转向架构架快速工艺设计系统研究与开发*

杨欣雨，马术文，丁国富，穆俊强，付玉龙

(西南交通大学 机械工程学院，成都 610031)

转向架构架快速工艺设计系统研究与开发*

杨欣雨，马术文，丁国富，穆俊强，付玉龙

(西南交通大学 机械工程学院，成都 610031)

在对零件特征分解、加工特征与工艺信息映射、特征参数传递技术研究的基础上，结合变异设计和工艺模板的思想提出一种基于特征的工艺文件快速设计方法。以设计特征和工艺特征作为产品进行工艺设计的基本单元，并作为工艺设计相似性的评判依据，快速工艺设计系统调用相似性极高的零件的工艺模板进行变异设计，以生成新的零件的工艺文件。文章以某高速列车转向架构架为对象，开发了一套快速工艺设计及文件生成系统，该系统能够有效提高构架的加工工艺设计效率，缩短工艺编制时间，改善工艺文件的设计质量。

工艺特征；工艺文件生成；变异设计；工艺模板

0 引言

工艺文件是连接产品设计和制造的纽带，工艺文件的编制是一项较为复杂的工作，严重依赖于工艺设计人员的个人经验，导致目前工艺文件难以统一规范，文件编制效率低下等问题，直接影响到产品质量和生产成本，从而对企业的生产效益造成影响[1]。高速列车谱系化技术要求定制个性化的、能够满足各种工况要求的高速列车，需要工艺设计系统做出快速响应，快速编制工艺文件，适应产品快速研发的要求。

目前，在CAPP(Computer Aided Process Planning,计算机辅助工艺过程设计)系统理论相关研究中，孙朝阳阐述了基于产品的CAPP的内涵、功能和信息模型等，为实施CAPP系统提供了理论方法[2]。朱志明提出CAPP系统研发中强调人机交互的方法，兼顾专业化和通用化，柔性和集成性并重的思想原则[3]。以上的研究仅停留在理论分析阶段，阐述了一些指导方法，没有将其运用到实际工程中。樊伟[4]和任绍川[5]开发了轴类零件的创成式CAPP系统，但零件加工工艺设计的创成式方法不适用于工艺复杂且重用率高的列车转向架。GuoweiLan[6]和王飞飞[7]采用典型工艺重用的思想研发CAPP系统，着重针对工艺模板的使用进行了研究，没有深入研究信息传递的机制，未能很好的实现设计与工艺的连接。Jiangtao Cui[8]和徐鸿翔[9]分别对Solid Edge和EXCEL进行二次开发得到CAPP系统，开发的CAPP系统严重依赖于第三方软件，使用过程中具有一定的局限性。

结合上述理论和实际应用的研究成果，以工艺特征为基础，建立工艺特征信息模型，研究设计特征与工艺特征之间参数传递的方法以及特征与工艺信息的映射技术，在相似性匹配的基础上调用工艺模版快速生成工艺文件，从而提高工艺文件编制的效率和质量。

1 快速工艺设计系统体系结构

转向架是高速列车研发过程中的核心和关键部件，由构架、牵引装置、制动装置、减震装置等零部件组装而成。构架作为整个转向架的基础件，对高速列车的性能产生重要的影响，研发过程中需要设计构架焊接后的机械加工工艺文件。相同谱系的转向架构架的结构和工艺具有一定的相似性，相似的构架其工艺规程也具有一定的相似性。在加工特征工艺相似性评判的基础上，采用设计重用的方法，利用现有的工艺模板或者实例，通过对模板或实例工艺规程进行编辑和修改，生成新的工艺文件，达到快速设计新零件工艺的目的。在工艺文件设计过程中利用特征与工序的关联及特征与工艺参数的信息传递，可以进一步提高工艺文件的设计效率。

系统采用客户机/服务器(C/S)结构，数据的存储管理均采用SQL Server 2005数据库系统，选取面向对象的、运行于NET Framework1.1之上的编程语言C#为系统开发语言。研发的快速工艺设计系统体系结构如图1所示。系统主要包括以下五个功能模块：系统数据管理模块、工艺数据库管理模块、工艺文件管理模块、工艺快速设计模块、工艺文件生成模块。

图1 快速工艺文件设计系统体系结构

2 零件信息描述与管理

2.1 工艺数据管理

利用工艺文件的相似性进行工艺的快速设计和文件的快速生成，需要大量的工艺数据支持。工艺数据管理模块一方面存储、管理和维护工艺数据库，另一方面通过工艺数据库和各功能模块之间的接口，实现各功能模块对工艺数据库的调用。

在深入分析某轨道客车股份有限公司的系列型号转向架构架加工工艺的基础上，设计了快速工艺文件生成系统的工艺数据库，工艺数据库由四个方面的数据构成：①工艺资源库，包括工艺设计需要的设备、工装、以及基础工艺参数等数据；②工艺文件模板库，存储工艺设计需要的标准工艺模板；③特征数据库，存储构架的各级标准化的设计特征及加工特征；④标准工艺库，存储和加工特征对应的标准工序和工步，以及标准的构架工艺路线和工艺规程。

2.2 特征信息模型分析

零件可以分解为特征，从设计的角度，零件的设计特征应该包含零件的几何形状和拓扑关系等设计信息；从工艺的角度，零件的加工特征所包含的信息就要丰富得多，除了必要的几何信息外，还包含加工方法、加工尺寸、加工精度、表面粗糙度以及材料、工装等工艺信息。相似的零件可以具有相同或相似的特征，可以共享加工特征信息，这是工艺文件快速设计的基础。

实现工艺重用首先要提取总结出零件中的特征。将零件中具有独立工艺意义的区域定义为工艺特征。对于大型复杂零件按结构将零件进行设计特征分解，形成设计特征树。如同构架是经过焊接形成的一个复杂零件，将构架作为根部件，按结构分解为一级子部件或零件，逐级分解，直到零件不可再分为止，形成设计特征树。对需要加工的设计特征从加工的角度进行组合并附加加工信息，形成加工特征，在本系统中，加工特征附着在末端相应的设计特征上，形成加工特征树。设计特征的分解与工艺特征的附着如图2所示。

图2 设计特征的分解与工艺特征的附着

2.3 特征与工艺信息的映射

在工艺过程中，需要在设计特征和加工特征之间、加工特征与标准工序工步之间建立关联对应以实现设计参数到工艺参数之间的数据传递。首先建立设计特征和加工特征之间的对应映射关系，然后将标准工序工步固化在相关的加工特征上，标准工序工步中包含了具体的操作说明、工艺资源以及对应的图片等信息。因此在对新零件设计特征树的编辑中，添加标准设计特征，加工特征树也相应改变，同时在生成工艺规程时会自动生成工序工步信息，删除设计特征则与之对应的工序工步信息也将删去。如图3所示，建立特征与工艺信息的对应关系，必须以加工特征树和工艺规程树为基础。加工特征树显示了零件与特征之间的从属关系，但并没有规定先后顺序，是无序的；而工艺规程树则必须遵循加工路线中工序工步的先后顺序，是有序的。由于一个加工特征可以由多个工序工步来完成，但一个工步只能针对一个确定的对象进行操作，故将加工特征与加工工步建立一对一或一对多的映射关系。

2.4 特征参数的传递

通过变异设计得出的零件结构往往相同或相似，因此特征种类大多是相同的，通常只是改变了特征的参数。将工艺数据参数化，即可实现设计参数与工艺参数间的传递[10]。将参数分为简单参数、计算参数、规则参数三种。对于简单的参数，可以在工艺规程中直接替换；对于需要计算的参数则套用模板中的公式计算得出工艺参数；对于复杂的带有工艺规则的参数种类，则需要套用模板中的规则进行推理得出工艺参数。特征参数的传递过程如图4所示，首先将设计参数进行分类，再根据各自的类型采用相应的数据处理方式，最后生成工艺参数替换原有工艺规程中的参数。在自动替换过程中以参数的名称作为匹配标识，必须保证设计参数的名称与工艺参数的名称保持一致。

图3 特征与工步对应图 图4 特征参数的传递

3 工艺的快速设计与文件生成

以特征作为相似性评判的标准，则首先应从产品设计中获取该车型构架的设计特征，通过检索设计特征库，匹配出相似车型的构架，调用工艺特征库的数据，生成该构架的加工工艺特征。这一操作将复杂的构架结构及其加工工艺迅速地转化为层次分明的结构特征树。将工艺特征作为输入，通过检索现有的标准工序库，匹配得出合适的工艺规程，直接复制该模板；如果没有匹配到相似的工艺规程，则需要采用交互式操作生成工艺路线。调取工艺路线中工序信息进行编辑修改，得出新零件的工艺规程。图5所示为快速工艺设计的思路。

图5 快速工艺文件设计思路

以由产品CRH380B变异设计得到的新产品CRH380X为例，来说明转向架构架CAPP系统设计并生成工艺文件的过程。

(1)首先建立一个新的项目数据X，以项目来管理不同构架的设计和工艺信息，使得信息保存完整且不易混淆，利于设计信息与工艺信息间的对应和传递，也方便操作人员进行查询。

(2)将该项目的加工特征作为输入，通过检索数据库，匹配计算得出相似度最高的几个候选模板。由操作人员决策选出需要的产品模板进行复制，将其加工特征树和加工工艺规程树的全部数据拷贝到新项目X下。

(3)对加工特征树上的设计特征和加工特征进行删除、增加、修改，包括特征名称、特征参数、特征图片的改变，生成新项目X构架的加工特征树，如图6所示。加工特征树简洁明了的显示了该构架的设计特征和加工特征组成，由于特征与工艺信息间有映射关系，对特征点的操作可以自动形成工艺块的响应，极大地简化了操作过程。

图6 加工特征树编辑

(4)修改过的加工特征对应的工艺工步信息在工艺规程树中更新，自动生成新项目X的初步工艺规程树。对初步工艺规程树中的工序工步内容进行适当调整，可以修改工序和工步名称、设备工装信息、加工参数、工步操作方法及图片，调整工序工步顺序，生成最终的工艺规程，如图7所示。这种保留整体框架调整局部内容的方式，避免了工艺人员重复性的编制工作。

图7 工艺规程树的编辑

(5)工艺规程树编辑完成后，系统调用工艺文件模板库，将工艺信息自动填入相应的标准格式的工艺文件中。预览生成加工工艺文件，检查无误可正式生成文件并打印。生成的工艺文件规范统一，提高了文件的质量。修改过的不同版本文件均储存在数据库中，便于追溯查询和调用。

4 结束语

以高速列车转向架构架加工工艺设计为对象，在已有高速列车快速结构设计系统的基础上，研究并开发了构架快速工艺设计及文件生成系统。由于高速列车转向架构架结构复杂，加工工艺繁复，零件信息量巨大，按照以往手工编制工艺规程的方法，工艺人员工作任务繁琐且容易出现失误。使用快速工艺设计及文件生成系统可以有效缩短生产准备周期，节省人力，提高工艺设计的质量和效率。

[1] 张学友,王中王,薛建彬.轴类零件实用CAPP系统研究与开发[J].组合机床与自动化加工技术,2010(8):89-91,96.

[2] 孙朝阳,高国安,吕民,等. 基于产品的CAPP的方法研究[J]. 计算机集成制造系统-CIMS,2004,10(4):437-441.

[3] 朱志明,张崇轲,陈丙森. 焊接结构件装焊CAPP系统的研究与开发[J]. 焊接学报,2001,22(4):87-92.

[4] 樊伟,王科社,高灿,等.滚珠丝杠BGS-CAPP系统的设计与开发[J].组合机床与自动化加工技术,2015(6):109-112.

[5] 任绍川,于靖华,吴蒙华. 基于参数和特征的轴类零件CAPP系统研究与实现[J]. 组合机床与自动化加工技术,2013(4):139-141,144.

[6] GuoweiLan，Yong Zhuo，Junfa Chen，HuixianZhan.Research on Aviation Aluminum Alloy Technology CAPP System Based on the Part Similarity[J].Applied Mechanics and Materials,2014, 536-537:1447-1451.

[7] 王飞飞. 基于3D的工艺变型设计的研究与实现[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[8] JiangtaoCui,GuoqiangShen.Research of CAPP system based on the solid edge[J].Advanced Materials Research,2013,765-767:167-170.

[9] 徐鸿翔,汤文成,倪中华,等.相控阵雷达快速工艺准备与优化系统关键技术研究[J]. 计算机集成制造系统,2008,14(9):1818-1824.

[10] 赵爱侠,张振明,田锡天,等. 基于典型工艺的航空发动机轴类零件工艺设计方法研究[J]. 中国制造业信息化,2007,36(5):42-46.

(编辑 李秀敏)

Research and Development of Rapid Process Design System for Bogie Frame

YANG Xin-yu, MA Shu-wen, DING Guo-fu, MU Jun-qiang, FU Yu-long

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

On the basis of studying the analysis of the part features, the mapping between feature and process information, and the transfer method of feature parameters, a rapid process design method based on feature is proposed with the idea of variant design and process template. Using design feature and process feature as the basic unit of the product and process design, regarding feature as similarity judgment standard, the system calls the process template for variant design. Using the manufacturing process design of high speed train bogie frame as the authentication object a set of rapid process design and file generation system is developed. It can effectively improve the efficiency of product process design, shorten the process time, and improve the quality of process design to a certain extent.

process feature; generation of process files; variant design; process template

1001-2265(2017)01-0131-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.036

2016-02-24；

2016-04-12

国家自然科学基金“需求驱动的高速列车精细设计过程智能映射研究”(51575461)

杨欣雨(1991—)，女，四川乐山人，西南交通大学硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化，(E-mail)yangxy0701@foxmail.com；通讯作者：马术文(1968—)，男，四川眉山人，西南交通大学副教授，工学博士，研究方向为机械制造工艺、机械产品设计等，(E-mail)mashuwen@swjtu.edu.cn。

TH162;TG65

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