基于參數(shù)化工藝模板的智能工藝設(shè)計

黃利江，李云鵬，宮思明，藺海，王亮

(1.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710072；2.西安長峰機(jī)電研究所，陜西西安 710065；3.西安星天外軟件科技有限公司，陜西西安 710068)

0 前言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能制造已經(jīng)成為“中國制造2025”的主攻方向”[1]。而傳統(tǒng)的工藝設(shè)計需要豐富的經(jīng)驗，且其中的工藝參數(shù)等需要經(jīng)過試驗來進(jìn)行驗證，這導(dǎo)致產(chǎn)品研制周期長、效率低，難以滿足現(xiàn)代智能制造對產(chǎn)品的發(fā)展要求，因此迫切需要智能工藝設(shè)計來替代傳統(tǒng)工藝設(shè)計。

在實際工作中，企業(yè)的工藝設(shè)計重復(fù)度非常高，絕大多數(shù)零件的工藝可以通過其所屬零件類的典型工藝供工藝編制時借鑒參考，故利用零件族的典型工藝進(jìn)行零件工藝的智能設(shè)計是一個行之有效的方法[2]。在典型工藝的重用研究中，融合規(guī)則的典型工藝方法[3]把典型工藝中與零件特征相關(guān)的信息以規(guī)則方式嵌入到典型工藝?yán)铮瑥亩跊Q策時根據(jù)零件特征利用規(guī)則進(jìn)行推理生成工藝的詳細(xì)內(nèi)容。而在實際應(yīng)用中，融合規(guī)則的典型工藝方法中的規(guī)則利用零件的特征不易描述，產(chǎn)生的規(guī)則數(shù)量較大，可能造成規(guī)則冗余和規(guī)則沖突。

因此，基于融合規(guī)則的典型工藝方法中根據(jù)其零件族的典型工藝來進(jìn)行零件工藝設(shè)計，本文作者提出一種參數(shù)化工藝模板的方法來實現(xiàn)智能工藝設(shè)計。該方法根據(jù)零件特征選用相似零件的典型工藝作為工藝模板，利用參數(shù)化方法[4-8]將工藝模板中零件、工藝、工序等信息進(jìn)行參數(shù)化，以參數(shù)表示特征信息，以融合規(guī)則表示參數(shù)化實現(xiàn)關(guān)系，從而實現(xiàn)工藝智能設(shè)計。相比于融合規(guī)則的典型工藝，參數(shù)化工藝模板方法中的規(guī)則是基于參數(shù)編制的，實現(xiàn)簡單且形式多樣。

1 參數(shù)化工藝模板的表示

參數(shù)化工藝模板方法的實現(xiàn)思路是選用相似零件的工藝作為工藝模板，對工藝模板建立參數(shù)化關(guān)系。其中，以參數(shù)來表示工藝模板中零件、工藝、工序等可變信息，以融合規(guī)則的方式對工藝、參數(shù)建立參數(shù)化關(guān)系，并通過結(jié)構(gòu)化工藝信息模型將工藝模板、參數(shù)及規(guī)則聯(lián)系在一起，從而能夠根據(jù)零件的信息，調(diào)用該工藝模板進(jìn)行工藝智能設(shè)計。

工藝信息模型用于描述工藝生產(chǎn)過程中零件的幾何信息及工藝信息。通過對零件結(jié)構(gòu)和工藝特點進(jìn)行分析，本文作者采用面向?qū)ο蟮姆椒▉斫⒘慵墓に囆畔⒛Ｐ蚚9]，形成能夠正確表示工藝的工藝信息模型。根據(jù)面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢⒐に囆畔⒛Ｐ椭械膶嶓w結(jié)構(gòu)抽象為對象來進(jìn)行表示。其中，將零件及其工藝過程抽象為零件信息、工藝路線、工序、工步等對象描述零件及工藝的信息，從而實現(xiàn)對信息的管理；同時參數(shù)化工藝模板方法需要將參數(shù)、規(guī)則以嵌入式方式融合到工藝模板中，因此，在工藝信息模型中加入?yún)?shù)與規(guī)則對象，并根據(jù)工藝對象變動的角度，將參數(shù)與規(guī)則對象類按照工藝對象進(jìn)行分類。對于工藝信息模型中建立的對象，通過屬性來表示對象的結(jié)構(gòu)特性，并引入“對象”和“對象表”特殊屬性類型來描述各構(gòu)成對象之間以及對象與屬性之間的關(guān)系[10]。由此，建立的工藝信息模型如圖1所示。

圖1 工藝信息模型

為了方便實現(xiàn)可變信息的決策生成，將工藝模板作為數(shù)學(xué)模型，利用參數(shù)及其屬性來對工藝模板中的可變信息進(jìn)行表示，將該過程稱為工藝模板的參數(shù)化。對于工藝模板中提取的參數(shù)，根據(jù)其對工藝變動作用的對象，將參數(shù)按照工藝信息模型中的參數(shù)對象進(jìn)行分類，同時提取所有的參數(shù)存入?yún)?shù)庫中，這樣不僅方便工藝人員的校對，這些存入?yún)?shù)庫的參數(shù)也方便日后查詢調(diào)用[11]。

要實現(xiàn)工藝的智能設(shè)計，需要對提取的參數(shù)建立零件與參數(shù)以及參數(shù)與工藝之間的關(guān)系[12]，稱為參數(shù)化關(guān)系。參數(shù)化關(guān)系相當(dāng)于函數(shù)，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時得到的結(jié)果相應(yīng)改變。對工藝模板中提取的參數(shù)進(jìn)行分析，其中，零件參數(shù)和工藝參數(shù)是從零件信息中提取，用于描述零件的特征信息；工序參數(shù)、工步參數(shù)、NC參數(shù)是從零件的工藝中提取出來的，用于完整表達(dá)零件加工特性[13-14]。而在工藝設(shè)計中，零件的變型是工藝變型的基礎(chǔ)，因此，將用于描述零件特征信息的零件參數(shù)與工藝參數(shù)作為驅(qū)動參數(shù)，并結(jié)合工藝經(jīng)驗建立零件信息(零件參數(shù)、工藝參數(shù))與工藝信息(工序參數(shù)、工步參數(shù)、NC參數(shù))的關(guān)系[15]，由此可以根據(jù)零件特征信息得到工藝中各參數(shù)數(shù)據(jù)。工藝模板中所提取的參數(shù)按照工藝信息模型中的工藝對象進(jìn)行分類，將各工藝對象與其參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這樣參數(shù)作為各工藝對象屬性的驅(qū)動參數(shù)，建立各工藝參數(shù)與其屬性之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)依據(jù)參數(shù)對于工藝中的各組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行推理，實現(xiàn)工藝知識和工藝資源的調(diào)用，如圖2所示。

圖2 參數(shù)化關(guān)系實現(xiàn)

在參數(shù)化的工藝模板中，通過規(guī)則來表示參數(shù)化關(guān)系。因此，規(guī)則用于實現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的確定、對象屬性的確定以及子類工藝知識、工藝資源的調(diào)用。根據(jù)參數(shù)化關(guān)系的所屬對象不同，將參數(shù)化關(guān)系的實現(xiàn)規(guī)則分為工藝規(guī)則、工序規(guī)則和工步規(guī)則。參數(shù)關(guān)系按照其復(fù)雜程度，可以分為公式關(guān)系、規(guī)則關(guān)系。針對不同的參數(shù)關(guān)系，采用不同的表示方法將工藝經(jīng)驗作為參數(shù)化關(guān)系實現(xiàn)規(guī)則以嵌入式方式融入典型工藝[16-18]。其中，對于公式關(guān)系，其規(guī)則采用參數(shù)公式來表示。對于規(guī)則關(guān)系，以“IF<條件>THEN<結(jié)論>”的產(chǎn)生式規(guī)則來表示。

2 基于參數(shù)化工藝模板的工藝決策

基于參數(shù)化工藝模板的工藝決策依據(jù)零件模型獲取零件的參數(shù)信息，通過約束規(guī)則進(jìn)行工藝級、工序級和工步級的自動決策，生成結(jié)構(gòu)化工藝和數(shù)控程序，并對自動決策的工藝信息和數(shù)控程序進(jìn)行導(dǎo)航式修訂。具體過程如圖3所示，主要包括如下內(nèi)容：

(1)從設(shè)計(CAD/PDM)中獲取零件模型，并從零件模型的特征信息中提取零件的零件參數(shù)及工藝參數(shù)，將其作為工藝決策的輸入源頭。

(2)將零件參數(shù)與工藝參數(shù)作為篩選條件，與工藝模板庫中的零件信息進(jìn)行比較，判斷是否存在與該零件工藝相似的工藝，如果有就選擇合適的工藝模板作為工藝決策的數(shù)學(xué)模型，讀入工藝模板信息，進(jìn)行工藝決策；否則，需要重新設(shè)計零件。

(3)根據(jù)參數(shù)化工藝模板方法，將工藝模板的不變信息另存為該零件的具體工藝，同時根據(jù)輸入的零件參數(shù)與工藝參數(shù)來進(jìn)行工藝內(nèi)容的決策。工藝內(nèi)容的決策過程依據(jù)對象的優(yōu)先級分別進(jìn)行工藝級、工序級、工步級決策。工藝信息模型中各對象通過工藝模板中的參數(shù)化關(guān)系實現(xiàn)規(guī)則進(jìn)行推理生成其參數(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而根據(jù)其參數(shù)確定各工藝對象的屬性信息以及調(diào)用工藝知識、工藝資源完善工藝設(shè)計。其中，工藝決策決定工藝基本信息和工藝路線子對象工序的生成；工序決策決定工序基本信息以及工序子對象中設(shè)備、工藝裝備、數(shù)控程序等選用；工步?jīng)Q策決定工步具體內(nèi)容的生成。

(4)在交互式編輯界面上，對智能設(shè)計的工藝進(jìn)行導(dǎo)航式修訂，編輯工藝、工序以及工步中的信息，進(jìn)一步完善決策出的工藝信息。之后，將結(jié)構(gòu)化的工藝數(shù)據(jù)以及數(shù)控程序傳遞給CAPP或PDM系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理。

圖3 工藝決策

3 實例

介紹基于參數(shù)化工藝模板的方法實現(xiàn)工藝智能設(shè)計，并運(yùn)用該方法在星云CAPP上實現(xiàn)了旋壓工藝的智能設(shè)計。下面以旋壓筒形件為例進(jìn)行介紹。

旋壓筒形件按照其加工方式分為正旋和反旋。通過對其工藝設(shè)計過程進(jìn)行分析，其工藝具有以下特點：工藝路線比較固定，一般需要經(jīng)過“下料→熱處理→粗車→半精車→精車→旋壓”的工藝路線，根據(jù)毛坯所用材料的不同，僅需在其旋壓工序通過添加工序來進(jìn)行調(diào)整；同時零件在各工序中需要進(jìn)行的處理固定，其中的加工參數(shù)可以根據(jù)具有相同結(jié)構(gòu)特征的零件來確定；數(shù)控程序基于標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行編制，可以通過工藝參數(shù)來確定數(shù)控程序。因此，旋壓筒形件具有明顯的零件相似性，可以根據(jù)其零件族的典型工藝作為工藝模板來進(jìn)行智能工藝設(shè)計。采用面向?qū)ο蠓椒ǜ鶕?jù)旋壓筒形件特征及其工藝特點進(jìn)行分類和定義，把旋壓筒形件及其工藝過程抽象為零件信息、工藝路線、工序、工步等對象以及對應(yīng)的零件參數(shù)、工藝參數(shù)、工序參數(shù)、NC參數(shù)，通過樹狀結(jié)構(gòu)來對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表示，如圖4所示。根據(jù)旋壓筒形件特點，基于結(jié)構(gòu)化工藝信息模型，建立正旋、反旋兩種典型工藝作為工藝模板，可以根據(jù)輸入的零件參數(shù)及工藝參數(shù)來選取，如圖5所示。

圖4 旋壓工藝信息模型 圖5 旋壓典型工藝

對典型工藝中的參數(shù)進(jìn)行提取，將典型工藝中各對象屬性的可變信息利用參數(shù)表示，填入相應(yīng)的對象參數(shù)表并賦予權(quán)重。對于提取的典型工藝參數(shù)，根據(jù)工藝經(jīng)驗利用參數(shù)表達(dá)式及產(chǎn)生式規(guī)則的表示方法來建立參數(shù)之間以及參數(shù)與對象之間的關(guān)系，如圖6所示。工藝智能設(shè)計時，根據(jù)融合規(guī)則的典型工藝的參數(shù)生成工藝對象及其屬性，并通過結(jié)構(gòu)化工藝信息模型調(diào)用工藝知識及工藝資源。完成的工藝設(shè)計如圖7所示。

通過星云CAPP系統(tǒng)，基于參數(shù)化工藝模板方法對旋壓筒形件工藝進(jìn)行智能工藝設(shè)計，驗證該方法的可行性。在運(yùn)用參數(shù)化工藝模板方法建立參數(shù)化工藝模板的過程中，利用參數(shù)來對工藝中的可變信息進(jìn)行表示方便簡單，并且采用參數(shù)建立的規(guī)則邏輯清晰，相比采用零件特征描述建立規(guī)則更便捷，可以在相對較短的時間內(nèi)很好地總結(jié)出來。

圖6 旋壓工藝模板參數(shù)化

圖7 工藝決策結(jié)果

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)智能工藝設(shè)計，本文作者提出一種參數(shù)化工藝模板方法，應(yīng)用零件族的典型工藝作為工藝模板，以參數(shù)化方式對工藝模板中的各對象進(jìn)行參數(shù)化，以融合規(guī)則的方式建立參數(shù)化實現(xiàn)關(guān)系，從而實現(xiàn)工藝智能設(shè)計。通過該方法，只需根據(jù)零件的特征，輸入相關(guān)參數(shù)，即可完成工藝設(shè)計，提高了工藝人員的工作效率，同時實現(xiàn)了工藝設(shè)計的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

通過規(guī)則生成的加工參數(shù)仍需通過試驗來修訂，因此，下階段可以在工藝智能設(shè)計過程中結(jié)合模擬仿真預(yù)測工藝參數(shù)對加工質(zhì)量[19]的影響，反饋給工藝系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而優(yōu)化加工參數(shù)，為工藝優(yōu)化決策提供支持。