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滚动轴承工艺设计自动化研究
2012-11-9  来源:  作者:清华大学梁文杰吴志军郁鼎文孙国梓

      在CAPP20多年的发展历史中,发表的论文已有数百篇,但其中大多数是介绍某一特定的CAPP系统。在这些系统中大多数属于派生式系统,只是最近几年半创成式和创成式系统才较多地开发出来。工艺设计自动化是当前CAPP研究热点之一。本文针对滚动轴承的工艺设计过程进行分析,给出一种实现工艺设计自动化的方法。

 

      1     滚动轴承工艺设计的特点

 

      滚动轴承工艺设计具有以下几个特点:

 

      (1)加工工艺相对简单相对于其他机械产品,滚动轴承的产品结构相当简单,主要的结构就是4大件:内圈、外圈、滚动体和保持架,外形亦不复杂。这4大件的加工工艺比较简单,工艺种类不多,也不复杂。主要的工艺包括锻造工艺、材料定额工艺、车削工艺、磨削工艺、热处理工艺、工装设计、夹具设计和量具设计。

 

      (2)加工工艺相似度较高轴承从形状、功能和结构来看相当简单,并具有很大的相似性。但实际上其种类不少,从规格和品种来看却非常繁杂。所幸其系列化标准化程度高,生产工艺比较成熟和规范,同一系列的同一类轴承件,其工艺过程基本相同。

 

      (3)工艺设计过程简单滚动轴承工艺设计最主要的工作就是工艺参数的计算,并且所有参数都可以根据标准或经验公式和规则来确定。工艺卡片模式统一化程度高。

 

      2     滚动轴承工艺设计自动化

 

      2.1系统原理

 

      鉴于滚动轴承工艺设计的特点,完全可以实现滚动轴承的工艺设计自动化。滚动轴承工艺设计的主要工作是工艺参数计算、工艺方案制定、设备选取、工装的选用和工艺卡片的绘制。其中,工艺参数可以通过查表或者公式计算得到。而在滚动轴承的工艺设计中,查表的规则种类不多,参数的计算公式亦不复杂,所以实现把参数计算的方法存储到数据库中并在使用时取出并进行计算的过程并不困难。滚动轴承的加工工艺方案种类不多,并且每种工艺方案的加工步骤都比较固定,一般变化的只是加工的参数。加工方案的选择是根据零件的结构和外形尺寸来进行的。因此可以把所有的加工方案和选用规则存储到数据库中,并在适当的时候根据规则来选取。设备的选取与加工方案的选用比较类似,很容易建立加工设备和选用规则库。工装的选用是根据加工方案以及外形尺寸来确定的,所以可以建立工装的选用关系库来存储工装的选用规则。对于工艺卡片的绘制,滚动轴承的工艺卡片种类不多,并且每类卡片的形式比较固定,所以可以为每类卡片制作一个模板,保存到模板库中,然后在绘制的时候把工艺信息填到模板中相应的地方就可以得到完整的工艺卡片。

 

      综上所述,可以通过建立公式库、规则库以及模板库的方法,把滚动轴承的工艺设计过程信息化。配合适当的公式计算和规则解析模块,就可以实现滚动轴承工艺设计自动化。图1为系统的原理图。

 

1

 

      2.2工艺知识库建立和使用

 

      公式库、规则库和模板库统称知识库,是工艺设计自动化系统的核心部分。知识库的建立和使用是系统的关键。

 

      知识库中的规则表示方式有很多种,IF-THEN规则就是一种常见的表示方式。这里使用的方法为IF-THEN规则的扩展规则,使用与计算机高级语言兼容的表达式来定义。定义计算公式使用的是支持函数的四则运算表达式,而定义规则使用的是逻辑表达式。同时,为了方便系统程序的处理,使用的参数变量的命名方法和一般高级语言的命名规则相同,而不是用中文来表示。使用与高级语言兼容的表达式,可以使用很多现有的表达式求值库来对知识库进行处理,从而降低了开发的工作量,也可以提高知识库的可读性。

 

      例如,预先定义零件外径的名称为Dw0,锻件外径为dgDw0,锻件外径留量为dgLLw,则在公式库中,锻件外径的计算公式为Dw0+dgLLw。计算公式中可以包括常见的数学函数和自定义函数。利用自定义函数可以实现一些特殊的功能。例如把查表的规则分类,为每一类规则定义一个自定义函数。在某项数据需要查表的时候,只需把相应的表名、列名和条件等信息传给相应的查表函数,就可以返回查表的结果。通过这种方法,可以把查表操作融合到计算公式中,方便知识库的定义。把所有工艺参数的计算公式保存到公式库中,在适当的时候把公式提取出来并求值,就可以得到所要的结果。并把结果保存到工艺设计结果库中,即可自动完成所有工艺参数的计算。在待确定信息和确定方法一一对应的时候,可以使用公式定义的方式定义到公式库中。但如果某项信息在不同的条件下会有不同的结果时,就要用到了规则库。例如滚动轴承套圈锻造工艺的工艺方案的确定,一般是根据套圈的外径(Dw0)、内径(Dn0)、厚度(B0)和重量(Q0)来确定。这时可以为每一种工艺定义一个适用条件和一个优先级。使用条件为一条逻辑表达式,如果表达式的值为真的话,则表示该方案适合使用。优先级是用来在有多个方案都满足条件的时候优先采用的方案。表1为示意的滚动轴承套圈的锻工工艺方案选择规则表。

 

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      通过解析适用条件的逻辑表达式,即可自动确定应该采取的加工方案。

 

      模板库中保存的是各种工艺卡片的模板。模板可以使用各种格式的文档,如Word文档或AutoCAD的DWG文档。模板实际上就是一张空白的工艺卡片。把模板文档和该模板对应的使用条件保存到模板库中,在需要输出工艺卡片的时候,根据所要输出的卡片的信息选择合适的模板。并把已经设计好的工艺数据填入到模板中相应的地方,就可以得到所需的工艺卡片。这个过程也可以在不须人工干预的条件下自动完成。

 

      2.3系统结构

 

      系统是采用创成式原理进行设计。当获取到相应的零件信息之后,系统根据存储在数据库内的工艺数据库和工艺规则库,应用各种工艺决策逻辑并自动生成该零件的工艺规程,同时也可通过人机交互的方式对工艺规程进行编辑修改。系统总体框架如图2所示。

 

3

 

      3     应用实例

 

      在西北轴承集团的NXZ-CAPP工艺设计系统的开发过程中,充分利用了这项技术,并取得了较好的效果。通过知识库管理界面定义和创建知识库之后,系统根据从CAD中获取的零件信息,自动创建零件的相应工艺设计任务。工艺人员通过向导的模式,一步一步地完成各项工艺的设计。在设计的过程中,各项数据的计算工作都是自动完成的,工艺人员可以看到各项计算的结果,也可以手动修改各项结果。

 

      下面通过具体的实例来说明关键技术的实现。以套圈的锻工工艺为例,图3为工艺设计流程图。

 

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      用表1中的工艺方案规则,方案"半胎膜自由锻"和"0.5t锤-Ф250辗环"都符合条件。但方案"0.5t锤-<250辗环"的优先级较高,所以使用加工方案是/0.5t锤-<250辗环"。

 

      在计算很多工艺数据的时候,除了要使用从CAD系统中得到的数据之外,还要使用到其他工艺设计的数据。所以计算的时候要根据先后顺序来进行,先计算都已知的工艺参数,再利用已经计算出来的工艺参数去计算其他未知的工艺参数。在建立知识库的时候应该指定参数的计算顺序。例如锻件外径的计算公式为Dw0+dgLLw,Dw0已知,要计算就要先确定锻件外径留量dgLLw。而dgLLw是通过查表得到的。得到dgLLw后,就可以计算锻件外径。

 

      4     结语

 

      本文针对滚动轴承工艺设计的特点,探讨了实现工艺设计过程自动化的方法,并开发出了实用的CAPP系统。采用该系统,可以实现滚动轴承锻工、材料定额、车加工、磨加工、热处理和工装等工艺的自动化设计,自动完成工艺规程。应用工艺设计自动化,提高了工艺设计的效率,产生了良好的经济效益。不足之处是工艺知识库是各个企业的秘密,需要为每个企业建立各自的知识库。

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