1、5.1 计算机辅助工艺设计（CAPP）,5.2 数控编程与加工过程仿真,5.3 快速原型技术与制造(RP),5.1.1 CAPP概述,计算机辅助工艺设计,计算机辅助工艺设计 (Computer Aided Process Planning,CAPP) 是指在人和计算机组成的系统中，根据产品设计阶段给出的信息，人机交互地或自动地确定产品的加工方法和工艺过程的技术。它在分析和处理大量信息的基础上进行加工方法、机床、刀具、加工顺序的选择或决策，并计算加工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定额、绘制工序图以及编制工艺卡。,5.1 计算机辅助工艺设计,什么是工艺？工艺是劳动者利用生产工具对各种原材料、
2、半成品进行增值加工或处理，最终使之成为制成品的方法与过程。,CAPP与计算机集成制造系统中其它子系统的信息流,CAPP的地位与意义,5.1.1 CAPP概述,5.1 计算机辅助工艺设计,CAPP与计算机集成制造系统中其它子系统的信息流,几何拓扑、材料信息及精度、粗糙度,工艺指令,设备、工装、切削参数、加工过程，道具位置等,CAQ即计算机辅助质量管理（Computer Aidied Quality）或计算机辅助质量保证（Computer Aidied Quality Assurance）。在实际应用中，CAQ可以分为质量保证、质量控制和质量检验等几个方面。,MIS（管理信息系统Managemen
3、t Information System）系统 ，是一个由人、计算机及其他外围设备等组成的能进行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统。,CAPP发展历程,5.1 计算机辅助工艺设计,CAPP的开发、研制是从60年代末开始的，在制造自动化领域，CAPP的发展是最迟的部分。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1969年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS；1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是CAM-I (Computer Aided ManufacturingInternational”即国际计算机辅助制造”
4、)于1976年推出的CAM-IS Automated Process Planning系统。,5.1.1 CAPP概述,CAPP系统的构成,5.1 计算机辅助工艺设计,零件信息描述 毛坯选择 工艺过程拟定 工艺参数计算 工艺方案分析 工艺文件生成,5.1.2 CAPP的基础技术,成 组 技 术,5.1 计算机辅助工艺设计,成组技术(Group Technology，GT)是一门生产技术科学。利用事物的相似性，把相似问题分类成组，寻求解决这一问题相对同意的最优方案，从而节约时间和精力一取得所期望的经济效益。零件分类成组的基本方法是应用分类编码系统进行计算机辅助分类和检索。,零件分类编码系统,5.
5、1 计算机辅助工艺设计,5.1.2 CAPP的基础技术,第一码位 第二码位 第三码位 第一码位 第二码位 第三码位 第一码位 第二码位,编码结构,（a）树式结构 （b）链式结构 （c）混合结构,5.1 计算机辅助工艺设计,Optiz编码系统结构,5.1 计算机辅助工艺设计,回转类零件编码,零件分组方法,5.1 计算机辅助工艺设计,主要有：视检法、生产流程分析法、特征编码分类法等。当被加工的零件数量不太多时，可以用视检法。生产流程分析法是以工厂现行的工艺过程等有关技术资料为依据，其目的是寻求工厂本已客观存在的加工族及其相应的加工设备组，这个方法能较全面地应用现有生产条件的相似性。特征编码分类法也
6、叫特征数据法或特征矩阵法，是通过零件编码来分组的。,5.1.2 CAPP的基础技术,零件信息描述,5.1 计算机辅助工艺设计,零件信息描述的内容主要包括几何信息和工艺信息。几何信息指零件的几何形状和尺寸，如表面形状、表面间的相互位置、尺寸及其公差，即零件的图形信息。工艺信息指毛坯特征、零件材料、加工精度、表面粗糙度、形位精度等及相应的技术要求。,5.1.2 CAPP的基础技术,工艺设计的决策方式,5.1 计算机辅助工艺设计,分为数学模型决策、逻辑推理决策和智能思维决策三类。数学模型决策是以建立数学模型并求解作为主要的决策方式。工艺过程设计中，以数值计算为主的问题多用数学模型方式求解，如工艺尺寸
7、链的计算、切削参数的计算、材料消耗定额的计算等。智能决策将依靠人工智能的应用，建立CAPP专家系统来解决。在工艺过程设计中，诸如各种型面加工方法的选择、工序工步排序、刀具选择、机床选择等问题，都可以采用确定性的逻辑推理来决策。常用的逻辑推理决策有决策树和决策表两种形式，其原理相同，只是表现形式不同，可视其适用场合选择，并可互相转换。,5.1.2 CAPP的基础技术,5.1 计算机辅助工艺设计,决策表和决策树,5.1 计算机辅助工艺设计,CAPP发展的四个阶段,5.1 计算机辅助工艺设计,变异式CAPP基本原理：利用零件的相似性即相似零件有相似工艺规程。系统条件：派生式系统必须有一定量的样板（标
8、准）工艺文件，在已有工艺文件的基础上修改编制生成新的工艺文件。一个新零件的工艺规程是通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以筛选或编辑而成的。计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序，其继承和应用的是标准工艺。,5.1.3变异式CAPP系统,5.1 计算机辅助工艺设计,变异式CAPP系统亦称派生式CAPP，是利用零件的相似性来检索现有工艺规程的一种软件系统。该系统是建立在成组技术基础上，按照零件几何形状或工艺的相似性将各个零件分类归，对每个零件族根据其结构和形状特征，归纳出“典型零件”（主样件），然后建立各个典型零件的典型工艺规程进行存储，包括各零件族加工所需的加工方法、加工设备、工夹量
9、具及其加工工序等。应用变异式CAPP系统对某零件进行工艺设计时，先对该零件进行成组编码，然后根据零件编码由零件族特征矩阵库确定其所属零件族，检索调用该族零件的标准工艺规程，再对该标准工艺规程进行编辑、修改，最终获得该零件的工艺规程。,5.1 计算机辅助工艺设计,变异式CAPP系统工作原理,5.1 计算机辅助工艺设计,国内外典型变异式CAPP系统,5.1 计算机辅助工艺设计,CAPP发展的四个阶段,5.1 计算机辅助工艺设计,创成式（Generative）CAPP系统 也叫生成式CAPP系统。创成式系统的工艺规程是根据程序中所反应的决策逻辑和制造工程数据信息生成的，这些信息主要是有关各种加工方法
10、的加工能力和对象，各种设备及刀具的适用范围等一系列的基本知识。工艺决策中的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库，供主程序调用。向创成式系统输入待加工零件的信息后，系统能自动生成各种工艺规程文件，用户不需或略加修改即可。,5.1.4 创成式CAPP系统,5.1 计算机辅助工艺设计,创成式CAPP系统是一种能综合零件加工信息，自动为一个新零件创造工艺规程的CAPP系统。创成式CAPP系统能够根据零件模型和工艺数据库信息，在没有人工干预的条件下，自动产生零件所需要的工艺流程和各个加工工序，自动提取加工制造知识，完成机床、刀具的选择和加工过程的优化，通过应用决策逻辑，模拟工艺设计人员的决策过程，自动创
11、成新的零件加工工艺规程。,5.1 计算机辅助工艺设计,创成式CAPP系统工作原理,5.1 计算机辅助工艺设计,国内外典型创成式CAPP系统,5.1 计算机辅助工艺设计,综合式（Hybrid）CAPP系统 是将派生式、创成式与人工智能结合在一起，综合而成的。,CAPP发展的四个阶段,5.2.1 数控加工概述,数控加工就是根据被加工零件和工艺要求,编制成以数码表示的程序，输入到数控机床的数控装置或控制计算机中，以控制工件和刀具的相对运动，使之加工出合格零件的方法。使用数控机床加工时，必须编制零件的加工程序，理想的加工程序不仅应保证加工出符合设计要求的零件，同时应能使数控机床功能得到合理的应用和充分
12、的发挥，且能安全可靠和高效地工作。数控加工中的工艺问题的处理与普通机械加工基本相同，但又有其特点，因此在设计零件的数控加工工艺时，既要遵循普通加工工艺的基本原则和方法，又要考虑数控加工本身的特点和零件编程要求。,5.2 数控编程与加工过程仿真,5.2.2数控编程方法,数控编程,5.2 数控编程与加工过程仿真,数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。 根据零件加工表面的复杂程度、数值计算的难易程度、数控机床的数量及现有编程条件等因素，数控编程通常分为手工编程和计算机辅助编程两类，而计算机辅助编程又分为数控语言自动编程、交互图形编程和CAD/CAM集成系统编程等多种。,5.2 数控编程与加
13、工过程仿真,手工编程,数控手工编程的主要内容包括分析零件图样、确定加工过程、数学处理、编写程序清单、程序检查、输入程序和工件试切。,1分析零件图样和工艺处理 根据图纸对零件的几何形状尺寸、技术要求进行分析，明确加工内容，决定加工方案、加工顺序，设计夹具，选择刀具、确定合理的走刀路线和切削用量等。同时还应充分发挥数控系统的性能，正确选择对刀点及进刀方式，尽量减少加工辅助时间。,2数学处理 编程前根据零件的几何特征，建立一个工件坐标系，根据图纸要求制定加工路线，在工件坐标系上计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元
14、素的交点或切点的坐标值。对于形状复杂的零件（如非圆曲线、曲面组成的零件），数控系统的插补功能不能满足零件的几何形状时，必须计算出曲面或曲线上一定数量的离散点，点与点之间用直线或圆弧逼近，根据要求的精度计算出节点间的距离。,3编写零件程序单 加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指令代码及程序段格式，逐段编写零件程序。,4程序输入 以前的数控机床的程序输入一般使用穿孔纸带，穿孔纸带上的程序代码通过纸带阅读装置送入数控系统。现代数控机床主要利用键盘将程序输入计算机中；通信控制的数控机床，程序可以由计算机接口传送。 FUNUC数控键盘面板 HNC数控键盘面板 Siemens 数控键盘面板,5
15、程序校验与首件试切 程序清单必须经过校验和试切才能正式使用。校验的方法是将程序内容输入到数控装置中，机床空刀运转，若是平面工件，可以用笔代刀，以坐标纸代替工件，画出加工路线，以检查机床的运动轨迹是否正确。若数控机床有图形显示功能，可以采用模拟刀具切削过程的方法进行检验。但这些过程只能检验出运动是否正确，不能检查被加工零件的精度，因此必须进行零件的首件试切。首次试切时，应该以单程序段的运行方式进行加工，监视加工状况，调整切削参数和状态。,CAD/CAM系统数控编程原理,5.2 数控编程与加工过程仿真,5.2.3 数控加工过程仿真,数控加工仿真,5.2 数控编程与加工过程仿真,数控加工仿真技术通过
16、软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程，检验并优化加工程序，从而减少或部分替代实际生产中的工件试切，具有柔性好、成本低、效率高且安全可靠等特点，是提高编程效率与质量的重要措施，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具。数控加工仿真过程可分为几何仿真和物理(力学)仿真两大类。,5.2.3 数控加工过程仿真,数控加工几何仿真,5.2 数控编程与加工过程仿真,数控加工的几何仿真将刀具与零件视为刚体，不考虑切削参数、切削力等其它物理因素对切削加工的影响，只仿真刀具、工件几何体的相对运动，主要用来验证数控程序的正确性。 根据在仿真过程中的数据驱动是采用CL数据还是采用NC代码，数控加工的几何
17、仿真可分为两种：一种是基于后置处理前的数据(CL数据)所进行的仿真，即基于刀位轨迹的数控加工过程仿真刀位轨迹仿真；另一种是基于后置处理所产生的NC程序而进行的仿真，即基于数控程序的数控加工过程仿真加工过程动态仿真。,5.2.3 数控加工过程仿真,加工过程动态仿真,5.2 数控编程与加工过程仿真,5.2.3 数控加工过程仿真,数控加工物理仿真,5.2 数控编程与加工过程仿真,物理仿真将切削过程中各物理因素的变化映射到虚拟制造系统中，在实际加工过程进行之前分析与预测各切削参数的变化及干扰因素对加工过程的影响，能够揭示加工过程的实质。物理仿真的主要内容包括：切削力仿真、加工误差仿真、切屑生成过程仿真
18、、刀具磨损仿真、数控机床的振动和温度仿真、加工表面完整性(如表面粗糙度、加工硬化、残余应力等)加工误差和加工精度仿真等。,5.2.3 数控加工过程仿真,后置处理,5.2 数控编程与加工过程仿真,后置处理就是读取由数控编程软件系统生成的刀位源文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床及数控程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的数控程序。,5.2.4 数控加工应用实例,数控编程主要步骤,5.2 数控编程与加工过程仿真,被加工零件,5.2 数控编程与加工过程仿真,精加工刀具路径,粗加工刀具路径,应用实例,请袁老师以及各位同学对我讲课的错误和不足进行纠正和补充。,谢谢大
19、家！,教材第166页 5.2.4 数控加工应用实例,5.3.1 快速原型技术 基本原理,快速原型技术,对计算机上建立的零件三维模型进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件。,5.3 快速原型技术与制造,5.3.1 快速原型技术 基本原理,快速原型的工艺过程,5.3 快速原型技术与制造,5.3.2 快速原型技术 工艺方法,快速原型的工艺方法,5.3 快速原型技术与制造,快速原型技术根据成型方法可
20、分为两类：（1）基于激光及其他光源的成型技术，例如：光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、选域激光烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等；（2）基于喷射的成型技术(Jetting Technology)，例如：熔融沉积成型(FDM)、三维印刷(3DP)、多相喷射沉积(MJD)。,快速原型的工艺方法,5.3 快速原型技术与制造,SLA法原理图1-激光束 2-扫描镜 3-Z轴升降 4-树脂槽 5-托盘 6-光固化树脂 7-零件原型,LOM法原理图1-X-Y扫描系统 2-光路系统 3-激光器 4- 热粘压机构 5-纸料 6-原材料存贮及送进机构 7-工作平台 8-边角料 9-零件原形,快速原型的工艺方法,5.3 快速原型技术与制造,SLS法原理图1-抛锚锁 2-透镜 3-激光器 4-压平辊子 5-零件原型 6-激光束,FDM法原理图1-加热装置 2-丝材 3-Z向送丝 4-X-Y驱动 5-零件原型,
