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基于不确定推理的模具数控加工工艺设计与优化技术研究 摘要 模具数控切削加工的工艺设计是获得高质量、低成本模具的有力保证，工艺智能设计与优化 已经成为目前模具加工领域的热门研究课题之一。然而随着产品更新速度的加快和工程规模的扩 大，传统的基于经典逻辑的工艺智能设计系统开始面临着新的挑战，这些挑战来自于越来越多存 在于模具加工过程中的不确定性和非线性问题。如何更好地解决这些问题，或者说，如何更好地 适应当前模具制造领域的需求是工艺智能设计系统所必须面对的。因此从这一角度考虑，寻找并 发现隐藏在模具加工中的深层次规律，结合不确定性理论与智能优化技术提出新思路、新模型， 使得计算机能够从某种程度上模拟人类专家对客观世界的认知过程，将会对整个模具制造领域智 能化的发展起到极其重要的推动作用。 本文对目前模具c a d c a m c a p p 技术、人工智能技术的发展现状和基于知识及软计算的工 艺智能设计系统的研究进行了全面的分析和回顾，指出了目前研究存在的不足之处，创新性地将 不确定性推理技术引入模具数控切削加工工艺设计过程中，用于处理工艺设计中的不确定性( 其 中包括模糊性、随机性以及不一致性) 问题。将不确定规则推理、黑板结构和面向对象技术进行 集成，提出了模具数控切削加工工艺智能设计与优化系统原型，并在通用型c a m 系统( u gn x 3 0 ) 中建立工艺智能设计和优化子系统。同时，本文还对系统实现的四项关键技术进行了重点研究， 包括不确定工艺知识系统建立、模具加工工艺设计集成知识模型、基于不确定知识的工艺智能设 计以及切削参数和工步排序优化。 在建立不确定性工艺知识系统时重点研究了不确定性知识表示、知识获取和知识推理三个主 要方面。创新性地提出了一种基于模糊相似粗糙集模型的不确定和不完备工艺信息系统数据挖掘 算法，在模糊理论、概率理论以及相似关系的基础上对具有连续属性的不确定信息系统和不完备 信息系统的r o u g h 集模型进行了拓展，提出基于属性最大相似距离和基于模糊数区间化的规则约 简方法，并给出了决策规则逆向情况的概论因子。该算法能够有效处理工艺信息系统中的不精确 和不完备性数据，由于不需要对连续属性进行离散化方法将其转化为离散值，因而可以较好地减 少工艺系统信息的丢失。 结合可信度理论和贝叶斯函数对经验规则的不确定性进行了度量；建立了证据描述语言集合 上的模糊隶属函数，并采用模糊隶属度作为证据的不确定性；同时，提出了工艺规则正向和反向 推理的不确定性传播算法。提出了模具n c m 工艺设计的集成知识模型，给出了模具加工特征混 合识别算法和特征分类方法，深入研究了特征模型和知识模型的面向对象的表达以及基于面向对 i 象黑板模型的工艺设计问题求解。以电话机注塑模型芯零件为例，将以上提出的经验规则的不确 定推理算法应用于工艺分析、走刀路径选择和刀具选择环节，有效地处理了工艺设计中的模糊性 问题，取得了较好的结果。 在工艺优化方面，根据“工序集中”原理，考虑了走刀路径的长度、刀具横越距离和换刀次 数相互间的关系及其对模具加工成本的共同影响，创新性地给出了一次装夹下的工艺优化模型， 其包含了两方面的内容：每道工步操作的切削参数优化和每道工序内所有工步顺序的优化。提出 了建立精加工时切削参数优化约束范围的新方法，采用本文提出的数据挖掘算法从工艺数据库中 提取表面粗糙度和切削参数间关系的决策规则，规则给出了一定表面粗糙度范围内对应的切削参 数范围，然后通过上述规则反向推理不确定传播算法得到在工艺要求的表面粗糙度情况下切削参 数的约束范围，以某电子产品后盖注塑模凹模板零件的p o c k e t 特征为例，采用遗传算法来对其切 削参数进行优化。决策规则的约束保证了精加工后模具零件的表面粗糙度能够达到工艺要求，充 分发挥了知识对优化的指导作用。 以电子产品注塑模凹模板零件为例详细说明了采用禁忌搜索算法来优化模具在一次装夹下 的工步顺序，在优化过程中工艺规则作为约束条件用于估计邻域移动的可行性，较有效地缩小了 可行解空间，降低了搜索算法的盲目性，保证了优化结果的可行性。 在理论研究的基础上，本文在u gn x 平台上利用二次开发工具u g o p e n 和v c + + 开发了模 具数控加工工艺智能设计系统模块。该模块分别采用电话机注塑模型芯零件和电子产品注塑模凹 模板零件为实例，验证了基于不确定推理技术的工艺智能设计系统在处理工艺设计中不确定问题 的可靠性和实用性，提高了工艺分析、刀具选择、走刀方式选择的智能化程度，并在一定程度上 有效降低了模具的加工成本。 关键词：模具；数控加工；工艺设计；设计优化；不确定规则推理；集成知识模型；数据挖掘 r e s e a r c ho nt e c h n o l o g i e so fp r o c e s sp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o n s y s t e mf o rd i e m o l dn cm a c h i n i n gb a s e do nu n c e r t a i n t y r e a s o n i n g a b s t r a c t p r o c e s sp l a n n i n gf o rd i e m o l dn cm a c h i n i n go f f e r se f f e c t i v em e a n st oa c h i e v ed i ea n dm o l d so f h i g hq u a l i t ya n dl o wc o s t s i n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o nh a sb e c o m eo d eo fh o t r e s e a r c h i n gs u b j e c t s i nd i e & m o l dm a n u f a c t u r i n ga r e ai nr e c e n t y e a r s h o w e v e f ，s i n c e t h e e n h a n c e m e n to fp r o d u c tr e n o v a t i o nr a p i d i t ya n dt h ee x t e n s i o no fe n g i n e e r i n gs i z e ，c o n v e n t i o n a l i n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m sb a s e do nc l a s s i cl o g i ch a sf a c e dn e wc h a l l e n g e s t h e s ec h a l l e n g e s c o m ef r o mm o r ea n dm o r eu n c e r t a i n t ya n dn o n l i n e a rp r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep r o c e s so fm o l d m a n u f a c t u r i n g h o wt od e a lw i t ht h e s ep r o b l e m s ，i no t h e rw o r d s ，h o wt ob e t t e ra d a p t t om o l dm a c h i n i n g r e q u i r e m e n ti st h em a i nt a s ko fi n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m s t h e r e f o r e ，f r o mt h i sp o i n to fv i e w , i ti sn e c e s s a r yt os e a r c hf o rt h ed e e pr u l e sh i d i n gi nm o l dm a c h i n i n ga n dp r o p o s en o v e li d e aa n dm o d e l c o m b i n i n gw i t hu n c e r t a i n t yt h e o r ya n di n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e i th a si m p o r t a n te f f e c to nt h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n c eo fm o l dm a n u f a c t u r i n g t om a k ec o m p u t e rh a st h ec a p a b i l i t yi ns i m u l a t i n g e x p e r t s i d e o l o g y t h i sp a p e rp o i n t so u tp r e s e n tr e s e a r c h i n gd e f i c i e n c y , b a s e do nv a l u a b l ei n s i g h t si n t ot h er e l a t e d r e s e a r c ho nd i e m o l dc a d | c 撇l c 叁漫pa n dt h ed e v e l o p m e n to fa it e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n t p r o c e s sp l a n n i n gs y s t e mb u i l d i n go nk n o w l e d g ea n ds o f tc o m p u t i n g u n c e r t a i n t yr e a s o n i n gt h e o r yi s f i r s ti n t r o d u c e di n t oi n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n gi nt h i sp a p e rt od e a lw i t hu n c e r t a i n t y ( i n c l u d i n gf u z z y , s t o c h a s t i ca n di n c o n s i s t e n 0p r o b l e m se x i s t i n gi nm a c h i n i n g t h ep r o t o t y p eo fi n t e l l i g e n tp r o c e s s p l a n n i n gs y s t e mi ss t i l lp r o p o s e df o rd i e & m o l dn cm a c h i n i n gb yi n t e g r a t i n gu n c e r t a i n t yr b r , b l a c k b o a r df r a m e w o r ka n do b j e c to r i e n t e dt e c h n i q u e t h em o d u l eo fi n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n ga n d o p t i m i z a t i o n i sc o n s t r u c t e di nc o n l m o nc a ms y s t e m ( u o sn x 3 0 ) a d d i t i o n a l l y , f o u rk e y n o t e t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nc o n d u c t e dd e e pr e s e a r c ho ni n t h i sp a p e r , i n c l u d i n gu n c e r t a i n t yp r o c e s s k n o w l e d g es y s t e m ，m o l dp r o c e s sp l a n n i n gm o d e li n t e g r a t e dk n o w l e d g e ，i n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n g b a s e do nu n c e r t a i n t yr u l eb a s e dr e a s o n i n g ，a n do p t i m i z a t i o no fc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dp r o c e s s s e q u e n c i n g u n c e r t a i n t yp r o c e s sk n o w l e d g es y s t e mc o n t a i n st h r e em a i nc o n t e n t s ，s u c ha su n c e r t a i n t yk n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o n ，k n o w l e d g ei n d u c t i o na n du n c e r t a i n t yr u l eb a s e dr e a s o n i n g i nt h i sp a p e r , an e wr o u g hs e t a p p r o a c ht h a ti n t e g r a t e sf u z z ys e tt h e o r yi sp r e s e n t e dt oi n d u c ek n o w l e d g ef r o mt h o s ei n f o r m a t i o n s y s t e m sw h i c hi n c l u d eu n c e r t a i na n di n c o m p l e t ec o n t i n u o u sa t t r i b u t ev a l u e s o nt h eb a s eo ff u z z ys e t t h e o r y , p r o b a b i l i t yt h e o r ya n ds i m i l a r i t yr e l a t i o n ，c l a s s i cr o u g hs e tm o d e lh a sb e e ne x t e n d e da n dr u l e r e d u c t i o nm e t h o di sp r o p o s e db a s e do nm a x i m u ma t t r i b u t es i m i l a r i t yd i s t a n c ea n df u z z yn u m b e r i n t e r v a l t h ep r o b a b i l i t yf a c t o ro fc o n v e r s ed e c i s i o nr u l e si sa l s op r e s e n t e d t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a n e f f e c t i v e l yd e a lw i t hi m p r e c i s ea n di n c o m p l e t ed a t ai np r o c e s si n f o r m a t i o ns y s t e m s a st h er e s u l to f h a v i n gn od i s c r e t i z a t i o nf o rc o n t i n u o u sv a l u e si ta v o i d si n f o r m a t i o nl o s t t h r o u g hc o m b i n i n gp r o b a b i l i s t i ct h e o r ya n db a y e sf u n c t i o nt h i sp a p e ra l s oc a l c u l a t e st h eu n c e r t a i n t y i o fe x p e r i e n c er u l e s ，b u i l d st h ef u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o no nd e s c r i p t i o nl a n g u a g es e to fe v i d e n c e sa s w e l la st a k e sf u z z ym e m b e r s h i pv a l u ea st h eu n c e r t a i n t yo fe v i d e n c e i ts t i l lp r e s e n t st h eu n c e r t a i n t y t r a n s m i t t i n ga l g o r i t h mo fp o s i t i v ea n dr e v e r s e dr u l eb a s e dr e a s o n i n ga n dt h ei n t e g r a t e dm o d e lf o rm o l d n c mp r o c e s sp l a n n i n g t h e ni nt h i sp a p e rm i x e df e a t u r er e c o g n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o ni sa l s op u t f o r w a r df o rd i e m o l dn c m p r o c e s sp l a n n i n g o b j e c to r i e n t e dr e p r e s e n t a t i o nf o rf e a t u r em o d e la n d k n o w l e d g em o d e la sw e l la sp r o c e s sp l a n n i n gb a s e do no b j e c to r i e n t e db l a c k b o a r df r a m e w o r kh a v e b e e nd e e pr e s e a r c h e d a l g o r i t h mo fu n c e r t a i n t yr u l eb a s e dr e a s o n i n gi sa p p l i e dt op r o c e s sa n a l y s i s ，t o o l p a t hs e l e c t i o na n dt o o ls e l e c t i o n ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yd e a lw i t hf u z z yl a n g u a g ep r o b l e m sa n do b t a i n f i n er e s u l t s a c c o r d i n gt o “p r o c e s si n t e g r a t i o n ”c r i t e r i a ，c o n s i d e r i n gt h er e l a t i o no ft h el e n g t ho ft o o lp a t h ，t h e d i s t a n c eo ft o o lt r a v e r s ea n dt o o ls w i t c h i n gt i m e sa n di t si n f l e c t i o no nm o l dm a c h i n i n gc o s t s ，t h e o p t i m i z a t i o nm o d e li no n es e t u pi sa d v a n c e d t h em o d e lc o n t a i n st w oa s p e c t s ：o p t i m i z a t i o no fc u t t i n g p a r a m e t e r si no n ep r o c e s sa n do p t i m i z a t i o no fp r o c e s ss e q u e n c i n g t h en e wm e t h o di sd e v e l o p e dt ob u i l d i n gc o n s t r a i n tb o u n d a r yf o rc u t t i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n f i r s t l y , d a t am i n i n ga l g o r i t h mi su s e dt oi n d u c ed e c i s i o nr u l e so nr e l a t i o nb e t w e e nc u t t i n gp a r a m e t e r s a n ds u r f a c er o u g h n e s s t h e nc o n s t r a i n tb o u n d a r yo fc u t t i n gp a r a m e t e r so nt h er e q u e s t e ds u r f a c e r o u g h n e s si sa v a i l a b l et h r o u g hr e v e r s e du n c e r t a i n t yr u l eb a s e dr e a s o n i n g a tl e n g t hg e n e t i ca l g o r i t h mi s u s e dt og e tt h eo p t i m u mr e s u l t so fc u t t i n gp a r a m e t e r sf o rt h ep o c k e to fe l e c t r o n i cp r o d u c ti n j e c t i o n p l a s t i cm o l d t h ec o n s t r a i n to fd e c i s i o nr u l e sg u a r a n t e e st h a ts u r f a c er o u g h n e s so ft h ep a r ta f t e r f i n i s hm a c h i n i n gw i l lb eu pt op r o c e s sr e q u i r e m e n t t h ef u n c t i o no fp r o c e s sk n o w l e d g eg u i d i n g o p t i m i z a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r , t h et a b us e a r c hf r s ) t e c h n i q u ei sa p p l i e dt oo p t i m i z eo p e r a t i o ns e q u e n c ei no n e s e t u pf o rt h ep a r tn cm a c h i n i n g f i r s t ，t h eo p e r a t i o ns e q u e n c i n go p t i m i z a t i o nm o d e li sf o r m u l a t e d b yc o n s i d e r i n gt h a tt h el e n g t ho ft o o lp a t h ，t o o lt r a v e r s i n gd i s t a n c ea n dt o o ls w i t c h i n gt i m e sm a y c h a n g ew i t ho p e r a t i o ns e q u e n c i n g t h e nb ym e a n so ft h ep r o p o s e dt a b us e a r c hm e t h o dt h e o p t i m u ms e q u e n c eo fo p e r a t i o n si sf o u n dt oo b t a i nt h em i n i m u mm a c h i n i n gc o s t p r o c e s sr u l e s h a v eb e e nu s e dt or e d u c ef e a s i b l es o l u t i o n ss p a c ea n db l i n d n e s so fo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m c o m p u t a t i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a se f f e c t i v e l yr e d u c e dt h ep r o c e s sc o s to f t h ep a r ti nt h eg i v e ns e t u p b a s e do nt h et h e o r yr e s e a r c h ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l su g o p e na n dv c + + a r ea p p l i e do nu g n xt od e v e l o pt h em o d u l eo fi n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n gf o rd i e & m o l dn c m a c h i n i n g t h ec o r eo f i n j e c t i o np l a s t i cm o l df o rat e l e p h o n ea n dt h ec a v i t yo fi n j e c t i o np l a s t i cm o l df o re l e c t r o n i cp r o d u c ta r e u s e da st h ec a t ov a l i d a t et h er e l i a b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo fi n t e l l i g e n tp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e mb a s e d o nu n c e r t a i n t yk n o w l e d g er e a s o n i n g i ti sp r o v e dt h a tn o to n l yu n c e r t a i n t yp r o b l e m so fp r o c e s sp l a n n i n g h a v eb e e ne f f e c t i v e l yd e a l tw i t h ，b u ti n t e l l i g e n te x t e n do fp r o c e s sa n a l y s i s ，t o o ls e l e c t i o n ，t o o lp a t hh a v e b e e na d v a n c e da n dt h em o l dm a c h i n i n gc o s th a sb e e nr e d u c e de f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：d i e & m o l d ，n cm a c h i n i n g ，p r o c e s sp l a n n i n g ，p r o c e s sp l a n n i n go p t i m i z a t i o n ， u n c e r t a i n t yr u l eb a s e dr e a s o n i n g ，m o d e li n t e g r a t e dk n o w l e d g e ，d a t am i n i n g i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：卯6 年6 月乙日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定 同意学校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。本人授权上海交通大学可以将本学位论文e 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j 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密酗在试年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：谣每辱 日期：珈年多月z 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在现代生产中，模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，它以特定的形状通过一定的方式 使原材料成形。由于模具成形具有优质、高产、省料和低成本等特点，现已在国民经济各个部门， 特别是汽车、拖拉机、航空航天、仪表仪器、机械制造、家用电器等工业部门得到极其广泛的应 用。随着社会经济的发展，世界上各个工业发达国家都十分重视模具技术的发展，大力发展模具 工业，积极采用先进技术和设备，提高模具制造水平，并取得了显著的经济效益。然而科技发展 进程的加快以及产品形状的多变，模具的结构也越来越趋于复杂化，模具的设计和制造在很大程 度上又决定了其所生产的产品的质量，因此造成了模具从设计到制造的整个过程任务繁重，设计 人员工作强度大。虽然说模具制造从广义上来看是属于机械制造领域，但是也有其自身的特殊性。 模具一般属于单件生产，通常一副模具都由上百个零件组成，除其中的标准件可以外购回来直接 进行装配以外，其他部分都需要加工获得，特别是模具的工作部分，如：冲压模具的凸、凹模， 注塑模具的型芯、型腔等，这些部分的零件形状结构复杂，材料硬度高，精度要求高。在数控技 术出现以前，这些零件的加工主要由手动方式完成，加工复杂，制造周期长，质量也难以得到保 证。随着计算机技术与电子技术的快速发展，传统的模具制造技术开始逐渐被数控加工技术和 c a d i c j 气m 技术所取代。 模具采用数控机床加工要比普通机床加工的自动化程度高，生产率高，且不需要繁琐的手动 操作，如果使用加工中心，模具很多特征的加工甚至可以在一次装夹中完成。除此之外，数控机 床的定位精度也比普通机床要高得多，其自动加工装置还可以避免操作者的人为误差，因而大大 提高了模具加工的精度和质量。c a d c a m 技术使得工程师能够借助于计算机来处理模具设计和 制造中的各种信息，它能够整体考虑设计与制造两个相对独立的工作，从而实现设计制造一体化。 然而，除了拥有良好的数控加工技术和c a d c a m 技术以外，还需要有合理的工艺设计作为基础。 工艺设计关系到模具加工的质量、成本、效率和模具的寿命，所以对工艺设计的研究具有重要的 意义。工艺设计是一项十分复杂且繁琐的工作，它要求设计者必须具有较丰富的加工经验，一位 缺乏经验的工艺师是很难给出符合要求的工艺参数的；同时，工艺设计又是一项十分细致的工作， 每个工艺参数设置都需要小心翼翼的进行，不合理的工艺结果可能会导致整个加工过程的失败， 给企业带来损失。另一方面，传统的工艺设计还只停留在书本手册查询和专家经验积累的基础上， 它不能综合考虑加工中所存在的各项影响因素，因而这种工艺设计方式也难以有效保证模具加工 能够达到最大生产率，在最大程度上减少模具的加工成本，这严重制约了企业在市场上的竞争力。 从上世纪9 0 年代以来，人工智能技术和优化技术的发展开辟了模具加工工艺设计的研究新 领域。智能化、自动化和最优化的工艺设计系统研究与开发成为众多科研工作者的研究重点【l 翻， 1 卜海交通人学博上学位论文 在此基础上各种形式的工艺设计系统也应运而生。虽然，这些系统在部分程度上解决了工艺设计 的智能化和自动化问题，但是到目前为止，能够真正成功地为实际生产服务的c a p p 系统仍然寥 寥无儿p ，4 j ，其中的原因是多重而复杂的，工艺智能化设计系统的研究与开发仍然任重而道远。 人工智能的提出是人类科学界的一项重大创新和突破，经过多年的发展，特别是“在现实世 界中绝大部分的现象都是不确定的”这一客观规律被人类逐渐确立之后，一些学者们开始不断致 力于不确定人工智能的研究。不确定性是理解人类智能和机器智能之间巨大差别的关键所在，不 确定性人工智能，必须超越不确定本身而寻求不确定中的基本规律，寻求表示并处理不确定性的 理论和方法，使机器能够模拟主客观世界的不确定性，使定性的人类思维可以用带有不确定性的 定量方法去研究，最终使机器具有更高的智能，在不同尺度上模拟和代替人脑的思维活动【5 】。 在模具制造领域中存在着大量不确定性问题，例如，工艺设计问题的语言表述和专家的经验 表达都存在模糊性，工艺数据库包含不精确和不完备性数据，加工中出现的随机因素，由不同的 工艺设计人员对同一问题产生的不同见解而导致工艺设计方案的不一致，以及由不确定的初始工 艺信息和工艺规则而导致推理过程不确定性的积累等等，其中模糊性和随机性是最基本的两种表 现形式。然而在目前的c a p p 系统中，工艺选择和工步排序方法通常采用的都是一种确定性的框 架，这种框架只能处理精确的信息，它忽视了在加工决策过程存在的许多不完备和不精确的信息； 除此之外，尽管工艺设计师的经验通常都是模糊而难以把握的，但这些c a p p 系统中的知识表示 仍然都采用了二值逻辑【6 1 。这表明基于经典逻辑的智能化工艺设计系统在处理一些不确定性工艺 问题时显得越来越不适应，换句话说，如果只是从确定性的信息和理论的角度出发建立智能工艺 设计系统，那么这种智能化也将会变得毫无意义。因此从这一角度考虑，寻找并发现隐藏在模具 加工中的深层次规律，在不确定性理论的基础上建立工艺智能化设计系统，使得计算机能够从某 种程度上模拟人类专家对客观世界的认知过程，将会对整个模具制造领域智能化的发展起到极其 重要的推动作用。 综合以上分析，为了更好的解决目前模具数控切削加工工艺设计所存在的问题，建立更加柔 性化的智能工艺设计系统，本文把不确定性性推理引入到模具加工的工艺设计中，全面而系统地 研究了建立工艺设计不确定性知识系统的关键技术；与此同时在智能化设计的基础上对工艺设计 一些过程和结论的优化也进行了深入研究，并在通用型c a m 系统( u g m c 3 中建立工艺智能设 计和优化子系统。其中在建立不确定性工艺知识系统时采用的方法包括模糊集理论、粗糙集理论 和可信度理论等，重点考虑了不确定性知识表示、知识获取和知识推理三个主要方面。在优化技 术的采用上，本文重点考虑了两种智能优化算法，遗传算法和禁忌搜索算法，分别用于处理工艺 设计中的两类优化问题。智能优化技术最大的优势在于，它对优化的目标函数和可行域要求不太 严格，甚至连有无目标函数解析式也无关紧要，因此具有很强的适应性和发展势头。其中遗传算 法在本文中用于工艺设计中的切削参数优化问题，禁忌搜索算法用于工步优化排序问题。 1 2 模具c a d c a m c 铷阳技术及其发展现状 一个完整的产品应当分为设计和制造两个阶段，模具产品也并不例外。模具c a d 可以帮助 人们通过计算机完成传统手工设计中各个环节的设计工作，并自动绘制模具装配图和零件图。模 具c a m 最初被应用于模具型腔等复杂形状自动加工的计算机辅助编程，后来又逐步扩展为用计 2 第一章绪论 算机辅助进行生产计划、管理、控制及加工过程的许多功能。首先没计者会根据加工产品的形状 和实际需求构思模具的几何形状及各尺寸要求，并通过模具c a d 系统绘制出模具的装配图和零 件图，这就是模具的设计阶段；后面的过程即是对设计结果的实现，模具c a m 系统在这个过程 中将会被用于完成设计之后的所有工作。从模具制造的过程来看，工艺设计与模具c a m 两者密 不可分，工艺设计不仅是模具c a m 技术的基础，更是c a m 系统的精华所在，工艺设计为后续 的数控编程和数控加工铺平道路，良好的工艺设计可以大大提高数控程序的正确性和有效性，从 根源上减少数控编程错误的产生，因而能够在一定程度上降低实际加工操作人员的劳动强度；而 数控编程是将前面的工艺设计思想转化成数控机床可以识别的代码来实现加工。因此，工艺设计 是模具c a m 不可或缺的重要组成部分，模具c a m 是包含工艺设计、生产管理以及数控编程、 仿真、加工等过程在内的一个综合概念，没有工艺设计，既使软件有强大的造型和加工功能，也 不能保证能编制出合理的为机床操作者所接受的加工程序1 7 1 。总结下来，工艺设计的主要内容大 致包括【8 】：毛坯设计、加工方式确定、工步划分、刀具选择、工序设计、加_ t 路线的确定、尺寸 公差计算、切削参数选定、定位基准夹具方案选择、刀具夹具等工装设计。 1 2 1 模具c a d c a m 及其发展现状 模具作为最具代表性的一类机械产品，是反映一套软件系统水平的试金石，所以近期推出的 c a d c a m 系统也无不以模具加工作为其水平的标志 9 1 。目前市场上比较优秀和流行的通用型 c a m 软件，主要可以分为两种类型，一种是集成的通用型c a d c a m 软件，如u g s 公司的n x ， p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，s d r c 公司开发的i - d e a s 以及c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n 等；另一种 则是相对独立的c a m 软件，如m a s t e r c a m 、f e a t u r e c a m 、p o w e r m i u 等，这些软件的成功应用 给模具制造业带来了巨大的经济效益。 但是模具加工不仅是一个复杂的，难以用精确理论模型进行描述的过程，同时也是一个思维 决策的过程。模具c a m 最重要的部分在于工艺设计，在工艺设计过程中，编程人员首先必须对 模具的加工特征、技术参数和要求作出分析，然后根据自己积累的经验或参考一些手册制定几套 正确的模具加工工艺方案，再将这几套工艺方案进行比较筛选，从中选出最适合的方案，最后才 能根据制定好的工艺方案进行数控编程，实现模具的数控加工。工艺设计充分体现了专家丰富的 实践经验和创造性思维，然而以数控编程为中心的c a m 软件，在某种程度上还难以有效地帮助 编程者实现这种思维决策过程，工艺设计部分仍然只是通过弹出式对话框让编程者手工完成各项 参数的输入和选择，体现不出设计的智能化和自动化，工艺设计已经成为c a d c a m 软件进一 步发展和应用的瓶颈。2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初，人工智能技术应用于c a m 系统开始成为 制造领域研究的重点【1 0 1 1 】，其中k b e 理论尤其受到重视。各式各样基于知识的工艺设计系统的 开始不断涌现，不仅进一步提高了模具的加工效率，减轻了编程人员的负担，同时也有效扩大了 洲系统的应用范围。 很多c a m 软件的开发商也开始致力于将工艺知识集成到c a m 系统中，建立基于知识的工 艺设计专家系统，逐步实现c a m 系统的智能化，提高系统n c 代码生成的质量，用以帮助和指 导人们在数控加工过程中对零件的加工工艺方案进行设计，“基于知识的加工”概念在这种情况 下被提升出来。对于这个概念不同的系统都有不同的侧重方面，一些系统强调提供有关加工的知 3 上海交通人学博士学位论文 识；另一些系统则比较重视提取关于加t 的知识；还有一些系统则趋向于围绕加工工艺来组织知 识f 1 2 】。美国d p t e c h n o l o g y 公司开发的新一代软件e s p r i t 1 3 1 ，是在此概念下被开发的软件之一， 它通过识别零件上的几何形状，如孔、腔、槽和凸台等，将这些特征与集成知识库中的工艺流程 和参数相联系，包括加工零件特征需要的工序以及每个工序对应的加工参数，决定各特征需要的 粗、精加工的操作，并给出加工所需的刀具和加工参数，最后生成刀具轨迹和n c 代码。e g s 公 司开发的基于特征的全功能f e a t u r e c a m 软件【1 4 】采用的是儿何特征关联加工知识的基本原理，它 可以根据用户指定的槽、孔、腔等特征加工信息，通过询问问题或提供选择的方式，收集该特征 得以加工的一切必要信息，自动进行刀具选择，计算切削用量，确定粗、精加工的操作，并产生 刀具路径和n c 代码。还有一些c a m 软件具有知识提取的