基于特征的齿轮零件CAPP系统开发.pdf

第 3 0卷第 6期 2 0 0 9年 6月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 30 No． 6 J u n ．2 O O 9 基于特征 的齿轮零件 C A P P系统开发 任 乃 飞 。邢 志 杰 江苏大学 ， 江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 摘 要 为提 高齿轮零件工艺设计水平 ， 在 V B 6 ． 0平台上采用 多种 高级编程技术 ， 结合 A c c e s s 及 A u t o C A D， 开发 出基 于特征的齿轮 零件 C A P P系统。该 系统针 对齿轮零件提 出一种 全新 的 特征编码方式， 同时在此编码方式基础上给 出相似零件 的推理策略和检 索方法。详细介绍 了系统 的总体结构及工作流程 、 特征编码 系统的建立、 推理策略、 标准实例 筛选及相似性 系数计算。运行 实例表明， 该 系统界面友好 ， 操作简单 ， 运行稳 定， 实用性很强。 关键词 特征；齿轮 ；C A P P ；标准实例 中图分类号 T P 3 9 1 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 60 1 0 5 0 3 Ge a r CAPP S y s t e m De v e l o p m e nt Ba s e d o n Fe a t ur e R E N N a i f e i ， XI N G Z h i - j i e J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t he p r o c e s s d e s i g n o f g e a r ，a g e a r CAPP s y s t e m b a s e d o n f e a t u r e wa s d e v e l o pe d b y s e v e r a l s e n i o r p r o g r a mmi n g t e c h no l o g i e s v i a VB6． 0，Ac c e s s a n d Au t o CAD． I t a l s o p r o p o s e d a k i n d o f ne w g e a r p a r t f e a t u r e c o d i ng me t h o d．At t h e s a me t i me，i t p r e s e n t e d r e a s o ni n g s t r a t e g y a nd i n d e x me t h o d b a s e d o n e x a mp l e s o n t h e b a s e o f t h i s k i nd o f c o d i n g me t h o d．Th e wh o l e s t r u c t u r e，wo r k f l o w a n d r e a s o n i n g s t r a t e g y we r e i n t r o d u c e d，a n d e s p e c i a l l y p a r t f e a t u r e c o d i n g s y s t e m ，s t a n d a r d e x a mp l e s e l e c t i o n a n d s i mi l a r c o e ffic i e n t c a l c u l a t i o n we r e di s c u s s e d i n d e t a i l ．Ex a mp l e a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s i n d i c a t e d t h a t t h i s s y s t e m h a s a l o t o f me r i t s s u c h a s f r i e n d l y i nt e r f a c e s，s i mp l y a n d r e l i a bl e o p e r a t i o n，mi g h t y p r a c t i c a b i l i t y ． Ke y wo r ds f e a t u r e；g e a r；CAPP；s t a n d a r d e x a mp l e 1 系统的总体结构及工作流程 1 系统的总体结构 系统采用模块化设 计方法 ， 主要 内容包括 零 件信息输入模块 ， 数据库建立模块 ， 零件特 征编码 生成模块 ， 工艺路线及工艺文件生成模块 ， 工艺文 件修改编辑模块 ， 工 艺文件打印输出模块 。其 中零 件特征编码生成模块 和工 艺路线及工艺文 件生成 模块是系统的核心及开发难点 ， 同时也是本文讨论 的重 点 。 2 系统工作流程 相似性 原理 是指 相 似零件 有相 似 工艺 ， 是 该 C A P P系统工艺决策的理论依据。系统主要提供以 信息匹配为基础 的推理策略及检索机制 。经过标 准工艺查找 定位 、 调用 、 检 查修 改 、 输 出结果 等过 程 ， 实现工艺规程 的设计 。其工艺设计流程如图 1 所 示 。 系统进行工艺设计的主要 流程 首先要输入齿 轮信息 ， 系统按编码规则对齿轮进行特征 编码 ， 齿 图 1系统工艺设 计流程 轮信息连 同生成 的特征编码保存于零件信息数据 库中； 接着按 照特征编码进行标准工艺 的检索 ， 检 索 的主要原理就是利用相似零件有相似工艺 ， 通过 计算新齿轮与典型齿轮的相似系数 ， 相似系数最大 ． ． ． 1 05 ．． V o 1 ． 3 0 N o ． 6 基于特征的齿轮零件 C A P P系统开发任乃飞 ， 等 第 3 O卷第 6期 的即是与新齿轮最相似的； 最后输 出最相似齿轮的 工艺信息 ， 在此典型工艺的基础上稍加编辑修改 即 可形成新齿轮 的工艺规程 。工序 的设计 与工艺路 线设计类似。同时系统还能生成 与新零件最相似 的工序图， 在此工序图基础上进行简单的编辑修改 即可形成新零件工序图。 2 系统关键问题的解决 2 ． 1 齿轮特 征 编码 系统设计 零件特征编码是用字符 数字 、 字母或符号 对 零件有关特征进行描述和识别的一套 特定规则和 依据。选用或制定零件特征编码系统是设计 C A P P 系统的核心 ， 编码系统对零件信息尤其是与加工工 艺密切相关的信息描述得完整准确程度 ， 直接关 系 到系统工艺设计的质量， 是 系统进行工艺决策的基 础及依据。 通过对齿轮设计特征和制造特征进行分析 ， 本 系统提出了一种新 的专 门针对齿轮零 件的特征编 码系统。 此编码 系统 由与齿轮制造工艺密切相关 的 5 类特征信息组成 形状特 征、 精度特征、 材料特征 、 技术特征和管理特征 ， 是一个 十进制 1 4位代码 的 混合结构特征编码系统 ， 结构如表 1所示。它涵盖 了以上 5类特征信息的主要项 目， 适合工厂 的实际 情况， 较好地解决 了齿轮信息的描述与输入 问题 ， 满足齿轮 C A P P系统的需要。齿轮特征编码系统的 1 4位代码依次是 1 形状特征①齿轮类别 即结构 ； ②外形 与加工 ； ③ 内形与加工 ； ④ 辅助加 工； ⑤ 分度 圆直 径 ； ⑥孔径 ； ⑦齿宽 。 2 精度特征⑧齿轮精度。 3 材料特征⑨材料 ； ⑩毛坯形状。 4 技术特征⑥模数； ⑩齿形技术要求； ⑩热 处理 。 5 管理特征⑩批量。 表 1 齿轮特征编码 系统结构 形 状 特 钏 薅 祭 篡 litl {- 耩 l- Z - 嚣f-嚣, 代 码 齿轮 f 批 类别 ／ m m 0 网 - 外 l O 人} H 齿轮 1 ． l 词相 内 O ～ l 8 小拟 轮 | -． 2 睢 轮 8 3 C 成手 } 9 其它 其它 O O 其 2 ． 2基于特征的 C A P P系统推理策略 1 标准实例筛选 标准实例筛选的主要任务是 求出新零件与标 准实例之间的信息匹配情况， 确定与新零件最匹配 和比较匹配的实例 ， 为工艺信息提取和工艺路线修 正做好准备。标准实例筛选 的过程在基于特征编 码的基础上进行。流程如图 2所示。 图2标准实例 筛选流程 首先由系统按照上述 的齿轮编码规则计算出 要设计齿轮的编码 ， 然后按照该编码在标准实例库 中进行搜索 ， 找出该齿轮所属的齿轮类别 。搜索的 过程为 将新齿轮的编码从第 1位数字开始与标准 实例库 中的齿轮编码进行 比较 ， 倘若第 1位数字相 同就说明新齿轮属于该代码所代表的齿轮类别 ， 在 第 1 位数字代码相 同的条件下再 比较第 2位数字， 依此类推 ， 直到找出所有与新齿轮的特征编码相同 的数字数 ， 记下这个数 目。如果每位代码都完全相 同， 则直接提取出该标准实例的工艺文件作为新齿 轮的工艺规程。如果没有一个数字相同或相同的 数字很少 ， 则跳出循环 比较下一个标准实例 ， 直到 找出与新齿轮 的特征编码相同的数字最多的标准 实例。当然 ， 这样 的标准实例可能不止一个 ， 可 以 将所有符合的实例都提取 出来 ， 计算它们 的相似性 系数 ， 用 K来表示。若 0 ． 7 5 ≤K≤1则表示该标准 实例与新齿轮匹配情况比较好或完全 匹配， 则调用 该标准实例的工艺进行派生 ， 经过编辑修改得到新 齿轮的工艺规程。 2 相似性系数 的计算 相似性系数 K是用来衡量新齿轮与某一标准 实例相似程度的参数。K不但与齿轮类别 如产品 种类 、 实例的功能结构 、 外形尺寸等因素 、 加工方 式 、 特征 主、 辅特征 类型等因素有关 ， 还与齿轮的 材料类型 、 热处理 方法 、 毛坯类 型以及齿轮精度等 级和形位公差等因素有关。所 以在计算相似性系 一 1 0 6 第 3 0卷第 6期 基于特征的齿轮零件 C A P P系统开发任乃飞， 等 V o 1 ． 3 0 N o ． 6 数时， 必须要综合考虑这些因素 。据 大量实践 和分 析总结 ， 构造出相似性系数 K f 1 口1 n2 ⋯ a1 3 式中k ． 外形与加工匹配率 ； ， 内形与加工匹配率 ； 辅助加工匹配率 ； 分度圆直径匹配率 ； 孔径大小匹配率 ； 齿宽匹配率 ； 齿轮精度匹配率 ； 材料匹配率 ； ‰毛坯类型匹配率 ； m 模数匹配率 ； k ． 齿形技术要求匹配率 ； ，热处理匹配率 ； 批量匹配率 ； a 、 a 2 ⋯0 。 相应 的加权系数。 由于在将新齿轮 和待选 实例进行 比较匹配 和 计算 之前 ， 首先要搜索和判断新齿轮所属的实例 类别 ， 所 以式 1 中没有齿轮类别 的匹配系数。k 。 的计算如式 2 ， k ， k ⋯|j} 。 等其他依次类推 。 ， f 1 新齿轮与典型实例的批量匹配 ， ， 、 、 一 l 0 新齿轮与典型实例的 批量不匹配 通过大量 的实践 以及对齿 轮加工工 艺 的研究 分析 ， 可 以总结 出上述五 大类 特征信息 ， 这五大类 特征信息对齿轮加工工艺路线起决定性作用 ， 按照 影响程度 ， 一般取 a ， 0 ． 1 5 ， a 0 ． 1 5， a 3 0 ． 0 5 ， ⋯ ，a l 3 0 ． 0 5 ， 且 a l a 2 ⋯ a 1 3 1 ， 所以可将 式 1 简化为 K a 1 l a 2 k 2 ⋯ a 1 3 k 1 3 3 若 K1 ， 表示该标准实例与待设计齿轮完全 匹 配 ； 若 0 ． 7 5≤K1 ， 表示基本匹配 ， 若 K 0 ． 7 5， 表 示该标准实例与待设计齿轮匹配情况不理想 ， 系统 将采用基于知识规则的方法进行工艺设计 ， 即创成 式工艺设计 。 3系统 运行 实例 分析 图 3所示 是一根汽 车齿 轮轴 ， 其 基本参数 材 料 4 0 C r ， 热处理 H R C 2 8～ 3 2， m 4 ， 。 3 3 ， 2 0 。 ， o 2 2 左旋 ， 精度等级 8 8 7 F H。系统根据编码 规 则 及 齿 轮 轴 信 息 得 到 的 零 件 编 码 为 5 2 0 0 3 0 7 6 5 0 4 0 8 1 ， 据此编码在标准实例库 中进行相 似零件的搜索与匹配 ， 找到 同属于齿轮轴这一小类 的标准实例 ， 然后进行 相似性 系数 的计 算及 比较 界面图略 。界面的下方是找到 的相似性 系数 最 大且大于 0 ． 7 5的标准实例 。 相似性系数 K 0 ． 7 7， 匹配情况 良好 ， 可以根据 此标准实例进行派生 ， 在派生实例工艺 的基础上进 行简单地编辑修改 即可得到要设计齿轮轴 的工艺 路线 界面图略 。工艺路线设计完毕后 ， 双击某道 工序可派生出此工序 的工序卡片， 同样在派生的工 序卡片的基 础上进 行简单编辑修改 即可得 到新齿 轮工序的工序卡片 界面图略 。 在滚齿工序卡片中， 系统通过 O L E方式来产生 工序图， 工序图的编辑修改也 十分方便 ， 只要单击 卡片中的工序图即可进入此工序图的 A u t o C A D环 境 ． 在 A u t o C A D环境 下进行 简单地 编辑修 改， 修改 完成后关闭 A u t o C A D界面， 工序图会 自动更新为所 修改的图样。 图 3 运行实例 4结语 本文针对齿轮零件提 出的全新 的零件特 征编 码 系统 ， 使用方便 ， 涵盖了影响齿轮加工工艺 的主 要 因素， 同时在此编码的基础上给出的推理策略及 检索方法 ， 使得整个 系统在确定待设计齿轮类别及 最相似零件时方便快捷 ， 准确无误 ， 节省 了系统 的 搜索时间。系统很好地实现了企业对 C A P P实用性 的要求 ， 利用企业 已有 的典 型工艺， 使得企业传 统 的优 秀工艺方 案得 以继承下来 ， 进而 提高 了整个 C A P P系统的柔性化和实用化。 参考文献 [ 1 ] 杨进．小模数齿轮的 C A P P系统研究[ D ] ．苏州 苏州大学 ， 2 O 0 5 ． [ 2 ] 周 慧兰．排序聚类分析算法 在派生式 C A P P系统中 的应用 及实 现[ J ] ．中国制造业信 息化 ， 2 0 0 6 ， 3 5 9 6 56 8 ． [ 3 ] H a o Y o n g t a o ，Ma J i n g y i n g ．A k n o w le d g eb a s e d a u t or e a s o n i n g m e t h o d o l o g y i n h o l e ma c h i n i n g p r o c e s s p l a n n i n g [ J ] ．C o mp u t e r s i n I n d u s t ry ， 2 0 0 6 ， 5 7 4 2 9 7 3 0 4 ． [ 4] B a n B a b i c，N e n a d N e s i c ， Z o r a n Mi l j k o v i e ．A r e v i e w o f a u t o ma t e d f e a t u r e r e c o g n i t i o n w i t h r u l eb a s e d p a t t e n r e c o g n i t i o n [ J ] ．C o rn p u t e r s i n I n d u s t r y， 2 0 0 8， 5 9 4 3 2 1 3 3 7 ． 作者简介 任乃飞 1 9 6 4一 ， 江苏南通人 江苏大学机械 工程 学院教授 ， 现主要从事数字化设计 与制造技 术 、 逆 向工程与快 速 成形技术 、 光子制造与测试技术的研究． 一 l 0 7 一 收稿 日期 2 0 0 9 0 l 一1 5