基于特征的零件數(shù)控加工工時預(yù)測

摘 要：通過構(gòu)建零件加工特征實例，建立基于實例推理的零件加工工時預(yù)測評估模型，提出基于加工特征實例及典型工藝方案的零件工時制定方法，克服了傳統(tǒng)工時制定方法的局限性，該方法有助于零件加工成本的預(yù)測評估及控制。

關(guān)鍵詞：加工特征；實例推理；工時

1 引言

隨著近年來我國制造企業(yè)大量引進各類具有世界先進水平的數(shù)控加工設(shè)備，加工技術(shù)得到了極大的發(fā)展，基本實現(xiàn)了大型結(jié)構(gòu)件數(shù)控化加工，與外方之間的轉(zhuǎn)包生產(chǎn)合作也逐漸增多，數(shù)控行業(yè)得到了很大的發(fā)展。由于大型機械零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，加工工藝過程復(fù)雜，加工成本受到設(shè)備、刀具以及加工方案等因素的影響較為明顯。在實際生產(chǎn)過程中通過對加工成本的分析發(fā)現(xiàn)，機床占用費（數(shù)控加工工時）在成本構(gòu)成中占有很大比率。零件工時成為對零件成本的預(yù)測、控制的重要因素，因而對零件的加工工時進行合理科學(xué)的預(yù)測評估具有重要的意義。

國外制造企業(yè)在零件的工時預(yù)測與制定方面取得了有效的成果，形成了一套較為完整的技術(shù)體系與應(yīng)用范疇。通過這些技術(shù)手段，能對零件結(jié)構(gòu)特點進行分析識別從而對該零件的加工工時進行迅速精確的評估；而隨著國內(nèi)企業(yè)成本意識的加強，以及由于對零件工時評估的欠合理性使得企業(yè)在與外方進行轉(zhuǎn)包生產(chǎn)過程中處于劣勢地位等因素的影響，相關(guān)企業(yè)已經(jīng)在零件工時預(yù)測與評估方面采取了一些措施，但取得的效果不盡如人意[1]。

傳統(tǒng)的零件工時制定方法受制于經(jīng)驗約束，難以對零件在加工過程中形成一個有效的成本預(yù)測標準，很難在零件加工前根據(jù)零件特征信息和工藝方案給出一個相對準確有效的工時成本預(yù)算，零件在整個加工過程中的成本一般是通過事后統(tǒng)計測算，導(dǎo)致零件成本的預(yù)測值與實際值相差較大，對企業(yè)的成本預(yù)算及控制帶來了較大的困難。

因此，為了解決傳統(tǒng)數(shù)控加工工時在制定及預(yù)測上的局限性，更好的對零件成本進行有效監(jiān)控，本文在對零件的特征進行分析研究的基礎(chǔ)上，形成加工特征實例，并在零件加工過程中形成典型工藝方案，在加工特征實例及典型工藝方案的基礎(chǔ)上獲得零件的加工工時，進而對零件成本進行有效預(yù)測和控制。

2 加工特征信息分類

零件工時在加工過程中通常受到多種因素的影響，對這些因素進行分析發(fā)現(xiàn)，零件的加工特征信息成為影響零件工時的最主要因素。在僅考慮零件的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，不同的幾何結(jié)構(gòu)，其在加工過程中的加工工時會完全不同。因此，分析零件的加工工時，需要從零件的幾何結(jié)構(gòu)入手，對構(gòu)成零件的幾何特征進行深入分析。而在實際加工過程中，零件的加工工藝性，零件的形狀要素、加工面復(fù)雜程度、材料種類及毛坯狀態(tài)、零件結(jié)構(gòu)尺寸、加工設(shè)備等也需要加以考慮， 因此本文將零件的加工特征分為以下幾類：

2.1 零件的材料種類：零件的材料種類通常有鋁合金、鈦合金、鎂合金、合金鋼等金屬材料以及碳纖維、玻璃鋼等復(fù)合材料。

2.2 毛坯形式：毛坯通常有預(yù)拉升板、擠壓型材、模鍛件、自由鍛件、鑄件等。

2.3 零件的截面形狀：根據(jù)零件的截面形狀，可以將零件分為一次定位兩面內(nèi)形加工， 兩次定位兩面內(nèi)形加工以及多次定位多面內(nèi)形加工等， 如“Ⅱ”、“T”、“工”等。

3 加工特征實例構(gòu)建

隨著計算機技術(shù)及智能技術(shù)的發(fā)展，在設(shè)計、制造等過程中已經(jīng)初步顯示出基于實例的推理方式具有較好的解決問題的能力。其基本思想是將求解具體問題時的條件、方法和結(jié)果以實例的形式存儲起來，在求解新的問題時從中找出最接近當(dāng)前問題的實例，并對其進行調(diào)整以滿足新的要求[2]。根據(jù)Aamodt和Plaza提出的4R模型，整個推理過程可以分為四個階段（見圖1）：檢索、重用、修正和更新。系統(tǒng)首先根據(jù)問題描述生成查詢實例，在實例庫中檢索出與查詢實例最為接近的庫存實例，綜合分析查詢實例和庫存實例，通過重用過程生成候選實例，然后經(jīng)過修正過程對實例進行驗證和修改生成修正實例，最后通過更新過程將修正實例轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)實例，并更新實例庫。推理過程的本質(zhì)是對過去類似經(jīng)驗的回憶與適配，并生成新任務(wù)求解策略的一種類比推理方法，這種方法符合實際加工過程中人的設(shè)計習(xí)慣和思維方式[3]。

圖1 基于實例的推理模型 圖2 孔加工特征實例

根據(jù)零件的特征信息分類方法，通過成組技術(shù)可將零件分解為槽、孔、臺階、 外形曲面、筋條等特征的組合。針對某一特征，在零件的批量生產(chǎn)過程中，可以獲得該加工特征的各種信息以及該特征在加工過程所需要的加工工時。如在對一個鋁合金板材零件進行鉆孔的過程中，將孔定義為一個加工特征，則該特征在加工過程所需要的機床、鉆頭、切削參數(shù)、裝夾時間、加工時間以及該特征的幾何信息是可以獲得的，由這些信息構(gòu)成的孔特征在加工過程中所需要的工時也是可以得到的，該特征的加工工時就可以定義為在當(dāng)前加工條件下是有效的。而由這些加工信息以及工時所構(gòu)成的孔特征就可以在加工過程中定義為一個孔特征加工實例，存儲于特征實例庫中（見圖2）。在實際加工過程中，由于孔本身受到不同精度、不同幾何尺寸等因素的影響，以及隨著工藝分析水平、能力的提高， 加工水平和熟練程度的提高，相應(yīng)待加工孔的加工工時會受到影響。因此可以在孔加工特征實例的基礎(chǔ)上定義相應(yīng)的修正系數(shù)以獲得待加工孔的工時。采用同樣的方式可以將零件的特征如下陷、腹板、斜筋、凸臺、安裝孔或交點孔、槽腔等定義為包含加工工時的加工特征實例。定義了相關(guān)的特征加工實例，就可以構(gòu)建由相關(guān)加工特征實例組成的典型零件，而待加工零件的工時則可以通過實例的推理以及相應(yīng)的系數(shù)修正，獲得零件的加工工時。

4 基于加工特征實例的工時預(yù)測

零件在加工過程中，一方面因其結(jié)構(gòu)不同，使得形成的加工特征也各不相同， 對零件的加工工時形成影響；另一方面零件在加工過程中，工藝方案的不同也會對零件的工時產(chǎn)生相應(yīng)的影響。因此，對待加工零件的工時進行預(yù)測評估，還需要充分考慮零件的工藝方案。在零件初次加工時，很難衡量該零件的工藝方案是否達到最優(yōu)，因此，針對一個零件，結(jié)合其加工特征，其工藝方案總是可以不斷的進行優(yōu)化，使加工工序和工步順序的合理性得到更大的提高。針對某一項零件， 在工藝水平、熟練程度一定的情況下，可以獲得相對較優(yōu)的工藝方案， 該工藝方案就可以確定為該零件的典型工藝方案，將該典型工藝方案存儲于典型工藝庫中，定義為典型工藝方案實例。后續(xù)待加工零件的加工工藝方案就可以基于該典型工藝方案實例，結(jié)合具體的零件加工特征，快速、方便地編制出符合待加工零件各種特征的工藝方案，可以在一定程度上減少新編工藝方案的時間，縮短工藝方案編制過程，更重要的是可以通過典型工藝方案進行初步估計待加工零件的工藝準備工時。

在實際工作過程中，針對待加工零件，運用特征識別、提取方法，可以將各幾何結(jié)構(gòu)特征進行分別提取。在加工過程中，加工特征需要涵蓋相應(yīng)的加工信息， 比如機床、刀具、切削參數(shù)等，因此在獲得的幾何特征基礎(chǔ)上需要融合相關(guān)信息以形成加工特征實例，新的加工特征的形成可以通過實例的識別、對比、修改等推理過程實現(xiàn)。針對由加工特征構(gòu)成的待加工零件，在制定工藝方案的過程中，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)相似性、工藝方案相似性原則，可以通過對已有典型工藝方案的重用、 修改等方式形成待加工零件的較優(yōu)工藝方案。確定了待加工零件的加工特征以及工藝方案后，零件在加工過程中所需要的加工工時成本就可以通過計算獲得，參見式（1）。考慮到在加工過程中由于零件的一些加工特征所包含的加工信息有重復(fù)計算現(xiàn)象，比如不同的加工特征有可能使用同一臺數(shù)控機床、同一把刀具、同一裝夾平臺，以及在加工過程中一些未可知因素，在計算零件的工時成本過程中引入了相應(yīng)的修正系數(shù)。

T待=？濁■（k？滓）i （1）

式中，T待為待加工零件的工時，？滓為加工特征實例工時，k為待加工特征與實例特征工時之間的修正系數(shù)，？濁為工藝方案對零件工時的影響因子，i為構(gòu)成零件的第 個加工特征，n為零件加工特征總數(shù)。

在上述零件特征信息分類及加工特征實例的基礎(chǔ)上，本文從零件的加工特征及零件的工藝方案入手，建立零件加工工時預(yù)測評估系統(tǒng)， 其流程如圖3所示。

5 結(jié)束語

本文通過對數(shù)控加工零件的特征分析， 以幾何特征為基礎(chǔ)包含加工信息構(gòu)成加工特征實例， 基于實例建立了數(shù)控零件工時預(yù)測評估系統(tǒng)， 獲得了較為科學(xué)有效的數(shù)控加工工時， 在零件實際加工前通過對零件進行工時獲取， 對零件在整個加工過程中的工時成本進行了有效預(yù)測并使成本的控制成為可能。在對零件工時進行預(yù)測評估、 成本控制的同時，零件本身的加工方案獲得了極大的優(yōu)化，數(shù)控機床的有效利用率大大提高，取得了很好的經(jīng)濟效益。但在實際加工過程中，由于加工信息的動態(tài)變化性，實例的準確獲取、精確匹配以及由零件工時成本控制拓展的零件生產(chǎn)成本控制將成為今后研究的重點。

參考文獻

[1]李柏林.基于實例推理的塑料模具設(shè)計模型[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2002，21（6）.

[2]孫曉斌，楊海成，王佑君.基于實例的設(shè)計方法研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（2）：331-332.

[3]江勤，葛燕，李登道.基于CBR專家系統(tǒng)案例知識的檢索、匹配、及其擴展[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，21（2）.

[4]劉文劍，許之偉，陳在禮.基于事例的工藝設(shè)計中形狀相似性計算方法[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2001，7（9）.

[5]蔡銘，林蘭芬，董金祥等.CAPP中零件信息模型自動獲取技術(shù)研究[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2002，14（5）.