基于工藝對稱性的制造特征信息建模及工藝優(yōu)化*

唐耀紅，何翠群

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與自動化工程系，福建漳州 363000；2.南昌工程學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院，南昌 330029）

基于工藝對稱性的制造特征信息建模及工藝優(yōu)化*

唐耀紅1，何翠群2

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與自動化工程系，福建漳州 363000；2.南昌工程學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院，南昌 330029）

在總結(jié)機械制造工藝對稱性的概念體系、作用原理和應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，給出了單位加工元素的概念，提出了面向機械制造對稱性工藝和單位加工元素的零件制造特征信息建模方法，建立了零件制造特征的信息模型；通過提取制造特征的對稱性工藝數(shù)據(jù)，進而設(shè)計了基于單位加工元素的零件工藝方法排序與優(yōu)化算法，并用實例闡述了該算法的應(yīng)用過程。實例應(yīng)用表明，提出的基于單位加工元素的制造特征信息模型及工藝方法排序與優(yōu)化算法體現(xiàn)了工藝對稱性的核心應(yīng)用，能為計算機輔助工藝設(shè)計提供可行的工藝決策邏輯，從而提高CAPP自動化水平。

對稱性工藝；單位加工元素；制造特征；信息模型

0 引言

近年來，國內(nèi)不少學(xué)者對對稱性在機械工程領(lǐng)域內(nèi)的存在及作用原理進行了深入研究，初步建立了機械對稱性的概念體系及層次結(jié)構(gòu)，給出了各種對稱性的定義。在機械設(shè)計方面，挖掘了存在于大量實例中的機械對稱性知識，提出了將機械對稱性應(yīng)用于求解機械設(shè)計準則與約束，創(chuàng)設(shè)了基于機械對稱性的機械創(chuàng)新設(shè)計平臺［1-3］；在機械制造域，馮培恩等建立了機械制造工藝對稱性的概念體系，開展了關(guān)于機械制造工藝對稱性的存在及作用機理研究，將工藝對稱性定義為機械制造的工藝方法、過程、設(shè)備或其組元之間存在的重復(fù)性或不變性，給出了工藝對稱性分類體系，并提出了工藝對稱性的應(yīng)用主要在工藝方法及過程的設(shè)計與優(yōu)化、零件結(jié)構(gòu)工藝性評價與改進和工藝資源的設(shè)計與改進等3個方面［4］。由于工藝問題的約束眾多，又受工藝人員的經(jīng)驗影響較大，因此工藝方法及過程的設(shè)計與優(yōu)化是工藝對稱性應(yīng)用的難點?；诖?，本文在構(gòu)建單位加工元素概念的基礎(chǔ)上，提出了面向工藝對稱性應(yīng)用的制造特征信息建模方法，并根據(jù)對稱性工藝數(shù)據(jù)，建立了零件工藝方法排序與優(yōu)化算法，通過實例說明了該算法的應(yīng)用。

1 制造特征信息建模

工藝對稱性是建立在制造特征基礎(chǔ)上的，它以完成制造特征加工所具有的工藝對稱特性為研究本體，具體表現(xiàn)為同一制造特征可以有多個加工方案（每個加工方案就是一個組元），即具有完成制造特征加工的工藝對稱性。顯然，作為工藝對稱性載體的零件制造特征，其內(nèi)部封裝了能獲得該制造特征的具有對稱性的工藝方法、工藝過程及工藝資源。由此可見，對面向工藝對稱性的制造特征進行全面描述，是基于工藝對稱性的零件工藝設(shè)計自動化的關(guān)鏈之一。

1.1 單位加工元素

零件制造過程是從零件設(shè)計模型中提取制造信息并規(guī)劃制造順序的過程。根據(jù)特征設(shè)計技術(shù)，零件的制造特征可從其設(shè)計特征映射而成，繼承了零件設(shè)計特征的所有屬性。但從設(shè)計特征映射而成的制造特征，既可以是不能再對其進行分解的最小加工單元，也可以是多個特征的組合，甚至是一個完整的零件。為方便零件工藝路線的安排，可將制造特征分解為不能再分解的最小加工單元，如平面、圓柱面、孔、圓角等等。

定義1：最小加工單元。包含完整制造信息的最小的制造特征，該制造特征不能再被分解，否則該特征將不再具有該類特征的屬性（例如，不能將圓柱面這一制造特征分解為上平面、側(cè)面和底平面），記作mij。mij表示從第i個制造特征分解而來的第j個最小加工單元。

定義2：單位加工元素。在某一加工階段，能實現(xiàn)某一最小加工單元加工目的的單一加工方法，記作pn。pn表示mij的對稱性工藝數(shù)據(jù)，n∈N，按照1，2，3，…，n順序排列。pn內(nèi)封裝了工藝方法、刀具、裝夾、機床等制造信息。

由工藝對稱性可知，單位加工元素并不唯一。例如，非回轉(zhuǎn)體零件的平面粗加工，既可以采用刨削，也可以采用銑削。

1.2 制造特征信息模型

建立零件制造特征信息模型的目的是為后續(xù)零件的制造活動服務(wù)，對于工藝設(shè)計人員，最為關(guān)心的問題是設(shè)計工藝究竟需要什么樣的信息，這些信息對設(shè)計工藝有些什么影響［5］。為此，本文在定義最小加工單元和單位加工元素的基礎(chǔ)上，建立了如圖1所示的制造特征信息模型。制造特征信息模型由3個層次組成。

零件層：是對零件整體信息進行的描述，即零件的設(shè)計模型，包含了設(shè)計意圖、管理信息、幾何信息和制造信息，是從事零件制造活動唯一的依據(jù)。

特征層：首先通過特征映射，將零件用若干個制造特征進行描述；然后對每個制造特征進行分解，得到最小加工單元。每個最小加工單元都具有其自身的幾何屬性和工藝屬性。

工藝層：以單位加工元素為載體，對每個最小加工單元存在的對稱性工藝進行描述，從而將工藝方法、工藝過程、工藝資源和約束條件都封裝在每個最小加工單元中。

圖1 制造特征信息模型

2 零件工藝約束與排序

通過定義最小加工單元和單位加工元素，零件工藝設(shè)計就變成了對單位加工元素進行排序與優(yōu)化的問題，而排序與優(yōu)化又必須滿足各約束條件和排序準則。

2.1 工藝約束

工藝約束條件存在于零件制造活動中的每個環(huán)節(jié)，主要包括知識約束、資源約束、技術(shù)約束和客戶約束等。

知識約束：知識約束是指所有加工方法與加工順序的選擇都必須滿足工藝知識、工藝規(guī)則和工藝標準的規(guī)定。例如：在安排工藝順序時，要遵守“先粗后精”、“先主后次”、“先基準后其它”、“先面后孔”、“先內(nèi)后外、內(nèi)外交叉”、“上道工序的加工不能影響下道工序的裝夾與定位”等等工藝原則；在選擇工藝參數(shù)時，要遵循“粗加工切削用量較大、精加工切削用量較小”、“按工序的順序，刀具直徑由大到小”等等原則［6-7］。

資源約束：資源約束是指企業(yè)內(nèi)部所具備的加工設(shè)備、制造工具、檢測儀器設(shè)備等制造物質(zhì)條件。由機械制造工藝對稱性原理可知，同一最小加工單元可能可以用多種制造資源來獲得，這就使得在選擇工藝資源時，具有更多的可選途徑，但這也會給工藝決策帶來復(fù)雜性。

技術(shù)約束：技術(shù)約束是指零件的幾何形狀和技術(shù)條件（形位公差、表面粗糙度、精度等級等）的具體形態(tài)，是選擇工藝方法的依據(jù)。如回轉(zhuǎn)類零件以車削加工為主、輪廓型腔類零件以銑削加工為主等。

客戶約束：客戶約束是指與客戶簽訂的供貨合同對產(chǎn)品的具體要求，如交貨時間、交貨方式等等。合同內(nèi)容對企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)組織、工藝流程、執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范等等都產(chǎn)生重要影響。

2.2 工藝排序準則

由前述制造特征信息模型可知，在每個最小加工單元內(nèi)封裝了以單位加工元素為載體的對稱性工藝數(shù)據(jù)。工藝排序就是將所有單位加工元素進行先后順序的排列，形成零件加工序列。為此，有下列工藝排序準則：

工藝排序準則1：一般性準則。是指在對單位加工元素進行排序時，必須滿足的知識約束條件。

工藝排序準則2：自定義準則。除此一般性準則外，當零件拓撲結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜或企業(yè)自身加工條件受限時，工藝人員需要結(jié)合當前的工藝條件，對單位加工元素的順序進行一些人為的規(guī)定［8］。如規(guī)定第i個制造特征的第j個最小加工單元的精加工需要安排在第i+1個制造特征的粗加工之前完成。這就表明，所有第i+1個制造特征的單位加工元素的順序要排在第i個制造特征的第j個最小加工單元精加工所對應(yīng)的單位加工元素之后。

當所有單位加工元素彼此之間的排序準則確定后，他們在零件加工序列中的前后位置關(guān)系可用優(yōu)先約束矩陣R=（rij）表示［8-9］，i，j=1，2，…，n。

約定1：當i與其它所有單位加工元素相比，其優(yōu)先約束矩陣的元素都為1時，表明i具有最大的優(yōu)先權(quán)，則i為加工順序的起點（排在第1位）。

約定2：當i與其它所有單位加工元素相比，其優(yōu)先約束矩陣的元素都為0時，表明i可具有最小的優(yōu)先權(quán)，則i可為加工順序的終點（排在最后1位）。

3 基于單位加工元素的零件對稱性工藝方案優(yōu)化算法

在工藝對稱性原理作用下，單位加工元素并非唯一，這就使得加工一個零件的工藝方案存在多種可能。為了獲得在特定約束條件下的最優(yōu)工藝方案，本文提出了基于單位加工元素的零件對稱性工藝方案優(yōu)化算法。

3.1 零件工藝優(yōu)化目標

工藝設(shè)計是機械制造生產(chǎn)過程中技術(shù)準備工作的一項重要內(nèi)容，是產(chǎn)品設(shè)計與車間生產(chǎn)的紐帶，是經(jīng)驗性很強且影響因素很多的決策過程；而工藝優(yōu)化則是在設(shè)定某種生產(chǎn)目標的基礎(chǔ)上，求得工藝方法、工藝過程的最優(yōu)解，以獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟效益。不同的工藝優(yōu)化目標所追求的結(jié)果不同，例如：

（1）以最短工藝路徑為優(yōu)化目標。最短的工藝路徑是指加工零件所花費的總時間最短。這類優(yōu)化問題主要是針對交貨時間有嚴格限制、且交貨期限很短的情況下，采用最節(jié)省時間的工藝路線來獲得滿足質(zhì)量要求的產(chǎn)品。

（2）以最低成本為優(yōu)化目標。在零件的制造過程中，工藝方法、工藝路線、機床設(shè)備、刀具、量具、輔料材料、加工時間、能耗、人工薪酬等等都是構(gòu)成制造成本的因素。由于各個因素對成本的影響程度又有所不同，所以此類優(yōu)化問題往往采用技術(shù)經(jīng)濟性評價的方式，來確定最優(yōu)的工藝方案。

（3）以制造資源更換率最低為優(yōu)化目標［8-9］。是指在滿足加工順序和制造資源約束的情況下，盡量使用相似度較高的制造資源完成較多的零件特征加工，減少制造資源的更換和基準的改變。

（4）以最少資源消耗為優(yōu)化目標。是指以消耗最少的制造資源為目標來獲得零件，包含最小的能量消耗、最小的原材料消耗及最小的輔助消耗。

（5）以最小化環(huán)境排放為優(yōu)化目標。制造過程中所排放的各種廢品（如廢液、廢氣、廢渣）、產(chǎn)生的電磁輻射和排放的噪音會對環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響。最小化的環(huán)境排放優(yōu)化問題，就是使零件制造過程對環(huán)境產(chǎn)生的破壞降至最低，實現(xiàn)產(chǎn)品的綠色制造。

3.2 零件對稱性工藝方案優(yōu)化算法

一般而言，工藝方案的設(shè)計必須綜合考慮制造質(zhì)量、制造成本、制造效率等多方面的因素［10］。但是，在一個已經(jīng)確定的制造環(huán)境下，最終確定的工藝方案很難同時滿足這些因素，從而導(dǎo)致很難為工藝優(yōu)化算法確定合適的優(yōu)化目標函數(shù)。鑒于此，本文從工件裝夾入手，采用最少折合裝夾次數(shù)作為工藝優(yōu)化的目標，來求解基于工藝對稱性的零件加工工藝優(yōu)化問題。

定義3：折合裝夾次數(shù)。在零件的制造過程中，因加工內(nèi)容改變可能會引起改變裝夾工件、更換加工設(shè)備、更換或調(diào)整刀具、轉(zhuǎn)移加工場地等操作。除改變裝夾工件之外，將其它操作內(nèi)容折合成“相當改變裝夾工件”，則完成該零件加工產(chǎn)生的改變裝夾工件次數(shù)與“相當改變裝夾工件”次數(shù)之和，稱為折合裝夾次數(shù)。

約定3：更換加工設(shè)備操作換算成“相當改變裝夾工件”規(guī)則是，“相當改變裝夾工件”次數(shù)=β×更換加工設(shè)備次數(shù)。同類機床之間更換時，β取0.5，異類機床更換時，β取1。

顯然，減少折合裝夾次數(shù)可以減少裝夾誤差，避免過多更換定位基準，從而可以提高零件加工精度和工藝過程的穩(wěn)定性。因此，以最少折合裝夾次數(shù)為工藝優(yōu)化的目標，可以較為全面地體現(xiàn)在工藝方案設(shè)計中兼顧質(zhì)量、效率和成本的追求。

設(shè)折合裝夾次數(shù)用Ci表示，則

Ci=μ1Xf+μ2Xm+μ3Xt+μ4Xp，式中：μ1，μ2，μ3，μ4分別為改變裝夾工件、更換加工設(shè)備、更換或調(diào)整刀具、轉(zhuǎn)移加工場地的權(quán)重系數(shù)，且μ1+μ2+μ3+μ4= 1，分別取為0.4、0.3、0.2、0.1；Xf為改變裝夾工件的次數(shù)，Xm為更換加工設(shè)備的“相當改變裝夾工件”次數(shù)，按照約定3來計算，Xt為更換或調(diào)整刀具的次數(shù)，Xp為轉(zhuǎn)移加工場地次數(shù)。

定義4：零件的某一對稱性工藝方案所產(chǎn)生的折合裝夾次數(shù)為Ci，則以最少折合裝夾次數(shù)為優(yōu)化目標的目標函數(shù)定義為min（Ci），i=1，2…，n。即在零件多個對稱性工藝方案中，折合裝夾次數(shù)最少的方案為最優(yōu)化的工藝方案。

4 應(yīng)用實例

如圖2所示的齒輪軸（單價小批生產(chǎn)），在企業(yè)制造資源、客戶合同等約束條件下，根據(jù)其特征特點，將其制造特征分解為11、21、22、31、32、41、42、43、44、51、61、62、63、64、71、72、81等最小加工單元，它們基于單位加工元素的對稱性工藝（僅列出2個）如表1、表2所示。

圖2 齒輪軸

表1 齒輪軸的對稱性工藝方案（方案1）

續(xù)表

表2 齒輪軸的對稱性工藝方案（方案2）

以方案1為例，根據(jù)單位加工元素之間的約束關(guān)系，得到它們之間的約束矩陣R（僅列出部分），則R為37×37方陣，表達了單位加工元素之間的優(yōu)先關(guān)系。

再根據(jù)上述排序準則及約定（如以最小加工單元51左端為界，分成左右段），得出單位加工元素之間的順序為：p1→p3→p5→p8→p10→p13→p34→p32→p29→p27→p22→p20→p18→p35→p37→p33→p30→p28→p23→p21→p19→p31→p24→p2→p36→p4→p6→p9→p11→p14→p7→p25→p26→p15→p16→p12→p17，對應(yīng)的工藝路線1如表3所示。

表3 齒輪軸的對稱性工藝路線1

則C1=0.4×6+0.3×4+0.2×13+0.1×0= 6.2。同理，可得出該齒輪軸的對稱性工藝方案2的折合裝夾次數(shù)C2=0.4×7+0.3×6+0.2×15+0.1× 0=7.6。顯然，因C1＜C2，則上述2個對稱性工藝方案較優(yōu)化的是方案1（方案1由于采用了以車代磨工藝方法，減少了磨削加工環(huán)節(jié)，從而降低了折合裝夾次數(shù)），其工藝路線如表3。

5 結(jié)束語

在機械加工工藝對稱性的基礎(chǔ)上，本文提出了將制造特征進一步分解為最小加工單元的概念和思想，將對稱性工藝封裝在以最小加工單元為單位的制造特征中，建立了能全面描述基于工藝對稱性的制造特征的信息模型。為了更為方便、準確地對零件對稱性工藝方法進行排序與優(yōu)化，對工藝約束和工藝排序準則進行了分析，提出了基于單位加工元素的零件對稱性工藝方案的排序方法和采用最少折合裝夾次數(shù)作為工藝優(yōu)化目標，來求解基于工藝對稱性的零件加工工藝優(yōu)化問題，并通過實例驗證了其有效性。鑒于工藝問題的復(fù)雜性，更好、更多的工藝排序及優(yōu)化算法仍然是今后重要的研究課題。

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［2］曾令斌.機械功能原理對稱的概念及其應(yīng)用知識體系的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013.

［3］劉嶼.機械對稱性知識挖掘方法及其在機械結(jié)構(gòu)選裝對稱性中的應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［4］馮培恩，劉偉平，馬友才，等.機械制造工藝對稱性的概念體系及其應(yīng)用思路［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2010，17（3）：161-167.

［5］葛晨，喬立紅.制造特征信息建模及其實例化方法［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2010，16（12）：2570-2576.

［6］Tien-Chien Chang，Richard A.Wysk，Hsu-Pin Wang.計算機輔助制造［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

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［10］曾高強，張英杰.計算機輔助工藝設(shè)計中工藝數(shù)據(jù)描述及卡片生成的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2004，38（11）：1147-1150.

（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

Manufacturing Feature Information Modeling and Technology Optimization Based on Technology Symmetry

TANG Yao-hong1，HE Cui-qun2
（1.Department of Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou Fujian 363000，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nachang 330029，China）

On the basis of summary of the conception system and their working principles and application fields of mechanical symmetry，the conception of unit manufacturing cell is provided，and the methods of information modeling of part manufacturing feature facing mechanical manufacturing symmetry technology and unit manufacturing cell are presented，and then the information model of part manufacturing feature is set up.Then an algorithm of sequencing and optimization of part manufacturing feature，whose application process is expatiated in one example is designed.The example has indicated that the proposed information model of manufacturing feature and algorithm of sequencing and optimization of technology way embodies core application of technology symmetry，and it can provide feasible technology decision-making logic for computer aided process planning，thus improving automation level of CAPP.

symmetry technology；unit manufacturing cell；manufacturing feature；information model

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）06-0125-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.034

2014-09-14；

2014-10-16

江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項目（20122BAB206036）

唐耀紅（1967—），男，湖北咸豐人，漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向為CAD/CAM/CAPP/CAFD、數(shù)控技術(shù)，（E-mail）tyh-1967 @163.com。