鍛件實用CAPP系統的研究與開發

杜官將，李東波，伏開放

（1.南京工程學院 機械工程學院，南京 211167；2.南京理工大學 機械學院，南京 210094）

0 引言

工藝設計是機械制造過程中技術準備的一項重要內容，是產品設計與制造的橋梁，也是連接產品設計與生產管理的重要紐帶，具有很強的實踐性特征。隨著國內和國際市場對產品需求的多樣性，生產規模日益向中小批量發展，這就要求新產品開發周期要盡量縮短和工藝設計效率要高，以適應市場需求。在這樣一種背景下，隨著計算機輔助技術的發展，建立企業的CAPP（Computer Aided Process Planning）系統已經成為當前機械行業（尤其是中小企業）的迫切需要。它不僅可以提高工藝規程設計效率和設計質量，縮短技術準備周期，把工藝人員從繁瑣、重復的勞動中解放出來，而且可以保證工藝設計的一致性和規范化，有利于推進工藝的標準化。同時為企業信息化（如PDM、ERP等）創造了條件。

目前，CAPP系統類型，主要有派生式系統、創成式系統和綜合式系統。派生式CAPP系統可分為基于成組技術的CAPP系統和基于特征的CAPP系統；創成式CAPP系統分為基于傳統過程性結構與決策形式的系統、基于知識的CAPP系統、CAPP工具系統和基于神經元網絡的CAPP系統；綜合式系統是派生式和創成式相結合的CAPP系統，也是基于實例和知識的CAPP綜合式系統[1]。

自上世紀80年代以來，CAPP得到了長足的發展，國內許多企業與高等院校、研究所合作研制了眾多的CAPP系統。由于各企業的產品特點、企業資源情況、技術條件、工藝習慣等方面的差異以及工藝設計的復雜性，使創成型CAPP系統的構建非常復雜，實用性也比較差。根據某鍛造企業的具體需求，本系統以實用性為開發目的，采用派生式CAPP系統，結合人機交互方式，研究繪制工序圖的方法，從而完成鍛件的工藝設計。

1 系統原理及架構

1.1 系統原理

按照成組技術原理，將結構相似的零件分類歸族，每一族制訂一典型工藝模板。典型工藝模板是根據企業現有設備及工藝經驗的基礎上制定的，它包含了本族零件加工的所有典型工序，并存入工藝數據庫中。當需要設計某一零件的工藝時，識別并調出相應零件族的典型工藝。根據零件的設計要求，將零件的特征與典型工藝模板進行對比，添加或刪除特定的工序，即可得到適合該零件的工藝規程。在工序設計時，完成工序圖的繪制。

1.2 系統的架構

本系統適合于10～50名工藝人員操作訪問。采用SQL Server 2000作為底層的數據庫平臺，通過ODBC進行連接訪問，實現數據共享；在Windows環境下，采用面向對象的高級語言Visual Basic 6.0進行開發，系統界面友好，具有很好的可擴展性。

系統的流程圖如圖1所示。

圖1 CAPP系統的流程圖

2 系統關鍵技術

2.1 工藝數據庫

對于工藝數據的保存，早期CAPP系統常采用數據文件，現在大多采用數據庫來進行存儲。

工藝數據庫是CAPP系統的基礎平臺，CAPP系統運行時需要調用大量相關聯的工藝數據。目前，典型的數據庫有Access、SQL Server、Oracle等。考慮到企業聯機事務處理的需要，系統采用SQL SERVER 2000來存儲工藝數據。

在SQL Server 2000上，建立四類數據庫：用戶信息數據庫；典型工藝數據庫；工藝資源數據庫及鍛件形狀參數數據庫。

1）用戶信息數據庫：用戶登錄、角色劃分及每個角色的權限，以保護系統及系統數據的安全。

2）典型工藝數據庫：將某鍛造企業的產品分為十三大類，根據每一類產品的結構特征及加工工藝特點，制定其典型工藝模板，并存入數據庫，以備調用。

3）工藝資源數據庫：工藝設計過程中涉及到大量的數據，有靜態數據和動態數據。此處主要是靜態數據，包含機床、刀具、夾具、零件名稱、零件材料及零件工作令號等，以便于工藝設計時查詢，提高工藝設計效率。

4）鍛件形狀參數數據庫：對于企業的每一類產品，通過研究零件的圖形單元，提取出結構化參數，完成形狀參數數據庫。

2.2 工序圖

工序圖是工藝設計的圖形表達方式，在工序圖上不僅要求顯示零件在本工序加工完成之后的基本形狀，而且還要清楚地表明本工序所有加工面的尺寸、精度、粗糙度、形位公差及其他特殊要求，并指明本工序加工時的定位基準面、夾緊力的位置等內容。

工序圖的繪制是企業實施CAPP系統的一個難題。傳統手工繪制工序圖效率低、工作繁瑣和標準化程度差。為提高工藝設計的效率和質量，實現工藝設計的標準化和現代化，近年來，研究人員進行了大量的研究和實踐[2]。目前常用的CAPP系統普遍采用OLE方式調用CAD圖形文件。要完成一個工藝簡圖的繪制，需要在CAD和CAPP系統中來回切換，使用相當不便，且容易出錯。有些學者[3]研究了在建立各工序加工余量數據庫的基礎上，根據尺寸反推原理，由零件尺寸逐步得到各工序的工序尺寸，直至毛坯。

本系統根據鍛件的結構特點，采用兩種方式實現工序圖的繪制。

1）參數化繪圖

根據參數化繪圖的原理，將零件的圖形要素分離成圖素單元。針對某種圖素單元，編寫一個繪圖子程序，這些子程序在一起就形成了CAPP工序圖自動生成模塊。考慮到某鍛造公司現有的產品結構相對比較簡單，可采用參數化繪圖。繪圖時，通過零件的工作令號，調用零件形狀參數數據庫，獲取鍛件有關形狀參數及相對位置，通過圖形生成模塊，即可完成工序圖的繪制。也可以在CAPP運行界面上直接輸入零件形狀參數，進行繪圖。圖2為套管四通零件形狀參數圖，表1為套管四通形狀參數數據庫，圖3為套管四通形狀參數輸入界面。

2）開發專用的繪圖工具（draw.Ocx）

圖2 套管四通形狀參數

表1 套管四通形狀特征參數數據庫

圖3 套管四通形狀參數輸入界面

在CAPP系統中，通過VB中調用Windows API函數和VB自身提供的繪圖方法，開發出具有一定繪圖功能的工具[4]。利用它，可以實現工序圖的繪制、圖形的縮放、復制、粘貼及工序尺寸的標注等功能，使CAPP系統不依賴任何CAD平臺就可完成工序圖的繪制，可以大大縮減開發進度和提高程序性能。

在VisualBasic6.0環境下，可通過圖形控件（如Line、Circle、Shape等）繪圖；也可利用API繪圖。API的全稱是Application Programming Interface，可稱為“應用程序編程接口”。API是Windows操作系統自帶的一套功能強大的函數集，它直接面對操作系統的底層，可以完成一些VB不能實現的功能，且執行效率高。在VisualBasic6.0程序中調用API函數時，必須進行API函數聲明。

Ocx控件即嵌入用戶控件，是一種可以在Windows系統中創建使用的特殊用途的程序。在CAPP程序中使用自制的Ocx控件，實現工序圖的繪制、尺寸標注等功能。利用繪圖控件Ocx，可以簡化程序的代碼，起到程序優化的作用。Ocx控件可以通過ActiveX控件中UserControl對象創建。

在工藝設計過程中，對于新產品或數據庫中無參數數據庫的鍛件工序圖，可以使用開發的繪圖環境，直接繪制工序圖，標注相關的技術要求等。

3 實例

某鍛造股份有限公司現有13類產品，主要有閥體、套管頭、套管四通等。現以套管四通零件為例介紹CAPP系統的功能。

工藝卡片的內容可分為表頭、表尾和中間三部分。表頭部分涉及零件的基本信息，如零件工作令號、材料牌號、毛坯類型、零件名稱、毛坯外形尺寸等內容；表尾部分涉及工藝設計人員、會簽人員、日期等；中間部分為零件加工工藝或工序圖。

圖4為CAPP系統生成的套管四通零件的工藝卡片；圖5為CAPP系統生成的套管四通零件的工序卡片。

工藝文件生成后可以保存，也可以輸出打印。

圖4 套管四通工藝卡片

圖5 套管四通工序卡片

4 結束語

本文介紹了某鍛造公司產品的CAPP系統的設計，并以套管四通零件為例說明了工藝文件生成的過程。系統以數據庫為基礎，使用VB語言成功開發了鍛件CAPP系統，系統界面友好，操作方便，生成的工藝卡片符合規范。該系統已在南京某鍛造公司投入使用，較好地滿足該廠產品的工藝設計要求，大大提高了工藝設計的效率，規范了工藝文件，減輕了工藝設計人員的勞動強度，提高了企業的競爭力。

[1]劉保華, 喬愛科.CAPP系統類型及關鍵技術研究[J].機械設計與制造,2009(8): 62-64.

[2]高征兵.變異式CAPP系統中工序圖的研究[J].組合機床與自動化加工技術, 2007(12): 79-81.

[3]張學友, 王中王, 薛建彬.軸類零件實用CAPP系統研究與開發[J].組合機床與自動化加工技術,2010(8): 89-91.

[4]王秋萍, 陸達, 王顯利.基于VB的繪圖工具的繪圖技術[J].北華大學學報(自然科學版), 2001(6): 549-552.