基于特征的零件工藝參數化變型設計

梁麗芬，王宗彥，張 鵬，莊乾宇，閆 帥

LIANG Li-fen, WANG Zong-yan, ZHANG Peng, ZHUANG Qian-yu, YAN Shuai

（中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051）

0 引言

工藝設計作為連接產品設計與制造的橋梁，由于其自身的復雜性和不確定性，一直是CAPP（Computer Aided Process Planning）難以解決的問題。開發一套具有較強使用性的CAPP系統，不僅要考慮企業的產品特點、生產技術水平、加工設備和條件等，而且還應該對已有工藝經驗和數據進行充分利用，擺脫工藝設計對工藝人員經驗的依賴[1]。所以，實現計算機根據產品信息自動生成合理的加工工藝有一定的困難。

調查研究顯示，很多企業的系列化產品的相似度比較高，總的來說，在機械產品的實際設計中，將近70%～80%的產品是重復利用過去的零件設計或對已有零件進行變型設計，只有約20%的零件是完全新設計出來的[2]。零件的結構或特征具有相似性，則意味著零件的加工工藝也具有相似性[3]，基于這種特點，在零件的特征發生變化的情況下，將參數化技術運用到工藝變型的設計過程中，很多問題就會得到解決。

1 參數化變型設計

參數化變型設計是利用參數化技術，對模板的參數進行調整，以設計要求的主參數為自變量，非關鍵參數為函數值的一種驅動機制。不僅包括通過對主特征驅動尺寸的修改實現三維模型的變型設計，還包括工程圖的自動調整，以及零件的工藝規程規劃的參數化變型設計[4]。

1.1 基于特征的零件參數化變型設計

在機械設計制造中，特征驅動是指零件幾何形狀結構特征或者非幾何特征參數變化引起零件的結構、功能及其制造工藝的變化。通常情況下，零件是由一些特征通過某些關系組合的，把對零件的最終結構和功能起決定性的特征規定為主特征，通過修改主特征的參數來實現零件的變型設計，零件上其他的特征的改變都是通過主特征或者約束關系確定的[5]。

1.2 基于特征的工藝參數化變型設計

基于特征的零件工藝參數化變型設計是將已經完成的工藝設計由變量表示，其中，主特征為主參數，生成參數化工藝設計模板，并將其記錄在工藝模板數據庫中；在設計新零件的工藝時，按照用戶的具體需要，通過修改相應的變量來實現工藝的變型設計。

工藝變型的實質是在三維CAD軟件和加工特征工藝模板庫的協助下一系列參數化的集合。為了實現零件工藝的變型，必須對加工工藝路線和工序卡片進行變型，工藝路線的變型是對零件加工過程的工序進行增加、修改或刪除，而工序卡片的變型是對零件尺寸的改變、文字和數字信息的變化，以及加工所需要的刀具和裝備的重新選擇。

如圖1所示，零件的變型是工藝變型的基礎，零件工藝變型設計是通過零件參數的變化來驅動工藝參數的。所以，分別建立零件參數表和工藝參數表，工藝參數表中的參數是從加工工藝路線和工序卡片中提取出來的，能夠完整的表達零件加工的全部特性，并且與零件的三維模型保持相關聯。如此，當零件的三維模型發生變型時，零件參數表會驅動工藝參數表發生變化，而工藝參數表可以驅動工藝變型實現快速工藝變型設計。

2 工藝變型設計流程

圖1 基于特征的工藝變型設計原理圖

基于特征的零件工藝參數化變型設計包括整體設計和詳細設計兩個階段，如圖2所示。在整體設計階段，系統根據設計需求與數據庫中的工藝模板進行比較，判斷是否存在與該零件工藝相似的工藝，如果有就借用，否則，需要對零件進行重新設計。

圖2 工藝變型流程圖

如果借用典型工藝模板，則進行詳細設計：系統根據交互界面輸入的信息，完成零件三維模型變型，并自動提取零件參數，完成工藝模型的驅動，并提取每道工藝路線中包含的尺寸信息和特征信息，最后在自動生成工序簡圖以及工藝卡片，如果符合要求，則輸出工藝文件，并把零件模型及工藝參數加入實例庫，作為新的實例。如果不符合要求，對工藝進行重新設計。

2.1 制定工藝參數化模板

工藝的最后形式是以工藝卡片表現的，新零件的工藝生成是在可編輯的已有工藝模板上完成的，支持變型的工藝參數化模板如圖3所示，工藝模板的參數化依靠數據庫中的數據參數傳遞。當零件的信息發生變化時，引起工藝數據庫變化，數據庫中單元索引表的字段與工藝模板中單元格的參數內容相關聯，數據庫會把該信息準確無誤的傳遞給工藝模板，從而實現工藝變型。

圖3 支持變型設計的工藝模板

2.2 三維模型的變型設計

零件三維模型的變型是工藝變型的基礎，實現零件的變型同時也生成新零件的工程圖，再對工程圖進行修改，就可以實現工序簡圖的自動生成。

2.3 工藝路線的變型設計

工藝路線指利用所有的加工資源設計出從毛坯到零件的詳細加工過程，當對零件進行變型設計時，其工藝路線也會隨之改變。加工工藝路線的變型設計主要包括兩類：1）當零件模型尺寸變型時，工藝路線或工序中工步數值型參數的變化；2）當零件模型結構變型時，工藝路線中工序的內容需要修改、增加、刪除。

2.4 工序簡圖的變型設計

工藝變型設計過程中最重要同時也是最繁瑣的就是工序簡圖的變型，基于特征的工藝變型省去了重新畫工序簡圖的步驟，而是利用工程圖生成工序簡圖[6]。工程圖會根據零件的變型驅動發生相應的變化，可能會出現視圖比例不合適、粗糙度信息的混亂等，需要對工程圖進行調整，最后，對工程圖進行屬性修改或添加，就可以生成工序簡圖。

2.5 工藝卡片的變型設計

圖4 工藝卡片的變型過程

工藝卡片的變型過程如圖4所示，模型的變化會引起工藝路線以及工序簡圖的變化，最終引起每一道工序和工藝模型的變型，工藝數據庫會把改變的內容保存下來，替換原來的舊數據。工藝卡片的變型實質就是操作數據庫、傳遞參數的過程，將工藝卡片的數據結構提前在數據庫中設置好，這些結構中的內容會隨著參數的驅動顯示不同內容，就會呈現不同的工藝卡片，從而實現了工藝卡片的變型。

3 應用實例

以某企業的板類零件為研究對象，零件的三維模型如圖5所示?？梢钥闯觯慵闹饕庸ぬ卣魇强缀推矫?，加工該零件主要是在銑床上進行，孔的常用加工方法有鉆、擴、鉸、鏜、磨，根據企業的要求選擇不同的加工方式，可以加工出不同精度的孔。

圖5 板類零件圖

1）零件信息輸入。當對零件進行工藝設計時，系統會根據用戶提交的數據判斷零件的類型（平板件、長體件、方體件）。當確定零件以后，需要對零件的加工單元進行參數設置，如圖6所示，然后在實例庫中檢索是否存在此類型零件。

2）零件幾何參數化。用戶將零件的設計參數輸入界面后，系統會根據輸入的參數自動輸出相應的零件模型，如果生成的零件不符合實際要求，需要對生成的零件進行修改才能完成零件模型的建立。零件模型完成以后，會將零件的主要參數保存在數據庫中。

3）零件工藝路線參數化。當零件的尺寸或結構參數化驅動完成后，自動提取模型的各個參數，并根據工藝要求的精度等級和表面粗糙度等信息確定孔和平面的工藝路線，把工藝信息寫入到數據庫中，并更新對應的工藝卡片，實現零件模型、數據庫和工藝卡片的統一性與同步更新，彈出工藝設計界面如圖7所示，用戶還可根據需要添加，修改或刪除工序。

圖6 加工單元編碼窗口

圖7 工藝設計界面

4）自動生成工藝卡片。工藝卡片中工序簡圖的自動生成和更新是通過對工程圖進行屬性修改或添加，替換工藝卡片中舊的工序簡圖實現的。最后，通過數據庫參數對工藝卡片的其他信息進行更新。

所有的工序設計實現以后，系統會調用Excel接口程序，將工藝內容放到工藝卡片對應的位置生成文件存儲到數據庫中方便查看和下載。生成的新的工藝模型及信息會存儲到相應位置作為新的模板擴充實例庫，供下次檢索時使用。

4 結束語

基于特征的零件參數化工藝變型設計技術，是針對企業對CAPP系統具有實用性和智能性的要求而提出的，最大的特點是通過修改主特征參數，即可生成所需三維模型，并通過對工藝過程的參數化設計來實現一系列結構相似或工藝相似的零件工藝變型設計。有效提升了CAPP系統的智能性、同時滿足了企業系統實用性的要求，為從零件的設計到加工制造的集成提供了一條有效途徑。

[1]李群力,王宗彥,鄭江,等.基于三維參數化模型的裝配CAPP系統研究[J].制造業自動化,2013,35(10)：120-122.

[2]喬虎,莫蓉,陳濤,等.變型設計知識庫構建方法研究[J].中國機械工程,2011,22(16)：1974-1980.

[3]張迪.大規模定制環境下基于工藝相似性的工時模塊化方法研究[D].重慶：重慶大學,2014.

[4]虞國軍,徐亮,王宗彥,等.基于參數化變型設計的工藝信息統計[J].組合機床與自動化加工技術,2012(4)：100-103.

[5]景三虎.基于工藝模板的回轉類零件工藝變型設計研究[D].山西：中北大學,2012.

[6]王飛飛,盛步云,肖聃.基于三維的工藝變型設計研究與實現[J].機械制造,2009,47(7)：62-65.