活塞计算机辅助工艺设计.docx

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活塞计算机辅助工艺设计

西南交通大学

本科毕业设计（论文）

活塞辅助工艺设计

年级:

2008级

学号:

20081509

姓名:

曹俊记

专业:

热能与动力工程

指导老师:

彭宇明副教授

2012年06月

院系机械工程学院专业热能与动力工程

年级2008级姓名曹俊记

题目活塞辅助工艺设计

指导教师

评语

指导教师（签章）

评阅人

评语

评阅人（签章）

成绩

答辩委员会主任（签章）

年月日

毕业设计（论文）任务书

班级08热能一班学生姓名曹俊记学号20081509

发题日期：

年月日完成日期：

月日

题目活塞辅助工艺设计

1、本论文的目的、意义本毕业设计是利用计算机辅助工艺设计（CAPP）来实现活塞工艺规程的制定，并结合AutoCAD二次开发，实现工艺过程卡片的参数化绘制。

通过半创成型CAPP系统与传统的机械加工工艺规程制定方法的对比，明白CAPP更适合当今生产发展的需要，本设计对于改革我国工艺现状、促进企业发展、提高企业竞争力具有参考价值

2、学生应完成的任务

（1）热能与动力工程专业综合设计；

（2）实习，查相关资料，掌握CAPP的技术准备和设计流程，掌握VisualBasic语言，翻译英文文献；

（3）对选定的活塞进行工艺分析，制定加工方案；

（4）基于AutoCAD的二次开发，通过VB语言编写程序，模拟并实现一个较优的半创成式CAPP系统。

（5）撰写说明书，准备答辩

3、论文各部分内容及时间分配：

（共12周）

第一部分热能与动力工程专业综合设计（5周）

第二部分毕业设计实习（1周）

第三部分查阅相关资料，握CAPP的技术准备和设计流程，掌握VisualBasic语言（2周）

第四部分对程序进行需求分析和功能模块的设计，构建主程序框架。

编写主程序。

（2周）

第五部分对选定活塞进行工艺分析。

基于AutoCAD的二次开发，编写工艺过程卡片的参数化程序。

实现一个较优的半创成式CAPP系统（4周）

评阅及答辩撰写毕业设计说明书，准备答辩（1周）

备注

指导教师：

年月日

审批人：

年月日

摘要

随着机械制造业的不断发展，产品的工艺规程设计量越来越大，以往的纯手工设计不但设计周期长、效率低下，而且不同的人设计出来的工艺过程不同，很难统一，所以手工设计很难满足目前的商业需求。

随着计算机在机械制造业的运用，将计算机用于产品的工艺规程设计映入人们的视线，CAPP系统应运而生。

CAPP系统不仅能利用工艺人员的经验知识与各种工艺数据进行科学的决策、自动生成工艺规程，而且还能自动计算工序尺寸、绘制工序图、选择切削参数与对工艺设计结果优化等，从而设计出一致性良好的、质量高的工艺规程，大大的提高了工艺设计的效率。

活塞作为发动机燃烧室的重要零件，活塞原本工艺设计就比较复杂与繁琐，随着发动机技术的不断发展，活塞的种类也越来越多，对加工工艺要求也越来越高，传统的工艺设计很难跟上技术的发展，所以研究活塞计算机辅助工艺势在必行。

本文以活塞的计算机辅助工艺设计为例，为大家介绍半创成式CAPP系统在工艺设计中的应用。

以AutoCAD2007为软件基础，通过对CAD的二次开发，在VBA中实现参数化绘图，以及工序卡的输出。

文中设计三种活塞类型：

6110柴油机活塞、4105柴油机活塞和4100柴油机活塞，通过燃烧室类型的变换，输出相应的工序卡片。

通过程序的运行结果，让大家直观的看到CAPP系统相对于传统工艺设计的优势。

并得出结论：

CAPP系统的前景广阔，非常适合现代企业的发展。

本文设计的半创成式CAPP系统相对简单，但也可以实现工艺规程的制定和工艺卡片的参数化绘制。

可能直接用于生产还有一定差距，但可以体现出CAPP系统相对于传统工艺设计的优势所在。

关键词：

活塞CAPP系统计算机辅助工艺设计AutoCAD二次开发

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofmechanicalmanufacturing,theprocessplanningofproductsismoreandmorebig,thepreviousmanualdesignnotonlydesigncycleislong,theefficiencyislow,butalsodifferentpeopledesigndisserentprocessplanning,andunitedveryhard,soitisdifficulttomeetthebusinessneeds.Withthecomputerusedinmechanicalmanufacturing,theapplicationofcomputerusedfortheprocessplanningofproductscameintothelineofsightofpeople,CAPPsystemcameintobeing.

CAPPsystemnotonlycanmakeuseofknowledgeandexperienceoftechnologistandallkindsofprocessdatasmakescientificdecision,automaticgeneratingprocessplanning,andstillcanautomaticallycalculatethesizes,renderingprocessdiagram,choosethecuttingparametersandresultsofprocessdesignoptimization,thusdesignedconsistencygood,qualityhightechnicalprocess,greatlyimprovetheefficiencyoftheprocessdesign.

Thepistonasmajorpartsoftheenginecombustionchamber,theprocessdesignofthepistonoriginallywasverycomplexandtrival,withthedevelopmentofenginetechnology,thetypeofpistonismoreandmore,therequirementsofprocessingtechnologyisalsomoreandmorestrict,thetraditionalprocessdesignishardtokeepupwiththedevelopmentoftechnology,soitisimperativetostudythepistoncomputeraidedprocess。

Inthispaperthecomputeraidedprocessdesign,forexample,tointroducethehalfgenerativetypeCAPPsystemintheprocessdesignofapplication.WithAutoCAD2007forsoftwarefoundation,throughtotheCADseconddevelopment,realizetheVBAparametricdrawing,andtheoutputoftheprocesscard.Thispaperdesignsthreekindsofpiston:

6110dieselenginepiston,4105dieselenginepistonand4100dieselenginepiston,throughthecombustionchambertypeoftransform,outputcorrespondingprocesscard.Throughtheprocessoftheoperationresults,leteverybodyintuitiveseetheadvantageofCAPPsystemcomparedwiththetraditionalprocessdesign.AndcometotheconclusionthattheCAPPsystemofprospects,verysuitableforthedevelopmentofmodernenterprise.

InthispaperthedesignofhalfgenerativetypeCAPPsystemisrelativelysimple,butitcanrealizeprocessplanningformulationandprocesscardparameterizeddrawing.Maybetherestillisagaptodirectlyusedforproduction,butcomparedwiththetraditionalprocessdesignitcanshowCAPPsystem'sadvantage.

Keywords:

PistonCAPPsystemComputerAidedProcessDesignAutoCADSecondaryDevelopment

第1章绪论

1.1CAPP系统的产生与发展

机械制造行业中，产品会不断的换代更新，这样就产生大量的工艺规程设计工作。

传统工艺规程都是经有经验的工艺人员手动设计的，就算有经验的设计人员，他们的工作效率还是不能满足产品不断变化对工艺规程设计不断更新的需。

，因为，手工设计不仅工作效率低，设计出来的工艺也多种多样，而且工艺设计工作过于重复繁琐，质量也参差不齐。

这种状况导致制造业的生产周期偏长，很难适应市场竞争机制。

为了缩短制造行业的生产准备周期，提高工艺文件的质量，并使得广大工艺人员从繁琐及重复的劳动中解放出来，只能寻求新的技术。

随着计算机的日益普及，计算机在工艺设计中被广泛应用，人们开始开发和推广应用计算机辅助工艺设计（CAPP）。

应用CAPP系统，不但可以大大提高工艺规程的生成速度和质量，而且可以CAPP系统操作人员对工艺设计的熟练程度的要求可以降低，这样一来工艺经验较少的工艺人员也能够借助于CAPP系统设计出高质量的工艺规程。

CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断以及推理等的功能来制定一些零件机的械加工工艺过程。

借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。

CAPP的开发和研制是从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于1976年推出的CAM-I’SAutomatedProcessPlanning系统。

取其字首的第一个字母，称为CAPP系统。

目前对CAPP这个缩写法虽然还有不同的解释，但把CAPP称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释义。

CAPP的研究开始于20世纪60年代，第一个CAPP系统挪威在1969年推出的AUTOPRS系统。

达目前为止，CAPP的研究在工业界与学术界的双重推动下，已经有了大量的系统问世。

由于CAPP覆盖范围较广，这里主要介绍机械制造业中有关零件加工工艺

CAPP（计算机辅助工艺过程设计）的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。

它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。

计算机辅助工艺过程设计也常被译为计算机辅助工艺规划。

国际生产工程研究会（CIRP）提出了计算机辅助规划（CAP-computeraidedplanning）、计算机自动工艺过程设计（CAPP-computerautomatedprocessplanning）等名称，CAPP一词强调了工艺过程自动设计。

实际上国外常用的一些，如制造规划（manufacturingplanning）、材料处理（materialprocessing）、工艺工程（processengineering）以及加工路线安排（machinerouting）等在很大程度上都是指工艺过程设计。

计算机辅助工艺规划属于工程分析与设计范畴，是重要的生产准备工作之一。

由于计算机集成制造系统（CIMS-computerintegratedmanufacturingsystem）的出现，计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计（CAD-computeraideddesign）相接，下与计算机辅助制造（CAM-computeraidedmanufacturing）相连，是连接设计与制造之间的桥梁，设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息，设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。

由此可见CAPP在实现生产自动化中的重要地位。

经过了20多年的发展，CAPP系统在生成原理、系统结构、决策方法等方面都已经取得了很大的进展，正向着集成化和柔性化的方向发展。

集成化是指CAPP系统和其他集成化系统之间信息的及时传输与共享。

在工程设计领域，一般指和CAD与CAM系统之间的集成如果推广到整个工厂范围，则还包括和生产管理、质量保证等系统的集成。

CAPP系统和其他系统的集成，从局部自动化发展向全面自动化是自动化技术发展的必然趋势。

柔性化是指CAPP软件经过一定程度上的修改和调整之后，就能用于不同零与不同的生产环境。

这种修改与调整越容易，柔性化程度就越高，当前国内外所开发的CAPP系统都是针对具体的生产环境的，一般不具有通用性。

造成这个原因的主要问题是工艺设计对生产制造环境具有较强烈的依赖性，环境不一样或者类型不同，必然致使工艺设计的结果不同，所以，要开发一个通用的CAPP系统几乎是不可能的。

为此，国内外的不少研究人员正致力于如何提高CAPP系统的柔性化程度，让用户经过简单的二次开发就能实际的应用，柔性化也有利于CAPP早日走上商品化的道路。

工艺设计必须分析处理大量的信息，不但要考虑产品设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料和热处理以及批量等方面的信息，而且要了解加工制造中有关的加工方法、加工设备、生产条件、加工成本和工时定额，甚至传统习惯方面的信息。

工艺设计的内容包括查阅资料与手册，确定零件的加工方法，安排工艺路线，选择设备、工装（必要时还要设计工装）、切削参数、计算工序的尺寸、绘制工序图、填写工艺卡片与表格文件等工作。

纯手工设计工艺规程会存在一下几个方面的问题；

1.由于每一个工艺人员的经验有限，习惯不相同，经验水平也不一样，所以由手工设计的工艺规程一致性差、质量不稳定、很难达到优化目标，不便于工艺规程的标准化。

国外也曾有人做过实验，将一个最简单的零件交给四个拥有不同经验的工艺人员设计工艺规程，得出四种不同的工艺方案。

2.人工设计工艺规程的设计效率低下，，存在大量的重复劳动。

其主要表现在：

（1）当工厂制造一个产品是，每一个零件往往都需要单独制定一个工艺规程，当更换产品是，原来的规程就不再使用了，必须再重新设计一套产品的工艺规程，就算是新产品中某些零件和过去生产的零件相同，也必须重新设计，工艺设计人员不能充分利用过去设计的工艺规程。

（2）手工制作的工艺规程不能利用成组技术的优势。

按照成组技术的原理，各种机械产品的零件在一定程度上都具有相似性，因此它们的工艺规程也具有相似性，所以不是每个零件都必须对应着一个工艺规程。

（3）工艺设计的重复还会导致工装设备的设计与制造的重复。

（4）由于每个工艺规程都要用手工编写，花费在写工艺表格上的时间就占30%左右，此外，若发现书写错误或要更改原有工艺时，往往需要重新书写工艺文件，它的效率低下的就可想而知了。

3.手工设计的工艺规程不利于计算机对工艺文件进行统一的维护与管理。

4.手工设计工艺规程不能讲工艺专家的经验和知识集中起来并加以充分的利用。

5.当今的机械制造领域中，新工艺和新技术的飞速发展，社会的需求趋向多样化，传统的手工艺已经不能满足日益增长的需求。

CAPP系统不仅能利用工艺人员的经验知识与各种工艺数据进行科学的决策、自动进行生成工艺规程，而且还能自动计算工序尺寸、绘制工序图、选择切削参数与对工艺设计结果优化等，从而设计出一致性良好的、质量高的工艺规程，大大的提高了工艺设计的效率。

随着CAD、CAPP、CAM单元技术日益成熟，同时又由于CIMS及IMS的提出和发展，促使CAPP向智能化、集成化和实用化方向发展。

当前，研究开发CAPP系统的热点问题有：

　　1）产品信息模型的生成与获取；

　　2）CAPP体系结构研究及CAPP工具系统的开发；

　　3）并行工程模式下的CAPP系统；

　　4）基于分布型人工智能技术的分布型CAPP专机系统；

　　5）人工神经网络技术与专家系统在CAPP中的综合应用；

　　6）面向企业的实用化CAPP系统；

7）CAPP与自动生产调度系统的集成。

1.2有关活塞工艺设计的一些问题

活塞是组成内燃机燃烧室的重要零件，是发动机的“心脏”，它承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。

活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。

活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。

活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。

活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。

因此活塞对材料性能的要求较高，目前使用较多的有：

铝合金、铸铁和组合活塞。

随着发动机型号的不断发展，活塞的种类和型号也越来越多。

1.按使用的燃料来分，可分为汽油机活塞、柴油机活塞、天燃气活塞。

　　2.按制造活塞的材料来分，可分为铸铁活塞、钢活塞、铝合金活塞及组合活塞。

　　3.按制造活塞毛坯的工艺来分，可分为重力铸造活塞、挤压铸造活塞、锻造活塞。

　　4.按活塞的工作状况来分，可分为非增压活塞和增压活塞两大类。

　　5.　按活塞的用途来分，可分为轿车活塞、卡车活塞、摩托车活塞、船用活塞、坦克活塞、拖拉机活塞、剪草机活塞等。

不同型号及种类的活塞对应不同的工艺规程，如果人工为每种活塞制定工艺规程，不仅工作繁琐、效率低下，而且生产周期会被延长，这样很难适应市场的快速变化。

活塞是各类内燃机的主要易损零件之一,包括主机配套与维修保养,活塞每年的社会需求量极大。

各类活塞结构、尺寸的细部形状特征虽有很大差异,但其基本组成与加工的基本工艺过程类似之处颇多。

随着活塞种类及加工设备的具体条件不同,各个活塞生产厂家采用的活塞加工具体工艺有所不同.但在同一工厂中往往已经形成了比较成熟与相对稳定的活塞加工工艺规程。

因此,活塞种类多、批量大而加工工艺又相对规范化的特点决定了活塞加工是一种比较适宜于采用CAPP技术,也是比较迫切要求采用CAPP技术的一类零件。

本文介绍一个在微机上实现的活塞CAPP系统,可自动生成包括工艺规程、工序卡在内的完整工艺文件,并自动设计出相应的刀、夹、量具,技术经济效益显著。

活塞从工艺的观点来看,基本上是一个回转体。

活塞的主要组成要素,如外圆、环槽、止口等都是某一特定母线绕某回转中心回转生成的。

因此,活塞的加工工艺基本上是在车床、磨床上完成的,具有以粗车—精车—磨削为主干的典型回转体零件加工工艺特点。

另一方面,活塞虽然体积较小,但其细部结构又是很复杂的。

活塞外形、内腔形成的裙部壁以及带有档圈槽、内外倒角、螺孔等结构要素的销孔体系,要求很高的尺寸精度、位置精度、形状精度和表面粗糙度,可以视为一个具有高精度同心孔系的小型壳体类零件。

1.3半创成式活塞计算机辅助工艺

计算机辅助工艺过程设计（CAPP）系统按其工作原理可分为检索式、派生式、创成式等。

（1）检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的，将设计好的零件标准工艺进行编号，存储在计算机中，当制定零件的工艺过程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。

（2）派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性，相似的零件有相似的工艺过程"这一原理，通过检索相似典型零件的工艺过程，加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。

（3）创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同，它是根据输入的零件信息，依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。

而半创成式CAPP是将派生式与创成式结合起来，即采取派生与自动决策相结合的工作方式。

如需对一个新零件进行工艺设计时，先通过计算机检索它所属零件族的标准工艺，然后根据零件的具体情况，对标准工艺进行修改，工序设计则采用自动决策产生，这样较好地体现了派生与创成相结合的优点。

本文主要研究半创成式活塞计算机辅助工艺，采用的编程语言是AUTOCAD中的VBA，因为大家对CAD作图比较熟悉，相比其他语言来讲VBA语言也较容易学习与掌握。

VBA将通过AutoCADActiveXAutomation接口向AutoCAD发送信息。

AutoCADVBA允许VisualBasic环境与AutoCAD同时运行，并通过ActiveXAutomation接口提供AutoCAD的编程控制。

这样就把AutoCAD、ActiveXAutomation和VBA链接在一起，提供了一个功能非常强大的接口。

它不仅能控制AutoCAD对象，也能向其他应用程序发送数据或从中检索数据。

整个活塞辅助工艺设计的基本过程如下表：

图1.1活塞辅助工艺基本过程框图

1）零件族的建立：

本次设计建立了三种型号柴油机活塞的标准工艺——6