基于工程變更的機(jī)加工藝路線優(yōu)化方法

尚悅?cè)?，?凌

(西安文理學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

本文是以制造業(yè)迅速發(fā)展為背景，當(dāng)前，圍繞中國(guó)制造2025提出的到2025年中國(guó)將邁入制造強(qiáng)國(guó)行列，制約我國(guó)制造業(yè)迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是制造過(guò)程中機(jī)械裝備智能化普遍不高。特別是針對(duì)工程變更問(wèn)題，傳統(tǒng)機(jī)加工藝路線決策與優(yōu)化一般由CAPP軟件或工藝人員人為制定[1]，當(dāng)工程變更問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，傳統(tǒng)方法并不適應(yīng)當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展需求。

工程變更[2]的情況適應(yīng)大多數(shù)制造企業(yè)中，如航空行業(yè)，船舶行業(yè)，高速公路建設(shè)中等方面，工程變更指的是產(chǎn)品加工過(guò)程中，產(chǎn)品及其組件的形狀、組件、材料、尺寸、功能和組織機(jī)構(gòu)等被設(shè)計(jì)者做出更改。它表現(xiàn)為：對(duì)文檔的修正、對(duì)需求的增減、對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造全過(guò)程的重新設(shè)計(jì)。宮中偉等人[3]提出航空制造業(yè)企業(yè)工程變更問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)途徑做出了一種運(yùn)用人工經(jīng)驗(yàn)的工程變更路徑預(yù)測(cè)方法。又針對(duì)航空制造業(yè)企業(yè)工程變更問(wèn)題[4]，建立矩陣預(yù)測(cè)雪崩傳播形工程變更傳播的方法。相關(guān)研究現(xiàn)狀表明工程變更是一個(gè)在制造業(yè)企業(yè)普遍存在的現(xiàn)象。

李春磊[5]從結(jié)合幾何演變序列相似度性和機(jī)加工藝路徑相似度性入手，討論了機(jī)加工藝路線的相似度性，完成了工藝重用。劉金鋒等人[6]提出了一種基于加工知識(shí)的工藝特征匹配方法，該方法利用特征面組屬性鄰接矩陣表示和記錄加工特征的相關(guān)拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)相似度性計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)了工藝重用。朱碩等人[7]提出的機(jī)械加工工藝單元多分辨率實(shí)體動(dòng)態(tài)能效獲取方法，將建模與仿真作為支撐離散制造系統(tǒng)分析和決策的關(guān)鍵技術(shù)，在機(jī)械加工過(guò)程的能效提升方面發(fā)揮著重要作用。武軒[8]針對(duì)當(dāng)前復(fù)雜零件的加工建立了本體知識(shí)庫(kù)，對(duì)相似零件根據(jù)相似的程度找出對(duì)應(yīng)的機(jī)加工藝路線，運(yùn)用模糊粗糙集理論對(duì)其進(jìn)行工藝重用。王琦等人[9]提出在當(dāng)今時(shí)代CAPP技術(shù)不能滿足智能制造的制造業(yè)企業(yè)大背景前提，建立了一種工藝知識(shí)技術(shù)發(fā)現(xiàn)體系，做出了多準(zhǔn)則群決策方法完成了機(jī)加工藝藝的重用。孫璞等人[10]根據(jù)三維工序加工的方法，提出了一種特殊的三級(jí)多叉樹(shù)的方法從而去表示三維工序模型，實(shí)現(xiàn)了不同粒度的表現(xiàn)形式，從而做到了三維知識(shí)的重用。常智勇等人[11]為了使得在工藝知識(shí)重用方面提高重用人員的主觀能動(dòng)性，把幾何演變的存在的潛在工藝知識(shí)作為研究對(duì)象，提出了考慮進(jìn)加工意圖的工藝重用方法。傳統(tǒng)機(jī)加工藝路線重用時(shí)，只考慮幾何演變序列相似度或機(jī)加工路徑相似度，這樣并不具備足夠的說(shuō)服力。所以本文先從幾何演變序列入手對(duì)工藝路線重用，再整合兩部分相似度對(duì)重用做驗(yàn)證。

本文正是通過(guò)相關(guān)研究提出：先根據(jù)幾何演變序列相似度對(duì)機(jī)加工藝路線進(jìn)行決策，再結(jié)合工程變更內(nèi)容優(yōu)化機(jī)加工藝路線，最后利用機(jī)加工藝路線相似度對(duì)決策與優(yōu)化做可行性驗(yàn)證。

1 工程變更前后模型分析

工程變更(Engineering Change)是指承包甲方根據(jù)設(shè)計(jì)需求及要求進(jìn)行在合同工作范圍內(nèi)的各種類型的變更，它包含在合同內(nèi)工作內(nèi)容的增減、合同工作量的變更、因地理因素誘導(dǎo)的設(shè)計(jì)更改等等，它的主要涵蓋范圍包括：尺寸、功能、工藝、材料、技術(shù)指標(biāo)、工程數(shù)量、工作順序等等。

1.1 工程變更前模型

工程變更前模型如圖1所示。圖1(a)和圖1(b)表示變更前零件二維和三維的模型圖。

(a)變更前零件圖

1.2 工程變更具體內(nèi)容

工程變更具體內(nèi)容為

(2)A型普通平鍵6×6變?yōu)榘雸A鍵6×6。

(5)Φ25軸段變更為Φ30軸段。

(6)Φ30軸段變更為Φ35軸段。

(8)去除A型普通平鍵8×7。

(9)螺紋孔M6深度14 mm變更為螺紋孔M8深度16 mm。

(10)Φ35軸段上添加A型普通平鍵10×8，粗糙度要求為Ra6.3。

1.3 工程變更后模型

工程變更后模型如圖2所示。圖2(a)和圖2(b)分別表示變更前零件二維和三維的模型圖。

(a)變更后零件二維模型圖

1.4 屬性鄰接圖的繪制

幾何變更是相鄰兩個(gè)工序操作完成后達(dá)到的三維工序模型進(jìn)行布爾求差達(dá)到的結(jié)果。分析變更前傳動(dòng)軸零件，以粗加工工序?yàn)槔摍C(jī)加工藝路線的幾何變更如圖3～圖8所示。

圖3 車端面幾何變更

圖4 車外圓幾何變更

圖5 鉆孔幾何變更

圖6 攻絲幾何變更

圖7 銑O型圈溝槽幾何變更

圖8 銑A型普通平鍵幾何變更

圖3表示粗車端面工序剔除的材料；圖4表示粗車外圓工序剔除的材料；圖5表示粗鉆工序剔除的材料；圖6表示攻絲工序剔除的材料；圖7表示粗銑O型圈溝槽工序剔除的材料；圖8表示粗銑A型普通平鍵工序剔除的材料。

從圖3～圖8可以見(jiàn)粗加工過(guò)程的幾何變更均轉(zhuǎn)化成了三維工序模型，并通過(guò)12個(gè)三維工序模型集合表示整個(gè)粗加工的整個(gè)過(guò)程，該加工過(guò)程展示傳動(dòng)軸零件的大致形狀特征。本文運(yùn)用屬性鄰接圖表示幾何變更的三維工序模型。三維工序模型的屬性鄰接圖：AAG=(O，L，OAS，LA)，其中O表示頂點(diǎn)的集合，該頂點(diǎn)集合有且只有一個(gè)面與之相互對(duì)應(yīng)。L表示邊的集合，L是兩個(gè)頂點(diǎn)集合對(duì)應(yīng)的面以何種方式的邊連接起來(lái)，只有這兩個(gè)面鄰接的情況下才可適用。OAS表示一個(gè)面的所有關(guān)系集合(包括面的面積、面的類型以及面的連接度)。LA表示邊的屬性，若從屬于L上的一條弧端lx屬于空間集合曲線則LA=2，若lx為平面曲線則LA=1，若lx為直線則LA=0。屬性鄰接圖的具體介紹如上所述，屬性鄰接圖表達(dá)幾何變更的方法如下所述：

(1)把兩個(gè)相鄰工序之間的求差結(jié)果用三維圖繪制出來(lái)。

(2)每一步求差結(jié)果建立一個(gè)AAG=(O，L，OAS，LA)。

(3)總幾何變更是若干個(gè)AAG組成的集合來(lái)表示。

2 基于機(jī)加工藝路線間相似度的機(jī)加工藝路線決策

本文搜集一個(gè)軸類零件模型庫(kù)，提出初步相似度排序法、幾何變更字符串表示法和機(jī)加工藝路線間相似度計(jì)算法計(jì)算相似度做機(jī)加工藝路線決策。

2.1 初步檢索方法

搜集一個(gè)軸類零件模型庫(kù)，包含113個(gè)軸類零件，這些零件全部來(lái)自于自建模型庫(kù)。庫(kù)中零件的機(jī)加工藝路線全部已知，并提出一個(gè)初步相似度檢索方法。分析變更后工序模型含有五段軸、一個(gè)A型普通平鍵、一個(gè)半圓形鍵槽、一個(gè)深度為16的螺紋孔M8。提出方法步驟如下：

(1)檢索有5段軸的傳動(dòng)軸零件，輸出所有零件。

(2)零件是否包含A型普通平鍵、半圓形鍵、螺紋和孔，若一個(gè)也不含有，則排除該零件。

(3)把A型普通平鍵、半圓形鍵槽、螺紋和孔各記得分為1，若傳動(dòng)軸零件含有一個(gè)特征則得分為1，不含有不扣分。以此累加，輸出所有符合條件的零件。

(4)把初步相似零件按得分排序，輸出排序和得分。

按照檢索步驟把庫(kù)中零件和變更后模型做對(duì)比，得到初步相似度排序?yàn)椋簃odel63=model98>model11=model49>model13。這個(gè)方法只是為了后續(xù)進(jìn)一步計(jì)算而縮小范圍，并不會(huì)起決定作用。

2.2 幾何變更的降維表示

由于幾何變更是三維問(wèn)題，所以把幾何變更轉(zhuǎn)化為二維字符串[1]來(lái)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能也方便后續(xù)計(jì)算。

(1)把屬性鄰接圖中的頂點(diǎn)進(jìn)行重新劃分并排序。

首先，定義面的連接度，面的連接度是頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)面所鄰接的面的個(gè)數(shù)，若頂點(diǎn)Ox所對(duì)應(yīng)的所屬平面的連接度大于頂點(diǎn)Oy所對(duì)應(yīng)的所屬平面的連接度，則把Ox排列在Oy之前。

其次，當(dāng)兩個(gè)頂點(diǎn)Ox，Oy對(duì)應(yīng)的所屬平面的連接度相同時(shí)，將對(duì)應(yīng)平面的出現(xiàn)概率大的排列在出現(xiàn)概率小的之前。本文認(rèn)為平面>圓柱面>圓錐面>其他類型平面。Pl表示平面用，Cy表示圓柱面用，Ci表示圓錐面用，Th表示螺紋面。

最后，當(dāng)兩個(gè)頂點(diǎn)Ox，Oy對(duì)應(yīng)的所屬平面的連接度和面的類型均相同時(shí)，運(yùn)用面積衡量，若Sox大于Soy時(shí)，則認(rèn)定把Sox排列在Soy之前。

(3)把原屬性鄰接圖中所有頂點(diǎn)一一表示，得到一個(gè)幾何變更的總體字符串。

2.3 由機(jī)加工藝路線構(gòu)造幾何演變序列

機(jī)加工藝路線可由1.4構(gòu)造成幾何變更的屬性鄰接圖集合；屬性鄰接圖集合可由2.2構(gòu)造成字符串的集合。所有工序?qū)?yīng)的集合變更全部用字符串表示出來(lái)的時(shí)候，便可構(gòu)造出對(duì)應(yīng)的幾何演變序列記為GVS。在工藝路線轉(zhuǎn)化成為幾何演變序列時(shí)，一大部分加工不能改變零件具體的幾何結(jié)構(gòu)和具體特征，僅僅只是為了達(dá)到加工具體要求的尺寸要求和粗糙度要求，如半精車、精車、粗磨、精磨、精銑、精鏜等。這部分加工不應(yīng)該在幾何演變序列的研究當(dāng)中，應(yīng)把此部分加工方法從GVS中取締，所以把需要研究的關(guān)鍵幾何演變[2]序列提取出來(lái)，記為GVS*，用GVS*完成后續(xù)工作的研究。由于本文研究的零件已經(jīng)具體到傳動(dòng)軸零件的加工，故此定義GV1為粗車兩端面和粗車各個(gè)外圓的加工；GV2為粗銑鍵槽和粗銑O型圈溝槽的加工；GV3為孔的加工。

2.4 幾何演變序列相似度計(jì)算及機(jī)加工藝路線決策

使用編輯距離算法分別計(jì)算model63、model98、model11、model49、model13和變更后模型新構(gòu)造序列的序列間相似度。編輯距離算法[2]計(jì)算公式如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

再結(jié)合分出的三個(gè)類型，分別運(yùn)用Blast序列相似度性度量算法[3]計(jì)算model63、model98、model11、model49、model13和變更后模型的幾何演變序列相似度。

最終計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 相似度結(jié)果表

根據(jù)計(jì)算得到的值，參考相關(guān)研究文獻(xiàn)[4]，當(dāng)相似度超過(guò)0.6就可沿用其路線對(duì)其進(jìn)行加工。選取model98加工路線對(duì)變更后模型進(jìn)行加工。

3 機(jī)加工藝路線優(yōu)化

根據(jù)工程變更要求，對(duì)具體研究進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)機(jī)械制造基礎(chǔ)知識(shí)確定Φ19+0.50軸段由粗車加工達(dá)到加工需求；Φ20+0.015-0.015軸段由粗車、半精車、精車達(dá)到加工需求；Φ30+0.020-0.025軸段由粗車、半精車、精車達(dá)到加工需求；Φ35+0.70由粗車達(dá)到加工需求；Φ25+0.017-0.015軸段由粗車、半精車、精車達(dá)到加工需求。確定半圓形鍵槽6×6和A型普通平鍵10×8均由粗銑達(dá)到加工需求。

最終的變更后模型機(jī)加工藝路線為：備料→正火→粗車兩端面，鉆出中心孔→粗車外圓→調(diào)質(zhì)→半精車外圓→精車外圓→粗銑圓形鍵槽和A型普通平鍵→鉆螺紋底孔→擴(kuò)孔→攻絲。

4 小 結(jié)

本文提出的這種機(jī)加工藝路線的決策與優(yōu)化方法發(fā)現(xiàn)如果工程變更不改變具體零件的主特征，僅對(duì)加工尺寸和加工精度發(fā)生變更，原有的機(jī)加工藝路線經(jīng)過(guò)優(yōu)化后還仍可沿用。并且使得現(xiàn)有制造業(yè)企業(yè)制造變更零件和新零件不單單是通過(guò)CAPP軟件和工藝人員人為制定，基本實(shí)現(xiàn)了智能生產(chǎn)，把精益生產(chǎn)的理念推向了精益設(shè)計(jì)的過(guò)程，如果設(shè)計(jì)能夠更加方便和智能，制造環(huán)節(jié)也必然能夠?qū)崿F(xiàn)精益求精。