《機械制造工藝》-項目九

任務一成組工藝和CAPP一、成組技術在機械制造業中，中小批量生產歷來占有較大的比重。隨著國內外市場競爭日益激烈和現代科學技術的發展，更加速了產品更新換代的周期，使品種多而批量小這一特點表現得更加突出。傳統的小批生產方式，存在著下列問題:生產的組織管理復雜，生產過程控制較難;零件的生產周期較長;生產準備工作量大;限制了先進生產技術的推廣使用。成組技術就是為了解決這些問題而產生的一門新的生產技術。下一頁返回任務一成組工藝和CAPP1.成組技術的基本原理不同的機械產品雖然功能、外形、結構等方面有著巨大的差異，但是據統計，組成產品的基本零件大約70%左右都是相似件，例如軸、軸套、齒輪等。在相似件中，同種零件之間在形狀(復雜程度)、結構(特征)和尺寸等方面的這種相似，必然導致其工藝方法的相似性。成組技術是一門涉及多種學科的綜合性技術，其理論基礎是相似性準則，成組工藝是其在機械制造領域中的應用。成組工藝把尺寸、形狀、工藝相似的零件組成一個個零件族(組)，按各零件族的工藝要求配備相應的工裝設備，采用適當的布置形式組織成組加工，從而達到擴大批量的目的。使得多品種小批量生產也能獲得近似于大批大量生產的效果。其基本原理如圖9-1所示。成組技術已廣泛應用于設計、制造和管理等各個方面。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP零件在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性。以基本相似性為基礎，在制造、裝配等生產、經營、管理等方面所導出的相似性，稱為二次相似性。因此，二次相似性是基本相似性的發展，具有重要的理論意義和實用價值。成組技術與數控加工技術相組合，大大推動了中小批量生產的自動化進程。成組技術成了進一步發展計算機輔助設計(CDM)、計算機輔助工藝規程編制(CAPP)、計算機輔助制造(CAM)和柔性制造系統(FMS)等方面的重要基礎。在實施成組工藝時，首先要把產品零件按零件分類編碼系統進行分類成組;然后制定零件的成組加工工藝，設計工藝裝備，建造成組加工生產線以及有關輔助裝置。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP2.零件分類編碼系統零件分類編碼是實施成組技術的重要手段。零件的分類碼反映零件固有的名稱、功能、結構、形狀和工藝特征等信息。分類碼對于每種零件而言不是唯一的，即不同的零件可以擁有相同的或接近的分類碼，因此就能據此劃分出結構相似或工藝相似的零件組來。目前，國內外的分類編碼系統很多，常用的有德國的奧匹茲(OPITZ)零件分類編碼系統和我國制定的“機械工業成組技術零件分類編碼系統”(JLBM-1)。圖9-2是分類編碼系統的結構形式。JLBM-1是由我國機械工業部組織制定并批準實施的分類編碼系統，它是我國機械工了實施成組技術的一項指導性技術文件。它由15個碼位組成，其結構形式如圖9-3所示。該系統上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPPⅠ、Ⅱ碼位表示零件的名稱類別，它采用零件的功能和名稱作為標志，以矩陣表的形式表示出來，不僅容量大，而且便于設計部門檢索。但由于零件的名稱不規范，可能會造成混亂，因此在分類前必須先對企業的所有零件名稱進行統一并使其標準化。Ⅲ~Ⅸ碼位是形狀及加工碼，分別表示回轉體零件和非回轉體零件的外部形狀、內部形狀、平面、孔及其加工的種類。Ⅹ~ⅩⅤ碼位是輔助碼，表示零件的材料、毛坯、熱處理、主要尺寸和精度的特征。尺寸碼規定了大型、中型和小型三個尺寸組，分別供儀表機械、一般通用機械和重型機械等三種類型的企業參照使用。精度碼規定了低精度、中等精度、高精度和超高精度四個等級。在中等精度和高精度兩個等級中，再按有精度要求的不同加工表面而細分為幾個類型，以不同的特征碼來表示。圖9-4是兩個零件的編碼示例。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP3.零件分類成組的方法施行成組技術時，首先必須按零件的相似特征將零件分類成組。然后才能以成組的方式進行工藝設計和組織生產。目前將零件分類成組常用的方法有視檢法、生產流程分析法和編碼分類法。編碼分類法是一種比較科學和有效的分類成組方法。其具體做法是首先根據具體情況選用合適的編碼系統，然后對零件進行編碼，根據零件的代碼按照一定的準則將零件分類歸并成組。常用的編碼分類方法有以下幾種:上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP(1)特征碼位法

就是從零件代碼中選擇其中反映零件工藝特性的部分代碼作為分組依據，就可以得到一系列具體相似工藝特性的零件族，這幾個碼位稱為特征位。如表9-1所示，規定1,2,6,7四個碼位相同的零件劃分為一組。可以看出這組零件的特征為軸類零件L/d>3,具有雙向階梯的外圓柱面，直徑d>20~50mm，材料為優質鋼。所以這組零件可以在相同的機床上用相同的裝夾方法進行加工。零件4雖然第Ⅱ位代碼是6而不是4，但是它與上面三個零件相比僅僅多了一個功能槽，故也可歸并在這一類。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP(2)碼域法

碼域法是指適當放寬每一碼位相似特征方面的范圍，凡零件編碼后的各位代碼在這些數字范圍內的零件就可以組成一個零件族。在表9-2所示的零件族特征矩陣表上，橫向數字表示碼位，縱向數字表示各個碼位上的代碼，表中“×”表示的范圍稱為碼域。表9-2(a)是根據大量統計資料和生產經驗而制定的零件相似特征矩陣表。凡零件各碼位上的編碼落在該碼域內，即劃分為同一零件組，如表9-2(b)中所示三個零件即為一組，或稱為一個零件族。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP4.成組工藝過程設計成組工藝設計是為一組零件設計的，因此該工藝過程就具有高質量和高覆蓋性。目前常用的成組工藝設計方法有以下兩種。(1)復合零件法

利用一種所謂的復合零件設計成組工藝的方法。復合零件既可以是一個零件組中實際存在的某個具體零件，也可以是一個實際上并不存在而純屬人為虛擬的假想零件。不論它是實有的代表零件，還是虛擬的假想零件，作為復合零件都必須擁有同組零件的全部待加工的表面要素。同一組內其他零件所具有的待加工表面要素都比復合零件的少，所以按復合零件設計的成組工藝，能加工零件組內所有的零件。只需要從成組工藝中刪除某一零件不需用的工序或工上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP步內容，便形成該零件的加工工藝。復合零件法一般適用于回轉體零件，而對非回轉體零件，來說，因其形狀極不規則，復合零件很難建立，常采用復合工藝路線法。圖9-5是復合零件的產生過程示意。(2)復合工藝路線法

在零件分類成組的基礎上，把同組零件的工藝過程卜收集在一起。然后從中先選出組內最復雜，即最長的工藝路線作為代表，再將此代表路線與組內其零件的工藝路線相比較，將其他零件有的而此代表路線沒有的工序一一添入。這樣便可最終得出能滿足全組零件要求的工藝。圖9-6是復合工藝路線示例。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP5.成組生產的組織形式(1)單機成組生產單元

是把一些工序相同或相似的零件組集中在一臺機床上進行加工。它的特點是從毛坯到成品多數可以在同一類型的設備上完成，也可僅完成其幾道工序的加工。例如:在轉塔車床、自動車床上加工中小零件。(2)多機成組生產單元

指一組或幾組工藝上相似零件的工藝過程由相應的一組機床完成。該組織形式與傳統“機群式”排列相比，縮短工序間的運輸距離，從而減少了在制品庫存量;縮短了生產周期、提高了設備利用率，加工質量穩定，效率較高。所以為各企業廣泛采用。(3)流水成組生產單元

是成組技術的較高級組織形式。它與一般流水線的主要區別在于生產線上流動的不是一種零件，而是多種相似零件。在流水線上各工序的節拍基本一致，每臺機床，因此它的工藝適應性比較大。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP二、計算機輔助工藝規程設計計算機輔助工藝規程設計(CAPP)就是在成組技術的基礎上，通過向計算機輸入被加工零件的幾何信息和加工工藝信息，由計算機自動地輸出零件的工藝路線和工序內容等工藝文件的過程。有些較完善的CAPP系統還能進行動態仿真，加工過程進行模擬顯示，以便檢查工藝規程的正確性。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP計算機輔助工藝規程設計可以使工藝人員避免查閱冗長的資料、數值計算，填寫表格等繁重重復的工作。大幅度地提高工藝人員的工作效率，提高生產工藝水平和產品質量。它還可以考慮多方面的因素進行優化設計，以高效率、低成本、合格的質量和規定的標準化程度來擬訂一個最佳的制造方案，從而把產品的設計信息轉為制造信息。它是計算機輔助制造的重要環節，是連接CAD和CAM的紐帶，因此在現代機械制造業中CAD/CAPP/CAM相結合構成了計算機集成制造系統(CIMS)的重要組成部分。CAPP系統一般由若干程序模塊所組成:輸入輸出模塊、工藝過程設計模塊、工序決策模塊、工步決策模塊、NC指令生成模塊以及控制模塊、動態仿真模塊等。視系統的規模大小和完善程度而存在一定的差異。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP根據CAPP系統的工作原理，可以將它分成如下五種類型。(1)派生型

它是建立在成組技術基礎上CAPP系統。即利用成組技術的原理將零件分類成組，設計成組典型工藝，并將其存入計算機數據庫中。設計一個新的零件工藝規程時只要輸入零件的有關信息，計算機對零件進行編碼(或直接輸入零件代碼)，按此代碼檢索出的相應的零件組成典型工藝，根據零件結構及工藝要求，進行適當的修改編輯，從而派生出所需要的工藝規程。這類系統針對性很強，一般只適用于特定的企業，移植不方便。但系統結構簡單，開發周期短，投資少，易于在生產中取得實效。早期開發系統大多屬這一類型。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP(2)創成形這種系統是采用決策邏輯的方法開發的，在系統中不存儲復合工藝或典型工藝，只存儲了若干邏輯算法程序。創成形系統基本上排除了人的干預，保證了工藝規程的客觀性和科學性，從理論上講是一種比較理想的方法。但是由于生產環境復雜多變，使系統十分大而復雜，開發工作量大、費用高，目前完全創成式的系統還處于研究階段，在生產中實用的尚不多見。上述兩種類型是最基本的CAPP類型。上一頁下一頁返回任務一成組工藝和CAPP(3)綜合型(又稱半創成形)它將變異型和創成式結合起來(如工序設計用變異性，工步設計用創成性)，它具有兩種類型系統的優點，部分克服了它們的缺點，效果較好，所以應用十分廣泛。我國自行設計開發的CAPP系統大多屬這種類型。(4)檢索型

針對標準工藝，將設計好的零件標準工藝進行編碼存儲在計算機中，制定零件工藝時可根據零件的信息進行搜索，查找合適的標準工藝。(5)智能型

它是將人工智能技術應用在CAPP系統中形成的CAPP專家系統。它與創成形系統的不同性在于:創成性CAPP是以邏輯算術進行決策，而智能型則是以推理加知識的專家系統技術來解決工藝設計中經驗性強的、模糊和不確定的若干問題。它更加完善和方便，是CAPP的發展方向，也是當今國內研究的熱點之一。上一頁返回任務二柔性自動化加工一、柔性自動化加工的概念和特點柔性自動化加工是在現代機械制造技術、自動控制技術和計算機技術等的基礎上為適應產品多變、環境多變及高質量的要求而發展起來的現代加工方法。它是以數控機床為基本加工設備，由計算機統一控制加工系統各部分的運動。至今已相繼開發出了適應于不同加工要求，不同規格和功能的柔性加工方法和設備。下一頁返回任務二柔性自動化加工其特點是:(1)柔性

主要表現在加工對象的靈活可變性，即它具有可以很容易地在一定范圍內從對一種工件加工更換為對另一種工件的加工的功能。柔性自動化加工是通過軟件(工件加工程序)來控制機床工作的。(2)自動化

各種柔性自動化設備都可實現機床操縱和加工過程的自動化，而不同的系統則自動化程度也有所不同。例如一些較復雜和功能完善的系統可以實現工件及其他材料的自動搬運、存儲和交換，以及加工過程的自動監控，誤差自動補償、故障自動診斷、自動適應控制和自動化調度等功能。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工二、柔性自動化加工方法簡介(一)單機數控加工1.單機數控加工的種類(1)單機數控機床

在更換加工對象時，數控機床只需變更或重新編制程序，機床調整簡單，明顯減少了準備終結時間和輔助時間，縮短了生產周期。因此非常適宜于批量小，周期短，改型頻繁，形狀復雜以及精度要求高的中小型工件的加工。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(2)加工中心(MachineCenter，簡稱MC)這類機床，例如圖9-7所示的多工序可自動換刀的立式鏡銑床。它有坐標控制系統，可實現點位控制進行鉆、鏡、鉸或連續控制進行銑削，各種刀具裝在一個刀庫中，可由計算機發出指令進行換刀。這樣加工中心機床邊可完成鉆、擴、鉸、鏡、銑和攻螺紋等復雜零件所有各面(除底面外)的加工。它改變了過去小批生產中一人、一機、一刀和一個工件的落后局面，而把許多相關工序集中在一起，形成了以一個工件為中心的多工序自動加工機床，它本身就相當于一條自動線。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工2.單機數控加工的特點數控機床加工有廣泛的適應性和較大的靈活性。①“產品多樣化”和產品更新快是當前機械制造業的明顯特點，而且機械行業中多品種、中小批量生產的工件所占的比重越來越大。由于單機數控機床只需通過變更所編制程序就可以加工新品種的工件，因此單機數控機床最適合于加工批量小而多次生產的零件。同時，單機數控機床可以加工普通機床難以加工的、幾何形狀復雜的零件。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工②單機數控機床與普通機床相比增加了功能，提高了性能，簡化了機械結構。因此，采用數控機床加工零件能提高生產率。由于數控加工機床通常不需要專用的工具，因而可省去工夾具搬運時間，而且采用自動換刀，從而減少了輔助時間。由于數控機床可采用最佳的切削參數和最佳走刀路線，從而減少了基本時間。③消除了人為誤差，提高了加工精度。數控機床加工是由數字化信息或者說用記錄在媒體上的數字信息對機床運動及其加工過程進行控制的，操作者的技術水平和工作熟練程度將不影響工件的質量和加工時間。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工④一批工件的一致性好，可減少檢查工時和廢品。⑤不需要專用工夾具，通用標準夾具定位通常能夠滿足數控加工的要求，因而可省去設計、制造、存放專用工夾具的費用。⑥提高了刀具使用壽命，由于切削過程是在程序控制下進行的，因而避免了誤操作，刀具可在較佳的切削用量下進行工作，有利于刀具壽命的增長。⑦精確的成本計算和生產進度安排。在數控機床上，加工時間是可以預計的，并且每個工件是一致的，因而工時和工時費可估算得很精確，這將有助于精確地編制生產進度表，有利于均衡生產和更準確地預計產品的數量。⑧數控機床是計算機輔助制造(CAM)的基礎。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(二)柔性制造系統(FMS)1.柔性制造系統的定義FMS是由數控加工設備、物料運輸裝置和計算機控制系統等組成的自動化制造系統。它包括多個柔性制造制造單元，能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整，運用于多品種、中小批量生產。2.柔性制造系統的組成柔性制造系統從硬件的形式看有以下三部分組成:兩臺以上的數控機床或加工中心以及其他的外圍包括測量機、清洗機、動平衡機、各種特種加工設備等;一套能自動裝卸的運儲系統包括刀具的運儲和工件原材料的運儲;一套計算機控制系統。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工如圖9-8是一個典型的制造業FMS的平面圖。圖中4為四臺加工中心，是FMS的主機。3是四個刀具交換站，每臺主機對應一個。需要補充的刀具從刀具裝卸站7用自動有軌小車(三輛)運到刀具交換站;已使用過的刀具由小車自動運回刀具裝卸站;在運輸途中還有三個刀具緩沖站11，供小車臨時存取刀具用。2是小車保養站。8是四個零件裝卸站，需要加工的零件在裝卸站裝上托板后，由小車自動運到相應的主機去進行加工，或者送到自動的托板緩沖站13(可容納10個托板)等待加工。零件完成加工后，由小車自動運到零件清洗站1進行清洗，清洗完畢后由小車運到臥式坐標測量機12進行自動質量檢驗，然后送到零件裝卸站卸下成品零件。g是托板和夾具安裝站。6是鐵屑和切削液回收站。10是整個FMS的計算機控制中心，對FMS實行集中管理。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(三)計算機集成制造系統(CIMS)CIMS是在自動化技術、信息技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將制造工了全部生產活動所需的各種分散的自動化系統有機的集成起來，是適合于多品種、中小批量生產的總體高效益、高柔性的智能制造系統，如圖9-9所示。它的主要特點是:①具有CAD/CAM系統，可以實現從設計到加工的連續信息處理。②龐大的計算機網絡進行全方位分級管理，按照規定的程序，控制和指揮整個工廠的生產。③產品的加工情況、質量情況自動反饋，形成生閉環控制，使生產和管理實現最優化。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工三、柔性自動化加工零件的工藝處理在選用數控加工機床或其他柔性自動化加工方法及設備加工工件時，編程人員應對該工件進行工藝分析，并且必須認真地閱讀該機床或該系統的操作說明書、程序編制指南、切削用量、標準工夾具手冊以及有關技術參考資料。(一)數控加工的工藝特點(1)工藝內容十分具體

在數控加工工藝中必須對工步劃分、走刀路線、對刀點、換刀點、切削用量等具體的工藝問題作出確定和正確的選擇。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(2)工藝設計非常嚴密數

控加工工藝的設計必須注意加工過程中的每一個細節，如冷卻狀況、排屑情況等。在對工件圖形進行數學處理和編程時，都要準確無誤。(3)注重加工的適應性

要根據數控加工工藝的特點正確地選擇加工方法和加工對象。由于數控機床的特點，適合采用數控加工的零件主要是:形狀復雜、加工精度要求高，用普通機床無法完成或難以完成的零件;用數學模型描述的復雜曲線或曲面輪廓零件;難于測量、控制尺寸的內型腔零件;必須在一次裝夾中完成多工序加工內容的零件。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(二)柔性自動化加工對零件工藝性的要求為了發揮數控加工優勢，根據數控加工的工藝特點，對被加工工件的工藝性進行審查、分析，并向設計人員提出改進建議。①編程是否方便是衡量一個工件數控加工工藝性好壞的一個指標。由于零件圖樣上的尺寸標注方法對工藝性影響較大，為此，對零件的設計圖樣應指出不同的要求，凡采用數控加工的零件，圖樣上尺寸數據的標注以方便編程為原則。②零件的外形、內腔最好采用統一的幾何形狀或尺寸，對一些主要的數控加工零件推薦規范化設計結構及尺寸，如空刀槽等。這樣可以減少刀具數目，從而減少換刀次數，還有可能應用控制程序或專用程序以縮短程序長度。③改進加工面的形狀，以改善加工條件，提高加工精度。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(三)確定數控加工工藝時應注意的問題(1)確定走刀路線和工步順序

走刀路線應盡量選擇最短路線，以減少空行程;輪廓的最后精加工應在一次走刀中連續完成;刀具的切入和切出要盡量避免劃傷工件表面，還要盡量使工件在加工后變形最小。因此，應根據被加工零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及機床、刀具等的具體情況加以考慮。例如圖9-10所示，在銑削凸輪時刀具的切入方向與工件輪廓表面相切，實現切入切出的平滑過渡，避免在工件上留下刀痕。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(2)定位與夾緊方案

盡量做到基準統一，減少裝夾次數，避免采用占機人工調整方案。夾具結構力求簡單，盡可能采用組合夾具、可調夾具等標準化通用化夾具，避免設計、制造夾具，以節省費用和縮短生產周期;加工部位要敞開，不致因夾緊機構或其他元件而影響刀具進給;夾具在機床上安裝要準確可靠，以保證工件在正確位置上按程序操作。(3)刀具的選擇

與普通機床相比，數控機床對刀具的要求要嚴格得多。一般來講，數控機床使用的刀具必須精度高，剛性好，耐用度高，同時安裝調整方便。在編程時，都要規定刀具的結構尺寸和調整尺寸，刀具安裝到機床上之前，應根據編程時確定的尺寸和參數，在對刀儀上調整好，如圖9-11所示。上一頁下一頁返回任務二柔性自動化加工(4)對刀點與換刀點的確定

對刀點是在數控機床上加工零件時，刀具相對工件運動的起點，又稱為程序起點。對刀點可以設在被加工零件上，也可以設在夾具上，但必須與零件的定位基準有一定的關系。為了提高零件的加工精度，對刀點盡量選在零件的設計基準或工藝基準上，例如，以孔定