1 引言 我国在锤上自由锻计算机辅助工艺过程设计(锻造CAPP)系统开发方面已有十多年的历史,很多科研院所和生产企业都开发出了功能各异的CAPP系统。但到目前为止,这些系统基本上还是停留在半创成型阶段,如工艺过程的选择、工序尺寸的确定等,都有赖于操作者的经验来决定,离创成型还有一定的距离。原因在于锻件的形状千变万化,锻造工艺的确定是一个复杂的过程,要建立一套适用范围广泛、又具有很强的指导性的完善的工艺专家系统,存在一定的困难。但是,就某些特定的类型而言,尽可能地接近创成型CAPP的目标,还是可以做到的。如凸肩法兰类锻件、空心类锻件等。本文以空心类锻件为例,对建立它的锻造工序选择工艺专家系统进行介绍。 2 锻造工序的选择说明 在CAPP系统中,锻件图的生成、余量与偏差的选用、材料规格的确定、材料定额的计算等等,都比较容易实现,而对锻造工人的操作具有指导意义的工序选择、工序尺寸确定等工艺专家系统中最重要的部分,却是难度最大的。有文献[2]介绍过空心类锻件采用预估坯体积的办法来确定,应该肯定,这种方法是有效的,但具有局限性。一方面,预估就必须假定一些条件,这些假定条件与实际情况可能存在一定的误差;另一方面,该文也只给出了4类一般性的工序选择。; A& z% i. E, Y3 p( U
实际上,在这类锻件的工艺设计中,不需预估就可以确定它的工序选择。方法如下:/ n2 w! V5 Z, U, d2 @3 E( k
在计算机屏幕上,显示图1所示图形,图中的直线和曲线分割构成13个小的区域,每一个区域都代表了一种确定不同的锻造工序的方法。不妨给每一个区域进行编号,为01~13号,各区域所代表的锻造工序方案见表1(注:在这种方法中,图1中的a、b、c...、u、v、w、(1)、(2)等符号是不存在的,符号的意义见下文)。 图1 锤上空心类自由锻件锻造工序方案选择 表1 锤上空心类锻件锻造工序方案的选择 区 域 | 锻造工序方案 | 01
+ U: g- \$ e1 s) Q0 Q4 ?% A+ t* t& f" u02
2 m8 p$ x m" N1 x% J03" A% y, z6 a8 L) L: E
04
% n! O& K! v, g05
. i7 ]# ]; C% @# m06+ v' G" h% U9 d
076 o! u0 d. u( t5 [
08# `+ T, V* X& q5 y
09
& X3 e3 M. [/ z) j" B3 ]4 E! J10* m! t b1 \/ V4 Q1 L
11
0 t7 B, \/ }, h" n12/ I" ^1 p9 B& e
13 | 冲孔
. ^. Y# x% f, a7 h; J5 y单面冲孔* u$ U2 f, l" p! k. Y- y
冲孔—冲头扩孔
3 @) i5 E8 _/ k8 c冲孔—芯棒扩孔—再镦粗或数件合锻7 e M% }4 E, I
冲孔—芯棒扩孔
8 O! B) o- I* u9 Z9 ?冲孔—冲头扩孔—芯棒扩孔9 l# \# P8 v2 w$ I, y
冲孔—冲头扩孔—冲头拔长—芯棒扩孔
' l$ @7 I6 x) c! v `6 E1 M冲孔—冲头拔长或深冲孔—冲头扩孔—冲头拔长2 t# x& ]3 M9 Q8 w2 ^* n, x7 n: l
冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长
( i1 C- F, C e" l冲孔—芯棒拔长
" l% d) ]/ b9 }0 \8 X冲孔—冲头扩孔—芯棒拔长—缩孔
: G( p5 I# O7 V2 Y! j9 F' }' t冲孔—芯棒拔长—缩孔; s6 {0 B3 b+ @+ ~. g- e( o
不锻出孔的区域 |
% T6 @/ h3 A- d# ]& b5 l' }0 ] 当锻件尺寸得出时,D/d和H/d的数值就确定了,此时可以在图1中显示出它的坐标位置,锻造工艺人员由此可以选定锻件的锻造工序,这种方法的好处是直观明了,只需少量的人机交互操作即可完成锻造工序的选择。
& F$ i$ {$ Q, L. | 为了使CAPP向创成化方向发展,还可以建立一种更快捷的通过计算判别的方法,实现这种方法的前提条件是必须将图1解析化,以便于编出程序,使计算机自动完成计算判别并输出结果。 3 锻造工序的计算判别解析化
( o2 y0 A1 L5 [ ?/ L 锻造工序选择是锻造工艺过程设计中的一个很重要的方面,为了在计算机上自动完成计算判别,对图1的解析化工作就是要拟合出图中的每条直线和曲线的数学方程,而后作出流程图。
9 L8 _4 n3 T$ q S8 A+ _1 D 在图1中,每一条直线的教学方程都可以比较容易地拟合得出,而几条曲线的数学方程,则应以保证曲线的计算精度为原则,通过一定的数学方法进行推导,然后加以验证、比较,再决定采用何种方式来拟合。
' J6 Q7 e* o& J- w) m7 y3.1 直线的拟合方程! i: @; z/ r1 u6 R+ G1 W# R" `
令D/d=x,H/d=y
, T, R4 U+ x; B1 t4 M) d( S 对于每一条直线,都可以选定直线上的两点,取它们的坐标值(x1,y1)、(x2,y2),则直线的拟合方程为:7 C/ @; l8 l5 {# M" b
y=y1+[(y2-y1)/(x2-x1)](x-x1) 直线经拟合后,上式就是一次函数直线的一般方程:
( u* n) B. s8 L/ sy=ax+b 具体的拟合结果在表2中列出。( ` m8 ]' ^+ j, J' Z$ H: }
表2 空心类锻件工序设计判别曲线拟合方程表 |
2 _2 D$ x R* ~$ D3 e$ c' ^. }+ @/ S线名 | 实际" X9 g% X) B( r5 R( D0 j
线型 | 拟合
+ L3 Z: W$ q8 L' w7 ?8 n6 V/ U6 D线型 | 定义域 | 拟合方程 | a0 B/ P( x- R% g- z, [
b
8 ]) V: _* K6 N1 m9 Y9 d% tc
4 m: T) n1 m4 ]1 p/ {d- u7 `% j) n( x
e' v% n! G$ y/ [. X; v9 l7 U
f7 d2 z) X7 g# H- b4 Z j' i F$ g
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i3 k' m0 S h4 Q" O5 z: C
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% l: l+ Y% B) S6 O% ek7 @9 h& J: p1 W& K* ^: y( c
l& m% ?% B7 H' p1 b
m* L$ e, l7 s o$ v1 {0 d" h. J
n6 P0 f e8 c1 U& f
o
% \! u) e# X) {5 ?% H, Ip
) }& u; k" Y9 Hq
& E: b) }3 q& m4 [! J, Jr5 U( R3 A/ f' o# P c3 ]
s0 I- a+ Y, u4 J& r [8 J! @3 a
t
$ Y6 g1 [5 j+ i wu5 N4 ?/ ~4 s# u Y# {
v& R. |% W6 u. i) E! c
w | 直线
% |; M2 u$ A: E5 i$ k; g曲线
! o; f$ S/ I" D5 a曲线
( e& @3 H+ a8 L7 n直线& O0 ]$ o5 u1 m6 A8 M
直线
+ b8 L3 s6 q* F. k4 V. }直线7 B7 T/ e+ g$ K; e0 m0 a8 \; @
直线
6 i0 b% _% X' U" @直线. i" M% m0 O$ r$ d
直线
1 [; m3 P7 ?6 y0 k6 r直线2 U! a9 h% s: [+ ?2 l, |. P
直线( w+ d* P) F& b2 I; U+ q
曲线4 {. a C- R+ F; j6 u4 a; P9 U
直线
6 L2 ?8 _$ F4 k1 b P' I% Q曲线2 a" K1 [; z& Y" N' V0 @, ^
曲线
6 x- \& C+ f" v5 ?& d曲线) l# E! i$ z. g
曲线
& k6 k H- q+ Y0 V N曲线
m4 a9 T' V& Y9 i6 O1 v曲线; G# ^( n6 V; H- O& F' y
曲线 h/ a! }: V9 d! k& }
曲线
% h9 Z4 b6 Q% {' ^+ B. \曲线# G' q% N0 u1 l2 V
曲线 | 直线
& |6 e. j% J" {/ j+ s1 Y) U直线
g1 k: ?+ O1 E3 k0 g$ k直线
! j. T# S1 T) W2 N( S直线0 Y" d: l5 }' R; |4 R( \: R+ @- }
直线: ?3 `7 y. h4 T& |. `9 w$ m
直线
1 j/ K7 `% {: F0 Z0 P直线
- c( t! P) x$ c1 r: _( L- d直线
' n H4 H! R. T! _* W2 l9 ^+ ~直线
* l( X4 Z5 R4 x* `直线. c3 a& O8 m: U8 `0 i( V
直线
4 N8 _( s- o( D7 j2 @+ n! s直线
% [+ p9 ]# p) O$ R5 N3 U$ m0 X直线; }1 B* d) ~7 a0 A6 N8 w: B
直线
, A: K& ]8 M" f' z9 c: o& O直线" n- e% q* H$ d' e! f7 v' j) n
直线
$ y6 ]7 H& L6 G7 A直线
- b \1 w! O* F/ M. v) \) N% a直线% l" i* |5 a" Q+ F" U1 m% D
直线. T8 L( ^+ o. C! f- e
直线: h! G+ w$ v8 A, L
直线; z1 W" j$ i( p0 k
直线
) T! U" A3 H5 |6 t直线 | x∈[1,8]; f! }7 U5 Y% v* f
y∈[0,0.3125]
5 d& l) l6 G5 S' v8 F1 _' Q) ix∈[1,1.7]
0 f9 j, g& f+ a; _# b8 tx∈[1,1.7]
0 o; o: O2 z- P) |7 ex∈[1,1.7], P* h H9 w" r. D" C# H' c
y∈[0.2125,1.7]6 B( Z- ~8 E4 w c; ?- s
x∈[2.5,3]
P3 i, \# J! U8 H" F) Ix∈[4,8]# g. L) E1 K$ b" X/ z* J5 K; @. o
x∈[3.2,4]
0 u" W+ o5 G* e, [6 {x∈[1,8]9 L( e/ ?! B3 b& r5 k4 o
x∈[1,5.333]% E2 z/ W+ Q2 G: |
x∈[1.54,1.7]' j7 h1 T& l+ K9 ]# Q
x∈[1,2.75], p3 c% p+ r8 F% y5 M( _
x∈[2.5,2.84]' |0 ~& X4 s$ b7 u+ ]) W
x∈[2.84,3.15]2 g; Y/ ^2 m) R D: N: P% P0 ]
x∈[3.15,3.34]4 g) y/ y, L$ o W# j) X
x∈[3.34,3.6]5 c$ ]4 l3 m( ?' K: |3 C
x∈[3.6,3.8]8 C. W! }5 o1 u: B6 a Y
x∈[3.8,4]2 \0 p) h, \6 [! e" ]2 b
y∈[7,8]; ?1 R5 E5 w S5 m- B6 p
x∈[2,2.14]
1 R( e3 y9 E, v1 \4 I! @2 Dx∈[2.14,2.32]
. }& G O8 T; V6 n( Mx∈[2.32,2.59] | y=0.125x, h0 H& V5 `2 B/ Z/ f. M
x=2.5
7 s/ y' Q6 g; C, S3 @y=0.3036x-0.3036
$ p( V& W* [* [* }( Qy=0.743x-0.643" }7 H6 |: J: f4 w) n9 ^# b( @
y=1.4571x-1.0571. r+ ?* m3 ~8 A2 j/ R, k) p/ g
x=1.7
) v; g& P9 [2 Z& G0 P7 Ty=5.375x-13.125
# M5 @5 W5 X; \) by=-0.35x+4.6+ P: J' j4 C/ h4 k6 L
y=3.2
; q/ \: X/ `9 {& V( _y=x
+ g7 T0 a4 d: h% x' dy=1.5x! \2 T f0 S2 M# s& P
y=-3.8125x+8.18125
( i3 ^- H0 B% v* ly=6.57 o+ r- \4 m4 C0 w1 \- O- d' E3 T
y=-5.882x+22.705
! l5 ^* y; i6 y# iy=-4.113x+17.681' K8 K: _6 ?8 w+ l, |
y=-2.763x+13.429" g& U/ l6 N1 _8 H9 i2 |
y=-2.3077x+11.9077# j/ R7 D1 I9 X1 l' y0 b
y=-1.25x+8.1, s$ m- B6 {. V' g) o
y=-0.75x+6.2
$ U B( W" y+ K. }5 h- }! d; u" ux=2
5 k- P2 K; b& z/ G8 {" sy=-8.333x+23.667
W5 [( m8 G, V! _; By=-5.556x+17.689
* g+ T- D9 C+ @+ a% oy=-3.407x+12.705 |
) A% v+ @) J7 n$ W' y/ o* S1 Z
3.2 曲线的拟合方程
3 K( u# I# {9 i8 I* V$ A, _ 先讨论五条曲线中的两条长曲线。* M; ^6 a" {1 v. n) @4 ^# y
曲线(1)、(2)与二次函数中的抛物线类似,可以用二次函数进行拟合。数学方程可按如下方法推导得出:: e/ f( G7 A3 a+ c9 Q% Q
令D/d=x,H/d=y
2 k- r' E1 U/ L6 V' W$ u, q& g+ V 选定曲线上的三点,取它们的坐标值(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2),则曲线的二次函数表达式为: |
1 F4 ^0 C$ E$ D2 }. o4 }7 f% h$ B) l8 K- L( G; O
曲线经拟合后,上式就是二次函数抛物线的一般方程:- f9 _" n' z4 O
y=ax2+bx+c 按照这种方法拟合的二次函数表达式随三点取值的不同而略有不同,即a、b、c的数值不同,但y的计算结果相差不大。
$ ^$ K. C+ ^8 {/ Y 在拟合结果中,两条曲线有如下的表达式;
$ X1 H4 L3 v& b$ N 曲线(1):y=2.167x2-18.102x+39.8188 y: @% U' u1 g. @, I$ a
曲线(2):y=5.017x2-29.925x+46.804
$ M5 r; R9 g+ I/ H9 H 对照图1上的坐标点,验证其精确度,以曲线(1)为例,x的取值范围为2.5~4,
% T- Q6 v! p* v/ E9 E/ I: _ 当x=2.5~2.6时,y的误差为0~+0.2;
" {; k/ V' Q+ ~ 当x=2.6~2.84时,y的误差为0~-0.1;2 _* @: p/ u" b' y1 n9 \
当x=2.84~4时,y的误差为-0.1~-1.1。
; N J" h" r) u& F% l5 G8 l 由此看出,只有当x的值在2.6附近时,y的计算值才能满足精确度要求。其他取值范围都不太理想,尤其当x=2.84~4时,y的计算值误差过大,拟合的二次函数表达式根本不能使用。验证曲线(2)的精确度,结果与曲线(1)基本类似。 n8 |) c9 P+ u6 n/ p
这样就应该找到一种能确保精确度的方法,重新进行拟合。不妨设想,如果把两条曲线都分成若干段,使每一段都与直线逼近,把它们拟合成直线方程,再检验其精确度。只要分成的段数足够多,就可以使每一段基本上与直线重合,这样精确度就能得到满足。% x$ [ j+ Y: Q8 w; y
按照这种思路,将曲线(1)分成n、o、p、q、r、s共6段,将曲线(2)分成t、u、v、w共4段,再分别建立直线方程,见表2。检验其精确度,误差均小于0.1,可见这些直线方程已经能够满足使用要求。需要说明的是,将曲线分成多少段,分法并不是唯一的,只要能够确保精确度就行。2 _, T% F/ n4 q+ g- l4 w
五条曲线中,曲线b、c、l的长度较短,按照上述方法,允许用一次函数直线代替。拟合结果在表2中列出。( t( w! e+ C0 I9 ]: @7 ^: C
4 锻造工序的计算判别方法及流程图设计
% c: b$ Y: f; v 在拟合出所有直线和曲线的数学方程后,即可建立起锻造工序选择的计算判别方法,并且根据这个方法绘制出流程图,供程序设计用。图2中列出了01~08区和部分13区的判别流程图。限于篇幅,09~12区和部分13区的判别流程图未详细介绍,但根据图1和表2就不难绘出这些区域的判别流程图(图2)。. {1 o' J# u. A3 ]
图2 锤上空心类锻件锻造工序选择计算判别流程图 绘出了锻造工序计算判别的流程图,就可以用计算机高级语言(如C语言)编出程序,自动完成锻造工序的判别并输出结果。& `! ~4 U4 t% _6 x
另外,锻造工序确定以后,各个工序的工序尺寸确定也至关重要。只有确定了工序尺寸,锻造工人才能按图进行操作。只要将与之相关的工艺知识综合运用起来,就可以建立这方面的工艺专家系统。关于如何建立该系统,此文不再介绍。 |