基于約束關(guān)系圖的零件裝夾規(guī)劃

廉哲滿

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

零件的裝夾規(guī)劃是計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃的重要組成部分，它不僅決定了工藝規(guī)劃和夾具設(shè)計(jì)時(shí)零件的加工工藝，而且還決定了零件的加工質(zhì)量和成本.但由于裝夾決策的多因素和制造資源的多樣性，因此使得裝夾規(guī)劃問題較為復(fù)雜[1].目前，已有很多學(xué)者對(duì)零件裝夾規(guī)劃問題進(jìn)行了研究，并取得了較好的研究結(jié)果和相關(guān)應(yīng)用[2-5].在上述文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于約束關(guān)系圖的零件裝夾方案，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)生成裝夾規(guī)劃.

1 零件約束關(guān)系圖

在自動(dòng)形成零件裝夾規(guī)劃時(shí)，本文主要考慮兩種約束關(guān)系，即零件的刀具接近方向約束和幾何公差約束.零件的刀具接近方向約束和幾何公差約束均與零件的加工特征相關(guān)聯(lián).特征作為產(chǎn)品信息的載體是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造過程中自動(dòng)形成的.在工藝規(guī)程設(shè)計(jì)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)過程中可通過特征識(shí)別技術(shù)來(lái)提取和識(shí)別加工特征.加工特征主要包含的信息是特征的幾何信息和加工工藝所必要的信息[6].

1.1 刀具接近方向約束

刀具接近方向約束[7]是指在機(jī)床上加工零件時(shí)，刀具能夠加工零件特征的路徑.為了便于說(shuō)明，本文假設(shè)了一種具有不同加工特征的零件，并標(biāo)注了零件主要部位的尺寸，如圖1所示.

圖1 零件圖

分析和確定零件加工特征的刀具接近方向是制定裝夾規(guī)劃的首要任務(wù).由于零件上不同形狀的加工特征會(huì)產(chǎn)生不同的刀具接近方向，因此會(huì)產(chǎn)生不同的裝夾方案.即使是同一個(gè)加工特征，也可能會(huì)有多個(gè)刀具接近方向，并產(chǎn)生多種裝夾方案.因此，對(duì)于具有多個(gè)刀具接近方向的零件，如何選擇裝夾方案是優(yōu)化裝夾規(guī)劃的關(guān)鍵問題.根據(jù)零件圖(圖1)，本文設(shè)置的零件加工特征(F1、F2、F3、F4、F5、F6)和刀具接近方向(+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z)如圖2所示.

圖2 零件加工特征及6個(gè)刀具的接近方向

圖3為在零件上加工特征時(shí)刀具接近方向的約束關(guān)系圖.其中：標(biāo)有符號(hào)X、Y、Z的節(jié)點(diǎn)表示方向節(jié)點(diǎn)，即表示刀具接近的方向；標(biāo)有符號(hào)F的節(jié)點(diǎn)表示特征節(jié)點(diǎn)，即表示零件的加工特征；連線表示方向約束，即表示某特征在該方向有約束關(guān)系.表1為具有約束關(guān)系的加工特征信息.由圖3可以看出，特征F2和F6只有一個(gè)刀具接近方向，而其他特征有多個(gè)刀具接近方向.為了保證裝夾方案的最優(yōu)化，本文將具有相同刀具接近方向的特征安排在同一個(gè)裝夾方案的特征集中，并使其中的某一個(gè)裝夾方案擁有最多的加工特征.

圖3 刀具接近方向的約束圖

表1 不同刀具接近方向的加工特征

1.2 零件的幾何公差約束

零件的幾何公差是指零件加工時(shí)零件的形狀和位置的公差，是加工零件的重要約束信息.幾何公差對(duì)零件的裝夾方案具有重要影響，且具有嚴(yán)格位置公差要求的加工特征應(yīng)保證其在一次裝夾中完成加工，以滿足其位置精度.根據(jù)圖1可知，幾何公差約束關(guān)系可用圖4表示.圖4中，節(jié)點(diǎn)分別用于表示加工特征(F)和基準(zhǔn)特征(A、B、C等)，連線表示某個(gè)公差特征，如位置度、平行度等公差約束.

圖4 零件的幾何公差約束圖

2 零件的裝夾規(guī)劃

本文基于屬性鄰接圖(AAG)[8]的建立方法，通過合并刀具接近方向和零件幾何公差約束關(guān)系圖來(lái)生成裝夾規(guī)劃方案，如圖5所示.圖5中，節(jié)點(diǎn)表示加工特征(F)和刀具接近方向(X、Y、Z)，連線表示刀具接近方向約束和幾何公差約束.刀具接近方向約束關(guān)系用“1”表示，公差約束用公差值表示.為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)算法，本文采用鄰接矩陣的方式表示圖5，如表2所示.表2中，“1”表示某加工特征在給定的刀具接近方向上具有加工的可能性；“0”表示不具有加工的可能性；其他數(shù)值表示加工特征之間的幾何公差要求.

圖5 基于約束的裝夾方案

表2 鄰接矩陣

本文提出的裝夾規(guī)劃的核心思想是將具有相同刀具接近方向的加工特征編組在同一個(gè)裝夾方案中，并使其擁有最大的加工特征數(shù).若某些特征同屬其他裝夾方案，可通過比較幾何公差約束對(duì)其進(jìn)行篩選，然后將具有相同刀具接近方向和幾何公差約束的加工特征編組在同一個(gè)裝夾方案中.基于上述思想，本文首先在相同刀具接近方向的特征集中生成如圖6所示的裝夾最初方案，以此保證加工特征間的幾何公差要求；然后在確保幾何公差要求和能夠使同一個(gè)裝夾方案中的特征數(shù)保持最多的前提下，通過篩選生成裝夾的最優(yōu)方案，如圖7所示.

圖6 裝夾的最初方案

(a)裝夾方案1 (b)裝夾方案2

3 結(jié)論

本文提出的基于刀具接近方向和幾何公差約束圖的零件裝夾規(guī)劃，能夠?qū)崿F(xiàn)裝夾規(guī)劃的最佳化，可為計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)中的零件裝夾規(guī)劃提供參考.本文在研究中只考慮了零件在一臺(tái)加工中心切削加工時(shí)的裝夾方案，因此在今后的研究中將考慮零件在多臺(tái)機(jī)床加工時(shí)的優(yōu)化方案，以更好地實(shí)現(xiàn)多種制造資源的優(yōu)化配置.