多工序制造系統(tǒng)自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃研究

張國(guó)政

安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系，安徽蕪湖241002 合肥工業(yè)大學(xué)CIMS研究所，安徽合肥230009

田曉青

(合肥工業(yè)大學(xué)CIMS研究所，安徽 合肥 230009)

周元枝

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系,安徽 蕪湖 241002)

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多工序制造系統(tǒng)自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃研究

張國(guó)政

安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系，安徽蕪湖241002 合肥工業(yè)大學(xué)CIMS研究所，安徽合肥230009

田曉青

(合肥工業(yè)大學(xué)CIMS研究所，安徽 合肥 230009)

周元枝

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系,安徽 蕪湖 241002)

在多工序制造系統(tǒng)中，自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助裝夾規(guī)劃CAFP( Computer Aided Fixturing Planning)系統(tǒng)的重要研究?jī)?nèi)容和方向之一。對(duì)當(dāng)前裝夾工藝規(guī)劃的圖論、聚類(lèi)和遺傳算法等主要方法進(jìn)行了綜合分析，從裝夾順序、裝夾次數(shù)、裝夾力優(yōu)化等3個(gè)主要裝夾工藝規(guī)劃研究方面分析了工件加工特征與制造資源能力之間的關(guān)系，提出了自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的CAFP系統(tǒng)模型。最后通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明數(shù)控機(jī)床能力對(duì)裝夾工藝規(guī)劃的影響，并對(duì)自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

裝夾工藝規(guī)劃；多工序制造系統(tǒng)；自動(dòng)裝夾工藝；規(guī)劃方法

多工序制造系統(tǒng)是圍繞工件加工特征與數(shù)控機(jī)床設(shè)備、數(shù)控夾具裝置和數(shù)控刀具等組成的制造資源能力之間所構(gòu)建的復(fù)雜系統(tǒng)。如何合理利用柔性化資源，針對(duì)某類(lèi)大規(guī)模定制和大批量生產(chǎn)模式下進(jìn)行工藝規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容。在多工序制造系統(tǒng)自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃中制造資源能力分析是核心研究?jī)?nèi)容。面對(duì)自動(dòng)化程度高的現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備加工需求，自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃是當(dāng)前制造企業(yè)亟待解決的技術(shù)難題。下面，筆者在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析工件加工特征與制造資源能力之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明在機(jī)床能力基礎(chǔ)上的裝夾工藝規(guī)劃，提出自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的計(jì)算機(jī)輔助裝夾規(guī)劃CAFP(Computer Aided Fixturing Planning)系統(tǒng)框架模型，并對(duì)現(xiàn)代自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 裝夾工藝規(guī)劃主要方法

1.1 圖論方法

圖論方法是一種邏輯性強(qiáng)、較直觀的方法，該方法在大規(guī)模定制計(jì)算機(jī)輔助制造的自動(dòng)裝夾規(guī)劃中得到應(yīng)用[1]，也為計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)提供良好的技術(shù)方法[2]。若不考慮數(shù)控機(jī)床設(shè)備選擇問(wèn)題，Zhang等[3]采用混合圖理論對(duì)三軸(X，Y，Z)立式加工中心機(jī)床上的工件裝夾工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)床、刀具及夾具等制造資源是需要充分考慮的，張發(fā)平等[4，5]運(yùn)用圖論中擴(kuò)展有向圖方法，通過(guò)工件公差特征要求，構(gòu)建公差信息與工件基準(zhǔn)及加工特征之間的關(guān)系模型，并將公差信息分析和制造資源能力相結(jié)合，從而構(gòu)建了從單一工件到多個(gè)工件層的裝夾工藝規(guī)劃算法，該算法可自動(dòng)識(shí)別工件加工特征和定位基準(zhǔn)，結(jié)合制造資源能力與工件公差分析，以對(duì)工件公差加工影響最小為目標(biāo)，進(jìn)而優(yōu)化生成工件裝夾工藝規(guī)劃方案。張國(guó)政等[6～8]運(yùn)用圖論方法，通過(guò)建立工件特征公差關(guān)系圖FTG (Feature Tolerance relationship Graph)和基準(zhǔn)加工特征關(guān)系圖DMG(Datum and Machining feature relationship Graph)，構(gòu)建多工序制造系統(tǒng)的“工件-基準(zhǔn)-加工-機(jī)床”的關(guān)系模型DMMT(Datum and Machining and Machine Tools)，基于數(shù)控機(jī)床制造能力確定工件所需裝夾的能力，進(jìn)而為多工位旋轉(zhuǎn)夾具、多件裝夾夾具設(shè)計(jì)提供合理的方案。圖論方法建立裝夾工藝規(guī)劃主要的邏輯推理公式為[5～7]：

(1)

式中，GFTG表示工件特征公差關(guān)系數(shù)學(xué)模型；F表示加工特征面；T表示加工特征面公差；GDMG表示工件基準(zhǔn)加工特征關(guān)系數(shù)學(xué)模型；D表示基準(zhǔn)面特征；GDMMT表示“工件-基準(zhǔn)-加工-機(jī)床”的關(guān)系數(shù)學(xué)模型；GMC表示機(jī)床特征數(shù)學(xué)模型；MC表示機(jī)床能力；P表示機(jī)床的加工工序的特征。

在充分利用數(shù)控機(jī)床與刀具制造能力的基礎(chǔ)上，若以裝夾次數(shù)最少，則在裝夾能力規(guī)劃過(guò)程中引入數(shù)控機(jī)床制造能力，可得出多工序制造系統(tǒng)工件自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的流程，并為數(shù)控夾具設(shè)計(jì)提供方案，如圖1所示。該方法對(duì)裝夾順序和裝夾次數(shù)規(guī)劃十分有效，且邏輯性和直觀性較強(qiáng)，但不能解決裝夾力大小問(wèn)題。

1.2 聚類(lèi)方法

圖1 多工序制造系統(tǒng)工件自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的流程

大多數(shù)方法推理生成裝夾工藝規(guī)劃過(guò)程中需要聚類(lèi)方法，如上述利用圖論方法中建立FTG模型，為工件各加工特征進(jìn)行分組，構(gòu)建加工特征的聚類(lèi)，確定加工特征與裝夾基準(zhǔn)關(guān)系[9]。Demey等[10]運(yùn)用特征之間的公差關(guān)系，以裝夾變換次數(shù)最少原則確定裝夾方案。孫習(xí)武等[11]提出運(yùn)用層次聚類(lèi)法求解工件裝夾規(guī)劃問(wèn)題，根據(jù)機(jī)床與工藝約束之間關(guān)系建立加工單元間距離，通過(guò)距離大小對(duì)加工單元聚類(lèi)，并結(jié)合工藝加工順序原則，應(yīng)用啟發(fā)式算法對(duì)加工單元分組，分別對(duì)不同機(jī)床能力進(jìn)行聚類(lèi)分析，將整體工藝流程轉(zhuǎn)化為加工單元組間排序和加工單元組內(nèi)排序，進(jìn)而取得裝夾次數(shù)最少的方案。Chang[12]根據(jù)工件各裝夾之間有相同的特征可進(jìn)刀方向TAD(Tool Approach Direction)進(jìn)行聚類(lèi)，進(jìn)而進(jìn)行工件裝夾設(shè)計(jì)。黃偉軍等[13]提出一種模糊聚類(lèi)分析的裝夾工藝規(guī)劃方法，計(jì)算出加工元間的模糊相似性，同樣是對(duì)不同機(jī)床能力進(jìn)行聚類(lèi)分析，以最少換刀次數(shù)為原則對(duì)裝夾中的加工元進(jìn)行排序。

利用聚類(lèi)分析關(guān)鍵是如何建立加工單元或加工元，以工件加工特征、制造資源能力、TAD等為聚類(lèi)基礎(chǔ)，為此，采用聚類(lèi)基礎(chǔ)不同所得出的裝夾工藝規(guī)劃結(jié)果也有所差異，其加工單元較全面的定義可用式(2)表述[11]：

ei={fi,pi,Cmachine,Ctool,CTAD}

(2)

式中，ei表示第i個(gè)加工單元；fi表示第i個(gè)加工特征面；pi表示第i道加工工序；Cmachine[11]表示機(jī)床能力；Ctool表示刀具特征；CTAD表示可進(jìn)刀方向組成的集合。

1.3 遺傳算法

遺傳算法是研究裝夾工藝規(guī)劃最為廣泛的方法，特別是結(jié)合其他方法進(jìn)行優(yōu)化裝夾工藝規(guī)劃的應(yīng)用十分廣泛，是當(dāng)前研究最多的一種方法。在遺傳算法中，具有5個(gè)操作：基因編碼、選種、復(fù)制、交叉和變異。通過(guò)復(fù)制、交叉和變異進(jìn)而生成新的子代染色體，該過(guò)程反復(fù)進(jìn)行直至達(dá)到最優(yōu)化目標(biāo)，可避免局部?jī)?yōu)化結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)加工工序排序決策及相應(yīng)機(jī)床與刀具選擇[14～16]。張冠偉等[17]針對(duì)數(shù)控加工中心機(jī)床上工件加工工步排序問(wèn)題，提出采用遺傳算法對(duì)工件一次裝夾過(guò)程中多工步優(yōu)化排序，并以輔助時(shí)間最少為優(yōu)化目標(biāo)。

圖2 基于文化基因算法的裝夾工藝規(guī)劃流程

在裝夾工藝規(guī)劃過(guò)程中，與遺傳算法類(lèi)似的算法如粒子群算法[18]和蟻群算法[19]也被采用。這幾種算法都是全局優(yōu)化算法，其本質(zhì)都是利用自然屬性根據(jù)一定的規(guī)則搜索并求解最優(yōu)化的目標(biāo)，相互之間可以取長(zhǎng)補(bǔ)短、混合應(yīng)用。Huang等[20]提出將遺傳算法與圖論相結(jié)合進(jìn)行裝夾規(guī)劃推理，進(jìn)而獲得優(yōu)化的裝夾工藝。高博等[21]全面考慮制造資源配置對(duì)裝夾規(guī)劃中裝夾次數(shù)的影響，通過(guò)構(gòu)建加工單元，提出一種文化基因算法的裝夾工藝規(guī)劃方法，采用遺傳算法作為全局搜索策略，擴(kuò)大搜索空間，引入適應(yīng)率進(jìn)行交叉和無(wú)順序約束的變異操作，使得結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法更為有效和優(yōu)越?；谖幕蛩惴ǖ难b夾工藝規(guī)劃流程如圖2所示。

1.4 研究方法可行性

以上幾種方法都是當(dāng)前研究工件裝夾工藝規(guī)劃的主要方法，這些方法相互之間也可以混合應(yīng)用，如對(duì)工件加工特征進(jìn)行分類(lèi)、定義加工單元/加工元，結(jié)合工件公差特征關(guān)系就可以采用聚類(lèi)方法進(jìn)行定義。裝夾工藝規(guī)劃可看作是2大部分：一個(gè)是裝夾工藝規(guī)劃約束性問(wèn)題，另一個(gè)是裝夾工藝規(guī)劃目標(biāo)性問(wèn)題。從約束要素來(lái)看，裝夾工藝規(guī)劃中涉及加工單元到基準(zhǔn)關(guān)系、工序順序、加工方法、加工工位、TAD和制造資源能力(機(jī)床能力、裝夾能力、刀具能力等)；從目標(biāo)要素來(lái)看，裝夾工藝規(guī)劃的主要目標(biāo)有輔助時(shí)間最短、制造成本最少、裝夾順序最優(yōu)、裝夾次數(shù)最小和裝夾力最優(yōu)等。表1所示為裝夾工藝規(guī)劃的主要研究方法，其中“-”表示目前未涉及或未有研究。在現(xiàn)有研究中，不可能將表1中的所有要素都綜合，為此，大多數(shù)研究者只是利用其中若干約束要素來(lái)優(yōu)化其中的某一目標(biāo)。

表1 裝夾工藝規(guī)劃主要研究方法

2 加工特征與制造資源能力之間的關(guān)系

目前，工件加工特征庫(kù)的建立、加工特征識(shí)別和提取都取得了大量的研究成果[22～24]。加工特征的識(shí)別和提取是多工序自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的首要步驟，在多工序制造系統(tǒng)中，要充分考慮和合理利用制造資源能力，不同的制造資源能力可形成不同的加工組織特征，進(jìn)而構(gòu)成不同的裝夾工藝方案，即制造資源能力影響加工特征的加工方法的選擇和確定，因此，建立加工特征與制造資源能力的關(guān)系模型是裝夾工藝規(guī)劃研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

圖3 加工特征與制造資源能力的關(guān)系

制造資源能力模型包含了數(shù)控機(jī)床、數(shù)控工藝裝置(如夾具、刀具等)及其他，而加工特征體現(xiàn)在每個(gè)加工特征面i的形狀、尺寸、精度和方位，確定加工特征面i的形狀、尺寸、精度是由相應(yīng)刀具類(lèi)型j的加工軌跡確定，加工特征面i的方位是由裝夾工件的夾具確定的，工件可能需要n次裝夾，有m種機(jī)床類(lèi)型可安裝所需的刀具和夾具，其中刀具是安裝在機(jī)床主軸上，夾具安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，工件的加工特征面就由刀具和夾具的相對(duì)的位姿確定，進(jìn)而建立了加工特征與制造資源能力的關(guān)系模型，如圖3所示。

多工序制造系統(tǒng)表明工件具有多個(gè)加工特征面，而且形狀各異、精度不同、方位多種，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃，其最終目的就是生成工件的裝夾工藝規(guī)程。若工件裝夾次數(shù)n≥2時(shí)，裝夾工藝規(guī)劃就需要研究裝夾順序問(wèn)題，裝夾順序問(wèn)題通常只考慮工件在同一機(jī)床上完成多次裝夾，在加工工藝方面需滿足工序順序安排原則，在裝夾順序方面應(yīng)該以工件定位基準(zhǔn)選擇原則為主，進(jìn)而滿足裝夾的順序的優(yōu)先問(wèn)題。

關(guān)于裝夾次數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，以下通過(guò)一個(gè)六面體工件為例進(jìn)行說(shuō)明，以此闡述自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容，采用雙代號(hào)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃方法，如圖4所示，其中圓圈中序號(hào)表示工位號(hào)。假定該六面體工件上的6個(gè)加工特征面都為平面，尺寸、精度等相同，故采用一種類(lèi)型面銑刀完成加工，其方位根據(jù)外單位法矢量可判斷為6個(gè)工位：若機(jī)床采用立式3軸數(shù)控銑床，夾具采用平口虎鉗，則需6次裝夾，如圖4(a)；若夾具采用旋轉(zhuǎn)夾具，則需3次裝夾，或者采用臥式四軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)銑床，夾具為平口虎鉗，也需要3次裝夾，如圖4(b)和圖4(c)；若夾具采用電磁式或真空吸力式等，則需2次裝夾，如圖4(d)。

圖4 六面體工件裝夾次數(shù)規(guī)劃

工件的加工特征能否達(dá)到精度要求，這與夾具上裝夾的工件相對(duì)于機(jī)床上刀具的位姿有重要關(guān)系，大部分研究主要集中在定位誤差的計(jì)算分析方面，而不考慮裝夾工藝規(guī)劃中裝夾力大小問(wèn)題，裝夾力即工件定位后的夾緊力，考慮夾具的夾緊力問(wèn)題對(duì)精密零件，尤其是薄壁、易變形工件的裝夾工藝規(guī)劃十分重要。

3 CAFP系統(tǒng)模型

工件信息是由其特征及特征之間的公差關(guān)系組成[25]。裝夾工藝規(guī)劃需要以公差分析和制造資源能力分析為基礎(chǔ)，融合工藝規(guī)則知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，并以相應(yīng)決策經(jīng)驗(yàn)加以構(gòu)建CAFP系統(tǒng)。從CAFP系統(tǒng)功能模塊來(lái)看，三維工件模型信息是當(dāng)前三維工藝設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)，如基于模型定義MBD(Model Based Definition)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了零件工藝過(guò)程信息表達(dá)[26]、工藝過(guò)程的數(shù)字化建模和仿真[27]、基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的全生命周期形式化建模方法、從數(shù)據(jù)、維度和時(shí)間3個(gè)方面建立數(shù)字模型等[28]；喬立紅等[29]通過(guò)對(duì)工藝信息實(shí)質(zhì)內(nèi)容的深入分析，提出一種能全面描述和表達(dá)工藝信息的三維工件模型。加工特征與制造資源能力關(guān)系分析是CAFP核心部分，該部分是各種推理、決策的依據(jù)，通常為其提供約束規(guī)范、規(guī)則。在依據(jù)工件加工特征與制造資源能力關(guān)系分析推理決策的基礎(chǔ)上，為自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃提供合理方案，可以對(duì)其裝夾工藝順序進(jìn)行優(yōu)化，最終的目標(biāo)是生成最為合理的制造資源配置方案、最為優(yōu)化的加工參數(shù)和工藝流程，進(jìn)而生成CAFP文檔，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供優(yōu)化方案。以CAFP功能模塊為主線，構(gòu)建特征層關(guān)系為其提供信息，工藝清單BOP(Bill of Processes)提供實(shí)際生產(chǎn)最優(yōu)的決策經(jīng)驗(yàn)，包括處理工件設(shè)計(jì)、制造及制造資源能力關(guān)系分析的決策策略，該部分包括特征級(jí)、工件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)3方面。規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)是用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)知識(shí)，該部分是推理依據(jù)和決策策略所依據(jù)的知識(shí)和數(shù)據(jù)支撐。CAFP系統(tǒng)框架模型如圖5所示。

圖5 CAFP系統(tǒng)框架模型

4 實(shí)例與展望

4.1 實(shí)例

某汽車(chē)輪輞工件都呈回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，圖6和圖7所示分別為輪輞正面和反面三維模型及其加工特征面。按照加工特征面規(guī)定，可根據(jù)圖6和圖7中所表示的f1～f17等加工特征面建立其外單位法矢量，可歸納出該件具有2個(gè)工位分別為[30]：

PⅠ={f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8，f9，f10，f11，f12}

或：

PⅠ={f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7，f8，f9，f10，f12}

PⅡ={f13，f14，f15，f16，f17} 或 PⅡ={f11，f13，f14，f15，f16，f17}

圖6 輪輞正面三維模型及其加工特征面

圖7 輪輞反面三維模型及其加工特征面

工件各加工特征面與資源制造能力之間的關(guān)系見(jiàn)表2所示。若采用車(chē)銑復(fù)合中心{X,Z,C}，則工件可劃分為3道工序，如表3所示。

表2 輪輞工件各加工特征面與制造資源能力關(guān)系表

表3 輪輞工件裝夾工藝規(guī)劃安排表

4.2 研究展望

自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃涉及到制造信息化的集成技術(shù)，從規(guī)劃方法方面來(lái)說(shuō)，當(dāng)前圖論、聚類(lèi)、遺傳算法還是主要的研究方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，模糊數(shù)學(xué)、蟻群算法、粒子群算法、基因算法等都會(huì)綜合得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)而不斷豐富裝夾工藝規(guī)劃，以便實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化。由于工件形狀各異，精度要求不同，工藝路線也有不同方案，何種方案最優(yōu)對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)只是相對(duì)性，因此制造資源能力的分析是其關(guān)鍵，不同企業(yè)其制造資源能力不同，可能裝夾工藝方案就不同，但在保證質(zhì)量的前提下，追求最大經(jīng)濟(jì)效益是目標(biāo)。自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃未來(lái)研究方向主要有：

1)各種自動(dòng)裝夾規(guī)劃方法的綜合應(yīng)用，針對(duì)每種方法特點(diǎn)，相互綜合，以得到最優(yōu)；

2)結(jié)合加工特征與制造資源能力分析，分析資源能力中機(jī)床、刀具、夾具，尤其是不同機(jī)床能力下裝夾工藝規(guī)劃問(wèn)題；

3)制造可重構(gòu)性問(wèn)題，探索非標(biāo)件的制造可重構(gòu)性以及大規(guī)模定制和大批量生產(chǎn)的裝夾工藝規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源能力的轉(zhuǎn)化，形成企業(yè)或行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)；

4)以自動(dòng)裝夾規(guī)劃為主線的信息化車(chē)間或工廠的管理問(wèn)題。

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[編輯] 趙宏敏

2016-06-18

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2015A383)。

張國(guó)政(1980-)，男，博士，教授，現(xiàn)主要從事數(shù)控工藝規(guī)劃理論及精密制造技術(shù)方面的研究工作；E-mail：zgzaust@163.com。

TH162；TP391

A

1673-1409(2016)28-0039-07

[引著格式]張國(guó)政,田曉青,周元枝.多工序制造系統(tǒng)自動(dòng)裝夾工藝規(guī)劃研究[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(28)：39～45.