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

本文是以制造業(yè)迅速發(fā)展為背景，當前，圍繞中國制造2025提出的到2025年中國將邁入制造強國行列，制約我國制造業(yè)迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是制造過程中機械裝備智能化普遍不高。特別是針對工程變更問題，傳統(tǒng)機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]，當工程變更問題出現(xiàn)時，傳統(tǒng)方法并不適應(yīng)當前制造業(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)品加工過程中，產(chǎn)品及其組件的形狀、組件、材料、尺寸、功能和組織機構(gòu)等被設(shè)計者做出更改。它表現(xiàn)為：對文檔的修正、對需求的增減、對產(chǎn)品設(shè)計和制造全過程的重新設(shè)計。宮中偉等人[3]提出航空制造業(yè)企業(yè)工程變更問題經(jīng)常發(fā)生，采用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)途徑做出了一種運用人工經(jīng)驗的工程變更路徑預(yù)測方法。又針對航空制造業(yè)企業(yè)工程變更問題[4]，建立矩陣預(yù)測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加工藝路徑相似度性入手，討論了機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)拓撲關(guān)系，實現(xiàn)相似度性計算，最終實現(xiàn)了工藝重用。朱碩等人[7]提出的機械加工工藝單元多分辨率實體動態(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)，在機械加工過程的能效提升方面發(fā)揮著重要作用。武軒[8]針對當前復(fù)雜零件的加工建立了本體知識庫，對相似零件根據(jù)相似的程度找出對應(yīng)的機加工藝路線，運用模糊粗糙集理論對其進行工藝重用。王琦等人[9]提出在當今時代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技術(shù)發(fā)現(xiàn)體系，做出了多準則群決策方法完成了機加工藝藝的重用。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多叉樹的方法從而去表示三維工序模型，實現(xiàn)了不同粒度的表現(xiàn)形式，從而做到了三維知識的重用。常智勇等人[11]為了使得在工藝知識重用方面提高重用人員的主觀能動性，把幾何演變的存在的潛在工藝知識作為研究對象，提出了考慮進加工意圖的工藝重用方法。傳統(tǒng)機加工藝路線重用時，只考慮幾何演變序列相似度或機加工路徑相似度，這樣并不具備足夠的說服力。所以本文先從幾何演變序列入手對工藝路線重用，再整合兩部分相似度對重用做驗證。

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

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)計需求及要求進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、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工序操作完成后達到的三維工序模型進行布爾求差達到的結(jié)果。分析變更前傳動軸零件，以粗加工工序為例，該機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可以見粗加工過程的幾何變更均轉(zhuǎn)化成了三維工序模型，并通過12個三維工序模型集合表示整個粗加工的整個過程，該加工過程展示傳動軸零件的大致形狀特征。本文運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表示頂點的集合，該頂點集合有且只有一個面與之相互對應(yīng)。L表示邊的集合，L是兩個頂點集合對應(yīng)的面以何種方式的邊連接起來，只有這兩個面鄰接的情況下才可適用。OAS表示一個面的所有關(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，屬性鄰接圖表達幾何變更的方法如下所述：

(1)把兩個相鄰工序之間的求差結(jié)果用三維圖繪制出來。

(2)每一步求差結(jié)果建立一個AAG=(O，L，OAS，LA)。

(3)總幾何變更是若干個AAG組成的集合來表示。

2 基于機加工藝路線間相似度的機加工藝路線決策

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

2.1 初步檢索方法

搜集一個軸類零件模型庫，包含113個軸類零件，這些零件全部來自于自建模型庫。庫中零件的機加工藝路線全部已知，并提出一個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A型普通平鍵、一個半圓形鍵槽、一個深度為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，若傳動軸零件含有一個特征則得分為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。

按照檢索步驟把庫中零件和變更后模型做對比，得到初步相似度排序為：model63=model98>model11=model49>model13。這個方法只是為了后續(xù)進一步計算而縮小范圍，并不會起決定作用。

2.2 幾何變更的降維表示

由于幾何變更是三維問題，所以把幾何變更轉(zhuǎn)化為二維字符串[1]來實現(xiàn)存儲功能也方便后續(xù)計算。

(1)把屬性鄰接圖中的頂點進行重新劃分并排序。

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

其次，當兩個頂點Ox，Oy對應(yīng)的所屬平面的連接度相同時，將對應(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，當兩個頂點Ox，Oy對應(yīng)的所屬平面的連接度和面的類型均相同時，運用面積衡量，若Sox大于Soy時，則認定把Sox排列在Soy之前。

(3)把原屬性鄰接圖中所有頂點一一表示，得到一個幾何變更的總體字符串。

2.3 由機加工藝路線構(gòu)造幾何演變序列

機加工藝路線可由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的時候，便可構(gòu)造出對應(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，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，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)具體到傳動軸零件的加工，故此定義GV1為粗車兩端面和粗車各個外圓的加工；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算及機加工藝路線決策

使用編輯距離算法分別計算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]計算公式如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

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

最終計算結(jié)果如表1所示。

表1 相似度結(jié)果表

根據(jù)計算得到的值，參考相關(guān)研究文獻[4]，當相似度超過0.6就可沿用其路線對其進行加工。選取model98加工路線對變更后模型進行加工。

3 機加工藝路線優(yōu)化

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

最終的變更后模型機加工藝路線為：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→擴孔→攻絲。

4 小 結(jié)

本文提出的這種機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，僅對加工尺寸和加工精度發(fā)生變更，原有的機加工藝路線經(jīng)過優(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CAPP軟件和工藝人員人為制定，基本實現(xiàn)了智能生產(chǎn)，把精益生產(chǎn)的理念推向了精益設(shè)計的過程，如果設(shè)計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。