適用于各類地層、不同巖性的三牙輪鉆頭系列、規格品種繁多。牙爪零件是非規則體零件，其結構復雜、加工工序多、加工性能差，屬難加工零件，給組織生產、縮短生產周期、快速響應用戶要求帶來一定的困難。為了保證加工質量，減少工藝人員的重復性勞動，有必要采用CAPP系統。本文擬著重介紹由我院開發的牙爪零件CAPP系統的基本原理和工藝生成方法。該系統以實用為原則，建立以派生式和創成式相結合、人機交互方式作為補充的綜合式CAPP系統，系統采用C語言編程，可在PC386或更高速度微機上運行。

　　1　系統的工作原理

　　系統的工作原理如圖1所示。設計零件工藝過程時，系統根據輸入的零件信息和零件分類成組策略將零件特征成組化。如果該零件的成組特征與某已有零件的成組特征相同，則檢索已有的零件工藝文件，并以人機交互的方法進行修改。這樣有利于保證工藝設計結果的一致性，同時由于已有零件的工藝規程已經過生產實際的檢驗，在此基礎上產生的新零件工藝規程實用性容易保證。如果沒有和該零件成組特征相同的零件，則轉入創成式CAPP系統，調用系統中的工藝知識庫，通過一定的邏輯推理和工藝決策，自動完成工藝過程設計。與此同時，將工藝文件典型化并隨該零件的成組特征一起保存在典型工藝庫中，留作后用，經過多次反復使用，系統中零件的成組特征及相應的典型工藝越來越多，系統逐步得到完善。

圖1　系統工作原理框圖

　　2　零件信息描述方法

　　鉆頭牙爪是非規則體零件，外圓、內孔、平面、溝槽較多，空間不相交，非正交尺寸充滿三維空間，這就增加了牙爪零件信息描述的難度。本系統采用基于特征的基準方位描述法，該方法對零件信息的描述可以概括為以下幾個方面。

　　2.1　以描述基準方位來確定基本空間關系

　　牙爪零件可以看作是在若干個基準方位上零件特征的組合，基準方位的數量根據具體的零件結構形狀來確定。為了描述方便和準確，把基準系分為絕對基準系和相對基準系，將絕對基準系置于三維坐標系中，它的位置坐標是相對三維坐標而言的，而相對基準系則相對于它所依賴的基準系而定，以保證各基準間的尺寸鏈關系不受破壞。下面是對基準系的數據結構：

　　Ni為基準代碼;Nj為該基準相對的基準系代碼，三維坐標系時Nj=0;Type為基準類型標識符，Type=0代表基準線，Type=1代表基準面;Lx、Ly、Lz表示基準Ni相對于Nj在X、Y、Z方向上的距離尺寸;α、β、γ表示基準Nj在X、Y、Z方向上的夾角。

　　基準方位僅代表某一方位，它并不一定代表實際存在的加工表面。基準方位的確定將使各加工特征的空間關系變得易于處理，也為工藝設計中裝夾方案設計等帶來了極大的簡化工作。

　　2.2　以描述零件特征為基礎

　　在實際工藝設計中，總是以零件特征作為加工過程所考慮的最基本的加工單元，故可采用零件特征來表示零件的幾何特性。本系統在對牙爪類零件進行分析與整理的基礎上，兼顧特征的結構形式及工藝方法的相似性，提煉出了外圓柱、平面、孔、端面環槽、錐螺紋等特征的各種典型形式。特征的表達方式實質是一個參數表，表中列出了特征所屬基準方位代碼以及工藝設計所需的各種參數，從而能詳盡、準確地為工藝設計提供依據。

　　2.3　以描述特征間的聯系作為補充

　　特征間的聯系主要是為了進一步確定各加工特征間的聯系，為后續的特征排序和合理的工藝設計提供進一步的依據，主要包括：同一基準方位特征間的關聯尺寸、形位公差等。

　　3　工藝過程創成方法

　　基于零件特征分析，工藝過程設計可以劃分為特征工藝鏈的生成、特征排序、工步排序、工藝路線生成等幾個階段，其工藝過程設計流程如圖2所示。

圖2　工藝過程創成流程圖

　　3.1　特征工藝鏈的生成

　　每個特征表面需要經一系列加工才能成形。它對應著一組加工鏈，我們稱之為特征工藝鏈，不同的加工環境下特征對應著不同加工方法。當制造環境一經約束，具體的加工方法就被確定。一個特征工藝鏈是由若干個加工工步按一定順序組成的。例如某個外圓表面的特征工藝鏈由粗車—半精車—磨削組成。特征工藝鏈生成原理是：將各種特征在一定條件下(如特征類型、尺寸大小和精度、表面粗糙度及形位公差等)的加工方法去歸納、整理成一系列規則后，形成特征加工工藝庫，實際運行時，只需要根據各特征的相應參數進入該庫去調用即可。

　　3.2　特征裝夾方案的確定

　　特征裝夾方案的確定應以保證能加工出精基準定位裝夾方案的定位基準為前提，決策粗基準定位方案。粗基準定位方案實際上是工藝路線中的第一個定位方案，精基準定位方案是它的后續定位方案。該系統根據牙爪零件的結構工藝特點，歸納總結出了若干條定位方案選擇規則。

　　3.3　特征排序

　　牙爪類零件是由若干特征所組成，由于各個特征在形狀、尺寸、精度上的差異以及各特征間存在著復雜的空間位置關系，這就制約了特征加工的先后順序。因此有必要對各特征進行排序。為了確定各特征加工優先順序，將零件加工特征分為關聯特征和獨立特征，所謂關聯特征就是指那些在空間位置上有尺寸、精度及形位公差要求的特征族，而獨立特征則指那些沒有空間位置關系(尺寸、精度)上的要求，也不存在形位公差要求的特征族。系統對特征排序時采用了如下控制策略。

　　(1)關聯特征的約束關系　根據特征與其它特征位置關系聯系的多少或聯系尺寸精度的高低依次排序。

　　(2)先基準后其它　用作基準的特征應先加工。

　　(3)先主后次　先安排主要特征加工，再安排次要特征的加工。

　　(4)先面后孔　先加工平面，再安排孔的加工。

　　(5)先外后內　先安排外特征加工，后安排內特征加工。

　　根據特征鏈表中的特征參數再結合所確定的特征定位方案，運用上述控制策略進行推理，即可實現特征排序以確定各特征的優先加工級別，在同一加工階段安排加工工序時，必須按照特征排序的結果來實現各特征加工的先后順序。

　　3.4　工藝路線的生成

　　生成工藝路線的實質是完成工序的生成，工序順序的安排和每個特征工藝段中各工步在各個工序中的重組，其映射過程如圖3所示。該系統工藝路線的生成是按如下步驟來實現的。

圖3　由特征工藝鏈到工藝路線的映射

　　(1)工步的排序　工步的排序就是將零件各個特征工藝鏈的工步內容按照一定的規則進行排序，為了對工步進行排序，可對每個工步設置優先級別，優先級大的優先加工。優先級的確定涉及到加工階段、加工類型和特征優先加工級三方面的因素。例如，粗加工優先級大于精加工優先級;車削加工優先級大于車螺紋優先級。這三個因素對優先級別的影響通過其影響值來表示。加工階段的影響值最大。因此，一個工步的最終優先級別是在綜合評定上述三個影響因素的基礎上確定的，可表示為

　　Priority=f(Cut_Phrase,Cut_Type,Feature_Priority)

　　式中：Priority代表加工優先級，Cut_Phrase代表加工階段，Cut_Type代表加工類型，Feature_Priority代表特征優先級。系統根據各個工步的最終優先級別Priority的大小進行排序即可完成工步的排序。

　　(2)將工步結合成工序　生成工序的過程是：按照工步排序的結果，順序取出其中的工步，生成一個工序，如果相鄰的后續幾個工步能夠在某一臺機床上加工完成，則將這些工步歸屬于同一個工序;反之，生成一個新工序。以此類推，即可完成工序的生成。當然在工步歸序的過程中，還要適當考慮工序的集中與分散的問題。很明顯，工序的生成過程實際上也完成了機床的選擇。

　　上述工藝過程設計方法簡單、方便、可靠，同時也簡化了程序的結構設計。由此得到的工藝路線結果基本符合實際加工情況。