基于參數化工藝模板的智能工藝設計

黃利江，李云鵬，宮思明，藺海，王亮

(1.西北工業大學機電工程學院，陜西西安 710072；2.西安長峰機電研究所，陜西西安 710065；3.西安星天外軟件科技有限公司，陜西西安 710068)

0 前言

隨著計算機技術的發展，智能制造已經成為“中國制造2025”的主攻方向”[1]。而傳統的工藝設計需要豐富的經驗，且其中的工藝參數等需要經過試驗來進行驗證，這導致產品研制周期長、效率低，難以滿足現代智能制造對產品的發展要求，因此迫切需要智能工藝設計來替代傳統工藝設計。

在實際工作中，企業的工藝設計重復度非常高，絕大多數零件的工藝可以通過其所屬零件類的典型工藝供工藝編制時借鑒參考，故利用零件族的典型工藝進行零件工藝的智能設計是一個行之有效的方法[2]。在典型工藝的重用研究中，融合規則的典型工藝方法[3]把典型工藝中與零件特征相關的信息以規則方式嵌入到典型工藝里，從而在決策時根據零件特征利用規則進行推理生成工藝的詳細內容。而在實際應用中，融合規則的典型工藝方法中的規則利用零件的特征不易描述，產生的規則數量較大，可能造成規則冗余和規則沖突。

因此，基于融合規則的典型工藝方法中根據其零件族的典型工藝來進行零件工藝設計，本文作者提出一種參數化工藝模板的方法來實現智能工藝設計。該方法根據零件特征選用相似零件的典型工藝作為工藝模板，利用參數化方法[4-8]將工藝模板中零件、工藝、工序等信息進行參數化，以參數表示特征信息，以融合規則表示參數化實現關系，從而實現工藝智能設計。相比于融合規則的典型工藝，參數化工藝模板方法中的規則是基于參數編制的，實現簡單且形式多樣。

1 參數化工藝模板的表示

參數化工藝模板方法的實現思路是選用相似零件的工藝作為工藝模板，對工藝模板建立參數化關系。其中，以參數來表示工藝模板中零件、工藝、工序等可變信息，以融合規則的方式對工藝、參數建立參數化關系，并通過結構化工藝信息模型將工藝模板、參數及規則聯系在一起，從而能夠根據零件的信息，調用該工藝模板進行工藝智能設計。

工藝信息模型用于描述工藝生產過程中零件的幾何信息及工藝信息。通過對零件結構和工藝特點進行分析，本文作者采用面向對象的方法來建立零件的工藝信息模型[9]，形成能夠正確表示工藝的工藝信息模型。根據面向對象的方法，將工藝信息模型中的實體結構抽象為對象來進行表示。其中，將零件及其工藝過程抽象為零件信息、工藝路線、工序、工步等對象描述零件及工藝的信息，從而實現對信息的管理；同時參數化工藝模板方法需要將參數、規則以嵌入式方式融合到工藝模板中，因此，在工藝信息模型中加入參數與規則對象，并根據工藝對象變動的角度，將參數與規則對象類按照工藝對象進行分類。對于工藝信息模型中建立的對象，通過屬性來表示對象的結構特性，并引入“對象”和“對象表”特殊屬性類型來描述各構成對象之間以及對象與屬性之間的關系[10]。由此，建立的工藝信息模型如圖1所示。

圖1 工藝信息模型

為了方便實現可變信息的決策生成，將工藝模板作為數學模型，利用參數及其屬性來對工藝模板中的可變信息進行表示，將該過程稱為工藝模板的參數化。對于工藝模板中提取的參數，根據其對工藝變動作用的對象，將參數按照工藝信息模型中的參數對象進行分類，同時提取所有的參數存入參數庫中，這樣不僅方便工藝人員的校對，這些存入參數庫的參數也方便日后查詢調用[11]。

要實現工藝的智能設計，需要對提取的參數建立零件與參數以及參數與工藝之間的關系[12]，稱為參數化關系。參數化關系相當于函數，當參數發生變化時得到的結果相應改變。對工藝模板中提取的參數進行分析，其中，零件參數和工藝參數是從零件信息中提取，用于描述零件的特征信息；工序參數、工步參數、NC參數是從零件的工藝中提取出來的，用于完整表達零件加工特性[13-14]。而在工藝設計中，零件的變型是工藝變型的基礎，因此，將用于描述零件特征信息的零件參數與工藝參數作為驅動參數，并結合工藝經驗建立零件信息(零件參數、工藝參數)與工藝信息(工序參數、工步參數、NC參數)的關系[15]，由此可以根據零件特征信息得到工藝中各參數數據。工藝模板中所提取的參數按照工藝信息模型中的工藝對象進行分類，將各工藝對象與其參數進行關聯，這樣參數作為各工藝對象屬性的驅動參數，建立各工藝參數與其屬性之間的關系，從而實現依據參數對于工藝中的各組成結構進行推理，實現工藝知識和工藝資源的調用，如圖2所示。

圖2 參數化關系實現

在參數化的工藝模板中，通過規則來表示參數化關系。因此，規則用于實現參數數據的確定、對象屬性的確定以及子類工藝知識、工藝資源的調用。根據參數化關系的所屬對象不同，將參數化關系的實現規則分為工藝規則、工序規則和工步規則。參數關系按照其復雜程度，可以分為公式關系、規則關系。針對不同的參數關系，采用不同的表示方法將工藝經驗作為參數化關系實現規則以嵌入式方式融入典型工藝[16-18]。其中，對于公式關系，其規則采用參數公式來表示。對于規則關系，以“IF<條件>THEN<結論>”的產生式規則來表示。

2 基于參數化工藝模板的工藝決策

基于參數化工藝模板的工藝決策依據零件模型獲取零件的參數信息，通過約束規則進行工藝級、工序級和工步級的自動決策，生成結構化工藝和數控程序，并對自動決策的工藝信息和數控程序進行導航式修訂。具體過程如圖3所示，主要包括如下內容：

(1)從設計(CAD/PDM)中獲取零件模型，并從零件模型的特征信息中提取零件的零件參數及工藝參數，將其作為工藝決策的輸入源頭。

(2)將零件參數與工藝參數作為篩選條件，與工藝模板庫中的零件信息進行比較，判斷是否存在與該零件工藝相似的工藝，如果有就選擇合適的工藝模板作為工藝決策的數學模型，讀入工藝模板信息，進行工藝決策；否則，需要重新設計零件。

(3)根據參數化工藝模板方法，將工藝模板的不變信息另存為該零件的具體工藝，同時根據輸入的零件參數與工藝參數來進行工藝內容的決策。工藝內容的決策過程依據對象的優先級分別進行工藝級、工序級、工步級決策。工藝信息模型中各對象通過工藝模板中的參數化關系實現規則進行推理生成其參數數據，進而根據其參數確定各工藝對象的屬性信息以及調用工藝知識、工藝資源完善工藝設計。其中，工藝決策決定工藝基本信息和工藝路線子對象工序的生成；工序決策決定工序基本信息以及工序子對象中設備、工藝裝備、數控程序等選用；工步決策決定工步具體內容的生成。

(4)在交互式編輯界面上，對智能設計的工藝進行導航式修訂，編輯工藝、工序以及工步中的信息，進一步完善決策出的工藝信息。之后，將結構化的工藝數據以及數控程序傳遞給CAPP或PDM系統，進行統一的數據管理。

圖3 工藝決策

3 實例

介紹基于參數化工藝模板的方法實現工藝智能設計，并運用該方法在星云CAPP上實現了旋壓工藝的智能設計。下面以旋壓筒形件為例進行介紹。

旋壓筒形件按照其加工方式分為正旋和反旋。通過對其工藝設計過程進行分析，其工藝具有以下特點：工藝路線比較固定，一般需要經過“下料→熱處理→粗車→半精車→精車→旋壓”的工藝路線，根據毛坯所用材料的不同，僅需在其旋壓工序通過添加工序來進行調整；同時零件在各工序中需要進行的處理固定，其中的加工參數可以根據具有相同結構特征的零件來確定；數控程序基于標準模板進行編制，可以通過工藝參數來確定數控程序。因此，旋壓筒形件具有明顯的零件相似性，可以根據其零件族的典型工藝作為工藝模板來進行智能工藝設計。采用面向對象方法根據旋壓筒形件特征及其工藝特點進行分類和定義，把旋壓筒形件及其工藝過程抽象為零件信息、工藝路線、工序、工步等對象以及對應的零件參數、工藝參數、工序參數、NC參數，通過樹狀結構來對其結構進行表示，如圖4所示。根據旋壓筒形件特點，基于結構化工藝信息模型，建立正旋、反旋兩種典型工藝作為工藝模板，可以根據輸入的零件參數及工藝參數來選取，如圖5所示。

圖4 旋壓工藝信息模型 圖5 旋壓典型工藝

對典型工藝中的參數進行提取，將典型工藝中各對象屬性的可變信息利用參數表示，填入相應的對象參數表并賦予權重。對于提取的典型工藝參數，根據工藝經驗利用參數表達式及產生式規則的表示方法來建立參數之間以及參數與對象之間的關系，如圖6所示。工藝智能設計時，根據融合規則的典型工藝的參數生成工藝對象及其屬性，并通過結構化工藝信息模型調用工藝知識及工藝資源。完成的工藝設計如圖7所示。

通過星云CAPP系統，基于參數化工藝模板方法對旋壓筒形件工藝進行智能工藝設計，驗證該方法的可行性。在運用參數化工藝模板方法建立參數化工藝模板的過程中，利用參數來對工藝中的可變信息進行表示方便簡單，并且采用參數建立的規則邏輯清晰，相比采用零件特征描述建立規則更便捷，可以在相對較短的時間內很好地總結出來。

圖6 旋壓工藝模板參數化

圖7 工藝決策結果

4 結束語

為實現智能工藝設計，本文作者提出一種參數化工藝模板方法，應用零件族的典型工藝作為工藝模板，以參數化方式對工藝模板中的各對象進行參數化，以融合規則的方式建立參數化實現關系，從而實現工藝智能設計。通過該方法，只需根據零件的特征，輸入相關參數，即可完成工藝設計，提高了工藝人員的工作效率，同時實現了工藝設計的規范化、標準化。

通過規則生成的加工參數仍需通過試驗來修訂，因此，下階段可以在工藝智能設計過程中結合模擬仿真預測工藝參數對加工質量[19]的影響，反饋給工藝系統進行分析，從而優化加工參數，為工藝優化決策提供支持。