（机械制造及其自动化专业论文）基于制造资源约束的capp研究与开发.pdf

基于制造资源约束的c a p p 研究与开发 摘要 随着c a d 技术的广泛应用和数控加工技术的不断进步，建立先进的集成制造系统 已成为机械制造企业进行产业结构升级，谋求长远发展的重要举措。c a p p 作为c a d c a m 集成系统的重要模块，是各模块信息交汇的中心，也是集成系统与企业环境相契 合的纽带，其信息处理能力很大程度上决定着整个系统的性能，因而对c a p p 的研究特 别是在c a d c a m 集成环境下的c a p p 研究具有重要而迫切的实际意义。在此背景下本 文根据某齿轮箱制造企业的实际需要，开展了面向c a d c a p p 集成的，基于制造资源 约束的箱体类零件的计算机辅助工艺设计的开发与研究。 通过研究制造过程与工艺决策流程对制造资源的需求，在对制造资源进行分类的基 础上，对各类资源的属性进行分析与归纳，从而建立相应的资源模型，进而完成制造资 源库的建立和制造资源管理模块的开发。通过对制造资源的管理，一方面可以实时获取 企业现有资源的变化情况以及由此引发的加工能力的变化情况，并以特征文件的形式提 供给c a d 模块，以辅助产品设计人员进行合理设计，及时发现设计与企业加工能力之 问的矛盾，有利于保证设计的可制造性；另一方砸也为后续的工艺决策提供了制造资源 约束，使得工艺排序、刀具选择等工作只能在可行域中进行，从而保证了最终生成的加 工工艺的可行性。 以特征文件作为c a d c a p p 的信息交换接口，c a p p 从特征文件中获取零件加工特 征信息进行工艺决策。在工艺决策过程中，考虑了铸造工艺对毛坯的影响，通过引入铸 造工艺知识对零件毛坯进行合理化修改与尺寸合理化计算，得到各加工特征合理的铸造 毛坯尺寸，并依据零件的特征文件进一步生成毛坯特征文件，供c a d 读取、显示和修 改，从而使以往的c a d c a p p 集成系统得以进一步延伸到毛坯铸造工艺领域。 采用改进的遗传算法，以成本最低，效率最高为目标进行多目标的工艺优化排序和 机床优化选择。通过将两种变异方式相结合，有效地降低了算法的迭代运算量，提高了 优化效率在完成工艺排序、机床与刀具选择、切削用量确定的基础上，针对数控加工 情况，进一步生成了数控加工工序的刀轨，并对同一装夹下同一刀具的刀轨进行了连接， 从而为后续c a m 模块的n c 代码生成准备了必要的基础。 关键词：c a p p ；制造资源；加工能力；铸造毛坯；遗传算法 基于制造资源约束的c a p p 研究与开发 w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fc a da n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fn cm a c h i n i n g t e c h n o l o g y ，m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s 诵s ht oa c h i e v es t r u c t u r eu p d a t i n gt o o b t a i n l o n gt e r mg r o w t h b ye s t a b l i s h i n g t h ea d v a n c e dc m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) c a p p , a sas i g n i f i c a n tm o d u l eo ft h ec a d ，c a p p c j 蝴i n t e g r a t e d s y s t e m , i st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ec e n t e ro f t h es y s t e m ，a n dl i n k st h ei n t e g r a t e ds y s t e ma n d t h ee m e r p d s ee n v i r o n m e n t s oi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo fc a p pd e c i d e st h eq u a l i t y o f t h ee n t i r es y s t e mt h e r ei si m p o r t a n ta n dp r e s s i n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ec a p p b a s e do nt h ec 剐p p c j 蛐江i n t e g r a t e de n v i r o n m e n t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , b a s e do nt h ea c t u a l d e m a n do f g e a rc a s em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e ，t h ec o m p e e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n gw h i c h o r i e n t st h eb o xp a r ta n dt h ei n t e g r a t i o no fc a d c a p pb a s e do nt h em a n u f a c t u r i n gr c s o u r o o r e s t r i c t i o n , i sd e v e l o p e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a n u f 蛐r o s o u r c ea r cc l a s s i f i e da f t e rt h es t u d yo ft h en e e df o rm a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ei n t h ep r o c e s so f t h em a n u f a c t u r ea n dt h ep r o c e s sd e c i s i o n a n dt h e nt h ea t t r i b u t e so f e v e r yk i n do ft h er e s o u r c ea r ea n a l y z e da n di n d u c t e d ，t h er e s o u r c em o d e l sa g eb u i l t o nt h e b a s eo ft h er e s o u r c em o d e l st h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ed a t a b a s ei sb u i l ta n dt h em a n a g e m e m m o d u l eo ft h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r o ei sd e v e l o p e d o nt h eo n e 姒t h em a n a g e m e n t m o d u l ec 蛐a c h i e v et h ec h a n g eo ft h ee n t e r p r i s e sr e s o u r c ea n dt h er e s o u r c e ip r o c e s s i n g c a p a c i t yi n s t a n t l y a n dt h e nt h er e s o u r c e 翻刚哆i so f f e r e dt ot h ec a dm o d u l ei nt h ef o r m o ff i l et oa i dt h ed e s i g n e rt om a k em o l er e a s o n a b l ep r o d u c td e s i g n t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n t h ed e s i g na n de n t e r p r i s e sp r o c e s sc a p a c i t yw i l lb ef o u n di nt i m e ，a n dt h ed e s i g n 。s m a n u f a c t u r a b i l i t yw i l lb eg u a r a n t e e d o nt h eo t h e rh a n d , t h em a n a g e m e mm o d u l eo f f e r st h e m a n u f a c t u r i n gr b - 3 0 u r c er e s t r i c t i o n st op r o c e s sd e c i s i o nt om a k et h et a s k ss u c ha sp r o c e s s p l a n n i n ga n dt h ec u t t e rt o o ls e l e c t i o nb ec o m p l e t e di nt h ef e a s i b l ef i e l d s ot h eg e n e r a t e d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s sf e a s i b i l i t yw i l lb eg u a r a n t e e d t h ef e a t u r e - f i l ei st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ei n t e r f a c eo fc a d c a p ps y s t e m c a p p m o d u l ea c h i e v e sp r o d u c ti n f o r m a t i o nf r o mt h ef e a t u r o - f i l et om a k et h ep r o c e s sd e c i s i o n a s t h ep r i s m a t i cp a r e sp r o c e s sd e c i s i o ni sm a d e , t h ei n f l u e n c eo fc a s t i n gt e c h n i q u et ot h e r o u g h c a s ti sc o n s i d e r e d t h ec a s t i n gt e c h n i q u ek n o w l e d g ei sr e f e r r e dt om o d i f yt h er o u g h c a s t a n dc a l c u l a t et h ed i m e n s i o n sr e a s o n a b l y , a f t e rt l l a t e v e r ym a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sr a t i o n a l r o u g h c a s td i m e n s i o n sa r ea c h i e v e d , t h ef e a t u r e - f i l eo fr o u g h c a s tw i l lb eg e n e r a t e db a s e do n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i ii e t h ep a r t sf e a t u r e - f i l e a n dt h e nt h er o u g h c a s t sf e a t u r e - f i l ew i l lb er e a db yt h ec a dm o d u l et o d i s p l a ya n dm o d i f y s ot h ep r e v i o u sc a d | c a 聊i n t e g r a t e ds y s t e mc a ne x t e n dt ot h ef i e l do f c a s t i n gt e c h n i q u e n 地i m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h mi s a d o p t e dt oi m p l e m e n tt h em u l t i - o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nt ot h ep r o c e s s0 a n n m ga n dm a c h i n et o o l ss e l e c t i o nb yt h el o w e s tc o s ta n dt h e h i g l l e s te f f i c i e n c y 酗t h et a r g e t s d u a lm u t a t i o nm o d ei sa p p l i e dt or e d u c et h ea m o u n to ft h e i t e r a t i v ea l g o r i t h m sc o m p u t a t i o n , i m p r o v et h eo p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c y a f t e rt h ep r o c e s s p l a n n i n g ，t h es e l e c t i o no ft o o l sa n dc u t t t 8d a t aa l ea c c o m p l i s h e d ，t h et o o lp a t h so fd i g i t a l c o n t r o lp r o c e s s e sa l eg e n e r a t e da n dt h e t o o lp a t h sw i t ht h e $ a m eg u t t e ra n dc l a m pa r e c o n n e c t e dt oa s s i s tt h ec a mm o d u l ei nc o m p i l i n gt h en cc o d e s k e y w o r d s ：c a p p ；m a n u f a c t u r i n g a l g o r i t h m 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 第l 章绪论 本课题以实现齿轮箱的快速设计与加工为目标，对基于加工特征和制造资源约束的 c a d c 删a m 集成制造系统中的c a p p 部分开展了相关研究。 自集成制造系统的概念提出以来，企业信息化就成为同行业竞争扩大优势，谋求长 远发展的战略性举措。集成制造系统的研究也因此得到广泛的关注，并取得了长足的进 步。c a d c a p p c a m 作为制造系统的核心，在这一过程中更是不断地被完善，各单元 技术都取得了很大进展。其中，c a p p 作为集成制造系统的基础模块，处于信息交汇的 中心i l i ，它向上连接设计域的c a d ，向下连接制造域的c a m 。m r pi i ( 制造资源计划) 也通过与c a p p 的连接发挥实际作用。因此，c a p p 处理信息能力的强弱在很大程度上 决定了集成制造系统的优劣。与c a d 相比，长期以来c a p p 是整个集成系统中最薄弱 的环节i 1 9 1 ，其研究水平与上游的c a d 和下游的c a m 技术还很不相称，从而造成了实 际应用中的自动化孤岛，大大削弱了c a d c a p p c a m 集成系统的性能。 激烈的行业竞争，使企业对产品开发效率提出越来越高的要求，客观上要求将并行 工程的思想引入到产品设计、工艺设计、加工制造中来，具体表现在如设计阶段就应考 虑到设计的可制造性，再如工艺设计阶段应同时考虑到底层设备资源的可获得性等等。 通过制造资源管理实现基于制造资源约束的产品设计与工艺决策，能够较好地体现这种 并行思想，有利于提高产品开发效率。因此，c a p p 的研究特别是基于制造资源约束的 c a p p 的研究与开发对于提高c a d c a p p c a m 集成制造系统的性能，促进我国机械制 造业的信息化和自动化有着非常重要的实际意义。 1 2国内外研究现状 1 2 1c a p p 的类型 c a p p 的类型主要包括派生式，创成式和混合式三种1 4 1 ，如图1 1 所示。 派生式c a p p 系统是基于成组技术，按照分类编码系统对待加工零件进行成组编码， 以确定该零件属于哪一零件族，然后对该零件族的典型工艺规程进行适当的修改以得到 待加工零件的工艺规程。该类型c a p p 的一个前提是从零件族中选择较复杂的一个，然 后将它所没有的特征添加上去以形成该族的假想零件，并生成典型工艺规程纠。对于箱 体类零件其特征多而复杂，派生式c a p p 难以完整地表达各种情况。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ii i i i j ii i 嗣置暑；暑墨；i 昌；宣i 葛宣暑；暑暑；昌昌皇；罱宣宣置罩宣；畜昌暑岛暑；宣；宣昌；皇暑暑宣 创成式c a p p 是一个针对新零件能够自动完成工艺决策的智能系统。它通过提取工 艺知识模拟工艺设计人员的决策过程，自动生成零件的加工工艺，完成加工工具的选择 和工艺排序的优化。在创成式c a p p 系统中，加工工艺的生成是完全基于工艺知识库的， 是没有人工干预下的智能创造【1 1 。所以一个完整的创成式系统目前还是难以实现的。 混合式c a p p 将派生式与创成式结合起来，取长补短，对不同应用场合有较好的适 应性，是目前c a p p 系统的主流1 6 l ，也是本文研究所采用的类型。 图i ic a p p 系统的类型 c a p p 作为c a d c a p p c a m 集成系统的重要组成部分，其研究与开发主要包括如 下几个部分：c a p p 与c a d 之间的信息转换，制造资源管理，毛坯模型的生成，工艺 决策。下面对其研究现状分别加以阐述。 1 2 2g a p p 与g a d 之间的信息转换 c a d 与c a p p 集成的前提是实现数据的传输，也就是如何将c a d 提供的设计信息 转化为c a p p 所需要的制造信息以实现进一步的工艺设计。特征技术的出现为c a d 与 2 第1 章绪论 c a p p 之间的信息集成提供了有力的支持。随着特征技术的发展，特征识别与特征设计 被认为是目前解决c a d c a p p 信息集成的两种主要途径 7 1 。 特征识别是以某种推理方法，从c a d 提供的零件模型中识别出c a p p 所需要的特 征信息。近1 0 余年来，研究人员采用不同的策略已经提出了很多种特征识别方法【甜， 这些方法大多建立在对零件底层几何信息( 点、线、面) 的分析基础上，解决了一部分 特征识别问题，但是这些方法目前还很不成熟，主要表现在识别过程及其算法十分复杂， 难以解决交叉特征识别问题以及自由曲面特征识别问题。 特征设计是指在c a d 中以事先构建好的各种特征作为设计单元进行产品设计。这 些特征不仅包含零件的几何拓扑信息还包括c a p p 所需要的工艺信息，从而可以实现 c a d 与c a p p 之间的无缝集成1 1 3 l 。特征设计的前提是在原有c a d 平台的基础上充分地 扩充可用于设计的特征库。特征设计又有基于设计特征进行设计和基于加工特征进行设 计之分。基于设计特征的设计缺少与制造的联系，不利于进行产品的可制造性分析，一 般还需要采用特征映射技术，以实现c a d 与c a p p 间的信息转换。而基于加工特征的 设计，由于每一个加工特征都对应着相应的加工方法链，甚至刀位轨迹，这就使得c a d 与c a p p 之间的特征信息传递同时包括了几何信息和工艺信息两个方面，而不必再进行 额外的特征映射工作1 1 4 1 ，这种信息集成的效率是比较理想的。不过这种基于加工特征的 设计也存在一些缺点，最主要的就是由于只能在事先定义好的特征库中选择已定义特征 来进行设计，这在一定程度上限制了设计人员的创新思维。本文的工作是基于加工特征 和制造资源约束的齿轮箱快速设计制造系统的一部分，因此c a d 与c a p p 之间的信息 传递就是属于上述基于加工特征的设计这一情况。 c a d c a p p 集成的另一问题是c a d 与c a p p 数据交换接口的开发，其核心是交换 文件格式或标准的选择。目前国际上常用的产品数据交换标准有美国的p d e s 、i s o 的 s t e p ( ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo f p r o d u c td a t a ) 。对于c a d 是基于加工特征的设计这种情 况，特别是为了实时反映制造资源的约束，c 觥a p p 的信息交换就不必选择上述的数 据交换接口，可以自主设计简洁高效的特征文件接口，从而更有利于c a d 与c a p p 之 间信息的双向传递。 1 2 3 制造资源管理 制造资源是企业制造能力的基础，制造资源的信息化是制造信息化的基石。制造资 源有广义与狭义之分1 1 5 , 1 6 ，广义上的制造资源是产品开发全过程中所涉及的所有硬件与 软件要素的总和。硬件部分主要包括：机床设备资源、工具装备资源和加工原材料等l 软件部分则不仅包括了工艺知识信息，还包括生产管理、作业分配、资源调度等各种管 理的信息。狭义上的制造资源包括：工艺知识、机床设备、工具装备、材料等。图1 2 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 宣高葺葺nn 昌皇嗣i n 宣n 宣nn l 暑n 宣n 昌暑皇暑ml 葺i 青昌 昌；萱眚昌车暑暑暑昌暑暑宣暑i 置叠写i 所示为狭义制造资源的分类。本研究中使用的制造资源是指狭义上的制造资源。 制造资源管理也就是建立制造资源模型并使之信息化的过程，其首要目的就是为 c a p p 的工艺决策提供资源层的支持。制造资源内容繁多，相互间关系复杂，并且各类 资源的状态总是在不断变化的。现有的研究大多从制造资源的关系模型入手【1 7 训：通过 关系模型组织机床、刀具、夹具等加工设备，并建立制造资源库。这种关系模型大多表 现为以机床为中心的附属关系，即：刀具能否为机床所用，机床能否使用某夹具。在工 艺决策中的设备选取阶段，资源库中的多种设备将以组合的方式被选取。以往研究所采 用的这种以机床为中心的建模方式，不便于工艺决策过程中对加工设备的选取。机床与 加工特征之问多对多的映射关系，要求c a p p 在为某特征的工序选择机床时，需要遍历 资源库中能够加工该类型特征的所有机床。这样的机床选择方式无疑是效率低下的，如 果基于加工特征建立关系模型，并按照特征加工能力组织机床、刀具等，构建制造资源 库，必将提高系统工艺决策的效率。 以往c a d c a p p 的研究，建立制造资源库的目的大多是为了支持c a p p 的工艺决 策，而并没有考虑向上游的c a d 模块提供制造资源约束，以保证产品设计的合理化。 而实际上，任何企业的产品设计工作阶段都应当受到底层制造资源的限制，只有在本企 业( 或动态企业联盟) 当前的加工能力容许范围内进行的设计，才具有良好的可行性或 可制造性，否则，要么无法进行加工，要么会大幅度提高产品成本，因而不利于提高企 业的竞争力。显然，通过制造资源管理，建立基于制造资源约束的加工特征库，提供给 c a d 模块，那么c a d 模块的产品设计将更为合理，产品的开发效率也会因此得到提高。 i 制造资源l i lill i 工艺知识机床设备ll 工具设备 l 材料 i illl 工序知识车床 刀具 型材 切削用量铣床夹具 毛坯材料 加工余量 铸造设备量具 半成品 工时定额热处理设备磨具 1 2 4 毛坯模型的生成 图1 2 制造资源分类 在产品设计到加工制造的整个过程中，当给定一个产品的设计模型后，产品生产就 4 第1 章绪论 是毛坯模型向设计模型逐步转变的过程。因此，在c a p p 中如何将零件的设计模型合理 转换为毛坯模型是必须考虑的问题。特别是箱体类零件，该类零件往往结构复杂，孔、 台阶、槽以及型腔很多，在生产中一般优先采用铸造工艺来生成零件的毛坯，因此必须 考虑毛坯模型的合理生成。 以往的毛坯模型的生成过程比较简单1 2 1 捌，在获得工序加工序列及各工序加工余量 之后，以零件模型为起点，从最终加工工序到第一道加工工序，逐次添加每道工序的加 工余量，从而获得各工序的基本尺寸，然后通过c a d 模块生成各工序的三维模型以及 毛坯模型。这种方式生成的是理想的毛坯模型，它仅从切削加工这个角度去考虑毛坯的 构造，而忽略了铸造工艺对毛坯制造的要求，比如没有考虑毛坯铸造工艺对理想毛坯模 型尺寸的修改，这种毛坯尺寸的修改不仅可能改变相关特征的加工方法链，还可能改变 特征的加工总余量，进而改变工序余量的计算以及后续切削用量的确定。因此得到理想 毛坯尺寸后，还应利用铸造工艺知识对其做合理化修改，从而使得工艺决策结果更为合 理， 近年来，一些研究人员对该问题做了初步研究l ，提出了以工艺知识和规则对铸后 加工面进行推理重构的方法。其毛坯合理化是基于工艺知识的推理，通过特征识别与生 成技术完成的。但只进行了毛坯模型的修改，没有进一步实现原有加工余量和工序尺寸 的修改以及切削用量的确定。此外其所提出的合理化规则尚不够完善，例如没有考虑铸 件尺寸公差对铸件基本尺寸的影响。 另外，铸造工艺c a d 的研究虽然从来间断1 2 * z z l ，但是大都以现有商业三维c a d 系 统为平台作二次开发，将铸件作为一种产品进行独立设计，从而脱离了与其密切相关的 c a p p 的联系。本文通过毛坯的合理化工作，可初步实现c a p p 向铸造域的延伸。 1 2 5 工艺排序 通过工艺决策生成最优的工艺路线是c a p p 的一个重要任务，即在确定零件各加工 特征的加工方法以及特征间的相互关系后，在满足由工艺知识决定的强制性约束的基础 上，以尽量提高加工效率、降低加工成本为目标进行优化设计，以期生成优化的工序排 列。为了解决工艺排序问题，国内外研究人员采用人工神经网络，遗传算法等进行了一 些研究。 人工神经网络，是对人脑的模拟，简化与抽象，具有自学习，自组织和自适应能力， 适于处理模糊的和随机的信息。人工神经网络这种智能特性已被广泛应用于诸多领域 i 勰1 。但在c a p p 领域其更多地被应用于加工方法选择，回转体类零件的工艺排序等样本 相对简单，训练样本易于选取的问题1 2 9 - 3 2 1 。 遗传算法是一种搜索全局最优解的优化算法，其寻优过程模拟了自然界中的优胜劣 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 汰法则，能够以较高效率逼近全局最优解。通过对包含可能解的种群反复进行选种、重 组、突变等各项仿生操作，在解空间内不断逼近满足要求的最优或近优解。而工艺排序， 实际上就是根据当前的生产条件与产品需求，生成一个最优工艺序列的过程 3 3 1 ，因此在 解决工艺排序问题时，更多的研究人员选择了遗传算法。 有关工艺排序问题，遗传算法的应用主要有下列几方面的研究： i ) 强制性约束的实现。在工艺排序过程中许多约束是强制性的，必须满足的，例 如；由定位关系，基准关系，附着关系等所产生的约束。以往的研究主要用两种方法实 现对染色体的强制性约束：一种是通过编码规则来保证每个染色体都满足强制性约束 3 4 , 3 5 1 。该方法通过剔除不满足约束的个体，保留满足约束的个体最终褥到合理的初始种 群。第二种是在解码过程中实现约束洋l 。将基因码转化成表现码的过程就是解码。这种 方法是对基因码进行基因重组、突变，然后进行解码并计算染色体的适应度。第一种方 法由于染色体生成的随机性，使这种方式效率低下，但其在进化过程中只需对突变生成 的个体进行合理性检查。第二种方法虽然不必生成满足约束的初始种群，但需要在每次 进化中都进行解码。如果将两种方法相结合取长补短，就可以解决上述问题，即：通过 解码生成合理的初始种群，而进化中只需检查突变生成的个体是否满足约束条件。 2 ) 优化选择结果的扩展。研究人员不再满足于在一次遗传算法中只实现工艺排序， 而是将机床与刀具的优化选择与工艺排序的过程相融合 3 7 - 3 9 1 。通过遗传算法在完成工艺 排序的同时，也得到了使加工成本最低的加工设备组合。 3 ) 优化目标函数的确定。目前的研究中一般是以加工成本最低作为工艺路线的评 价指标的1 4 喇。加工成本包括：机床、装夹、刀具的变换成本，机床成本以及刀具成本。 优化目标函数就是加工成本的求和函数。 通过相关算法完成的工艺排序并没有考虑一次装夹下多道工序的排列问题。对于数 控加工中，一次装夹下由同一把刀具加工的几道工序，还需要连接其刀轨，使加工路线 最短，以尽量减少空刀时间。 1 3本课题研究内容 本文以某齿轮箱生产企业为对象，旨在通过建立制造资源库，将企业现有资源如机 床、刀具等有效地加以管理和维护，并建立这些资源与企业当前可制造的加工特征之间 的多对多的映射关系。从而一方面为c a d 模块的加工特征库添加制造资源约束，以供 其进行合理的快速设计，另一方面则为c a p p 模块进行工艺分析和计算提供从加工特征 到资源层的数据支持。当现有资源发生变化时，通过制造资源库的更改即可迅速体现为 加工特征库的相应变化，从而向上有利于保证c a d 模块所设计的产品的可制造性，向 下有利于保证c a p p 模块所选用的相关资源的可获得性。另外，为更好地支持工艺设计 6 第l 章绪论 工作，还将以往的c a p p 向机械加工的上游即毛坯的设计与制造进行了延伸。基于铸造 工艺知识实现毛坯的合理化，不仅为进一步的毛坯设计与制造提供基础，还使加工方法 的选择，加工余量的确定，工序尺寸的计算，切削用量的确定更为合理。 所设计的基于制造资源约束的c a p p 是课题组开发的基于加工特征和制造资源约束 的齿轮箱快速设计制造系统的一个模块，其运行是以上游基于加工特征的c a d 模块所 提供的特征文件为基础的。该特征文件是对零件信息的一种文本式表述，文件以加工特 征为对象，包含了特征的形状信息，技术信息以及一定的拓扑关系描述信息。以特征文 件提供的信息为基础，本模块将进行资源库管理系统的构建、特征树的构建、工艺路线 选择，工艺参数选择，工具选择，工艺排序，切削用量计算，刀轨生成乃至合理毛坯的 构建，并最终生成零件的工艺流程，各工序的切削用量，相关的刀轨文件，以及描述合 理化毛坯的特征文件。 学位论文的主要工作如下： 1 ) 研究制造资源对产品设计与零件加工的约束，开发资源库管理模块； 2 ) 研究铸造毛坯的合理化； 3 ) 采用改进的遗传算法，开发工艺优化排序及机床优化选择模块； 4 ) 在完成切削用量选择的基础上，生成数控加工工艺的刀轨文件。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章c a d c a p p 系统的总体设计 本章将首先从总体上介绍基于加工特征和制造资源约束的c 燃a p p 集成系统的 总体结构，然后对c a d 与c a p p 之间的数据交换接口特征文件作进一步阐述，最后 将给出基于制造资源约束的c a p p 系统的总体框架。 2 1 c a d c a p p 集成系统的总体设计方案 2 1 1 系统需求 本文以某齿轮箱厂“齿轮箱快速设计制造系统一为背景进行c a p p 的开发与研究。 该厂希望在得到客户的相关需求之后能够在2 - 3 天内完成从设计方案选择到三维建模以 及工艺生成的全部工作，以快速响应市场，高效完成客户订单。 该厂已完成由2 d 设计向3 d 设计的转变，主要应用u g 作为设计平台制造资源 方面既包括普通机床也有较先进的数控机床、加工中心。针对该厂的现状，所提出的 c a d c a p p 集成系统的总体需求以及功能需求如下： ( i ) 系统总体需求 开发基于u g 平台的c a d c a p p 集成系统，要求界面友好，操作方便，明显提高 设计人员及工艺人员的工作效率。 ( 2 ) 功能需求 建立企业齿轮箱设计的案例库，实现方案优化选择以及相关参数及尺寸的辅 助计算。 实现基于加工特征的参数化设计。 建立制造资源管理模块，为企业实现制造资源的信息化管理。向上为c a d 模块提供基于制造资源约束的加工特征库，向下为c a p p 模块进行工艺分析和计算 提供数据支持。 工艺决策与规划，包括加工余量、工序尺寸及其精度的确定，合理化铸造毛 坯的生成，机床刀具的选择，切削用量、加工工时的计算，以及工艺规划、刀轨生 成。 2 1 2 系统的总体设计方案 8 第2 章a 址幔：a p p 系统的总体设计 c 觥a p p 集成系统主要包括三个模块：产品设计方案的生成，基于加工特征的 c a d ，基于制造约束的c a p p 。系统结构及流程如图2 1 所示。 系统以客户的需求为输入，经产品设计方案分析后，通过基于加工特征的c a d 设 计生成零件三维模型，并将其设计参数以特征文件的形式加以存储。该特征文件可以通 过模块问的通信将零件的加工特征信息自动传递到c a p p 中，经过工艺决策分析与相关 计算，最终生成毛坯的特征文件、零件的工艺文件以及相关工序的刀轨文件等。另外， c a p p 通过制造资源管理模块能够获取企业资源的特征加工能力，一方面为c a p p 的工 艺决策提供基础，一方面以加工能力约束文件的形式对c a d 模块的加工特征库进行约 束，实现基于制造资源约束的产品设计与工艺决策。 本文的工作主要针对c a p p 模块的开发以及c a d 与c a p p 的接口即特征文件的开 发与维护。 i i i i l 输出 三维产品模型 毛坯模型 工艺文件 刀轨文件 图2 1 系统流程图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 c a d 与c a p p 的数据交换接口 2 2 1 特征建模 特征建模技术的出现是c a d c a p p c a m 集成技术发展的转折点。特征是一个综合 概念，它是产品开发过程中几何信息与工艺信息的载体i l l 。它所包含的丰富的工程语义， 使基于特征设计成为实现c a d 与c a p p 集成最有效的手段。目前国内外大多数特征建 模系统都是建立在商业化的c a d 系统基础上的 4 3 , 4 4 1 ，这些c a d 系统不仅具有强大的几 何拓扑处理与图形显示等功能，而且提供了二次开发的接口，为开发c a d c a p p 的集 成系统提供了有利条件。 本课题针对齿轮箱加工问题，首先建立了产品数据模型，该模型在结构上由产品、 部件、零件及特征四个层次组成。产品数据模型的结构如图2 2 所示。 图2 2 产品数据模型结构 然后，根据基于加工特征的设计需要，对现有加工特征进行了分类。按照特征在零 件中的作用分为主特征与辅助特征；主特征分为简单特征与复合特征两种。简单特征是 指孔、槽和面等单独的特征，而复合特征是指多个特征按照某种规律组合分布的情况。 加工特征的分类如图2 3 所示。 1 0 第2 章g u i ( i a p p 系统的总体设计 图2 3 加工特征分类 最后还需要建立c a d 与c a p p 之间的数据交换接口。系统集成的首要问题就是： c a d 如何以c a p p 可理解的方式来表达零件的参数信息。另外，本系统的c a p p 还需 要通过数据交换接口向c a d 提供制造资源约束以及毛坯的参数信息，而以往研究所采 用的中性文件并不能满足这种需求，所以自行开发了新的数据文件特征文件。c a d 模块通过对u gn x 4 二次开发，建立加工特征库，并使用特征文件对零件及其特征进行 描述。c a p p 不但可以通过读取特征文件进行工艺决策，还能编辑生成新的特征文件， 从而实现c a p p 向c a d 提供制造资源约束与毛坯参数信息的功能。 2 2 2 特征文件 按照上述的产品数据模型结构可知：一个产品的表达可以通过两种特征文件完成， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 即产品总体信息描述特征文件和各零件的单独描述特征文件。产品的总体信息及各部件 的详细信息可以在一个特征文件内完成表达，每个零件的总体信息以及各特征的详细信 息也可以在各自对应的特征文件内完成表达。一个典型的特征文件包括以下内容：文件 名( f i l e - n a m e ) ，段名( s e c t i o n - n a m e ) ，关键名( k e y n a m e ) ，关键值( k e y v a l u e ) ，其 结构如图2 4 所示。 图2 4 特征文件结构 产品的特征文件表达形式； p r o d u c t - n a m e i n i 文件名 【p r o d u c t - n a m e 段名 q u a n t i t y - o f - p r o d u c t i o n - - n 关键名与关键值。 d a t e = 2 0 1 0 - 0 9 - 2 8 【l 】 p a r t s - n a m e = 部件名称 p a r t l = 零件名称 p a r t 2 = 零件名称 【2 】 p a r t s - n a m e = 部件名称 产品的特征文件用于表达产品的名称、批量、生产日期等总体信息，以及该产品所 包含的部件名称及零件名称。 零件的特征文件表达形式： p a r t - n a m ei n i 第2 章c a d ，c a p p 系统的总体设计 葺墨薯置置罱i ji ii i 鲁暑置暑昌暑昌昌盲；暑i 暑皇昌；暑篁；葺写i 皇蕾昌薯暑昌肯宣暑宣置置薯暑冒蕾葺皇罩暑墨冒墨昌譬 p a r t - n a m e m a t e r i a l = 羽盯2 0 0 l e n g t l f - - x w i d t h - - y h e i g h t = z h e a t - t r e a t m e n t = 1 】 n a m e = s i m p l e _ h o l e ( i9 ) f e a t u r e - t y p e = h o l e l o c - x - - 6 1 8 3 0 5 3 2 l o c - y = 3 0 l o c - z - - 4 0 d - 3 0 h = 1 5 r a = 3 2 d i r x ：0 d i r y = 0 d i r z - - - 1 特征的定位坐标 特征尺寸参数及加工精度 特征的刀具接近方向( 山) r e f e r e n c e _ i = r e c t a n g u l a r _ p o c k e t ( i2 ) i r e f e m n c e _ 2 = b l o c k ( 0 ) 特征间关系 a t t a c h m e n t = b l o c k ( 1 ) - f a c e 3 ) 【2 】 n a m e = r e c t a n g u l a rp o c k e t ( 1 2 ) 零件的特征文件用于表达零件的名称、材料、总体尺寸、技术要求等总体信息，以 及各个特征的参数信息。特征的参数信息包括：特征名称，特征类型，特征的定位坐标、 特征的尺寸参数、加工精度、t a d 、特征间关系等。其中特征的定位坐标与t a d 主要 用于刀轨的生成。特征间关系用于反映特征的基准、附着面及其相交特征。特征问关系 作为工艺排序的基础，将在本文第五章加工工艺的生成中展开论述。 1 3 、o厂、lrj、，j 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3c a p p 的框架结构 2 3 1c a p p 总体框架 c a p p 的总体框架包括三层：应用层、决策层、数据支持层。其结构如图2 5 所示。 数据支持层是指包括工艺知识库与加工设备库的制造资源库，它是整个c a p p 模块的基 础，为决策层提供支撑。决策层是c a p p 的核心，用户通过应用层的相关界面调用决策 层各模块，实现制造资源管理与工艺决策。 _ - - _ _ 2 3 。2 制造资源管理模块 图2 5c a p p 总体框架 应用层 决策层 据支持层 制造资源库主要包括工艺知识库和加工设备数据库两部分。工艺知识的处理与存储 是c a p p 开发的基础。需要存储的工艺知识一般包括：机加工的经济精度及表面粗糙度、 加工余量、标准公差数值、切削用量等。用户可以通过管理界面对其进行适当更新。 加工设备主要包括各类机床、刀具、夹具和量具等，这些设备应以数据库形式加以 管理，这也是企业信息化的前提条件。加工设备数据库通过为用户提供全面的管理接口， 方便其对加工设备进行添加、删除、修改以及状态管理等操作，从而能够实时准确地反 映企业当前的加工资源情况。 制造资源管理模块的结构如图2 6 所示。 制造资源管理模块的功能主要包括两个方面。一方面通过对底层设备资源的管理， 使得后续的工艺决策被限制在现有资源范围内，有利于保证生成工艺的可行性，同时也 正是通过对各类工艺知识的管理与应用，也使得工艺决策过程受到了工艺理论知识与经 验知识的有效指导，从而有利于保证所设计的工艺的正确性；另一方面该模块可以为上 1 4 第2 章a 址i ，( ：朋叩系统的总体设计 游的c a d 提供当前制造资源的加工能力约束，从而使得在产品设计阶段就能够及时考 虑到底层资源的限制，有利于保证设计的可制造性。制造资源管理模块通过建立加工设 备与加工特征之间多对