（航空宇航制造工程专业论文）基于特征的飞机结构件工艺决策技术.pdf

n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g f e a t u r e - - b a s e dp r o c e s sd e c i s i o nm a k i n g t e c h n o l o g y f o ra i r c r a f ts t r u c t u r a lp a r t s a t h e s i si n m a n u f a c t u r i n go f a e r o n a u t i c s & a s t r o n a u t i c se n g i n e e r i n g b y y u a nq i n g a d v i s e db y p r o f e s s o rl iy i n g g u a n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 j 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位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。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：查盔 日 期： 塑出：! l i 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 结合国家自然科学基金、国家科技重大专项资助项目和航空食业的实际需求，针对飞机结 构件结构复杂、特征数量众多、笏变形、尺寸和精度要求高、加工工艺特殊等特点和难点，对 基于特征的飞机结构件工艺决策技术进行了深入的研究，论义主要成果如下： 1 ) 研究了基于特征的飞机结构件典型工艺模板的创建方法。l 闩纳了飞机结构件典型工艺模 板的组织结构特点，将工艺模板分为工序级模板和特征级模板，结合工艺人员的经验，实现工 艺模板基于x m l 的定制。 2 ) 研究了基于特征的飞机结构件工艺决策方法。归纳了面向对象的工艺知识表示和基。j ：特 征的工艺规则表达方法，给出了基于特征的工艺决策流程以及加工方法选择、刀具选择、切削 用量选择、加工余量设置的方法。 3 ) 提出了基于遗传算法的加j 二特征排序方法。通过扩展加上元构建优先权系数矩阵，建立 符合优先权系数矩阵的初始种群，以选择、交叉、变异等遗传操作完成了加工特征的排序，实 现了机床变换、装夹变换和刀具变换的优化。 4 ) 根据以上研究，开发了基j ：特征的飞机结构件工艺决策系统。该系统已在某大型航空企 业中得到良好的应用。 关键词：飞机结构件，加工特征，工艺模板，工艺知识库，特征排序，遗传算法 基于特征的飞机结构件工艺决策的研究与实现 a b s t r a c t a s s o c i a t i n gw i t hn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ，n a t i o n a ls & tm a j o rp r o j e c t a n dr e q u i r e m e n t sf r o ma v i a t i o ne n t e r p r i s e s ，t e c h n o l o g yo ff e a t u r e - b a s e dp r o c e s sd e c i s i o n - m a k i n gf o r a i r c r a f ts t r u c t u r a lp a r t sa r ed e e p l ys t u d i e d t h em a i nf r u i t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h em e t h o do fc l a s s i cp r o c e s st e m p l a t eb a s e do nf e a t u r e f o rs t r u c t u r a lp a r t sw a ss t u d i e d s u m m e du pc h a r a c t e r i s t i c so ft h e o r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r et y p i c a lp r o c e s st e m p l a t ef o ra i r c r a f t s t r u c t u r a lp a r t s ，t h i sm e t h o dd i v i d e dp r o c e s st e m p l a t ei n t op r o c e s sl e v e lt e m p l a t e sa n df e a t u r el e v e l t e m p l a t e s t h e n ，c o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i e n c e so ft h et e c h n i c i a n s ，p r o c e s st e m p l a t ec u s t o m i z a t i o n b a s e do nx m ls c h e m ac a nb ei m p l e m e n t e d 2 ) t h em e t h o do fp r o c e s sd e c i s i o n m a k i n gb a s e do nf e a t u r ew a ss t u d i e d t h i sm e t h o ds u m m e d u po b j e c t - o r i e n t e dp r o c e s sk n o w l e d g ep r e s e n t a t i o na n dp r o c e s sr u l ee x p r e s sb a s e do nf e a t u r e a sa b a s i s ，t h ef l o wo fp r o c e s sd e c i s i o n m a k i n gw a ss t u d i e d s y n c h r o n o u s l y , p r o c e s s i n gm e t h o d s ，c u t t i n g t o o l s ，c u t t i n gp a r a m e t e r sa n da l l o w a n c ew a sd e c i d e d a tl a s t ，t h em e t h o do fp r o c e s sd e c i s i o n m a k i n g b a s e do nf e a t u r ew a sr e a l i z e d 3 ) t h em e t h o do fm a c h i n i n gf e a t u r e ss e q u e n c i n gb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mw a sp r o p o s e d t h i s m e t h o d ，w h i c hs e t st h el e a s tm a c h i n ec h a n g i n gn u m b e r , s e t u pc h a n g i n gn u m b e ra n dt o o lc h a n g i n g n u m b e ra so p t i m i z a t i o no b j e c t i v e ，e s t a b l i s hi n i t i a lp o p u l a t i o nr e s t r i c t e db yp r i o r i t yc o e f f i c i e n tm a t r i x f i r s t l y t h e ng e n e t i co p e r a t i o n ss u c ha sr e p r o d u c t i o n ，c r o s s o v e ra n dv a r i a t i o na r eu s e dt oe v o l v e p r o c e s ss e q u e n c e f i n a l l y , o p t i m i z e ds e q u e n c ec a nb eg o t 4 ) t h ef e a t u r e b a s e dp r o c e s sd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mb a s e do nf e a t u r eo nm f cp l a t f o r mw a s d e v e l o p e d ，w h i c hh a sb e e nw e l la p p l i e di no n el a r g ea v i m i o ne n t e r p r i s e k e yw o r d s ：a i r c r a f ts t r u c t u r a lp a r t s ，m a c h i n i n gf e a t u r e ，p r o c e s st e m p l a t e ，p r o c e s sk n o w l e d g eb a s e ， f e a t u r e ss e q u e n c i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m - 南京航空航天人学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言l 1 2 飞机结构件工艺决策的难点和特点一l 1 3 工艺决策技术的研究现状2 1 3 1 工艺模板2 1 3 2 工艺决策3 1 3 3 加工特征排序4 1 4 课题来源及论文内容章节安排5 第二章基于特征的飞机结构件典型工艺模板创建方法7 2 1 飞机结构件特征概述一7 2 1 1 飞机结构件特征分类7 2 1 2 飞机结构件加工特征典型实例8 2 2 工艺模板的创建一9 2 3 基于x m l 的工艺模板定制1 l 2 3 1 工艺模板x m l 文档的生成。l l 2 3 2 工艺模板的显示1 3 2 4 应用实例1 5 2 5 本章小结1 7 第三章基于特征的飞机结构件工艺决策1 8 3 1 面向对象的工艺知识表示1 8 3 1 1 工艺知识分类一1 8 3 1 2 面向对象的工艺知识建模1 8 3 2 基于特征的工艺规则表达2 l 3 3 基于特征的工艺决策2 2 3 3 1 工艺决策的流程2 2 3 3 2 工艺决策2 3 3 4 实例分析3 0 3 5 本章小结3l 第四章基于遗传算法的飞机结构件j j 口- r 特征排序3 2 基于特t n ：的飞机结构件工艺决策的研究与实现 4 1 优先权系数矩阵3 2 4 1 1 加工特征的工艺约束3 2 4 1 2 加工特征的标准加工序列3 3 4 1 3 优先权系数矩阵的建立3 3 4 2 基于遗传算法的工序问加工特征排序优化3 5 4 2 1 适应度函数3 6 4 2 2 权重的确定3 8 4 2 3 基因编码方式4 0 4 2 4 初始种群4 0 4 2 5 选择( s e l e c t i o n ) 4 0 4 2 6 交叉( c r o s s o v e r ) 41 4 2 7 变异( m u t a t i o n ) 一4 2 4 2 8 终止条件4 2 4 3 实例分析4 2 4 4 本章小结4 4 第五章基于特征的飞机结构件工艺决策系统? 一4 5 5 1 系统开发环境与开发工具4 5 5 1 1m f c 简介4 5 5 1 2x m l 简介一4 5 5 1 3o r a c l e 数据库简介4 5 5 2 系统框架结构4 6 5 3 系统功能模块及运行实例4 6 5 3 1 飞机结构件工艺模板创建4 7 5 3 2 飞机结构件工艺知识库管理4 8 5 3 3 工艺决策5 0 5 4 相关系统的比较5 2 5 5 本章小结5 3 第六章总结与展望5 4 6 1 总结5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢5 9 南京航空航天大学硕士学位论文 在校期间的研究成果及参与的科研项目6 0 基于特征的飞机结构件工艺决策的研究与实现 图、表清单 图l ，1 相交特征2 图1 2 典型整体结构件2 图2 1 飞机结构件分类8 图2 2 典型工艺模板1 0 图2 3 结构件典型工艺流程1 0 图2 4 简单类型元素语法1 2 图2 5 复杂元素语法1 2 图2 6 工艺模板的s c h e m a 文件一1 3 图2 7x s l 语法一1 5 图2 8 典型飞机结构件15 图2 9 工艺模板的s c h e m a 文件与x m l 文件1 6 图2 1 0 工艺模板的x s l 显示1 7 图3 1 机械设备类对象1 9 图3 2 机械设备对象关系图2 0 图3 3 工艺知识对象关系图2 0 图3 4 工艺决策流程2 3 图3 5 刀具决策流程2 5 图3 6 典型结构件工艺决策实例3 0 图4 1 约束函数算法流程3 5 图4 2 遗传算法流程图3 6 图4 3 轮盘赌示意图4 l 图4 4 加工特征排序实例4 3 图5 1 飞机结构件工艺决策系统框架4 6 图5 2 工艺模板的创建4 7 图5 3 工艺知识数据结构4 8 图5 4 机床增加界面4 9 图5 5 机床编辑界面5 0 图5 6 飞机结构件特征数据结构5 1 图5 7 工艺决策流程5 2 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1 飞机结构件 j i - f _ 特征典型文例8 农2 1 飞机结构件加工特征典型实例( 续) 9 农3 1 孔特征加工工艺方案2 4 表3 2 高速钢钻头加工钢件的切削用量2 9 表3 3 高速钢铰刀铰孔切削用量2 9 表3 4 镗孔切削用量2 9 表3 5 刀具决策结果3l 表4 1 适应度函数f 的层次结构表3 8 表4 2 随机一致性指标r ，的取值3 9 表4 3 扩展加工元序列表4 3 表4 3 扩展加工元序列表( 续) 4 4 表5 1 相关技术比较一览表5 2 表5 1 相关技术比较一览表( 续) 5 3 基于特征的飞机结构件工艺决策的研究与实现 注释表 c a d - c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计。 c a p p ：c o m p u t e r - a i d e dp r o c e s s i n gp l a n n i n g ，计算机辅助上艺规划。 c a m ：c o m p u t e r - a i d e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造。 x m l ：e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，可扩展标记语言。 x s l ：e x t e n s i b l es t y l e s h e e tl a n g u a g e ，可扩展样式语言。 - 南京航窄航天大学颀士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分，包括框、梁、肋等多种类型 【1 1 。现代飞机设计中，越来越多地采用整体结构件作为主要承力构件。飞机整体结构件的采用 大大减少了机体零件数目，减少了装配工作量，显著提高了飞机的制造质量。 飞机结构件加工特征多，包含大量自由曲1 斫、相交特征和特殊加工区域，制造精度要求高， 加工难度人。目前，越来越多飞机结构什的乍产采用数控加工【2 1 。近年来国内各大航空制造企 业斥巨资引进具有世界先进水平的数控设备，数控加工效率得到了很大提升，但数控设备有效 利用率仍然很低，编程时间和加工时间之比为1 0 ：1 。造成这种现象的重要原因在于数控加工工 艺规程编制规范性差、质量不稳定。飞机结构件加工工艺规程编制过程中需手工处理大量的图 形信息、数据信息、文字信息，对工艺人员的要求高。随着整体薄壁件、特种材料件的增多， 工艺设计工作量大幅增加，飞机结构件的工艺加工方案设计日益成为影响飞机结构件加工周期 的重要瓶颈之一【扪。 特征技术是实现c a d c a p p c a m 有效集成的方法，对提高企业生产组织的集成化、自动 化程度大有裨益。基于特征的工艺决策技术以特征为信息载体，能有效集成加工知识和专家经 验，是解决上述问题卓有成效的方法。因此，研究基于特征的工艺决策技术对提高工艺规程编 制规范、数控加工效率和缩短飞机研制周期都具有重大的意义。 1 2 飞机结构件工艺决策的难点和特点 与一般机械零件相比，飞机结构件的上艺决策有着自身的特点【6 l ： ( 1 ) 飞机结构件种类繁多，功能和形状各异，加工材料多种多样，因此，加工方法和流程 大相径庭。这给工艺决策的规范性带来诸多不便，同时，对工艺人员的素质也提出了很高的要 求，不利于工艺经验的继承和发展。 ( 2 ) 零件结构复杂，包含大量相交特征、自由曲面特征及特殊加工区域，零件尺寸及位置 精度要求高。如图1 1 中的阶梯槽、凸台槽及包含下陷的槽等，需采用特殊加工方法才能满足 精度要求；自由曲面开闭角情况复杂，加上刀具受到可切削区域的限制，因此大量使用多轴加 工：独立筋位于槽特征的腹板上，宽仅2 3 m m 。先铣一侧再铣另一侧的方法会破坏独立筋的精 度和位置度，循环绕铣才符合加工要求。 含有 错。 1 3 加工 等； 型和算法的方法解决。选择性问题和规划性问题的求解是工艺决策系统的难点和核心，国内外 学者对此进行了广泛而深入的研究，以下分工艺模板、工艺决策和加工特征排序进行说明。 1 3 1 工艺模板 工艺决策要求工艺人员有车间实际工作经验且工艺知识丰富，即具有加工领域的深层知识。 但是，具有丰富经验的工艺工程师，无论在发达国家还是在发展中国家，常常感到人数不足： 在美国，工艺设计人员一般年龄在4 0 岁以上，并具有丰富的生产车间工作经验；在英国，工艺 工程师平均年龄为5 5 岁【钔。工艺模板技术不啻为一种规范工艺决策流程、传承工艺经验的方法。 范铁军，刘云天等【9 1 利用w o r d 的字符处理功能，并引入v b 等工具，对a u t o c a d 系统 进行二次开发，建立了车间级的工艺模板系统；谢波，杨志兵掣1 0 1 基于u p i m 模型，以成组理 论和分形理论为指导，利用信息元的自组织、自相似性，建立加工信息模型，并以该模型为基 础，建立了以工艺数据结构为核心的标准工艺模板；王正刚，葛友华等【n 】提出了一种基于几何 基本特征工艺设计模板的工艺生成方法，建立以几何基本特征为载体的工艺设计模板，采用在 2 肖京航字航天大学硕士学位论义 模板内进行工艺参数化匹配方法，确定零件的主干工艺路线，同时根据不同的几何附加特征， 将附加特征工艺迭加到零件的主1 ：工艺路线中去，从而完成零件工艺路线的规划；刘椭峪1 1 2 】将 上艺模板划分为三个层次：全序、基序和子序。首先要分析| - j 类典型零件加工工艺的总体布局 和所有可能的加工单元( 3 - 序段) ，划分出相对独立的工艺模块全序列( 全序) 。其次总结分析小同 类型基本特征所对应的基本工艺模块序列( 基序) 。接着对每个模块( 子序模块) 进行处理，根据每 个子序模块的功能以及零件基本特征和辅助特征的具体情况列出可能的被加工表面在模块内的 有序的工艺内容( 子序) 。最后分析该子序模块内是否存在其他影响工艺决策的因素，以及相应 的解决方案( 二级子序) ；魏伟i l3 】分析了工艺信息的分类，针对企业运用的实际情况，通过建立 工艺模板机制，将工艺信息以j 二艺卡片的形式表达，同时，作者还研究了基于模板的工艺信息 批量获取技术和上下文感知技术：罗振波，许建新等【1 4 】通过对零件分类建立模板工艺，并对其 进行参数化，即在模板工艺与零件参数之间建立参数关系，以实现参数化驱动生成零件加工工 艺。 以上方法研究了工艺模板的特点和创建过程中所使用的关键技术，但对复杂工艺的研究不 足，难以胜任结构件工艺模板的创建需求。 1 3 2 工艺决策 工艺决策是工艺人员根据产品的设计信息，利用以往的工艺经验，参照具体加工环境，为 产品确定合理加工工艺的过程。截止到上世纪六十年代中期，工艺决策普遍是基于经验式的， 由工艺人员完成，没有计算机介入其中。自从n i e b e l 将计算机引入工艺决策领域，涌现出许多 关于工艺设备及工艺参数选择的系统。在过去的几十年里，众多工具自动选择系统主要针对具 体的加工方法而开发。m a r o p o u l o s 等【1 5 】提出一个智能工具选择系统( i t s k b s ) 。该系统具有关 于圆柱体工件的车削与镗削知识模块；e d a l e w 等【l6 l 开发了一。个基于动态编程的系统，采用数学 模块和启发数据确定与计算切削参数和零件成本；p a n d e 等1 1 7 】报道了一个针对零件的计算机辅 助工艺规划系统( p c c a p p ) ，纳入各种模块：零件特征表示、工艺设备自动选择、工艺参数的 确定等。其中许多模块是基于知识且带有简化的技术模块，用于工艺参数的计算、具体加工操 作中的工具选择；a r e z o o 等【l8 】按照自动化与复杂程度将计算机辅助工具选择系统分成四个等 级：第一等级( 初级) 系统提供可用刀具的图形与分类，来支持刀具选择。第二等级系统提供工 具集的所有集合，可以让用户根据经验选择最好的工具集。以上这两级系统考虑了零件加工的 几何形状方面，而没有考虑切削技术。第三等级系统将某些“工具优先级标准”纳入工具选择。 该级系统不仅继承了第二级系统的优点( 拥有工具集的所有组合) ，而且可以根据成本标准选择 最佳工具组合。第四等级系统更加柔性，不仅可以搜索加工零件的最佳方式，而且将终端用户 的工作经验考虑在内；继承了第三级系统的自动化优点且避免了第三级系统的设计刚性问题。 3 定 集 及 模 等 1 艺 采 来 出 划 a s s o c i a t i v em e m o r y ) 方法对族内的关联特征进行排序；m a r f e a t 等 2 6 1 根据刀具访问方向将特征的 相交情况分为平行关系、垂直关系等；z g u 掣”l 对特征加工工艺性进行定量求解，并以此作 为依据将特征分为重要特征和非重要特征，利用神经网络自动生成加工特征顺序： j u e n g s h i n gh w a n g 掣2 8 1 运用前向链方法对加工特征进行排序；h a n 等【2 9 】在制造特征的识 别过程中，将加工顺序约束的建立过程与特征识别过程结合起来，根据特征本身的加工方法的 实际加工体积与相交特征的位置关系，决定特征的加工顺序约束关系；d k i r i t s i s 掣3 0 1 提出基于 p e t r i 的特征顺序规划方法：n o r h a s h i m a hm o r a d 掣3 l 】提出基于遗传算法的特征排序方法；a l a nc l i n 等1 3 2 】针对柱状零件的加工工艺规划问题，提出了一种集成人工智能技术和机械特性的框架 结构的加工特征排序模型：y o n gs e m 等1 3 3 】在基于凸包分解的特征识别方法中建立特征之 间的顺序约束关系，首先在凸包的分解过程中建立加工面之间的依赖关系，再根据特征的加工 方向将特征所在面的依赖关系转化为特征之间的顺序约束关系；j u n h os h i n 等【3 4 】提出了马尔科 夫链和启发式混合特征排序算法；h c c h a n g 等( 3 5 l 给出了一种基于网络结构的工艺表示方法， 并应用动态规划法实现了加工工艺的动态规划；gb r i t t o n 等【3 6 1 提出了基于图的特征排序方法。 ， t - n w o n g 等刚提出遗传算法与模糊逻辑的混合特征排序方法；h o n g h e el e e 3 8 】通过将加工特征 按功能分组，基于规则推理生成加工特征顺序；l w a n g 拶3 9 】通过几何求交得到加工特征的最 大切削体积、中间切削体积和实际切削体积，建立e n r i c h e dm a c h i n i n gf e a t u r e ，并基于规则推理 生成泛型加工特征顺序；郝永涛等【4 0 】针对孔的加工规划问题，提出一种基于知识推理的由特征 4 南京航空航天大学硕士学位论义 结构、前向网络和数学排序模型i 部分组成的加工工艺规划方法：z h e n k a il i u 等【4 l 】提出几何和 知识混合推理生成加工特征顺序的方法；s a l e hm a m a i t i k 等1 4 2 】提出种混合智能推理方法，该 办法不需要通过加工特征的识别，而是把加工零件尺寸数据转换为s t e p a p 2 2 4x m l 数据文件， 然后应用神经网络、模糊逻辑和基于规则的推理实现加工特征的智能规划排序； 梁吉元等【4 3 l 提出利用图论中的“旅行商问题”数学模型，该模型对墙板类零件典型的大量 孔加上进行了优化处理，实现了加工多个特征时刀具路径最短：吴玉光等根据特征具体加工 方法和相交特征的相交边界类型建立相交特征间的加工顺序约束关系：孙容磊等【4 5 】提出了多工 艺规划柔性的概念，研究了多工艺规划间的内在联系，给出了- 种多工艺规划柔性评价指标， 实现对多工艺规划不同加工操作的优先级排序，并用于指导调度过程，使得调度系统在每决 策点_ 二均能保持适当的柔性，从而提高7 n 造系统的性能：秦宝利4 6 l 应用模糊综合理论和方法 建立特征加工方案的多维推理模型，通过特征属性与典型加工方案的模糊映射，将加工方法选 择知识以模糊隶属度矩阵的形式存储，建立起工艺知识库，并通过模糊变换和模糊运算，推理 得到符合特征要求的可选加工方案；张冠伟掣47 l 针对数控加工零件加工的工步排序问题，提出 使用特征关系图和特征高度拙述加工特征之间的加工优先顺序，以及工步优先关系矩阵校验工 步序列合理性的方法，并在遗传算法求解的支持下，实现加工工步的优化排序：王忠宾等【4 8 】针 对c a p p 系统柔性、可扩展性、可重用性和动态适应性的提高，利用多a g e n t 技术，以加工特 征为基础，给出了具有协调代理机制的智能c a p p 系统体系结构，使得工艺规划的可执行性提 高了近1 3 ，在该智能c a p p 系统结构中，系统具有智能规划能力的知识保证来源于特征提取知 识库、特征排序知识库和机床选择知识库等；李宁纠4 9 】应用分治法思想对飞机结构件框类零件 槽特征排序，以达到刀具非切削行程最短的目的。 以上方法多是研究特征几何相交关系引起的加工特征难题，对飞机结构件由于薄壁、高精 度及多轴加工等产生的加工相交关系【5 0 】研究不足，不能有效解决包含自由形状曲面的相交特征 引起的飞机结构件加工特征排序难题。 1 4 课题来源及论文内容章节安排 结合国家自然科学基金资助项目、国家科技重大专项资助项目和航空企业的实际需求，针 对飞机结构件零件结构复杂，加工特征多，包含大量自由曲面和相交特征，加工工艺复杂，数 控编程效率低、质量不稳定等难点，对基于特征的飞机结构件工艺决策技术进行了深入的研究， 开发了基于m f c 的工艺决策系统，并已在某大型航空企业中得到良好应用。论文内容章节安 排如下： 第一章：绪论。分析了飞机结构件的应用价值及其工艺决策的特点和难点，总结了工艺模 板技术、工艺决策技术和加工特征排序的发展历程和研究现状，介绍了课题来源和论文章节安 5 件特征的定 级模板和特 知识模型和 决策流程， 方法，实现 方法通过扩 、装夹变换 统设计及运 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章基于特征的飞机结构件典型工艺模板创建方法 工艺模板是指导工艺决策流程的文件，是实现工艺决策的基础。飞机结构件工艺模板的难 点在于对其典型加工工艺的研究，提取适用于同类结构件的流程，并形成易于理解和数据交换 的存储方式。 为此，本文研究了飞机结构件的特征分类方法，总结了飞机结构件典型加工过程，给出了 基于x m l 的工艺模板定制程序，最后形成基于特征的飞机结构件典型工艺模板的创建方法。 2 1 飞机结构件特征概述 2 1 1 飞机结构件特征分类 特征是具有一定工程语义的几何形状，一般与应用领域有关，在不同的领域有着不同的内 涵。各领域特征的定义都有一个共同点：特征是集成环境中高层语义信息的载体和基本传输单 位，它应包含几何形状和工程应用功能两大类属性。特征分类的方式依赖于特征的定义，因而 特征的种类各不相同。因为本文的侧重点在于工艺决策技术的实现，所以这里主要讨论加工特 征的分类。 为使企业的c a d 技术数据信息能够得到共享并进行有效的传递和管理，国际标准化组织 ( i s o ) 于1 9 8 4 年组织了世界许多国家和企业、公司共同开发、制定了一个关于产品数据可理解 的表达和交换的国际标准( “i s o1 0 3 0 3 工业自动化与集成产品数据的表达与交换”系列国际标 准) ，简称s t e p 标准。s t e p 标准是个系列标准，它提供了一整套进行数据交换的方法，是解 决当前各c a d c a m 系统间数据不能直接交换的唯一可行方案。其中，s t e pa p 2 2 4 应用协议 标准把加工特征分为孔、凸台、槽、平面、轮廓等几类f 5 1 】。但飞机结构件由于自身的特点，结 构的复杂程度和精度要求比一般的机械零件高很多，此种加工特征分类方法不适用于飞机结构 件。 根据对某大型航空制造企业的调研，发现飞机结构件可通过总体特征、加工特征以及辅助 特征三方面加以描述。其中，总体特征主要描述零件的总体信息，并提供加工特征共用或默认 的信息；加工特征是对零件模型的具体描述，是飞机结构件的主体；辅助特征则是零件本身不 包含，但在加工过程中必不可少的特征，如工艺凸台、分型面等。在充分融入飞机结构件加工 工艺的基础上，本文将结构件的加工特征分为五类，包括轮廓特征、槽特征、筋特征、孔特征 和非圆孔特刎5 2 l 。飞机结构件的特征分类如下图所示： 7 基于特征的飞机结构件工艺决策的研究与实现 色机结构件 l 总体特征加工特征 辅助特征 _ llj 二上上上上j l_ ，_ j l 管 默 材 筋 轮 非 孔 ：亡 分 理 认 料 特 廓 槽 圆艺 型 信 几 信特 特 孔 特 凸 息 何 息 征 征 征 特 征 a 面 信 征 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 息 l 1 ，l ，l ，l l 1 ，l 国圈园圈圆圈园园圜圆圈 图2 1 飞机结构件分类 2 1 2 飞机结构件加工特征典型实例 飞机结构件结构复杂，加工特征以几个适合整体加工的子特征组合的形式呈现，每个子特 征都体现着一个相对独立的加工工艺环节。表2 1 中列举了几种典型的飞机结构件加工特征及 其对应的加工工艺。 表2 1 飞机结构件加工特征典型实例 特征特征示意图子特征加工工艺备注 槽腹板五环切 抑制孔 单层槽以腹板外 环为驱动线；多 槽 槽侧壁侧铣周边 层以侧面下沿为 特 驱动线 征 槽转角 单独侧铣成组加工 刀具半径直 槽底角 接成形 f 槽顶面辅助几何侧面加工的边界 - 8 南京航窄航天大学硕士学位论文 表2 1 飞机结构什加上特征典型实例( 续) 特征特征示意图 子特征 加工工艺 备注 从地往高行 筋顶面石 抑制孔 切 筋 侧铣约束面，单层槽以腹板外 特 并在较低一环为驱动线；多 征 约束面五 端铣出i - ) j 层以侧面下沿为 点驱动线 ，= 以分型面为终止 轮廓z 侧铣 轮 条件 凸台内侧以凸台连接处上 廓 侧铣 特 l i 沿为终止条件 征 f 刁 轮廓加工引导线 ； 凸台外侧兀 辅助几何 j 3 的边界条件 大孔z 先铣后镗 孔 特 小孔五 先钻后铰 征 非圆孔六 铣 2 2 工艺模板的创建 工艺规程作为指导现场生产的主要文件，是指导工人生产操作的基本法规，是组织企业生 产、技术工作的重要依据。工艺规程编制的质量好坏，直接影响着产品的质量。随着计算机技 术的发展，使用模板化、数字化的工艺规程来指导工艺决策得到了越来越多的应用。 图2 2 是一典型的飞机结构件工艺模板。从中我们可以发现，工艺模板主要有三部分的内 容：零件信息、总体信息和工艺信息。零件信息包含零件的编号和名称；总体信息包括结构件 所属飞机的名称，所属装配文件、左右件标识和材料信息：工艺信息则包含零件从领料到加工 完毕的整个工艺过程所涉及的特征信息、加工方法、机床、刀具、加工参数等。零件信息和总 体信息的获取比较简单，用户手动输入或直接从企业的产品数据库中读取即可，工艺信息的正 9 基于特征的飞机结构件工艺决策的研究与实现 确获取和组织就成为了工艺模板创建的难题。 零 件 信 息 总 体 信 息 工 艺 信 息 屯骄l t 吖 蛾3 酌n q rf l a g i 婪伽器鬈r 蚰m l i j 锄t l - b 科i铘t ls f e c 信弋 诩t l _ t y p e i 1 日l口 t ln a 朋e 息lq 目a 箍黜字d 1 们r ：n m e 颂料 ( o p t i t l 3 ；i 0 0 5 “o p t i t l e pt y p e 、倬 棚锕了) o r 功e s c 撷料 倒l ，灯 a c k i i t i e 赛j 碉 信、 嘲a c 搬飕一h a 哺e 白【 铂a g f f i p z j n e l 思、 奄t e ? u s r l 勺p e r 匈i z r 铂r e l 【 仍i e r ( ，o p e rl i s t ，工艺梗板j 图2 2 典型工艺模板 对于同一类零件而言，由于结构和功能的相似性，其加工流程和方法是一致的。下图2 3 所示为某大型航空制造企业加工结构件的工艺流程。 l2345678 l 领料卜- i 制吊装孔卜叫特种校验卜_ + | 数控加工卜叫钳工 _ 半成品校验 _ _ 叫硬度检查卜 清洗i r 。1rr1 。6，5。4。3。2。9 l i 保护卜_ 一成品检查h 标记h 喷漆卜卜一