1 引言
軸類零件按結構形狀可分為光軸、階梯軸和曲軸3大類。軸類零件的加工方法通常有鑄造、鍛造及車削等等，一般對于復雜的重要主軸，大批生產時采用模鍛件，單件小批生產，則采用自由鍛。其機械加工工藝規程的編制是在生產實踐和科學實驗的基礎上，依據科學理論和必要的工藝試驗而制訂的，是一個繁瑣復雜的過程。工藝設計人員需要通盤考慮產品圖紙、生產綱領、現場加工設備以及生產條件等多種因素，因此對設計人員的素質提出較高的要求。最初的工藝規程的制訂是由工藝設計人員根據自己的經驗并通過查閱各種設計資料手工進行，編制效率低，且編制結果因人而異，編制結果的科學性、規范性及傳承性也難以保證。隨著計算機技術的發展，計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning，簡稱CAPP)也得到了發展。
CAPP產生于20世紀60年代，但在80年代以后才得到較大的發展，先后經歷了派生式、創成式和專家系統等幾個發展階段。經過多年的研究與開發，目前國內外也有不少較為成熟的CAPP系統，如美國普度大學的APPAS及TIPPS，柏林工業大學開發的CAPSYS等，我國的有同濟大學開發的TOJICAPP，華中理工大學的RCAP等。這些系統多數為檢索式的CAPP，系統必須通過與用戶大量的交互操作，才能最后生成符合要求的工藝卡片。
系統的作用一是起到了電子技術手冊的作用，系統中存儲了各種相關手冊供查詢；二是起到了電子工藝卡片的作用，將原來用戶必須在紙質的工藝卡片上填寫的內容換到電腦上填寫。其工藝規程的編制仍然少不了經驗豐富的工藝人員，因此CAPP的出現并沒有從根本上為企業解決工藝人員匾乏的問題。產生以上問題的主要原因就是系統的智能性難以實現，由于工藝規程的制訂需要考慮的因素較多且很多需要借助于專家的經驗，而這些經驗很難形成計算機的智能系統。因此CAPP的發展一直落后于CAD和CAM的發展，成為計算機輔助技術在現代制造業中應用的一個瓶頸。本文通過常見的軸類零件，探討了CAPP系統的設計與開發問題。
2 軸類零件CAPP系統的功能規劃
系統采用模塊化設計思想，按功能不同劃分為4大模塊，如圖1所示。
圖1 軸類零件CAPP系統的功能規劃
(1)零件信息輸入模塊：用于用戶交互輸入與零件相關的基本信息，比如：零件的CAD參數信息以及相應的加工信息等，這些信息是進行工藝設計的基礎和推理依據。目前計算機還不能像人一樣識別零件圖紙所包含的各種信息，另外CAPP系統與其它機械 CAD軟件在通訊上還存在一些障礙，CAD軟件設計的結果還需要人工協助轉化為CAPP系統能夠識別的信息。
(2)工藝設計專家系統：是CAPP系統的主體及核心，其作用是以零件信息為基礎，按既定的推理邏輯與順序，推理、計算出相關的加工工藝路線和加工工藝參數。該模塊編制水平的高低直接關系到設計結果的優劣，因此必須建立在工藝編制人員和鍛造專家們長期積累的成熟經驗及數據基礎之上，并能最大限度地模擬工藝專家的智慧。本模塊核心是知識庫和推理機。
(3)工藝文件管理模塊：工藝規程制訂后是以表格或卡片的形式確定下來，作為生產準備和施工的依據，這些表格或卡片統稱為工藝文件。機械加工工藝規程卡片主要包括機械加工工藝過程卡片、機械加工工藝卡片和機械加工工序卡片3種類型。CAPP系統最終必須能夠生成并輸出完備的、標準的工藝文件。工藝文件管理模塊的作用就是將工藝設計專家系統模塊的設計結果輸出成標準的工藝規程卡片，并可對已有的卡片進行查詢、修改、保存、刪除、打印以及輸出等操作。
(4)數據庫及管理模塊：是本系統的關鍵模塊，也是系統完成功能的基礎。它由兩個相對獨立的數據庫系統即工藝知識庫和工藝文件庫組成。工藝知識庫用于存放與工藝設計相關的各種資源及數據，比如設計的經驗公式、設備及原材料情況、公差余量數據、材料的熱處理信息等等；工藝文件庫用于存放工藝文件的標準模板及成形的工藝文件。數據庫管理用來對數據庫中的數據進行合理的組織和管理，包括更新、查詢數據和防止數據的意外丟失及破壞等功能。
3 系統實現中的關鍵技術處理
3.1 專家系統推理機的實現
如前所述，專家系統是CAPP系統的核心，而建立合理的推理機制是專家系統的關鍵。階梯軸是軸類零件中應用最多的類型之一，多數的階梯軸都是通過對毛坯進行鍛造加工而成，下面就以階梯軸鍛造加工為例說明推理機的實現方法。
如圖2所示，每個階梯軸都包含若干的臺階與凹檔，但并非所有的臺階與凹檔都能直接鍛打出來，其能否鍛出與軸段長度、臺階差、臺階軸總長以及相鄰直徑的大小等約束條件有關。對于不能直接鍛打出來的臺階與凹檔，必須通過添加余塊將相鄰臺階或凹檔歸并成一個軸段再進行鍛打。余塊有不同的添加方式，因此相應的鍛造工藝也不一樣，好的余塊添加方法能大大減輕機械加工的工作量，提高鍛造材料的利用率和鍛造的工作效率。就本CAPP系統而言，必須建立有效的專家系統推理機制以得到最優的余塊添加方法進而得到最佳的工藝規程。
圖2 階梯軸的臺階和凹檔
(1)推理機制中設計變量的選�。阂噪A梯軸各軸段的軸徑xi(i=1，2…，n)為設計變量，n為階梯軸軸段數目，有：
X={x1，x2，……，xn}
(2)推理機制中目標函數的建立：取階梯軸的體積(重量)最小為優化目標，可建立如下的目標函數：
式中li(i=1，2，…，n)為各軸段長度，通常由初始條件確定，為常數。
(3)臺階數量的確定：對于臺階和凹檔總數為N的臺階軸，它總共可能鍛出的外形數I按排列組合原理為：
由此可見，隨著階梯軸段數的增加，可能的歸并形式將呈指數級增長，這也正是手工方式難以獲取最佳鍛造毛坯外形的困難所在。
(4)臺階軸優化模型的構建：
針對階梯軸的特點，可將2級和3級臺階定義成6種基本臺階單元(T2表示2階階梯軸，共有2種外形；T3表示3階階梯軸，共有4種外形)，其它的N級階梯軸類鍛件都可看成由這6種基本單元組合形成。采用基本臺階單元技術，其實質是降維優化處理。為了避免在降維過程中遺漏最優解，本法將階梯軸分成若干基本臺階單元構成的臺階族，用臺階矩陣TMn表示：
推理的約束條件可根據鍛造手冊中關于臺階與凹檔的鍛出條件進行確定。由于階梯軸存在著臺階與凹檔兩種形式，導致了優化的復雜性，可采取先處理凹檔，剩下的就是純臺階問題了。推理系統采用循環掃描的方法進行處理，最終得出的結果為既滿足臺階和凹檔的鍛出條件又是鍛造體積最小的軸。
3.2 數據庫的實現
余量及公差是工藝卡片中需要顯示的一個重要內容，余量和公差一般都有相應的國家標準。本CAPP系統運用關系性數據庫結構，將整套國家標準轉化成了數據庫的形式，隨時供專家系統編制工藝時進行調用。下面以光軸類鍛件公差和余量的選取為例，說明工藝數據是如何在數據庫中存儲的。
手冊中關于光軸類鍛件的余量和公差是以二維表格的形式出現的，查詢時分別通過零件的直徑及長度兩個參數進行確定。這種二維表格建立數據庫的方法通常是建立多個相互關聯的表，之后通過SQL語句建立多表之間的聯合查詢。這種建庫方式有如下缺點：查詢速度慢，存儲空間大，而且由于數據被分別存放在不同表格內，不利于工藝人員直觀、方便地對數據進行維護。
系統采用變二維為一維將余量及公差歸并到一起只用一個表格的建庫方法，如表1所示。其中第一行數據為存儲在數據庫中的字段名稱，第二行為零件的長度尺寸，第一列為零件的直徑信息，其他數據都是余量和公差信息。余量和公差合成為一個數據，其中小數點前面為余量數值，小數點后第1和第2位為正公差數值，第3和第4位是負公差數值。調用程序讀取表內數據后，通過一個函數將數據進行分離以得到余量和公差。如8.0303，可分解為余量：8mm，鍛造上偏差+3mm，下偏差-3mm。
表1 余量公差表
4 系統應用實例
運行系統進行工藝規程的編制時，首先要求用戶填寫一些基本信息，包括零件的基本信息，如產品名稱、產品型號、零件名稱、零件編號、材料牌號、工藝裝備等；基本鍛造信息，如鍛打火次、鍛造比、鍛件是否要求調質和是否需要去滲碳層等。這些信息有些比較固定的可以用下拉列表框的方式進行，而有些特殊的或不常見的信息可由用戶手動輸人。
比如要生成某階梯軸的工藝卡片，需要首先輸人該階梯軸的名稱、圖號，所屬產品的型號及名稱，選擇火次、鍛比、裝爐方式等信息。待所有信息輸入完畢后，會得到相應的成套的工藝規程卡片，圖3為生成的階梯軸鍛造工藝卡片。
圖3 鍛造工藝卡片
5 結論
(1)CAPP系統應著眼于專用性而非通用性。
工藝規程的編制既要考慮基本的加工準則、國家標準、材料屬性等一般因素，也要考慮企業自身的加工設備、生產能力、庫存等因素，因此既有普遍性，也有特殊性。不同的企業需要的CAPP系統不盡相同，因此CAPP系統應針對不同企業區別對待，著眼于專用性而非通用性是明智的。
(2)數據庫技術和專家系統技術是CAPP系統的研發關鍵，CAPP系統必須具有一定的智能性，而系統智能化程度如何在一定程度上是由這兩項技術所決定。如何將專家的經驗用計算機語言表達出來并建立合理的推理應用機制是一個需要長期研究的課題。
(3)本系統在信息共享方面還需要加強。在本系統中，圖形的輸人及輸出自成體系，還無法與其它CAD軟件進行信息交流，無法直接應用CAD軟件的設計結果，因此系統如何與主流的CAD軟件進行信息共享還需要進行研究。
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