基于特征和制造資源約束的折彎工藝設計方法研究

□ 姜 斌 □ 盧峰華 □ 韓士宏 □ 吳 坡 □ 杜宏光

唐山軌道客車有限責任公司 河北唐山 063035

近年來，計算機集成制造系統在企業中的應用不斷深入［1］，隨著市場競爭的日益激烈，企業對生產工藝設計的快速、智能、合理性等方面的要求越來越高，雖然CAPP系統廣泛應用于工藝設計領域，但其生成的生產工藝往往不能很好地針對企業現有的制造資源現狀，即生產工藝無法以現有制造資源實現。因此，迫切需要一種工藝設計智能系統，通過此系統，工藝人員在熟悉的軟件環境下對工藝設計對象作簡單的操作即可完成工藝設計。

本文以軌道車輛轉向架常用沖壓零件為研究對象，針對企業實際制造資源現狀，以制造工藝的智能化和可實現性為目的，研究了CAD/CAPP系統集成環境下沖壓件的工藝特征識別、提取和在制造資源約束下的工藝智能設計等關鍵問題。首先基于特征識別和特征映射實現了CAD/CAPP之間的無縫集成，進而通過建立制造資源對工藝特征的約束機制，以及基于工藝特征的沖壓件工藝推理規則，實現了滿足企業現有制造資源約束要求的沖壓類零件制造工藝的智能設計。

1 基于特征的CAD/CAPP系統集成

CAD系統是產品設計的環境，同時也是工藝設計人員對設計對象工藝信息獲取的重要工具，因此，CAPP與CAD系統的集成，可實現對CAPP系統的操作都能夠在CAD系統下完成。

零件工藝信息是CAPP系統實現工藝生成的基礎，對設計對象準確、簡潔的工藝信息獲取是CAPP系統進行工藝決策分析的關鍵，而零件結構設計以設計信息為基礎來完成。特征是信息的抽象與集合，同時是信息的載體，可分為設計特征與工藝特征。在應用CAPP階段，工藝設計人員希望從零件幾何模型中盡可能通過簡單的操作獲取對工藝設計有用的信息，甚至通過簡單的鼠標點擊和菜單操作即可完成所有工藝信息獲取，以減少人工的信息分析和輸入的工作量。特征即為零件信息的載體，其可將CAD系統下零件的信息以數據的形式傳遞給CAPP系統，由此，特征作為信息傳遞的紐帶，通過特征識別和特征映射將兩系統集成起來，在集成系統下，對零件信息的操作可通過對零件特征的操作實現。

基于特征的CAD/CAPP集成系統主要包括3個部分：CAD環境下特征信息獲取模塊，特征映射模塊，資源約束下工藝方案、工藝文件生成的CAPP模塊。系統結構及工作流程如圖1所示。

系統以工藝設計對象（零件的三維模型）為輸入，以人機交互的方式在CAD環境下提取零件的設計特征以及選擇零件的材質，從而生成完整的設計特征，經特征映射將設計特征轉化為工藝特征，并以特征文件的形式存儲，特征文件可以通過模塊間的通信將零件的信息傳遞到CAPP模塊中，在制造資源約束的條件下，生成符合實際的工藝方案，進而通過工藝決策生成工藝文件。

特征映射以特征映射機理為基礎，采用產生式規則推理的方法將設計特征映射為工藝特征。集成系統提供模塊化管理接口，映射功能模塊與系統間以動態鏈接的形式結合，這樣易于功能模塊維護且可在不修改系統程序框架的情況下升級新功能。特征映射過程為系統后臺運行功能，其工作過程如圖2所示。

圖2 系統特征映射

CAD/CAPP系統集成的實現是以特征技術為基礎的，作為信息載體，特征能夠跨平臺地傳遞零件的幾何信息、工藝信息以及其它屬性信息。基于特征技術的CAD/CAPP系統，以通用CAD系統為平臺，通過二次開發技術，擴展CAD系統的特征識別和信息處理功能模塊，工藝人員以人機交互的方式在熟悉的CAD環境下，即可完成對零件幾何信息、工藝信息的獲取。對于這些信息，系統以特征文件的形式存儲，該文件為文檔格式的多系統可識別的中性文件，通過定義文件的格式，以及為CAD、CAPP系統開發擴展文件接口程序，即可實現零件信息在多系統之間的傳遞。特征文件包含了與設計有關的幾何信息，同時包含與生產相關的制造信息，這些信息通過特征映射，經程序模塊處理、提取后生成與工藝設計相關的工藝信息，即工藝信息文件。該文件經制造資源約束模塊讀取，作出可制造性判定后即可以此為基礎進行工藝決策，生成符合當前企業制造能力要求的工藝文件。

本文采用配置文件作為特征文件的存儲形式，為了使存儲于各系統中的特征信息便于應用及處理，有必要應用計算機程序語言建立配置文件的操作功能接口。筆者設計了基于配置文件信息存儲模型的數據信息操作接口，由此可實現基于配置文件的特征信息的保存、修改和解析，使得工藝系統可以以此讀取特征信息，同時也可以將配置文件中保存的特征信息還原到設計系統中，為實現后續工作提供信息支持。圖3為基于配置文件的特征信息轉換接口功能示意圖。

圖3 文件信息轉化接口

2 制造資源對生產工藝的約束

生產工藝必須在企業制造資源約束下才能對生產活動起到正確的指導作用，在工藝設計過程中，希望企業的制造資源是清晰描述的，并且是能夠對工藝設計起到指導和約束作用的［7］。

制造資源描述主要是對其制造能力的描述，制造能力是指應用企業制造資源所能完成的生產任務的程度，如機床的加工范圍、加工精度，折彎機的最大折彎力等［8］。制造資源分為機床設備、模具、刀具、工裝、量具等。制造資源以數據的形式存儲信息，數據主要包括管理信息和能力信息兩方面內容，見表1。

表1 制造資源數據

制造資源庫包括工藝知識庫和資源設備庫兩部分。工藝知識庫存儲以制造資源信息為基礎的工藝約束性知識，如針對某一工藝對象的設備、工裝等的選擇規則，工藝參數的確定規則等。

資源設備庫主要包括各類機床、模具、刀具、工裝和量具等，這些設備以數據庫的形式存儲和管理。同時，數據庫為用戶提供管理接口，根據企業制造資源的變更，可及時對其進行維護，從而可實時準確地反應企業的制造資源現狀，及時有效地指導生產。

在零件生產工藝過程中，工序中涉及相應的機床，工件安裝涉及相應的夾具，機床和夾具確定后由刀具實現加工，或由模具實現成型，最后由量具實現檢測，因此，工藝過程中各個環節都受到制造資源的約束。工藝過程資源約束關系如圖4所示。

圖4 工藝過程資源約束

對工藝知識和制造資源的管理，通過對CAD系統進行二次開發以及擴展工藝知識庫和制造資源庫管理功能模塊予以實現。系統為用戶提供了一個管理接口，從而實現了對工藝知識、制造資源信息的添加、修改和刪除，通過這一接口，工藝人員以及系統維護人員可以將產品生產過程中積累的工藝經驗以及工藝改進和創新，實時地添加到工藝系統中，同時可根據企業制造資源變動調整資源信息，由此實現了有價值的生產工藝以及經驗的積累和傳承，同時保證了制造資源的實時更新，使系統工藝生成的智能性、合理性不斷提升。

以鋼板類零件折彎成型過程為例，共涉及機床、工具、量具3類制造資源，其中機床包括數控折彎機，工具包括折彎模具，量具包括折彎檢測工具。

反應制造資源能力的參數為：1）折彎機，最大折彎力，最大可折工件長度，最大可折工件寬度，最大開啟高度；2）折彎模具，最大工件寬度，折彎圓弧半徑，折彎圓弧張角；3）測量工具，折彎圓弧半徑，折彎圓弧張角。

以某一組制造資源為例，約束參數表示方式如下。

折彎機A：折彎力≤1 200 kN，可折工件長度≤3 200 mm，可折工件寬度≤2 700 mm，開啟高度≤620 mm。

折彎上模A：工件寬度≤1 000 mm，50 mm≤折彎圓弧半徑≤60 mm，50°≤折彎圓弧張角≤120°。

折彎下模A：工件寬度≤1 000 mm，下模開口寬度=100 mm，30 mm≤折彎圓弧半徑≤180 mm，90°≤折彎圓弧張角≤120°。

測量工具A：10 mm≤折彎圓弧半徑≤150 mm，折彎圓弧張角≤180°。

通過對折彎對象特征提取的特征信息包括板料厚度S、板料折彎寬度L以及材料抗拉強度b，根據工藝經驗，下模開口寬度V與板料厚度S之間的約束關系為：

8S≤V≤10S

折彎半徑R與下模開口寬度V之間的關系為：

0.16 V≤R≤0.17V

折彎力P的計算公式為：

P=1.42bS2L/V

通過對設計對象特征信息處理，得到工藝參數V、S、P，再通過對制造資源信息檢索及對約束關系進行邏輯判斷，即可評價出此工件是否可以現有制造資源來達到理想設計要求。

若通過約束判定后可實現，系統會自動選擇現有設備、模具、工裝、量具的制造資源，通過工藝決策生成零件成型工藝。

3 實例

圖5為轉向架側梁下蓋板折彎成型后的三維模型，具體參數如圖6所示。

圖5 三維模型

圖6 零件成型參數

在CAD環境下，通過對幾何模型進行特征選取，以及經過系統特征映射、制造資源約束判斷、工藝方案選擇以及工藝決策，系統生成特征中性文件：

其中：R表示圓弧半徑；V表示圓弧張角；L表示圓弧間距；S表示材料板厚。

由以上參數可以通過系統處理得到制造資源約束結果，若具備可制造性，則生成折彎工藝文件。

4 結束語

本文提出了制造資源約束檢查方法，建立了基于特征和制造資源約束的折彎工藝設計原型系統，并以轉向架常用件作為設計對象對其進行檢驗，得到如下結論。

（1）系統由零件模型提取的特征信息能夠完整地描述零件幾何結構和工藝要求。

（2）設計特征可向工藝特征映射，系統通過三維圖形顯示的方式，表現設計人員的意圖。

（3）工藝推理模塊能夠通過讀取加工特征文件，獲取零件設計信息，生成工藝流程，實現制造工藝智能生成。

（4）系統對工藝特征進行制造資源約束檢查，保證所設計的生產工藝是本企業現階段可制造的，減少了由于零件不可加工造成的反復設計問題，提高了產品設計效率和市場競爭力。

［1］ 田富君，田錫天，李洲洋，等.基于輕量化模型的CAD/CAPP系統集成技術研究 ［J］.計算機集成制造系統，2010，16（3）：521-523.

［2］ Paolo Di Stefano FB，Luca Di Angelo.An Approach for Feature Semantics Recognition in Geometric Models ［J］.Computer-Aided Design，2004， 36（10）：993-1009.

［3］ Kang M，Han J，Moon G.An Approach for Interlinking Design and Process Planning ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，139（1）：589-595.

［4］ Ferrer I，Rios J，Ciurana J.An Approach to Integrate Manufacturing Process Information in Part Design Phases［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209 （4）：2085-2091.

［5］ 黃正東，謝波，馬露杰.設計特征向加工特征轉換的掃體重構法 ［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2006，18（10）：1574-1578.

［6］ Ismail N，Abu Bakar N，Jrui A H.Recognition of Cylindricalbased Features Using Edge Boundary Technique for Integrated Manufacturing ［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2004，20（5）：417-422.

［7］ Zeballos L J，Quiroga O D，Henning G P.A Constraint Programming Model for the Schdeuling of Flexible Manufacturing Systems with Machine and Tool Limitations［J］.Engineering ApplicationsofArtificialIntelligence，2010，23 （2）：229-248.

［8］ 趙巖，莫蓉.制造資源能力與制造工藝約束的匹配度研究［J］.計算機集成制造系統，2009，15 （4）：712-716.

［9］ 曾令友，郁鼎文，張玉峰.通用CAPP系統中制造資源管理系統的研究［J］.制造技術與機床，2003（1）：76-78.

［10］ Kimura F，Nielsen J.A Design Method for Product Family under Manufacturing Resource Constraints［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（1）：139-142.