基于模板的数控工艺决策技术研究*

□李涛 □许建新 □董思洋

西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 西安 710072

飞机结构件的类型相似度高，虽然只有框、梁、肋、壁板等有限的几种类型，但它们都有非常复杂的结构形状，这种情况造成了飞机结构件的工艺设计比较繁琐，因此工艺员在进行工艺设计时很容易在工艺参数、刀具图号、机床型号、工装夹具、切削参数选择以及数控编程等方面出现各种细节纰漏，导致数控加工时零件加工质量不易控制，甚至发生重大生产事故，浪费宝贵的生产时间和零件材料。因此，在对相似零件总结的基础上，规范实现相似零件工艺设计流程是非常有必要的［1］。

国内经过多年对工艺自动决策系统的研究，建立了一些理论，同时也提出了几种工艺决策系统模型：①基于分级制的决策系统［2］；②基于模糊决策理论的工艺决策［3］；③基于遗传算法的工艺决策［4］。基于分级制的决策系统模型，是将复杂的工艺问题分成若干个子问题，如果子问题仍然复杂，再将子问题分成更小，一直到分成的单个子问题可简单独立解决，然后从各个子问题出发，解决复杂的工艺设计问题。该方法虽然将复杂问题简单化，但忽视了各个子问题的联系，没有很好处理它们之间的关系。基于模糊决策理论和基于遗传算法的工艺决策是将系统建立在复杂的数学模型之上，通过创成式算法生成零件的加工工艺信息，但由于工艺规划的多样性、主观性等不确定因素的存在，大大降低了这种决策系统的实用性［5］。

在充分总结前人的宝贵经验、存优补拙的基础上，建立了以零件族为对象的典型工艺模板的信息模型，将飞机结构件的基本工艺信息以静态结构化信息的形式表示；然后总结了工艺知识的获取和处理，将与零件特征相关的动态工艺信息加以规则约束；最后以此为工艺自动决策依据，建立了基于典型工艺模板的工艺自动决策系统模型。

1 数控工艺决策业务过程

通过分析飞机结构件工艺设计过程，建立基于典型工艺模板的数控工艺决策系统模型。如图1所示，实现了基于工艺模板的快速设计，包括工艺路线、工序设计、工步设计及制造资源、切削参数的选用等，形成完整详细的工艺指令，并实现与CAM系统、仿真系统的信息集成和产品工程更改的自动识别与反馈。

基于典型工艺模板的工艺决策系统（记为TPS）由诸多模块组成，包括：获取零件特征信息GPFI、典型工艺模板管理TPTM、工艺决策PD和工艺信息输出PIO，可表示为：TPS=｛GPFI，TPTM，PD，PIO｝。

▲图1 工艺自动决策流程图

（1）获取零件信息GPFI模块。从三维模型软件中提取零件的主要信息，包括零件基本信息（零件图号、关重属性、材料属性等）、特征信息（槽特征、孔特征、筋特征、面特征、工艺凸台、轮廓特征等）和特种技术要求信息（热表处理、特种加工、喷丸强化），然后形成零件特征信息文件（XML），传递给工艺决策PD。

（2）典型工艺模板管理TPTM模块。建立以零件特征、工艺加工为基础的工艺信息模型，并对其进行浏览、编辑；依据工艺信息模型建立典型工艺，然后对典型工艺中加工零件的可变信息加以规则约束，包括典型工艺约束、典型工序约束和典型工步约束，并实现对典型工艺模板的浏览、编辑功能，为工艺决策PD模块提供决策依据。

（3）工艺决策PD模块。根据获取零件信息GPFI模块提供的零件特征信息筛选典型工艺模板；然后以零件特征为主线，以典型工艺模板为依托进行工艺决策；最后对自动决策出的工艺信息进行导航式修订，生成工艺信息（FO和程编说明书）。其中FO（Fabrication Order）是生产单位用于规定零组件完整的制造流程、指导工人操作和填写质量记录的零组件专用工艺指令文件。

（4）工艺信息输出PIO模块。对工艺决策PD输出的工艺信息进行分类整理并将其转换，生成工艺信息文件（XML），传递给CAM生成刀轨路线和转化为NC程序，并实现从CAM获取反馈的工艺信息，进行重新的编辑完善。

2 典型工艺模板设计

2.1 典型工艺模板中的工艺信息模型

典型工艺是一种特殊工艺对象，采用工艺信息模型描述：飞机结构件的典型工艺包含典型的工艺基本信息、典型工序信息等，表示形式为：

式中：Processt为典型工艺模板，Basic_Infot为典型工艺的基本信息；∑Operti为工序集合。

式中：Opert为典型工序；toolt为该工序刀具；fixturet为夹具；∑Steptj为工步集合。

根据面向对象方法，对工艺信息建模就是采用面向对象方法分析描述工艺决策过程中的实体结构、对象之间的关系及对象的操作，形成能够正确反映工艺设计过程的对象模型，例如产品零件、工艺、工序、设备、工步、加工元等对象。

工艺对象之间的关系一般可分为一对一（1∶1）、一对多（1∶n）和多对多（m∶n）关系。为了便于计算机实现和建模，引入中间对象类，把m:n关系引入中间对象简化为1∶1或1∶n的关系。

一个工艺对象具有若干个结构特性，即工艺对象属性。例如，对于车床，可以用型号、名称、最大加工直径和最大加工长度等属性来描述其结构特性，一般来说，属性的值型为整型（int）、浮点型（float）、字符串型（string）等。为了描述对象关系，建模过程中引入了对象型（object）和对象表型（objlist）等数值类型。对象型（object）描述对象类之间的1∶1关系，如工序与机床的关系。对象表型（objlist）描述对象类之间的1∶n关系，如工序与工步的关系。

2.2 融合规则的典型工艺表示

典型工艺模板的建模方式是：以典型工艺对象及其子对象表示族零件加工工艺的不变信息，以规则方式表示工艺决策知识，并与典型工艺对象相结合对具体零件中加工工艺可变信息进行约束。其中可变信息是由零件具体特征决定的，包括与零件特征相关的加工方法、设备规格、工步、刀具规格、加工模式和切削参数等工艺信息。规则是以嵌入的方式融合到以框架表示的典型工艺中的，具体来说是直接嵌入到典型工艺对象及其子对象典型工序、典型工步中，在具体工艺决策推理过程中，约束具体工艺、工序、工步及加工元等对象，因此把这种以框架来表示的、融合规则的典型工艺称为典型工艺模板。根据定义，可把典型工艺模板表示为：

式中：lProcessT为融合约束规则典型工艺模板；lOperT为融合约束规则的典型工序；lStepT为融合约束规则的典型工步；∑RuleP、∑RuleO、∑RuleS分别为典型工艺、典型工序、典型工步对象的约束规则集合。

相对典型工艺结构，典型工艺模板中的典型工艺、典型工序和典型工步对象中，增加对象对应的约束规则，对其下的子对象进行约束，构成了典型工艺模板的模型结构，如图2所示。典型工艺规则∑RuleP约束工艺基本信息和工艺路线（工序的具体安排）；典型工序规则∑RuleO约束工序内容（主要包括机床和夹具的选择）与工步顺序安排；典型工步规则∑RuleS约束工步内容（主要包括刀具和量具选择）与加工元的生成、排序和详细设计等内容。

为了便于描述工艺决策过程，在典型工艺模板中，每个子对象，如典型工序、典型工步等，都称为融合约束规则的典型对象，并以对象属性值集合和规则集合的二元组形式表示为：

式中：lObjectT为融合约束规则的典型对象；∑Rule为规则集合；∑Attr Vfixed为确定对象属性值集合。

▲图2 典型工艺模板模型

针对飞机结构件的数控工艺，一般典型工艺模板的约束规则主要分为工艺约束规则、工序约束规则和工步约束规则。工艺约束规则约束工艺基本信息的取值，也约束特殊工序或辅助工序的安排。工序约束规则约束工序具体机床设备和夹具的选择。工步约束规则约束工步具体内容的生成，主要包括加工元生成、加工元排序、加工元赋值、切削参数选择和加工策略选择规则。约束规则是以产生式规则形式表示的。

以产生式规则约束零件特征的加工方法，并融合到典型工艺中，形成了“框架+产生式规则”的工艺知识表示形式，是进行自动工艺决策的基础。在这种将规则嵌入到典型工艺中的工艺知识表示方法中，由于每个典型工艺都有与之密切相关的一套独立的规则，规则的针对性很强，因此规则的总结、形成很容易，而且表示简捷，易于理解，维护方便，且不易产生冗余和冲突。

3 工艺决策

工艺决策过程主要有三个流程：首先根据零件的类别、材料类型、关重属性和装夹方案等信息匹配合适的典型工艺模板；然后根据典型工艺模板对零件特征进行工艺级、工序级和工步级自动决策；最后对自动决策的工艺信息进行导航式修订，编辑工序、工装信息、孔加工工步及特征加工，检查是否所有特征在工艺中得到加工，列出未加工特征，添入到工步中或增加工步，进一步完善决策出的工艺信息，提高决策效率。

3.1 选择典型工艺模板

从获取零件信息模块得到的零件信息主要有零件所属产品、零组件、零件的特种技术要求和零件的特征信息。首先，依据获取的零件信息建立工艺方案，确定材料定额和定位、装夹方案；然后，根据零件的各种属性信息匹配典型工艺模板，如果匹配到多个模板，则由用户进行筛选，如果没有匹配到工艺模板，则由用户修改筛选条件重新匹配；最后匹配成功，建立新的工艺节点，读入工艺模板信息，进行工艺决策。

3.2 自动化决策

▲图3 工艺自动决策过程

匹配好适合的典型工艺模板后，读入工艺模板信息，进行工序级循环决策。首先，读取工艺模板的工序链表，进行循环判断，如果是一般工序，则将工艺模板中的工序内容复制到新的工艺信息中，如果是数控加工工序，则筛选机床信息并进入到工步循环决策中；在工步循环中，要判断零件的特征链表是否符合该工步下的规则约束，筛选匹配的零件特征，创建针对特征的加工元对象；最后完成工序、工步级循环决策，生成决策后的工艺规程信息。具体流程如图3所示，图中，K表示工序循环变量，初始值为0，每次循环K数值加1，直到循环结束，K值表示循环次数;同理J表示工步循环变量，F表示零件特征循环变量，R表示约束规则循环变量。

3.3 导航式修订

工艺信息决策完成后，可以对其进行导航式修订，编辑工序信息，填写工序图信息，交互式输入工装信息，并显示工步信息交互式编辑，对工步下的刀具参数、切削参数、特征加工顺序等进行编辑和重新单步决策。

4 实例说明

飞机结构件的形状复杂、型腔多、壁板薄，造成了其加工方式多样，工艺现场更改频繁。基于手动编制的工艺设计规程因工艺员的细小纰漏会造成工艺设计质量的不可控性，降低了零件加工的精度水平和加工效率。使用标准化的典型工艺模板，对飞机结构件进行自动工艺决策可以有效解决这些问题。本文以某飞机制造单位实际应用为例，验证了以融合规则的典型工艺模板为基础的工艺自动决策系统的可行性和有效性，典型工艺模板定义如图4所示。

▲图4 典型工艺模板定义

5 总结

本文针对飞机结构件的工艺特点，结合工艺自动决策系统的需要，设计了融合规则的典型工艺模板，详述了典型工艺模板中建立典型工艺所依据的数控工艺的结构化信息模型、典型工艺模板的结构以及与规则的融合方式，以及基于典型工艺模板的工艺自动决策的流程，并以某飞机制造企业应用的工艺自动决策系统为例，展示了基于典型工艺模板的工艺自动决策对提高飞机结构件加工质量和精度的重要作用。

［1］许建新，孔宪光，贾晓亮，等.飞机结构件集成化智能化CAPP技术［J］.计算机辅助设计与制造，2001（5）：53-55.

［2］蔡力钢，李培根，姚素琴.基于分级规则的工艺决策人物分解与策略［J］.华中理工大学学报，1998，11（11）：62-65.

［3］马建辉，杨铁牛.基于模糊推理的CAPP系统研究［J］.机械设计与制造，2002,6（3）：19-20.

［4］孙进平，昊瑞明，翟瑞红，等.基于遗传算法的工艺决策模式的搜索［J］.现代制造工程，2002（1）：24-25.

［5］盛步云，尹术海，付杰勤.基于特征／零件族的工艺决策系统研究［J］.成组技术与生产现代化，2004（4）:16-19.

［6］张厚道，许建新，孙树栋，等.飞机制造技术的MBOM实现技术［J］.CAD/CAM与制造业信息化，2007（6）：22-24.

［7］许建新，邹明政，孔宪光，等.现代CAPP技术及其发展研究［J］.制造业自动化，2004（9）：48-52.

［8］许建新，孔宪光.知识基综合智能化工艺设计技术研究［J］.西北工业大学学报，2002（1）：131-136.

［9］董思洋，许建新，熊青春.飞机结构件数字化数控工艺技术研究［J］.机械制造，2009（6）:51-55.

［10］郭晶，张振明，田锡天，等.基于知识的热处理工艺设计技术［J］.制造业自动化，2012（12）:34-37.

［11］李宁，田锡天，黄利江.飞机结构件槽特征加工路径优化算法研究［J］.机械科学与技术，2008（10）:1253-1256.

［12］梁振刚，陈学朋.基于CATIA的飞机结构件参数化设计［J］.成组技术与生产现代化，2012（2）:55-57.

［13］李文杰.飞机结构件数控加工典型工艺及切削参数研究［J］.制造业自动化，2012（2）:139-141.

［14］袁青，李迎光，王伟，等.基于遗传算法的飞机结构件加工特征排序［J］.机械科学与技术，2011（1）:86-91.