基于典型工序MBD模型的工藝路線決策研究

辛宇鵬，王剛鋒，張 琪，許曉明

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西西安 710064；3.甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅蘭州 730050）

1 引言

隨著三維數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)二維數(shù)字化工藝設(shè)計模式向三維數(shù)字化工藝設(shè)計模式轉(zhuǎn)變在所難免。傳統(tǒng)制造模式是以物理樣機(jī)為試驗驗證為基礎(chǔ)，而三維數(shù)字化制造模式是基于三維數(shù)字樣機(jī)虛擬仿真試驗。與前者相比，其主要優(yōu)勢在于它的三維模型表達(dá)能讓工藝人員更清楚理解設(shè)計意圖，智能化程度更高。在航空制造領(lǐng)域，美國波音公司最先研究了飛機(jī)數(shù)字化制造模式，并推行了一種新型技術(shù)—MBD技術(shù)（Model-Based Definition）。該技術(shù)的核心思想在于全三維基于特征的表述方法，基于文檔的過程驅(qū)動，過程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等[1-2]。MBD技術(shù)的出現(xiàn)有力推動了傳統(tǒng)制造模式向三位數(shù)字化制造模式的轉(zhuǎn)型升級。然而，三維數(shù)字化工藝設(shè)計模式不但需要研究全新的基于三維模型的產(chǎn)品工藝設(shè)計模式，相應(yīng)的生產(chǎn)組織方式，生產(chǎn)管理模式都需要重新規(guī)劃。文獻(xiàn)[3]研究了基于MBD技術(shù)的是三維標(biāo)注方法，并以全三維CAPP系統(tǒng)為平臺，驗證了規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則。文獻(xiàn)[4]研究了MBD技術(shù)支持下的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計和協(xié)同信息表達(dá)。文獻(xiàn)[5]基于MBD技術(shù)構(gòu)建了MBD標(biāo)準(zhǔn)體系并對基于模型的三維表達(dá)技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]以企業(yè)應(yīng)用為背景，研究了MBD模型下的三維可視化技術(shù)。隨著數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)的融合，與工藝決策和優(yōu)化的課題被廣泛關(guān)注。工藝路線的設(shè)計是整個工藝設(shè)計的核心，工藝路線安排是否合理將直接決定工藝設(shè)計方案的可行性和生產(chǎn)加工效率。采用計算機(jī)輔助手段實現(xiàn)工藝路線自動決策，是長期以來學(xué)者們研究的重點。早期，加工序列的規(guī)劃和優(yōu)化的基本思路是將人工經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可識別的工藝知識，在工藝知識庫的支持下，采用決策和優(yōu)化算法進(jìn)行計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃。其發(fā)展歷程了多個階段，如傳統(tǒng)的派生式?jīng)Q策，生成式?jīng)Q策，再到融合知識和規(guī)則的工藝決策。國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究工作，成果豐碩。

基于上述研究成果并考慮其中尚待解決的問題，通過借鑒MBD 技術(shù)思想，在加工特征分類的基礎(chǔ)上，構(gòu)建典型工序MBD模型，并通過特征編碼實現(xiàn)“特征—模型”之間的檢索匹配，以“工藝—工序—工步—加工元”的遞進(jìn)關(guān)系正向演繹推理生成工藝路線。為三維數(shù)字化制造環(huán)境下工藝路線自動決策，提供了一種新的思路，以減少不必要的加工方法和決策步驟，簡化工藝路線決策過程。

2 典型工序MBD模型的相關(guān)定義

傳統(tǒng)二維數(shù)字化工藝設(shè)計模式下，典型工藝是指針對具有相似結(jié)構(gòu)、相近尺寸和類似加工特征的一組零件，編制、總結(jié)出的一套完整工藝規(guī)程，用以指導(dǎo)設(shè)計新工藝。工藝信息主要以工藝卡片的形式表示，工藝卡片通常根據(jù)功能劃分不同的固定區(qū)域（如：視圖區(qū)、表格區(qū)等），通過給區(qū)域數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)字段，實現(xiàn)工藝信息的自動提取或填寫。然而，在三維數(shù)字化機(jī)加工藝設(shè)計模式下，工藝信息的載體由二維工藝卡片變成了三維模型，因此，典型工藝從工藝信息表示形式和數(shù)據(jù)提取方式上，都有別于傳統(tǒng)模式，為了表述需要，對相關(guān)概念進(jìn)行重新定義。

定義1.典型工藝MBD模型由一組工序MBD模型構(gòu)成，用來統(tǒng)一表達(dá)具有相似結(jié)構(gòu)要素、尺寸相近的零件族的加工工藝，同一零件族內(nèi)的零件具有類似的工藝特征和加工工藝路線。

定義2.工藝決策規(guī)則是工藝經(jīng)驗的一種計算機(jī)語言表達(dá)形式，由類似“if…then…”的條件判斷語句構(gòu)成，在計算機(jī)輔助工藝決策中，通常用來表達(dá)針對某一工藝問題的解決方法。

定義3.典型工序MBD模型是在典型工藝MBD模型和特征分類基礎(chǔ)上進(jìn)一步提煉和總結(jié)出的、具有較強(qiáng)代表性的工序MBD模型，用來統(tǒng)一表達(dá)針對某一類加工特征通常采用的加工方案。

根據(jù)定義可將典型工序MBD模型表示為：

式中：TIPMGeo—典型工序三維幾何模型；

TBasicInfo—典型工序MBD模型基本屬性；

DRule—工藝決策規(guī)則。

定義4.加工元是以加工特征為核心的工藝信息集合，是描述特征加工過程的最小單位。其內(nèi)容包括特征信息、加工方法以及加工該特征所需的機(jī)床、夾具、刀具、量具等制造資源信息、切削參數(shù)和刀具運動模式等。加工元信息模型數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

式中：fi—加工元對應(yīng)的加工特征對象；

MPij—特征fi對應(yīng)的加工方法；

MRij—加工特征fi對應(yīng)的制造資源和切削參數(shù)；

TAD—刀具可進(jìn)刀方向（Tool Approach Direction），即刀具的運動模式。

一個零件的全部加工元構(gòu)成該零件的加工元集合，表示為：

定義5.加工鏈?zhǔn)窃谶_(dá)到技術(shù)要求的前提下，完成一個加工特征的工藝路線。一個加工鏈?zhǔn)桥c具體加工特征相關(guān)的典型工序序列，如：“鏜孔—粗鏜孔—精鏜孔”表示一個簡單的孔加工鏈。

3 典型工序MBD模型的構(gòu)建

3.1 幾何加工特征介紹

典型機(jī)加工序是機(jī)加工藝知識的重要組成部分。通常機(jī)加工序以加工特征為基本單位，描述工序加工區(qū)域，表達(dá)加工過程完成的結(jié)果。根據(jù)構(gòu)成零件幾何形狀的主次關(guān)系，可將加工特征分為主特征和輔助特征。主特征主要包括：基本輪廓特征（立方體、圓柱體），凸臺特征（圓柱凸臺、多邊形凸臺），孔特征等。輔助特征是在主特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充、完善，用以完整表達(dá)零件的總體特征。主要有：過渡特征、螺紋和齒類特征等。除了加工特征，機(jī)加工序信息還包括機(jī)床/工裝、切削參數(shù)和工步加工信息等。其中，工步加工信息是指刀具進(jìn)刀方向和走刀路徑信息。

3.2 工藝知識的表達(dá)方式

工藝知識表示就是將工藝知識以一種計算機(jī)可接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述的方法，表示過程是把知識編碼成某種計算機(jī)可識別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的過程[7]，知識表示形式?jīng)Q定推理方法和決策邏輯。為了將上述工藝知識表示為一種計算機(jī)可接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，此處采用產(chǎn)生式規(guī)則表示法[8-9]將工藝決策過程在計算機(jī)內(nèi)部的處理方式表示為：“條件判斷+語句執(zhí)行”。通常描述為：“IF A，THEN B”。其中，A是指前提條件，可以是任何子句的邏輯組合；B是決策結(jié)論部分，可以是陳述性結(jié)論或一個具體操作，或是多個結(jié)論與操作的組合。為了方便實現(xiàn)推理過程算法化，將各個規(guī)則子集按照語義的英文縮寫形式分別進(jìn)行標(biāo)記，部分子規(guī)則示例如下：

式中：DRuleMe—加工方法選擇規(guī)則；

DRuleDev—機(jī)床選擇規(guī)則；

DRuleTol—刀具選擇規(guī)則。

為了構(gòu)建典型工序MBD模型，我們將加工特征與工藝知識的匹配簡化為加工特征與典型工序MBD模型的匹配過程，達(dá)到提高工藝決策效率的目的。

為了便于信息的存儲和提取，采用加工元這一信息實體作為描述典型工序的基本單位，并采用屬性定義和規(guī)則關(guān)聯(lián)的方式，將加工元和決策規(guī)則與工序三維模型關(guān)聯(lián)，構(gòu)成典型工序MBD模型，如圖1所示。

圖1 典型工序MBD模型構(gòu)建流程Fig.1 Construction Process of Typical Process MBD Model

4 工藝路線決策與優(yōu)化過程

4.1 工藝路線決策單元

工藝路線決策是在明確零件所有加工特征和技術(shù)要求的情況下，按照工藝學(xué)原則和優(yōu)化指標(biāo)（加工效率和經(jīng)濟(jì)性等）建立約束條件，結(jié)合工藝決策邏輯和推理算法合理安排零件加工序列的過程。加工特征是工藝路線決策的主要依據(jù)，為了便于工藝知識的獲取，以典型工序MBD 模型為基礎(chǔ)，定義和存儲典型工序信息，并將工藝決策規(guī)則與典型工序MBD模型關(guān)聯(lián)。將加工元作為描述典型工序的最小單位，通過特征與典型工序MBD模型匹配、加工元提取/合并、工序生成/優(yōu)化排序三個階段的決策和優(yōu)化，生成新的工藝路線，如圖2所示。

圖2 工藝路線決策與優(yōu)化過程Fig.2 Procedure of Process Route Decision and Optimization

4.2 工藝路線決策的推理算法

為了便于上述推理過程的計算機(jī)實現(xiàn)，設(shè)計了工藝路線推理算法。該算法分為兩個階段：加工特征與典型工序MBD模型匹配階段和工藝決策正向演繹推理階段，如圖3所示。

圖3 基于典型工序MBD模型的工藝路線推理算法Fig.3 A Process Route Reasoning Algorithm Based on Typical Process MBD Model

為便于零件特征信息的計算機(jī)識別，根據(jù)特征分類對加工特征進(jìn)行編碼，工藝路線決策時將零件設(shè)計MBD模型中包含的加工特征編碼信息作為算法的初始輸入，通過特征編碼查詢匹配對應(yīng)的典型工序MBD模型，構(gòu)成典型工序MBD模型備選集。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步推理，具體步驟如下：

步驟1.讀入加工特征信息（特征編碼）；

步驟2.檢索包含該特征編碼的TIPM；

步驟3.遍歷TIPM備選集，判斷是否滿足加工特征的工藝要求，滿足則執(zhí)行步驟4，不滿足，執(zhí)行步驟5；

步驟4.標(biāo)記為目標(biāo)工序；

步驟5.判斷是否遍歷完TIPM備選集，未完成則返回步驟3，完成則執(zhí)行步驟6；

步驟6.執(zhí)行工序優(yōu)化選擇算法；

步驟7.生成優(yōu)化TIPM集合；

步驟8.遍歷優(yōu)化TIPM集合，提取全部加工元；

步驟9.執(zhí)行合并規(guī)則，合并加工元形成工序；

步驟10.根據(jù)優(yōu)先級約束進(jìn)行工序排序；

步驟11.推理結(jié)束。

5 實例分析

本節(jié)將以某型號飛機(jī)雙面大框結(jié)構(gòu)件的三維數(shù)字化工藝設(shè)計實例說明工藝路線的設(shè)計與優(yōu)化過程。工藝路線的設(shè)計與優(yōu)化以工藝設(shè)計導(dǎo)航器為交互應(yīng)用界面，其過程可分為接收工藝任務(wù)、獲取基本工藝信息、提取加工特征、工藝路線決策與優(yōu)化四個部分。

5.1 接收工藝任務(wù)

在工藝路線設(shè)計時，首先需要接收工藝設(shè)計任務(wù)，獲取設(shè)計MBD 模型。工藝人員在TC中接收設(shè)計部門下發(fā)的飛機(jī)雙面大框設(shè)計MBD模型，進(jìn)入UG-CAPP系統(tǒng)，進(jìn)行三維數(shù)字化工藝設(shè)計，過程，如圖4所示。

圖4接收工藝設(shè)計任務(wù)Fig.4 Acceptance of Process Planning Tasks

5.2 獲取基本工藝信息

零件基本工藝信息來源于設(shè)計MBD模型，內(nèi)容主要包括工藝代號、零件名稱、零件編號、工藝版次和材料牌號等信息。為了方便對零件基本工藝信息的瀏覽、編輯，采用加工元自動獲取方法原理，通過對UG進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)了基于三維模型的工藝信息自動獲取，以減少人機(jī)交互輸入信息的步驟、提高工藝設(shè)計自動化程度。

5.3 提取加工特征

本系統(tǒng)主要以人機(jī)交互選擇和定義幾何型面的方式提取加工特征信息，分為三個步驟：

（1）選擇零件幾何模型；

（2）選擇加工特征幾何型面；

（3）確定所選加工特征類型。

加工特征信息提取完成后，輸出加工特征的識別結(jié)果，并生成XML文件，作為信息傳遞的基礎(chǔ)，如圖5所示。

圖5 加工特征信息提取結(jié)果Fig.5 Extraction Results of Processing Feature Information

5.4 工藝路線決策與優(yōu)化過程

工藝路線的決策與優(yōu)化分為兩步完成，第一步是根據(jù)加工特征信息進(jìn)行加工鏈的決策與優(yōu)化，得到與零件設(shè)計MBD模型中加工特征匹配的典型工序MBD模型；第二步是根據(jù)特征約束規(guī)則、加工元合并/排序規(guī)則，生成工藝路線?！凹庸ゆ湜Q策結(jié)果”一欄所示，系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化算法的計算，將最優(yōu)加工鏈顯示在“最終加工方案”一欄，從而實現(xiàn)了對工藝路線的優(yōu)化，如圖6所示。

圖6 加工鏈決策與優(yōu)化界面Fig.6 Interface of Decision-Making and Optimizing in Machining Process Chain

工藝路線的決策以加工鏈為基礎(chǔ)，通過自動提取加工鏈中典型工序MBD 模型信息，生成工藝路線信息列表，如圖7所示。系統(tǒng)根據(jù)特征約束規(guī)則、加工元合并/排序規(guī)則，決策生成工藝路線，如圖8所示。工藝人員可在此工藝路線的基礎(chǔ)上，人機(jī)交互添加輔助工序，完成最終工藝路線的設(shè)計。

圖7 工藝路線信息列表Fig.7 Process Route Information List

圖8 工藝路線設(shè)計界面Fig.8 Interface of Process Route Design

6 結(jié)論

在對典型工序MBD模型開展相關(guān)定義基礎(chǔ)上，通過制訂正向演繹推理和分層次深度遍歷檢索相結(jié)合的工藝路線推理策略，實現(xiàn)了MBD模型的構(gòu)建。依據(jù)相關(guān)工藝知識和工藝路線推理算法，對工藝路線決策和優(yōu)化過程進(jìn)行了研究。結(jié)合飛機(jī)雙面大框結(jié)構(gòu)件加工實例，通過特征與典型工序MBD模型匹配、加工元提取/合并、工序生成/優(yōu)化排序三個階段對工藝路線進(jìn)行決策和優(yōu)化，簡化了工藝路線推理過程，保證了工藝路線推理結(jié)果更具客觀性、合理性。