（机械电子工程专业论文）基于3d的工艺变型设计的研究与实现.pdf

摘要 工艺设计作为连接产品设计与制造的桥梁，对产品的质量、制造成本以及 企业快速响应市场的能力都具有极为重要的影响。同时，各企业都希望已有的 宝贵设计经验能够得到更好的继承和发展。对此，本文结合智能化c a p p 的理论 基础，对加工特征的工艺变型，支持工艺变型的零件和工艺建模方法，以及基 于三维的工艺变型设计做了深入的研究，并设计开发了一套工艺变型设计原型 系统。 首先，研究了加工特征的工艺变型技术。按照特征加工方法，建立加工特 征的工艺模板。在特征的工艺模板基础上，根据特征的实际参数，变型出符合 实际的特征工艺。加工特征的工艺变型从特征的层次上对零件的工艺变型进行 了研究与实现。依据零件的相似特征，给出了工艺可借用度的计算方法，为找 到与设计零件工艺相似性更高的典型工艺提供了一种手段。 其次，研究了支持工艺变型的零件模型和工艺模型的设计方法和规则。提 出了从零件几何模型设计初期就采用减材料法、参数化和特征拼合的造型方法， 以支持工艺变型。在参数化的几何模型基础上，在制造资源库的支持下，通过 完成工艺路线的建立、工序尺寸链建模、工序简图的建立这一顺序步骤，最终 实现工艺模型的构建。 再次，研究了在三维环境下基于加工特征的零件工艺变型方法和步骤。根 据几何模型的变型程度确定工艺变型的类型，按照每一类的变型规则和步骤完 成工艺路线的变型；在参数化工艺模板的基础上，对工艺卡片中的工序内容、 加工参数等进行更新替换，完成卡片的变型，最后完成零件的工艺变型。 最后，在以上理论基础的基础上，分析了基于三维的工艺变型设计系统的 组成模块和设计方法，并以齿轮的工艺变型设计为实际对象，设计并开发了一 套原型系统，对工艺变型设计原理进行验证和实践，对工艺变型设计系统的构 建方法和流程进行说明。 关键词：c a p p ，工艺变型设计，参数化，加工特征 a b s t r a c t a st h eb r i d g eo fc o n n e c t i n gp r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，p r o c e s sd e s i g n h a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，m a n u f a c t u r i n gc o s ta n dt h er e s p o n s e a b i l i t yt o t h em a r k e t a tt h es a m et i m e ，e v e r ye n t e r p r i s eh o p e st h e i rv a l u a b l e e x p e r i e n c ew i l lb ei n h e r i t e da n dd e v e l o p e di nab e r e tw a y s o ，a p p l y i n gt h et h e o r yo f i n t e l l i g e n tc a p p , p r o c e s sv a r i a n td e s i g nt e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s ，t h e d e s i g nm e t h o d so fm o d e la n dp r o c e s sm o d e l i n gs u p p o r t i n gp r o c e s sv a r i a n td e s i g n ， a n dt h r e e d i m e n s i o nb a s e d p r o c e s sv a r i a n td e s i g nw a sr e s e a r c h e d i nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h ep r o c e s sv a r i a n td e s i g nt e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sw a s r e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gm e t h o d so ff e a t u r e s ，t h ep r o c e s st e m p l a t eo f m a n u f a c t u r i n gf e a t u r ew a sb u i l t t a k i n gt h et e m p l a t ea st h eb a s i s ，t h ef e a t u r e sp r o c e s s c o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lp r o c e s sc a nb eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp a r a m e t e r s o fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e s t h ep r o c e s sv a r i a n td e s i g no fp a r t sw e r er e s e a r c h e da n d i m p l e m e n t e db yt h ep r o c e s sv a r i a n td e s i g no fm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sf r o mt h el e v e l o ff e a t u r e s a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yf e a t u r e s ，t h ec a l c u l m i o nm e t h o do ft h ed e g r e e o fp r o c e s sb o r r o w i n gw a sp u tf o r w a r d ，w h i c hp r o v i d e dam e a s u r ef o rf i n d i n gam o r e t y p i c a lp r o c e s ss i m i l a rt ot h ea c t u a lo n e s e c o n d l y ，t h ed e s i g nm e t h o d sa n dr u l e so fm o d e la n dp r o c e s sm o d e l i n gw h i c h s u p p o r tp r o c e s sv a r i a n td e s i g n w e r es t u d i e d i no r d e rt o s u p p o r tp r o c e s sv a r i a n t d e s i g n ，c u t t i n gm a t e r i a lm e t h o d ，p a r a m e t r i cd e s i g n a n dt h em e t h o do f f e a t u r e c o m b i n i n gn a m e db a s eb u i l d i n gb l o c k ，w e r eu s e df r o mt h eb e g i n n i n go f d e s i g n o nt h eb a s i so fp a r a m e t e r i z e dm o d e la n dm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c el i b r a r y , t h e c r e a t i n go fp r o c e s sm o d e l i n gi sf i n a l l ya c h i e v e db yb yc r e a t i n gp r o c e s sr o u t e ，p r o c e s s d i m e n s i o nc h a i na n dp r o c e s sm a p s t h i r d l y , t h ep r o c e s sv a r i a n tm e t h o da n ds t e p so fp a n sb a s e do n3 da n d m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sw e r er e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo fm o d e lc h a n g e d ， t h et y p eo fp r o c e s sv a r i a n tw a sf i x e d ，a n dp r o c e s sc h a n g ew a sc o m p l e t e di n a c c o r d a n c ew i t ht h e r u l e sa n ds t e p st h es t e p so fe a c hc a t e g o r y o nt h eb a s i so f p a r a m e t r i cp r o c e s st e m p l a t e ，t h ep r o c e s sc o n t e n t sa n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r e u p d a t e d ，a n dw o r k i n gp r o c e d u r ec h a n g ew a sc o m p l e t e d u l t i m a t e l y , p r o c e s sv a r i a n t i i d e s i g no fp a r t sw a sa c h i e v e d f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c h , t h ec o m p o n e n tm o d u l e sa n d d e s i g n i n gm e t h o d so ft h r e e - d i m e n s i o n a lp r o c e s sv a r i a n td e s i g ns y s t e mw e r ea n a l y z e d a p r o t o t y p es y s t e m ，t ov e r i f ya n de x p e r i m e n tt h ep r i n c i p l eo fp r o c e s sv a r i a n td e s i g n ， t oi l l u s t r a t et h em e t h o d sa n df l o wo fp r o c e s sv a r i a n td e s i g ns y s t e m ，w a sd e v e l o p e d w h i c ht a k e st h ep r o c e s sv a r i a n td e s i g no fg e a ra sa c t u a lo b j e c t k e yw o r d s ：c a p p ，p r o c e s sv a r i a n td e s i g n ，p a r a m e t r i c ，m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：上矽导师( 签名) ： ( 注：此页内容装订在论文扉页) 日期：西量。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着产品市场的快速变化和科学技术的快速发展，制造业正在进入信息化 和集成化的时代，传统的制造模式已不能满足多样化、系列化、个性化的市场 需求。工艺设计是现代制造业的重要基础工作，是连接产品设计与产品制造的 桥梁。工艺设计的质量和效率直接影响企业制造资源的配置与优化、产品质量、 生产组织效率、产品成本与生产周期等方方面面【l 】。为此，每个制造企业都希望 有一套c a p p 系统能够自动生成符合实际情况的工艺文件，提高工艺设计效率。 变型设计技术就是一种能够高效的实现快速设计的方法之一，产品的参数化变 型设计已应用非常广泛，并且大大提高了产品的设计效率，那么可以将这种变 型技术推广到工艺设计中来，提高工艺设计的效率。 本文主要研究基于三维的工艺变型设计方法与技术，与之相关的内容主要 有计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r - a i d e dp r o e e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 、参数化技术、 变型设计技术。 1 1 1c a p p 的研究背景 工艺设计是机械制造过程的技术准备工作中一项重要内容，是产品设计与车 间生产的纽带，工艺设计所生成的工艺文档是指导生产过程的重要文件及制订 生产计划与调度的依据【2 】。工艺设计所涉及的因素是非常多而且各种因素之间又 是极其错综复杂的，不仅涉及企业的产品类型、产品结构、生产技术水平以及 生产技术人员的素质等，还要受到工艺人员的设计经验和企业的工艺设计习惯等 的影响。在同一资源及约束条件下，不同的工艺设计人员可能制定出不同的工 艺规程【2 】。随着计算机技术和信息技术的发展，制造业也逐步进入信息化和智能 化的时候，作为中间环节的工艺设计也必然要随之发生变革。 根据文献 3 】中的统计，机械零件中有7 0 8 0 的相似零件，相似零件的工 艺路线和工艺规程也一定相似，而实际的工艺设计中存在着大量的重复劳动， 武汉理t = 大学硕十学1 = 奇= 论文 而其其中3 0 4 0 都是比较简单的零件。为了生产的需要。工艺设计人员也得 进行重复的工作，不但浪费时间，使工艺人员没有更多时间从事创造性劳动， 而且也影响了广大工艺人员的积极性【3 】。 随着计算机等相关技术的不断进步，c a p p 的发展为解决工艺设计中的种 种问题提供了可能。文献 5 6 】中描述了工具化c a p p 的发展思路和系统的基本 架构；文献 7 1 0 】中将a g e n t 技术、智能技术、人工神经网络等技术用于c a p p 之中；文献 1 1 1 1 3 1 6 中的学者提出了定量化的工艺可重用技术和系统的设计方 法，为解决工艺设计中的重复性劳动提供了一种方法；文献 1 9 2 3 对分布式 c a p p 、协同c a p p 从理论到实践都做了详细的阐述；而文献 1 9 中指出未来的 c a p p 系统应包括产品装配操作，c a p p 应与n c 编程集成，人工智能方法应用 于决策中等等。总之，c a p p 不断地向分布化、集成化、柔性化、智能化、并行 化等多个方向发展。 1 1 2 工艺变型设计的研究背景 变型设计是对已存在的设计的结构、工艺等做局部的调整与参数修改，以 适应新的设计目标和约束【2 4 1 。利用变量驱动技术在已设计好的零件或者模型基 础上对决定其结构或者功能的关键尺寸、关键参数、公差等进行驱动，使发生 改变后的设计能够满足设计者的新要求。 变型设计的理论依据主要是参数化( p a r a m e t r i c ) 技术( 也叫尺寸驱动 d i m e n s i o n d r i v e n ) ，参数化技术是c a d 技术在实际应用中提出的课题，目前它 是c a d 技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设 计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作 中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。 装配产品变型设计的研究比较多，如：关系型产品模型、双向式分层建模、 采用t b s 概念的装配模型建立方法的研究等，变型技术在产品级的应用主要体 现在产品装配关系的变型。但是无论是零件还是产品的变型都是体现在几何方 面，而缺少对工艺及制造系统变型的支持【2 5 】。 变型设计在产品的设计中已有了很广泛的应用，随着研究的不断深入，变 型设计的种类有了很多，如基于装配模型、基于模块化、基于特征、基于实推 理、类比推理、面向产品族和产品平台的变型设计等。基于装配模型的变型设 计理论通过表达零件之间的装配关系反映整个产品的功能要求和设计者的设意 2 武汉理丁大学硕士学位论文 图；模块化变型设计通过功能相同而性能用途不同的各模块的组合来实现各基 型产品和变型产品；基于特征的变型设计以几何模型为基础，通过修改或者增 减典型特征来完成产品的设计；基于实例推理技术的变型设计理论在变型设计 中引入实例推理。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c a p p 研究现状 从c a p p 产生开始，各研究机构也从不同的角度对c a p p 的发展做出了试探 性的研究和尝试，尤其是在网络化和智能化技术的支持下，c a p p 的应用现状和 研究动态，综合看来主要集中在这几个方面： ( 1 ) 集成化 集成化是指c a p p 系统与其他集成化系统信息与数据的传输与共享【2 6 1 。与 c a d 的集成主要是产品信息的集成，它是克服c a p p 产品信息输入困难的根本 途径，也是c a d c a p p c 气m 集成的关键；与p d m 的集成完善了工艺相关数据 的管理；与c a m 集成，有利于更好的辅助产品的加工，在多年的研究过程中 形成了不同的集成理念。集成的基本任务就是实现各独立系统间信息的顺畅传 递，因此数据交换双方必须遵循统一的产品数据模型和数据交换机制。 ( 2 ) 并行化【2 5 】 并行工程是并行进行产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 一体化 设计的系统方法。面向并行工程的工艺过程设计系统，必须根据自动化制造系 统的制造环境、生产调度、质量检测、毛坯设计制造等下层功能模块的反馈信 息生成适应性加工工艺，并及时对产品设计过程提供咨询信息，就产品可加工 性、可装配性、可检测性、加工经济性等制造因素为产品设计的优劣提供可评 估性指标【1 1 1 。对上满足c a d 并行设计产品的要求，对下满足制造过程诸环节的 信息要求。并行c a p p 作为实现并行工程目标的重要支持工具，国内外还都处于 探索阶段，主要局限在原型系统开发和理论研究上。 ( 3 ) 工具化 通用性问题是c a p p 中需要考虑和实现的最为关键的问题之一，为了适应 实际生产过程中诸多变化的问题，应该使c a p p 系统能像c a d 系统一样具有通 武汉理工大学硕士学位论文 用性，工具化c a p p 的思想主要体现在以下儿个方面【4 】：工艺设计的共性与个 性分开处理；工艺决策方式多样化；具有功能强大、使用方便和统一标准 的数据与知识库管理平台；智能化输出。 ( 4 ) 智能化 对于工艺设计的智能化研究主要集中在工艺决策过程及算法( 如基于遗传 算法和模拟退火算法的工步决策和算法) 和知识表达及处理( 如模糊知识表达、 混合式知识表达) 等方面。很多研究人员将智能代理、神经网络或者一些更先 进的逻辑算法运用工艺决策上，以提高工艺设计的智能化。目前随着人工神经 网络的大量研究，使得国内外的专家尝试着将神经网络技术应用于c a p p 研究领 域，并进行探索性的研究，已有初步的成果，如用于加工方法的选择、工序安 排、工步的安排等【1 】。此外，模糊几何理论在工程领域的活跃应用，使得c a p p 的智能化发展又多一个方向，它具有模型描述知识的能力，可用于c a p p 中知识 的模糊表达、工艺知识复用、工艺方案的模糊评定等方面。 1 2 2 工艺变型技术的研究现状 c a p p 的变型设计技术按照参数化设计的原理，在工艺设计中引入参数驱动 机制，实现工艺文件的参数化。目前，工艺变型设计的研究主要集中在工艺知 识可复用技术上，而实现系统或者有实用价值的系统不是很多，大多数的知识 可复用系统都是对以前的工艺知识简单的重利用，或者某一个单独加工过程的 利用，缺乏对一套完整的工艺设计的灵活变型利用。工艺知识的可复用技术是 指能够被重复利用的设计信息、设计规则和设计，以及利用这些信息、规则与 方法解决新的设计问题的过程【4 】。工艺知识的可复用技术是研究工艺变型设计的 一个基础。从目前的研究成果来看，工艺可重用大致包括两个类型：同类型 产品中，工艺设计方案的重用；相同特征的工艺重用。前者是指在产品的工 艺设计中能有效地利用已有的成熟工艺方案、工艺流程以及工艺资源，以尽可 能小的修改代价、以尽快的速度变型出需要的设计工艺。例如，在轴的工艺设 计中，新零件可以整体的借用以前的成熟经验，采用相同的加工流程、相同的 加工资源来生成符合企业实际情况的工艺方案。后者是指在工艺设计中能够重 复利用以i j 设计中相同特征部分的工艺。零件中存在相似结构或者加工方法是 工艺方案可重用的基础。 目前具备工艺方案可重用功能的设计模式有基于成组技术的派生式设计方 4 武汉理1 = 大学硕士学位论文 式和基于实例的设计方式【1 1 1 。基于成组技术的派生式设计系统是以相似性为原 理，根据零件的相似特征或者某一相似因素，组建零件族。每一个零件族选择 一个包含其他零件特征的主零件，对主零件进行工艺设计，这个主零件的工艺 就是这个零件族的主工艺。在新零件需要进行工艺设计时，通过确定新零件所 属的零件族，并对主工艺适当修改可以实现新零件的工艺复用。其中零件族的 主工艺合理建立是零件族工艺可重用的基础。基于实例的工艺设计方式建立在 已有工艺信息的基础上，通过对相似工艺的修改获得当前设计零件的工艺方案， 其中实例的分类检索、实例匹配算法、实例的修改是关键环节，实例库是基础。 文献 1 6 中的作者提出了工艺可重用的层次性模型。由于零件变型设计具有 层次性，零件的层次分为零件层、结构层和单元层，单元层包含构成零件的基 本结构单元，零件的每一个层次都是变型的原始对象。所以与零件相对应的零 件的工艺路线模型也是具有层次性的，包括零件工艺层、结构工艺层和单元工 艺层，结构工艺层包括各个组合单元的加工链信息、单元工艺层包括基本单元 的加工链信息，各个层次的工艺信息都是变型的原始信息。 文献 2 4 2 5 中提出了基于s m l 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的支持工艺变型的零件族建模方法和基于事物特性表s m l 的工艺变型等关键技术进行研究，并设计与开发了一个工艺变型设计原型系统。 文献 2 9 中研究了基于3 d 的定量化工艺建模与工艺设计，提出了基于3 d 定量化的工艺模型由工序图模尺寸链模型和它们之间的映射关系组成，两者之 间的映射关系用来实现工艺设计过程的参数化双向驱动。 基于三维的产品设计已经成为企业产品设计的主流，三维c a d 也成为了主 要的设计工具。在这种情况下，与设计密切相关的工艺设计自然的将目光转向 了基于三维的c a p p ，而产品的参数化设计和知识可复用设计使得企业得到了许 多的好处，那么c a p p 的参数化设计、可复用设计也成了企业的新希望。目前， 已有很多的基于三维的c a p p 系统正在研发之中，对于更高一层的三维工艺变 型设计系统也必将是下一个关注的焦点。 1 3 研究目的和意义 由于工艺设计自身的复杂性和不确定性，使得c a p p 系统的开发不仅要涉及 到企业的产品类型和结构、制造设备和条件、生产技术水平，还在很大程度上 武汉理t 大学硕士学位论文 还依赖工艺人员的技术水平和经验。与此同时，很多企业都面临着相同的问题： 现在有的工艺设计的知识和经验不能够得到很好的总结和利用。 可以注意到很多行业或者企业的产品相似度非常高，而其系列化程度也越 来越高，只有少量零件需要根据特殊需求进行重新设计。鉴于这种特点，产品 的c a d 参数化设计技术被广泛应用，并且这种技术现在已经相当成熟。如果将这 种变量驱动技术推广到与c a d 紧密集成的c a p p 系统中，对已有的经典工艺设计实 例加以变型，用来生成新零件的工艺文件，那么对已有设计经验的总结和再应 用、对新工艺设计人员的指导以及企业工艺标准规范等等很多问题就可以得到 很好的解决。本文的研究出发点就是用这种变量驱动的工艺变型技术，来快速 准确的对典型工艺知识进行变型，来实现新零件的工艺设计。本文章的研究工 作具有以下目的和意义： ( 1 ) 便于与三维c a d 的系统集成和信息共享； ( 2 ) 便于精确的尺寸链技术和工序简图的生成； ( 3 ) 支持参数化的工艺模型变型和工艺变型设计； ( 4 ) 对企业快速敏捷的产品设计提供基础工具； 1 4 研究内容 本文结合具体的项目实践，对基于三维的零件工艺变型设计技术和系统开 发进行了研究，具体的研究内容如下： ( 1 ) 力n - r _ 特征的工艺变型技术和基于相似特征元的工艺可借用度计算方法 在分析零件的加工特征的概念与作用以后，提出加工特征工艺模板的建立 方法。在m - r _ 特征的工艺模板基础上，根据加工特征的实际参数，从工艺模板 中变型出符合实际的特征工艺，从特征层次上研究零件的工艺变型。研究工艺 的可借用度技术方法，为高效的找到与设计零件工艺相似性更高的典型工艺提 供了依据。 ( 2 ) 支持工艺变型设计的零件几何模型和工艺模型设计方法 零件几何模型是工艺变型设计的基础，是构成工艺模型的主要部分之一， 为了更好的支持工艺变型，需要研究符合制造过程的几何模型构建方法。参数 化工艺模型包含了工艺设计需要的尺寸信息、特征信息以及每道工序的工艺简 图，同时和二维卡片进行关联。研究工艺模型的表达和构建方法，对实现零件 6 武汉理工大学硕士学位论文 的工艺变型有举足轻重的作用。 ( 3 ) 三维变量驱动的工艺变型设计技术 在三维参数化工艺模型的基础之上，可以利用变量驱动技术进行变量驱动 的三维工艺变型设计。该过程是一系列参数驱动的集合：通过交互的参数定 义和流程定义模块得到新的工艺模型参数和设计流程参数，并且实现工艺模型 和流程的驱动；对每道工艺流程中包含的尺寸信息、特征信息和工序简图进 行更新替换；进行工艺卡片的信息替换更新。在完成这一系列的动作之后就 可以快速完成新产品的工艺设计。该技术是本文的关键所在。 ( 4 ) 零件工艺变型设计系统的构建 研究工艺变型设计系统的模块组成和各个功能模块的设计方法，验证零件 工艺变型设计理论的正确性和可实施性。 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第2 章基于3 d 的工艺变型设计原理及关键技术 2 1 工艺变型设计原理 工艺变型设计是建立在参数化技术和工艺知识可复用技术的基础上的，参 数化技术是工艺变型的实现方法，工艺知识可复用技术是工艺变型的基础。考 虑到参数化技术在产品的设计过程中的成熟使用，本节通过从基于特征的产品 变异设计原理逐渐过渡到工艺变型设计的关键技术上。 2 1 1 基于特征的产品变型设计原理 任何零件，都是由一系列的应用特征按照拓扑关系组合而成。在特定的生 产环境和设计条件下，往往只有其中某几个特征是对零件的最终结构和功能起 着决定性作用的，这些特征可以是尺寸、公差或者其它属性等等【2 引。这些起主 要作用的特征称为主要特征，而其它特征在零件变化时不会发生更改或者可以 由这些主要特征和约束关系来确定。 在基于特征的三维c a d 中，零件可以表示为一系列特征和属性有规则的有 机组合。在特定的设计条件下，一个新的产品只是在旧的产品基础上对某些特 征属性( 可以是尺寸、公差，结构等) 进行修改、添加和删除而成。在三维c a d 中零件的特征和属性可以抽象的由一组参数来表示，在不同的设计条件下修改 这些参数达到设计出不同零件的目的。 近年来，随着参数化技术在制造业中的不断成功应用，国内外许多学者对参 数化的研究由零件和装配逐渐向工艺等过渡，并对工艺的变异设计进行了深入 的研究，也取得了一定的进展。在零件和部件的变异设计上，主要是从两个方面 来进行变异设计：通过改变产品的b o m 表，使产品包含的零部件组合方式发生 变化或者增加删除某些零部件，从而使整个产品的结构得到改变，实现产品结构 和性能的更改。这种变型原理如图2 - 1 ，该变型设计理论己相对成熟：按照零 件的几何拓扑结构，通过驱动某些主要特征的几何尺寸、公差和属性等，或者通 过在原零件上进行添加、删除某些特征，实现零件结构的变型，如图2 2 。 武汉理下大学硕士学位论文 图2 1 通过改变b o m 表实现产品变型 图2 2 通过特征驱动实现产品变型 通过改变零件特征结构的产品变型设计，其具体实现途径有两种：直接 对零件模型进行参数化、特征删除或者变更操作，实现零件结构的变型设计； 通过建立零件特征结构库，在零件基型上确定需要添加的特征，从特征结构 9 武汉理下大学硕+ 学位论文 库中检索与零件基型相匹配的特征，并通过拓扑搭接，将特征移植到零件基型 中，从而实现产品变异设计。前者对简单的结构变型实现起来比较方便，在许 多零件专家系统中被广泛使用，但对复杂的结构变异，其工作量将大大增加， 甚至比重新设计整个零件还要繁杂；后者则统一处理，通过考虑移植结构与零 件基型间的拓扑搭接，无须考虑移植结构和零件基型的外围拓扑，尤其对复杂 结构的变异，显示出其巨大的优势。 2 1 2 工艺变型原理 工艺变型设计是基于产品的变型原理和工艺知识复用原理上考虑的。在特 定的生产环境和设计条件下，只有零件中的某几个特征能决定最终生成的工艺 流程。继而在工艺设计中，可以把构成工艺文件的特征和属性抽象的定义为一 组或者多组参数，并提取出一套对这些参数进行解释和利用的规则，然后按照 定义规则将一套典型的工艺储存起来。当有新的类似零件需要做工艺的时候， 就可以通过修改参数而达到设计新工艺的目的。 基于三维的参数化工艺变型设计的基本思路可以概括为：工艺设计专家在 智能系统的辅助下逐步完成零件的工艺设计，该设计过程被智能系统分解成由 变量表示的具有一定规则的步骤并记录于数据库中，形成基于三维的参数化工 艺设计文件，然后对其进行优化，并作为模板储存起来；在此工艺模板的基础 上，根据具体需求和设计条件，通过一定量的修改参数实现快速的工艺变型设 计。 工艺文件主要包括工艺路线、工序卡片和工步卡片。工艺路线是对产品或 者零件在这个生产过程中的统一移动规划，而工序卡片和工步卡片则是对零件 内容的详细描述。所以零件的工艺变型设计应包括工艺路线、工序卡片、工步 卡片以及包含在各个卡片中的工序简图的变型。 工艺变型包括三种情况：零件模型没有发生结构特征的变化，只是特征 的尺寸参数或者零件的某些属性发生范围内的变化，在变型中工艺路线、工序 和工步的内容不变，只是随着零件尺寸参数或工艺参数的变化而改变工序或工 步中参数的数值；由于零件的某些特征参数发生较大的变化，使得原有的工 艺方法己经不适用于该零件实例，工艺路线内容必须发生改变，必须进行工序 的添加、工序的删除和工序的修正。例如，较大的尺寸变化、公差变化、粗糙 度变化等的；零件的结构特征发生了增减，使得原来的工艺方案不能完成新 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 零件的加工。如果是增加了特征，在变型时需要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：如果是减少了特征，在变型是只要删除 该特征的工艺加工部分。 零件的工艺变化是由零件的结构变化所引起的，工艺变化是受结构变化所驱 使的i z 4 1 。为了使零件的参数与工艺参数相关联并可以实现零件参数到工艺参数 的驱动，将影响零件变型和工艺变型的参数提取出来各自建立一张参数表，零 件结构尺寸和零件特征参数表之间可以相互驱动，零件特征表驱动零件工艺参 数表，工艺参数表驱动工艺变型。工艺参数表中的数据是机械加工工艺路线和 工序卡片中的参数，这些参数能够完整地表达零件的工艺特征特性、工艺路线 特性以及工序卡片特性，且与零件模型中的参数保持关系，这样，当零件模型 中的参数变化时，工艺参数表中的参数就会随之变化，来驱动工艺主文档中的 变量发生变化，实现工艺的变型设计。工艺变型原理如图2 3 所示： 图2 - 3 工艺变型原理 一般情况下工艺的变型是在零件变型的前提下进行，工艺变型属于被驱动 者，脱离了零件的工艺是没有意义的。因此，零件的几何变型和其工艺变型是 具有连续性的【2 4 1 。 武汉理工大学硕十学位论文 2 2 关键技术分析 2 2 1 工艺可借用度的度量 工艺具有相似、具有可借用性是进行工艺变型的前提条件和基础，只有待 设计零件与典型零件在工艺或者特征上存在一定程度的相似性，工艺变型设计 才有实现并利用的可能性。 其实在很多类型的c a p p 系统中都普遍存在问题就是知识的存储与获取效 率，在实例中存储知识，从实例中获取知识是一种高效的方法。随着c a p p 的不 断应用，工艺库中的实例工艺不断积累意味着工艺知识的不断增加和沉积，结 构化、分类化的实例工艺为工艺知识的提取和再利用提供了很大的方便。从大 量的工艺数据中整理、提炼出重用性高的工艺实例，最大限度的利用工艺实例 知识来提高新工艺的效率和质量是c a p p 应该提供的功能。 在基于3 d 的工艺变型设计中，工艺可借用度是度量典型工艺和待设计工艺 之间具有多大的相似度，是否可以有效的利用典型工艺，又尽可能少的对变型 后的工艺修改。工艺可借用度的度量一般基于以下两个的原则： ( 1 ) 零件几何尺寸的相似性。零件的几何尺寸关系到工艺参数的计算、 工艺资源的选择( 如：机床、刀具和夹具等等) 、工艺方法的选择等方面。一般 情况下，在同一制造环境下，同一系列零件下，零件的几何尺寸是度量工艺可 借用度的主要依据。但是在某些情况下，由于零件尺寸相差悬殊，虽然形状相 似，但是工艺上的相似度也不是很大。 ( 2 ) 工艺属性的相似性。除几何形状、尺寸外，往往还有其他一些影响 工艺方法的因素，如零件材料、表面热处理、精度要求、表面粗糙度、加工数 量和毛坯类型等等。在进行工艺设计时这些也是影响零件工艺路线的因素，所 以在判断零件工艺相似性时，有必要考虑这些工艺属性。 对一般的企业来说，尤其是一些回转体零件企业、标准件生产企业，产品 的相似度都非常高，有7 0 n8 5 【3 】，甚至更高的零件都是相似件，如图2 - 4 所 示。即使当零件的整体结构相似性不是很高的时候，构成零件的各个特征也会 有一定的相似性。具有相似的零件结构或者特征也就意味着具有部分相似的加 工方法和工艺规程。 1 2 武汉理： 人学硕+ 学位论文 图2 - 4 零件相似性分析 在基于3 d 的工艺变型设计中，为了实现工艺可借用度的度量，需要首先完 成两个内容：a ) 建立基本零件特征库和零件特征索引，建立基于零件特征的实 例分解和表示；b ) 建立典型工艺信息库和索引( 如热处理方法集，材料集等等) 。 2 2 2 工艺模型的设计与变型技术 工艺模型是工艺内容、工序简图以及尺寸公差等内容的工艺信息抽象表达， 是工艺内容在三维空间的图形和文字表达，是尺寸公差和尺寸链的三维空间的 数字表达。具体的说它主要包括：三维几何模型、工序简图、工艺路线和工艺 尺寸链。其中工序简图是工艺内容准确的图形表达，是工艺设计不可缺少的重 要部分，它是被三维几何模型所驱动的，当三维模型发生变化时，工序图也相 应发生变化；工艺尺寸链表是三维模型空间关系的映射，是工艺内容在空间上 的数字表达，工艺尺寸链受三维模型驱动。工艺模型是为了工艺人员直观的交 互的实现工艺设计，是工艺设计方便的储存。工艺模型的设计流程如图2 - 5 所 示，主要包括如下几个步骤。 ( 1 ) 工艺流程的规划。工艺流程是按照几何特征确定的零件详细加工路线、 加工方法的过程，是零件工艺设计的第一步。为了能够实现工艺路线的参数化 和变型，工艺路线必须是存储与计算机上并且与3 d 模型密切相关的，工艺资源 要是基于数据库的。为了提高工艺流程编制过程的可操作性，该过程必须是可 视化的完全可编辑的。 武汉理工大学硕十学位论文 产品模型配置 三维工艺模型 i 图2 - 5 参数化工艺模型设计 ( 2 ) 工序内容的设计。工序内容是零件加工的每一步详细描述，包括工艺 尺寸、加工余量、加工刀具和装备、工时、切削用量等等的详细设计。在3 d 参 数化工序模型中拾取需要工艺加工需要的尺寸和公差、设计合适的加工余量、 选取合适的加工刀具和装备、计算工时等一系列操作来完成工序内容的设计。 整个工艺设计过程完全置于产品三维模型下，将通常工艺内容中的叙述性文字 转化为具有产品数据意义的参数数据，不仅有效实现了填写工艺参数的自动化， 而且这些具有产品数据意义的参数数据直接为其它c a x 系统和企业m i s 系统所 共享，有利于实现全企业产品数据的管理。拾取的尺寸和公差与三维工艺模型 完全关联，而且将自动带到工艺过程卡、工序卡、操作指导卡、成品检验卡等 相关工艺文件和资料中。 ( 3 ) 工艺尺寸链的建立。工艺尺寸链是加工工艺在数值上的定量描述，工 艺尺寸链中的数据和工序简图是一一对应的，二者是对工艺的不同角度表述。 工序内容的设计过程中，拾取的零件尺寸和加工余量同时被记录并通过映射关 系后形成一张完整的参数表并被保存在数据库中。当改变3 d 模型时，该参数表 和工序简图会发生相应的变化。 ( 4 ) 工序简图的生成。借助三维c a d 软件，通过二维工程图设计模块，在 零件的可视化3 d 模型基础上通过添加加工尺寸、加工余量、装夹面等工艺信息， 生成一个二维的工序内容的表达。该过程被计算机记录下来并保存与数据库中， 在工序卡片的设计中可以直接插入卡片中。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 工艺变型技术 零件的工艺变型是在三维c a d 工具和加工特征工艺模板库的支持下，零件 工艺模型的变型、工艺内容的更新、二维卡片的更新等一系列变型的递进过程， 是一系列参数化的集合。与零件变型设计的实现相比，工艺的变型设计具有更 复杂的过程，不仅包括工艺路线、工序卡片、工步卡片等的变型，还包括工艺 资源、工艺规程等的决策。工艺路线的变型是对产品或者零件在这个生产过程 中的加工顺序的重新安排，而工序卡片和工步卡片变型则是对零件加工内容根 据零件尺寸的改变做出的相应改变，以及所需加工装备和刀具的重新选择。此 外，各卡片中的工序简图的变型也是工艺变型设计的一个重要部分。 影响零件加工工艺路线的主要因素是零件的加工特征，改变零件的加工特 征在一定程度上会改变零件的加工工艺路线。在一般情况下，零件的加工特征 与零件工艺中的加工工序是相对应的，一个特征的工艺可以对应一道或者几道 工序，如图2 6 所示。因此，通过分析零件加工特征工艺变型，便可以在加工 加工特征1h 叫特征工艺1 加1 = 特征2 卜刊 特征工艺2 加工特征3 卜刊特征工艺3 竺三竺竺! 陟叫竺兰三兰! 狲 关何f 系拓l 零件c a d 模型 图9 - 6 零件加工特征与工艺的关系 特征上支持零件的工艺变型。在结构、工艺性能相似的零件中，如果加工特征 和工艺特征的改变在一定范围内时，零件的工艺路线的改变只是参数大小的变 化，通过加工特征、工艺特征与工艺路线的参数映射即可达到变型要求。当加 霉重兰堕一 武汉理1 = 大学硕士学位论文 工特征和工艺特征的变化超过一定范围后，零件的工艺路线不仅参数发生了变 化，具体的工序内容也将发生相应的变化。 2 3 基于3 d 的工艺变型设计系统的框架 系统的构架可以概括为图2 7 所示。( 1 ) 系统的核心部分为c a p p 核心设计模 块和工艺变型设计模块，是进行设计、编辑以及修改工艺的交互式工具，是进 行运算、推理以及管理的实施者，是链接其他部分的基础。 ( 2 ) 设计数据库包 括工艺资源数据库、模板资源数据库、典型工艺数据库以及制造资源数据库。 ( 3 ) 服务定制模块。该模块是负责处理用户根据本厂的实际情况而做的工艺资 源定制，工艺模板定制以及操作流程定制，使系统更加易用。( 4 ) 工艺管理模 设计数据库 t 艺模| l 操作流 ：，、 0 板定制| | 程定制 ；fc a p p 核心设计模1 ， 、 工艺资源i 模板 管理 j 管理ii 工艺资l 定制 吼块。八 l 舌b ，k i i 典型t 工艺 皴钎耙h 弋 影 艺管理 管理 霉 c a p p 扩展功能模块 二次开发模块g 址燥成模块p d m 集成模块e r p 集成模块 图2 7 变型设计系统的构架 块包括工艺资源管理、工艺模板管理以及典型工艺模板管理。该模块负责管理 各类资源，使得系统工作更有效率更加人性化。( 5 ) 参数化工艺模型设计模块。 该模块是c a p p g , j 建工艺模型的工具，是c a p p 与c a d 的集成模块。( 6 ) c a p p 扩展 功能模块是智能化c a p p 必须的，是c a p p 功能扩展的条件和基础 1 6 武汉理：人学硕士学位论文 第3 章加工特征的工艺变型与工艺可借用度研究 31 加工特征的工艺变型研究 3 1 1 加工特征的内容与作用 在实际的加工中，零件都是由毛坯经过多道不司的加工方法逐渐得到的， 加工