（机械制造及其自动化专业论文）箱体类零件数控加工路径优化及系统实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展和全球化市场的形成，现代化的制造业要求加快产品的 更新换代的速度，同时要求提高产品质量，在这种情况下，加工中心的应用日趋 普遍。因此，对加工中心的工艺规划的研究也显得越来越重要。 本课题的研究和原型系统是针对箱体类零件而言的，探讨了加工中心上箱体 零件加工工艺路线的确定原则和程序；阐述了箱体类零件的特征型面描述方法； 建立了不同特征的加工方法匹配规则库，实现了零件特征要素加工方法的决策； 同时对零件一次装夹下工步排序的优化问题进行了深入研究，建立了数学模型 本文给出了箱体零件在加工中心上加工路径优化的原型系统，用来验证理论 和方法的正确性。首先通过与用户的交互，可以产生零件的加工路线以及确定哪 些工序需要在加工中心上装夹完成；其次借助于专家系统和智能遗传算法等技 术实现箱体零件特征要素加工方法的决策和工步排序，最终得到了箱体零件在加 工中心上的最优工艺路线。 关键词：加工中心箱体零件工艺规划专家系统遗传算法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ef o r m a t i o no f t h eg l o b a lm a r k e t ，t h em o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yd e m a n dt h em o r e h i g h e rs p e e do fu p d a t i n gp r o d u c ta n dt h ep r o g r e s so ft h eq u a l i t yo fp r o d u c t u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e s ，t h ea p p l i c a t i o no ft h em a c h i n i n gc e n t e rh a s b e c o m em o r ep o p u l a rg r a d u a l l y s ot h ei m p o r t a n c eo fr e s e a r c ho fp r o c e s s p l a n n i n go ft h em a c h i n i n gc e n t e ri ss h o w ne s p e c i a l l yo u t s t a n d i n gd a ya f t e r d a y t h er e s e a r c ho ft h et h e s i sa n dt h ep r o t o t y p es y s t e mi sb a s e do nt h e b o xp a r t s t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h er u l e sa n d ，p r o c e s so ft h em a c h i n i n g p r o c e s sc o u r s e so nt h em a c h i n i n gc e n t e rf o rb o xp a r t sa n db r o u g h tf o r w a r d t h es h a p ef e a t u r em e t h o do fd e s c r i b l i n gt h eb o x p a r t s a tt h es a m e t i m e ，t h ep r o t o t y p es y s t e mc o n t a i nr u l e b a s eo fm a t c h i n gm a c h i n i n gm e a n s f o ras e r i e so fs h a p ef e a t u r e sa n dc o u l dm a k es u r et h em a c h i n i n gm e a s u r e s f o re a c hm a c h i n i n ge s s e n t i a lf e a t u r e f u r t h e r m o r e ，t h ea u t h o rp r o b e di n t h eo p t i m i z a t i o ni s s u eo fm a c h i n i n gw o r ks t e po ft h em u l t i f e a t u r e so f b o x p a r tu n d e ro n ef i x i n ga n ds e tu pam a t h e m a t i c sm o d e lf o ro p t i m i z i n g t a x i so fm a c h i n i n gs t e p s t h ea u t h o rh a dd e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h ep r o t o t y p es y s t e mo p t i m i z e d t om a c h i n i n gr o u t eo nt h em a c h i n i n gc e n t e ri no r d e rt op r o v et h ev a l i d i t y o ft h e o r i e sa n dm e t h o d s f i r s t l y ，t h ep r o t o t y p es y s t e mc o u l dp r o d u c et h e w h o l em a c h i n i n gp r o c e s sa n dm a k es u r et h em a c h i n i n gp r o c e s sc o u r s e so n t h em a c h i n i n gc e n t e rb ym e a n so fi n t e r a c t i v ew a y so fu s e r s e c o n d l y ，t h e p r o t o t y p es y s t e mc o u l dp e r f o r mm a c h i n i n gm e a s u r e sf o rm a c h i n i n ge a c h e s s e n t i a lf e a t u r eo fb o x p a r t sa n d o p t i m i z et a x i so fm a c h i n i n gw o r ks t e p b ym e a n so ft h et h e o r yo fe x p e r ts y s t e ma n dg e n e t i ca l g o r i t h m s l a s t l y ， t h ep r o t o t y p es y s t e mp r e s e n tt h eo p t i m i z a t i o nm a c h i n i n gp r o c e s so f b o x p a r t so nt h em a c h i n i n gc e n t e r k e yw o r d s ：t h em a c h i n i n gc e n t e r ；b o x - p a r t s ；p r o c e s sp l a n n i n g ；e x p e r ts y s t e m ； g e n e t i ca l g o r i t h m s ： n - 、- t 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：垄! 鏊 e t期：彬f - 2 ， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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。 r 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：整兰整导师签名：论文作者签名：整兰墨导师签名： ， 埠日期：上坌乡、 山东大学硕士学位论文 1 1 课题概述 第一章绪论 针对在钻铣镗类加工中心上加工箱体零件的工序特点，作者在分析工步排 序和典型工艺路线的基础上，建立了一个加工箱体零件的加工路径优化模型；将 智能优化遗传算法运用到工步优化排序中，对加工中心的工艺规划问题进行了详 细的研究；开发了箱体零件在加工中心加工进行路径优化的原型系统。 1 2 课题背景和意义 工艺设计就是为被加工零件规定合理的工艺过程，工艺操作规程、工艺装备 和工艺参数等。它是产品制造过程中技术准备工作的一项重要内容，是产品设计 与实际生产的纽带，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。这是一个经验性很强而且随制造环境的变化而变化的 决策过程。传统的工艺设计是由工艺师手工逐件设计的随着科学技术的飞速 发展，产品更新换代频繁，多品种、小批量的生产模式已占主导地位，传统的工 艺设计方法已不能适应现代制造业的发展需要。其具体表现为： ( 1 ) 传统的工艺设计由人工编制，劳动强度大，效率低，且因人而异。 ( 2 ) 设计周期长，不能适应市场瞬息万变的需求。 ( 3 ) 设计质量在很大程度上依赖于工艺设计人员的水平。 ( 4 ) 人工工艺设计很难做到最优化、标准化。 ( 5 ) 工艺设计人员主要进行重复性繁琐的工作，缺少对创新工艺工作的研 究【” 计算机工艺过程设计c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 是通过向计 算机输入被加工零件的几何信息( 图形) 和加工工艺信息( 材料、热处理、批量 等) ，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等文件的过程。简言之，计 算机辅助工艺过程设计就是利用计算机来制定零件加工工艺过程，把毛坯加工成 图纸上所要求的零件。随着机械制造生产技术的发展，计算机辅助工艺过程设计 代替传统的工艺设计方法具有重要的意义。其具体表现如下： ( 1 ) c a p p 使工艺设计人员摆脱大量、繁琐的重复劳动，将其主要精力转 向新产品、新工艺、新装备和新技术的研究和开发。 ( 2 ) c a p p 可以显著缩短工艺设计周期，保证工艺设计质量，提高产品的 市场竞争能力。 山东大学硕十学位论文 ( 3 ) c a p p 可以使没有经验的工艺师设计出高质量的工艺规程，以缓解当 前工艺设计人员的矛盾。 ( 4 ) c a p p 可以提高产品工艺的继承性，最大限度在利用现有资源，降低 生产成本。 ( 5 ) c a p p 有助于推动企业开展工艺设计标准化的最优化工作。 ( 6 ) c a p p 是企业逐步推行c i m 8 应用工程的重要基础之一。 c a p p 理论与应用从6 0 年代开始进行研究，4 0 多年来已取得了重大的成果， 但到目前为此，仍存在着许多问题有待于进一步的研究。尤其是c a d c a m 向 集成化、智能化网络化、可视化方向及并行工程工作模式c i m s 及a m 等先进 的生产模式的出现等都对c a p p 提出了新的要求【2 j 。 在世界机器制造业发展中，零件生产长期存在的一个重要问题，是箱体类复 杂零件等需用多种刀具先后加工不同平面与孔穴。在不同机床上加工，装夹次数 多，率较低，针对这种实际状况，1 9 5 8 年美国k e a m e y & t r e c k e r 公司运用新思维、 新设计、新生产在一般数控机床的基础上，在世界上首先研制出了带自动换刀装 置( a t c ) 的加工中心，并在1 9 6 0 年立即生产了1 0 0 多台交付用户使用，成为 n c 机床中异常独特的一种多工序集中的复合式机床。加工中心是机电一体化的 典型产品。它是体现柔性自动化的基本单元，实现先进制造技术的载体，可以说 是现代最完善的单机。这是由于加工中心除了具有机床的共性一加工功能外，还 有以下特点： ( 1 ) 能自动换刀，有时可装自动交换托板( a p c ) 进行工件更换，大大减少 了工件搬运和装夹次数，缩短辅助时间，降低成本； ( 2 ) 铣、钻、镗、铰孔、攻丝等多种工序集中，甚至发展到将车削，磨削 大的满足复杂件一次装夹实现全部加工。进一步提高精度、效率和自 动化程度； ( 3 ) 能实现多坐标联动，加工各种不同形状的型面，甚至任意曲面等： ( 4 ) 向高速发展，能实现柔性和高生产率相结合，进步适应飞机、汽车、 模具业等高难度复杂件的加工，需求面日益广阔： ( 7 ) 能较方便地组成f m c ，f t l ，f m s 等，发展成自动化程度更高的制 造系绀3 1 。 随着社会的进步和生活水平的提高，社会对产品多样化，低制造成本及短制造 周期等需求日趋迫切，传统的制造技术已不能满足市场对多品种小批量，更具特色 符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。9 0 年代后，由于微电子技术、计算 机技术，通信技术、机械与控制设备的发展，制造业自动化进入一个崭新的时代， 技术日臻成熟。柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重 点。柔性制造系统也成为自动化生产模式的主流，而加工中心是柔性制造系统的 山东大学硕士学位论文 最重要的加工设备。因此，研究加工中心的计算机辅助工艺规划具有十分重要的 意义。 加工中，c , ( m a c h i n i n g c e n t e r 简称m c ) 是各有刀库，并能自动更换刀具，对 工件进行多工序n i 的数字控制机床。由于加工中心具有工作台转位和自动换刀 的功能，工件一次装夹后，数控系统能控制机床自动更换刀具，依次对工件各个 面自动完成镗、铣、钻、扩，铰、攻丝等多种加工工序，可实现多表面、多特征、 多工位的连续、高效、高精度的加工，即工序集中【4 】加工中心适用于零件形状 比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产与传统机床相比，加 工中心由于在数控机床的基础上增加了计算机控制下的刀具自动交换装置，使工 件在机床上一次安装后由数控程序实现多种工序高度集中加工，具有较强的柔性 制造能力。这- - i - 艺特点使加工中心的工步排序不同于传统的工步排序。其排序 规模大，符合工艺规则的可行方案数量很大，单纯依靠经验难以得出最优排序方 案；而且优化潜力大，满足工艺规则的各种排序优劣相差悬殊( 主要表现为换刀 时间和工作台转位时间的长短) 。因此，为工步排序寻找一种有效的最优化解法 是必要的。它能够在利用工艺规则保证工艺可行的基础上，尽量减少加工辅助时 间，提高生产效率，降低生产成本。 箱体零件一般是指具有一个以上孔系，内部有一定形腔，在长、宽、高方向 有一定比例的零件。它是机器或部件的基础件，通过它把机器上的零、部件联结 成一个整体。因此，箱体类零件都需要进行多工位孔系及平面加工，公差要求较 高，特别是形位公差要求较为严格，通常要经过铣、钻、扩、镗、铰，锪、攻丝 等工序，需要刀具较多。有统计数据显示，整个机械行业中箱体类零件约占6 0 。加工中心的主要特点是加工精度比较高，一次装夹后能完成较多的加工步骤， 采用加工中心来加工箱体零件能够较好地满足要求。但是，从大量的加工实例分 析中看出，工艺方案考虑不周，加工路线设计不好，反而会增加制造成本，降低 产品质量，使价格昂贵的加工中心使用经济效益变差【习与此同时，手工编制箱 体零件在加工中心上的工艺过程比较繁琐，花费时间长，合理性差。由于回转体 零件结构比较简单，大多数c a p p 系统的研究对象主要是这类零件。与回转体零 件相比，面向箱体零件开发的c a p p 系统相对要少。根据我国机床制造行业的实际 情况，产品主要以轴类和箱体类为主即使开发出的箱体类零件的c a p p 系统，也 很难适应生产实际的应用因此，对箱体零件在加工中心的加工路径问题进行研 究，开发针对于箱体零件加工路线决策的c a p p 系统具有现实意义，可以合理利 用企业制造资源，提高生产效率，实现加工过程的最优化。 山东大学硕士学位论文 1 3 研究现状 c a p p 这一课题的研究始于6 0 年代后期，而将其正式命名为c a p p 则是在发展 史上具有里程碑意义的美国计算机辅助制造国际组织c m i ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a l ) 于1 9 7 6 年所推出的c a 骈一i sa u t o m a t e d p r o c e s $ p l a n n i n g 系统。到目前为止，对于c a p p 的理论研究与实际应用已取得 了长足的进步。作为c a p p 中的关键技术之一一工序工步排序，也已取得了一些进 展。工序工步排序是工艺设计与否的关键，也是工艺设计的难点之。它在很大 程序上决定了c a p p 系统的应用水平同时也是衡量c a p p 系统智能化和实用化程 度的一个重要标志1 6 。 1 3 1 工序工步排序的发展过程 真正具有通用意义的c a p p 系统是1 9 6 9 年以挪威开发的a u t o p r o s 系统为开 端( 1 ，其后很多的c a p p 系统都受到达个系统的影响如美国c a m i 的c a p p 系 统( 1 9 7 6 9 ) s j 、美国l o c k h e a d 公司g e n p l a n ( 1 9 8 0 年) 1 9 1 、美国m e t c u t a u t o p l a n ( 1 9 8 0 年) t 1 0 1 、美国o i r 的m i p l a n ( 1 9 8 0 年) 【7 i i , 1 2 1 以及中国同济大学 t o h c a p ( 1 9 8 2 f g ) t 瞎等。这类系统的共同特点是在成组技术和数据库技术的 基础上利用零件的结构和工艺相似性，通过检索和修改零件族主样件的标准工 艺而获得当前零件的工艺规程。从排序的角度来划分，这可以认为是一种“标准 工艺法”。由于标准工艺是工艺人员事先拟定的，其工序工步间的逻辑关系已经 确定，而对标准工艺的修改又仅仅是一系列的删减操作不会改变工序或工步原 来的排列顺序。所以，从本质上讲，这类系统的判断完全是由人工来完成的，是 一种数据检索系统。 继“标准工艺法”之后的是所谓“自动排序”的创成式系统。该系统是将工 艺决策知识用决策表、决策树或公理模型等技术来实现，实际上是把这种工艺决 策逻辑用是非判断的决策形式固化在程序中、或采用数据文件结构由系统调入程 序中。而零件的工艺规程是根据工艺数据库中的零件信息在没有人工干预的条件 下自动创成出来的，如西德a a c h e n 工业大学的a u t a p 2 3 2 4 、美国p u r d u e 大学 的t i p p s 7 。2 5 1 、美国c 撕一i 的x p s 一1 闭等。由于工艺设计过程的复杂性和多样 性这种功能齐全、能够自动排序的真正完全创成式系统的实现难度太大至今 也没有开发出来。上述系统只能算是半创成型，即在系统中包含有一部分决策逻 辑，而其关键部分一工序工步排序或采用前述的标准工艺法来实现或通过人机交 互方式来完成。如美国发表的c o r e - - c a p p 系统1 2 7 】就属于此类f 6 l o 从8 0 年代中后期到9 0 年代初期人工智能技术特点是专家系统得到广泛应 山东大学硕士学位论文 用，开发出了的一大批基于规则推理的专家系统。这些系统与以往系统的显著区 别在于它们具有一个将工艺知识与经验以产生式规则表示的知识库和模拟工艺 设计专家进行工艺决策的推理机。其基本原理都是通过零件的输人信息与系统的 决策规则匹配，按照系统的推理方式和控制策略生成零件的工艺规程。就排序决 策而言尽管都是以规则的组织形式由系统激活来实现，但所采取的方式却各有 不同。大体上可分为二类：一是根据加工阶段的划分原则和各种加工方法之间的 逻辑关系来构造排序规则。如叶军君的x j d c a p f h 】：二是根据工艺理论中的基准 原则( 如基准先行、基准重合，基准统一等) 、表面生成规律( 如先粗后精、先主 后次，先面后孔等) 和工艺习惯来安排规则。有极少数的c a p p 系统也能获得较好 的排序方案【6 l 。 最近几年，国内外研究人员对c a p p 的工序工步排序理论与方法进行了广泛 的研究和深入的探索，将人工智能技术、人工神经网络、面向对象方法和特征技 术等引入到c a p p 系统中提出了一些适用于c a p p 的系统富有特色的排序方法。 吴会林通过建立工艺过程的标准a o v - - 网、采用拓扑排序算法生成零件的工艺路 线；李建锋提出采用a r t i 网络根据各种排序因家的能量大小( 即重要程序) 进行 工序排序；马国强则采用“综合加权排序法”基本上达到了工序排序的目的；奚 立峰提出工艺规程的a o s 树表示法，从而有助于工序工步排序的自动设计；赵学 军等针对标准a o v 一网和标准拓扑排序法的缺陷，提出了修改a o v 一网和修正拓 扑排序法的排序思路。上述研究人员的开发工作对工序工步排序研究起到了极大 的促进和推动作用1 6 】。 1 3 2 工序工步排序的理论和方法 在现代数控加工中，一般工序数目较少，一个工序内的工步数较多，有时在 一次装夹下的工步数达到5 0 个以上此时的工步排序成为关键并且比传统的 工序排序可能更为复杂、更加详细。目前，这方面的研究内容可以概括为以下二 个方面【6 1 ( 1 ) 排序理论的系统化和形式化c a p p 系统中采用的工序决策方式可以 划分为三种类型、即计算决策、逻辑决策和创造性决策。其中某些决策内容 如 工序尺寸计算、切削参数计算、机床与刀具选择等 理论成熟、内涵明确、规律 性强，其工艺规则易于形式化表达。而另一些决策内容，如工序工步排序、定位 基准选择、装夹方案确定等 则只有零散的实践经验可供参考，既不具有规律性， 也不具有系统性，不仅缺乏科学基础、而且知识内容相互冲突，彼此矛盾，难以 形式化，尤其是在有关排序的理论方面更是如此。这有必要加强排序的基础理论 研究使其从工艺处理中抽象出排序规则，以达到系统化、形式化的要求。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 排序方法的应用研究就目前的研究现状来看，工序工步排序在理论与 方法上几乎没有实质性突破，众多的c a p p 系统仍然采用传统的排序方法，即根 据工艺准则分级分段进行排序，并由操作人员对最后结果进行修订。其主要问题 一是难以提取决策知识决策过程难以实现并缺乏柔性；二是系统的智能化、集 成化水平不高，难以达到工艺规程的标准化和通用化。所以，总体上说，工序工 步排序还处于经验决策阶段仍需要操作人员参予决策。由于操作人员知识水平 的不一致和生产实践经验的局限性往往不能考虑到影响排序的各方面因素，因 而编排的工艺路线往往不是最佳方案，甚至于连好的方案都谈不上，已逐渐成为 c a p p 系统智能化、集成化的瓶颈之一这是一个亟待解决的研究问题。 1 3 3 工序工步排序的研究和发展 事实已经证明，c a p p 并不单纯是一个基于知识的决策系统。在很大程序上它 又是一个最优化的过程。因此，单独采用工艺知识进行推理不能有效地解决工序 工步排序问题，特别是当排序的规模较大、环境趋于复杂时，要寻找出最优方案， 即使是资深的工艺设计师也难以胜任，更何况是广大的普通工艺人员。由此可见， 工艺设计是一个极为复杂的智能过程，它是特征技术、逻辑决策、组合最优化等 多种过程的复合体，不可能采用单一的数学模型来实现其所有功能。所以，c a p p 今后的研究方向应该是基于知识的工艺系统与组合优化过程的有机综合，这样才 有可能真正解决工序工步的排序问剧州。 1 4 课题的指导思想和主要工作 1 4 1 课题的指导思想 ( 1 ) 以典型箱体零件为研究对象，能自动确定零件的加工工艺路线、各特 征要素的加工方法并输出最优工步排序。 ( 2 ) 以实用性为主，兼有一定的先进性和适应性，研制力争高起点，对c a p p 专家系统的关键技术进行有益的探讨，为企业的进一步发展积累经验： ( 3 ) 尽可能适应一般箱体类零件的工艺设计。 ( 4 ) 允许用户进行二次开发 山东大学硕士学位论文 1 4 2 课题的主要工作 根据实际要求，课题在箱体零件的加工路径优化及系统实现进行了有益的研 究，形成了较为完善的一套理论，论文的主要工作包括以下几个方面： ( i ) 探讨了加工中心上箱体零件加工工艺路线的确定原则和程序，通过与 用户的交互，可以产生零件的总体加工路线以及确定哪些工序需要在加工中心上 装夹完成。 ( 2 ) 建立了零件特征库，开发了基于特征的箱体类零件信息描述方法，实 现了箱体零件信息的输入。 ( 3 ) 开发了工艺路径决策方法，根据工艺设计人员输人的零件信息、工艺 数据库和知识库中的数据、知识及规则，通过推理机和遗传算法的运用，实现零 件特征要素加工方法的决策和工步排序。 ( 4 ) 系统应用遗传算法对一次装夹下的加工路径进行了优化决策，文中对 遗传算法的运用过程进行了详细的论述。 ( 5 ) 本文给出了箱体零件在加工中心上加工路径优化的原型系统，用来验 证理论和方法的正确性。 1 5 关键技术 1 5 1 零件特征描述技术 对组成箱体零件的所有基本特征进行汇总、分类，实现零件特征信息的输 入和描述。 1 5 2 构造c a p p 专家系统技术 针对箱体零件的工艺特点，构造一种基于知识推理的c a p p 专家系统，实现零 件加工要素的加工方法链的决策。 i 5 2 遗传算法优化技术的运用 通过对遗传算法优化技术的学习和研究，利用智能遗传算法对工步排序进行 优化，最终生成最优加工路径。 山东大学硕士学位论文 1 6 论文章节安排 本论文主要分为7 个章节： l 绪论：本章对于课题进行了概要描述，主要介绍了本课题的研究背景和课 题意义以及研究现状，阐述了本文所完成的研究工作和关键技术，最后给出了全 文的章节安排。 2 加工中心上箱体零件加工工艺路线的确定：本章分析了加工中心的工艺特 点，并对加工中心上箱体零件加工工艺路线的确定这一问题进行了探讨，阐明了 工艺路线的确实原则和程序，最后对工艺路线确定中的关键工艺设计问题进行了 讨论。 3 基于加工中心的箱体零件的加工工艺设计系统的总体框架：本章主要介绍 计算机辅助工艺过程的基本概念、主要功能模块，简要说明了主要c a p p 系统的 定义及特点，以及开发的箱体零件加工路径优化系统的总体框架。 4 箱体类零件信息描述：本章对c a p p 系统的零件信息描述方法进行了概 述。详细论述了适用于箱体类零件的方位特征描述法的原理和实施过程，并以实 例说明了箱体零件的信息描述过程。本章的箱体类零件信息描述理论为后面箱体 零件在加工中心上的加工路径优化系统的实现提供了理论基础，是实施路径优化 系统的重要理论保证。 5 一次装夹下每个加工要素的工序方案的产生：本章首先概要介绍了专家系 统的基本结构，然后介绍了专家系统的核心知识库和推理机。详细说明了知识的 表示方法和推理方式，以便进行软件的系统实现。最后对特征单元加工方法的选 择过程进行了说明。 6 一次装夹下多个加工要素的加工路径的优化：本章分析了加工中心上工 步排序的特点。详细说明了遗传算法的基本原理和特点。提出了用遗传算法来解 决加工中心上一次装夹下加工工步的优化排序问题的思路，给出了遗传算法在工 步排序中的数学优化模型，并对遗传算法的作用过程进行了详细的阐述。最后展 示了实例的优化结果。 7 系统设计与实现：本章首先介绍了原型系统的系统设计和运行的环境、系 统的功能模型树和程序设计模块，并展示了系统的主要界面，最后给出了实例的 优化结果界面。 1 7 本章小结 本章对于课题进行了概要描述，主要介绍了本课题的研究背景和课题意义 以及研究现状，阐述了本文所完成的研究工作和关键技术，最后给出了全文的章 节安排。 山东大学硕士学位论文 第二章；i l i zq , b 上箱体零件加工工艺路线的确定 2 1 加工中心工艺方案的特点 加工中心是一种功能较全的数控机床，它集铣削、钻削、铰削、镗削、攻螺 纹和切螺纹于一身，使其具有多种工艺手段，综合加工能力较强与普通机床加 工相比，加工中，t = l , - r 艺方案采用“工序集中”原则。因此，加工中，l , t 艺方案具 有许多显著的工艺特点。详述如t e l 5 】： ( 1 ) 可减少工件的装夹次数，消除因多次装夹带来的定位误差，提高加工 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) ( 8 ) 精度。当零件各加工部位的位置精度要求较高时，采用加工中心加工 能在一次装夹中将各个部位加工出来，避免了工件多次装夹所带来的 定位误差，有利于保证各加工部位的位置精度要求。另外，采用加工 中心加工，还可减少装卸工件的辅助时间，节省大量的专用和通用工 艺装备，降低生产成本。 可减少机床数量，并相应减少操作工人，节省占用的车间面积。 可减少周转次数和运输工作量，缩短生产周期。 使用各种刀具进行多工序集中加工，在进行工艺设计时要处理好刀具 在换刀及加工时与工件、夹具甚至柳床相关部位的干涉问题。 在加工中心上连续进行粗加工和精加工，夹具既要能适应粗加工时间 切削力大、高刚度、夹紧力大的要求，又须适应精加工时定位精度高， 零件夹紧变形尽可1 1 4 , 的要求。 多工序的集中加工，要及时处理切屑。 在将毛坯加工为成品的过程中，零件不能进行时效，内应力难以消除。 技术复杂，对使用、维修、管理要求较高，要求操作者具有较高的技 术水平。 2 2 ；t i z q , b 上零件加工工艺路线的确定程序 拟定工艺路线是工艺规程设计最关键、最重要的内容。箱体零件从铸件检验 到成品的整个过程的加工工艺路线的确定程序如图2 1 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 i 在加工中心上零件加工工艺路线确定的流程框图岬i 在对零件功用、结构特点及技术要求进行充分仔细的工艺分析的基础上，首 先选择平面、孔系、孔系与平面中精度要求高的关键、重要加工工序，又适合数 控加工的内容，安排在加工中心上，以充分发挥其优势。这样在加工中心上加工 的箱体，其全部工序不都在加工中心上完成，一般都有三个阶段： ( 1 ) 加工中心加工前的预加工，如毛坯粗加工、加工中心用定位基准的加 山东大学硕士学位论文 工、毛坯加修等； ( 2 ) 加工中心工序加工： ( 3 ) 加工中心加工完后的终加工如钳工、研磨等工序。 “预加工”和“终加工”在普通机床上完成。这样的安排立足于攻克关键，解决 难题，确保质量，提高加工中心的使用质量和使用效益。工艺方案设计和加工路 线的具体拟定都要从整体上进行技术与经济的思考，协调好三个阶段的关系【5 1 。 2 3 加工工艺路线的确定 工艺路线的拟定是制定工艺规程的重要内容之一，其主要内容包括：选择定 位基准、表面的加工方法、划分加工阶段、划分工序以及安排工序的先后顺序。 设计者应根据从生产实践中总结出来的一些综合性工艺原则，结合实际生产条 件，找出最优方案。 2 3 1 定位基准的选择 加工中心定位基准的选择，主要有以下几个方面： ( 1 ) 尽量选择零件上的设计基准作为定位基准 ( 2 ) 当无法同时完成包括设计基准在内的工位加工时，应尽量使定位基准 与设计基准重合。同时还要考虑一次装夹就能够完成全部关键精度部位 的加工。 ( 3 ) 当在n i 中心上既加工基准又完成各工位的加工时，其定位基准的选 择需考虑完成尽可能多的内容。对于箱体，最好采用一面两销的定位方 式，以便刀具对其他表面进行加工。 2 3 2 加工方法的选择 箱体零件最重要的表面是孔和平面。它们都有很多种加工方法，具体选择是 应根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸等因素，选用相应 的加工方法和加工方案。 ( 1 ) 孔表面加工方法的选择【1 7 j 在加工中心上加工内孔表面的加工方法主要有钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻 丝等。( 见图2 2 ) ，应根据被加工孔的加工要求、尺寸、批量的大小及毛坯上有 无预制孔等情况合理选用。 加工精度为i t 9 级的孔，当孔径小于1 0 m m 时，可采用钻一铰方案；当孔 径小于3 0 m m 时，可采用采用钻一扩方案：当孔径大于3 0 m m 时，可采用钻一 山东大学硕士学位论文 镗方案。 加工精度为i t 8 级的孔，当孔径小于2 0 m m 时，可采用钻一铰方案；当孔 径大于2 0 m m 时，可采用采用钻扩一铰方案，此方案适用于加工淬火钢以外 的各种金属，但孔径应在2 0 8 0 m m 之间。 加工精度为i t 7 级的孔，当孔径小于1 2 m m 时，可采用钻一粗铰一精铰方 案；当孔径小于1 2 6 0 m m 时，可采用采用钻扩一粗铰一精铰方案或钻一扩 一拉方案。若毛坯上已铸出孔，可采用粗镗一半精镗一精镗方案。当孔径大于 3 0 m m 时，可采用钻镗方案。 加工精度为1 1 6 级的孔，最终工序采用精细镗能达到要求。 螺纹孔加工根据孔径大小，一般情况下，直径在m 6 m 2 0 m m 之间的螺 纹，通常采用机攻螺纹方法加工直径在m 6 m m 以下的螺纹，在加工中心上完 成底孔加工，通过其他手段攻螺纹。直径在m 2 0 m m 以上的螺纹，可采用镗刀片 镗削加工。 毛坯上无孔 钻孔 n l i i t l 3 r d 2 5 铰孔 l t 8 i t l o r , 1 6 3 2 毛坯上有孔 扩孔 i t l 0 i t l l r 撕3 1 2 5 粗铰 i t 8 i t l 0 r a l 6 3 2 精铰 i t 7 i t 8 r , 0 8 1 6 图2 2 孔加工方案 精细镗 i t 6 i t 7 r a 0 0 5 o 4 精镗 i t 7 i t 8 r 0 8 1 6 租镗或扩孔 i t l l i t l 3 r 6 3 1 2 5 半精镗 i t 9 i t l 0 1 6 3 2 ( 2 ) 平面加工方法的选择 平面、平面轮廓及曲面在加工中心上只能采用铣削方式加工。粗铣平面，其 尺寸精度可达i t l 2 i t l 4 级，表面粗糙度r a 可达1 2 5 5 0um 。粗一精铣平面， 其尺寸精度可达i t 7 i t 9 级，表面粗糙度r 且可达1 6 3 2hm 。 2 3 3 加工阶段的划分 一般情况下，在加工中一t 5 上加工的零件已在其他机床上经过粗加工，加工中 心只是完最后的精加工，所以不必划分加工阶段。但箱体零件有精度高的平面和 山东大学硕士学位论文 孔系要加工，其加工质量要求较高。因此在上加工中心前只进行了毛坯粗加工、 定位基准的加工和毛坯加修，其主要表面的加工应尽量将粗、精加工分开进行。 使零件在粗加工后有一段自然时效过程，以消除残余应力和恢复切削力、夹紧力 引起的弹性变形、切削力引起的热变形，最后通过精加工消除各种变形。 2 3 4 工序划分和加工顺序的安排 工序的划分和加工顺序直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工成本等 问题应尽量作到工序集中、机床停顿时间和辅助时间最少。工序划分和安排加 工顺序应考虑以下几方面原则 ( 1 ) 尽量在普通机床上完成大切削量粗加工，以提高加工中心的使用效率 和刀具的使用寿命。 ， ( 2 ) 对于既要铣面又要镗孔的箱体零件，先铣面再镗孔，这样可以提高孔 的加工精度 ( 3 ) 尽量减少换刀次数、缩短刀具空运行时间，充分利用加工中心工作台 可回转的功能。从而使加工辅助时间最少，提高加工中心的加工效率。 ( 4 ) 对于同轴度要求很高的孔系，应在一次定位后，通过顺序连续换刀， 顺序连续加工完同轴孔系的全部孔后，再加工其他坐标位置孔，以提高孔系同轴 度。 ( 5 ) 螺孔、阶梯孔、销孔、连接孔等在钻孔前都安排打中心孔；螺孔的孔 口用钻头倒角；阶梯孔在先钻小孔的基础上再锪大孔 ( 6 ) 优先加工用作精基准的表面，因为定位基准的表面越精确，装夹误差 就越小。箱体零件应先n r 定位用的平面和两个定位孔，再加工孔系和其他平面。 ( 7 ) 粗加工工序一般从有最大加工余量的基本平面铣削开始。精加工工步 也应先进行平面的精加工，然后再进行孔的精加工。 ( 8 ) 在一次定位装夹中，尽可能完成所有能够加工的表面。 2 3 5 加工余量 ：m - r e p 心一次装夹能完成箱体许多表面的加工，且精度高而稳定，这样既可 减少工序和工步数量，又可选用较小的零件加工余量：粗镗孔直径上留余量2 3 m m ，半精加工时留余量0 5 i m m ；铰孔时留余量0 0 3 0 i m m ；半精铣平面 时留i 2 n m n ；精铣留0 3 0 。5 m m 。 山东大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章分析了加工中心的工艺特点，并对加工中心上箱体零件加工工艺路线的 确定这一问题进行了探讨，阐明了工艺路线的确实原则和程序，最后对工艺路线 确定中的关键工艺设计问题进行了讨论 山东大学硕七学位论文 第三章基于加工中心的箱体零件工艺设计系统的框架 3 1 计算机辅助工艺过程设计概况 3 1 1 计算机辅助工艺过程设计的基本原理 计算机辅助工艺过程设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 的基本原理是 基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的。首先，将零件的特征信息以代 码或数据的形式，输入计算机，并建立零件信息的数据库；其次，把工艺人员编 制工艺的经验、工艺知识及逻辑思想以工艺决策规则的形式输入计算机，建立起 工艺决策规则库( 工艺知识库) ；第三，把制造资源和工艺参数等以适当的形式 输入计算机，建立起制造资源和工艺参数库；第四，通过程序设计充分利用计算 机的计算、逻辑分析判断、存贮以及编辑查询等功能来自动生成工艺文件。c a p p 基本原理如图3 1 所示。从图3 1 也可清楚在看出，c a p p 主要解决的问题是【l s i ： ( 1 )工艺设计所需信息的描述和代码化。( 特征信息标识和工艺知识) ( 2 )工艺设计所需信息的数据结构型式的合理制定。 ( 3 )程序设计( 包括人机界面、推理程序、打印输出程序等) 臣巫 ：人 ： 巨亟机 l 界 图3 1 c a p p 基本原理 山东大学硕士学伊论文 3 1 2 计算机辅助工艺过程设计的功能模块。町 c a p p 系统通常包括三个基本功能模块：零件信息输入模块、工艺决策模 块和工艺信息输出模块。 ( 1 ) 零件信息输入模块 工艺过程设计所需要的原始信息是产品零件的结构形状和技术要求。对于 c a p p 系统，必须将这些原始信息转换成系统能识别的信息。目前，c a p p 系统 信息输入模块的类型有两种：一种是人机交互输入零件的几何信息和工艺信息； 另一种是直接从c a d 系统读取或从集成环境下获取所需要的零件设计信息 ( 2 ) i 艺决策模块 工艺决策模块是系统的控制指挥中心，它的作用是以零件信息为依据，按预 先规定的顺序或逻辑，调用有关数据或规则，进行必要的选择，规划和计算，决 策生成零件的工艺过程。概括起来，工艺决策模块解决的问题分为以下三类： l 选择性问题，如加工方法的选择、刀具的选择等。 2 规划性问题，如工步安排与排序等。 3 计算性问题，如工序尺寸计算等。 ( 3 ) i 艺信息输出模块 工艺信息输出模块输出零件工艺过程文件。工艺过程文件的内容一般包括表 头信息和零件加工过程描述两部分。 ， 3 2 计算机辅助工艺过程设计系统的主要类型及设计方法概述 计算机辅助工艺过程设计系统按工作原理可分为变异式、创成式和人工智 能三类。下面简要说明一下这三类c a p p 系统的定义及特点。 3 2 1 变异式c a p p 系统 变异式c a p p 系统是利用成组技术原理将零件按几何形状及工艺相似性分 类、归族，每一族有一个主样件，根据此样件建立加工工艺文件，即典型工艺规 程，存入典型工艺规程库中。当需设计一个新的零件工艺规程时，根据其成组编 码，确定其所属零件族，由计算机检索出相应的典型工艺规程，再根据当前零件 的具体要求，对典型工艺进行修改，最后得到所需的工艺规程。变异式c a p p 又可称为派生型、修订型c a p p 系统。 变异式c a p p 系统的特点是： ( 1 ) 计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序，而不是工艺决策逻 山东大学硕十学何论文 辑。 ( 2 ) 从设计角度看，与常规工艺设计的类比设计相同，也就是用计算机模 拟人工设计的方式，其继承和应用的是标准工艺，没有指出工艺设计的最基础知 识，知识源的划分比较粗大，不利于工艺设计知识源开发，因些系统的柔性差， 移植性差。 ( 3 ) 系统原理简单，容易开发，而且发展较早，在应用方面，目前还有一 定的优势。 但变异式c a p p 系统的使用需要具有经验的工艺人员，况且标准工艺规程 未考虑生产批量、生产技术、生产手段等因素的变动，在生产批量改变、生产技 术和生产手段发展后，系统不易修改因此，变异式c a p p 主要适用于零件族数 较少、每族内零件项数较多以及生产零件种类、批量和生产技术较稳定的制造企 _ 2 。 3 2 2 创成式c a p p 系统 创成式c a p p 系统可以定义为一个能综合加工信息，自动地为一个新零件制 订出工艺规程的系统。即根据零件信息，系统