基于参数化工艺模板的智能工艺设计

黄利江，李云鹏，宫思明，蔺海，王亮

(1.西北工业大学机电工程学院，陕西西安 710072；2.西安长峰机电研究所，陕西西安 710065；3.西安星天外软件科技有限公司，陕西西安 710068)

0 前言

随着计算机技术的发展，智能制造已经成为“中国制造2025”的主攻方向”[1]。而传统的工艺设计需要丰富的经验，且其中的工艺参数等需要经过试验来进行验证，这导致产品研制周期长、效率低，难以满足现代智能制造对产品的发展要求，因此迫切需要智能工艺设计来替代传统工艺设计。

在实际工作中，企业的工艺设计重复度非常高，绝大多数零件的工艺可以通过其所属零件类的典型工艺供工艺编制时借鉴参考，故利用零件族的典型工艺进行零件工艺的智能设计是一个行之有效的方法[2]。在典型工艺的重用研究中，融合规则的典型工艺方法[3]把典型工艺中与零件特征相关的信息以规则方式嵌入到典型工艺里，从而在决策时根据零件特征利用规则进行推理生成工艺的详细内容。而在实际应用中，融合规则的典型工艺方法中的规则利用零件的特征不易描述，产生的规则数量较大，可能造成规则冗余和规则冲突。

因此，基于融合规则的典型工艺方法中根据其零件族的典型工艺来进行零件工艺设计，本文作者提出一种参数化工艺模板的方法来实现智能工艺设计。该方法根据零件特征选用相似零件的典型工艺作为工艺模板，利用参数化方法[4-8]将工艺模板中零件、工艺、工序等信息进行参数化，以参数表示特征信息，以融合规则表示参数化实现关系，从而实现工艺智能设计。相比于融合规则的典型工艺，参数化工艺模板方法中的规则是基于参数编制的，实现简单且形式多样。

1 参数化工艺模板的表示

参数化工艺模板方法的实现思路是选用相似零件的工艺作为工艺模板，对工艺模板建立参数化关系。其中，以参数来表示工艺模板中零件、工艺、工序等可变信息，以融合规则的方式对工艺、参数建立参数化关系，并通过结构化工艺信息模型将工艺模板、参数及规则联系在一起，从而能够根据零件的信息，调用该工艺模板进行工艺智能设计。

工艺信息模型用于描述工艺生产过程中零件的几何信息及工艺信息。通过对零件结构和工艺特点进行分析，本文作者采用面向对象的方法来建立零件的工艺信息模型[9]，形成能够正确表示工艺的工艺信息模型。根据面向对象的方法，将工艺信息模型中的实体结构抽象为对象来进行表示。其中，将零件及其工艺过程抽象为零件信息、工艺路线、工序、工步等对象描述零件及工艺的信息，从而实现对信息的管理；同时参数化工艺模板方法需要将参数、规则以嵌入式方式融合到工艺模板中，因此，在工艺信息模型中加入参数与规则对象，并根据工艺对象变动的角度，将参数与规则对象类按照工艺对象进行分类。对于工艺信息模型中建立的对象，通过属性来表示对象的结构特性，并引入“对象”和“对象表”特殊属性类型来描述各构成对象之间以及对象与属性之间的关系[10]。由此，建立的工艺信息模型如图1所示。

图1 工艺信息模型

为了方便实现可变信息的决策生成，将工艺模板作为数学模型，利用参数及其属性来对工艺模板中的可变信息进行表示，将该过程称为工艺模板的参数化。对于工艺模板中提取的参数，根据其对工艺变动作用的对象，将参数按照工艺信息模型中的参数对象进行分类，同时提取所有的参数存入参数库中，这样不仅方便工艺人员的校对，这些存入参数库的参数也方便日后查询调用[11]。

要实现工艺的智能设计，需要对提取的参数建立零件与参数以及参数与工艺之间的关系[12]，称为参数化关系。参数化关系相当于函数，当参数发生变化时得到的结果相应改变。对工艺模板中提取的参数进行分析，其中，零件参数和工艺参数是从零件信息中提取，用于描述零件的特征信息；工序参数、工步参数、NC参数是从零件的工艺中提取出来的，用于完整表达零件加工特性[13-14]。而在工艺设计中，零件的变型是工艺变型的基础，因此，将用于描述零件特征信息的零件参数与工艺参数作为驱动参数，并结合工艺经验建立零件信息(零件参数、工艺参数)与工艺信息(工序参数、工步参数、NC参数)的关系[15]，由此可以根据零件特征信息得到工艺中各参数数据。工艺模板中所提取的参数按照工艺信息模型中的工艺对象进行分类，将各工艺对象与其参数进行关联，这样参数作为各工艺对象属性的驱动参数，建立各工艺参数与其属性之间的关系，从而实现依据参数对于工艺中的各组成结构进行推理，实现工艺知识和工艺资源的调用，如图2所示。

图2 参数化关系实现

在参数化的工艺模板中，通过规则来表示参数化关系。因此，规则用于实现参数数据的确定、对象属性的确定以及子类工艺知识、工艺资源的调用。根据参数化关系的所属对象不同，将参数化关系的实现规则分为工艺规则、工序规则和工步规则。参数关系按照其复杂程度，可以分为公式关系、规则关系。针对不同的参数关系，采用不同的表示方法将工艺经验作为参数化关系实现规则以嵌入式方式融入典型工艺[16-18]。其中，对于公式关系，其规则采用参数公式来表示。对于规则关系，以“IF<条件>THEN<结论>”的产生式规则来表示。

2 基于参数化工艺模板的工艺决策

基于参数化工艺模板的工艺决策依据零件模型获取零件的参数信息，通过约束规则进行工艺级、工序级和工步级的自动决策，生成结构化工艺和数控程序，并对自动决策的工艺信息和数控程序进行导航式修订。具体过程如图3所示，主要包括如下内容：

(1)从设计(CAD/PDM)中获取零件模型，并从零件模型的特征信息中提取零件的零件参数及工艺参数，将其作为工艺决策的输入源头。

(2)将零件参数与工艺参数作为筛选条件，与工艺模板库中的零件信息进行比较，判断是否存在与该零件工艺相似的工艺，如果有就选择合适的工艺模板作为工艺决策的数学模型，读入工艺模板信息，进行工艺决策；否则，需要重新设计零件。

(3)根据参数化工艺模板方法，将工艺模板的不变信息另存为该零件的具体工艺，同时根据输入的零件参数与工艺参数来进行工艺内容的决策。工艺内容的决策过程依据对象的优先级分别进行工艺级、工序级、工步级决策。工艺信息模型中各对象通过工艺模板中的参数化关系实现规则进行推理生成其参数数据，进而根据其参数确定各工艺对象的属性信息以及调用工艺知识、工艺资源完善工艺设计。其中，工艺决策决定工艺基本信息和工艺路线子对象工序的生成；工序决策决定工序基本信息以及工序子对象中设备、工艺装备、数控程序等选用；工步决策决定工步具体内容的生成。

(4)在交互式编辑界面上，对智能设计的工艺进行导航式修订，编辑工艺、工序以及工步中的信息，进一步完善决策出的工艺信息。之后，将结构化的工艺数据以及数控程序传递给CAPP或PDM系统，进行统一的数据管理。

图3 工艺决策

3 实例

介绍基于参数化工艺模板的方法实现工艺智能设计，并运用该方法在星云CAPP上实现了旋压工艺的智能设计。下面以旋压筒形件为例进行介绍。

旋压筒形件按照其加工方式分为正旋和反旋。通过对其工艺设计过程进行分析，其工艺具有以下特点：工艺路线比较固定，一般需要经过“下料→热处理→粗车→半精车→精车→旋压”的工艺路线，根据毛坯所用材料的不同，仅需在其旋压工序通过添加工序来进行调整；同时零件在各工序中需要进行的处理固定，其中的加工参数可以根据具有相同结构特征的零件来确定；数控程序基于标准模板进行编制，可以通过工艺参数来确定数控程序。因此，旋压筒形件具有明显的零件相似性，可以根据其零件族的典型工艺作为工艺模板来进行智能工艺设计。采用面向对象方法根据旋压筒形件特征及其工艺特点进行分类和定义，把旋压筒形件及其工艺过程抽象为零件信息、工艺路线、工序、工步等对象以及对应的零件参数、工艺参数、工序参数、NC参数，通过树状结构来对其结构进行表示，如图4所示。根据旋压筒形件特点，基于结构化工艺信息模型，建立正旋、反旋两种典型工艺作为工艺模板，可以根据输入的零件参数及工艺参数来选取，如图5所示。

图4 旋压工艺信息模型 图5 旋压典型工艺

对典型工艺中的参数进行提取，将典型工艺中各对象属性的可变信息利用参数表示，填入相应的对象参数表并赋予权重。对于提取的典型工艺参数，根据工艺经验利用参数表达式及产生式规则的表示方法来建立参数之间以及参数与对象之间的关系，如图6所示。工艺智能设计时，根据融合规则的典型工艺的参数生成工艺对象及其属性，并通过结构化工艺信息模型调用工艺知识及工艺资源。完成的工艺设计如图7所示。

通过星云CAPP系统，基于参数化工艺模板方法对旋压筒形件工艺进行智能工艺设计，验证该方法的可行性。在运用参数化工艺模板方法建立参数化工艺模板的过程中，利用参数来对工艺中的可变信息进行表示方便简单，并且采用参数建立的规则逻辑清晰，相比采用零件特征描述建立规则更便捷，可以在相对较短的时间内很好地总结出来。

图6 旋压工艺模板参数化

图7 工艺决策结果

4 结束语

为实现智能工艺设计，本文作者提出一种参数化工艺模板方法，应用零件族的典型工艺作为工艺模板，以参数化方式对工艺模板中的各对象进行参数化，以融合规则的方式建立参数化实现关系，从而实现工艺智能设计。通过该方法，只需根据零件的特征，输入相关参数，即可完成工艺设计，提高了工艺人员的工作效率，同时实现了工艺设计的规范化、标准化。

通过规则生成的加工参数仍需通过试验来修订，因此，下阶段可以在工艺智能设计过程中结合模拟仿真预测工艺参数对加工质量[19]的影响，反馈给工艺系统进行分析，从而优化加工参数，为工艺优化决策提供支持。