（机械制造及其自动化专业论文）基于cbr的数控车削工艺设计.pdf

摘要 摘要 研究了基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g - - - - c b r ) 技术在 数控车削加工工艺中的应用当一个新的工件需要进行数控车削加工 时，利用基于实例推理的方法，可以把与之相似的某个已经加工的旧工 件的解决方案作为其建议解决方案。采用c b r 技术建立数控车削o a p p 系统，可以使得工艺设计、决策时间大大缩短，已有实践经验可以被更 好地利用。当前基于实例推理的o a p p 系统研究多集中于普通加工领域， 本文针对当前数控车削工艺设计系统，在此领域中应用o b r 设计方法， 开展了基于实例推理的o a p p 系统关键技术的研究。首先，本文研究了实 例推理中实例表达的形式及实例模型的建立，结合实例推理在工艺设计 中的需求，建立了一种能支持基于实例推理的工艺设计中零件实例的系 统模型。其次，考虑了零件加工工艺性，研究了实例零件的相似检索。 最后，本文对实例的修改做了初步的研究。通过本文的研究，作者认为 在数控车削工艺设计中采用基于实例推理技术，可以有效地解决工艺知 识获取“瓶颈”问题。 关键词：数控车削；基于实例推理；实例表达：实例检索 山东大学硕士学位论文 皇蔓皇_ 皇_ 喜皇置_ 置蔓鼍_ - 寡曼鼍_ 皇曼置_ 皇皇曼曼鲁_ 墨曼鼍_ 墨罾皇_ _ _ - 量舞_ 皇目_ 一i ii 目 a b s t r a c t c a s e b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) i sap r o b l e m - s o l v i n ga p p r o a c ho ft h e a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a n di t se s s e n c ei st os o l v ean e wp r o b l e mb y u s i n gt h es o l u t i o n s t ot h e o l dp r o b l e m s t h ea p p l i c a t i o no fc b ri nn u m e r i c a l c o n t r o lt u r n i n gp r o c e s s i n gf i e l di si n v e s t i g a t e d w h e nan e ww o r k p i e e e i st ob em a c h i n e db yn u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n g ，t h e c u t t i n gs o l u t i o n o ft h es u c c e s s f u l l ym a c h i n e do l dw o r k p i e c e ，s i m i l a rt ot h en e wo n e ， c a nb er e t r i e v e db yt h eu s eo fc b r ，a n db er e f e r e e dt o a st h e p r o p o s e ds o l u t i o n t ot h en e ww o r k p i e e e e s t a b l i s hn u m e r i c a l c o n t r o l t u r n i n g s y s t e mb y t h eu s eo fc b r ，c o u l d s h o r t e nt h et i m eo f c a p pa n dd e c i s i o n m a k i n g ，c o u l dm a k eu s eo fp r a c t i c ee x p e r i e n c eb e t t e r c u r r e n t l y ，r e s e a r c ho f c a p ps y s t e mo fc b rf a s t e no n g e n e r a l m a c h i n i n g p a p e ra i ma t c a p ps y s t e mo fn u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n g p r o c e s s i n gu s i n gc b r ，d e v e l o pr e s e a r c ho fc a p ps y s t e m o fc b r f i r s t l y t h i sp a p e rs t u d i e s t h ee x p r e s s i o na n db u i l d i n go fc a s e sm o d e l s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fp r o c e s sd e s i g no fc b r ，t h i sp a p e r a d o p t i n g c h a r a c t e r i s t i c t e c h n i q u e s ，b u i l d sa k i n d o fm o d e lt h a tc a n s u p p o r tc b rt e c h n i q u e s s e c o n d l y ，t h i sp a p e rg i v e sas e a r c h e sp r o c e s s o fg a s e s c o n s i d e r i n gt e c h n i q u e so fp a r t ，t h i sp a p e rp r o v i d eal i k e l i h o o d d e c i s i o nr u l eb a s e do nc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o c e s s e s d i r e c t i o n ，t h i s r u l e e n h a n c e st h ev e r a c i t yo fe a s em a t c h i n g ，i m p r o v e st h er e u s eo fe a s e s p r o c e s s ，l a s t l y ，t h i sp a p e rs t u d i e sp r e l i m i n a r i l y m o d i f i c a t i o no fc a s e s t h ea u t h o rt h i n k s t h a t a d o p t i n gc b rt e c h n i q u e st od e s i g np r o c e s sc a n r e s o l v et h e “k n o w l e d g eb o t t l e - n e c k ”p r o b l e m - k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lt u r n i n gp r o c e s s i n g ：c a s e b a s e d r e a s o n i n g ；c a s ee x p r e s s i o n ；c a s er e t r i e v e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 舨，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分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 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：避导师签名：皇坐蕴日期：兰卑：篁：奎 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及c a p p 技术 1 1 1 数控车削c a p p 系统 我国数控技术起步于1 9 5 8 年，“八五”和“九五”期间，我国国 产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机 床的国内市场占有率达5 0 ，配国产数控系统也达到了1 0 。当前，数 控机床在生产实践中所占比重越来越大。由于大多数机械产品是由车削 或铣削加工完成，数控车床可以加工种类繁多、结构较复杂的回转体零 件，因此数控车床得到广泛的应用。 数控车床加工受零件加工程序的控制。因此，数控车削工艺与普通 车床的工艺规程有较大区别，其工艺方案不仅要包括零件的工艺过程， 而且要包括走刀路线、切削用量、刀具尺寸的选择过程。技术人员不仅 要掌握数控系统的编程指令，还要熟悉数控车床的性能、特点、运动方 式、刀具系统、切削规范以及工件的装夹方法。在数控车床或车削加工 中心上加工零件，首先要根据零件图制订合理的工艺方案，然后才能进 行编程和加工。工艺方案的好坏不仅会影响数控车床效率的发挥。而且 将直接影响到零件的加工质量。尽管c a p p 技术经过多年研究取得了很大 进展，也开发出许多c a p p 系统，但已开发出的c a p p 系统多数是针对普通 加工领域。在数控加工方面，由于数控加工的工艺特点与普通机加工有 所不同，普通机床所适用的c a p p 系统并不能盲目的套用于数控加工领 域，使得在企业生产一线的c a p p 技术的应用受到了较大的限制。很多企 业花费大量资金购买了数控车床，却常按普通机床的切削用量进行生产 加工，以至先进的加工设备得不到充分利用，不能获得最大的经济和社 会效益，造成了巨大的浪费。由此可见，为生产企业提供系统实用的数 控车削工艺参数，改变企业“重设备、轻工艺”的状况，是目前机械行 业亟需解决的一个重要课题i l j 】。 1 1 2c a p p 的定义及构成 c a p p 是计算机辅助工艺设计的缩写，它是通过向计算机输入被加 山东大学硕士学位论文 工零件的几何信息( 结构形状、尺寸等) 和工艺信息( 加工要求、材料、 热处理、批量等) ，由计算机辅助工艺设计人员进行工艺规程设计并自动 输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程1 2 1 。它是将企业产品 设计数据转换为产品制造数据的一种技术，是计算机集成制造系统 ( c i m s ) 的重要组成部分。c a p p 在现代制造业中，具有重要的理论意义 和广泛迫切的实际需求。c a p p 系统的应用，不仅可以提高工艺规程设计 效率和设计质量，缩短技术准备周期，为广大工艺人员从繁琐、重复的 劳动中解放出来提供了一条切实可行的途径，使工艺人员可以更多地把 精力投入到工艺试验和工艺攻关过程中，而且用c a p p 系统迸行工艺设 计可以保证工艺设计的一致性、规范化，有利于推进工艺规程的标准化。 更重要的是工艺数据是指导企业物资采购、生产计划调度、组织生产、 资源平衡、成本核算等的重要依据，c a p p 系统的应用将为企业数据信息 的集成打下坚实的基础 4 1 。 c a p p 系统的构成，与其开发环境、产品对象、规模大小有关。图卜l 所示的系统构成是根据c a d c a p p c 矧集成的要求而拟定的，其基本模块 如下： 加工过程动态仿真 工艺过程设计模块lll 零件信息输入模块 壅型堕垒卜叫c a p p 卜一熊婆燮丛 工序决策模块jii 工步决策模块 n c 加t 指令生成模块 图i - ic a p p 系统基本构成框图 ( 1 ) 控制模块协调各模块的运行，实现人机之间的信息交流，控 制零件信息获取方式。 ( 2 ) 零件信息获取模块零件信息输入可以有下列两种方式：人工 2 第1 章绪论 交互输入，或从c a d 系统直接获取或来自集成环境下统一的产品数据模 型。 ( 3 ) 工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，生成工艺过程 卡。 ( 4 ) 工序决策模块生成工序卡。 ( 5 ) 工步决策模块生成工步卡及提供形成n c 指令所需的刀位文 件。 ( 6 ) n c 加工指令根据刀位文件，生成控制数据机床的n c 加工指 令。 ( 7 ) 输出模块可输出工艺过程卡、工序和工步卡、工序图等各类 文档，并可利用编辑工具对现有文件进行修改后得到所需的工艺文件。 ( 8 ) 加工过程动态仿真可检查工艺过程及n c 指令的正确性f5 1 。 1 1 。3c a p p 的基础技术 ( 1 ) 成组技术( g t )我国c a p p 系统的研究与开发可以说是与成 组技术密切相关，早期的c a p p 系统的开发一般多为以g t 为基础的变异 式c a p p 系统。 ( 2 ) 零件信息的描述与获取c h p p 与c a b 、c a m 一样，其单元技术 都是按照自己的特点各自发展的。集成化、智能化的c a d c a p p c a m 系统 中，零件信息( 几何拓扑及工艺信息) 的输入、生成与获取是关键问题。 ( 3 ) 工艺设计决策机制其核心为特征型面加工方法的选择，零件 加工工序及工步的安排及组合，故其主要决策内容为：工艺流程的决策、 工序决策、工步决策、工艺参数决策。为保证工艺设计达到全局最优化， 系统把这些内容集成在一起，进行综合分析、动态优化以及交叉设计。 ( 4 ) 工艺知识的获取及表示工艺设计随设计人员、资源条件、技 术水平、工艺习惯变化。要使工艺设计在企业内得到广泛有效的应用， 必须总结出适应本企业的零件加工的典型工艺及工艺决策的方法，按所 开发c a p p 系统的要求，用不同的形式表示这些经验及决策逻辑。 ( 5 ) 工序图及其它文档的自动生成。 ( 6 ) n c 加工指令的自动生成及加工过程动态仿真。 ( 7 ) 工艺数据库的建立。 山东大学硕士学位论文 1 2 国内外c a p p 系统研究综述 1 2 1 c a p p 系统发展历史 c a p p 系统的研究和发展经历了漫长曲折的过程。自从1 9 6 5 年 n i e b e l 首次提出c a p p 思想，迄今3 0 多年以来，c a p p 领域的研究得到 了极大的发展，期问经历了不同的发展阶段，按照其工作原理，c a p p 系 统可以分为检索式c a p p 系统、派生式c a p p 系统、创成式c a p p 系统、混 合式c a p p 系统、专家系统c a p p 系统、集成化c a p p 系统等类型1 6 1 。 1 2 1 ，1 检索式c a p p 系统早期的c a p p 系统为检索式系统。它事先将 设计好的零件加工工艺规程存储在计算机中，在编制零件工艺规程时， 根据零件图号或名称等检索出存有的工艺规程，获得工艺设计内容。这 类c a p p 系统自动决策能力差，但最易建立，简单实用，对于现行工艺规 程比较稳定的企业比较实用。检索式c a p p 系统主要用于已经标准化的工 艺过程设计。 1 。2 1 2 派生式c a p p 系统随着成组技术( g t ) 的推广应用，派生式 ( 变异式) c a p p 系统得到了开发和应用。派生式c a p p 系统以成组技术 为基础，按零件结构和工艺的相似性，将零件划分为零件族，并给每一 族的零件制定优化的加工方案和典型工艺过程。挪威早期推出的 a u t o p r o s 系统，美国麦克唐纳道格拉斯自动化公司与c a m - i 开发的 c a p p c a m i 系统，英国曼彻斯特大学开发的a u t o c a p 系统等都是典型的 派生式c a p p 系统。派生式c a p p 系统实质上是根据零件编码检索出标准 工艺，并在此基础上进行编辑修改，系统构建容易，有利于实现工艺设 计的标准化和规格化，而且有较为成熟的理论基础( 如成组技术等) ， 故开发、维护方便。变异设计的思想与实际手工工艺设计的思路比较接 近，此类系统比较实用。发展较快，取得了一定的经济效益。 1 2 1 3 创成式c a p p 系统7 0 年代中后期，美国普渡大学的w y s k 博 士在其博士论文中首次提出了基于工艺决策逻辑与算法的创成式c a p p ( g e n e r a t i v ec a p p ) 的概念，并开发出第一个创成式c a p p 系统原型 a p p a s ( a u t o m a t e dp r o c e s sp 1 a n n i n ga n ds e l e c t i o n ) 系统，c a p p 的 研究进入了一个新的阶段。创成式c a p p 系统能根据输入的零件信息，通 过逻辑推理、公式和算法等，作出工艺决策而自动地生成零件的工艺规 4 第1 章绪论 程【 。创成式c a p p 系统是较为理想的系统模型，但由于制造过程的离散 性、产品的多样性、复杂性、制造环境的差异性、系统状态的模糊性、 工艺设计本身的经验性等因素，使得工艺过程的设计成为相当复杂的决 策过程，实现有一定适应面的、工艺完全自动生成的创成式c a p p 系统具 有相当的难度，现有的系统多是针对特定的零件类型( 以回转体为主) 、 特定的制造环境的专用系统。 1 2 1 4 混合式c a p p 系统鉴于刨成式c a p p 系统设计开发中的困难， 随后研究人员提出了混合式c a p p ( h y b r i dc a p p ) 系统，它融合了派生 式和创成式两类c a p p 系统的特点。混合式c a p p 系统常采用派生的方法 首先生成零件的典型加工顺序，然后再根据零件信息，采用逻辑推理决 策的方法生成零件的工序内容，最后再人机交互式地编辑修改工艺规程。 目前混合式的c a p p 系统应用较为广泛。 1 2 。1 。5c a p p 专家系统进入8 0 年代，研究人员探讨将人工智能 ( a i ) 技术、专家系统技术应用于c a p p 系统中，促进了以知识基和智 能化为特征的c a p p 专家系统的研制。专家系统c a p p 与创成式c a p p 系 统主要区别在于工艺设计过程的决策方式不同：创成式c a p p 是基于“逻 辑算法+ 决策表”进行决策，专家系统c a p p 则以“逻辑推理+ 知识”为核 心，更强调工艺设计系统中工艺知识的表达、处理机制以及决策过程的 自动化【8 1 。1 9 8 1 年法国的d e s c o t t e 等人开发的g a r i 系统是第一个利用 人工智能技术开发的c a p p 系统原型，该系统采用产生式规则来存储加 工知识并可完成加工方法选择和工序排序工作。目前已有数百套专家系 统c a p p 问世，其中较为著名的是日本东京大学开发的t o m 系统，英国 u m i s t 大学开发的x c u t 系统以及扩充后的x p l a n 系统等。 1 2 1 6集成化c a p p 系统8 0 年代中后期，随着c i m 概念的提出和 c i m s 在制造领域的推广应用，面向新的制造环境的集成化、智能化以及 功能更完备的c a p p 系统成为新的研究热点，涌现出了集成化的c a p p 系 统，如德国阿亨工业大学e v e r s h e i m 教授等开发的a u t o t a p 系统；美国 普渡大学的h p w a n g 与w y s k 在c a d c a m 和a p p a s 系统的基础上，经 扩充推出的t i p p s ( t o t a l l yi n t e g r a t e dp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m ) 系 统以及清华大学开发的t h c a p p 系统等都是早期集成化c a p p 系统的典 5 山东大学硕士学位论文 范【9 1 。 1 2 2 c a p p 系统国内外研究综述 进入9 0 年代，随着产品设计方式的改进、企业生产环境的变化以 及计算机技术的进步与发展，c a p p 系统体系结构、功能、领域适应性、 扩充维护性、实用性等方面成为新的研究热点。例如基于并行环境的 c a p p 、可重构式c a p p 系统、c a p p 系统开发工具、面向对象的c a p p 系统、 c a p p 与p p s 集成均成为c a p p 体系结构研究的热点。人工神经网络( a n n ) 技术、模糊综合评判方法、基因算法等理论和方法也已应用于c a p p 的知 识表达和工艺决策中。与此同时，c a p p 系统的研究对象也从传统的回转 体、箱体类零件扩大到焊接、铸造、冲压等领域中，极大地丰富了c a p p 的研究内涵。 我国对c a p p 的理论研究和系统开发虽然起步较晚，但发展很快， 出现了大量的学术性和实用性的各类c a p p 系统。国内高校例如同济、 清华、北航、南航、华中科大、西安交大、上海交大、西北工大等在c a p p 的研究和开发方面起步较早，取得了卓有成效的成果，对我国c a p p 的研 究、普及和推广应用起到了很好的推动作用。比较有代表性的c a p p 系 统有t o j i c a p p 、t h c a p p 、b h c a p p 、b i t c a p p 、n h c a p p 、x j d c a p p 、h u s tr c a p 等。在9 0 年代中后期，国内几家从事制造业软件开发与系统集成服务 的公司在消化吸收c a p p 研究成果的基础上，并结合我国企业的实际需 求，陆续推出了不少商品化的c a p p 系统，代表性的有开目c a p p 、天河 c a p p 、思普c a p p 、金叶c a p p 、大天c a p p 、艾克斯特c a p p 、天喻c a p p 等， 并分别在企业得到了不同程度的应用。据不完全统计，目前我国自行研 制开发的不同类型的c a p p 系统已达1 0 0 余套。国内c a p p 研究的深入程 度、覆盖面和发展水平已跻身国际先进水平【l o 】。 1 3 c a p p 的发展趋势 随着现代集成制造技术、制造业信息化技术的发展及其在我国制造 业的推广和应用，三维c a d 技术正在成为企业产品创新设计和数字化设 计制造的基础平台，这对工艺设计方式、工艺资源及制造数据的管理模 式等产生了重大影响，也为c a p p 应用提出了新的课题。现代c a p p 的发 展正在逐步体现现代先进制造思想，向基于网络化和数字化环境、以信 6 第1 章绪论 息集成和工艺知识为主体、实现工艺设计与信息管理一体化的制造工艺 信息系统发展【n 】。当前。国内外c a p p 技术的研究及发展趋势可归纳为 以下方向： 1 3 1面向行业的c a p p 应用解决方案与开发技术 尽管不同企业c a p p 应用需求差别较大，但同一行业内的产品工艺及 设计管理模式具有较大的相似性。因此，有必要建立面向行业的c a p p 应用参考模型，具体包括：工艺信息模型、功能模型、资源模型、组织 模型、过程模型等，并以此为基础。提供面向行业的c a p p 工艺解决方案。 1 3 2c a p p 快速开发应用技术及工具 尽管目前商品化c a p p 系统已得到较好应用，但为了满足企业的深层 次需求，c a p p 系统开发和实施周期长的问题依然存在，为了使c a p p 在 企业能够快速实施、开发和应用，需研究c a p p 快速开发技术及提供快速 定制与开发工具。 1 3 3c a p p 标准化技术研究 建立c a p p 系统的功能定义集合和标准，解决c a p p 系统的功能定义 标准化及系统体系框架描述标准化问题。基于c a p p 基本功能定义及系统 体系框架，对企业c a p p 的需求进行分析，形成标准化和规范化的描述， 包括工艺设计与管理以及工艺信息集成等需求，解决企业在c a p p 系统开 发中对需求定义的完整性和一致性差的问题。 1 3 。4 基于知识的额型智能化工艺设计技术 目前，以交互式为基础，建立丰富的工艺知识库，并应用各种人工 智能技术，实现各阶段各种有效的智能化在线辅助，仍是c a p p 发展的重 要目标之一。 1 3 5 基于网络和数据库环境的集成技术 在制造企业中，制造过程数据包括工艺数据、生产计划数据、生产 过程数据等，其中工艺数据是基础和源头。现阶段，对制造过程数据管 理及集成研究仍落后于企业的需求，是制约企业信息化、网络化、集成 化建设的“瓶颈”之一。 1 3 6c a p p p d m e r p 集成技术 c a p p 与p d m 、e r p 系统的集成是企业应用集成的核心部分之一。c a p p 7 山东大学硕士学位论文 作为制造企业工艺信息化的基础平台，应在各个层次上满足企业对工艺 信息的集成与共享需求。 1 3 7 开放的工艺资源管理模式及技术 在工艺设计中，所涉及的工艺资源包括：工艺方法、机床设备、原 材料、工艺装备、工艺参数等。上述工艺资源不仅是制定工艺计划的重 要依据，更是企业其它技术和管理决策的基础。因此，企业必须建立开 放的、可重构的工艺资源管理模式。 1 3 8 支持三维c a d 的c a p p 系统及应用 三维c a d 的应用对工艺设计方式、工艺资源及制造数据管理模式等 产生了重大影响，基于三维c a d 的数控工艺设计、工装设计、工艺资源 管理等成为企业工艺信息化新的应用需求，因此迫切需要研发支持三维 c a d 的c a p p 系统及应用，这是c a p p 应用的一个功能拓展。 1 4 课题来源及意义 我国数控技术起步于1 9 5 8 年，近5 0 年的发展历程大致可分为3 个 阶段：第一阶段从1 9 5 8 年到1 9 7 9 年，即封闭式发展阶段。在此阶段， 由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制。数控技术的发展较为缓 慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期， 即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于 改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数 控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第 三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研 究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了 实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达5 0 ， 配国产数控系统也达到了l o 。 尽管c a p p 技术经过多年研究取得了很大进展，也开发出许多c a p p 系统，但己开发出的c a p p 系统多数针对普通加工领域。当前，数控机床 在生产实践中所占比重越来越大，在数控加工方面，由于数控加工的工 艺特点与普通机加工有所不同，普通机床所适用的c a p p 系统并不能盲目 的套用于数控加工领域，使得在企业生产一线的c a p p 技术的应用受到了 第1 章绪论 较大的限制。由于大多数机械产品是由车削或铣削完成，数控车床可以 加工种类繁多、结构较复杂的回转体零件。较复杂回转体零件不仅包含 圆柱面、圆锥面等回转体形状特征，还包含键槽、花键、螺纹等非回转 体形状特征。其工艺设计过程比某些非回转体零件还要复杂。因此，数 控车削工艺设计的研究与开发具有重要的意义。 本课题对基于实例的推理技术在数控车削c a p p 系统中的应用进行 了探讨。基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 技术的出现，给 c a p p 的发展提供了一个新的思路。当一个新的零件需要进行切削加工 时，可能不太容易选择出实用且最优的刀具以及切削参数。这时，以往 成功的数控车削加工实例对新工件的加工工艺就有着非常重要的参考意 义。利用基于实例推理的方法，把数控车削加工实例数据存储到实例库 中，如果某个已有实例的数控车削加工工艺在某些方面与新零件类似， 那么，该实例的解决方案就可以作为新零件的建议解决方案。虽然这个 建议解决方案不一定是最优的，但它是接近于最优解决方案的。若根据 新工件的实际情况及相应的领域知识、经验等，对其进行适当的修正， 就可能找到更接近于最优的解决方案。尤其是当积累的经验和实例越来 越多时，越容易找到与新工件类似的已有实例，也就越容易找到适用于 新零件的接近最优的解决方案。同时，由于基于实例推理具有自学习功 能，本课题所建立的基于实例推理的数控车削c a p p 系统可以自动收集新 的相关数据，从而使所建立的数控车削c a p p 系统更贴近生产实际，更加 实用。 1 5 本课题的主要研究内容与结构 1 5 1本课题的主要研究内容 本文的主要研究内容是基于实例推理的数控车削零件c a p p 系统。研 究思路是利用基于实例推理方法描述已有数控车削零件的零件信息和工 艺信息，然后采用分层次最近邻居法从实例库中检索与新加工零件相似 的数控车削零件实例。接下来采用最相似的几个相似零件的工艺方案作 为c b r 的改写参考，改写这些工艺方案将其作为新加工零件的工艺方案。 9 山东大学硕士学位论文 1 5 2 本课题的结构 本文的结构如下： ( 1 ) 第l 章，简要介绍课题相关研究背景，阐述课题的目的、来源、 意义，综述c a p p 系统研究现状、发展趋势，简要说明本课题的主要研究 内容与论文结构。 ( 2 ) 第2 章，介绍数控车削加工原理，分析影响数控车削加工的各 个因素。 ( 3 ) 第3 章，介绍了基于实例的推理技术原理、工作过程、关键技 术以及研究现状；提出数控车削c a p p 系统的c b r 模型、体系结构以及系 统总体流程。 ( 4 ) 第4 章，采用基于特征表面描述的方法来描述零件实例，分析 实例的索引信息和工艺信息两部分组成，并将零件索引信息分成三个层 次；零件级信息、形状级信息以及特征信息；将工艺信息分为刀具信息、 切削用量信息、数控程序信息以及工序信息，并对数控程序信息进行了 详细分析。 ( 5 ) 第5 章，提出了分层次最近邻居检索法。分别叙述了零件总体 信息相似度，零件特征的相似度检索计算。 ( 6 ) 第6 章，对数控车削实例修改与保留进行简要叙述。 ( 7 )结论，进行全文总结，提出课题研究的特点和不足。 i o 第2 章数控车削加工工艺分析 第2 章数控车削加工工艺分析 数控车床是随着现代化工业发展的需求在普通机床的基础上发展起 来的，其加工工艺、所用刀具等与普通车床同出一源，但不同的是数控车 床的加工过程是按预先编制好的程序，在计算机控制下自动执行的。数 控车床与普通车床相比，加工效率和加工精度更高，可加工的零件形状 更复杂，加工工件的一致性更好。数控车削适合于加工精度、表面粗糙 度要求较高，轮廓形状复杂或难于控制尺寸、带特殊螺纹的回转体零件。 普通车床的加工工艺是由操作者操控机床一步一步实现的，数控机床的 加工工艺是预先在所编制的程序中体现，由机床自动实现。合理的加工 工艺对提高数控机床的加工效率和加工精度至关重要。由于数控车床加 工受零件加工程序的控制，因此，数控车削工艺与普通车床的工艺规程 有较大区别。其工艺方案不仅要包括零件的工艺过程，而且要包括走刀 路线、切削用量、刀具尺寸、车床的运动过程。技术人员不仅要掌握数 控系统的编程指令，还要熟悉数控车床的性能、特点、运动方式、刀具 系统、切削规范以及工件的装夹方法。在数控车床或车削加工中心上加 工零件，首先要根据零件图制订合理的工艺方案，然后才能进行编程和 加工。工艺方案的好坏不仅会影响数控车床效率的发挥，而且将直接影 响到零件的加工质量h 2 。 2 1数控车削加工原理 金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具要从工件上切去 一部分金属，并在保证生产率和低成本的前提下，使工件得到符合技术 要求的形状、尺寸精度和表面质量；为了实现这一切削过程，必须具备 以下三个条件： ( 1 )工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动： ( 2 )刀具材料必须具各一定的切削性能； ( 3 )刀具必须具有适当的几何参数【1 3 l 。 金属从工件表面上切下来必须要有相对的切削运动，切削运动通常 按其所起的作用可分为两种： ( 1 ) 主运动使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本运 山东大学硕士学位论文 动，称为主运动。这个运动的速度最高，消耗功率最大。主运动通常只 有一个。 ( 2 ) 进给运动使主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便 形成工件表面所需的运动，称为进给运动。进给运动可能不只一个，但 所消耗的功率都比主运动要小。 车削主要用来加工各种回转表面，如外圆、内圆、锥面、平面、螺纹 等，车削加工的主运动就是工件装夹在主轴上的旋转运动，进给运动是 刀具的直线进给。 2 1 1数控切削加工特点 数控车床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方 法上，与普通机床是基本相同的，最根本的不同在于实现自动化控制的 原理与方法上【1 2 】。数控车床是用数字化的信息来实现自动化控制的，将 与加工零件有关的信息一一工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数、切削 加工的工艺参数以及各种辅助操作等加工信息用规定的文字、数字和符 号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制 介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工 程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。与普通切削加工相比， 数控车削加工在高难度加工、高精度加工、高效率完成加工方面更具特 色。 2 1 2 数控车削的主要加工对象 数控车削主要用来加工如下零件： ( 1 )要求高的回转体零件包括精度要求高的零件；表面粗糙度 好的零件；超精密、超低表面粗糙度的零件。 ( 2 )表面形状复杂的回转体零件由于数控车床具有直线和圆弧 插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线插补功能，所以可以车 削由任意直线和平面曲线组成的形状复杂的回转体零件和难以控制尺寸 的零件，如具有封闭内成型面的壳体零件等1 2 l 。 ( 3 )带横向加工的回转体零件带有键槽或径向孔，或端面有分 布的孔系以及有曲面的盘套或轴类零件，如带法兰的轴套、带有键槽或 方头的轴类零件等，这类零件宜选车削加工中心加工。 第2 章数控车削加工工艺分析 ( 4 ) 带一些特殊类型螺纹的零件数控车床不但能车任何等节距 的直螺纹、锥螺纹和端面螺纹，而且能车增节距、减节距，以及要求等 节距、变节距之间平滑过渡的螺纹和变径螺纹。 2 1 3 数控车削加工方案的拟定 数控车削加工方案的拟定是制订车削工艺规程的重要内容之一，其 主要内容包括：选择各加工表面的加工方法、安排工序的先后顺序、确 定刀具的走刀路线等。技术人员应根据从生产实践中总结出来的一些综 合性工艺原则，结合现场的实际生产条件，提出几种方案，通过对比分 析，从中选择最佳方案。在设计零件的加工工艺规程时，首先要对加工 对象进行深入分析。对于数控车削加工应考虑以下几方面【1 0 】： ( 1 )构成零件轮廓的几何条件在车削加工中手工编程时，要计 算每个节点坐标；在自动编程时，要对构成零件轮廓所有几何元素进行 定义。因此在分析零件图时应注意：零件图上是否漏掉某尺寸，使其几 何条件不充分，影响到零件轮廓的构成；零件图上的图线位置是否模糊 或尺寸标注不清，使编程无法下手；零件图上给定的几何条件是否不合 理，造成数学处理困难。零件图上尺寸标注方法应适应数控车床加工的 特点，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。 ( 2 )尺寸精度要求分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否 利用车削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法。在该项分析过程 中，还可以同时进行一些尺寸的换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链 计算等。在利用数控车床车削零件时，常常对零件要求的尺寸取最大和 最小极限尺寸的平均值作为编程的尺寸依据。 ( 3 ) 形状和位置精度的要求零件图样上给定的形状和位置公差 是保证零件精度的重要依据。加工时，要按照其要求确定零件的定位基 准和测量基准，还可以根据数控车床的特殊需要进行一些技术性处理， 以便有效的控制零件的形状和位置精度。 ( 4 ) 表面粗糙度要求表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重 要要求，也是合理选择数控车床、刀具及确定切削用量的依据。 ( 5 ) 材料与热处理要求零件图样上给定的材料与热处理要求， 是选择刀具、数控车床型号、确定切削用量的依据。 山东大学硕士学位论文 自! 自目目_ i li - 2 2 影响数控车削加工的因素 数控车削加工过程中涉及的数据信息比较复杂，要考虑的因素非常 多，工件、刀具、机床、切削液、切削用量、刀具寿命、加工成本、加 工精度和表面质量等信息量非常大，把它们全部收集到数控车削数据库 中来是不必要的，也是不现实的。在建立数控车削数据库之前，需要对 这些数据信息进行讨论研究，确定信息需要如何处理，以及如何表示， 才能易于实现。在数控切削加工领域，某些工艺方案比如选择切削刀具 时，刀具类型可很简单地通过应用规则来确定，但数据的确定，就很难 用简单有效的规则来确定。甚至，有时使用某些已经存在的规则可能导 致错误的结论。这些对象及其属性之间的关系虽然其中某些可用简单的 规则来确定，但是其中很多是错综复杂的，很难简单地用公式或规则来 表示清楚，如加工成本与刀具寿命、切削用量、加工精度和表面质量之 间的关系就根本不能找出实用的公式来简单清楚地表示。另外，加工过 程中还会出现其它意想不到的因素，这些因素对目标的影响更是无法简 单地用公式或规则表示【1 4 】。 2 2 1工件信息 2 2 1 1工件材料将工件材料分为1 5 类，分别是：碳素钢、低合金 钢、高合金钢、超硬钢、铸钢、不锈钢、可锻铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、 铁基耐热合金、镍基耐热合金、钴基耐热合金，钛合金、铝合金、铜及 其合金；每一类工件材料又细分为不同的小类，分别以相应的分类代号 表示。工件材料类别及分类代号如表2 1 所示【”】： 2 2 1 2 加工面特征将数控车削零件的加工面分为九种特征，即：外 圆柱、外圆锥、圆弧面、成形面、中心孔、钻削孔、镗削孔、环形槽、 螺纹等。 2 2 1 3 热处理状态热处理状态可细分为淬火、正火、回火、退火等。 2 2 1 4 工件类型数控车削零件可分为轴套类、轮盘类和其它类三种 类型。一般将长径比大于l 的视为轴类零件，其中，长径比大于2 0 2 5 的为细长轴；将长径比小于l 的视为轮盘类零件。 1 4 第2 章数控车加工工艺分析 表2 - i工件材料类别及分类代号 类别组别代号状态成分 l碳索钢 p0 l - 0 lc ：0 1 0 2 5 0 1 0 2c ：0 2 铷5 5 0 l 躬c ：0 5 5 - - 0 8 0 1 - 0 4c ：0 8 2 低台金钢p 0 2 o l非淬火 合金元素5 o 凇淬火加回火 3高合金钢 p0 3 - o l退火 合金元素 5 0 3 0 2退火工具钢 4 淬硬钢h0 4 - 0 1 淬火+ 回火 5不锈钢m0 5 0 l l非淬火 铁索伽马氏体 0 5 0 1 2 p h 淬火 锻造 0 5 - 0 1 3淬火 0 5 - l l l非淬火 铁索俯马氏体 0 5 1 1 2 p h 淬火 铸造 0 5 1 1 3淬火 0 5 0 2 l非淬火奥氏体 0 5 0 2 2p h 淬火 锻造 0 5 啦3淬火? 无解释 0 5 1 2 1 无解释 奥氏体 0 5 1 2 2 p h 淬火铸造 0 5 - 1 2 3无解释 0 5 - 0 5 1 不可焊0 0 5 c 、锻造奥氏体铁索体( 双 0 5 0 5 2锻造 相) 0 5 1 5 l不可焊 0 0 5 c 、铸造 奥氏体铁素体( 双 0 5 - 1 5 2 口r 焊 o 0 5 c 、铸造相) 6 铸钢 p0 6 - 0 1非合金 0 鲫2低合金 o f 加3高合金 2 2 2 数控车削刀具 2 2 2 1整体式数控车削刀具类型数控车削车刀常用的车刀的刀位 点如图2 - 1 所示，其中( a ) 是9 0 。偏刀，( b ) 是螺纹车刀，( c ) 是切 断刀，( d ) 是圆弧车刀。 刀位点 瓣 1 )( b c )( 由 图2 - 1 车刀的刀位点 1 5 山东大学硕士学位论文 数控车削用的车刀一般分为三类：即尖形车刀、圆弧形车刀和成型 车刀。 ( 1 )尖形车刀 以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车 刀。这类车刀的刀尖( 同时也为其刀位点) 由直线形的主、副切削刃构成， 如9 0 。内、外圆车刀，左、右端面车刀，切槽( 断) 车刀及刀尖倒棱很小 的各种外圆和内孔车刀。用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主 要由一个独立的刀尖或一条直线形主切削刃位移后得到。 ( 2 )圆弧形车刀 圆弧形车刀如图2 2 所示，圆弧形车刀的特 征是：构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆 弧。该圆弧刃上每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧 上，而在该圆弧的圆心上，编程时要进行刀具半径补偿。圆弧形车刀可 以用于车削内、外圆表面，特别适宜于车削精度要求较高的凹曲面或大 外圆弧面。 图2 2圆弧形车刀 ( 3 ) 成型车刀成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状 完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成型车刀 有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽 量少用或不用成型车刀，当确有必要选用时，则应在工艺准备的文件或 加工程序单上进行详细说明。 2 2 2 2可转位车刀的选择 为了减少换刀时间和方便对刀，便于实 现机械加工的标准化，数控车削加工时，应尽量采用机夹刀和机夹刀片， 机夹刀片常采用可转位车刀。这种车刀就是把经过研磨的可转位多边形 刀片用夹紧组件夹在刀杆上。车刀在使用过程中，一旦切削刃磨钝后， 通过刀片的转位，即可用新的切削刃继续切削，只有当多边形刀片所有 的刀刃都磨钝后，才需要更换刀片 1 6 髫 第2 章数控车削加工工艺分析 ( 1 ) 刀片材质的选择常见刀片材料有高速钢、硬质合金、涂层 硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金钢石等，其中应用最