零件智能加工工艺知识体系研究及应用

0 引言

       随着计算机和数据库技术的不断进步，机械加工工艺设计向着智能化发展。其中工艺知识的积累是工艺设计智能化的基础。智能化工艺设计指利用己有知识，通过一定的方法实现工艺智能生成，同时不断积累新的工艺知识和完善旧的工艺知识，使企业能快速地响应更新零件的工艺需求[1]。以工艺知识体系统一表达模型为核心，实现工艺知识的获取和工艺知识的使用。

       近年来，随着MBD技术以及数字化制造环境的成熟，国内外诸多企业已经形成了带产品信息的三维模型的设计方式，并延伸至下游制造企业。其文献表明，基于MBD的三维工艺广泛在航空航天、雷达、军事装备等制造领域进行广泛研究和探索[2,3]，并取得了较好的成果。本文通过对复杂结构件工艺知识体系，提出建立智能加工工艺知识体系，并运用于实际三维工艺设计活动中，实现高效高质工艺设计。

1 复杂结构件的多专业工艺知识体系

       某复杂结构件的加工工艺知识涉及的范围非常广泛，具有多学科交叉的特点，合理组织和有效管理这些工艺知识是知识共享和重用的前提。该复杂结构件的多专业工艺知识体系主要包括加工工艺知识库、通用工艺知识库。

       加工工艺知识库

       加工工艺知识库，主要分为三大类：工艺资源、工艺方法、工艺推理逻辑流程。其中工艺资源为工艺基础数据，包括材料库、刀具库、设备库、切削参数库等；工艺方法包括机加工工艺方法、加工余量、热处理规范等；工艺推理逻辑流程用于对特征加工方法以及典型复杂结构件零件工艺路线推理的逻辑判断。

       通用工艺知识库

       通过工艺知识库，包括典型复杂结构件的工艺实例。将典型复杂结构件的工艺实例以结构化数据进行录入，供相似零件进行工艺复用，提高工艺设计效率与工艺质量。

       构建知识库的时候预先确定每条可加工性知识所关注的加工特征，有时候一条知识不止关注一类加工特征，需要在构建知识库的时候确定其主适用对象并以此作为匹配的依据。构建数据库时，同一类加工特征按照相同的数据结构提取和保存相关数据，以供对应的知识规则进行推理。

       结合工艺知识的学习和消亡，建立工艺知识的动态演化模型，以及基于该模型的工艺知识管理体系，如图8所示，以工艺知识统一表达模型为核心，实现工艺知识的获取和工艺知识的使用。工艺知识的获取，指从工艺知识的原始数据中提取有效知识，将其转化为工艺统一知识模型，在知识使用过程反复学习，并在遗忘模拟机的作用下进行遗忘演化；工艺知识使用过程，包括工艺知识的整理、工艺知识的检索、工艺知识推理、工艺知识提取和浏览等，并将工艺知识的应用到整个工艺设计活动中。

2 多专业工艺知识体系的使用机制

       工艺知识体系实质是将所有与生成特征加工工艺有关的工艺信息按它们的性质划分为一些信息集合，这些信息集合以特征信息为核心，通过各信息集合与特征信息之间的关系组织在一起的一个有机整体[4]。

       工艺知识体系是构建在数据库平台之上的，因此这些工艺信息的集合就以数据表的形式存储在数据库中。这些数据表包括特征类型表、特征参数表、工艺操作表、特征方法表、设备信息表、工具信息表以及若干个关系表，它们存储了从创建特征实例到生成特征实例的加工工艺所需要的全部工艺信息。

       在数据库中建立特征类型表、特征参数表、工艺操作表、特征方法表、设备信息表、工具信息表以及若干个关系表等数据表后，各表它们通过关系表和特征方法表中约束条件建立各种联系。下图显示了这些数据表之间的关系：

       构建一个参数化工艺设计平台系统来使用工艺知识体系中的参数与逻辑，通过采用参数过程图技术实现特征工艺知识的表达、定义、解释和输出。定义参数过程图是工艺知识表达和应用的核心模块，其核心功能主要包括参数定义、流程定义、流程解释等功能，如下图所示。

       把工艺知识用可视化的流程图的方式表达。流程定义包括流程图的绘制、流程图中图元的属性确定等工作。系统实现界面如下图所示：

       输入工艺参数，系统通过解释工具，对工艺知识进行推理判断，生成符合条件的工艺过程和工艺内容。

3 工艺知识体系应用实例

       基于特征识别技术提取的三维模型的几何信息与非几何信息，为工艺知识体系智能匹配加工方法以及加工流程提供输入条件，智能工艺知识库根据工艺推理的逻辑流程为复杂结构件零件匹配最合理的加工方法与加工流程。

       1）特征加工方法推理

       选用一种典型框架类零件，通过面向特征的加工方法推理过程，形成零件特征工艺树[5]。特征工艺树是以制造特征为节点，以单个特征的加工方法为节点属性，加工方法通过特征加工方法流程推理获得，如下图所示。

       针对特征生成加工工艺需要大量工艺信息的支持，比如特征类型的定义信息、特征加工方法、设备信息以及设备工具信息等等，选择以特征为核心将这些工艺信息组织成工艺知识库能够更有效地组织这些工艺信息。工艺知识库就是将所有与生成特征加工工艺有关的工艺信息按它们的性质划分为一些信息集合，这些信息集合以特征信息为核心，通过各信息集合与特征信息之间的关系组织在一起的一个有机整体。

       2）多专业融合的工艺路线推理

       特征加工方法推理出来后，系统根据典型工艺路线模板以及多专业融合工艺路线规则推理零件的工艺路线。工艺路线根据该结构件零件易变形的特点自动推理，如改零件在加工过程中，因应力释放极易变形，工艺流程采用粗加工后去应力热处理，再精加工的流程。对于变形严重的高精度零件，还要分多次半精加工，并进行多次去应力处理。

4 结语

       本文针对某产品设计的复杂结构和制造要求，以提升工艺效率和工艺质量为牵引，建立有效的领域知识模型，研究智能加工工艺知识体系构建技术。围绕三维机加工艺设计功能，建立加工工艺知识体系。本文所探讨的知识模型和技术已成功应用于复杂零件三维机加工艺设计过程，机械加工工艺知识库实现了某型号产品的机械工艺知识有序管理和共享重用。为行业复杂零件工艺设计提供了一条切实可行的方案。
 
       参考文献

       [1] 田桂中,朱钰萍,刘金锋,等. 面向机加工艺智能生成的工艺知识建模与管理方法[J]. 计算机集成制造系统,2019,25(7):1695-1705. DOI:10.13196/j.cims.2019.07.010.
       [2]吴欣.一体化三维工艺设计在复杂电子装备中的应用[J].电子机械工程,2016,32(01):36-39+58
       [3]陈小军,练学辉,陈杨.三维工艺系统在雷达数字化协同设计中的运用[J].雷达与对抗,2017,37(04):47-50+70
       [4] 彭爱国. 四轴四联动平面二次包络环面蜗杆数控磨床三维CAPP系统研究与开发[D]. 四川:西华大学,2012. DOI:10.7666/d.y2113026.
       [5] 何晨龙,邓集松. UG环境下MBD三维工艺设计技术研究[J]. 机械制造,2016,54(9):98-100. DOI:10.3969/j.issn.1000-4998.2016.09.030.