基于制造特征的火炮零件工藝決策技術(shù)研究

梁振剛，朱江寧，趙洪志，劉 明

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.朝陽師范高等?？茖W(xué)校 數(shù)學(xué)計算機系，遼寧 朝陽 122000;3.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

基于制造特征的火炮零件工藝決策技術(shù)研究

梁振剛1，朱江寧2，趙洪志1，劉 明3

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.朝陽師范高等專科學(xué)校 數(shù)學(xué)計算機系，遼寧 朝陽 122000;3.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

為簡化結(jié)構(gòu)復(fù)雜的火炮零件工藝設(shè)計流程，有效地提高工藝設(shè)計效率和可靠性，提出了一種基于制造特征的火炮零件工藝加工決策方法.采用參數(shù)化建模方法建立火炮零件模型，運用遺傳算法對火炮零件工藝決策邏輯機制進行推理，并對制造特征進行識別與提取，從而快速確定火炮零件的工藝決策.以火炮炮尾為例進行了驗證，結(jié)果表明，火炮零件模型可快速生成零件工藝流程，為火炮零件的加工制造提供條件.

制造特征；火炮零件；工藝決策；遺傳算法

隨著CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展，面向設(shè)計的參數(shù)化建模技術(shù)與基于制造特征的CAPP技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)CAD與CAPP技術(shù)的無縫集成，已成為工藝設(shè)計自動化領(lǐng)域的研究熱點，也是制約先進制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵.目前的三維軟件以產(chǎn)品的幾何設(shè)計特征為建模思想，其根本目的是通過交互式設(shè)計方法完成其外形設(shè)計，通過制造特征技術(shù)實現(xiàn)零件的幾何信息與非幾何信息的統(tǒng)一描述.在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，CAPP可直接從CAD系統(tǒng)中獲取模型的數(shù)據(jù)信息，這便成為一條由CAD到CAPP 的最理想的信息傳遞途徑[1].隨著制造工藝水平的不斷提高，CAPP技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但受限于制造特征類型的多樣性，大部分都停留在解決定性化工藝設(shè)計問題，只適用于確定的產(chǎn)品設(shè)計方案，而不能解決工藝的智能決策及優(yōu)化，特別是復(fù)雜零件工藝方案的智能決策及全局優(yōu)化，這些定性和定量相結(jié)合的工藝設(shè)計問題.為解決上述問題,可利用CATIA二次開發(fā)實現(xiàn)參數(shù)化建模，運用遺傳算法對零件工藝決策邏輯機制進行推理，通過面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言提取零件的制造特征，然后，對基于制造特征的火炮零件參數(shù)化建模與工藝決策技術(shù)進行交叉融合，實現(xiàn)CAD模型與CAPP、CAM的無縫對接.根據(jù)優(yōu)化算法對加工工序進行組合優(yōu)化，可實現(xiàn)智能化設(shè)計.

1 基于制造特征的火炮炮尾參數(shù)化建模

特征是產(chǎn)品設(shè)計、制造與裝配過程中推理需要的零件幾何信息和零件屬性信息.制造特征是為了滿足制造而對特征提出的要求.制造特征是一組反映零件工藝的約束條件，具有特定加工形狀的特征信息集合[2].特征可以分為：過渡特征類、組合板筋類、組合特征類、加工板筋類、一般特征類、分布特征類、加工實體類.制造特征被分為三大類：一般特征、外形特征、曲面特征.

參數(shù)化建模就是采用預(yù)先定義的方法建立圖形的幾何約束集，并指定一組尺寸作為參數(shù)與幾何約束集，通過創(chuàng)建公式相關(guān)聯(lián)，自動完成產(chǎn)品的設(shè)計[3].參數(shù)化建模的核心是將單一模型的定量信息變量化,提取產(chǎn)品的定形、定位等特征作為用戶定義的自變量,通過公式修改相關(guān)特征尺寸.其基本原理如圖1所示.基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)即通過特征提取技術(shù)，在獲得制造特征的基礎(chǔ)上，將定性的模型特征轉(zhuǎn)化為可以進行定量分析的參數(shù).基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)大大地改善了產(chǎn)品零件圖形的修改手段，提高了產(chǎn)品設(shè)計的柔性.在火炮零件設(shè)計中，常常會遇到系列化產(chǎn)品的設(shè)計和標準件的建立、常用件庫的建立等技術(shù)問題.采用參數(shù)化建模方法是解決這些問題的有效手段[4].

圖1 參數(shù)化建模原理

火炮炮尾的參數(shù)化建模是利用特征驅(qū)動的方法快速生成三維模型，分析炮尾的主要特征，創(chuàng)建通用性特征模板，然后將主要參數(shù)、約束關(guān)系等信息儲存到CATIA知識模板中，最后通過調(diào)用模板中參數(shù)，并對其修改，直接生成火炮炮尾零件模型.根據(jù)人機交互界面，按照設(shè)計要求選擇相應(yīng)的零件模板，在參數(shù)區(qū)域內(nèi)提供默認數(shù)據(jù)，也可以更改參數(shù)值，若參數(shù)值符合要求，就拾取構(gòu)件要素，直接生成炮尾零件模型(圖2).

2 基于遺傳算法的工藝決策邏輯推理

遺傳算法是模擬生物的遺傳進化過程而形成的一種優(yōu)化算法.它利用生物中適者生存的原理，將所求問題的結(jié)果進行一代一代地進化，通過選擇、復(fù)制、交叉、變異、修復(fù)等操作，最終找到最優(yōu)個體，從而得出問題的最優(yōu)解[5].通過系統(tǒng)的人機交互界面以及CATIA系統(tǒng)獲取零件的特征信息，根據(jù)零件的工藝要求、零件信息庫中信息和工藝知識庫中的信息，利用專家系統(tǒng)的推理機進行邏輯推理，生成加工工藝路線，并運用遺傳算法優(yōu)化加工工藝路線，最終生成工藝卡片并輸出.基于遺傳算法的工藝決策推理如圖3所示.

圖2 火炮炮尾模型

圖3 基于遺傳算法的工藝決策推理原理

3 制造特征的識別與提取

制造特征的提取是以所建立的產(chǎn)品幾何模型為基礎(chǔ)，采用實例推理的方法，從幾何模型的點線面信息中提取滿足加工工藝所需要的特征信息[6].首先，建立制造特征的數(shù)據(jù)庫，以此為標準，對從產(chǎn)品幾何模型中提取的特征與特征庫中的數(shù)據(jù)進行匹配，符合條件的作為制造特征；然后，針對參數(shù)化工藝實現(xiàn)的目標，結(jié)合火炮零件特點，對特征技術(shù)進行研究，總結(jié)出火炮零件設(shè)計特征與制造特征各自的特點；最后，通過制造特征的識別，制造特征在工藝設(shè)計過程中的作用，以及兩者之間的映射關(guān)系，從CATIA三維模型中讀取設(shè)計特征并進一步轉(zhuǎn)化為制造特征[7].本文在建立火炮零件工藝設(shè)計平臺特征知識庫、工藝知識庫、工藝決策規(guī)則庫的基礎(chǔ)上，研究用于實例推理的實例庫、實例原型庫和系統(tǒng)推理方法；針對火炮零件特點開展實用推理機研究工作，并通過火炮零件工藝決策專家系統(tǒng)實現(xiàn)基于制造特征的火炮零件工藝的快速編排，以提高工藝設(shè)計效率和水平.

制造特征提取過程一般可分為以下主要階段：①構(gòu)造零件特征數(shù)據(jù)庫，確定制造特征的數(shù)據(jù)，以便進行制造特征的搜索[8]；②將產(chǎn)品的幾何模型搜索和遍歷制造特征數(shù)據(jù)庫，與預(yù)先給定的制造特征相匹配；③從數(shù)據(jù)庫中提取已識別的特征；④確定產(chǎn)品特征參數(shù)；⑤生成制造特征的列表.

圖4 特征識別與提取的流程

對CAD模塊建立的零件設(shè)計幾何模型所要拾取的部分進行確定，獲取組成特征的相關(guān)信息，對提取的信息與特征數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行匹配，以確定零件的加工特征[9].特征識別與提取的流程如圖4所示.第一步，獲取當前文檔編輯器，并獲取相應(yīng)的文檔，然后獲取零件根容器及根容器中的第一個元素，獲取零件的句柄(與指針相似)，接著用獲得的句柄調(diào)用相關(guān)函數(shù)，進而遍歷零件的特征樹，找到零件幾何體，實例化對象，然后返回該對象，之后將該對象賦值給相關(guān)文檔，并將這個文檔初始化，獲取根容器；第二步，提取所有CATIPrtPart型特征，將其類型轉(zhuǎn)變成CATICkeParm型特征列表；最后一步，進入for循環(huán)，瀏覽該特征列表的參數(shù)信息，并與特征提取庫的特征比對，通過if語句進行判斷，若特征列表中參數(shù)信息與特征提取庫中參數(shù)信息相同，則提取該特征對應(yīng)的參數(shù)信息，若不同，則繼續(xù)瀏覽特征列表的參數(shù)信息，直到循環(huán)結(jié)束.

4 基于制造特征的工藝決策

火炮零件三維模型可分解為多個制造特征，每個特征按照其屬性可分為不同的類型.將涉及的特征提取后與制造特征庫已有特征的加工工藝相對應(yīng)，利用遺傳算法確定最優(yōu)加工順序，可制定出符合火炮零件制造特征的加工工藝路線及規(guī)程.對整個零件進行工藝決策，是一個復(fù)雜、多目標的綜合優(yōu)化過程，依靠常規(guī)方法難以實現(xiàn)智能化.利用推理技術(shù)解決三維零件工藝決策的設(shè)計專家系統(tǒng)可有效解決此類問題.在三維工藝庫設(shè)計基礎(chǔ)上，研究工藝決策系統(tǒng)推理機以及確定加工順序是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵.

工藝設(shè)計的實現(xiàn)采用特征驅(qū)動.每個制造特征包括形狀信息、精度信息、材料信息及工藝信息[10].它對應(yīng)一個加工方法鏈即多個工步.工藝設(shè)計就是根據(jù)這些加工方法,劃分工序,選擇機床、裝夾具，將這些工步?jīng)Q策排序，為每個工步的操作選擇刀具及各種加工參數(shù).建模結(jié)束后,所有信息被存放到數(shù)據(jù)庫中.特征模型中信息經(jīng)檢索推理,形成了加工順序的決策.

通過專家系統(tǒng)確定零件特征的最終加工工藝路線，設(shè)計優(yōu)化算法時主要考慮的一是優(yōu)先約束識別模式,二是加工順序選擇模式.零件的加工順序一般為：熱處理-粗加工階段-熱處理-半精加工階段-熱處理-精加工階段.零件加工過程遵循的原則為：①先基準后其他；②先主后次；③先面后孔；④先粗后精；④熱處理工序和輔助工序穿插其中[11].在CATIA系統(tǒng)中獲取零件的設(shè)計信息和零件特征的加工工藝要求，通過編寫接口程序，零件特征信息被統(tǒng)一儲存到零件信息庫中.工藝決策模塊首先從零件信息庫中獲取零件的特征信息[12]，然后通過工藝知識庫和基于遺傳算法的邏輯推理作用，得到零件各特征的加工方法，最后對加工方法建立約束，進行工藝排序優(yōu)化，在完成零件的工藝決策后輸出工藝文件.

4.1 智能工藝路線設(shè)計

智能式工藝設(shè)計是采用專家系統(tǒng)開發(fā)工具將火炮領(lǐng)域的專家知識填充到知識庫中，形成工藝路線設(shè)計專家系統(tǒng).首先，建立框架(框架主要包括零件名稱、毛坯信息、零件主要設(shè)計參數(shù)、零件結(jié)構(gòu)特征、加工方法推理、炮尾的表面加工和輸出結(jié)果)；其次，表達方法(它主要是用來控制推理過程的)；最后，建立規(guī)則(規(guī)則是選擇一種標準).用戶輸入毛坯的基本信息(毛坯形狀、毛坯材料)、零件的基本信息(基本尺寸、結(jié)構(gòu)特征等)、零件主要設(shè)計參數(shù)、加工方法等，通過知識推理得出工藝路線.其輸出結(jié)果以Word形式出現(xiàn).

4.2 工藝路線定制

工藝路線定制主要是針對工藝路線進行制定與維護，包括建立模版、管理子單元、屬性集定制.編輯工藝路線模板時，序號由系統(tǒng)自動生成，分類號為模板分類的序號，名稱、描述任意輸入.對話框右部從“子單元”到“刪除”按鈕都是用來修改模板組成的.組成單元的內(nèi)容為子單元或模板，直接從子單元或模板列表里選擇.組成單元的順序可以自由調(diào)換、刪除.工藝路線子單元管理模塊用來快速創(chuàng)建工藝路線的子單元.其功能可以在任意節(jié)點上實現(xiàn).通過上述工藝路線的設(shè)置和查詢，就可以完成工藝路線的定制.

4.3 工藝文件編輯與輸出

三維CAPP系統(tǒng)提供了友好的用戶界面和強大、方便的編輯工具.工藝人員通過它可快速、準確地完成工藝卡片的編制工作.編輯工藝卡片之前，必須在系統(tǒng)的“定制”模塊中定制好所需要的卡片模板.借助三維CAPP系統(tǒng)強大易用的工藝文件編輯功能，可以完成新建/打開工藝卡片和工藝規(guī)程、插入工程標注和特殊符號以及調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)等各項工作.利用系統(tǒng)的各種工具(如標注、特殊符號、字體、對齊方式、頁碼設(shè)置等)，對工藝卡片進行編輯，最終可完成三維產(chǎn)品工藝文件編輯，并將工藝文件按照要求排版輸出.

5 實例驗證

以某火炮炮尾為例，在利用CAA對CATIA的二次開發(fā)基礎(chǔ)上，運用參數(shù)化建模方法快速生成火炮炮尾三維模型.經(jīng)過CAA編程提取火炮炮尾的結(jié)構(gòu)特征信息，并分析火炮炮尾的制造特征信息.在設(shè)計智能式工藝路線時，首先創(chuàng)建零件名稱、毛坯信息、零件主要設(shè)計參數(shù)、零件結(jié)構(gòu)特征、加工方法推理、炮尾的表面加工和輸出結(jié)果信息庫，并且建立規(guī)則；然后定制火炮工藝路線，包括建立模板，管理子單元，屬性集定制；最后是工藝路線的編輯與管理，通過三維CAPP系統(tǒng)提供多工藝路線和子工藝路線編輯功能，調(diào)用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)表、編碼等模塊.通過這些步驟即可完成工藝決策的研究.

實例驗證表明，由火炮零件模型可以快速生成火炮零件工藝流程，為火炮零件的高質(zhì)量快速制造提供條件.

6 結(jié)束語

在研究制造特征的基礎(chǔ)上，通過CATIA二次開發(fā)建立火炮零件模型的參數(shù)化建模模板.該模板能夠?qū)⒘慵Ａ鞒坦袒c封裝，建立基于遺傳算法的火炮零件工藝決策邏輯推理機制，識別與提取火炮零件特征，利用CAPP技術(shù)確定加工路線，最終完成了火炮零件的加工工藝決策.實例驗證表明，該方法能高效穩(wěn)定地建立模型，確定零件的加工工藝路線，對后續(xù)的加工制造有著積極的意義.

[1] 許國玉,單忠臣,劉志強.回轉(zhuǎn)體零件特征建模及信息提取[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2002，23(6):106-109.

[2] 邱承勛.基于SolidWorks的外齒輪泵零部件參數(shù)化CAD系統(tǒng)開發(fā)[D].南京：南京林業(yè)大學(xué),2006.

[3] 楊歲權(quán),CATIA參數(shù)化設(shè)計在白車身焊裝夾具快速設(shè)計中的應(yīng)用[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用,2012(15):82-83.

[4] 杜寶江,丁咸海,朱晨旗，等.基于CATIA電氣元件庫的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2013，35(19):131-134.

[5] 張海燕,潘成欣.一種新型混沌遺傳優(yōu)化算法的研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,2006，36(4):555-558.

[6] 吳 卓,李田田.基于STEP的自動特征提取技術(shù)的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007，7(5):908-910.

[7] 曾芬芳,鄔 晶,嚴曉光.CAPP系統(tǒng)中三維制造特征提取關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機械制造與自動化,2010，39(1):124-126.

[8] 曹振宇. 基于MBD的零件可制造性評價方法研究[D].太原：中北大學(xué),2015.

[9] 王碧艷.基于UG環(huán)境下制造特征信息提取綜述[J].價值工程,2012，31(17):178-179.

[10] 張莉彥,王殿學(xué),王奎升.基于制造特征模型的工藝設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2008(4):79-81.

[11] 徐 迪.CAPP中智能工藝決策技術(shù)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué),2013.

[12] 蔡改貧,王國勇.分級推理方法在工藝流程創(chuàng)成中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2008(5):123-125.

Research on Process Decision Technology of Artillery Parts Based on Manufacturing Feature

LIANG Zhen-gang1,ZHU Jiang-ning2,ZHAO Hong-zhi1, LIU Ming3

(1.School of Equipment Engineering,Shenyang Ligong University, Shenyang 110159，China; 2.Department of Mathematics and Computer Science, Chaoyang Teachers College,Chaoyang 122000，China;3.School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159，China)

To simplify the process design of the complex structure of the gun parts and improve the efficiency and reliability of process design, a process decision making method of gun parts based on manufacturing feature is presented. Parametric modeling method is used to establish the model of gun parts and the genetic algorithm is used to make the reasoning of the process decision logic mechanism of the gun parts, and to identify & extract the features of the manufacturing process so as to quickly determine the process decision of the artillery parts. Taking gun cannon as example, the result shows that the process flow can be quickly generated by the gun parts model, which provides the basis for the processing and manufacturing of the artillery parts.

manufacturing features; artillery parts; process decision; genetic algorithm

2016-11-30

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項目(L2014076)

梁振剛(1973-)，男，河北遵化人，博士，副教授，研究方向為武器系統(tǒng)設(shè)計與仿真.

1006-3269(2017)01-0048-05

TJ3

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.01.010