□ 韓曉光 □ 翟婷婷 □ 付移風(fēng) □ 南小俠

中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 西安 710077

1 研究背景

工藝知識(shí)是企業(yè)的寶貴財(cái)富,也是企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的組成部分。高效積累、再利用工藝知識(shí),是企業(yè)發(fā)展的需要和目標(biāo)[1]。近年來,隨著市場(chǎng)對(duì)小批量、多品種產(chǎn)品的需求日益增加,企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)從原來的單品種、大批量產(chǎn)品向多品種、小批量產(chǎn)品轉(zhuǎn)變,這就要求企業(yè)具有快速的產(chǎn)品開發(fā)能力。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速工藝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵,企業(yè)迫切需要一種先進(jìn)的工藝知識(shí)管理方法來支撐工藝設(shè)計(jì)。目前的工藝知識(shí)管理方法是對(duì)工藝知識(shí)按照知識(shí)類別進(jìn)行分類組織和管理,工藝知識(shí)查詢過程煩瑣,查詢結(jié)果單一,不能有效支持工藝方案設(shè)計(jì)[2]。同時(shí),在編制數(shù)控程序時(shí),程序的優(yōu)劣往往取決于工藝人員的經(jīng)驗(yàn),工藝人員的編程經(jīng)驗(yàn)無法得到共享,不同的工藝人員所編制的數(shù)控程序差異性較大[3]。

筆者對(duì)刀具庫、切削參數(shù)庫及制造特征庫的建立方法進(jìn)行研究,重點(diǎn)對(duì)制造特征的識(shí)別流程、特征自動(dòng)識(shí)別步驟,以及制造知識(shí)庫的調(diào)用等相關(guān)方法進(jìn)行分析,進(jìn)而提出一種基于Unigraphics軟件的復(fù)雜殼體制造特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

2 制造知識(shí)庫

由于制造企業(yè)之間,甚至是同一家企業(yè)的不同車間之間對(duì)工藝知識(shí)的需求有很大差異,因此單一種類的工藝知識(shí)管理模式很難滿足企業(yè)車間對(duì)工藝設(shè)計(jì)知識(shí)的需求,這是因?yàn)樵诠に囋O(shè)計(jì)的過程中,對(duì)知識(shí)的需求是多種類的,既需要制造資源方面的知識(shí),也需要加工方法及工藝參數(shù)等方面的知識(shí)[4]。

建立制造知識(shí)庫,包括建立制造資源知識(shí)庫、工藝知識(shí)庫及制造特征庫三部分。制造知識(shí)庫框架如圖1所示。

▲圖1 制造知識(shí)庫框架

2.1 刀具庫

刀具庫從屬于制造資源知識(shí)庫下的工藝裝備部分。在數(shù)控編程過程中,數(shù)控刀具的選擇主要調(diào)用刀具庫。通過對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控加工刀具數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、歸類和整理,依據(jù)Unigraphics刀具數(shù)據(jù)庫中刀具記錄結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則,對(duì)不同類型的刀具采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的定義和描述,在Tool_database.dat文件中完成刀具庫的建立,如圖2所示。

▲圖2 刀具庫

2.2 工藝參數(shù)庫

依據(jù)Unigraphics切削數(shù)據(jù)庫中工藝參數(shù)記錄結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則,統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)加工過程中使用的切削數(shù)據(jù),在Tool_machining.data文件中創(chuàng)建較優(yōu)的工藝參數(shù)庫,如圖3所示。

2.3 制造特征庫

對(duì)企業(yè)的復(fù)雜殼體產(chǎn)品進(jìn)行特征分析,對(duì)復(fù)雜殼體的幾何特征進(jìn)行歸納分類。采用STEP特征分類方法創(chuàng)建屬于企業(yè)內(nèi)部的幾何特征庫,將制造特征分為基本特征、復(fù)合特征和特征列陣三大類,每個(gè)大類又可細(xì)分具體的特征單元。

▲圖3 工藝參數(shù)庫

對(duì)HOLE特征和POCKET特征做如下說明:HOLE特征沒有底部,且可以從兩邊加工;POCKET特征有底部,且只能從單邊加工;STEP后的數(shù)字描述的是HOLE特征和POCKET特征的階數(shù),直徑相同的特征數(shù)應(yīng)重復(fù)計(jì)數(shù)。

HOLE特征和POCKET特征命名如圖4所示。

在建立制造特征庫時(shí),需要進(jìn)行特征分解、工藝知識(shí)分類、特征定制。

(1) 特征分解。所謂特征分解,可以定義為已知輸出特征(設(shè)計(jì)圖特征)和輸入特征(毛坯),求解過程特征(中間工序)、相關(guān)操作及操作資源的過程,這是一個(gè)逆向推理的過程。以螺紋孔特征為例,特征分解過程見表1。

(2) 工藝知識(shí)分類。工藝設(shè)計(jì)過程中,對(duì)工藝知識(shí)的需求有一定特殊性,表現(xiàn)為知識(shí)的范圍較廣,既包括制造資源、加工方法等顯性知識(shí),也包括工藝決策等存在于設(shè)計(jì)人員大腦中的隱性知識(shí)。針對(duì)工藝設(shè)計(jì)過程對(duì)工藝知識(shí)的特殊需求,提出一種基于復(fù)雜殼體制造特征的工藝知識(shí)表達(dá)模型,如圖5所示。通過將制造特征和與特征工藝相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián),使每一個(gè)制造特征都有相對(duì)應(yīng)的一系列工藝知識(shí)。

▲圖4 HOLE特征和POCKET特征命名

表1 螺紋孔特征分解過程

▲圖5 工藝知識(shí)表達(dá)模型

知識(shí)分類直接面向工藝設(shè)計(jì)過程,其中,制造資源知識(shí)主要包括工藝設(shè)計(jì)過程中需要的工裝方面的知識(shí)和加工設(shè)備方面的知識(shí)[5];工藝方法知識(shí)主要包括加工制造特征所采用的各種加工方法,根據(jù)特征的幾何形狀、材料和不同的精度要求,采用不同的加工方法;工藝參數(shù)知識(shí)是加工制造特征過程中根據(jù)不同的特征信息選擇的特征加工參數(shù);工藝決策知識(shí)由經(jīng)驗(yàn)性規(guī)則、過程性算法及對(duì)工藝決策過程進(jìn)行控制的知識(shí)等組成[6]。

(3) 特征定制。特征定制指將制造特征的工藝設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)換為Unigraphics可識(shí)別的數(shù)據(jù)[7]。特征定制對(duì)話框如圖6所示。

▲圖6 特征定制對(duì)話框

以圖6中標(biāo)記對(duì)對(duì)話框內(nèi)容進(jìn)行說明:①為制造知識(shí)庫層次關(guān)系;②為操作名稱;③為輸出特征,即本工序加工完成后復(fù)雜殼體的結(jié)構(gòu)特征;④為操作類型,如鉆、銑、鉸等;⑤為輸入特征,即本工序加工前復(fù)雜殼體的結(jié)構(gòu)特征;⑥為操作優(yōu)先級(jí),數(shù)值越大,優(yōu)先級(jí)越高;⑦為操作資源,即加工所用刀具,如中心鉆、麻花鉆、鉸刀等;⑧為約束條件、常量、材料、設(shè)備等定制信息,用于定義操作準(zhǔn)則、刀具屬性、操作屬性、輸入特征、輸出特征等。

3 制造特征自動(dòng)識(shí)別

3.1 識(shí)別流程

Unigraphics加工知識(shí)編輯器運(yùn)行流程如圖7所示。工藝人員可以使用加工知識(shí)編輯器來管理制造特征庫和工藝知識(shí)庫,工藝人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)可以得到有效積累、分享[8]。對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助制造而言,在進(jìn)行特征自動(dòng)識(shí)別過程中,會(huì)在后臺(tái)調(diào)用制造特征庫,得到加工特征,并在創(chuàng)建工藝的過程中,調(diào)用工藝知識(shí)庫、刀具庫和模板,按照優(yōu)先級(jí)自動(dòng)進(jìn)行工藝決策,最后生成計(jì)算機(jī)輔助制造操作[9]。

3.2 識(shí)別方法推理過程

在進(jìn)行工藝決策的過程中,需要綜合考慮加工精度、設(shè)備情況、工藝情況、成本因素等,最后得到最佳的加工路線[10]。以STEP1HOLE通孔特征為例,對(duì)制造特征自動(dòng)識(shí)別方法推理過程進(jìn)行介紹。STEP1HOLE 特征如圖8所示,尺寸為φ12 mmH7,識(shí)別方法如圖9所示。

▲圖7 加工知識(shí)編輯器運(yùn)行流程

▲圖8 STEP1HOLE特征

▲圖9 制造特征自動(dòng)識(shí)別方法推理過程

(1) 在加工知識(shí)編輯器中加載工藝知識(shí)文件,打開銑削、鉆削規(guī)則庫,選中所有規(guī)則。已知輸出特征為STEP1HOLEφ12 mmH7,打開輸出過濾器,得到候選規(guī)則列表。候選規(guī)則列表經(jīng)過過濾的操作,最后都會(huì)得到STEP1HOLE特征,工藝規(guī)則會(huì)按照賦值由低到高排列,賦值越高,說明規(guī)則成本越低、加工越方便,同時(shí)加工精度也越低。系統(tǒng)會(huì)依照賦值從高到低選擇合適規(guī)則。標(biāo)志代表規(guī)則被拒絕,列表中賦值最高的是規(guī)則Drill_S1H,但它首先被系統(tǒng)所拒絕。原因是刀具麻花鉆的精度無法達(dá)到所要求的H7。

(2) 賦值次高的規(guī)則是Drill_in_center_ S1H,由于加工精度無法滿足要求,也被系統(tǒng)拒絕。

(3) 經(jīng)過多輪判定,由于Ream_S1H 規(guī)則中的所有條件都為真,因此系統(tǒng)選擇了Ream_S1H 規(guī)則。這一規(guī)則會(huì)被應(yīng)用于STEP1HOLEφ12 mmH7特征的加工,作為最后一道工序。

(4) Ream_S1H的輸入特征為STEP1HOLE,會(huì)被作為中間工序特征,即下一步的輸出特征。相似的推理過程再次被執(zhí)行,候選列表中的規(guī)則按照賦值由高到低的順序排列,直至有規(guī)則執(zhí)行通過為止。需要注意的是,中間工序特征沒有精度要求。規(guī)則的定義具有全面性,不僅包含加工的精度,而且包含工藝的考量、刀具的因素和輸出特征的屬性等。例如,在此步推理中,Drill_S1H規(guī)則沒有被執(zhí)行,因?yàn)镈rill_ S1H規(guī)則要求在毛坯狀態(tài)下加工成形。此步推理中,Drill_in_center_S1H 成功被選定,成為繼Ream_S1H 之后第二條工藝規(guī)則。

(5) 依次類推,Drill_in_center_S1H 的輸入特征為POCKET_ROUND_TAPERED,系統(tǒng)將其列為輸出特征,在候選規(guī)則列表中進(jìn)行匹配,最后得到Spot_Drill規(guī)則。Spot_Drill的輸入特征為Blank,即毛坯,因此推理過程結(jié)束。

通過以上推理過程,系統(tǒng)得到了合適的工藝鏈,如圖10所示。系統(tǒng)會(huì)依據(jù)工藝鏈在Unigraphics操作導(dǎo)航器中添加操作Spot_Drill、Drill、Ream。

▲圖10 工藝鏈

4 制造知識(shí)庫調(diào)用

4.1 調(diào)用流程

建立制造知識(shí)庫的目的就是可以在后續(xù)工作中直接調(diào)用,不再進(jìn)行煩瑣的工作,在減少工作量的同時(shí)降低出錯(cuò)的概率。

制造知識(shí)庫的調(diào)用流程如圖11所示。

▲圖11 制造知識(shí)庫調(diào)用流程

4.2 主要步驟

制造知識(shí)庫調(diào)用的主要步驟如下:

(1) 加載復(fù)雜殼體數(shù)模,數(shù)模必須具有公差、粗糙度等參數(shù)信息,否則特征庫無法與模型特征進(jìn)行匹配,如果沒有參數(shù),則定義相關(guān)參數(shù);

(2) 在加工環(huán)境下,選擇加工知識(shí)編輯器,對(duì)復(fù)雜殼體進(jìn)行特征識(shí)別,構(gòu)造復(fù)雜殼體的特征模型,得到復(fù)雜殼體加工特征;

(3) 創(chuàng)建過程特征,在創(chuàng)建過程中,類型可以選擇基于規(guī)則,也可以選擇基于模板;選擇基于規(guī)則時(shí),應(yīng)選擇相應(yīng)的知識(shí)庫;選擇基于模板時(shí),應(yīng)選擇相應(yīng)的模板類型;

(4) 計(jì)算刀軌,并進(jìn)行刀軌模擬,確認(rèn)刀軌的正確性。

5 結(jié)束語

通過對(duì)基于Unigraphics軟件的復(fù)雜殼體制造特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行深入研究[11-12],建立了刀具庫、工藝參數(shù)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用工藝知識(shí)表達(dá)模型,在積累工藝知識(shí)的同時(shí),為工藝人員的經(jīng)驗(yàn)分享提供了可行途徑。通過對(duì)特征識(shí)別過程中工藝決策的詳細(xì)研究,實(shí)現(xiàn)了制造特征庫的定制。通過調(diào)用制造知識(shí)庫,可以有效縮短編程時(shí)間,在提高編程效率的同時(shí),有效提升數(shù)控程序的一致性和復(fù)雜殼體的加工質(zhì)量。