轉(zhuǎn)向架構(gòu)架快速工藝設(shè)計系統(tǒng)研究與開發(fā)*

楊欣雨，馬術(shù)文，丁國富，穆俊強，付玉龍

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架快速工藝設(shè)計系統(tǒng)研究與開發(fā)*

楊欣雨，馬術(shù)文，丁國富，穆俊強，付玉龍

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031)

在對零件特征分解、加工特征與工藝信息映射、特征參數(shù)傳遞技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合變異設(shè)計和工藝模板的思想提出一種基于特征的工藝文件快速設(shè)計方法。以設(shè)計特征和工藝特征作為產(chǎn)品進行工藝設(shè)計的基本單元，并作為工藝設(shè)計相似性的評判依據(jù)，快速工藝設(shè)計系統(tǒng)調(diào)用相似性極高的零件的工藝模板進行變異設(shè)計，以生成新的零件的工藝文件。文章以某高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為對象，開發(fā)了一套快速工藝設(shè)計及文件生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效提高構(gòu)架的加工工藝設(shè)計效率，縮短工藝編制時間，改善工藝文件的設(shè)計質(zhì)量。

工藝特征；工藝文件生成；變異設(shè)計；工藝模板

0 引言

工藝文件是連接產(chǎn)品設(shè)計和制造的紐帶，工藝文件的編制是一項較為復(fù)雜的工作，嚴重依賴于工藝設(shè)計人員的個人經(jīng)驗，導(dǎo)致目前工藝文件難以統(tǒng)一規(guī)范，文件編制效率低下等問題，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本，從而對企業(yè)的生產(chǎn)效益造成影響[1]。高速列車譜系化技術(shù)要求定制個性化的、能夠滿足各種工況要求的高速列車，需要工藝設(shè)計系統(tǒng)做出快速響應(yīng)，快速編制工藝文件，適應(yīng)產(chǎn)品快速研發(fā)的要求。

目前，在CAPP(Computer Aided Process Planning,計算機輔助工藝過程設(shè)計)系統(tǒng)理論相關(guān)研究中，孫朝陽闡述了基于產(chǎn)品的CAPP的內(nèi)涵、功能和信息模型等，為實施CAPP系統(tǒng)提供了理論方法[2]。朱志明提出CAPP系統(tǒng)研發(fā)中強調(diào)人機交互的方法，兼顧專業(yè)化和通用化，柔性和集成性并重的思想原則[3]。以上的研究僅停留在理論分析階段，闡述了一些指導(dǎo)方法，沒有將其運用到實際工程中。樊偉[4]和任紹川[5]開發(fā)了軸類零件的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)，但零件加工工藝設(shè)計的創(chuàng)成式方法不適用于工藝復(fù)雜且重用率高的列車轉(zhuǎn)向架。GuoweiLan[6]和王飛飛[7]采用典型工藝重用的思想研發(fā)CAPP系統(tǒng)，著重針對工藝模板的使用進行了研究，沒有深入研究信息傳遞的機制，未能很好的實現(xiàn)設(shè)計與工藝的連接。Jiangtao Cui[8]和徐鴻翔[9]分別對Solid Edge和EXCEL進行二次開發(fā)得到CAPP系統(tǒng)，開發(fā)的CAPP系統(tǒng)嚴重依賴于第三方軟件，使用過程中具有一定的局限性。

結(jié)合上述理論和實際應(yīng)用的研究成果，以工藝特征為基礎(chǔ)，建立工藝特征信息模型，研究設(shè)計特征與工藝特征之間參數(shù)傳遞的方法以及特征與工藝信息的映射技術(shù)，在相似性匹配的基礎(chǔ)上調(diào)用工藝模版快速生成工藝文件，從而提高工藝文件編制的效率和質(zhì)量。

1 快速工藝設(shè)計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向架是高速列車研發(fā)過程中的核心和關(guān)鍵部件，由構(gòu)架、牽引裝置、制動裝置、減震裝置等零部件組裝而成。構(gòu)架作為整個轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)件，對高速列車的性能產(chǎn)生重要的影響，研發(fā)過程中需要設(shè)計構(gòu)架焊接后的機械加工工藝文件。相同譜系的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的結(jié)構(gòu)和工藝具有一定的相似性，相似的構(gòu)架其工藝規(guī)程也具有一定的相似性。在加工特征工藝相似性評判的基礎(chǔ)上，采用設(shè)計重用的方法，利用現(xiàn)有的工藝模板或者實例，通過對模板或?qū)嵗に囈?guī)程進行編輯和修改，生成新的工藝文件，達到快速設(shè)計新零件工藝的目的。在工藝文件設(shè)計過程中利用特征與工序的關(guān)聯(lián)及特征與工藝參數(shù)的信息傳遞，可以進一步提高工藝文件的設(shè)計效率。

系統(tǒng)采用客戶機/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的存儲管理均采用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，選取面向?qū)ο蟮?、運行于NET Framework1.1之上的編程語言C#為系統(tǒng)開發(fā)語言。研發(fā)的快速工藝設(shè)計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括以下五個功能模塊：系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊、工藝數(shù)據(jù)庫管理模塊、工藝文件管理模塊、工藝快速設(shè)計模塊、工藝文件生成模塊。

圖1 快速工藝文件設(shè)計系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 零件信息描述與管理

2.1 工藝數(shù)據(jù)管理

利用工藝文件的相似性進行工藝的快速設(shè)計和文件的快速生成，需要大量的工藝數(shù)據(jù)支持。工藝數(shù)據(jù)管理模塊一方面存儲、管理和維護工藝數(shù)據(jù)庫，另一方面通過工藝數(shù)據(jù)庫和各功能模塊之間的接口，實現(xiàn)各功能模塊對工藝數(shù)據(jù)庫的調(diào)用。

在深入分析某軌道客車股份有限公司的系列型號轉(zhuǎn)向架構(gòu)架加工工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計了快速工藝文件生成系統(tǒng)的工藝數(shù)據(jù)庫，工藝數(shù)據(jù)庫由四個方面的數(shù)據(jù)構(gòu)成：①工藝資源庫，包括工藝設(shè)計需要的設(shè)備、工裝、以及基礎(chǔ)工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)；②工藝文件模板庫，存儲工藝設(shè)計需要的標準工藝模板；③特征數(shù)據(jù)庫，存儲構(gòu)架的各級標準化的設(shè)計特征及加工特征；④標準工藝庫，存儲和加工特征對應(yīng)的標準工序和工步，以及標準的構(gòu)架工藝路線和工藝規(guī)程。

2.2 特征信息模型分析

零件可以分解為特征，從設(shè)計的角度，零件的設(shè)計特征應(yīng)該包含零件的幾何形狀和拓撲關(guān)系等設(shè)計信息；從工藝的角度，零件的加工特征所包含的信息就要豐富得多，除了必要的幾何信息外，還包含加工方法、加工尺寸、加工精度、表面粗糙度以及材料、工裝等工藝信息。相似的零件可以具有相同或相似的特征，可以共享加工特征信息，這是工藝文件快速設(shè)計的基礎(chǔ)。

實現(xiàn)工藝重用首先要提取總結(jié)出零件中的特征。將零件中具有獨立工藝意義的區(qū)域定義為工藝特征。對于大型復(fù)雜零件按結(jié)構(gòu)將零件進行設(shè)計特征分解，形成設(shè)計特征樹。如同構(gòu)架是經(jīng)過焊接形成的一個復(fù)雜零件，將構(gòu)架作為根部件，按結(jié)構(gòu)分解為一級子部件或零件，逐級分解，直到零件不可再分為止，形成設(shè)計特征樹。對需要加工的設(shè)計特征從加工的角度進行組合并附加加工信息，形成加工特征，在本系統(tǒng)中，加工特征附著在末端相應(yīng)的設(shè)計特征上，形成加工特征樹。設(shè)計特征的分解與工藝特征的附著如圖2所示。

圖2 設(shè)計特征的分解與工藝特征的附著

2.3 特征與工藝信息的映射

在工藝過程中，需要在設(shè)計特征和加工特征之間、加工特征與標準工序工步之間建立關(guān)聯(lián)對應(yīng)以實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)到工藝參數(shù)之間的數(shù)據(jù)傳遞。首先建立設(shè)計特征和加工特征之間的對應(yīng)映射關(guān)系，然后將標準工序工步固化在相關(guān)的加工特征上，標準工序工步中包含了具體的操作說明、工藝資源以及對應(yīng)的圖片等信息。因此在對新零件設(shè)計特征樹的編輯中，添加標準設(shè)計特征，加工特征樹也相應(yīng)改變，同時在生成工藝規(guī)程時會自動生成工序工步信息，刪除設(shè)計特征則與之對應(yīng)的工序工步信息也將刪去。如圖3所示，建立特征與工藝信息的對應(yīng)關(guān)系，必須以加工特征樹和工藝規(guī)程樹為基礎(chǔ)。加工特征樹顯示了零件與特征之間的從屬關(guān)系，但并沒有規(guī)定先后順序，是無序的；而工藝規(guī)程樹則必須遵循加工路線中工序工步的先后順序，是有序的。由于一個加工特征可以由多個工序工步來完成，但一個工步只能針對一個確定的對象進行操作，故將加工特征與加工工步建立一對一或一對多的映射關(guān)系。

2.4 特征參數(shù)的傳遞

通過變異設(shè)計得出的零件結(jié)構(gòu)往往相同或相似，因此特征種類大多是相同的，通常只是改變了特征的參數(shù)。將工藝數(shù)據(jù)參數(shù)化，即可實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)與工藝參數(shù)間的傳遞[10]。將參數(shù)分為簡單參數(shù)、計算參數(shù)、規(guī)則參數(shù)三種。對于簡單的參數(shù)，可以在工藝規(guī)程中直接替換；對于需要計算的參數(shù)則套用模板中的公式計算得出工藝參數(shù)；對于復(fù)雜的帶有工藝規(guī)則的參數(shù)種類，則需要套用模板中的規(guī)則進行推理得出工藝參數(shù)。特征參數(shù)的傳遞過程如圖4所示，首先將設(shè)計參數(shù)進行分類，再根據(jù)各自的類型采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方式，最后生成工藝參數(shù)替換原有工藝規(guī)程中的參數(shù)。在自動替換過程中以參數(shù)的名稱作為匹配標識，必須保證設(shè)計參數(shù)的名稱與工藝參數(shù)的名稱保持一致。

圖3 特征與工步對應(yīng)圖 圖4 特征參數(shù)的傳遞

3 工藝的快速設(shè)計與文件生成

以特征作為相似性評判的標準，則首先應(yīng)從產(chǎn)品設(shè)計中獲取該車型構(gòu)架的設(shè)計特征，通過檢索設(shè)計特征庫，匹配出相似車型的構(gòu)架，調(diào)用工藝特征庫的數(shù)據(jù)，生成該構(gòu)架的加工工藝特征。這一操作將復(fù)雜的構(gòu)架結(jié)構(gòu)及其加工工藝迅速地轉(zhuǎn)化為層次分明的結(jié)構(gòu)特征樹。將工藝特征作為輸入，通過檢索現(xiàn)有的標準工序庫，匹配得出合適的工藝規(guī)程，直接復(fù)制該模板；如果沒有匹配到相似的工藝規(guī)程，則需要采用交互式操作生成工藝路線。調(diào)取工藝路線中工序信息進行編輯修改，得出新零件的工藝規(guī)程。圖5所示為快速工藝設(shè)計的思路。

圖5 快速工藝文件設(shè)計思路

以由產(chǎn)品CRH380B變異設(shè)計得到的新產(chǎn)品CRH380X為例，來說明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架CAPP系統(tǒng)設(shè)計并生成工藝文件的過程。

(1)首先建立一個新的項目數(shù)據(jù)X，以項目來管理不同構(gòu)架的設(shè)計和工藝信息，使得信息保存完整且不易混淆，利于設(shè)計信息與工藝信息間的對應(yīng)和傳遞，也方便操作人員進行查詢。

(2)將該項目的加工特征作為輸入，通過檢索數(shù)據(jù)庫，匹配計算得出相似度最高的幾個候選模板。由操作人員決策選出需要的產(chǎn)品模板進行復(fù)制，將其加工特征樹和加工工藝規(guī)程樹的全部數(shù)據(jù)拷貝到新項目X下。

(3)對加工特征樹上的設(shè)計特征和加工特征進行刪除、增加、修改，包括特征名稱、特征參數(shù)、特征圖片的改變，生成新項目X構(gòu)架的加工特征樹，如圖6所示。加工特征樹簡潔明了的顯示了該構(gòu)架的設(shè)計特征和加工特征組成，由于特征與工藝信息間有映射關(guān)系，對特征點的操作可以自動形成工藝塊的響應(yīng)，極大地簡化了操作過程。

圖6 加工特征樹編輯

(4)修改過的加工特征對應(yīng)的工藝工步信息在工藝規(guī)程樹中更新，自動生成新項目X的初步工藝規(guī)程樹。對初步工藝規(guī)程樹中的工序工步內(nèi)容進行適當(dāng)調(diào)整，可以修改工序和工步名稱、設(shè)備工裝信息、加工參數(shù)、工步操作方法及圖片，調(diào)整工序工步順序，生成最終的工藝規(guī)程，如圖7所示。這種保留整體框架調(diào)整局部內(nèi)容的方式，避免了工藝人員重復(fù)性的編制工作。

圖7 工藝規(guī)程樹的編輯

(5)工藝規(guī)程樹編輯完成后，系統(tǒng)調(diào)用工藝文件模板庫，將工藝信息自動填入相應(yīng)的標準格式的工藝文件中。預(yù)覽生成加工工藝文件，檢查無誤可正式生成文件并打印。生成的工藝文件規(guī)范統(tǒng)一，提高了文件的質(zhì)量。修改過的不同版本文件均儲存在數(shù)據(jù)庫中，便于追溯查詢和調(diào)用。

4 結(jié)束語

以高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架加工工藝設(shè)計為對象，在已有高速列車快速結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究并開發(fā)了構(gòu)架快速工藝設(shè)計及文件生成系統(tǒng)。由于高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝繁復(fù)，零件信息量巨大，按照以往手工編制工藝規(guī)程的方法，工藝人員工作任務(wù)繁瑣且容易出現(xiàn)失誤。使用快速工藝設(shè)計及文件生成系統(tǒng)可以有效縮短生產(chǎn)準備周期，節(jié)省人力，提高工藝設(shè)計的質(zhì)量和效率。

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(編輯 李秀敏)

Research and Development of Rapid Process Design System for Bogie Frame

YANG Xin-yu, MA Shu-wen, DING Guo-fu, MU Jun-qiang, FU Yu-long

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

On the basis of studying the analysis of the part features, the mapping between feature and process information, and the transfer method of feature parameters, a rapid process design method based on feature is proposed with the idea of variant design and process template. Using design feature and process feature as the basic unit of the product and process design, regarding feature as similarity judgment standard, the system calls the process template for variant design. Using the manufacturing process design of high speed train bogie frame as the authentication object a set of rapid process design and file generation system is developed. It can effectively improve the efficiency of product process design, shorten the process time, and improve the quality of process design to a certain extent.

process feature; generation of process files; variant design; process template

1001-2265(2017)01-0131-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.036

2016-02-24；

2016-04-12

國家自然科學(xué)基金“需求驅(qū)動的高速列車精細設(shè)計過程智能映射研究”(51575461)

楊欣雨(1991—)，女，四川樂山人，西南交通大學(xué)碩士研究生，研究方向為機械制造及自動化，(E-mail)yangxy0701@foxmail.com；通訊作者：馬術(shù)文(1968—)，男，四川眉山人，西南交通大學(xué)副教授，工學(xué)博士，研究方向為機械制造工藝、機械產(chǎn)品設(shè)計等，(E-mail)mashuwen@swjtu.edu.cn。

TH162;TG65

A