基于模板的数控工艺决策技术研究

Abstract：In order to simplify processing flow of the aero-structures with high similarity and complexstructural shapes and to increase processing reliability in an effective and accurate way to ensure engineeringquality and efficiency of aircraft stru ctural members it sets forth the decision-making system for the engineeringbased on the typical process templates with fused ru les. Fjrst，based on the concept of group technology，theinformation model of an unirm engineering template for similar parts is developed；Then，integrate the ru lesinto the templates in an embedded mode to constrain the variable information during part processing andestablish a typical process template with integrated rules；Finally，with the support of the typical process，it isavailable to realize quick design of CNC processes for similar parts.The practical application of the decision-making system for processes is realized in the context of an aviation manufacturing enterprise。

Key W ords：Typical Process Tem plate Fusion Rules Process Decision M aking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Jig，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- 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E23；② 基于模糊决策理论 的工艺决策[ ]；③基于遗传算法的工艺决策[ 。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 ，-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 ♀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 国家重大科技专项 (编号：2010ZX04015-011)收稿日期：2012年 l1月机械制造51卷 第584期传算 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 [ 。

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2013/4圆lT艺信息模型二 ， 塑 h隰腱 l征信息(总体特1 f零件特征1、槽特征、轮厂r 信自J廊孔凸台) J：[歪二[典型工艺模板1 艺信息建模零件 特征材料 r艺路线工艺 典型 艺序 典型 r序T步 典型工步加工元 切削参数制造资源 机床刀具 夹具工艺文档模板 定义r艺文档定义萎差 工艺信息 进行工艺决策I 工艺信息工艺信息编辑艺信息XML文件CAM二[ 反馈 的 艺信息 XML文件工艺信息导入图 1工艺自动决策流程图厂--] l系统环境配置I I. .. .. .. ... .. .。 .。

艺 模 板 管 理 TPTM、工 艺 决 策 PD 和 工 艺 信 息 输 出P10，可 表示 为 ：TPSG刖 ， ，PD，PIO。

(1)获取 零件 信 息 GPFI拈 。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 、孑L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 拈 〃 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：31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 拈提 供决 策依 据 。

(3)工艺 决策 PD拈 。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 F0(FabricationOrder)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 件回2013/4(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 - 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 ：ProcesstProcessjDt，Basic.flnfot，∑Operd，i1，2，， (1)式 中 ：Process 为典 型工 艺模 板 ，BasicInfo。为典 型 工 艺的基本 信息 ；∑Oper为工 序集 合 。

Oper，OperlDt，toolt，fixturet，∑Step ..，jl，2.，s (2)式 中：Oper，为典型工序 ；tool 为该工序刀具 ；fixture 为夹 具 ；∑Step 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 、设堡制造51卷第584期 a蛋备 、工步 、加 工元 等 对象 。

工 艺对 象 之 间 的关 系 -般 可 分 为 - 对- (1：1)、-对 多 (1：n)和多 对 多 (m： )关 系 。为 了便 于计 算 机 实 现和建 模 .引 人 中间对 象 类 ，把 m：n关 系 引入 中间对 象 简化 为 1：1或 l：n的 关 系 。

- 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 ，- 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 (objeet)和 对象 表 型 (objIlist)等 数值 类 型 。对 象 型(objiect)描述 对 象 类 之 间 的 l：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：凡关 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 、-F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 ：1ProcessT∑RuleP，Process ，BasicInfo，∑lOper，扛l，2.， (3)lOperw∑Ruleo，OperIDT，toolT，fixtureT，∑StepTJ1，2，，s (4)lStep∑Rales，StepjDT，cutterT，measureT. (5)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 ；1Step 为 融合 约束 规 则 的典 型 工 步 ；∑RuleP、∑Rule 0、∑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 ∑Rule 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 ∑Rule。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 ∑Rule 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 ：ZD ectT∑Rule，∑Atr (6)式 中 ：lObjectT为融 合约 束规 则 的典 型对 象 ；∑Rule为规则 集合 ；∑Attr 为确 定 对象 属 性值 集合 。

针对 飞 机结 构件 的数控 工 艺 ，-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 和典型工艺模板 规则集框架4-规则的典型工艺模板典型工艺 规则集l 1：1：，l r- - - 土唧-典型工序装夹定位方案l：n制造资源l：n1：n- ：蔓圆匮]特征类规则集规则集利用信息对象类的规则集定义：口 该对象属性确定的规则口 包含子类的增加、删除的规则口 基础数据库连接查询规则口 三苎量奎堕.旦j.- 了～t--三兰机床夹具量具刀具- ：切削模式切削参数l：n l- - - 熏工 序工艺信息模型毛坯装夹定位方案图 2 典型工艺模板模型机械制造51卷 第584期 2013/4。 - - - - ～m- m-[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- 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 丁 ，列 出未加 工特征 。添人 到工步 中或 增 加工步 ，进- 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 拈 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 ，读人 工艺 模板 信息 ▲ 行工 艺决 策 。

3.2 自动 -F&决 策匹配好 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- 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 ，表示 工序 循环 变量 ，初 始 值 为 0，每次 循 环 数值 加l，直 到 循 环结 束 ， 值表 示 循 环次 数 ；同理 I厂表 示 工 步复制工艺模板工序内容口 工艺模板、工序工艺、工序/ N r