锻件实用CAPP系统的研究与开发

杜官将，李东波，伏开放

（1.南京工程学院 机械工程学院，南京 211167；2.南京理工大学 机械学院，南京 210094）

0 引言

工艺设计是机械制造过程中技术准备的一项重要内容，是产品设计与制造的桥梁，也是连接产品设计与生产管理的重要纽带，具有很强的实践性特征。随着国内和国际市场对产品需求的多样性，生产规模日益向中小批量发展，这就要求新产品开发周期要尽量缩短和工艺设计效率要高，以适应市场需求。在这样一种背景下，随着计算机辅助技术的发展，建立企业的CAPP（Computer Aided Process Planning）系统已经成为当前机械行业（尤其是中小企业）的迫切需要。它不仅可以提高工艺规程设计效率和设计质量，缩短技术准备周期，把工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来，而且可以保证工艺设计的一致性和规范化，有利于推进工艺的标准化。同时为企业信息化（如PDM、ERP等）创造了条件。

目前，CAPP系统类型，主要有派生式系统、创成式系统和综合式系统。派生式CAPP系统可分为基于成组技术的CAPP系统和基于特征的CAPP系统；创成式CAPP系统分为基于传统过程性结构与决策形式的系统、基于知识的CAPP系统、CAPP工具系统和基于神经元网络的CAPP系统；综合式系统是派生式和创成式相结合的CAPP系统，也是基于实例和知识的CAPP综合式系统[1]。

自上世纪80年代以来，CAPP得到了长足的发展，国内许多企业与高等院校、研究所合作研制了众多的CAPP系统。由于各企业的产品特点、企业资源情况、技术条件、工艺习惯等方面的差异以及工艺设计的复杂性，使创成型CAPP系统的构建非常复杂，实用性也比较差。根据某锻造企业的具体需求，本系统以实用性为开发目的，采用派生式CAPP系统，结合人机交互方式，研究绘制工序图的方法，从而完成锻件的工艺设计。

1 系统原理及架构

1.1 系统原理

按照成组技术原理，将结构相似的零件分类归族，每一族制订一典型工艺模板。典型工艺模板是根据企业现有设备及工艺经验的基础上制定的，它包含了本族零件加工的所有典型工序，并存入工艺数据库中。当需要设计某一零件的工艺时，识别并调出相应零件族的典型工艺。根据零件的设计要求，将零件的特征与典型工艺模板进行对比，添加或删除特定的工序，即可得到适合该零件的工艺规程。在工序设计时，完成工序图的绘制。

1.2 系统的架构

本系统适合于10～50名工艺人员操作访问。采用SQL Server 2000作为底层的数据库平台，通过ODBC进行连接访问，实现数据共享；在Windows环境下，采用面向对象的高级语言Visual Basic 6.0进行开发，系统界面友好，具有很好的可扩展性。

系统的流程图如图1所示。

图1 CAPP系统的流程图

2 系统关键技术

2.1 工艺数据库

对于工艺数据的保存，早期CAPP系统常采用数据文件，现在大多采用数据库来进行存储。

工艺数据库是CAPP系统的基础平台，CAPP系统运行时需要调用大量相关联的工艺数据。目前，典型的数据库有Access、SQL Server、Oracle等。考虑到企业联机事务处理的需要，系统采用SQL SERVER 2000来存储工艺数据。

在SQL Server 2000上，建立四类数据库：用户信息数据库；典型工艺数据库；工艺资源数据库及锻件形状参数数据库。

1）用户信息数据库：用户登录、角色划分及每个角色的权限，以保护系统及系统数据的安全。

2）典型工艺数据库：将某锻造企业的产品分为十三大类，根据每一类产品的结构特征及加工工艺特点，制定其典型工艺模板，并存入数据库，以备调用。

3）工艺资源数据库：工艺设计过程中涉及到大量的数据，有静态数据和动态数据。此处主要是静态数据，包含机床、刀具、夹具、零件名称、零件材料及零件工作令号等，以便于工艺设计时查询，提高工艺设计效率。

4）锻件形状参数数据库：对于企业的每一类产品，通过研究零件的图形单元，提取出结构化参数，完成形状参数数据库。

2.2 工序图

工序图是工艺设计的图形表达方式，在工序图上不仅要求显示零件在本工序加工完成之后的基本形状，而且还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，并指明本工序加工时的定位基准面、夹紧力的位置等内容。

工序图的绘制是企业实施CAPP系统的一个难题。传统手工绘制工序图效率低、工作繁琐和标准化程度差。为提高工艺设计的效率和质量，实现工艺设计的标准化和现代化，近年来，研究人员进行了大量的研究和实践[2]。目前常用的CAPP系统普遍采用OLE方式调用CAD图形文件。要完成一个工艺简图的绘制，需要在CAD和CAPP系统中来回切换，使用相当不便，且容易出错。有些学者[3]研究了在建立各工序加工余量数据库的基础上，根据尺寸反推原理，由零件尺寸逐步得到各工序的工序尺寸，直至毛坯。

本系统根据锻件的结构特点，采用两种方式实现工序图的绘制。

1）参数化绘图

根据参数化绘图的原理，将零件的图形要素分离成图素单元。针对某种图素单元，编写一个绘图子程序，这些子程序在一起就形成了CAPP工序图自动生成模块。考虑到某锻造公司现有的产品结构相对比较简单，可采用参数化绘图。绘图时，通过零件的工作令号，调用零件形状参数数据库，获取锻件有关形状参数及相对位置，通过图形生成模块，即可完成工序图的绘制。也可以在CAPP运行界面上直接输入零件形状参数，进行绘图。图2为套管四通零件形状参数图，表1为套管四通形状参数数据库，图3为套管四通形状参数输入界面。

2）开发专用的绘图工具（draw.Ocx）

图2 套管四通形状参数

表1 套管四通形状特征参数数据库

图3 套管四通形状参数输入界面

在CAPP系统中，通过VB中调用Windows API函数和VB自身提供的绘图方法，开发出具有一定绘图功能的工具[4]。利用它，可以实现工序图的绘制、图形的缩放、复制、粘贴及工序尺寸的标注等功能，使CAPP系统不依赖任何CAD平台就可完成工序图的绘制，可以大大缩减开发进度和提高程序性能。

在VisualBasic6.0环境下，可通过图形控件（如Line、Circle、Shape等）绘图；也可利用API绘图。API的全称是Application Programming Interface，可称为“应用程序编程接口”。API是Windows操作系统自带的一套功能强大的函数集，它直接面对操作系统的底层，可以完成一些VB不能实现的功能，且执行效率高。在VisualBasic6.0程序中调用API函数时，必须进行API函数声明。

Ocx控件即嵌入用户控件，是一种可以在Windows系统中创建使用的特殊用途的程序。在CAPP程序中使用自制的Ocx控件，实现工序图的绘制、尺寸标注等功能。利用绘图控件Ocx，可以简化程序的代码，起到程序优化的作用。Ocx控件可以通过ActiveX控件中UserControl对象创建。

在工艺设计过程中，对于新产品或数据库中无参数数据库的锻件工序图，可以使用开发的绘图环境，直接绘制工序图，标注相关的技术要求等。

3 实例

某锻造股份有限公司现有13类产品，主要有阀体、套管头、套管四通等。现以套管四通零件为例介绍CAPP系统的功能。

工艺卡片的内容可分为表头、表尾和中间三部分。表头部分涉及零件的基本信息，如零件工作令号、材料牌号、毛坯类型、零件名称、毛坯外形尺寸等内容；表尾部分涉及工艺设计人员、会签人员、日期等；中间部分为零件加工工艺或工序图。

图4为CAPP系统生成的套管四通零件的工艺卡片；图5为CAPP系统生成的套管四通零件的工序卡片。

工艺文件生成后可以保存，也可以输出打印。

图4 套管四通工艺卡片

图5 套管四通工序卡片

4 结束语

本文介绍了某锻造公司产品的CAPP系统的设计，并以套管四通零件为例说明了工艺文件生成的过程。系统以数据库为基础，使用VB语言成功开发了锻件CAPP系统，系统界面友好，操作方便，生成的工艺卡片符合规范。该系统已在南京某锻造公司投入使用，较好地满足该厂产品的工艺设计要求，大大提高了工艺设计的效率，规范了工艺文件，减轻了工艺设计人员的劳动强度，提高了企业的竞争力。

[1]刘保华, 乔爱科.CAPP系统类型及关键技术研究[J].机械设计与制造,2009(8): 62-64.

[2]高征兵.变异式CAPP系统中工序图的研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2007(12): 79-81.

[3]张学友, 王中王, 薛建彬.轴类零件实用CAPP系统研究与开发[J].组合机床与自动化加工技术,2010(8): 89-91.

[4]王秋萍, 陆达, 王显利.基于VB的绘图工具的绘图技术[J].北华大学学报(自然科学版), 2001(6): 549-552.