基于模板定制的零件工艺变型设计研究

1 引言

工艺规划是产品开发的—个重要内容，它是联系设计和制造的纽带和桥梁，对产品的生产起着至关重要的作用。由于工艺设计自身的复杂性和不确定性，使系统开发不仅要涉及到企业的产品类型和结构、制造设备和条件、生产技术水平等，还必须对工艺设计专家的知识和经验进行总结和利用，同时在很大程度上还依赖工艺人员的技术水平和经验。文献提出了基于知识的自动工艺规划方法，并从同类零件的工艺过程中归纳出共同的规律建立知识库。这一方法解决了CAD/CAPP/CAM集成系统中“数据共享这一难题。文献中提出了基于SML的工艺变型设计技术。以零件族为对象，对零件工艺变型设计中支持工艺变型的零件族建模方法和基于事物特性表SML的工艺变型等关键技术进行研究，并设计与开发了—个工艺变型设计原型系统。但上述还存在以下不足：

(1)对每个所设计零件，系统均进行“串行处理”过程，即使当前零件与曾经设计过的零件极为相似也如此，存在大量的重复性工作；忽略了零件的相似性原理，没有考虑零件的变型工艺设计；

(2)工艺参数化变型设计没有充分考虑企业制造资源以及工艺知识库资源。针对上述的不足，提出了基于模板定制的工艺设计方法，根据零件的相似性和可重用原理，充分利用企业中已有的成熟工艺设计方案、工艺资源和经验实例，并结合相关工艺知识，快速实现零件的工艺变型设计。

2 基于模板定制的工艺变型设计原理

工艺变型设计是面向结构、功能相似的同类零件，使同种零件类型的工艺过程规范化、典型化，这样可方便的利用已有工艺实例或工艺知识得出类似零件的工艺规程。针对零件工艺的复杂程度和零件可能发生的变化，根据典型工艺的设计方法对零件工艺设计知识信息进行系统的分类、整理和总结，分别建立典型参数化工艺模板和典型实例工艺模板。典型参数化工艺模板是指通过分析和总结把典型零件工艺中相对不变的内容固定化，而相对可变的部分参数化而形成的模板式工艺。典型实例工艺模板是指从相似性高的零件中选出具有代表性的典型零件做成的工艺模板；然后把整理和总结的典型工艺模板存储在数据库中，当再遇到新的类似零件工艺设计时，可根据不同情况，调用不同的模板（典型工艺模板或实例工艺模板），利用相似零件的工艺进行设计。

工艺变型是以零件变型为前提和条件，利用零件结构或工艺的相似性，采用人机交互法，通过参数化修改某些主要参数来实现工艺模板的自动修改，从而生成新零件的工艺设计。工艺变型设计流程，如图1所示。首先将设计要求与典型工艺数据库中的典型信息进行相似匹配，确定该零件的工艺在典型工艺库中是否有相似的典型参数化工艺模板或典型实例工艺模板可以借用，否则就要重新设计。对于有典型参数化工艺模板或典型实例工艺模板可借用的零件，在三维参数化模型的基础上，利用变量驱动技术，通过基于参数化工艺模板设计过程或实例工艺模板设计过程进行工艺变型设计，若检索出的工艺不能完全满足新工艺的要求，则可以通过基于知识的推理和交互式输入等多种手段，在尽可能短的时间内快速、高效地设计出所需零件的工艺。

3 基于典型参数化工艺模板的设计

典型参数化工艺模板的建立是以工艺工序分类为基础的工艺典型化，主要是以工序为对象，为制造零件的某些特征要素（如车端面等）编制典型工序。使用时将这些典型工序按照一定的机械加工顺序进行优化组合，并根据需要适当修改即可形成一份新工艺。针对回转类零件形状特征比较固定，且多由简单特征组合而成，其工艺路线和加工方法也相对固定。对于此类零件可采用基于典型模板工艺的参数化工艺设计方法。

参数化工艺设计就是根据零件参数信息，通过查找相应模板工艺的参数，自动生成零件工艺的一种方法。并通过参数表达式建立起工艺模板中工艺数据与零件参数之间的参数化关系。工艺模板的代号为零件代号，如果同一类型的通用件有多份工艺模板，即出现多匹配的工艺，可以通过关键标识来区分，工艺人员可以在工艺设计过程中，随时将总结的工艺模板规程经过一定的编辑修改直接放人工艺模板库中，从而实现工艺模板的动态更新。

根据零件的参数信息去关联相应的工艺模板，在关联过程中可能遇到的以下3种情况：

(1)根据零件代号和参数关联一份工艺模板；

(2)根据零件代号、参数找到多份工艺模板，需要根据主要参数决策判断并关联具体一份工艺模板；

(3)根据零件代号和参数无法找到一份模板工艺，需要人工进行工艺编制，完成后添加并更新工艺模板库。

基于典型参数化工艺模板的工艺设计过程，如图2所示。首先根据用户需求输入零件的主要参数，在相应的参数库中进行参数的前期处理与计算，在典型模板工艺生成规则的支持下，从典型模板工艺库中自动选取典型工艺模板，通过读取事物特性表，完成参数化关系的转换工作，生成确切的工艺数据更新典型模板工艺。工艺设计过程完成，若用户对自动生成的工艺规程不满意，则可进行交互式编辑修改，完成最终的工艺设计任务。其中建立事物特性表是关键技术。

图2 基于典型参数化工艺模板的工艺过程

为了实现CAD/CAPP系统之间进行有效的信息传递和产品数据交换，实现产品设计数据、工艺数据和制造数据的一致性，采用了事物特性表的方式描述产品零部件信息。通过对零件的分类和总结，建立零件级别事物特性表。表中每个行对应一个零件模块，每列对应—个零件模块的标识属性，整个事物特性表组成设计树状结构，按照产品设计的基本流程自顶向下分布，使每个表就可以对应—个零件族。零部件的几何参数和工程属性的集合表示整个零件族的设计及工艺信息。事物特性表基本结构，如表1所示。

4 基于典型实例模板的工艺设计

基于实例模板定制的工艺设计流程，如图3所示。根据用户设计要求从实例库中检索与新零件最相似的实例，实例存在则从实例工艺库中调用典型实例工艺如果该工艺完全满足新工艺设计要求，将该工艺输出；若该工艺不完全满足新工艺的设计要求，则对实例工艺进行修改使其满足设计要求。其中典型实例工艺模板的建立、零件的几何信息建模和实例工艺修订是关键技术。

4.1 典型实例工艺模板的建立

典型实例工艺模板的建立是以典型零件为对象，将结构形状相似或工艺特征相似的零件（如轴类零件、回转类零件）通过合理分类，从中选出具有代表性的典型零件做成典型实例工艺模板，编制出工艺规程，使这一组零件能用相同的机床设备、工艺装备和调整方法进行加工。根据零件工艺可能的变化对工艺模板组成做如下归类：(1)图幅和边框：工艺文件格式通常要遵循一定的国家或企业标准，如A4、A3等，而边框则限制了表格和其他图文信息的位置，有的边框还包括工作区的概念，如“机械加工工艺过程卡”字样等。(2)静态一维表：是指相对固定的表格，表现在工艺文件中就是该表只有一行记录，该行记录是由工艺文件编号唯一确定的。可分为两种，一种是与参数化CAD阶段的事物特性表相关联的零部件设计属性信息，并随设计信息的变化而变化，包括零件图纸号、零件名称等。另—种是工艺设计属性信息，包括文件编号、文件名称、编制人等，每个工艺文件对应一行这样的数据。(3)动态—维表：是指一维表的信息、有无、位置都会发生变化的一维表，可以分为两种，一种是内容不会发生变化的工序过程，如去毛刺，热处理等；一种是工序内容基本不变，只是参数会发生变化的工序过程，这类工序一般是由设计参数传递过来的，根据变型设计的变化而变化。(4)动态二维表：动态二维表是指该表中包含的工艺信息相对可变且在工艺卡片中有多行数据。因此，可以在实例工艺模板上将所有可能的工序都全部列出，这样就可以保证工艺变型设计带来的工序可能发生的变化，使每个可能的工序属性均有多个选择。

4.2 零件实例几何、信息的建模

任何零部件，都是由一系列的应用特征组合而成，在具体生产环境下，往往只有其中某几个特征决定最终生成的工艺规程，可称这些特征为本零部件的工艺特征，它可以是尺寸、公差，也可以是结构说明或功能要求。根据零件实际生产中的要求，零件的信息模型以事物特性表的形式表达，在事物特性表中表达的不单只有变化尺寸及其上下偏差的信息．还包括材料、毛坯、表面质量参数、形状公差、位置公差、加工精度、技术要求、热处理方法等参数信息。

4.3 实例工艺修订和存储

实例工艺的修改主要有两种情况需要处理：一是删除典型实例工艺中相对于新零件工艺中没有的工序、工步信息，如实例零件的特征多余当前实例零件，则在实例工艺中删除那些多余特征对应的工序和工步；二是补充上典型实例工艺相对于新工艺而缺少的工艺信息，若是增加了某些特征，则从加工特征工艺模板库中变型出相应特征的工艺，添加到原工艺中，对于比较复杂的工序、工步特征信息则可以采用人机交互式输入方法来完成。实例工艺修改满意后可以入库，以扩充、完善实例工艺库。

5 实例应用

以图4所示的零件为例，轴的结构多由简单特征组合而成，如图4所示。因此可采用典型参数化工艺模板的方法来实现。通过进行零件信息输入和参数查询关联相应的模板工艺。并通过事物特性表将工艺模板中的参数替换成具体数值。最后生成相应的工艺规程。

图4 轴结构简图

6 结论

对零件族的分析、整理和总结，通过基于模板定制的方法，针对不同零件的结构特征和工艺特点，分别采用典型参数化工艺模板和典型实例工艺模板进行新零件工艺设计。并辅助于基于知识的推理、决策推理和交互式输入等工艺设计方法，使零件工艺变型设计相对更快。在一定程度上降低了对工艺人员经验的依赖，也使企业长期积累的工艺知识和实例经验得到了重用，从而提高了工艺设计的效率。