絲杠是典型的軸類(lèi)零件，特征結(jié)構(gòu)和加工工藝相比其它軸類(lèi)零件較復(fù)雜，零件的信息量也比較大，而且其工序較多，夾具和定位基準(zhǔn)需要多次更換，工序尺寸鏈的解算也比較繁瑣，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)人員編制加工工藝過(guò)程中容易出錯(cuò)，因此滾珠絲杠BGSCAPP系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)BGS-CAPP）的出現(xiàn)對(duì)滾珠絲杠的工藝設(shè)計(jì)非常重要，也具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

BGS-CAPP是一個(gè)綜合式CAPP系統(tǒng)。從功能結(jié)構(gòu)方面分析，它的功能主要由零件信息輸入描述模塊、工藝過(guò)程決策模塊、工藝規(guī)程管理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊和工藝文件生成模塊計(jì)5個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從組成結(jié)構(gòu)方面分析，該系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、典型工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)和創(chuàng)成工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工藝規(guī)程主要是工廠(chǎng)中常年加工固定不變的滾珠絲杠工藝規(guī)程，將其作為標(biāo)準(zhǔn)工藝存放于標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)中，如對(duì)新產(chǎn)品零件適用則可以直接調(diào)用；典型工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上將滾珠絲杠進(jìn)行成組分類(lèi)，并將設(shè)計(jì)出典型工藝存放于典型工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中。編制新產(chǎn)品零件的工藝時(shí)，只需對(duì)所屬零件族的典型工藝進(jìn)行編輯修改就能產(chǎn)生適用于該產(chǎn)品的工藝規(guī)程；創(chuàng)成工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)不在人為干預(yù)的情況下可以自動(dòng)生產(chǎn)出滾珠絲杠的工藝規(guī)程。其中典型工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)是構(gòu)成BGS-CAPP的核心部分，標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)和創(chuàng)成工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)起輔助作用。

系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，如果新產(chǎn)品零件為標(biāo)準(zhǔn)零件，則只需輸入零件圖號(hào)進(jìn)行檢索，并調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)工藝就能直接使用。如果新產(chǎn)品零件不是標(biāo)準(zhǔn)零件，則需將其在零件編碼系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行編碼處理，然后將編碼進(jìn)行分類(lèi)成組，找出所屬零件族和典型工藝，將典型工藝根據(jù)新產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)特征和工藝特征進(jìn)行編輯修改，即可得到該零件的工藝規(guī)程。如果該零件既不是標(biāo)準(zhǔn)零件也不是典型零件，系統(tǒng)將會(huì)采用創(chuàng)成式方法來(lái)編制其工藝規(guī)程。

2 零件信息的描述與輸入

滾珠絲杠的零件信息主要由幾何信息、工藝信息組成。幾何信息主要指零件的幾何形狀和尺寸，如表面形狀、表面間的相互位置、尺寸及其公差等。工藝信息主要指毛坯特征、零件材料、加工精度、表面粗糙度、熱處理、表面處理、配合和嚙合關(guān)系等及相應(yīng)的技術(shù)要求［1］。

目前，零件信息描述方法有很多，歸結(jié)起來(lái)主要有分類(lèi)法、形體法和型面法3類(lèi)［4］。根據(jù)滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)特征和工藝特征以及實(shí)際生產(chǎn)的需要，本系統(tǒng)主要采取分類(lèi)法與型面法相結(jié)合的方法對(duì)滾珠絲杠的零件信息進(jìn)行描述。

根據(jù)對(duì)滾珠絲杠零件族型面特征的頻數(shù)分析，不難發(fā)現(xiàn)，滾珠絲杠的幾何特征都是由一些典型特征型面組成的，不同類(lèi)型的滾珠絲杠只是這些特征型面的組成排列不同而已。從生產(chǎn)角度來(lái)說(shuō)，可以將滾珠絲杠的幾何特征分為主要特征型面和輔助特征型面。主要特征型面包括光滑圓柱面、緊固螺紋面、錐體面、滾珠螺紋滾道面、齒輪軸段和花鍵軸段等，而輔助特征型面主要包括扁平面、方平面、平鍵、鍵槽、退刀槽、倒角、中心孔、普通螺紋、單圓弧螺紋、雙圓弧螺紋等。主要特征型面附注于載體軸段上，輔助特征型面附注于主要特征型面上。軸段是滾珠絲杠最大的組成單元，在數(shù)據(jù)庫(kù)中以軸段序號(hào)的形式作為主要特征型面的父結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)的第一層，而主要特征型面作為輔助特征型面的父結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)的第二層，那么輔助特征型面就作為主要特征型面的子結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)的第三層，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的工作流程

圖2 零件信息的構(gòu)成

另外，根據(jù)零件信息的構(gòu)成，可以以這些特征型面信息和結(jié)構(gòu)信息為基礎(chǔ)，建立滾珠絲杠的典型零件，從而方便地編制出典型工藝。

同時(shí)在創(chuàng)成式工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)零件信息的構(gòu)成，對(duì)其主要特征進(jìn)行編碼。然后通過(guò)零件信息輸入窗口（如圖3和圖4）輸入相關(guān)的特征參數(shù)，最后就可以得到零件的特征描述矩陣，為整個(gè)工藝過(guò)程提供原始數(shù)據(jù)。

另外，系統(tǒng)可以根據(jù)生成的特征描述矩陣檢索出對(duì)應(yīng)的加工工序，進(jìn)行邏輯決策，生成滾珠絲杠的工藝路線(xiàn)和工序內(nèi)容。最后把相應(yīng)的工序內(nèi)容填寫(xiě)在設(shè)計(jì)好的加工工藝卡片中。

3 工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)

工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)包括標(biāo)準(zhǔn)工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)、典型工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)和創(chuàng)成工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)。

圖3 零件信息輸入窗口

圖4 零件信息輸入窗口

3.1 標(biāo)準(zhǔn)工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)，首先確定工廠(chǎng)中常年加工固定不變的零件作為標(biāo)準(zhǔn)件，其工藝作為標(biāo)準(zhǔn)工藝，存儲(chǔ)于標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)內(nèi)，其零件圖號(hào)作為檢索指引。標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)，可以方便工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行查詢(xún)和使用，在生產(chǎn)中起著輔助指導(dǎo)的作用。

3.2 典型工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)

典型工藝設(shè)計(jì)，首先要將各種類(lèi)型的滾珠絲杠在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)相似性原理進(jìn)行分類(lèi)成組，形成不同的零件族。即此過(guò)程是通過(guò)零件的相似性而實(shí)現(xiàn)的。零件的相似性可以通過(guò)下面的公式得出，其中零件j是由零件h和零件g合成。

式中：θh=Nh/Nh+Ng；θg=Ng/Nh+Ng；Wij為零件 i、j的相似度；Wih為零件 i、h 的相似度；Wig為零件 i、g的相似度；Nh為零件 h 的個(gè)數(shù)；Ng為零件 g 的個(gè)數(shù)［1］。

將滾珠絲杠成組分類(lèi)后，就會(huì)得到不同的零件族，然后在每個(gè)零件族內(nèi)找到一個(gè)能包含該族所有零件特征的零件作為典型零件。如果找不到這樣的零件，可以設(shè)計(jì)一個(gè)能代表該族零件的復(fù)合零件。然后編制典型零件或復(fù)合零件的加工工藝作為典型工藝，最后將編制好的典型工藝存儲(chǔ)于典型工藝庫(kù)中。

3.3 創(chuàng)成工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)

創(chuàng)成工藝設(shè)計(jì)是系統(tǒng)自動(dòng)生成的，不需要人機(jī)交互干預(yù)。它是通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部自主決策和邏輯推理的原則實(shí)現(xiàn)的。工藝知識(shí)庫(kù)和工藝規(guī)則庫(kù)為系統(tǒng)的邏輯推理和決策提供技術(shù)支持。創(chuàng)成工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程一般包含以下幾個(gè)步驟：

1）毛坯的選擇。滾珠絲杠均采用鍛件作為毛坯。系統(tǒng)根據(jù)零件的尺寸、長(zhǎng)徑比、切削余量、技術(shù)要求等確定毛坯尺寸。毛坯尺寸的選擇可以通過(guò)決策表來(lái)表示，如表1和表2所示。其中：L為滾珠絲杠全長(zhǎng)；dmax為滾珠絲杠最大外徑；d0為螺紋外圓直徑，δ為切削余量；M為外圓有尺寸公差及形位公差要求。

2）各特征表面加工方法的選擇。滾珠絲杠屬于典型軸類(lèi)零件，其各特征表面加工方法都基本上選用了通用的加工方法及設(shè)備、工裝［3］。

3）各表面工序內(nèi)容和整個(gè)零件工藝路線(xiàn)的確定。各表面的工序內(nèi)容和整個(gè)零件的工藝路線(xiàn)是根據(jù)零件的幾何信息和工藝信息，在工藝規(guī)則庫(kù)和工藝知識(shí)庫(kù)的支持下形成的。其中建立工藝路線(xiàn)的推理過(guò)程如圖5所示。

4）生成滾珠絲杠的派生式工藝規(guī)程，同時(shí)將工藝規(guī)程保存在設(shè)計(jì)好的工藝卡片中。

表1 有粗車(chē)工序的毛坯尺寸決策表

表2 無(wú)粗車(chē)工序的毛坯尺寸決策表

4 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與設(shè)計(jì)

圖5 工藝路線(xiàn)的推理過(guò)程

本系統(tǒng)采用的是Access數(shù)據(jù)庫(kù)，利用ADO技術(shù)建立VB與Access數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，利用ODBC技術(shù)和VB提供的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)和設(shè)計(jì)。

另外，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)主要由零件信息庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)、典型工藝庫(kù)、工藝知識(shí)庫(kù)、工藝規(guī)則庫(kù)和工藝資源管理庫(kù)等組成。

1）零件信息庫(kù)。包含零件的圖號(hào)、零件族號(hào)，零件的幾何信息、工藝信息、毛坯的種類(lèi)及材料等基本內(nèi)容。

2）標(biāo)準(zhǔn)工藝庫(kù)。包含工廠(chǎng)所有標(biāo)準(zhǔn)件的工藝規(guī)程。該庫(kù)中的工藝規(guī)程不需要編輯修改，即可直接調(diào)出使用。

3）典型工藝庫(kù)。此庫(kù)是建立在成組技術(shù)基礎(chǔ)上的，對(duì)工廠(chǎng)所有類(lèi)型的滾珠絲杠進(jìn)行分類(lèi)成組，形成零件族，然后設(shè)計(jì)出每個(gè)零件族的典型工藝存儲(chǔ)于此庫(kù)中。

4）工藝知識(shí)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)是在分析各種型號(hào)滾珠絲杠的加工工藝后，總結(jié)其全部工藝知識(shí)而建立起來(lái)的。該庫(kù)在結(jié)構(gòu)上分為兩層，上層存放的是滾珠絲杠各種型面的加工工序，第二層存放的是各型面加工工序的作業(yè)內(nèi)容。

5）工藝規(guī)則庫(kù)。該庫(kù)也是在總結(jié)各種型號(hào)滾珠絲杠工藝文件的基礎(chǔ)上，結(jié)合滾珠絲杠的加工工藝特點(diǎn)而制定的，其結(jié)構(gòu)和工藝知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相同，也分為兩層，第一層存放的是各種工藝邏輯推理原則，第二層存放的是各種工藝邏輯推理原則的具體內(nèi)容。

6）工藝資源管理庫(kù)。該庫(kù)中主要存儲(chǔ)各種機(jī)床、刀具、夾具、量具等一些裝備的主要信息，此庫(kù)可以方便工藝設(shè)計(jì)人員在編制滾珠絲杠工藝時(shí)進(jìn)行查詢(xún)和使用。

5結(jié) 語(yǔ)

BGS-CAPP是在分析和研究北京精密天工滾珠絲杠股份有限公司各種型號(hào)滾珠絲杠加工工藝的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的，為綜合式CAPP系統(tǒng)，兼?zhèn)淞伺缮紺APP系統(tǒng)和創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，邏輯決策能力比較強(qiáng)，能快速便捷地編制出滾珠絲杠的工藝規(guī)程，實(shí)現(xiàn)了工藝編制的自動(dòng)化。

該系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、典型工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)和創(chuàng)成式工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)組成，這樣大大提高了工藝規(guī)程的編制效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)也減輕了工藝設(shè)計(jì)人員的工作壓力。又因?yàn)镃APP是連接CAD和CAM的橋梁和紐帶，是實(shí)現(xiàn)CIMS重要的環(huán)節(jié)，BGS-CAPP的出現(xiàn)，促進(jìn)了工廠(chǎng)信息化的進(jìn)程。

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