特征分组技术在结构化工艺设计中的应用研究

方喜峰 ，顾 君 ，朱成顺 ，张胜文

（1.江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学江苏省船海机械装备先进制造重点实验室，江苏 镇江 212003）

1 引言

目前产品三维模型的计算机辅助设计（computeraideddesign，CAD）以及基于三维模型的计算机辅助制造（computeraided manufacturing，CAM）技术都发展迅速，然而对于计算机辅助工艺规划（computer aided process planning，CAPP）的实例开发，目前多数仍停滞在二维图纸设计阶段，即采用工艺卡制式，缺少应对三维模型的方法[1]，从产品设计到工艺设计、再到加工的过程中需要不断地对产品信息的输出做三维与二维的转化，不但效率低，而且信息在传递过程中易出错[2]，已不能适应三维产品设计制造的要求[3]。三维工艺设计的完善对于开展CAD/CAPP/CAM间融合至关重要，该过程是产品迈向数字化制造的必由之路。工艺路线规范化输出是工艺规程定制的重要内容，由于结构化的工艺路线具有工艺信息表达清楚完整、易于存储和传递等特点，且结构化工艺路线的节点是组织工序模型、工艺卡片、工艺资源等数据集的理想依附点，故研究依附原始模板的结构化工艺路线转型技术有其必要性。

目前国内外采用的依托工艺模板转型的结构化工艺定制手段，常采用数字化结构转型方法和对与加工特征关联的加工链工艺模板修改的方式去实现。前者，伴随制造对象系列化和参数化设计程度日益提升，通过数字化特征转型手段，生成制造工艺[4-6]，但对船用柴油机典型件等结构复杂的零件，参数化工序模型生成及基于参数化的工艺变型将难以实现；后者，通过对与加工特征关联的加工链进行变型，然后再排序的方法[6-7]则没有充分借用典型件已有的工艺路线结构，且其采用的启发式算法运算速度较慢。针对上述两种方法中的不足，提出基于加工特征分组的方式，对典型件结构化工艺设计后形成的工艺模板进行变型，充分利用已有工艺规程，依不同制造信息生成新的工艺路线。

2 结构化工艺变型设计

基于工艺规程模板的结构化工艺变型设计流程，如图1所示。主要包括：制造特征分组、特征信息转递、CAPP系统中典型件制造特征BOF（Bill of Features，特征清单）的建立、加工模板创建、加工特征比较、加工规程内容的有效性复制等步骤。

图1 基于工艺模板的工艺变型设计流程Fig.1 Process Variant Design Based on Process Template

2.1 加工特征分组及特征属性定义

加工信息的合理表述研究是实现结构化工艺设计的一项基础工作，零件加工信息具有体量大、内容杂、知识离散度高等特点。若采用单一的制造信息表达方法，很难将零件的制造信息清晰地展现出来，针对这一问题，提出采用可视化信息输出的加工特征分组手段和便于特征识别的特征属性定义（特征编码）手段相结合的方法。

2.1.1 加工特征分组

加工特征包括机械加工过程中加工表面及相关的加工要求信息[8]，加工特征分组就是以加工特征为单元，组织零件加工信息的表达。此处用与加工特征关联的产品制造信息（Product Manufacturing Information）标识技术进行分组的方法来拾取加工特征，由于PMI可与待加工面关联，可表达加工特征信息，选择与加工表面关联的PMI作为组员建立加工特征组，并使之成为待加工零件节点的子节点，形成零件加工特征层次结构树。

连杆加工特征信息的可视化表达应力求尽可能多的展现特征加工信息，PMI标注内容由连杆设计尺寸、加工要求（如：表面粗糙度、加工精度等）和起辅助作用的特征注释所组成。

2.1.2 加工特征编码技术

为实现加工特征与工步的关联及系统对加工特征的识别，采用特征编码技术。编码规则能涵盖连杆的所有类型和与之对应的加工特征。同时，应保证编码简洁、完整、无歧义。

规则码由三块内容构成：（1）零件类型码；（2）方位码；（3）几何信息码。零件类型码由两位数组成，第一位表示典型件类型为杆类零件，后一位表示典型件具体种类，如21表示连杆。方位码描述特征方位，回转类工件采用四方位法，非回转类工件采用七方位法，如：连杆大端面法向量沿Z轴主矢方向，编码为C。几何信息码记述制造特征详细几何信息，编码表示加工对象类型，后跟两位顺序码表示方位和类型相同但尺寸不同的加工特征，如孔特征可按其直径尺寸安排顺序码[9]。以连杆大端轴承孔为例，加工特征编码为：21CP02H01，如图2所示。

图2 连杆大端轴承孔Fig.2 Connecting Rod with Big Bearing Hole

2.2 数字化加工特征结构信息的传递

CAD、CAPP与CAM之间交互传递的信息分为两种：一种描述零件的基本物理信息，另一种是零件加工特征结构及附属其上的特征属性。前者，可用各系统本身提供的信息交流功能进行传递，而后者则需借助中间格式文件传递。大量制造数据可转述为标记语言（Extensible Markup Language，xml）[10]格式进行交换及存储，此方式可保证传输数据的精准性和有效性，适于在异构系统间传递信息。

结构化特征信息模型的创建过程，如图3所示。首先，在特征分组界面中，用PMI标注方式关联加工特征的方法对加工特征进行分组并对特征属性做了定义；之后，在标注导航窗格内直观的显示标注结构；最后，将成组的标注内容及属性信息转译成XML文件，用于将加工特征结构传递至CAPP系统中。

图3 结构化特征信息模型创建过程Fig.3 Process of Creating Structured Features Information

2.3 工艺路线变型

2.3.1 工艺路线模板的创建

为使工艺路线模板具有广泛的通用性和适应性，利用成组工艺设计的原理，即：一种典型件的工艺规程样板尽可能多地包含此类型工件的加工特征，这就需要根据典型工件建立工艺样板，且每个样板下的单道工步可通过添加加工特征编码的方式来与典型件加工特征建立关联。

2.3.2工艺路线模板的搜索

搜索工艺路线模板的方式主要有两种：（1）根据型号搜索相近的典型件并获取关联的工艺路线模板；（2）根据加工零件类型搜索典型件所在的集合D，再根据零件所属部套号进一步筛选典型件后形成集合B，并获得与集合B中典型件关联的典型工艺路线模板的集合T，最后由工件制造特征ID搜索集合T中的待选路线。假设工件制造特征中共有m个制造特征，其中能被工艺规程模板i制造的特征有n个，n＜=m，即制造特征BOF中有n个制造特征能在工艺路线模板i中找到对应工步，则定义匹配度指标为s=n/m。对集合T中的待选工艺路线按匹配度从高到低排列，最后选择集合T中匹配度s最高的一个或多个作为该零件的工艺路线模板。工艺模板选择界面及工艺路线示例，如图4所示。

图4 工艺模板选择及示例Fig.4 Selection of Process Template and Example

2.3.3 工艺路线变型规则

加工精度等级、表面质量要求和加工特征对工艺路线影响最显著，加工特征决定了待加工的特征对象，是决策工艺路线的首要因素，加工精度等级和表面质量要求决定了工艺路线的长度。工艺路线由两部分组成：工艺路线结构和工艺属性信息。对应的两条工艺路线模板变型规则为：

（1）工艺路线结构变型规则：工艺路线模板代表典型件加工工艺规程，其包含典型零件的加工特征，需保证各加工特征在达到对应加工精度的同时获得高加工经济效益。在实际工艺设计过程中多数同类型零件无需达到上述加工要求，只需对工艺路线模板中满足特定要求的工步进行复制。工艺路线模板选择性复制规则及实际界面效果，如图5所示。对于特征结构中的第j个特征节点，由特征码搜索工艺模板中关联工步，若无，则交互式添加，对搜索到的工步，将其制造精度等级ITp和要求加工精度等级ITc比较、表面粗糙度Rap与要求表面粗糙度Rac比较，若同时满足ITp＜=ITc、Rap＜=Rac这两个条件，延用原有工艺方法，后续工步无需复制。（2）工艺节点属性修订规则：通常，在实际设计阶段会碰到许多加工特征相同但尺寸不同的情况，这时相应特征的工步、工序及工艺节点描述信息等会随之产生对应的变化。工艺结构中节点的描述信息由两部分组成：文字描述与制造达标信息，其中文字描述信息可认为是常量属性，在工艺变型时可手动修改，制造达标信息可从制造特征节点中获取零件最终特征信息，故应先确定该特征对应的最后一道工步的关联信息，该信息从加工特征节点属性中提取，中间工步、工序及根工艺节点的加工信息需在详细工艺设计阶段确定。

图5 工艺路线模板选择性复制规则及实际界面Fig.5 Selective Replication Rules for Process Template and Real Interface

3 结构化工艺设计实例

在此以某厂船用柴油机典型件连杆为例，通过VS2010（C#）对NX进行二次开发，输出连杆加工特征信息（PMI标注和特征属性定义），再通过中间文件（xml）将特征信息提取至Teamcenter中，最后用Eclipse（Java）对Teamcenter做功能内嵌式的二次开发，将典型件结构化工艺设计系统集成到Teamcenter产品生命周期管理软件上，工艺设计系统集成界面，如图6所示。

图6 结构化工艺设计系统集成界面Fig.6 Integrated Interface of Structured Process Design System

在上节通过搜索选出典型件工艺路线模板的基础上，将工艺路线模板中工序与工步内容和连杆待加工特征节点进行关联，从而将连杆特征节点的特征编码（内含工艺变型规则信息）挂接到工艺路线模板相对应的工序和工步上，为后续工艺路线变型做准备，此过程的实现在图5工艺路线模板选择界面中完成。接着根据特征关联结果比对工艺变型规则信息，在工艺变型界面中按照工艺变型规则自动复制相应工艺节点，同时为了保证工艺合理性，也可手动交互添加工艺节点，完整的工艺路线变型效果，如图7所示。经验证，此方案可行。

图7 工艺路线模板、工艺变型界面及变型后工艺路线Fig.7 Process Template and Modified Interface with Eventually Route

4 结论

通过对Teamcenter和NX的联合二次开发，在模板库中筛选出典型件工艺模板的基础上，比较典型件和待加工零件的加工特征信息，对典型件结构化工艺路线模板做转型设计，从而在不需要对工步做排序的情况下快速得到典型件的工艺规程，解决目前基于模板的工艺变型系统对结构复杂的零件加工链排序难、工艺借用度低、操作繁复等问题。为了进一步提高工艺设计的效率，还需开展提高加工特征分组自动化程度等方面的研究。