基于模板的數(shù)控工藝決策技術(shù)研究*

□李濤 □許建新 □董思洋

西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室 西安 710072

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的類型相似度高，雖然只有框、梁、肋、壁板等有限的幾種類型，但它們都有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀，這種情況造成了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計比較繁瑣，因此工藝員在進(jìn)行工藝設(shè)計時很容易在工藝參數(shù)、刀具圖號、機(jī)床型號、工裝夾具、切削參數(shù)選擇以及數(shù)控編程等方面出現(xiàn)各種細(xì)節(jié)紕漏，導(dǎo)致數(shù)控加工時零件加工質(zhì)量不易控制，甚至發(fā)生重大生產(chǎn)事故，浪費(fèi)寶貴的生產(chǎn)時間和零件材料。因此，在對相似零件總結(jié)的基礎(chǔ)上，規(guī)范實(shí)現(xiàn)相似零件工藝設(shè)計流程是非常有必要的［1］。

國內(nèi)經(jīng)過多年對工藝自動決策系統(tǒng)的研究，建立了一些理論，同時也提出了幾種工藝決策系統(tǒng)模型：①基于分級制的決策系統(tǒng)［2］；②基于模糊決策理論的工藝決策［3］；③基于遺傳算法的工藝決策［4］?；诜旨壷频臎Q策系統(tǒng)模型，是將復(fù)雜的工藝問題分成若干個子問題，如果子問題仍然復(fù)雜，再將子問題分成更小，一直到分成的單個子問題可簡單獨(dú)立解決，然后從各個子問題出發(fā)，解決復(fù)雜的工藝設(shè)計問題。該方法雖然將復(fù)雜問題簡單化，但忽視了各個子問題的聯(lián)系，沒有很好處理它們之間的關(guān)系。基于模糊決策理論和基于遺傳算法的工藝決策是將系統(tǒng)建立在復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型之上，通過創(chuàng)成式算法生成零件的加工工藝信息，但由于工藝規(guī)劃的多樣性、主觀性等不確定因素的存在，大大降低了這種決策系統(tǒng)的實(shí)用性［5］。

在充分總結(jié)前人的寶貴經(jīng)驗、存優(yōu)補(bǔ)拙的基礎(chǔ)上，建立了以零件族為對象的典型工藝模板的信息模型，將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的基本工藝信息以靜態(tài)結(jié)構(gòu)化信息的形式表示；然后總結(jié)了工藝知識的獲取和處理，將與零件特征相關(guān)的動態(tài)工藝信息加以規(guī)則約束；最后以此為工藝自動決策依據(jù)，建立了基于典型工藝模板的工藝自動決策系統(tǒng)模型。

1 數(shù)控工藝決策業(yè)務(wù)過程

通過分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計過程，建立基于典型工藝模板的數(shù)控工藝決策系統(tǒng)模型。如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了基于工藝模板的快速設(shè)計，包括工藝路線、工序設(shè)計、工步設(shè)計及制造資源、切削參數(shù)的選用等，形成完整詳細(xì)的工藝指令，并實(shí)現(xiàn)與CAM系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)的信息集成和產(chǎn)品工程更改的自動識別與反饋。

基于典型工藝模板的工藝決策系統(tǒng)（記為TPS）由諸多模塊組成，包括：獲取零件特征信息GPFI、典型工藝模板管理TPTM、工藝決策PD和工藝信息輸出PIO，可表示為：TPS=｛GPFI，TPTM，PD，PIO｝。

▲圖1 工藝自動決策流程圖

（1）獲取零件信息GPFI模塊。從三維模型軟件中提取零件的主要信息，包括零件基本信息（零件圖號、關(guān)重屬性、材料屬性等）、特征信息（槽特征、孔特征、筋特征、面特征、工藝凸臺、輪廓特征等）和特種技術(shù)要求信息（熱表處理、特種加工、噴丸強(qiáng)化），然后形成零件特征信息文件（XML），傳遞給工藝決策PD。

（2）典型工藝模板管理TPTM模塊。建立以零件特征、工藝加工為基礎(chǔ)的工藝信息模型，并對其進(jìn)行瀏覽、編輯；依據(jù)工藝信息模型建立典型工藝，然后對典型工藝中加工零件的可變信息加以規(guī)則約束，包括典型工藝約束、典型工序約束和典型工步約束，并實(shí)現(xiàn)對典型工藝模板的瀏覽、編輯功能，為工藝決策PD模塊提供決策依據(jù)。

（3）工藝決策PD模塊。根據(jù)獲取零件信息GPFI模塊提供的零件特征信息篩選典型工藝模板；然后以零件特征為主線，以典型工藝模板為依托進(jìn)行工藝決策；最后對自動決策出的工藝信息進(jìn)行導(dǎo)航式修訂，生成工藝信息（FO和程編說明書）。其中FO（Fabrication Order）是生產(chǎn)單位用于規(guī)定零組件完整的制造流程、指導(dǎo)工人操作和填寫質(zhì)量記錄的零組件專用工藝指令文件。

（4）工藝信息輸出PIO模塊。對工藝決策PD輸出的工藝信息進(jìn)行分類整理并將其轉(zhuǎn)換，生成工藝信息文件（XML），傳遞給CAM生成刀軌路線和轉(zhuǎn)化為NC程序，并實(shí)現(xiàn)從CAM獲取反饋的工藝信息，進(jìn)行重新的編輯完善。

2 典型工藝模板設(shè)計

2.1 典型工藝模板中的工藝信息模型

典型工藝是一種特殊工藝對象，采用工藝信息模型描述：飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的典型工藝包含典型的工藝基本信息、典型工序信息等，表示形式為：

式中：Processt為典型工藝模板，Basic_Infot為典型工藝的基本信息；∑Operti為工序集合。

式中：Opert為典型工序；toolt為該工序刀具；fixturet為夾具；∑Steptj為工步集合。

根據(jù)面向?qū)ο蠓椒?，對工藝信息建模就是采用面向?qū)ο蠓椒ǚ治雒枋龉に嚊Q策過程中的實(shí)體結(jié)構(gòu)、對象之間的關(guān)系及對象的操作，形成能夠正確反映工藝設(shè)計過程的對象模型，例如產(chǎn)品零件、工藝、工序、設(shè)備、工步、加工元等對象。

工藝對象之間的關(guān)系一般可分為一對一（1∶1）、一對多（1∶n）和多對多（m∶n）關(guān)系。為了便于計算機(jī)實(shí)現(xiàn)和建模，引入中間對象類，把m:n關(guān)系引入中間對象簡化為1∶1或1∶n的關(guān)系。

一個工藝對象具有若干個結(jié)構(gòu)特性，即工藝對象屬性。例如，對于車床，可以用型號、名稱、最大加工直徑和最大加工長度等屬性來描述其結(jié)構(gòu)特性，一般來說，屬性的值型為整型（int）、浮點(diǎn)型（float）、字符串型（string）等。為了描述對象關(guān)系，建模過程中引入了對象型（object）和對象表型（objlist）等數(shù)值類型。對象型（object）描述對象類之間的1∶1關(guān)系，如工序與機(jī)床的關(guān)系。對象表型（objlist）描述對象類之間的1∶n關(guān)系，如工序與工步的關(guān)系。

2.2 融合規(guī)則的典型工藝表示

典型工藝模板的建模方式是：以典型工藝對象及其子對象表示族零件加工工藝的不變信息，以規(guī)則方式表示工藝決策知識，并與典型工藝對象相結(jié)合對具體零件中加工工藝可變信息進(jìn)行約束。其中可變信息是由零件具體特征決定的，包括與零件特征相關(guān)的加工方法、設(shè)備規(guī)格、工步、刀具規(guī)格、加工模式和切削參數(shù)等工藝信息。規(guī)則是以嵌入的方式融合到以框架表示的典型工藝中的，具體來說是直接嵌入到典型工藝對象及其子對象典型工序、典型工步中，在具體工藝決策推理過程中，約束具體工藝、工序、工步及加工元等對象，因此把這種以框架來表示的、融合規(guī)則的典型工藝稱為典型工藝模板。根據(jù)定義，可把典型工藝模板表示為：

式中：lProcessT為融合約束規(guī)則典型工藝模板；lOperT為融合約束規(guī)則的典型工序；lStepT為融合約束規(guī)則的典型工步；∑RuleP、∑RuleO、∑RuleS分別為典型工藝、典型工序、典型工步對象的約束規(guī)則集合。

相對典型工藝結(jié)構(gòu)，典型工藝模板中的典型工藝、典型工序和典型工步對象中，增加對象對應(yīng)的約束規(guī)則，對其下的子對象進(jìn)行約束，構(gòu)成了典型工藝模板的模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。典型工藝規(guī)則∑RuleP約束工藝基本信息和工藝路線（工序的具體安排）；典型工序規(guī)則∑RuleO約束工序內(nèi)容（主要包括機(jī)床和夾具的選擇）與工步順序安排；典型工步規(guī)則∑RuleS約束工步內(nèi)容（主要包括刀具和量具選擇）與加工元的生成、排序和詳細(xì)設(shè)計等內(nèi)容。

為了便于描述工藝決策過程，在典型工藝模板中，每個子對象，如典型工序、典型工步等，都稱為融合約束規(guī)則的典型對象，并以對象屬性值集合和規(guī)則集合的二元組形式表示為：

式中：lObjectT為融合約束規(guī)則的典型對象；∑Rule為規(guī)則集合；∑Attr Vfixed為確定對象屬性值集合。

▲圖2 典型工藝模板模型

針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控工藝，一般典型工藝模板的約束規(guī)則主要分為工藝約束規(guī)則、工序約束規(guī)則和工步約束規(guī)則。工藝約束規(guī)則約束工藝基本信息的取值，也約束特殊工序或輔助工序的安排。工序約束規(guī)則約束工序具體機(jī)床設(shè)備和夾具的選擇。工步約束規(guī)則約束工步具體內(nèi)容的生成，主要包括加工元生成、加工元排序、加工元賦值、切削參數(shù)選擇和加工策略選擇規(guī)則。約束規(guī)則是以產(chǎn)生式規(guī)則形式表示的。

以產(chǎn)生式規(guī)則約束零件特征的加工方法，并融合到典型工藝中，形成了“框架+產(chǎn)生式規(guī)則”的工藝知識表示形式，是進(jìn)行自動工藝決策的基礎(chǔ)。在這種將規(guī)則嵌入到典型工藝中的工藝知識表示方法中，由于每個典型工藝都有與之密切相關(guān)的一套獨(dú)立的規(guī)則，規(guī)則的針對性很強(qiáng)，因此規(guī)則的總結(jié)、形成很容易，而且表示簡捷，易于理解，維護(hù)方便，且不易產(chǎn)生冗余和沖突。

3 工藝決策

工藝決策過程主要有三個流程：首先根據(jù)零件的類別、材料類型、關(guān)重屬性和裝夾方案等信息匹配合適的典型工藝模板；然后根據(jù)典型工藝模板對零件特征進(jìn)行工藝級、工序級和工步級自動決策；最后對自動決策的工藝信息進(jìn)行導(dǎo)航式修訂，編輯工序、工裝信息、孔加工工步及特征加工，檢查是否所有特征在工藝中得到加工，列出未加工特征，添入到工步中或增加工步，進(jìn)一步完善決策出的工藝信息，提高決策效率。

3.1 選擇典型工藝模板

從獲取零件信息模塊得到的零件信息主要有零件所屬產(chǎn)品、零組件、零件的特種技術(shù)要求和零件的特征信息。首先，依據(jù)獲取的零件信息建立工藝方案，確定材料定額和定位、裝夾方案；然后，根據(jù)零件的各種屬性信息匹配典型工藝模板，如果匹配到多個模板，則由用戶進(jìn)行篩選，如果沒有匹配到工藝模板，則由用戶修改篩選條件重新匹配；最后匹配成功，建立新的工藝節(jié)點(diǎn)，讀入工藝模板信息，進(jìn)行工藝決策。

3.2 自動化決策

▲圖3 工藝自動決策過程

匹配好適合的典型工藝模板后，讀入工藝模板信息，進(jìn)行工序級循環(huán)決策。首先，讀取工藝模板的工序鏈表，進(jìn)行循環(huán)判斷，如果是一般工序，則將工藝模板中的工序內(nèi)容復(fù)制到新的工藝信息中，如果是數(shù)控加工工序，則篩選機(jī)床信息并進(jìn)入到工步循環(huán)決策中；在工步循環(huán)中，要判斷零件的特征鏈表是否符合該工步下的規(guī)則約束，篩選匹配的零件特征，創(chuàng)建針對特征的加工元對象；最后完成工序、工步級循環(huán)決策，生成決策后的工藝規(guī)程信息。具體流程如圖3所示，圖中，K表示工序循環(huán)變量，初始值為0，每次循環(huán)K數(shù)值加1，直到循環(huán)結(jié)束，K值表示循環(huán)次數(shù);同理J表示工步循環(huán)變量，F(xiàn)表示零件特征循環(huán)變量，R表示約束規(guī)則循環(huán)變量。

3.3 導(dǎo)航式修訂

工藝信息決策完成后，可以對其進(jìn)行導(dǎo)航式修訂，編輯工序信息，填寫工序圖信息，交互式輸入工裝信息，并顯示工步信息交互式編輯，對工步下的刀具參數(shù)、切削參數(shù)、特征加工順序等進(jìn)行編輯和重新單步?jīng)Q策。

4 實(shí)例說明

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的形狀復(fù)雜、型腔多、壁板薄，造成了其加工方式多樣，工藝現(xiàn)場更改頻繁。基于手動編制的工藝設(shè)計規(guī)程因工藝員的細(xì)小紕漏會造成工藝設(shè)計質(zhì)量的不可控性，降低了零件加工的精度水平和加工效率。使用標(biāo)準(zhǔn)化的典型工藝模板，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行自動工藝決策可以有效解決這些問題。本文以某飛機(jī)制造單位實(shí)際應(yīng)用為例，驗證了以融合規(guī)則的典型工藝模板為基礎(chǔ)的工藝自動決策系統(tǒng)的可行性和有效性，典型工藝模板定義如圖4所示。

▲圖4 典型工藝模板定義

5 總結(jié)

本文針對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的工藝特點(diǎn)，結(jié)合工藝自動決策系統(tǒng)的需要，設(shè)計了融合規(guī)則的典型工藝模板，詳述了典型工藝模板中建立典型工藝所依據(jù)的數(shù)控工藝的結(jié)構(gòu)化信息模型、典型工藝模板的結(jié)構(gòu)以及與規(guī)則的融合方式，以及基于典型工藝模板的工藝自動決策的流程，并以某飛機(jī)制造企業(yè)應(yīng)用的工藝自動決策系統(tǒng)為例，展示了基于典型工藝模板的工藝自動決策對提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量和精度的重要作用。

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