結構化工藝設計中特征分組技術的應用及管理

李睿哲 姚岳 劉香福

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

0.引言

在工藝技術水平不斷提高的背景之下，促進了工藝設計的創新發展，不斷地完善的工藝設計制造結構體系。通過特征分組技術的運用，能夠采用全新的方式，在現有的工藝規程的基礎之上，通過對于工藝模板的變型打造全新的工藝路線，實現制造目標的優化創新。

1.研究背景

現階段，三維模型的計算機輔助設計和制造技術呈現迅猛的發展勢頭，但是針對計算機輔助工藝規劃方面所進行的實例開發依然以二維圖紙設計為主。通過工藝卡的制式沒有相關的應對三維模型的方法，因此，從產品到工藝設計以及整個加工的流程，需要多次反復地進行產品信息輸出的二維和三維的轉化。這不僅會嚴重影響效率，同時還會增加信息傳遞的出錯率，難以符合當前三維產品設計制造所提出的需要。隨著三維工藝設計的不斷優化，也要促進計算機輔助設計、制造和工藝規劃三者之間的有效融合具有重要的意義，屬于產品朝數字化制造方向發展的一個必然的途徑。對于工藝規程定制而言，其中的一項重要的內容就是規范化的工藝路線的輸出。對于結構化工藝路線而言，具有顯著的特點，不僅能夠明確清晰地進行信息的表達，同時還便于傳遞和存儲。另外，結構化工藝路線節點較為理想，能夠作為數據集組織的依附點，所以通過對于原始模板之下的結構化工藝路線轉型技術的研究具有重要的意義。

現階段所應用的結構化工藝定制手段主要是在工藝模板轉型基礎上實現的，依靠數字化結構轉型的方法，并配合加工鏈工藝模板的修改。對于前者來說，隨著制造對象具有越來越高的系統化以及參數化的設計水平，依靠數字化轉型手段促進了制造工藝的行程。但是針對一些零件具有較為復雜的結構，因此就很難通過參數化的工藝模型生成和變型。而后者則是利用加工鏈的變型，通過排序的方式，并未借助原有的工藝路線結構。而且所應用的算法也不具有較快的運算速度。因此，對于以上的兩種方法都存在著一定的缺陷。所以在此基礎之上就進行了加工特征分組方式的提出，針對結構化工藝設計的模板進行變型，并通過對于當前工藝規程的有效運用，按照差異性的制造信息實現全新的工藝路線的生成。

2.結構化工藝設計的研究意義

當前，隨著數字化制造的發展，因此傳統的CAPP已經難以符合當前的制造需要，所以就進行了全新的工藝數據管理模式的探索，也就是結構化的工藝管理模式。在此基礎之上進行工藝數據管理系統的開發，從而實現產品設計、工藝和制造的數據交互，這樣也能夠有助于進一步解決當前的工藝數據管理問題。在結構化工藝數據管理中，就是針對工藝數據實現對象化和模型化的處理。在工藝數據中，涉及多種數據信息，如資料、物料、工裝設備等。通過對于工藝數據模型關系的構建能夠促進工業數據之間關聯的實現，從而對其進行有效的管理，避免出現工藝數據的冗余問題，確保工藝數據的一致性和有效性。通過結構化的工藝數據管理模式能夠實現數據的復雜性管理，促進工藝制造領域業務的不斷延伸和拓展。對工藝的復雜性提供了更加有力的支持，同時還能夠大大地降低數據冗余問題的出現。通過數據管理軟件的運用能夠實現對于工藝信息的有效管理，依靠二次開發解決當前工藝數據信息管理中存在的問題，有助于資源的整合和成本的節約，大大降低勞動力的損耗[1]。

3.結構化工藝變型設計

在進行結構化工藝變型設計的過程中包含多個步驟和環節，分別為制造特征分組、特征信息建立、典型件制造特征、創建加工模板、比較加工特征和復制加工規程內容的有效性。

3.1 結構化工藝設計的特點

（1）難度性。對于結構化工藝而言，有著較大的工作量，而且有著較高的難度系數。這主要是由于在結構化的工藝設計的過程中，對于準確度提出了較高的要求，不能夠出現失誤問題。另外，結構化工藝設計也要進行大量的人力、物力、時間的消耗，并不是單純地進行普通裝置的布設，同時還涉及很多項目內容。要結合具體的質量要求，按照相關的規定進行制作。但是，受到設計人員和資金等方面的限制，大大地提高制作的難度系數，增加了潛在事故的發生概率，同時還包含很多的安全因素。所以結構化的工藝設計就要加強事前準備，進行人員、資金等方面的預先安排，并對于設計工程中存在的安全風險問題，也要做到提前的預測和判斷。

（2）獨特性。對于結構化的工藝設計而言，通常情況下，會涉及很多新型技術的開發。因此結構化工藝設計在流程上有著顯著的獨特性。大多數的結構化工藝設計沒有完整的基礎資料，主要就是按照具體的科研單位進行相關資料的制訂，同時也要結合專業資料做好基礎資料的編制。因此，如果不利用結構化工業設計的方法進行相關的檢驗，那么也會使得數據不具有獨特性。除了這些偶然因素以外，從裝置上來看，具體的工藝和流程也有著顯著的獨特性。

3.2 加工特征分組和特征屬性

在結構化工藝設計中，一個基礎的內容就是對于加工信息的合理表述。所涉及的零件加工信息具有諸多特點，不僅內容比較復雜，而且面臨著較大的體量，同時也具有比較高的知識離散度。如果在制造信息的表達時，采用單一的方法，那么也難以完整、清晰地進行制造信息的展現。所以為了有效解決這一問題，就可以通過可視化信息輸出的分組手段進一步結合特征屬性定義手段。

在加工特征中，涉及對于機械加工的表面和具體的要求信息，加工特征分組就是在加工特征的基礎上，以此作為單元實現對于零件加工信息組織的表達。通過PMI標識技術進行分組的方法，從而實現對于加工特征的拾取。PMI能夠關聯待加工面，從而進行加工特征信息的表達。因此就將PMI作為組員，進行加工特征組的建立，讓其變為待加工零件中一個具體的子節點，從而構建加工特征層次結構體系。對于加工特征的信息可視化表達，在最大程度上將加工信息展現出來。在PMI的標注內容中包括加工要求、設計尺寸以及特征注釋[2]。

要想促進加工特征和工步之間的有效關聯，并且通過系統識別加工特征，就要通過特征編碼技術的應用。在編碼規則中包含所有的類型和加工特征，同時還要對于編碼的完整性和簡潔性做到重要的保證，確保不會出現歧義。在規則碼中涉及到3部分內容，分別為方位碼零件類型碼以及幾何信息碼。首先對于方位碼，進行特征方位的描述，對于回轉和非回轉類的工件分別采用四方位以及七方位法。零件類型碼分別由典型件類型和具體種類兩位數組成，而幾何信息碼就是對制造特征的幾何信息進行精細化的記錄和描述。通過編碼進行加工對象類型的表示，之后有兩位順序碼進行加工特征的表示。

3.3 數字化加工特征結構信息傳遞

對于信息的傳遞交互具有兩種類型，第一種是對于零件所具有的基本物理信息進行描述，而第二種是針對零件的結構和附屬的特征屬性。第一種能夠依靠系統的信息交流功能實現信息的傳遞。而第二種主要依靠中間格式文件，實現傳遞的目標。面對大量的制造數據，在交換和儲存的過程中，可以將其轉換為標記語言的格式。這樣也能夠讓傳輸數據，具有更高的精準性和有效性，對于異構系統的信息傳遞，具有較高的適用性。在進行結構化特征信息模型的創建階段，首先要在具體的特征分組界面之中，通過PMI與加工特征關聯的方式做好加工特征的分組，并進一步定義特征屬性。其次通過導航窗格能夠對于標注結構做到直觀地顯示。最后進行標注內容和信息的轉譯，讓其成為XML文件，在CAPP系統之中進行加工特征結構的傳遞[3]。

3.4 工藝路線變型

（1）創建工藝路線模板。要想讓所創建的模板，具有較高的適用性，能夠實現通用的特點，就要通過對于成組工藝設計原理的有效運用。對于典型件的工藝規程樣板，要在最大程度上涵蓋該種類型工件的加工特征，在典型工件的基礎之上進行工藝樣板的構建。并且對于每一個樣板都要依靠加工特征編碼添加的方法實現單道工步和典型件加工特征之間的關聯的構建。

（2）搜索工藝路線模板。在這一環節的工作中，主要應用兩種方式，第一種是按照具體的型號進行接近典型件的搜索，并且得到相關聯的模板。第二種方式是按照不同的加工零件的類型進行典型件所在集合的搜索。然后再按照零件的所屬部套號實現對于典型件的篩選，從而構成具體的集合，得到典型工藝路線模板集合。最后按照工件的制造特征進行待選路線在集合中的搜索。假設對于工件制造特征而言，其中包含的制造特征數量為a，而能夠通過工藝規程模板制造的特征數量為b，b≤a。那么在制造特征中存在b個特征，能夠實現工步在工藝路線模板中的對應的尋找，并得到定義匹配指標。對于集合中的待選工藝路線也要根據不同的匹配值，按照從高到低的順序進行排列，并且在集合中進行最高的選擇，以此作為工藝路線模板[4]。

（3）工藝路線變型規則。對于工藝路線而言，重要的影響因素就是加工特征、精度等級以及表面質量要求。加工特征對象的決定性因素就是加工特征，同時也是在進行工藝路線的決策中一個需要首先考慮的條件。而工藝路線程度取決于加工精度等級和表面質量要求，對于工藝路線而言，涉及兩部分內容，分別為工藝屬性信息和路線結構，分別具有相對應的變型規則。

首先，對于工藝路線結構變型規則而言，通過工藝路線模板能夠對于典型件的加工工藝規程，實現進一步體現。在這其中涉及零件的加工特征，為了確保加工特征能夠在滿足精度要求的基礎上，還能夠實現較高的經濟效益，在具體設計的過程中，對于很多同類型的零件都不需要滿足以上的加工要求。只要針對模板中符合條件的工步進行復制操作。在特征結構中，針對特征節點能夠根據特征碼，在工藝模板中，進行關聯工步的搜索。如果沒有搜索結果，就要進行交互式添加，并且針對所搜索的工步進行加工等級表面粗糙度的比較，確保其能夠符合相應的條件。要對于之前的工藝方法做到進一步的延用，不用再復制后續的工步。其次，對于工藝節點屬性修訂規則來說，在一般情況下，在現實設計的過程中，可能會存在這樣的情況，具有諸多相同的加工特征，但是卻有差異性的尺寸。在這種情況之下，對于特征的工序工步以及節點描述信息都會產生相應的變化。工藝結構的節點描述信息包含兩部分內容，分別為制造達標和文字描述信息。文字描述信息屬于常量屬性，在進行工藝變型的過程中，能夠通過手動的方式進行信息的修改。而制造達標信息就是在制造特征節點的基礎上進行最終特征信息的獲取。所以要針對特征相應的最后一個工步的關聯信息，做到進一步確定。在加工特征節點屬性中進行信息的提取，并且在詳細的工藝設計的過程中，進一步確定中間的工步、工序以及工藝節點的加工信息[5]。

4.結構化工藝設計實例

在二次開發的基礎上，進行加工特征信息的輸出，然后再利用中間文件進一步提取信息，最后通過JAVA實現功能內嵌式的二次開發。這樣就能夠在產品生命周期管理軟件上，進行結構化工藝設計系統的集成。在進行典型件工藝路線模板搜索的基礎上，將模板中的工步以及工序內容進一步關聯待加工的特征節點，并且在模板對應的工序和工步之上，進行特征節點的特征編碼的掛接。這樣就能夠對之后的工藝路線變型打下良好的基礎。對于這一過程的實現，主要就是依靠模板選擇界面，之后要在特征關聯結果的基礎上進行變型規則信息的比對，并且在工藝變型界面中根據具體的工藝變型規則進行工藝節點的自動復制。要想確保工藝的合理性，也可以通過手動的方式進行工藝節點的交互添加，從而得到較為全面的工藝路線的變型效果。

5.結語

通過在結構化工藝設計中應用特征分組技術能夠在不排序工步的前提之下，從而在最短的時間內獲得典型件的工藝規程，有效地改善當前的工藝變型系統中所存在的問題，降低結構復雜零件加工鏈排序的難度，避免出現煩瑣復雜的操作，促進工藝設計效率的提升。