0 引言

    齒輪是機械制造中最常見的傳動件之一，齒輪制造過程中，隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，大量的工藝規(guī)程設(shè)計工作令人應(yīng)接不暇。

    傳統(tǒng)的工藝規(guī)程都是由有經(jīng)驗的工藝人員手工編制，因此存在工作效率低，編制出的工藝呈現(xiàn)出多樣化，編制的質(zhì)量參差不齊等問題。工藝編制工作重復(fù)繁瑣，這樣既浪費時間，又增加了工藝人員的勞動強度，最重要的是工藝編制過程中好的經(jīng)驗無法得到傳承，而且生產(chǎn)準備周期較長。

    在激烈的市場競爭環(huán)境下，企業(yè)迫切需要提高工藝方面的快速反應(yīng)能力。為了縮短生產(chǎn)準備周期，提高工藝文件質(zhì)量，并使工藝人員從繁瑣和重復(fù)的勞動中解放出來，研究、開發(fā)和應(yīng)用計算機輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)即CAPP系統(tǒng)將是一種根本的解決方法。

1 CAPP在中小型齒輪制造企業(yè)的現(xiàn)狀

    工藝設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，也是連接工程設(shè)計和生產(chǎn)制造的橋梁和紐帶。計算機輔助工藝設(shè)計(Computer Aided Process Planning，CAPP)是指借助于計算機軟、硬件技術(shù)和支撐環(huán)境，利用計算機的數(shù)值計算、邏輯判斷和推理等功能來制定零件機械加工工藝過程。

    CAPP雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，但其應(yīng)用狀況已經(jīng)遠遠落后CAD和CAM。目前國內(nèi)外已開發(fā)了許多CAPP軟件，如武漢的開目CAPP軟件，上海的斯普SIPM/CAPP軟件，美國HMS軟件公司的HMS/CAPP軟件，美國CIMX公司的CS/CAPP系統(tǒng)等。特別是國際著名的制造公司如：Boeing、LockheadMart in、Airbus等在工藝與過程管理的集成及優(yōu)化方面，開發(fā)和集成了大量的CAPP軟件。但是對于中小型齒輪制造企業(yè)，由于這些商用CAPP軟件價格昂貴且軟件系統(tǒng)過于復(fù)雜，因此使用這些復(fù)雜的CAPP系統(tǒng)不一定是最好的選擇。所以，針對中小型齒輪制造企業(yè)，在力求實用的基礎(chǔ)上，開發(fā)齒輪CAPP系統(tǒng)顯得尤為重要。本文以某齒輪制造企業(yè)的產(chǎn)品為例，進行CAPP系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)用。

2 齒輪CAPP系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

    現(xiàn)在很多產(chǎn)品設(shè)計尤其是機械產(chǎn)品的設(shè)計都是改進型的產(chǎn)品設(shè)計，而且原始產(chǎn)品70%左右的設(shè)計信息會在新產(chǎn)品中利用，這就為齒輪CAPP系統(tǒng)開發(fā)提供了便利。

    某齒輪制造企業(yè)的產(chǎn)品主要有：柴油機齒輪、拖拉機齒輪、農(nóng)用車齒輪、汽車齒輪，以及船用變速箱齒輪等。例如批量較大的柴油機齒輪，按照柴油機不同的系列又分為：S195，S1100，D180，R180，D185，ZS1110，SQD186N，SQD192N，N285Q，N385Q，N485Q，CC4105Q等系列齒輪。利用VB6.O軟件，基于ActiveX Automation技術(shù)，筆者開發(fā)了一個使用“通用工藝規(guī)程”模塊的高效實用的齒輪CAPP軟件系統(tǒng)。

    齒輪類零件屬回轉(zhuǎn)體零件，將齒輪零件按照產(chǎn)品型號、結(jié)構(gòu)和工藝特點等進行分類整理，形成齒輪各個“通用工藝規(guī)程”模塊。本CAPP軟件系統(tǒng)，采用“產(chǎn)品類型選擇與檢索”模塊來完成齒輪產(chǎn)品類型選擇及齒輪產(chǎn)品基本參數(shù)的檢索與調(diào)用；以齒輪零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、模數(shù)大小和螺旋角大小等為依據(jù)，采用“工藝參數(shù)選擇與檢索”模塊來提供齒輪工件的工藝參數(shù)信息；利用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫平臺建立數(shù)據(jù)庫（齒輪產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、工藝資源數(shù)據(jù)庫、工藝文件數(shù)據(jù)庫）和工藝知識庫，供CAPP軟件調(diào)用，并通過檢索“工藝知識庫”，判斷齒輪工藝參數(shù)取值的合理性；基于“通用工藝規(guī)程”模塊，CAPP系統(tǒng)自動進行工藝規(guī)程檢索，并根據(jù)工藝參數(shù)信息進行工藝規(guī)程修改，生成齒輪零件的機械加工“工藝規(guī)程文件”，其總體功能結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

    圖1 齒輪CAPP系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)框架

3 齒輪CAPP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

    3.1 數(shù)據(jù)庫與工藝知識庫

    在齒輪CAPP系統(tǒng)實施過程中，齒輪的各類數(shù)據(jù)整理和定義是否準確、充分，將直接影響到應(yīng)用的效果。從齒輪的設(shè)計、齒輪工藝編制和齒輪加工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是非常復(fù)雜的，各類數(shù)據(jù)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、關(guān)系復(fù)雜、數(shù)據(jù)的一致性要求嚴格、使用復(fù)雜，以及管理復(fù)雜等。在齒輪CAPP系統(tǒng)定制過程中，不僅需要對所有齒輪加工的工藝信息進行充分地整理和歸納，還需要結(jié)合計算機管理的特點對現(xiàn)有的齒輪工藝標準進行改進和提高。

    目前有許多數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，典型的數(shù)據(jù)庫有ACCESS，SYBASE，ORACLE，SQL Server、Visual FoxPro和My SQL等。由于最新版本的SQL Server 2008是一個全面的數(shù)據(jù)庫平臺，它具有可靠性、可伸縮性、可用性和可管理性等特點，使用集成的商業(yè)智能(BI)工具提供了企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理，為用戶提供完整的數(shù)據(jù)庫解決方案，因此本CAPP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫利用SQL Server 2008建立了齒輪CAPP的產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫、工藝資源數(shù)據(jù)庫、工藝文件數(shù)據(jù)庫和工藝知識庫，供齒輪CAPP軟件調(diào)用。數(shù)據(jù)庫接口采用微軟的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)(ActiveX Data Objects，ADO)和開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)(Open DataBase Connectivity，ODBC)技術(shù)，具體包括如下內(nèi)容。

    1)齒輪CAPP的產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫，主要用來存儲各系列齒輪產(chǎn)品樣本中的基本數(shù)據(jù)信息。

    2)齒輪CAPP的工藝資源數(shù)據(jù)庫，它是CAPP系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用于存放齒輪加工工藝標準、工藝數(shù)據(jù)手冊、工藝信息處理的相關(guān)算法和工具等，如加工方法、排序規(guī)則、機床、刀具、夾具、量具、輔具、工件材料、毛坯、切削用量、工序余量分配、工時定額、成本核算、標準工序和工藝規(guī)范、工藝標準等工藝資源信息，以供工藝人員進行工藝編制時參考。

    3)齒輪CAPP的工藝文件數(shù)據(jù)庫，主要用來存儲工藝設(shè)計過程中產(chǎn)生的全部工藝信息。它是在分析工藝規(guī)程內(nèi)部層次關(guān)系的基礎(chǔ)上建立起來的，齒輪CAPP軟件自動生成的工藝規(guī)程信息可以用工藝文件數(shù)據(jù)庫形式加以存儲，以備調(diào)用。

    4)齒輪CAPP的工藝知識庫如圖2所示，主要存儲各種工藝規(guī)則知識和工藝參數(shù)知識，用于輔助齒輪加工工藝路線的決策。

    圖2 齒輪CAPP的工藝知識庫

    3.2 通用工藝規(guī)程模塊

    通過對不同產(chǎn)品型號、產(chǎn)品類型齒輪的典型工藝進行深入分析，分別歸納出其工藝特征，并合理地設(shè)置每種工藝特征的通用加工工藝及其工藝參數(shù)變量，參照工藝規(guī)程內(nèi)部層次關(guān)系，對不同結(jié)構(gòu)類型的齒輪零件進行通用工藝特征組合，最終建立齒輪CAPP的“通用工藝規(guī)程”模塊，保存在工藝文件數(shù)據(jù)庫中，供齒輪CAPP軟件檢索與調(diào)用。齒輪零件“通用工藝規(guī)程”模塊是在已有的齒輪加工經(jīng)驗基礎(chǔ)上制定的，它包含了相似零件加工的所有典型工序。

    建立齒輪“通用工藝規(guī)程”模塊的步驟如下。

    1)分析不同產(chǎn)品型號、不同產(chǎn)品類型的齒輪零件。

    2)對齒輪零件的工藝特征進行分類與標記。

    3)編制每種工藝特征的通用加工工藝（子模塊）。

    4)合理設(shè)置每種工藝特征的工藝參數(shù)變量。

    5)根據(jù)工藝路線進行工藝特征的組合（子模塊的組合）。

    例如：S195-05009曲軸正時齒輪涉及的子模塊有以下部分內(nèi)容：齒輪齒形加工模塊1中的滾齒工藝；齒輪齒形加工模塊2中的剃齒工藝；滾齒工藝參數(shù)設(shè)置：模數(shù)m=3，齒數(shù)Z=18，壓力角α=20°，齒輪公法線長度W=22.85⁰_-0.03^mm，跨齒數(shù)K=3，齒輪徑向跳動誤差F_r=0.040mm，齒輪公法線長度變動誤差F_W=0.022mm，齒輪齒形誤差f_f=0.025mm，齒輪齒距極限偏差f_Pt=±0.013mm，齒輪齒向誤差F_β=0.015mm。剃齒工藝參數(shù)設(shè)置：m=3，Z=18，α=20°，F(xiàn)_r=0.040，F(xiàn)_w=0.025，f_f=0.010，f_pt=±0.012，F(xiàn)_β=0.010。

    子模塊的組合（部分內(nèi)容）：

    工序90：ZMK016 滾齒

    工序100：ZMK022 拉鍵槽

    …

    工序150：ZMK021 剃齒

    6)得到不同結(jié)構(gòu)的齒輪零件“通用工藝規(guī)程”模塊。

    7)將齒輪零件的“通用工藝規(guī)程”模塊保存在工藝文件數(shù)據(jù)庫中，供齒輪CAPP軟件檢索與調(diào)用。

    一般情況下齒輪零件的工藝特征涉及的通用加工工藝模塊按加工工藝階段可劃分成子模塊（子模塊根據(jù)實際需要可以繼續(xù)分層），如表1所示，各類齒輪在結(jié)構(gòu)、精度和硬度等方面會有差異，涉及的通用加工工藝子模塊有多有少，完整的加工工藝路線即為各子模塊的組合，通過總結(jié)歸納齒輪零件的典型工藝，確定工藝的關(guān)鍵參數(shù)，建立齒輪的參數(shù)化典型工藝數(shù)據(jù)庫即“通用工藝規(guī)程”模塊，實現(xiàn)基于零件工藝參數(shù)的檢索設(shè)計。

    表1 齒輪零件工藝特征的通用加工工藝子模塊

    3.3 工藝參數(shù)選擇與檢索

    根據(jù)用戶輸入的零件信息，以齒輪零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、模數(shù)大小及螺旋角大小等為依據(jù)，基于工藝特征參數(shù)化思想，采用VB6.0的ActiveX Automation技術(shù)，通過訪問商用CAD內(nèi)部的圖形實體對象，基于“工藝參數(shù)選擇與檢索”模塊，來實現(xiàn)齒輪工藝參數(shù)信息的檢索、提取與修改。

    實施齒輪工藝參數(shù)選擇與檢索的步驟如下：1)輸入新的齒輪零件信息。2)檢索并調(diào)用齒輪“通用工藝規(guī)程”模塊。3)在商用CAD軟件中生成新齒輪的通用工藝規(guī)程。4)采用VB6.0，訪問CAD內(nèi)部圖形，構(gòu)造“選擇集”(SelectionSet)。5)遍歷“選擇集”對象中的每一圖元對象(Entity)。6)根據(jù)各圖元對象類型或名稱，判斷該“圖元對象”是否為工藝參數(shù)對象。7)若不是，重新訪問CAD內(nèi)部圖形，重新構(gòu)造“選擇集”對象。8)若是，則讀取“圖元對象”相應(yīng)齒輪工藝參數(shù)信息并存儲到對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。9)遍歷完成后，統(tǒng)一進行“通用工藝規(guī)程”中的工藝參數(shù)匹配和替換，實現(xiàn)齒輪工藝參數(shù)信息的檢索、提取與修改。10)自動生成新的齒輪零件的機械加工工藝規(guī)程文件。

4 應(yīng)用實例

    針對如圖3所示的某齒輪制造企業(yè)的S195 05009曲軸正時齒輪產(chǎn)品，基于齒輪“通用工藝規(guī)程”模塊的工藝特征參數(shù)化思想，利用VB6.0的ActiveX Automation技術(shù)成功開發(fā)出一個高效實用的CAPP軟件。

    圖3 5195-05009曲軸正時齒輪產(chǎn)品圖

    圖4所示為產(chǎn)品類型選擇界面，它為用戶提供產(chǎn)品系列、齒輪傳動類型、齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計、零件圖號、零件名稱和齒輪組合特征等的選擇。

    圖4 產(chǎn)品類型選擇界面

    圖5所示為產(chǎn)品通用工藝規(guī)程對話框界面，用于顯示、校核齒輪基本參數(shù)、齒輪材料和齒輪精度等級等產(chǎn)品信息及工藝模塊的檢索。

    圖5 產(chǎn)品通用工藝規(guī)程對話框界面

    圖6所示為該CAPP軟件自動生成的工藝規(guī)程（部分內(nèi)容）。

    目前該CAPP軟件已經(jīng)成功運用于生產(chǎn)實際，用戶反映該軟件操作方便，工藝編制效率高，所生成的工藝路線合理、規(guī)范，縮短了生產(chǎn)準備周期，使工藝人員從繁瑣和重復(fù)的勞動中解放出來。

    圖6 曲軸正時齒輪的工藝規(guī)程（部分內(nèi)容）

    實施齒輪工藝參數(shù)選擇與檢索的步驟如下：1）輸入齒輪零件：圖號S195-05009。2）檢索并調(diào)用齒輪的“通用工藝規(guī)程”模塊。3）在商用CAD軟件中生成新齒輪的通用工藝規(guī)程。新齒輪的工序內(nèi)容見表2（部分內(nèi)容）。

    表2 新齒輪工序內(nèi)容

5 結(jié)語

    本文采用面向?qū)ο蟮腁ctiveX Automation技術(shù)，基于“通用工藝規(guī)程”模塊的工藝特征參數(shù)化思想，開發(fā)了一種高效實用的齒輪CAPP系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)手工工藝編制方式的缺陷，減少了重復(fù)編寫工藝文件的工作量，有助于提高工藝設(shè)計的質(zhì)量和效率。該系統(tǒng)在企業(yè)的成功運行，說明CAPP系統(tǒng)的開發(fā)要面向企業(yè)的實際，CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用從產(chǎn)品工藝設(shè)計角度出發(fā)，這樣才能使CAPP系統(tǒng)成為工藝設(shè)計人員的輔助工具。應(yīng)用實例表明，該系統(tǒng)所生成的工藝路線合理，格式規(guī)范。齒輪CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用提高了企業(yè)工藝部門的工作效率和企業(yè)的整體效益。

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