（机械制造及其自动化专业论文）基于遗传算法的加工工艺规划研究.pdf

哙尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 加工工艺规划是制造业保证产品质量、提高效率、降低成本的重要手段。 工艺优化算法与零件的加工方法、工艺路线、切削参数、机床和刀具的选择 等众多因素有关，各个因素相互制约，相互影响。为了得到工艺方案的全局 最优解，本文采用遗传算法建立了一个统一的工艺方案优化模型，将加工序 列和每道工序的装夹选择、刀具选择等作为一个有机整体进行优化，通过遗 传算法得出优化的工艺方案。 介绍a p 2 3 8 文件生成的基本流程，从a p 2 0 3 文件中提取零件几何信息， 进行特征识别，再进行工艺路径规划，这些准备工作做完后才能生成a p 2 3 8 文件。主要阐述了加工工艺路径规划在a p 2 3 8 文件生成过程中的重要性，首 先分析了零件的特征描述，以及特征之间的相互约束关系，主要介绍形状特 征之间的约束关系，并采用了a o s 树结构形象的描述形状特征之间的约束关 系。然后分析了零件加工所需的资源构成，并对加工资源建模。最后给出了 王艺路径规划基本流程图。 首先对零件典型加工特征的加工方法进行分析，给出典型特征加工方案 图，再把加工方案图转化成邻接表表达形式，运用图的操作对其进行遍历， 有关信息存储。通过获取的加工起始点和终结点，得出某一加工表面的所有 可行加工路线，从中选出最优或者近似最优解。通过这种方法获取每个待加 工面的可行加工方法。 其次，按照遗传算法的基本步骤，分析了特征加工序列约束，给出了加 工序列约束模型，创立了特征加工数学模型，建立了综合考虑时间、精度和 成本的多垦标工艺方案评价体系，作为工艺方案染色体适应值的计算依据。 最后，给出了实现上述研究内容的原型系统和一个工艺设计实例，验 燕 了该研究的有效性。 关键词：工艺规划；图；遗传算法：多目标优化 a b s t r a c t o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp l a n n i n gi st h ei m p o r t a n tm e t h o d t oe n s b r e 芦。幽髓 q u a l i t y t oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n dt o r e d u c ec o s t o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o r 麟e s sp l a n n i n gi s r e l a t e dw i t hm a n ye l e m e n t ss u c ha sm a c h i n i n gm e t h o d ， o p e r a t i o ns e q u e n c i n g , c u t t i n gp a r a m e t e r s ，m a c h i n i n gt o o l a n de u t t i n g1 0 0 l 髓c ， w h i c ha r ea f e c l e do n ea n o t h e r au n i f o r mo p t i m i z a t i o nm o d e lo fp r o c e s sp l a n n i n g i sb r o u g h tf o r w a r dt og a i nt h eg l o b a lo p t i m u m i ne n t i r es o l u t i o ns p a c ef o rp r o c e s s p l a n n i n gu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m o p e r a t i o ns e q u e n c i n g ，j i g g i n gt o o l s e l e c t i n g , a n dt u t t i n gt o o l s e l e c t i n gi ne a c ho p e r a t i o n a r eo p t i m i z e da st h ew h o l e - t h e o p t i m a lp r o c e s sp l a n n i n gi se d u c e db yg e n e t i cc o m p u t a t i o n t h eb a s i cp r o c e s s e so ft h eg e n e r a t i o no fa p 一2 3 8d o c u m e n ti si n t r o d u c e d i n c l u d i n gg e o m e t r yi n f o r m a t i o ne x t r a c t i o no fp a r t sf r o mt h ea p - 2 0 3d o c u m e n t ， f 妇t u r ci d e n t i f i c a t i o n ，t e c h n i c a lp l a n n i n g a f t e rt h e s ep r e p a r a t i o n sc o m p l e t e d ， a p 2 3 8d o c u m e n t sc a nb eg e n e r a n t e d t h i sp a p e rm a i n l y f o c u s e so nt h e i m p o r t a n c eo fp r o c e s s i n gp a t hp l a n n i n gi n t h eg e n e r a t i o no fa p - 2 3 8d o c u m e n t f i r s to f a ht h ed e s c r i p t i o no fp a r t sa n dr e s t r i c t i o nr e l a t i o n sa m o n g t h ef e a t u r e sa r e a n a l y s e d ，a n dr e s t r i c t i o nr e l a t i o n sa m o n gt h es h a p ef e a t u r e s i si n t r o d u c e d ，a n d u s i n gt h ea o st r e es t r u c t u r et od e s c r i b et h er e s t r i c t i o nr e l a t i o n sa m o n g t h es h a p e f e a t u r e s t h e nr e s o u r c e sr e q u i r e df o rt h ep r o c e s s i n go ft h ep a r t si sa n a l y s e d ，a n d m o d e l i n gf o rp r o c e s s i n gr e s o u r c e s f i n a l l y , t h eb a s i cp a t hp l a n n i n gp r o c e s s l s g i v e n f i f s t l v ，t h es c h e m eg r a p h sa r ec r e a t e db ya n a l y z i n gm a c h i n i n gm e t h o d so f t y p i c a lm a c h i n i n gs u r f a c e s t h eg r a p h sw h i c ha r et r a n s f o r m e dt oa d j a c e n c y 。l i s t r e d r e s e n t a t i o n sa 1 es e a r c h e da n dt r a v e r s e du s i n gg r a p ha l g o r i t h m w e c a l lg e tt h e b e s tm a c h i n i n gm e t h o do rt h ea p p r o x i m a t eb e s tf r o ma l lt h em a c h i n i n gm e t h o d s o fa n ym a c h i n i n gs u r f a c ek n o w i n gt h em a c h i n i n gs t a r ta n de n d s e c o r 以l v ，a c c o r d i n g t ot h e s t e p ，t h e c o n s t r a i n tr e l a t i o no fm a c h i n i n g h m a c h i n i n go p e r a t i o ni s f o r m u l a t e df o ri t t h ee v a l u a t i n gs y s t e mf o rp f o c e s s p l a n n i n g ，c o n s i d e r i n gs u c hc r i t e r i o na st i m e ，p r e c i s i o na n dc o s t ，i sc r e a t e d ，w h l e l l i sb a s e dt oc o m p u t et h ef i t n e s so fp r o c e s sp l a n n i n gc h r o m o s o m e l a s 呶t h ep r o t o t y p es y s t e m t h a tr e a l i z e st h er e s e a r c hc o n t e n t so f t h e d i s s e r t a t i o na r cg i v e n ，a n dt h ep r o t o t y p es y s t e mi sa p p l i e dt o ap r a c t i c a lp r o c e s s p l a n n i n gc a s e t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i t ya n dt h ee f f e c t i v e n e s so fr e s e a r c hr e s u l t s a r ev a l i d a t e d k e y w o r d s ：p r o c e s sp l a n n i n g ；g r a p h s ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；m u l t i - c f i t c f i a e v a 重u a t i o n n i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 嘲让 日期：阳警年月秒曰 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 j i u 第1 章绪论 c a d 、c a m 技术各自独立发展于2 0 世纪5 0 年代末，而。廿p 系统的 发展开始予为年代。计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ， 简称c a p p ) ，通常指机械产品制造工艺过程的计算机辅助设计与文档编制。 它作为连接c a d 与c a m 的中间环节，把设计信息转化为制造信息，起到传 递零件信息、提供加工信息的作用弘j 。c a p p 作为实现c a d c a p p c a m 集成 的桥梁国，其主要任务之一是生成零件的加工工艺路线，这一任务可以归结 为加工工艺规划问题。而加工工艺规划约束复杂，经验性强，是阻碍c a p p 实用化的一个瓶颈。 。 1 1 研究背景及意义 随着c a d 技术的大量推广和应用以及制造业信息化工程的推进，制造 业中越来越多的企业迫切地需要借助于c a p p 来提高工艺设计的效率和水 平，建立包括产品工艺信息在内的完整的企业产品信息，提高自身快速反应 市场的能力和竞争力。作为设计和制造的中间环节，c a p p 系统的研制和开 发工作并不顺利。尽管在研究和开发方面进行了各种努力，在理论、方法和 技术上有不少研究进展，但是其系统开发和推广应用一直非常困难，至今并 没有出现在世界范围内广炎普及艉c a p p 商品化软件，这一点和c a d 系统 相比有相当大的差距。究其原因，c a p p 面临的困难与工艺设计的特点是分 不开的嗍。 当前制造业中产晶设计开始更多地采用三维c a d 技术，删c a m 往往 建立在统一的信息平台的基础上。这对c a p p 提出了更高的要求，它担负着 沟通c a d 和c a m 的任务，需要能够直接从三维c a d 中获取零件的几何信 息、材料信息、工艺信息等；输出c a m 所需要的工艺规划、刀具清单、刀 位文件等各种信患翔。s t e p n c 的定义正是产品数据交换接口向数控领域的 扩展，它定义了一种薪的双向数据交换标准，不依赖于具体的视床，该定义 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i 说明了基于s t e p - n c 标准的数据和a 如系统使用的数据一样都遵循 了s t e p 格式，这就使c a d c a m 和c n c 之间的产品数据交换不再需要数据 转换，同时数据还可以双向传递，加工信息能够及时传递到设计者手中，便 于设计的改进，便于实现加工过程的智能化控制。在欧美国家和国际标准化 组织的共同努力下，s t e p n c 已纳入国际标准化组织体系，标准号为 i s 0 1 4 6 4 9 阁。 i s 0 1 4 6 4 9 是面向对象和特征的，撼述工件的加工操作。应用协议a p 。2 3 8 是s t e p n c 的技术定义，它综合了i s 0 1 0 3 0 3 以及i s 0 1 4 6 4 9 两个标准的内 容，它的几何定义与s t e pa p 2 0 3 、s t e pa p 2 1 4 相同，力n - r - 特征与s t e p a p 2 2 4 的一致，公差定义与s t e p a p 2 1 9 相同，因此可以直接使用相关的模 型嘲，而工艺规划正是生成a l p 。2 3 8 所缺少的。 本课题致力予工艺规划系统的研究，建立旗型加工表面的工艺路线选取 规则，对零件单个特征进行工艺路线选择，再运用全局优化思想，考虑具体 加王过程，对整个零件加工进行工艺规划，应用于a p 2 3 8 文件的生成。 1 2 国内外研究现状 c a p p 中工艺规划的任务是制订面向车间和制造资源的零件合理加工工 艺路线。传统的工艺规划将工艺前提作为纯静态条件处理，力图在一次规划 中找到最优工艺解，这样规划的结果是生成的工艺柔性差，不能广泛移植。 同时由于工艺问题的复杂性、经验性、多变性和传统工艺规划的诸多缺陷， 使得工艺知识的数学模型难予被精确建立，这也在客观上造成了c a p p 发展 的瓶颈问题。近年来，众多学者对工艺生成方法和加工方法排序进行了深入 研究，主要有以下几种方法： 1 基于实例归纳的工艺规划方法 基于经验知识决簸实现工艺设计自动化一直被认为是最有效的方法，方 法的核心是对一类相似的零件，基于一个典型的决策模板( 工艺规划网络) 派 生出一个新的零件的工艺规划。这正是派生型工艺设计的思想。但在传统派 生法应用中，零件的分类和典型工艺模板的建立，必须在对大量的零件和工 艺实例分析的基础上，综合归纳分析才能形成，而这些都必须依靠手工进行。 2 哈尔滨工程人学硕十学位论文 由于工艺实例和零件实例的计算机内部识别技术不成熟，所以无法实现计算 机的自动分类和自动生成典型工艺模板。事实上，有人工建立的分类和基于 类的典型工艺模板是一种静态知识，基于这种静态知识去指导动态可变的新 问题的求解显然是不可能的1 5 1 。 基于实例推理是近年来出现的一种阅题求解方法掰，其基本思想利用过 去的实例和经验解决问题。这种方法不仅符合人类解决问题的认知过程，而 且克服一般智能系统知识获取的瓶颈。一般而言，基于实例推理包括以下基 本过程：根据问题描述从实例库中选择组相似实例；选择与当前要求较相 似的实例并检索其解决方案显示给用户；修改实例以适应新问题，产生新方 案；将成功的新方案存入实例库中。 2 基于分层约束的柔性工艺规划 由于制造过程是一个动态的过程，使褥工艺设计是一项复杂的多层次、 多任务的决策过程，而且其工艺决策涉及到的面较广，影响工艺决策的因素 也较多，实际应用中的不确定性也较大。因此在信息集成的基础上，产品制 造工艺的制订，应随时地、充分地考虑本企业的制造环境，作业调度、车间 控制等与制造有关的过程及其变动，使整个制造过程达到最优化p l 。 按照工艺设计过程的内容和实现过程，提出分层设计方法：即离线规划 层( 特征层) 和在线规划层( 零件层) ，通过合理安排各层次的任务和构造各层 次的约束，可以简化加工方法排序算法，提高算法的实用性、通阁性和灵活 性。 离线规捌层：也就是特征层，对形状特薤的加工排序不考虑其具体生产 环境，只考虑它们的几何信息和特征之间的约束关系，从而可以快速生成多 种工艺方案。在这一阶段，强调的是特征加工方法的确定，恧不是具体决定 要用什么机床、刀具、夹具。针对特征的加工方法，需要进行某种程度上的 抽象。如车削加工可以假定为是针对外圆加工的，但是其具体使用的加工机 床要根据实际情况来定，比如：酉用典型车床、塔式车床或c n c 加工中心等； 而且加工一种特征可能需要若干种加工方法，比如：在粗加工后一般要有多 道精加工工序。这些具体内容一般要在零件在线详细设计阶段予以确定。 在线规划层：也就是零件层工艺规划，是详细设计阶段，在生产中根据 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i i i i 制造资源的变化情况再调整离线规划，形成适应当前生产状态和生产要求的 工艺计划。需要考虑车间的具体资源，在这一阶段主要考虑刀具选择，机床 参数确定，夹具选择，机床选择，加工顺序确定和加工成本和时闻的估算等 内容，通过对多种可选方案的比较，可以确定出最佳的工艺方案。从而减少 了在线工艺设计中的工作量闱。 3 基于遗传算法的工艺规划 工艺路线排序过程，实际上是逐个反复地将一系列约束作用于各个特征 加工方法链中的特征加工单元组成的集合，当最终得到能够满足或最大限度 地满足约束条件集合的加工顺序时，就认为是所需要的工艺路线翻。 在传统的工艺规划孛，工艺专家根据经验为每个特征选择一个加工方案 ( 加工链) ，然后，将所有特征的加工方案组合在一起，进行最优化排序。这 种串行处理方法最主要的缺点是最优解可能在选择加工方案时丢失。克服这 一缺点当前有两个主要方法：一是以加工成本最低为目标，对特征的可行加 工方案进行优化选择，然蜃进行操作的优化排序；另一个是保留特征的所有 可行加工方案，进行扇发式搜索获取满意解。这些方法的最大不足是不能保 证得到全局最优解p q 。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是一种全局优化方法，从生物进化过程中得 到启发，将优胜劣汰的自然选择法则应用到寻优过程中。在寻优过程中，它 对包含可能解的种群反复应用基于遗传学的操作，生成新的种群，从而使问 题的解不断进化，以求得满足要求的最优或接近最优解p 。 4 基子特征的多代理分布式工艺规划方法 工艺规划将如同一个市场被建模。每个实体配备有一个软件代理来控制 实体的功能，代表实体和其他代理协商n 习。代理还有学习、交流、推理的能 力。一组代理的集合产生一个系统的行为而不需要中心控制。 基于特征的多代理分布式工艺靓划方法是一种新方法黔秘”霹，要求智能祝 器和智能组织提供工艺规划以响应零件的特征需要和傣造系统能力，这种方 法特别适用于分布并相互合作的加工中心或有自治机床的工厂。工艺规划中 使用有效智能机床很简单，但框架结构很重要：工艺规划者可就每个特征检 查制造工艺计划，然恁按最低制造成本和最少运行时间选择最佳规划；消除 4 哈尔滨下程大学硕士学何论文 车问中工艺规划的不可靠因素，修正它们以适应动态的车问情况。 1 。3 课题研究的主要内容 传统的工艺规划系统对工艺决策进行简化，生成单一的静态工艺方案， 生产中常常由于资源使用瓶颈和设备随机故障，使工艺规程不畿贯彻执行， 有2 0 3 0 的工艺规程必须重新修改1 1 6 1 。为了提高工艺方案的柔性，国内 外学者提出了非线性工艺规划n 硼、闭环c a p p 和分布式c a p p p 嘲等。在毒线性 工艺规划方面，z h a n g 等提出了工艺与或图方法h 吼删，x i r o u c h a k i s 等应用p e t d 网络方法进行多工艺方案优化忙1 碉。非线性是用来表征工艺规划方法和工艺规 划结果之间关系的一个概念。工艺规划总是从一定的工艺前提出发按照定 方法进行的，但即使相同的工艺前提，得到的工艺规程也不会唯一，这些工 艺规程组成工艺可行域，用户可以从域中挑选或优选工艺路线，这说臻工艺 规划方法与结果之间是一对多的映射关系，是非线性的。通过非线性工艺规 划并行地设计各支工艺并将所有满足条件的王艺路线放入工艺可行域中p 1 。 在非线性工艺规划方面提出了工艺与或图方法，应用p e t r i 网络方法进行多工 艺方案优化。实际工艺规划中，由于零件特征的多种加工链方案中包含的加 工方法不同、加工链长短不同，直接影响加工路线排序、工序划分、机床选 择等决策活动。工艺与或图方法和p e t r i 网络方法随着加工特征的增加和特征 加工方案的增加，都将变得非常复杂，决策的效率显著下降，甚至无法求解。 在进行零件工艺路线决策之前，应将各特征的不同加工方案进行合理组 合，得到零件的多种加工方案，然后对零件的各加工方案进行工艺路线决策， 生成多种工艺路线方案。在本文中将应用遗传算法建立零件加工方案组合优 化的数学模型。并将该方法应用到具体零件的工艺排序决策过程中，通过编 码、杂交、复制、变异等得到满足零件要求的最优或接近最优的工艺路线俐。 ，3 1 单特征加工路线生成 要进行零件的加工工艺规划，首先要得到零件每一个特征的可行加工路 线，然后综合考虑所有特征之间的约束关系，比如是相交特征、包含特征或 者是没有约束关系等。所以首先要研究的是零件单个特征的加工方法的选择。 从国内外研究现状可以看出，对零件单个特征加工路线的选择多采用的 5 哈尔滨工程大学预十学位论文 是专家系统，或是基于实例，甚至是手动给出，这些都是一个静态单一的加 工路线，大大降低了系统的选择性，严重削弱了加工工艺规划的柔性。 在本课题中，对加工路线选取采用的方案是：首先给出典型加工特征的 加工方案图，如平面、孔等；然后采用图结构把加工方案图转化成邻接表表 达形式，对其进行遍历存储；最后给出加工起点以及待加工表面粗糙度，获 取所有可行加工路线，从中选优。 1 3 2 零件加工工艺规划 得出零件所有加工特征的加工路线之后，对所有加工步骤进行全局优化， 对于加工特征众多的复杂零件来说，特征之间的约束数量多，类型复杂，并 且存在许多矛盾，采用传统的方式方法面临着很多的困难以及阻力。因此选 择一种工艺路线决策算法基于工艺约束的遗传算法。这种基于遗传算法 的决策方法与传统方法的思路截然不同，利用全局搜索策略，而不是分阶段 剑成的方法，寻找合理的工艺路线，并且对工艺路线优化。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m g a ) 是近几年发展起来的一种崭新的全局 优化算法，它借羯了生物遗传学的观点，通过自然选择、遗传、变异等作用 机制，实现各个个体的适应性的提高。这一点体现了自然界中“物竞天择、 适者生存 的进化过程瞄1 。 1 4 本文的章节安排和组织结构 ， 第一章为绪论，讨论课题的来源、研究背景和意义，介绍本文的主要工 作和论文的总体安排。 第二章介绍a p 2 3 8 文件生成的过程，主要阐述了加工工艺路径规划在 a p 2 3 8 文件生成过程中的重要性，并给出了系统的功能框图，首先分析了零 件的特征描述，以及特征之间的相互约束关系。然后分析了零件加工所需的 资源构成，并对加工资源建模。展后给出了工艺路径规划基本流程图，简单 介绍将要采取的方法。 第三章给出常用加工表面的加工方案图，把图结构的原理应用于零件特 征加工方法选择上。把方案图改写成相应的邻接表表达形式，对其进行遍历， 有关信息存储。褥运用广度优先搜索算法，通过获取的加工起始点和终结点， 6 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 得出某一加工表面的所有可行加工路线，从中选出最优。 第四章研究基于遗传算法的工艺路线的生成，首先对遗传算法进行概述， 以及应用在王艺路线生成孛的优势。秀按照遗传算法的一般规律，进行基因 编码、初始种群、通过目标函数获取适应度函数、遗传操作，最后获得最优 或者近似最优工艺加工路线。 第五章给出一个完整的基于遗传算法的工艺路线规划的例子，来对整个 论文研究工作进行验证，并对试验结果进行分析和讨论。 最后对全文进行了总结，并展望了下一步研究工作。 7 啥尔滨工程犬学硕士学位论文 第2 章加工工艺规划 本章首先分析了a p 2 3 8 文件的生成过程，以及本文的研究重点工 艺规划，给出系统功能框图，确定零件特征之间的关系，用a o s 树来表示形 状特征之间的关系，再就是对加工该零件所需要的加工资源建模。最后给出 了工艺规划流程图。 2 1a p - 2 3 8 文件的生成及系统框架设计 s t e p 标准包含有很多应用揍议，与产品的设计和制造相关的主要有 a p 2 0 3 、a p 2 1 4 、船2 1 9 和a p 2 2 4 等，它们分别定义有关产品的几何、特 征、工艺规划、加工制造等数据模型。这些应用协议都遵循s t e p 标准，彼 此之间相互独立，但又有紧密的关联。a p 2 3 8 与其它的s t e p 应用协议是完 全集成的，这表示可用相同的代码和系统处理a p 2 3 8 和其它应用协议所共 同的信息。a p - 2 3 8 与a p 2 0 3 和a p 2 1 4 中的几何信息具有相同的定义。 a p 2 3 8 文件中的几何公差与标注信息与a p 2 1 9 和a p 2 0 3 具有相同的定义。 a p 2 3 8 中的零佟特征与a p 2 2 4 中的相副蝴。 a p 2 3 8 因为要与其它的应用势议完全一致，使用集成瓷源，生成a p 一2 3 8 文件的过程就是将几何、特征和工艺信息按i s 0 1 0 3 0 3p a r t 2 1 的格式进行映射 的过程，过程如图2 1 所示。 本课题所要研究的内容是零件的工艺规划，工艺规划主要包括零件加工 特征的加工方法确定，机床、刀具、夹具等制造资源的选择，加工参数的确 定，以及工艺路线的优化渊。本文主要针对零件加工特征的加工方法确定和 工艺路线优化这两方面对工艺规划系统进行深入研究。整个系统功能结构如 图2 。2 所示。 8 哈尔滨1 j 程大学硕十学位论文 图2 1a p - 2 3 8 文件生成框图 本系统采用人机交互方式进行操作，首先输入零件几何特征信息，包括 特征的类型、加工粗糙度等一些信息，从特征加工方法库中选取所有可行加 工方法组成该特征加工方法集，根据实际情况作如判断，选择合适的加工方 法。待零件所有特征的加工方法产生之后，初始一条加工路线，囊括加工该 零件的所有加工步骤，再根据具体的生产环境，选择合适的加工资源( 主要有 机床、刀具、夹具等，再有一些工艺参数确定) ，进行工艺路线优化，最后输 出零件的加工工艺路线。特征加工方法选择和工艺路线优化将在以后章节里 详细介缨。 几何特征信息的来源是a p 2 0 3 文件信息转换为s t e p 设计对象和c + + 类，按a p 2 0 3 数据模型的几何信息属性的层次结构，逐次提取几何信息。 而a p 2 0 3 中的几何数据并不能直接用予工艺设计，因为这种数据表示方法 缺少制造意义上的高层几何实体。a p 2 3 8 文件是面向特征的，加工特征是其 重要的组成部分。因此要建立零件的a p 2 3 8 文件就必须进行特征识别，丽 把零件转换成特征描述是进行工艺规划研究的重要前提。 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 人 橇 交 互 界 面 几何特征信息输入 生成加工方法集 如王方法选择 有特征完成? 初始r 艺路线 辩 赢司| 崾 工艺熬线输出 图2 2 系统功能缝擒翻 2 2 零件的特征描述 在进行工艺规划时，需要对零件特征的质量要求和零件特征闻的约束关 系进行考虑，零件可行的加工方案就是没有违反这些约束的加工方案，反之 则不可行。对形状和精度的要求也可以抽象成约束，在设计可行性加工方案 时必须考虑这些约束。 2 2 1 特征的概念 特征的概念是在7 0 年代末提出，但迄今为止，对特征仍未有一个严格而 完整的定义。比较一致的意见认为特征是具有属性，与设计、制造活动有关， 并含有工程意义的基本几何实体或信息的集合。这个定义既强调了特征具有 几何形状、精度、材料、技术特点和管理等属性，同时也强调了特征是与设 计活动和制造方法有关的几何实体，因而是面向设计和制造的，而且定义还 强调了特征应是包含王程意义的信息啪1 。 在不同的生产部门和应用领域，就有不同的特征抽象和分类方法。对于 机械产品零件，如图2 3 所示，通常可将特征分为五大类p q 。 1 0 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 图2 3 特征鹩基本分类 1 ) 管理类特征：和零件管理相关的信息，主要包括标题栏里的信息，如 零件名、图号、设计臼期、设计者等，其他有零件材料、未注粗糙度等信息。 技术类特征：描述零件技术要求以及性能等的信息集合。 3 _ ) 形状特征：接述零件几何形状和尺寸相关的信息，主要包括功能形状、 加工工艺形状、装配辅助形状等。 4 ) 精度特征：描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息，包括公差 和表面粗糙度等。 5 ) 材料热处理特征：与零件材料和热处理有关的信息，如热处理方式、 硬度值等。 上述特征中，形状特征是描述零件或产品的最重要的特征，它又可分为 主特征和辅特征，前者用来描述构造物体的基本几何形状，或者是对物体进 行表示的特征。主特征和辅特征还可进一步细分。详见图2 。4 。 形状特征包含的信息比较多，特征间的关系也较为复杂，形状特征间的 相互约束关系主要遵循以下原则： n 先基准后其他原则：这是确定特征加工顺序的一个重要原燹| j ，用作精 基准的表面应该优先加工出来，为其他特征提供可靠的基准表面。 2 ) 先主后辅原则；根据相邻特征间的位置和表达，在先主后辅的约束条 件下进行加工。 3 ) 不破坏原则：焉加工的特征不应破坏先前加工的特征所产生的属性。 比如，螺纹必须在倒角之后加工。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 形状特征 主特征辅特征 麓萋主特征| 宏誊挚征 i| 麓荤辘特征l 复潮特征| 组合特征 霆 柱 体 闽罔冈圈闰日圈国网图阌吲睦 枣 心 孔 2 2 2 特征约束实例 图2 5 所示轴类零件有9 个特征，根据特征的几何尺寸、公差和精度要 求，在理想的加工环境下，可以得到该零件的加工方法。加工方法相同的特 征可以归纳为：车一珊，五，办，矗，向南助，铣醐捞，钻d ( 彩。如果 不加任何约束条件，可以有6 种特征加工顺序： 五端 圈2 。5 实例零件 1 堪l 。 h | s 。 吣 7 ， s 9 。 l o ， 1 小，m o c 3 ) ，d 毽西 1 键l ， 2 ， s ， 的 7 ， 9 ，5 0 , 1 1 ) ，o f f , ) ，釜娃毽女 m ( f 3 ) ，1 u l ，1 2 ，： 5 ，f 6 ，1 7 ，1 8 ，釉，1 1 0 ，f l o ，d u a m ( f 3 ) ，d 办，t 愆l ，f 2 ，： 奠 氐1 7 ，氧，f 9 ，h o ，氧砖 d u a ，m i 如，t 毽l ，赴，f 5 ，| 如勤，f 8 ，如，f l o ，1 1 ) d 是，t l ，住，： 5 ，l 各，如，蠹，如， l o ，| l o ，m 堪史 1 2 哙尔滨丁程大学硕士学位论文 僵这些加工方法排序并不都合理，合理的加工方法排序必须首先满足特 征之间的约束原则。根据上述约束原则可得到零件特征之间的约束关系，如 表2 1 所示。其中，1 表示特征2 必须在特征1 加工完之后加工。 表2 1 特征间的约束关系 约束分类 零件特征之间的约束 定位约束 r 1 2 ， 7 - 1 6 ， r _ l s ，| 7 - 1 8 。| r _ n 依赖性约束 | ：| 3 ，| 广1 4 | 长| s ， i 1 9 ，| z 1 0 。 一n 不破坏性约束 一3 按零俘特征之闻的约束关系，可去掉不符合要求的加工方法排序( 6 种特 征加工顺序) 的后4 种。 2 2 3 用a o s 树表示特征间的约束关系 由于工艺规划的复杂多变性，使得设计结果与设计方法之间不再是线性 的关系。为了全面地描述特征的加工顺序，弓| 入了a o s 树结构。 a o s 树是指具有“与 、“或、“顺序关系节点的树结构。a o s 树结构 包括两类节点：数据节点，指特征加工法，用p ( p r o c e s s i n g ) 表示；关系节点， 用于表示数据节点之阉的关系，共有三种：a ( a n d ) 节点；0 ( o r ) 节点； s ( s e q u e n c e ) 节点。 在a o s 树中，3 种关系节点表示3 种基本关系。 ( 1 ) “与”( a n d ) 关系( a 节点) ：一系列数据节点的关系是并列的，所有 的数据节点在构成工艺规程时都要使用，但它们可以以任意次序出现。 ( 2 ) “顺序群( s e q u e n c e ) 关系( s 节点) ：一系列数据节点按规定顺序执行。 ( 3 ) “或”( o f ) 关系( o 节点) ：“或”关系包含两类，一类是数据节点相 互排斥的，在工艺生成过程中，只能选择其中之一；另一类选择可以为空。 根据零件特征之间的约束关系，把图2 。3 所示用a o s 树表示出来，如图 2 6 所示。可以根据不同的工艺要求选择适合实际情况的加工工艺，满足工艺 规程的非线性要求降l 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6 基于约柬的特征a o s 树 2 3 零件的加工资源 加工资源是工艺规划系统的重要支撑部分，任何一个零件的工艺规划都 是在具体的加工环境下给出的，而且工艺评价和优化必须在一定的加工资源 的约束下才能起到正确的指导作用，为了提高工艺评价和优化的运作效率， 需要对加工资源进行合理建模和管理。 2 。3 。 加工姿源的构成 加工资源包含了加工过程中所要求的所有工艺信息( 如加工方法、余量、 切削闵量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多 方面的信息) 和规则( 包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等众多内容，如加 工方法选择规则、排序规则等) 。 如果按照性质相似性进行划分，资源对象可以分为制造设备、材料、工 艺知识、工艺参数等四个资源子块，如图2 7 所示。但这种划分并不是唯一 的，可| 以根据实际情况而进行改变。 2 。3 2 加工资源建模 如图2 7 所示的树状工艺资源结构模型易于用计算机控件实现，j a v a ， v c + + 对此均有很好的支持。而且更重要的是这种树状模型很容易用u m l 进 彳亍建模，用u m l 资源模型可以清楚的表达资源对象的属性和对象间的层次 关系。 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 7 加工资源树状结构模型 上述几种资源子块划分是依据加工资源的属性，加工资源属性包括静态 属性和动态属性两部分。不同资源对象的属性有很大区别，对此要认真分析， 属性抽取既要完整，也要能扩展。如普通数控机床的静态属性包括：车床的 标识、名称、型号、描述、制造商、各种技术参数( 如加工类型、各种部件的 转速和行程等) ；动态属性则包括：所属车间、工作状态、负荷、可用性等。 在u m l 建模的过程中，资源类的获取是一个人为的剖造过程，因此必 须与工艺领域专家合作，对资源进行仔细地分析，抽象出其中的概念，定义 其含义及相互关系，分析出系统类，并用工艺领域中的相关术语为类命名。 最后创建出加工资源模型，如图2 8 所示。 图2 8 基予u m l 的加工资源模型 哈尔演工程大学硕士学位论文 由图2 8 可以看出，加工资源是进行工艺设计所需要的重要前提，加工 资源主要包括工艺知识、材料、工艺参数、制造设备等这四个方面。 工艺知识主要包括的内容有加工方法选择知识、加工余量选择知识、切 削余量选择知识等：材料指的是生产某一个零件所需要的加工材料，如钢、 铝等；工艺参数指的是加工某一零件特征所做的加工要求，如精度、同轴度 等；制造设备主要指的是机床设备( 包括普通机床和数控机床) 和工艺装备( 包 括刀具、夹具、量具等) 。如前面所说，所有这些资源都不是一成不变的，根 据具体的情况会有不同程度的增减，在资源信息的u m l 模型中我们可以很 方便的做到这一点。例如要在资源库里新增一个数控铣床，就可以从数控机 床中派生出一个子类，添加一些信息和操作，就能很方便的把需要新增的数 控铣床在资源模型库里表示出来，以方便以后的应用。工艺的设计过程如图 2 9 所示。 选 择 加 工 凝 藤 刃|l 夹 其| 具 决i1 决 镱li 策 图2 9 工艺设计过程 合理组织和管理加工资源信息，便于使用、扩充和维护，使之适用于工 艺优化过程中的评价。加工资源具备以下特点： ( 重) 可配雹性：加工资源种类多样，数据量大，并且不同企业往往有不 同的生产类型和产品类型，其加工环境也不一样，导致加工资源类型也不尽 1 6 哈尔滨工程人学硕士学位论文 相同，必须满足能根据各自的物理资源和习惯来配置。 ( 2 ) 可扩展性：加工资源特别是制造设备( 如机床设备) 会随着时间的推 移也会有很多新的设备出现，企业会增添新设备，淘汰l 褥设备，这些扩展的 工艺资源信息必须能动态的反映。 ( 3 ) 可集成性：对予一个制造企业，可能涉及到许多翻造单元( 如分厂或 车间) ，不可能采用所有资源，而是采用各个制造单元建立本地资源库，再集 成一个统一的工艺数据库，这样一来，可以实时反映制造单元的工艺资源( 特 别是制造设备) 的状况，又保证了资源在企业级层次的完整性。 ( 4 ) 可重构性：可重构性不同于集成性，它是在企业级的动态重组，不 仅局限于企业网，而且扩充到i n t e m e t 的范围，必须支持企业间基于异构环 境的资源共享p 。 2 4 工艺规划 2 4 。 工艺规划流程 从以上分析，了解零件的加工特征组成，及特征间的约束关系，并且对 加工资源进行了建模。在信息集成酶基础上，产瑟制造工艺的制订应随时地、 充分地考虑具体生产企业的制造环境、作业调度、车间控制等与制造有关的 过程及其变动，使整个制造过程达到最优化。工艺规划流程图如蜜2 。l o 所示。 c a d 平台 征丽工l j 啊：仳i h j i ? 法戆 系 淼h 至亟 屯亘堕卜痤至亟 结柬 生舡艺燃h 磊砬艺路线h 缫 机床、刀具 这强 固吲吲登 图2 1 0 工艺规划流程圈 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 。4 。2 工艺规划具体步骤 在进行工艺规划前，首先要做的是提取零件所包含的信息，即零件的特 征，包括几何形状、精度、材料、技术特点和管理等属性等，其中又以几何 形状特征为描述零件的最主要特征。 在c a d 软件( p r o e 、u g 等) 中把零件以a p 2 0 3 格式文件导出，髯在 s t - d e v e l o p e r l 0 0 的环境下，使用r o s e 库函数，按a p 2 0 3 数据模型的几何 信息属性的层次结构，逐次提取几何信惠。首先通过r o s e 接翻把a p 2 0 3 文件中的所有实体信息读入系统。然后，对一个确定实体，通过一个遍历函 数和r o s e 功能扩展类从系统中读取自己的属性值。如果该属性本身又是另 一个实体，其自身还包括属性，则就要再一次进行信息的提取和遍历。当该 实体的属性及其子实体的属性全部创建完成后，才完成该实体数据的全部提 取过程。 几何信息提取之后就要进行特征识别，到目前为止虽然特征识别方法的 种类已经很多，但它们从整体上可以分为两大类，一类是基于边界匹配的特 征识别方法，这种方法是出现最早的特征识别方法，通过识别零件的边界， 来匹配预定义的特征。一类是基于体分解的特征识别方法，特征除了具有特 定的边界模式外，还具有特定的体积模式，因此人们便很自然地研究直接识 别体特征的方法，即所谓基于体分解的特征识别算法。 识别出来的零件形状特征是一个个单独的个体，但实际上特制之间是存 在约束关系的，在这里采用前面介绍的a o s 树结构对零件形状特征之间的关 系进行描述，通过“与 、“或、“顺序三种关系节点抽象出零件形状特征 之间的联系。 接下来就是确定各特征表露的加工方法，加王方法选择可苏看成是组成 零件的各个表面要素的加工序列的选择。是先将各种表面加工方法按一定的 格式存入数据库，系统运行时根据零件各表面元素的最终要求，在工艺数据 库中随接查出各表面的加工方法。加工方法的选择是本文研究的一个重点， 在这里主要是把特征表面加工方案图抽象成一种数据结构图，再利用图 所特有的方式把图中信息存入数据库中，以备选取，并且选取的不是一种加 工方法，而是一系列加- 1 方法集合。具体实现过程将在第3 章详细介绍。 1 8 哈尔滨n t 程大学硕士学位论文 加工方法选定之后，就可以进行工艺规