1 引言
工藝規(guī)劃是產(chǎn)品開發(fā)的—個(gè)重要內(nèi)容，它是聯(lián)系設(shè)計(jì)和制造的紐帶和橋梁，對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。由于工藝設(shè)計(jì)自身的復(fù)雜性和不確定性，使系統(tǒng)開發(fā)不僅要涉及到企業(yè)的產(chǎn)品類型和結(jié)構(gòu)、制造設(shè)備和條件、生產(chǎn)技術(shù)水平等，還必須對(duì)工藝設(shè)計(jì)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和利用，同時(shí)在很大程度上還依賴工藝人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)提出了基于知識(shí)的自動(dòng)工藝規(guī)劃方法，并從同類零件的工藝過程中歸納出共同的規(guī)律建立知識(shí)庫。這一方法解決了CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)中“數(shù)據(jù)共享這一難題。文獻(xiàn)中提出了基于SML的工藝變型設(shè)計(jì)技術(shù)。以零件族為對(duì)象，對(duì)零件工藝變型設(shè)計(jì)中支持工藝變型的零件族建模方法和基于事物特性表SML的工藝變型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)與開發(fā)了—個(gè)工藝變型設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)。但上述還存在以下不足：
(1)對(duì)每個(gè)所設(shè)計(jì)零件，系統(tǒng)均進(jìn)行“串行處理”過程，即使當(dāng)前零件與曾經(jīng)設(shè)計(jì)過的零件極為相似也如此，存在大量的重復(fù)性工作；忽略了零件的相似性原理，沒有考慮零件的變型工藝設(shè)計(jì)；
(2)工藝參數(shù)化變型設(shè)計(jì)沒有充分考慮企業(yè)制造資源以及工藝知識(shí)庫資源。針對(duì)上述的不足，提出了基于模板定制的工藝設(shè)計(jì)方法，根據(jù)零件的相似性和可重用原理，充分利用企業(yè)中已有的成熟工藝設(shè)計(jì)方案、工藝資源和經(jīng)驗(yàn)實(shí)例，并結(jié)合相關(guān)工藝知識(shí)，快速實(shí)現(xiàn)零件的工藝變型設(shè)計(jì)。
2 基于模板定制的工藝變型設(shè)計(jì)原理
工藝變型設(shè)計(jì)是面向結(jié)構(gòu)、功能相似的同類零件，使同種零件類型的工藝過程規(guī)范化、典型化，這樣可方便的利用已有工藝實(shí)例或工藝知識(shí)得出類似零件的工藝規(guī)程。針對(duì)零件工藝的復(fù)雜程度和零件可能發(fā)生的變化，根據(jù)典型工藝的設(shè)計(jì)方法對(duì)零件工藝設(shè)計(jì)知識(shí)信息進(jìn)行系統(tǒng)的分類、整理和總結(jié)，分別建立典型參數(shù)化工藝模板和典型實(shí)例工藝模板。典型參數(shù)化工藝模板是指通過分析和總結(jié)把典型零件工藝中相對(duì)不變的內(nèi)容固定化，而相對(duì)可變的部分參數(shù)化而形成的模板式工藝。典型實(shí)例工藝模板是指從相似性高的零件中選出具有代表陛的典型零件做成的工藝模板；然后把整理和總結(jié)的典型工藝模板存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)再遇到新的類似零件工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)不同情況，調(diào)用不同的模板（典型工藝模板或?qū)嵗に嚹０澹�，利用相似零件的工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。
工藝變型是以零件變型為前提和條件，利用零件結(jié)構(gòu)或工藝的相似性，采用人機(jī)交互法，通過參數(shù)化修改某些主要參數(shù)來實(shí)現(xiàn)工藝模板的自動(dòng)修改，從而生成新零件的工藝設(shè)計(jì)。工藝變型設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。首先將設(shè)計(jì)要求與典型工藝數(shù)據(jù)庫中的典型信息進(jìn)行相似匹配，確定該零件的工藝在典型工藝庫中是否有相似的典型參數(shù)化工藝模板或典型實(shí)例工藝模板可以借用，否則就要重新設(shè)計(jì)。對(duì)于有典型參數(shù)化工藝模板或典型實(shí)例工藝模板可借用的零件，在三維參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，利用變量驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過基于參數(shù)化工藝模板設(shè)計(jì)過程或?qū)嵗に嚹０逶O(shè)計(jì)過程進(jìn)行工藝變型設(shè)計(jì)，若檢索出的工藝不能完全滿足新工藝的要求，則可以通過基于知識(shí)的推理和交互式輸入等多種手段，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)快速、高效地設(shè)計(jì)出所需零件的工藝。
圖1 基于模板定制的工藝變型設(shè)計(jì)
3 基于典型參數(shù)化工藝模板的設(shè)計(jì)
典型參數(shù)化工藝模板的建立是以工藝工序分類為基礎(chǔ)的工藝典型化，主要是以工序?yàn)閷?duì)象，為制造零件的某些特征要素（如車端面等）編制典型工序。使用時(shí)將這些典型工序按照一定的機(jī)械加工順序進(jìn)行優(yōu)化組合，并根據(jù)需要適當(dāng)修改即可形成一份新工藝。針對(duì)回轉(zhuǎn)類零件形狀特征比較固定，且多由簡單特征組合而成，其工藝路線和加工方法也相對(duì)固定。對(duì)于此類零件可采用基于典型模板工藝的參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)方法。
參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)就是根據(jù)零件參數(shù)信息，通過查找相應(yīng)模板工藝的參數(shù)，自動(dòng)生成零件工藝的一種方法。并通過參數(shù)表達(dá)式建立起工藝模板中工藝數(shù)據(jù)與零件參數(shù)之間的參數(shù)化關(guān)系。工藝模板的代號(hào)為零件代號(hào)，如果同一類型的通用件有多份工藝模板，即出現(xiàn)多匹配的工藝，可以通過關(guān)鍵標(biāo)識(shí)來區(qū)分，工藝人員可以在工藝設(shè)計(jì)過程中，隨時(shí)將總結(jié)的工藝模板規(guī)程經(jīng)過一定的編輯修改直接放人工藝模板庫中，從而實(shí)現(xiàn)工藝模板的動(dòng)態(tài)更新。
根據(jù)零件的參數(shù)信息去關(guān)聯(lián)相應(yīng)的工藝模板，在關(guān)聯(lián)過程中可能遇到的以下3種情況：
(1)根據(jù)零件代號(hào)和參數(shù)關(guān)聯(lián)一份工藝模板；
(2)根據(jù)零件代號(hào)、參數(shù)找到多份工藝模板，需要根據(jù)主要參數(shù)決策判斷并關(guān)聯(lián)具體一份工藝模板；
(3)根據(jù)零件代號(hào)和參數(shù)無法找到一份模板工藝，需要人工進(jìn)行工藝編制，完成后添加并更新工藝模板庫。
基于典型參數(shù)化工藝模板的工藝設(shè)計(jì)過程，如圖2所示。首先根據(jù)用戶需求輸入零件的主要參數(shù)，在相應(yīng)的參數(shù)庫中進(jìn)行參數(shù)的前期處理與計(jì)算，在典型模板工藝生成規(guī)則的支持下，從典型模板工藝庫中自動(dòng)選取典型工藝模板，通過讀取事物特性表，完成參數(shù)化關(guān)系的轉(zhuǎn)換工作，生成確切的工藝數(shù)據(jù)更新典型模板工藝。工藝設(shè)計(jì)過程完成，若用戶對(duì)自動(dòng)生成的工藝規(guī)程不滿意，則可進(jìn)行交互式編輯修改，完成最終的工藝設(shè)計(jì)任務(wù)。其中建立事物特性表是關(guān)鍵技術(shù)。
圖2 基于典型參數(shù)化工藝模板的工藝過程
為了實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP系統(tǒng)之間進(jìn)行有效的信息傳遞和產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)的一致性，采用了事物特性表的方式描述產(chǎn)品零部件信息。通過對(duì)零件的分類和總結(jié)，建立零件級(jí)別事物特性表。表中每個(gè)行對(duì)應(yīng)一個(gè)零件模塊，每列對(duì)應(yīng)—個(gè)零件模塊的標(biāo)識(shí)屬性，整個(gè)事物特性表組成設(shè)計(jì)樹狀結(jié)構(gòu)，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本流程自頂向下分布，使每個(gè)表就可以對(duì)應(yīng)—個(gè)零件族。零部件的幾何參數(shù)和工程屬性的集合表示整個(gè)零件族的設(shè)計(jì)及工藝信息。事物特性表基本結(jié)構(gòu)，如表1所示。
表1 事物特性表結(jié)構(gòu)
4 基于典型實(shí)例模板的工藝設(shè)計(jì)
基于實(shí)例模板定制的工藝設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。根據(jù)用戶設(shè)計(jì)要求從實(shí)例庫中檢索與新零件最相似的實(shí)例，實(shí)例存在則從實(shí)例工藝庫中調(diào)用典型實(shí)例工藝如果該工藝完全滿足新工藝設(shè)計(jì)要求，將該工藝輸出；若該工藝不完全滿足新工藝的設(shè)計(jì)要求，則對(duì)實(shí)例工藝進(jìn)行修改使其滿足設(shè)計(jì)要求。其中典型實(shí)例工藝模板的建立、零件的幾何信息建模和實(shí)例工藝修訂是關(guān)鍵技術(shù)。
圖3 基于典型實(shí)例模板的工藝設(shè)計(jì)過程
4.1 典型實(shí)例工藝模板的建立
典型實(shí)例工藝模板的建立是以典型零件為對(duì)象，將結(jié)構(gòu)形狀相似或工藝特征相似的零件（如軸類零件、回轉(zhuǎn)類零件）通過合理分類，從中選出具有代表性的典型零件做成典型實(shí)例工藝模板，編制出工藝規(guī)程，使這一組零件能用相同的機(jī)床設(shè)備、工藝裝備和調(diào)整方法進(jìn)行加工。根據(jù)零件工藝可能的變化對(duì)工藝模板組成做如下歸類：(1)圖幅和邊框：工藝文件格式通常要遵循一定的國家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如A4、A3等，而邊框則限制了表格和其他圖文信息的位置，有的邊框還包括工作區(qū)的概念，如“機(jī)械加工工藝過程卡”字樣等。(2)靜態(tài)一維表：是指相對(duì)固定的表格，表現(xiàn)在工藝文件中就是該表只有一行記錄，該行記錄是由工藝文件編號(hào)唯一確定的。可分為兩種，一種是與參數(shù)化CAD階段的事物特性表相關(guān)聯(lián)的零部件設(shè)計(jì)屬性信息，并隨設(shè)計(jì)信息的變化而變化，包括零件圖紙?zhí)枴⒘慵Q等。另—種是工藝設(shè)計(jì)屬性信息，包括文件編號(hào)、文件名稱、編制人等，每個(gè)工藝文件對(duì)應(yīng)一行這樣的數(shù)據(jù)。(3)動(dòng)態(tài)—維表：是指一維表的信息、有無、位置都會(huì)發(fā)生變化的一維表，可以分為兩種，一種是內(nèi)容不會(huì)發(fā)生變化的工序過程，如去毛刺，熱處理等；一種是工序內(nèi)容基本不變，只是參數(shù)會(huì)發(fā)生變化的工序過程，這類工序一般是由設(shè)計(jì)參數(shù)傳遞過來的，根據(jù)變型設(shè)計(jì)的變化而變化。(4)動(dòng)態(tài)二維表：動(dòng)態(tài)二維表是指該表中包含的工藝信息相對(duì)可變且在工藝卡片中有多行數(shù)據(jù)。因此，可以在實(shí)例工藝模板上將所有可能的工序都全部列出，這樣就可以保證工藝變型設(shè)計(jì)帶來的工序可能發(fā)生的變化，使每個(gè)可能的工序?qū)傩跃卸鄠�(gè)選擇。
4.2 零件實(shí)例幾何、信息的建模
任何零部件，都是由一系列的應(yīng)用特征組合而成，在具體生產(chǎn)環(huán)境下，往往只有其中某幾個(gè)特征決定最終生成的工藝規(guī)程，可稱這些特征為本零部件的工藝特征，它可以是尺寸、公差，也可以是結(jié)構(gòu)說明或功能要求。根據(jù)零件實(shí)際生產(chǎn)中的要求，零件的信息模型以事物特性表的形式表達(dá)，在事物特性表中表達(dá)的不單只有變化尺寸及其上下偏差的信息．還包括材料、毛坯、表面質(zhì)量參數(shù)、形狀公差、位置公差、加工精度、技術(shù)要求、熱處理方法等參數(shù)信息。
4.3 實(shí)例工藝修訂和存儲(chǔ)
實(shí)例工藝的修改主要有兩種情況需要處理：一是刪除典型實(shí)例工藝中相對(duì)于新零件工藝中沒有的工序、工步信息，如實(shí)例零件的特征多余當(dāng)前實(shí)例零件，則在實(shí)例工藝中刪除那些多余特征對(duì)應(yīng)的工序和工步；二是補(bǔ)充上典型實(shí)例工藝相對(duì)于新工藝而缺少的工藝信息，若是增加了某些特征，則從加工特征工藝模板庫中變型出相應(yīng)特征的工藝，添加到原工藝中，對(duì)于比較復(fù)雜的工序、工步特征信息則可以采用人機(jī)交互式輸入方法來完成。實(shí)例工藝修改滿意后可以入庫，以擴(kuò)充、完善實(shí)例工藝庫。
5 實(shí)例應(yīng)用
以圖4所示的零件為例，軸的結(jié)構(gòu)多由簡單特征組合而成，如圖4所示。因此可采用典型參數(shù)化工藝模板的方法來實(shí)現(xiàn)。通過圖5和圖6進(jìn)行零件信息輸入和參數(shù)查詢關(guān)聯(lián)相應(yīng)的模板工藝，如圖5、圖6所示。并通過事物特性表將工藝模板中的參數(shù)替換成具體數(shù)值。如圖7所示。最后生成相應(yīng)的工藝規(guī)程。
圖4 軸結(jié)構(gòu)簡圖
圖5 零件信息輸入
圖6 參數(shù)查詢
圖7 軸的參數(shù)化關(guān)系實(shí)現(xiàn)
6 結(jié)論
對(duì)零件族的分析、整理和總結(jié)，通過基于模板定制的方法，針對(duì)不同零件的結(jié)構(gòu)特征和工藝特點(diǎn)，分別采用典型參數(shù)化工藝模板和典型實(shí)例工藝模板進(jìn)行新零件工藝設(shè)計(jì)。并輔助于基于知識(shí)的推理、決策推理和交互式輸入等工藝設(shè)計(jì)方法，使零件工藝變型設(shè)計(jì)相對(duì)更快。在一定程度上降低了對(duì)工藝人員經(jīng)驗(yàn)的依賴，也使企業(yè)長期積累的工藝知識(shí)和實(shí)例經(jīng)驗(yàn)得到了重用，從而提高了工藝設(shè)計(jì)的效率。
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本文標(biāo)題：CAPP系統(tǒng)基于模板定制的零件工藝變型設(shè)計(jì)研究
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