航空機(jī)載企業(yè)基于零件工藝編碼的相似工藝智能推送研究

王永鵬 石曉飛 丁東旭 徐偉 南博儒

摘要：多品種、小批量和變狀態(tài)的航空機(jī)載企業(yè)，在“訂單周期越來越緊，品質(zhì)要求越來越高，需求變化越來越頻”的形勢下，工藝設(shè)計的效率及質(zhì)量都已無法滿足新品快速制造的需求，工藝設(shè)計經(jīng)驗與知識無法得到繼承和重用。針對企業(yè)目前工藝設(shè)計存在的普遍問題，提出了基于零件工藝編碼的相似工藝推理達(dá)到快速工藝設(shè)計目標(biāo)的研究。文章研究了零件工藝編碼方法，建立了零件工藝層次分析模型、相似度計算模型和優(yōu)劣解距離法計算模型，實現(xiàn)了零件工藝編碼、零件工藝庫以及相似工藝智能推理的管理，并高度集成至PLM/CAPP系統(tǒng)，實現(xiàn)了相似零件工藝的智能推送，大幅度提高了工藝設(shè)計的效率及質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：零件工藝編碼；工藝設(shè)計；相似度；特征；筒體

1 引言

在當(dāng)前“訂單周期越來越緊，品質(zhì)要求越來越高，需求變化越來越頻”的形勢下，工藝作為設(shè)計與制造的橋梁，工藝設(shè)計如何快速響應(yīng)，滿足要求，提高效益，是航空機(jī)載企業(yè)面臨的普遍難題。航空機(jī)載產(chǎn)品大多具有多品種、小批量、變狀態(tài)和高離散的特點，具體表現(xiàn)為零件品種多、產(chǎn)品類型雜；制造工藝復(fù)雜、制造流程長、過程離散；新研產(chǎn)品頻繁的技術(shù)變更、問題協(xié)調(diào)和產(chǎn)品實物制造過程的反復(fù)迭代，在此背景下工藝設(shè)計工作量大，需要提升工藝設(shè)計效率與質(zhì)量。航空機(jī)載企業(yè)工藝設(shè)計過程普遍存在同類型零件工藝設(shè)計結(jié)果重用率低、大量經(jīng)驗知識及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)無法得到有效利用、工藝方案主要靠人工決策、工藝設(shè)計過程嚴(yán)重依賴人和工藝自動化水平低等問題，造成工藝設(shè)計的整體效率與質(zhì)量不高。國內(nèi)外不少學(xué)者、科研機(jī)構(gòu)應(yīng)用成組技術(shù)原理，研究零件分類編碼技術(shù)，通過創(chuàng)成式、派生式工藝設(shè)計的思想解決工藝知識重用以及工藝自動化，如國外較為成熟的VUOSO、OPITZ和KK-3等零件分類編碼系統(tǒng)，國內(nèi)的JLBM-1零件分類編碼系統(tǒng)等，但應(yīng)用范圍有限，適用于結(jié)構(gòu)相對簡單、規(guī)則的零件[1]。針對零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空機(jī)載企業(yè)，應(yīng)用效果不明顯。本文提出了一種解決復(fù)雜零件加工工藝推理的方案。以零件結(jié)構(gòu)、材料和特征為主的全新零件工藝編碼技術(shù)，基于零件工藝編碼的相似度算法，實現(xiàn)相似工藝的自動推送，供工藝人員選用，降低工藝的工作量，提高工藝設(shè)計的效率與質(zhì)量，滿足航空機(jī)載企業(yè)零件工藝設(shè)計的需求。

2 航空機(jī)載零件工藝編碼方法

廣義上講，針對制造資源相對穩(wěn)定的企業(yè)，零件的結(jié)構(gòu)、材料和特征是影響零件制造工藝的主要因素?；诖耍慵に嚲幋a由結(jié)構(gòu)編碼、材料編碼和特征編碼三部分組成，采用混合編碼（固定碼加隨機(jī)碼）的方式，其中結(jié)構(gòu)編碼、材料編碼為固定碼，能夠通過編碼確定其結(jié)構(gòu)分類或材料分類，特征編碼為隨機(jī)碼，其含義可通過編碼在數(shù)據(jù)庫查詢出包含哪些特征。從編碼規(guī)則可以看出編碼表征了零件的結(jié)構(gòu)、材料及特征信息，以航空筒體零件為例的工藝編碼的定義具體見表1，筒體零件的特征共28種，編碼時用0、1表示該零件是否包含此特征[2]。基于這種零件工藝編碼方法將影響工藝設(shè)計主要要素的數(shù)字化表征，具有良好的可擴(kuò)展性，實現(xiàn)了“以最短的代碼實現(xiàn)最大的含義”，計算機(jī)系統(tǒng)能夠快速識別并計算[3]。相比國內(nèi)外比較著名的編碼系統(tǒng)，如德國OPITZ、日本KK-3和中國JLBM-1系統(tǒng)的工藝編碼方式，突破了橫向環(huán)節(jié)編碼位數(shù)受限（16進(jìn)制），以及縱向分類編碼位數(shù)受限制（10位）的技術(shù)難點，有效解決航空復(fù)雜零件用傳統(tǒng)工藝編碼存在分類編碼標(biāo)志不全導(dǎo)致零件無法確切地分類編碼的問題，為工藝設(shè)計應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。

3 基于零件工藝編碼的相似工藝智能推送原理及實現(xiàn)過程

基于零件工藝編碼的相似工藝推理主要是以零件工藝編碼為數(shù)據(jù)元，通過實例推理（CBR）的方式計算目標(biāo)零件實例與庫實例的整體相似度，從而推理出與目標(biāo)零件工藝相似的實例零件工藝[4]。零件工藝相似度算法的關(guān)鍵是構(gòu)建基于零件編碼的層次分析模型，確定影響零件工藝方案及方法的主要要素。算法核心為基于層次分析法模型，首先確定零件工藝整體相似度計算模型，各層要素的局部相似度的數(shù)據(jù)類型和計算方法，然后通過層次分析法（AHP）、優(yōu)劣解距離法（TOPSIS）等方法確定各層要素的權(quán)重，最后通過整體相似度計算模型計算出目標(biāo)零件與零件工藝庫中的所有零件的工藝相似度，自動將相似度零件、相似度值及關(guān)聯(lián)的工藝規(guī)程推送至PLM/CAPP工藝設(shè)計端供工藝人員復(fù)用，具體過程如圖1所示。

4 基于零件工藝編碼智能推送的分析模型和相似度算法模型

4.1 基于零件工藝編碼的層次分析模型

一個工藝過程通常由一組工序經(jīng)過有序排列構(gòu)成，影響工序數(shù)量和順序的因素有很多，針對航空機(jī)載零件特點，建立以零件結(jié)構(gòu)、材料和特征為影響因素的層次分析模型。零件結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)零件的分類信息，零件材料主要影響工序的排列順序，零件特征主要影響工序的順序、加工方法等。

層次分析方法（AHP）是一種系統(tǒng)評價方法，可以有效處理那些難以用定量方法來解決復(fù)雜問題的一種方法，其基本思想在于將復(fù)雜問題分解成若干層次，通過比較若干因素對于同一目標(biāo)的影響，把專家的主觀判斷用數(shù)量的形式表達(dá)和處理，從而確定出各因素權(quán)重的一種方法[5-6]。利用AHP對影響零件工藝方案及方法的主要影響因素進(jìn)行分析，按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和明細(xì)層進(jìn)行排列分組，有機(jī)結(jié)合零件工藝編碼結(jié)構(gòu)構(gòu)建層次層析模型[7]?；诹慵に嚲幋a的層次分析模型如圖2所示。

4.2 基于零件編碼的實例相似度計算模型

4.2.1 整體相似度SIM（G，E）

根據(jù)層次分析模型確定基于零件編碼的實例相似度計算模型，基于零件編碼的實例相似度計算模型是通過采用帶權(quán)值的最近鄰近算法計算，則整體相似度SIM（G，E）為

4.2.2 確定準(zhǔn)則層影響因素的局部相似度f （gi，ei）

結(jié)構(gòu)相似度fstr （gi，ei），通過專家打分確定，相似度打分由打分人員直接給出兩兩之間的相似度，其中打分取值范圍0～1分，0代表沒有相似性，1代表完全一致，具體如圖3所示。

材料相似度fmat （gi，ei），與結(jié)構(gòu)相似度方法相同，通過專家打分確定。

5 基于零件工藝編碼的相似工藝智能推送應(yīng)用

基于零件工藝編碼的相似工藝智能推送的模型及具體方法在企業(yè)筒體類零件加工工藝決策中得到了驗證和應(yīng)用。根據(jù)零件的特點，對零件進(jìn)行了分類，開發(fā)了零件工藝編碼工具，包括零件定義分類、特征定義和編碼規(guī)則定義等功能，通過編碼建立了零件工藝編碼庫。如圖5所示。基于零件工藝編碼庫，開發(fā)了相似工藝智能推送系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含了相似度算法、零件工藝庫和工藝決策等模塊。其中，相似度算法模塊獲取零件工藝編碼庫中編碼并完成相似度計算，生成與目標(biāo)零件的相似度計算值列表；零件工藝庫模塊實現(xiàn)零件工藝的管理；工藝決策模塊獲取零件相似度計算值、零件工藝庫中的相關(guān)聯(lián)的零件工藝；以及按照相似度值由高至低展示零件工藝等功能。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用驗證，基于零件工藝編碼的相似度算法能夠推送與目標(biāo)零件相似的工藝，實現(xiàn)工藝決策過程的自動化。

6 結(jié)束語

文章提出了基于零件工藝編碼的相似工藝智能推送的方法，研究分析該方法的基本原理及具體實現(xiàn)過程，并結(jié)合航空機(jī)載企業(yè)筒體零件的工藝設(shè)計實例，重點對零件工藝編碼方法、基于零件工藝編碼的層次分析模型、相似度計算模型和優(yōu)劣解距離法等支撐零件相似工藝智能推送的使能技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。通過在企業(yè)中的PLM/CAPP系統(tǒng)中應(yīng)用驗證，證明該方法容易實現(xiàn)相似工藝的自動決策，決策效率高，真正意義地實現(xiàn)了快速工藝設(shè)計。滿足了工藝快速準(zhǔn)備需求。這種方法特別適用于多品種、小批量以及變狀態(tài)的離散型的航空機(jī)載企業(yè)。

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