（机械制造及其自动化专业论文）支持云制造的加工行为建模与实现研究.pdf

支持云制造的加丁行为建模与实现研究 摘要 基于云制造模式对加工行为建模与实现进行研究，将加工行为作为制造服务提供给 设计者，对设计提供实时的制造资源服务；并将加工行为作为机床的出厂配置文件，方 便加工行为服务支持系统的资源添加。本研究面向设计制造的一体化，缩短了产品设计 制造的周期，满足市场多变的需求。 综合分析了零件设计与制造过程中各种信息的相互关联性，提出了加工行为的概 念，给出了加工行为的定义与描述。并基于机床资源对加工行为进行建模，制定建模标 准，实现机床资源与加工行为的相互关联。 根据云制造提供服务模式的概念，建立了基于云制造模式的加工行为服务支持系统 框架，将加工行为作为服务提供给设计者。完成了加工行为管理器的实现，包括加工行 为的添加与删除、加工行为的选择，以及加工行为的实现，并制定了加工行为的实现算 法。研究了加工行为的重组原理，采用产生式规则知识体系给出了加工行为的重组方法。 开发了加工行为服务支持软件系统，完成了各模块的具体实现，包括主程序模块、 接收并判断指令模块、加工行为管理模块、加工行为选择模块，加工行为实现模块和加 工行为重组模块：并且实现了各模块之间的连接以及系统的接口定义。 通过具体实例验证了加工行为服务支持系统的可行性与实用性。当加工行为是普通 机床的行为时，能生成加工工艺；当加工行为是数控机床的行为时，能生成数控代码； 当加工行为重组时能对加工工艺或数控代码分别进行重组，获得整体的工艺文件或新的 数控代码。 关键词：加工行为；云制造模式；制造资源；知识表示：资源约束 支持云制造的加t 行为建模与实现研究 a bs t r a c t r e s e a r c ho nt h em o d e l l i n ga n dr e a l i z a t i o n so ft h ep r o c e s s i n ga c t i o n sb a s e do nt h ec l o u d m a n u f a c t u r i n gm o d ei sc a r r i e do u t t h ep r o c e s s i n ga c t i o n sa r ec a p a b l eo fb e i n gas o r to f m a n u f a c t u r es e r v i c ep r o v i d i n gf o rd e s i g n e r s ，w h i c hi sb e n e f i tf o rp r o v i d i n gar e s o u r c eo f m a n u f a c t u r es i m u l t a n e o u s l y , a n dm o r e o v e r , c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n c eo fa d d i n gm o r e i n f o r m a t i o ni n t ot h es y s t e ms u p p o r t i n gt h ep r o c e s s i n ga c t i o n ss e r v i c e t h e s ea c t i o n sw i l lb e e x p o r t e da st h ee s s e n t i a la t t a c h m e n t so fm a c h i n et 0 0 1 t h es t u d yt a k e st h ei n t e g r a t e dd e s i g n a n dm a n u f a c t u r ea st h et a r g e t ，w h i c hc a nc o n t r i b u t et os h r i n kt h ep e r i o do fp r o d u c t sd e s i g n i n g a n dm a n u f a c t u r i n ga n ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf r o mm a r k e to fb e i n gc h a n g e ds h a r p l y t h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na l ls o r t so fi n f o r m a t i o ne x i s t i n g i i lt h ep r o c e s so fp a r t sd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gi sg i v e n ，a n dt h ep r o c e s s i n ga c t i o ni s d e s c r i b e da n dd e f i n e d o nt h eb a s i so ft h er e s o u r c eo ft h em a c h i n et o o l ，p r o c e s s i n ga c t i o n sa r e m o d e l l e d ，s t a n d a r do ft h em o d e li sf o r m u l a t e d ，a n dt h er e s o u r c eo ft h em a c h i n et o o li sr e l a t e d t ot h e s ep r o c e s s i n ga c t i o n s t h e f r a m e w o r ko ft h e s y s t e ms u p p o r t i n g t h e p r o c e s s i n g a c t i o ns e r v i c ei ss e tu p a c c o r d i n gt ot h es e r v i c em o d eo f f e r e db yt h ec l o u dm a n u f a c t u r i n g ，a n dt h ep r o c e s s i n ga c t i o n i sm a d e 嬲as e r v i c ef o rt h ed e s i g n e r s t h ep r o c e s s i n ga c t i o na d m i n i s t r a t o rw h i c hi n c l u d e st h e f u n c t i o n so fa d d i n g ，d e l e t i n g ，s e l e c t i n ga n dr e a l i z i n gt h ep r o c e s s i n ga c t i o n s ，a n dt h ea l g o r i t h m o fr e a l i z i n gt h ep r o c e s s i n ga c t i o n si sf o r m u l a t e d t h er e c o m p o s i n gt h e o r yo fp r o c e s s i n g a c t i o n si sr e s e a r c h e d r e c o m p o s i n gm e t h o d sa r ea c c o m p l i s h e db yt h eu s eo fad e s c r i p t i o n a c c o r d i n gt op r o d u c i n gr u l e s t h ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e ms u p p o r t i n gp r o c e s s i n ga c t i o n si sc o m p l e t e dt o g e t h e r 、 ，i t l l t h er e a l i z a t i o n so fa l lk i n d so fm o d u l e s ，w h i c hi sm a i n l yc o m p o s e do f m o d u l e so fp r i m a r y p r o g r a m ，r e c e i v i n ga n de s t i m a t ed i c t a t e s ，p r o c e s s i n ga c t i o n sm a n a g i n g ，p r o c e s s i n ga c t i o n s s e l e c t i n g ，p r o c e s s i n ga c t i o n sr e a l i z i n ga n dp r o c e s s i n ga c t i o n sr e c o m p o s i n g a l s o ，d e f i n i t i o n s o fs y s t e mi n t e r f a c ea n dl i n k sb e t w e e nm o d u l e sa r ed o n e e v e n t u a l l y , t h ea v a i l a b i l i t yo ft h e s y s t e mi sv a l i d a t e dt h r o u g hs p e c i f i cp a r t s e v e n t u a l l y , t h ea v a i l a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h es y s t e ms u p p o r t i n gt h es e r v i c eo f p r o c e s s i n ga c t i o n sa r es u c c e s s f u l l ye s t i m a t e da n dv e r i f i e db ys p e c i f i cp r a c t i c a lc a s e s w h e n p r o c e s s i n g a c t i o n sa r et h o s eo fn o r m a lm a c h i n et o o l s ，p r o c e s s i n gp r o c e d u r e sc a n b e g e n e r a t e d ；w h e np r o c e s s i n ga c t i o n sa r et h o s eo fn u m e r i c a lc o n t r o l l i n gm a c h i n et o o l s ，t h e n u m e r i c a lc o n t r o l l i n gc o d e sa r ep r o d u c e da sar e s u l t ；w h e np r o c e s s i n ga c t i o n sa r er e c o m p o s e d ， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 t h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa n dn u m e r i c a l c o n t r o l l i n gc o d e sa r ea b l et ob er e c o m p o s e d s e p a r a t e l y s ot h a tt h e i n t e g r a t e dp r o c e s s i n gp r o f i l e so rt h en e wc o d e sf o rn u m e r i c a l c o n t r o l l i n ga l ea b l et ob eg o t k e y w o r d s ：p r o c e s s i n ga c t i o n ；c l o u dm a n u f a c t u r i n gm o d e ；m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ； k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ；r e s o u r c ec o n s t r a i n t 第1 章绪论 第1 章绪论 基于制造业对国民经济、国防安全的重要性，制造业的智能化发展是国家极为重要 的发展计划。当今机械制造业，为适应多品种、小批量的生产方式，满足市场多变的需 求，缩短产品设计制造的周期，研究符合企业生产实际、满足企业生产能力的设计制造 一体化系统尤为重要。 近年来，云制造模式的研究逐渐受到重视，支持云制造的加工行为服务支持系统将 面向设计制造一体化，为设计提供实时的制造资源服务，在设计之初就给出所设计特征 的可制造性，并给出基于加工行为的工艺文件。 由于加工行为与机床资源的对应性，一个加工行为唯一对应一台机床，因此可将加 工行为作为机床的一个出厂配置文件，制定相应规则就能在机床出厂时提供相应的加工 行为动态链接库。本研究在程序设计方面采用自动循环功能，实现无人值守，对设计提 供实时的制造资源服务；并实现程序的模块化与可移植性。 制造业是国民经济和国防安全的重要支柱，是国家综合实力的基础，是国家工业化 的战略性产业。1 9 8 6 年，c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 作为国家高技 术研究领域发展计划( 8 6 3 计划) 中自动化领域的一个主题在我国开始提出。我国的c i m s 研究具有强调“系统发展模式”、强调系统分析和建模、强调协同、强调集成和优化， 并将系统论作为贯穿整个研究和发展主线的特色【1 1 1 2 3 】【4 1 。 目前，国内外制造业有一个共同的趋势：有经验的、熟练的工艺设计人员越来越少， 而多品种、小批量的生产方式在当今机械制造业的市场起着越来越重要的主导地位。各 制造企业为适应市场快速多变的要求，急需缩短产品设计和生产的整个周期。目前，随 着柔性制造系统f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ) 及计算机集成制造系统c i m s 的发 展，人们日益认识到计算机辅助工艺过程设计c a p p 是实现c a d c a p p c a m 真正集成的 关键，是企业整个产品零件生命全周期信息交换的中心环节。只有实现了从产品设计、 工艺设计和产品制造的全过程信息数据的共享与自动化，才真正实现c a d c a p p c a m 的系统集成1 5 j 。 2 1 世纪以来，中国政府已将“制造业信息化作为实现国家新型工业化道路的战略 举措。制造业信息化的发展总趋势是数字化、智能化、网络化、集成化、敏捷化、绿色 化和服务化。目前“服务、知识创新、资源环境”【6 l j 下成为制造业竞争力的最关键、最 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 核心因素。 制造企业为应对知识经济和制造全球化的挑战，并依赖高新技术应用的推动，正逐 步实施以快速响应市场需求、提高企业群体竞争力为主要目标的先进制造模式。例如： 敏捷制造【7 】【8 1 、制造网格( m 嘶d ) 9 】【10 1 、应用服务提供商( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ， a s p ) 1 1 】【1 2 1 和全球化制造( g l o b a lm a n u f a c t u r i n g ) t 1 3 】【1 4 1 等为代表的网络化制造模式。网络化 制造是将先进的信息技术、网络技术与制造技术相结合，形成面向企业需求的基于网络 技术的先进制造系统。网络化制造系统，突破空间、地域对企业生产经营方式和范围的 约束，实现覆盖产品全生命周期的全部或部分，如采购、管理，产品设计、制造和销售 等业务活动，实现企业间的协同，对社会及企业的各种资源进行集成与共享，低成本高 质量并且高效地为市场提供所需的产品和服务【1 5 】。 然而，当前的网络化制造虽然实现了企业问基于网络技术的业务协同设计制造，但 其仍然是一个独立系统，只实现了局部应用，缺乏智能化的客户端和有效、安全的商业 运营模式【l 引，并且只能根据固定的资源与服务提供已知的、现有的解决方案，缺乏动态 性。 制造网格的目的是为跨企业、跨地域分布的制造资源提供一种资源的汇聚、发现、 优化配置和协同工作的环境，完成用户提交的任务，其服务模式主要是“多对一 的形 式，即多个跨企业、跨地域分布的资源为一个用户或任务服务，能够在分布、异构的制 造资源动态组成的虚拟环境中完成服务任务【1 1 7 1 。制造网格强调的是“分散资源集中使用” 的思想，缺乏商业运营空间。 应用服务提供商( a s p ) 技术较好的解决了广大中小企业存在的物流活动各环节业 务中信息交互不及时、管理活动协同性差和应用系统化信息化软件成本等问题。但由于 a s p 采用的是远程服务租赁模式，在用户端智能性和数据安全性方面存在不足，导致广 泛的应用和推广存在困难引。 基于以上制造模式的局限性，研究学者最新提出了一种面向服务的网络化制造新模 式云制造( c l o u dm a n u f a c t u r i n g ，c m ) 。云制造模式主要是面向制造业，把产品设计 制造所需要的所有制造资源，包括软件、硬件都整合到一起，形成云制造服务中心。所 有连接到此服务中心的企业用户，都可以向云制造中心提出包括产品设计、零件制造和 资源管理等制造全生命周期过程中各种不同的业务请求，云制造服务平台将在服务中心 进行查找、匹配、智能优化选择和推荐等服务，并给各用户提供以制造资源为基础的服 务【l9 1 。 2 第1 章绪论 1 3 1 云制造模式的提出与定义 近年来，云计算作为一种新的服务化计算模式正在产业界兴起并逐步走向成熟【2 0 j 。 云计算的理念是把计算资源虚拟化后形成为“云”计算并集中存储起来，形成计算机存 储和服务中心，为用户解决问题、提供各种服务。云计算使得计算资源成为一种专业服 务，并通过信息化的方式作为一种资源提供出来，供广大用户使用【2 。若将“计算资源 用“制造资源 来代替，同理可知，云计算的计算模式和运营模式将可以为制造业智能 化、信息化、网络化所用，为制造业走向信息化、服务化、高效低耗提供新的契机和可 行的新思路。 基于网络化制造存在的服务模式问题、制造资源的共享与分配技术问题、安全问题， 云计算的出现与发展为解决这些问题提供了新的思路和契机。而云安全模式的发展及相 关产品的商业化对解决网络化制造中的安全问题提供了新的思路与技术手段。云制造模 式应运而生，形成了一种新型的、智能化的、高效的先进制造模式。 云制造是一种面向信息化、服务化、高效低耗以及基于资源的网络化智能制造新模 式。它融合现有的网络化制造和服务技术、云计算、云安全、物联网、语义w e b 和高 性能计算等技术，通过对现有的网络化、信息化制造技术进行发展、变革和延伸，将各 类制造资源和制造能力( 如制造硬件设备、计算系统、模型、软件、知识和数据等) 虚拟 化，实现统一的、集中的和智能化的管理和经营，高效的、智能化的完成制造资源的共 享和协同，通过云制造服务平台为制造全生命周期过程提供按需使用的、可随时获取的、 质优廉价的和安全可靠的各类制造活动服务。 现有的云制造概念定义有：云制造是一种利用互联网技术和云制造服务平台，根据 用户请求提供网上制造资源( 制造云) ，给出适合用户请求的各类所需制造服务的一种网 络化制造新模式。 云制造不仅实现了分布式资源服务的汇聚、发现、优化配置，即“分散资源集中使 用”，还实现了“集中资源分散服务”，即对所汇聚的分布式资源服务进行集中管理，同 时可为多个用户、多个请求提供服务。云制造的服务模式不仅实现“多对一 的模式， 同时更强调“多对多”的形式。 1 3 2 云制造模式的应用与发展 云制造系统主要组成部分包括：云制造服务平台( 中间件) 、云请求端( 云制造服务使 用者) ( c l o u ds e r v i c ed e m a n d e r ，c s d ) 和e ；提供端( 云制造服务提供者) ( c l o u ds e r v i c e p r o v i d e r ，c s p ) 。云提供端为云制造服务平台提供相应的制造资源、系统、计算服务和 3 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 制造能力服务等。云请求端向云制造服务平台提出任务请求和服务请求。云制造服务平 台根据用户提交的服务请求或任务请求，提供云任务管理、高性能搜索与调度管理等服 务。图1 1 为云制造平台示意图【2 2 】。 嫂多：、| 磺 图1 1 石制造平台珂i 总幽 对云制造模式的研究刚刚处于初始阶段，实际应用也大多处于研究阶段。在对网络 化制造、制造网格、仿真网格等相关领域的研究基础上，李伯虎、柴旭东等已初步开发 了一个云制造的典型应用，即基于云仿真原型平台( c o s i m c s p ) 的云设计应用，将 c o s i m c s p 平台应用于某飞行器虚拟样机协同设计仿真系统的研制与开发。目前，该 作者研究开发的云仿真原型平台( c o s i m c s p ) 已经在多学科虚拟样机协同仿真、大规 模体系级协同仿真以及高性能仿真等领域展开了初步的应用1 2 引。 云制造模式为制造业网络化、智能化和信息化提供了一种崭新的理念与模式。作为 一个新生概念，云制造模式具有广大的发展空问与应用前景。云制造的研究、发展与应 用将是一个长期的、阶段性的和渐进的过程，需要依靠学术界、产业界以及政府等多方 面的共同研究，云制造的实践不是一个一蹴而就的项目工程。云制造模式要求制造企业 能够实现企业内部的信息化以及信息的集成，对制造业的信息化基础要求较高，然而对 于当前的众多制造企业而言，企业内部的信息化程度远远达不到要求，实现云制造模式 仍需要进一步的研究与努力。 云制造技术的研究和应用将进一步地促进制造业向“智能化、网络化和服务化”的 方向发展，从而将制造业信息化程度提高到一个新的水平。然而云制造技术的实现还需 在应用需求的牵引及相关技术的推动下丌展大量的研究工作：在应用门户支撑工具层方 面，应进一步地研究面向领域的仿真求解环境技术以及普适化仿真问题求解环境，用来 4 第1 章绪论 支持面向领域的复杂系统建模仿真的要求；在面向“云仿真 的服务层方面，应深入研 究针对多核多机的高效并行算法以及智能优化算法，用以支持复杂仿真任务的高效运行 与求解，以及进一步完善服务调度和容错迁移技术；在资源层方面应进一步地针对各类 资源进行建模仿真，完善虚拟化技术，形成资源的虚拟化标准。 本文在专家学者对云制造模式的深入研究基础上，基于云制造模式的体系架构，从 物理资源层入手，对企业的加工能力进行建模，形成加工行为云服务存入云制造平台的 资源层，将加工行为服务提供给用户，实现加工行为服务的全面共享，并形成加工行为 的建模标准。 本文在云制造模式的研究基础上，对企业的加工能力进行基于加工行为的建模与实 现研究，形成加工行为云服务，提供制造资源对设计的实时支持。 本文主要的研究内容有： ( 1 ) 加工行为的建模研究。通过对企业加工能力的分析，完成加工行为的定义、 描述与建模，形成加工行为的建模标准。 ( 2 ) 加工行为的实现。制定加工行为的选择原则，实现加工行为的选择，并完成 一个特征从目标状态到毛坯状态的加工行为实现。即系统由特征文件开始，根据特征的 参数，去匹配能加工此特征的经济合理的切削机床的加工行为，并根据此机床的具体参 数实现此加工行为，完成此特征的加工工艺文件。并定义加工行为管理器，完成加工行 为的添加与删除。 f ( 3 ) 加工行为的重组。将同一个零件的不同设计特征的加工行为进行重组，获得 整体零件的加工行为。对不同加工行为之间进行重组的原则进行归纳总结，获得重组规 则。 ( 4 ) 系统组成与开发。系统的主要组成部分：主程序模块、接收并判断指令模块、 加工行为选择模块，加工行为实现模块以及加工行为重组模块。确定主程序与各模块之 间的连接，完成各模块之间的接口定义。 5 哈尔滨i ：程人学硕十学何论文 第2 章加工行为的建模 基于对云制造模式以及云制造系统的体系架构的研究，本文研究了支持云制造的加 工行为服务支持系统的主要框架，其主要组成部分包括：应用接口层、核心管理层和物 理资源层。本章主要介绍物理资源层的组成与功能，应用接口层与核心管理层在下面一 章中作具体介绍。物理资源层主要是将加工行为进行定义，形成建模标准，并集成为云 制造服务，提供给各用户。本章主要介绍加工行为概念的提出、定义以及建模标准，即 具体的描述方法。 零件的设计过程通常是根据具体的功能及精度要求，来设计零件的几何形状及其对 应的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度等。零件的功能及精度不同，则构成零件的几何 形状、尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等也不同。零件的不同精度要求决定了零件的 加工方法、加工设备、加工刀具、切削用量等，这就使得可以用“加工行为 这个概念 来描述零件特征，用于支持基于加工特征和制造资源约束的快速设计。因此产生的基于 加工行为的建模方法必然是与制造资源相关的，在设计中可以提供有关的制造方法和制 造资源以及相关的信息，从而实现基于加工特征和制造资源约束的设计。 零件从毛坯开始，经加工达到所要求设计精度的过程，往往不是经过一道工序就能 完成的，而是需要经过几个不同的加工方法，逐步去除多余的材料而最终达到设计精度。 零件的加工过程可以看作是毛坯经过不同工序，每道工序后都达到一定的切削精度，最 终成为所要求的零件。每一道工序后所形成的零件都在逐步提高尺寸精度、形位精度和 表面粗糙度等，达到最终零件的设计要求【2 4 1 。零件经每一道工序后各表面的制造精度对 应着相应的加工方法；即每一种加工方法都对应着所能成形的一个零件特征的几何形状 以及所能达到的精度。因此可以采用加工行为的概念来描述每种加工方法加工零件特征 并达到零件的几何形状和精度要求。加工行为可以描述零件特征成型过程中的各种状 态，零件的特征数据信息可以用不同的加工过程来描述，即用具体机床、具体刀具以及 确定的切削用量进行加工的不同的加工行为。例如，通常对外圆面加工使用加工链“粗 车半精车精车 ，在粗车、半精车、精车之后达到不同的几何形状和尺寸、粗 糙度精度，而每一个状态零件特征的几何形状、尺寸、粗糙度精度又对应着相应的加工 方法、机床、刀具和切削用量，通过不同的加工方法、机床、刀具及切削用量就能描述 不同状态的零件特征。 6 第2 章加t 行为的建模 i i 2 2 加工行为的定义 2 2 1 加工行为概念的提出 目前的c a d c a p p 集成系统大多数通过开发专门的特征识别模块，从零件c a d 模 型中提取必要的几何信息和工艺信息，在零件设计完成后进行工艺决策。特征识别技术 主要是对零件的几何信息进行解释，一般不包含零件的工艺信息，如材料、尺寸公差、 表面粗糙度和加工精度等级等。虽然现在特征识别技术已经能够从c a d 模型中提取出 部分工艺信息，但基于此信息自动进行工艺设计与规划生成工艺流程的技术难度大，虽 然具有一定的智能性，但是工艺的合理性欠佳；并且对复杂特征的识别效果不够理想l z 引。 本文提出了加工行为的概念，为基于加工特征和制造资源约束的快速设计系统提供工艺 支持，主要对所设计的特征进行制造资源约束，在设计的同时就给出此加工特征的可加 工性及加工工艺，此加工工艺是基于企业所拥有的具体制造资源来生成的，包含加工设 备、加工刀具和切削用量等信息。 传统的零件特征、工艺信息以及制造资源之间的映射关系如图2 1 所示，零件可以 分成若干个特征，如外圆、槽、孔和平面等，每一个特征映射一个或多个工艺信息，每 个工艺信息再映射一个或多个制造资源【2 6 】。这种映射机制，不仅省略了零件从毛坯粗加 工开始到细加工到最终成型的逐步加工过程，而且具体特征到工艺信息再到制造资源的 相互映射比较杂乱，形成了多对多的关系。 图2 1 传统的特征、工艺信息和制造资源之间的映射关系 加工行为是以三维建模系统提供的零件几何及工艺信息为基础，每一个加工行为映 射一组工艺信息包括加工精度和粗糙度等，而此工艺信息又只对应一组制造资源包括刀 具和机床等。从零件最终状态到毛坯可以由多个加工行为所组成，每一个加工行为又都 7 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 包含相应的几何特征、工艺信息以及制造资源，这样不仅使零件的整个工艺过程清晰明 了，而且每一个加工行为中的几何特征、工艺信息和制造资源之间的映射都是固定的。 加工行为可以定义为一种形成一个几何形态的加工过程，具体包含以下几个方面： ( 1 ) 加工行为用于描述一个加工表面。 ( 2 ) 加工行为的信息包括特征几何参数及其约束关系、制造精度参数、材料参数 和加工方法信息等。 ( 3 ) 加工行为的分类与加工方法、切削机床和刀具密切相关。 ( 4 ) 加工行为与具体机床相关联。 加工行为是指具体机床用具体刀具以及确定的切削用量加工出一个几何形态的工 艺过程。加工行为与机床、设计特征一一对应，加工工具与切削用量由此可一一确定。 加工行为是工艺的最小单元，能够组成零件的整体工艺。 2 2 2 基于加工行为的产品设计 计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 作为连接c a d 与c a m 的桥梁，在计算机集成 制造( c i m s ) 中扮演着极为重要的角色瞳 。在普通c a d c a p p 集成系统中，结构设计 与工艺设计是一前一后的两个过程，c a d 系统中设计得出的零件信息经处理后，再进 入c a p p 系统进行工艺设计，这种传统的先后式工艺设计方式在零件设计之初不存在对 零件设计结果进行工艺性评价，更不用说从工艺制造角度指导设计。 d f m ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r a b i l i t y ) 是面向制造的设计，是指在开始设计阶段就考 虑到产品的可制造性及可装配性等诸多因素，通过计算机仿真、模拟等手段，使设计者 在设计之初就可以确定零件工艺的可加工性，在之后的制造过程中能够更直接地、经济 地完成产品的加工，降低生产成本、提高加工效率，减少加工时间和辅助时间，提高产 品质量乜8 i 。这就要求工艺设计人员能够主动地将设计过程中制造性能不好或无法加工的 部分及时反馈给设计人员，而不是被动的等待设计结果。 基于加工行为的零件快速设计能够满足面向制造的设计，并能够及时提供所设计特 征的加工工艺、切削机床和刀具等方面的信息，及时检验所设计零件的可制造性。因此， 加工行为在这一领域有很大的应用前景。 2 3 1 加工行为的数据描述 加工行为的描述是建立在对企业制造资源进行整理并建立数据模型的基础上的，要 对加工行为进行描述，首先必须建立制造资源模型。一些学者给出的制造资源模型包括 8 第2 章加丁行为的建模 三个方面，分别是资源的结构形式、制造能力以及状态。结构形式能够实现零件的所有 物理元素，是基于制造资源的物理特性和功能组成提出的。制造能力是进行零件生产制 造时制造资源能够完成的工艺。状态反映制造资源的实际状况，如运行状况、负荷状况 等【z 9 1 。通过对设备类型、每一类设备的加工能力范围、工艺性能和实时状态进行分析， 整理出设备描述的两大属性：静态属性( 包括设备的管理信息、能力信息) 和动态属性( 包 括设备的实时状态) 。图2 2 是制造资源模型的组成框图。 图2 2 制造资源组成框图 在整个制造资源中，机床资源是研究的重点，也是加工行为描述的重点，必须对机 床进行与加工行为相关的特征建模。一台机床可以包含一个或多个加工行为，一个加工 行为只能对应一台机床，机床与加工行为是一对多的关系。一般来说，机床的特征模型 包含管理信息、技术参数、能力参数三个方面的信息。管理信息主要包含机床编号、机。? 床型号、机床名称、机床类型、生产商、出厂日期和数量等；技术参数主要包含机床长 宽高、主电动机功率、主轴转速和主轴级数等；能力参数主要包含最大加工直径和长度 ( 深度) 、形位精度和表面粗糙度等【3 0 】。本研究在机床建模时添加一类加工行为参数，此 参数主要包含机床能加工的各种加工特征。例如普通机床的加工行为参数包含车外圆、 车端面、车螺纹、车倒角、车槽等。在具体描述时采用机床模型与加工行为模型一对一 的模式。 由于配置文件的读写操作规范，内容格式清晰，加工行为的数据描述采用配置文件 格式。配置文件的扩展名为“i n i ”，由若干段落( s e c t i o n ) 组成，在每个带括号的标题 下面，是若干个关键字( k e y ) 和一个等号，等号右边就是关键字的值( v a l u e ) 。例如： s e c t i o n l 】 k e y l - - v a l u e l k e y 2 - - v a l u e 2 9 哈尔滨。i ：程人学硕十学何论文 加工行为的数据描述配置文件名为加工行为名称，s e c t i o n 为机床型号；k e y 分为5 个部分：机床分类及名称、机床最大加工尺寸范围、机床主轴转速、机床最大加工精度 和加工行为名称。 以普通车床c 6 1 3 2 为例，给出加工行为的数据模型如下： ( 1 ) 文件名：t u ms h a f tc 6 1 3 2( 2 ) 文件名：t u r nf i l l e tc 6 1 3 2 c 6 1 3 2 】【c 6 1 3 2 】 设备分类= 车床设备分类= 车床 设备名称= 普通车床设备名称= 普通车床 最大加工直径= 3 2 0最大加工直径= 3 2 0 最大加工长度= 5 0 0最大加工长度= 5 0 0 主轴转速级数= 1 2主轴转速级数= 1 2 主轴转速m i n = 31 5 r m i n主轴转速m i n = 31 5 r m i n 主轴转速m a x = 1 4 0 0 r m i n主轴转速m a x = 1 4 0 0 f f m i n 工作精度粗糙度= 1 2 5工作精度粗糙度= 1 2 5 工作精度圆度= o 0 1工作精度圆度= 0 0 1 工作精度圆柱度= 0 0 3工作精度圆柱度= 0 0 3 工作精度平面度= 0 0 2工作精度平面度= 0 0 2 s h a f t - - t u r n s h a f t c 613 2f i l l e t - - t u r n f i l l e t c 613 2 ( 3 ) 文件名：t u r nh e a d f a c ec 6 1 3 2 c 6 1 3 2 】 设备分类= 车床 设备名称= 普通车床 最大加工直径= 3 2 0 最大加工长度= 5 0 0 主轴转速级数= 1 2 主轴转速m i n = 31 5 r m i n 主轴转速m a x = 1 4 0 0 r m i n 工作精度粗糙度= 1 2 5 工作精度圆度= 0 o l 工作精度圆柱度= 0 0 3 工作精度平面度= 0 0 2 h e a d f a c e = c l l mh e a d f a c e c 613 2 1 0 第2 章加t 行为的建模 2 3 2 加工行为的建模 由于零件设计特征的实现以及制造质量的保证主要依赖机床、夹具以及刀具等设备 的结构特性和切削条件，不同的机床、不同的刀具以及不同的切削参数可以达到不同的 精度，如图2 3 所示为零件形位精度、表面粗糙度与设备资源之间的关系。 图2 3 零件形位精度、表面粗糙度与设备资源之间的关系 基于以上原因，将加工方法与设备资源、刀具以及切削用量一一对应组合，形成加 工行为，可以完整的描述一个设计特征的加工过程，即可用一个加工行为描述一个设计 特征。 i j n - r 行为用动态链接库形式实现，一个动态链接库对应一个加工行为。此动态链接 库包含加工行为的所有内容，包括具体加工工艺过程或数控代码，切削用量和刀具等信 息。加工行为动态链接库的命名原则为：加工动作一特征类型- 机床型号。加工动作一般 包括：车、铣、刨、磨、钻、扩以及铰等；特征类型一般分为：外圆( s h a f t ) 、孔( h o l e ) 、 已铸出孔( h o l e d ) 、平面( p l a n e ) 、圆角与倒角( f i l l e t ) 、槽( s l o t ) 、端面( h e a d f a c e ) 、 中心孔( c e n t e r - h o l e ) 和齿形( g e a r ) 等。 因此，加工行为可以定义为由动态链接库来描述的一个加工动作，加工行为的建模 标准如下： ( 1 ) 加工行为动态链接库的命名原则为：加工动作- 特征类型一机床型号； 哈尔滨：程大学硕十学位论文 ( 2 ) 采用无参数传入形式，在动态链接库内部直接读取所需参数； ( 3 ) 给出所设计特征的零件名，以及加工此特征的机床和刀具，具体加工行为的 机床与刀具已确定，可直接给出； ( 4 ) 针对不同加工方法给出判断切削用量选择的依据，如车外圆根据表面粗糙度 决定、钻孔根据孔径决定； ( 5 ) 给出经过此加工行为加工之前的设计特征的数据参数。 以普通车床c 6 1 3 2 以及数控车床c j k 6 1 3 2 a 加工外圆面，以及钻床z 3 0 2 5 加工孔为 例，具体说明加工行为的建模过程。 ( 1 ) 普通车床c 6 1 3 2 加工外圆面 加工行为名称为t u r ns h a f tc 6 1 3 2 ； 给出所设计特征的零件名，以及加工此特征的机床和刀具： # f i l e 2 为加工行为工艺文件 f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”1 , - a r t p _ n a m e s t r l ) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”1 ”，”m a c h i n e , c 613 2 ”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”1 ”，”t b o l ”，”9 0 。外圆车刀”) ； 根据表面粗糙度决定切削参数：切削深度、进给量、主轴转速和切削速度 根据外圆面的表面粗糙度来确定切削用量 i f ( r a = 6 3 ) f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”工序名称”，”粗车”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”工步”，”粗车外圆矿+ s t r 5 ) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”切削深度a p ”，”1 5 m m ”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”进给量f i ，i 0 8 m r n r ( 根据机床的进给量选择) ”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”主轴转速n ”，”1 2 0 r m i n ”) ； i n tv ； v = 3 1 4 乖1 2 0 1 0 0 0 枣d ； s t r 6 f o r m a t ( ”d i t ，v ) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”， 切削速度v , s t r 6 + ”r r d m i n ”) ； ) i f ( r a 1 6 ) f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”工序名称”，”半精车”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”工步”，”半精车外圆矿+ s t r 5 ) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”切削深度a p 1 7 1 0 6 m m ”) ； 1 2 第2 章加下行为的建模 f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”进给量f t ，”o 4 m m r ( 根据机床的进给量选择) ”) ； f i l e 2 s e t k e y v a h e ( ”2 ”，”主轴转速n , 4 0 0 r m i n ”) ； i mv ： v = 3 1 4 卡4 0 0 10 0 0 幸d ； s t r 6 f o r m m ( ”d i t ，v ) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”切削速度v , s t r s + ”m r a i n ”) ； ) i f ( r a = 1 6 1 f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ，”工序名称”，”精车”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”工步”，”精车外圆矿+ s t r 5 ) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”切削深度印 9 1 1 0 4 m m ”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”进给量f t ，”o 0 5 m m r ”) ； f i l e 2 s e t k e y v a l u e ( ”2 ”，”主轴转速n ”，”1 2 0 0 r m i n ”) ； i n tv ； v = 3 14 12 0 0 10 0 0 木d ； s