航空机载企业基于零件工艺编码的相似工艺智能推送研究

王永鹏 石晓飞 丁东旭 徐伟 南博儒

摘要：多品种、小批量和变状态的航空机载企业，在“订单周期越来越紧，品质要求越来越高，需求变化越来越频”的形势下，工艺设计的效率及质量都已无法满足新品快速制造的需求，工艺设计经验与知识无法得到继承和重用。针对企业目前工艺设计存在的普遍问题，提出了基于零件工艺编码的相似工艺推理达到快速工艺设计目标的研究。文章研究了零件工艺编码方法，建立了零件工艺层次分析模型、相似度计算模型和优劣解距离法计算模型，实现了零件工艺编码、零件工艺库以及相似工艺智能推理的管理，并高度集成至PLM/CAPP系统，实现了相似零件工艺的智能推送，大幅度提高了工艺设计的效率及质量。

关键词：零件工艺编码；工艺设计；相似度；特征；筒体

1 引言

在当前“订单周期越来越紧，品质要求越来越高，需求变化越来越频”的形势下，工艺作为设计与制造的桥梁，工艺设计如何快速响应，满足要求，提高效益，是航空机载企业面临的普遍难题。航空机载产品大多具有多品种、小批量、变状态和高离散的特点，具体表现为零件品种多、产品类型杂；制造工艺复杂、制造流程长、过程离散；新研产品频繁的技术变更、问题协调和产品实物制造过程的反复迭代，在此背景下工艺设计工作量大，需要提升工艺设计效率与质量。航空机载企业工艺设计过程普遍存在同类型零件工艺设计结果重用率低、大量经验知识及基础数据无法得到有效利用、工艺方案主要靠人工决策、工艺设计过程严重依赖人和工艺自动化水平低等问题，造成工艺设计的整体效率与质量不高。国内外不少学者、科研机构应用成组技术原理，研究零件分类编码技术，通过创成式、派生式工艺设计的思想解决工艺知识重用以及工艺自动化，如国外较为成熟的VUOSO、OPITZ和KK-3等零件分类编码系统，国内的JLBM-1零件分类编码系统等，但应用范围有限，适用于结构相对简单、规则的零件[1]。针对零件结构复杂的航空机载企业，应用效果不明显。本文提出了一种解决复杂零件加工工艺推理的方案。以零件结构、材料和特征为主的全新零件工艺编码技术，基于零件工艺编码的相似度算法，实现相似工艺的自动推送，供工艺人员选用，降低工艺的工作量，提高工艺设计的效率与质量，满足航空机载企业零件工艺设计的需求。

2 航空机载零件工艺编码方法

广义上讲，针对制造资源相对稳定的企业，零件的结构、材料和特征是影响零件制造工艺的主要因素。基于此，零件工艺编码由结构编码、材料编码和特征编码三部分组成，采用混合编码（固定码加随机码）的方式，其中结构编码、材料编码为固定码，能够通过编码确定其结构分类或材料分类，特征编码为随机码，其含义可通过编码在数据库查询出包含哪些特征。从编码规则可以看出编码表征了零件的结构、材料及特征信息，以航空筒体零件为例的工艺编码的定义具体见表1，筒体零件的特征共28种，编码时用0、1表示该零件是否包含此特征[2]。基于这种零件工艺编码方法将影响工艺设计主要要素的数字化表征，具有良好的可扩展性，实现了“以最短的代码实现最大的含义”，计算机系统能够快速识别并计算[3]。相比国内外比较著名的编码系统，如德国OPITZ、日本KK-3和中国JLBM-1系统的工艺编码方式，突破了横向环节编码位数受限（16进制），以及纵向分类编码位数受限制（10位）的技術难点，有效解决航空复杂零件用传统工艺编码存在分类编码标志不全导致零件无法确切地分类编码的问题，为工艺设计应用创造了良好的条件。

3 基于零件工艺编码的相似工艺智能推送原理及实现过程

基于零件工艺编码的相似工艺推理主要是以零件工艺编码为数据元，通过实例推理（CBR）的方式计算目标零件实例与库实例的整体相似度，从而推理出与目标零件工艺相似的实例零件工艺[4]。零件工艺相似度算法的关键是构建基于零件编码的层次分析模型，确定影响零件工艺方案及方法的主要要素。算法核心为基于层次分析法模型，首先确定零件工艺整体相似度计算模型，各层要素的局部相似度的数据类型和计算方法，然后通过层次分析法（AHP）、优劣解距离法（TOPSIS）等方法确定各层要素的权重，最后通过整体相似度计算模型计算出目标零件与零件工艺库中的所有零件的工艺相似度，自动将相似度零件、相似度值及关联的工艺规程推送至PLM/CAPP工艺设计端供工艺人员复用，具体过程如图1所示。

4 基于零件工艺编码智能推送的分析模型和相似度算法模型

4.1 基于零件工艺编码的层次分析模型

一个工艺过程通常由一组工序经过有序排列构成，影响工序数量和顺序的因素有很多，针对航空机载零件特点，建立以零件结构、材料和特征为影响因素的层次分析模型。零件结构主要体现零件的分类信息，零件材料主要影响工序的排列顺序，零件特征主要影响工序的顺序、加工方法等。

层次分析方法（AHP）是一种系统评价方法，可以有效处理那些难以用定量方法来解决复杂问题的一种方法，其基本思想在于将复杂问题分解成若干层次，通过比较若干因素对于同一目标的影响，把专家的主观判断用数量的形式表达和处理，从而确定出各因素权重的一种方法[5-6]。利用AHP对影响零件工艺方案及方法的主要影响因素进行分析，按照目标层、准则层和明细层进行排列分组，有机结合零件工艺编码结构构建层次层析模型[7]。基于零件工艺编码的层次分析模型如图2所示。

4.2 基于零件编码的实例相似度计算模型

4.2.1 整体相似度SIM（G，E）

根据层次分析模型确定基于零件编码的实例相似度计算模型，基于零件编码的实例相似度计算模型是通过采用带权值的最近邻近算法计算，则整体相似度SIM（G，E）为

4.2.2 确定准则层影响因素的局部相似度f （gi，ei）

结构相似度fstr （gi，ei），通过专家打分确定，相似度打分由打分人员直接给出两两之间的相似度，其中打分取值范围0～1分，0代表没有相似性，1代表完全一致，具体如图3所示。

材料相似度fmat （gi，ei），与结构相似度方法相同，通过专家打分确定。

5 基于零件工艺编码的相似工艺智能推送应用

基于零件工艺编码的相似工艺智能推送的模型及具体方法在企业筒体类零件加工工艺决策中得到了验证和应用。根据零件的特点，对零件进行了分类，开发了零件工艺编码工具，包括零件定义分类、特征定义和编码规则定义等功能，通过编码建立了零件工艺编码库。如图5所示。基于零件工艺编码库，开发了相似工艺智能推送系统，该系统主要包含了相似度算法、零件工艺库和工艺决策等模块。其中，相似度算法模块获取零件工艺编码库中编码并完成相似度计算，生成与目标零件的相似度计算值列表；零件工艺库模块实现零件工艺的管理；工艺决策模块获取零件相似度计算值、零件工艺库中的相关联的零件工艺；以及按照相似度值由高至低展示零件工艺等功能。通过该系统的应用验证，基于零件工艺编码的相似度算法能够推送与目标零件相似的工艺，实现工艺决策过程的自动化。

6 结束语

文章提出了基于零件工艺编码的相似工艺智能推送的方法，研究分析该方法的基本原理及具体实现过程，并结合航空机载企业筒体零件的工艺设计实例，重点对零件工艺编码方法、基于零件工艺编码的层次分析模型、相似度计算模型和优劣解距离法等支撑零件相似工艺智能推送的使能技术进行了分析和研究。通过在企业中的PLM/CAPP系统中应用验证，证明该方法容易实现相似工艺的自动决策，决策效率高，真正意义地实现了快速工艺设计。满足了工艺快速准备需求。这种方法特别适用于多品种、小批量以及变状态的离散型的航空机载企业。

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