（计算机科学与技术专业论文）基于加工特征的装夹规划和层次式工序规划研究.pdf

摘要 c a d c a m 集成一直是数字化设计与制造领域十分重要的问题。c a p p 技术 作为连接c a d c a m 的桥梁，是解决c a d c a m 集成的重要技术。在实现 c a d c a p p ，c a m 集成的诸多方法中，基于特征的方法被认为是最本质和最有前 景的。因此，基于加工特征的c a p p 方法受到研究人员越来越多的重视。本文即 是在这种背景下对基于加工特征的装兴规划和层次式工序规划展丌研究。 论文工作主要包括以下几个方面： 提出一个基于加工顺序约束的装夹规划方法，通过采用加工顺序约束对装夹 顺序进行排序，以得到合理的装夹顺序。该方法生成的装央使装夹个数尽量少， 并且满足特征加工顺序约束。 提出一个层次式工序规划方法，通过分析公差关系、特征加工顺序、加工经 验、优化约束对工序规划的影响，确定出各层次的影响因素和排序方法，使工序 规划更合理。 提出基于遗传算法的工序排序和工步路径优化方法。通过将工序分成粗、精 加工两个阶段进行排序，有效解决特征循环约束问题，同时降低排序的规模。通 过建立合理的适应度函数，使工序工步排序最优解或近似最优解的确定更加高 效。 基于以上研究成果，论文实现了一个基于加工特征的装夹规划和层次式工序 规划原型系统，并给出使用工厂里的实际零件模型对该系统进行测试的结果。 关键词：装夹规划，工序规划，加工特征，c a p p ，遗传算法 本文t 作受到浙江省科技计划重点项目( 2 0 0 5 c 2 1 0 0 7 ) 和八六三对接项目资助 a b s t r a c t c a d c a mi n t e g r a t i o ni si m p o r t a n ti nt h ed i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r e a n d c a p pi st h eb r i d g et oc o n n e c tc a d c a m a m o n gm a n yi n t e g r a t i o nm e t h o d so f c a d c a p p ，c a m f e a t u r e - b a s e do n ei sc o n s i d e r e dt ob em o s tp r o m i s i n g t h e r e f o r e ， f e a t u r e b a s e dc a p ph a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n si nl a s tt w od e c a d e s i n t h i st h e s i s , t h er e s e a r c hf o c u s e so nt h es e t u pp l a n n i n ga n do p e r a t i o np l a n n i n go f f e a t u r e b a s e dc a p p t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： an e wa p p r o a c ho fs e t u pp l a n n i n gb a s e do no p e r a t i o ns e q u e n c ec o n s t r a i n ti s p r e s e n t e d i nt h ea p p r o a c h ，r e a s o n a b l es e t u ps e q u e n c e i s g e n e r a t e dt h r o u g h c o n s i d e r i n gt h es e t u ps e q u e n c ec o n s t r a i n tc o n s 订u c t e df r o mo p e r a t i o ns e q u e n c e c o n s t r a i n tb e t w e e nf e a t u r e s t h ea p p r o a c hm a k e ss t i l et h a tt h es e t u pn u m b e ri sa s s m a l la sp o s s i b l ea n dt h eo p e r a t i o ns e q u e n c ei ss a t i s f i e d 。 ah i e r a r c h i c a la p p r o a c ht oo p e r a t i o np l a n n i n gi sp r e s e n t e d 。a f t e ra n a l y z i n gt h e f a c t o r st h a ta f f e c tt h eo p e r a t i o np l a n n i n g ，t h eo p e r a t i o ns e q u e n c ei sd e t e r m i n e di n e a c hl e v e la c c o r d i n gt h ec o r r e s p o n d i n gf a c t o r s ，w h i c hm a k e so p e r a t i o np l a n n i n gm o r e r e a s o n a b l e an e wa p p r o a c ht og e n e r a t i n go p e r a t i o ns e q u e n c ea n do p t i m a lm a c h i n ep a t h b a s e do ng ai sp r e s e n t e d b yd i v i d i n go p e r a t i o n si n t ot w ot y p e s ，r a wa n df i n e ，a n d g e n e r a t i n go p e r a t i o ns e q u e n c ei n d e p e n d e n t l y , t h ec i r c l es e q u e n c ec o n s 协a i n tp r o b l e m i ss o l v e d i na d d i t i o n ，t h eo p e r a t i o ns e q u e n e ec a nb ee f f e c t i v e l yg e n e r a t e dw i t ha n a p p r o p r i a t ef i t n e s sf u n c t i o ns c tu p b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s , ap r o t o t y p es y s t e mz d s o p si sd e v e l o p e d ，w h i c h h a sb e e nt e s t e db ys e v e r a lp a r t s k e y w o r d s ：s e t u pp l a n n i n g ，o p e r a t i o np l a n n i n g ，m a c h i n i n gf e a t u r e ，c a p eg a 羟 第1 章绪论 第1 章绪论 本章首先简要回顾c a p p 技术发展简史，简要介绍特征技术，着重分析基于 加工特征c a p p 的主要研究内容及其研究现状，指出现有存在的问题，并最后提 出本文的研究目标和内容。 1 1c a p p 技术 c a d c a m 技术是2 0 世纪制造领域最杰出的成就之一，也是计算机在制造 业中应用最成功的范例之一。随着计算机在制造业领域应用的不断深入，先后提 出了计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助制造( c a m ) 等概念。2 0 世纪8 0 年 代中后期，c a d 、c a m 的单元技术日趋成熟。随着机械制造业向c i m s ( c o m p u t e r i 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 ) 和i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 方向 的发展，c a d c a m 的集成化变成亟待解决的问题。c a p p 技术作为连接 c a d c a m 的桥梁，是解决c a d c a m 集成的重要技术，得到迅猛发展1 、2 、 3 1 。 1 1 1c a p p 简史 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 ，简称c a p p ) 是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断 和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于c a p p ，可以解决手工工艺 设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。应用c a p p 技术可 以缩短生产准备周期，提高产品制造质量，进而缩短整个产品的开发周期【4 】。 c a p p 思想自从1 9 6 5 年n i e b e l 首次提出，迄今4 0 年，c a p p 领域的研究 得到了极大的发展，期间经历了检索式、派生式、创成式、混合式等不同的发展 阶段，并涌现了一大批c a p p 原型系统和商品化的c a p p 系统。 1 检索式c a p p 系统。检索式c a p p 系统事先将设计好的零件加工工艺规 程存储在计算机数据库中。进行工艺设计时，根据零件图号或名称，在工艺文件 第1 章绪论 数据库中检索出相类似零件的工艺文件，由工艺人员采用人工交互方式进行修 改，获得工艺设计内容。这类c a p p 系统功能较弱，自动决策能力差，工艺决策 完全由工艺人员完成。 2 派生式c a p p 系统。又称变异式c a p p 系统，可以看成是检索式c a p p 系 统的发展。其基本原理是利用零件g t ( 成组技术) 代码( 或企业现行零件图编 码) ，将零件根据结构和工艺相似性进行分组，然后针对每个零件组编制典型工 艺，有成主样件工艺。工艺设计时，首先根据零件的g t 代码或零件图号，确定 零件所属的零件组，然后检索出浚零件组的典型工艺文件，最后根据浚零件的 g t 代码和其它信息对典型工艺文件进行自动化或人工交互式修改，生成符合要 求的工艺文件。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 丌发的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。 3 创生式c a p p 系统。创生式c a p p 系统的基本原理与检索式和派生式方 法不同，不是直接对相似零件工艺文件的检索与修改，而是根据零件的信息，通 过逻辑推理规则、公式、算法等，做出工艺决策而自动地“创成”一个零件的工 艺规程。创成式系统不需要派生法中的样板工艺文件，在创成系统中只有决策逻 辑与规则，系统必须读取零件的全面信息，在此基础上按照程序所规定的逻辑规 则自动生成工艺文件。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 s p l a n n i n g a n ds e l e c t i o n ) 系统。 4 混合式c a p p 系统。混合式系统是将派生式、创成式与人工智能结合在一 起，综合而成的。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( k n o w l e d g e b a s e d ) 和智能化为特征的c a p p 专 家系统的研制。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。从8 0 年代中后期到9 0 年代初期开始，人 工智能技术特点是专家系统得到广泛应用，丌发出了的一大批基于规则推理的专 家系统。目前已许多专家系统c a p p 问世，其中较为著名的是f 1 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 2 第l 章绪论 统等。 1 1 2 传统c a p p 存在的问题 传统的c a d 系统是基于几何模型的，当设计人员用几何实体造型的方法在 计算机上建立零件模型时，只保留了几何信息，而其它信息则全部丢失。例如传 统的c a d 系统只表达底层的几何信息，如线架、边界表示( b r e p ) 和实体结构几 何( c g s ) 的信息，点、线、面、体等：没有提供语义信息和功能信息，也不能表 达产品的非几何信息，如公差、装配、材料、精度、表面粗糙度和功能信息等。 因而无法满足c a p p 和c a m 的需要和c a d c a m 深入的需要。 为此上世纪7 0 年代人们就提出了既包含几何信息又包含非几何信息的“特 征”概念 4 】，并对其进行系统的研究，而且在各个领域进行了相应的应用，促 进各领域技术的发展，特别对c a p p 的发展意义重大。在c a d c a p p c a m 系统 的集成过程中，基于特征的方法被认为是集成工艺规划和设计的本质工具【5 。 特征方法是当今国际上研究c a d c a p p 集成乃至整个产品生命周期内的各个功 能子系统之间信息集成与共享的热点，下面就特征技术做一个介绍。 1 2 特征技术 1 2 1 特征的概念 特征的概念自提出以来，至今未有严格统一的定义。比较认同的是：特征是 一组信息的集合，它具有属性，与特定的领域如设计、制造、装配相关，包含具 有一定工程意义的几何实体或其他信息。常见的领域特征有：设计特征、加工特 征、装配特征等。特征具有以下几个特点 6 ： 一个特征是一个物体的组成部分 一个特征与物体的特定几何信息相对应 一个特征具有一定的工程语义 一个特征具有预先描述的特性 第1 章绪论 1 2 2 特征的属性 每个特征都有其特定的属性，这些属性使一个特征区别于其它特征，用以描 述特征的形状、工程语义、行为方式、产生方法及与其它特征的联系等。下面罗 列了一个特征可能包含的部分属性信息： 一般形状，包括拓扑、几何信息 尺寸参数 约束参数和约束关系缺省参数值 定位参数和定位方法 定向参数和定向方法 参数、定位约束和定向约束问的关公差 系，可能涉及多个相关特征 几何模型的构造方法 特征识别算法基于相关特征的参数计算方法 有效性规则或维护方法非几何信息 1 2 3 特征的分类 特征分类的方法很多，可以根据不同的原则进行分类，表1 1 例示了分别以 产品类型、特征的应用领域和特征的几何形状为原则给出的特征分类。 表1 1 特征分类 产品类型应用领域几何形状 钣金件特征设计特征多面体特征 组合板特征有限元分析特征旋转特征 切削加工特征加工特征拉伸特征 注塑模特征装配特征 分析特征 针对某一特定的应用领域，特征又可以分成许多子类，图1 1 是一个简单的 形状特征分类： 图1 1 一个简单的形状特征分类 4 第l 章缝谂 1 2 4 加工特征 加工特征的定义：加王特征是特征在工藏、加工阶段的表现形式，是零件毛 坯上霹鞋去踩熬部分，像食器耱尼谤实薅嵇惑、鸯羹工售感。熬王特蔹a 舅形获戆 创建，对应着特定的加工方法或过程【7 】。 加工特征是零件加工特征建模、工艺生成、数控加工等阶段信息、数据传输 和交换的载体，贯穿于零件的加工特征建模、c a p p 和c a m 等不同阶段。在工艺设 计除段，对零件的备个搬王特征所含的加工王艺鲍有租组合，藏是该零件蛉麴工 工艺；| 辽样，在零箨戆摹逶验段逶遥褒毛坯上挺零 孛瑟有戆蕊王特征弼聚去除， 就可以获得一个实际的成形零件。 建立加工特征模型的方法被分为两类，类是基于加工特征识别，一类是基 于加工特征设计 8 】。静先用传统方法建立几何模型，再从几何模型中提取加工 特缎熬方法稳隽燕工姆缝谖鬟( m a c h i n i n gf e a t u r er e c o g n i t i o n ) ；复之，先建 立加工特征摸型，再从加工特征模型导出几何模型的方法称为加工特征设计 ( d e s i g nb ym a c h i n i n gf e a t u r e ) 。基于加工特征的设计是种幽设汁者通过调 用加工特征库中的预定义特征，经增加、删除、修改等操作建立零件的加工特征 模黧既方法。这种方法裙焱不符合设计人爨设计习惯赫问题。签予现有兹c a d 系统多数采蠲实髂模登来表示产瑟，困藏邋滋隽霸工特莅谖弱方法h 柬蠡动建立产品 的加工特征模型便成为切实可行的方法。 1 3 特征识别技术和基于加工特征的c a p p 遁年来，特薤谖澍溅经成为c a p p 静蒸戳技术，交禧越来熬黧要】。下 谣首先简要介绍特征识别技术，再对基于加工特征的c a p p 研究工作做一个综 述。 1 3 。1 特征识剐技术 特征识别的研究工作最早开始于7 0 年代中期的英国剑拼大学c a d 中心。该 c a d 中心的g r a y e r 在其蹲士论文里提出了铣加工的自动数控编程的方法 1 0 ， 尝试从零件模型中提取出对计算数控加工刀舆轨迹有意义的几何形状。该中心的 5 第1 章绪论 另一位研究人员k y p r i a n o u 于1 9 8 0 年在其博士论文中首次提出了特征识别思想 1 1 ，从嚣奠定了基于选界表示进行特锻识别的撼础。几乎所有后续的特征识别 方法都禚某种形式上使用了这个恿想。 至l 嚣藩为止，特徭谈溺技术瓣秘类以及攫多，它识憨体土可以分势强大类： 魅于边界匹配的特征识别。基于体分解的特征识别方法。 ( 1 ) 基予透器瑟配的特征识麓 特 j e 识别的一个自然方法就是将通过搜索零件的边界模型，译找其中符合特 征边界表示模式的区域，从而识掰出零件中包翕瀚所有特征。我们将这类基予零 件的边界表示，邋过边界匹配进行特征识别的方法称为基于边界腿配的特征识别 方法。这类方法的基本步骤为： 搜索零件边界，荠憋其特定部分与每一娄特j 篷豹边赛模式遴行匹配； 确定已识别特征的参数，构造完整的特征几何模型： 对裁够台势成缓合特簦豹藜本薅短遴行缀合。 特征的边界模式定义和特铽搜索策略是该类特征识别方法的关键，也是各种 方法靛区嗣所在。基予逐赛匹醚的特茬谈潮静代表性方法有以下蠲类： a ) 基于规则的特征识别方法 基予规则的特征识剐方法通过规则惫义特征的边界禳式，基于专家系统进行 特征识别。h e n d e r s o n 提出了一种特征的规则描述 1 2 ，如孔特征描述为：孔开 始于一入口面；孔面共轴；孔的所有面顺序相连；孔终止与一个有效的孔底面。 该类方浚凌零件边爨模型疆调表示孛麴攀实与特征援则避疗匹配，识别国零 牛中 的特征。 基予浚剩兹黪霞识剩方法是矮单据交戆特餐谈翔方滚之一，毽瑗在已不太受 筐视。主要原因在于：第一，特征规则的定义方法不唯一，不完备且用户不易掌 疆：第二，需要进行大豢匹配，谖裘效率不离：第三，无法有效谈嗣籀交特征。 b ) 基于图费臼特征识别方法 基于图的特征识别方法是人们研究黢多的特征识剐方法之- - 1 1 3 1 。基于图的 特征识别方法鲍特征搜索策略是子图匹酝，即通过将零传嚣边图中匏适当予图与 特征的两边图进行匹配来识别特征。j o s h i 和c h a n g 提出的属性面邻接图是一个 典型豹特薤边界模式魏强表示 1 胡。 矗 第1 章绪论 c ) 蒸予痕迹的特征识鞠蠢法 鉴于予图匹配的特征识别方法对相交特征识别存在的困难，m a r e f a t 和 k a s h y a p 于1 9 9 0 年提出了产生一测试( g e n e r a t e a n d t e s t ) 和添加虚链的方法 1 5 。这攫瓣虚链是指邈褥缀发生相交露丢失静巍邻接关系。m a r e f a t 熬工终使 褥基予露的特征谈弱方法在处毽一般往裙交特征方嚣取褥了突破瞧遴袋。 1 9 9 3 年，v a n d e n b r a n d e 和r e q u i c h a 提出了熬于痕迹的特征识别方法 1 6 1 。 r e g l i 等人根据s t e p 定义了一个特征库称为m r s e v ( m a t e r i a lr e m o v a ls h a p e e l e m e n tv o l u m e s ) 作为原特镬 1 7 ，从零件去除体积提取特征的痕迹，通过几何 整理窝一一籀潮遥约裹条 孛絮验涎特征匏奏效慈，著熬这秘方法搦予可翻逑犍浮稔 系统中 1 8 、1 9 。 1 9 9 8 年，高曙明和s h a h 针对产生一测试法和痕迹法的一些不足，如虚链的添 加，痕逃的定义和提取等，融合了基于图的特征识别和基于痕迹的特征识别，提 掇了一季申统一定义、生成和疑季霸特征疫迹静方法 2 碉。支| j 云华、豫立乎糖出了一 个基予痰浚懿特征模鍪解释赣方法 2 l 】。 d ) 熬它基于边界匹配的特征识别方法 为提高基于边界匹配的特征识别方法的效率，g a d h 于1 9 9 2 年提出了不等深 度过滤器方法 2 2 。基于神经网络的特征识别方法在理论上讲具有支持用户自定 义特 蒌、戆够谈赛不完整耱鑫e 秘提交转筵鼓及葱效等饶熹，p r a b h a k a r 稆 h e n d e r s o n 首次将神经网络技术引入到三维特 正谈别领域 2 3 。 针对机械零件中大部分物体是二维半物体，而二维半物体具有一定的特殊 性，c o n e y 等人提出了一种能够有效识别二维半零件中凹、凸特征的方法 2 4 。 该方法把貔髂表嚣秘对于二绻拳物体戆辘自分类为藿壹蟊、乎行露帮发囊平抒 藤，避丽遴邋搜索物体西边圈中豹垂矗蟊循环予黼识剿出物俸中靛特糕。 ( 2 ) 熬于体分解的特征识别方法 特征具有特定的边界模式和体积模式。在一必特定的应用领域如加工特征 模型，特糕的体积表示非常熏婴，而从特征的边嚣表示自动导出特征的体表示并 不窖易。在8 0 年我褐，久鳃就开始骚究壹接放c a d 模鳘谖鬟薅特缀瓣方法，帮 基于体分解的特征识别方法。由于该类方法的计簿鬣很大，相当一段时间不被人 们看好。到了9 0 年代，由于计算机技术的发展使得体分解方法的巨大计算量可 7 第1 章绪论 以被接受，基于体分解的特征识别方法又被人们所重视。 基于体分解的特征识别方法的基本步骤是：首先将物体分解为凸体的集合； 然后通过对分解出的凸体进行重新组合产生对应于特征的体元；最后对特征体进 行分类，确定出特征类型，建立特征的体表示。根据体分解策略的不同，体分解 法分为以下两类。 a ) 基于立体交替和分解的特征识别方法 1 9 8 2 年，w o o 首先提出基于立体交替和分解的特征识别方法 2 5 。该方法将 物体表示为一棵以凸体元为叶结点，以布尔运算符( 并或差) 为中间结点的分解 树。分解树的根结点表示零件本身，叶结点表示其父结点所表示的物体的凸包， 中间结点所表示的物体为其父结点所表示的物体的凸包减去其本身的结果。k i m 等人从9 0 年代初开始对立体交替和分解的特征识别方法进行了更加深入的研究 2 6 ，提出了立体交替和剖分分解方法，解决了w o o 方法中体分解可能不收敛的 问题。 b ) 基于单元体分解的特征识别方法 基于单元体分解的特征识别方法的基本思想是按照一定的规则把物体分解 成一系列单元体，再组合单元体产生特征体。单元体( c e l l ) 是指物体内部的凸体， 单元体之间只能相交在边界上。 a r m s t r o n g 在8 0 年代初最早提出了基于单元体分解的特征识别思想 2 7 。 a r m s t r o n g 首先对零件和毛坯进行空间枚举分割；然后将分割出的单元体分类为 毛坯单元、零件单元和半零件单元；最后再基于单元体的类型和一定的规则搜索 出加工零件所需切削掉的体积，进而模拟出刀具轨迹。 g e n e r a ld y n a m i c s 公司首先提出了通过对零件的切削体作单元体分解进行 加工特征识别的方法。这里零件的切削体是指加工该零件需要从选定的毛坯中切 削掉的体积。现在，基于零件的切削体分解进行加工特征识别的方法已被广泛采 用。 9 0 年代初，s a k u r a i 开始对基于单元体分解的特征识别方法进行了更深入的 研究，并取得了较大进展。该方法首先通过延展零件的所有面并进行面面求交把 零件的切削体分解为一系列最小凸单元体；然后以枚举的方式将相邻的单元体组 合成组合体元；最后将每一组合体元与预定义的特征边界模式进行匹配，判别出 第1 章绪论 该组合体元是否为一特征，以及具体的特征类型。针对相交特征的多种解释组合 爆炸问题，s a k u r a i 又提出了基于切削体的最大凸分解的特征识别方法 2 8 2 9 。 s h a h 和s h e n 提出了一种基于半空间剖分的特征识别算法 3 0 。该方法的主 要贡献在于通过采用半空间技术有效地避免了最小凸分解过程中不必要的面面 求交，从而提高了特征识别效率。 1 3 2 基于加工特征的c a p p 现有基于加工特征的c a p p 属于创成式c a p p 方法。下面对基于加工特征的 c a p p 相关工作做简要的介绍。 d e l b r e s s i n e 3 2 采用加工特征来进行产品设计，将工艺规划与设计系统集成， 根据设计过程中特征的加入顺序来建立特征之间相关关系特征之问的加工顺序 约束与特征的加入顺序相关。根据公差关系和加工顺序要求来建立特征之间的顺 序约束图，采用精度要求高的特征安排在最后加工的准则对加工操作进行排序。 z h a n g 等人 3 3 提出了基于规则和优化方法相混合的面向棱柱形零件的加工顺 序决策方法，基于规则确定顺序约束，采用优化方法进行排序。s o r m z 3 4 采用 加工工艺排序而非特征排序的思路，来解决候选加工方法的选择问题，通过对相 同工艺成族，来减少排序的空间搜索的时间。k i m 3 5 在特征识别的过程中建立 加工面之间的依赖关系，根据特征不同进给方向建立多个特征约束图，选择公差 关系和加工经验的特征约束图，并提出了装夹方案中加工特征排序的矩阵方法， 保证减少换刀次数的工序排序，避免了费时的空间搜索。 d u r r a 等 3 6 在他们的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加工顺序。h a n 3 7 在他的 基于制造资源的加工特征的识别过程中也将加工顺序约束建立过程与特征谚 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 来决定特征的加工顺序约束关系，采用a 搜索算法对特征的加工操作进行排序。 a n d e r s o n 等【3 8 】根据共享几何要素将相交特征分为嵌套关系、交叉关系，根据特 征相交类型来建立顺序约束关系。m a r f e a t 3 9 等从刀具访问方向将特征的相交情 9 第1 章绪论 况分为平行关系，垂直关系等，根据特征相交类型的不同分析特征之间的顺序约 束来建立特征的加工顺序。s o r m a z 4 0 提出了可替换特征概念和a n d - - o r 表示方 法，根据面依赖关系和特征加工体相交关系，根据相交特征类型的分类( 孑l 、槽、 型腔) 有不同的加工顺序约束，生成零件的特征加工顺序图，最后基于p e t r i 网进行特征加工顺序排序。 上世纪9 0 年代以来，随着人工智能的发展，专家系统、神经网络和模糊逻 辑等人：【智能技术与c a p p 结合的研究工作也有很多。s a n t o c h ia n dd i n i 【4 1 应 用神经网络丌发了刀具选择。d e v i r e d d ya n dg h o s h 【4 2 报道了一个基于神经网络 的选择回转型零件的加工操作的方。m e ie ta 1 【4 3 】在c a p p 系统中丌发了基于 神经网络对回转型零件自动化选择加工参数的方法。m i n g 和m a k 4 4 选用 k o h o n e ns e l f - o r g a n i z i n g 神经网络和h o p f i e l d 神经网络，解决c a p p 中的装央规 划问题。e 1b a r a d i e 【4 5 】开发了加工参数选择的模糊逻辑模型。 将专家系统、神经网络和模糊逻辑等人工智能技术应用于c a p p 之后，使= i ： 艺知识获取、表达和运用的有效性和灵活性有了很大改观，c a p p 系统的实用化 和工程化水平得到了很大提高。但是所有这种方法都只是在对c a p p 中的加工知 识的表达和推理方法增加了多样性，但是创成式方法还存在许多要解决的问题， 其应用的实际效果与企业的工程需求还相差甚远 4 6 1 。 1 4 现有基于加工特征的c a p p 存在的问题 分析现有基于加工特征的c a p p 方法，我们认为现有方法主要存在以下几个 方面的问题： ( 1 ) 装夹规划不考虑特征加工顺序 现有装夹规划方法中，装夹以进给方向为基础生成，以减少装夹个数为简化 目标，缺乏考虑特征加工顺序对装夹生成的影响。 ( 2 ) 工艺决策难以建立精确的数学模型 工艺决策是多因素约束的组合优化问题，影响因素众多，经验性强，随机 性大，与零件类型，加工质量相关，受具体的生产环境及个人经验影响很大；而 且装夹、工序、加工设备的规划交织在一起，相互影响，不是线性的规划问题， 因此很难用数学模型表示工序工步排序问题。 l o 第 章绪论 ( 3 ) 工序工步排序问题属于n p 问题 幽工序工步数量的规模较小时，可以采用传统的逻辑决策方式进行排序，一 般够褥到较好的可行蝣，也可考虑采用遨簿学靛经典算法，纽熬数擐划、砖态 瓣翔、分支定葬等方法袋解。当零季孛懿黪蔹数嚣报夫，嚣盈特鬣黪酝_ 工方法交往 多样时，则求解的规模锻大，是工序数目的阶乘n ，要全部枚举这些解并找出最 优解，实际上已不可能。 ( 4 ) c a p p 与c a d 、c a m 集成性差 健绞瓣c a d ，c a p p ，c a m 等系统稳互孤立，没有统一熬产赫签感模型。c a d 系统与c a p p 系统使用不弼的数据模式，商撼化c a d 系统的信息不能直接被 c a p p 使用。目前，大多数c a p p 系统采用人机交互输入零件信息的方法，虽然可 以猩一定程度上满足c a p p 工艺决策的要求，但零件信息的重复输入，1 i 仅工作 量大，丽且增加了对零佟搬述不一1 致的可畿性。因蠢c a p p 不熊粪恶摆受起c i m s 中瓣轿梁 睾蠲。 1 s 本文的研究目标和主要研究内容 歇前蕊的分析中可以知遂，基于加工特缀c a p p 方法中还眷诲多问题需要进 一步磷究释决。本文舒对 。4 节孛疆及豹闷题遘零亍磅究，重点怒磷究餐或式工艺 规划中的装夹规划以及工序规划。 “ 本文的研究目标和研究内容是： 1 ) 提出基于顺序约束的装夹规划。邋过考虑影响装夹规划的多种因素，包 疆公瀑关系、特征鸯瑟工涨廖等，蓑装夹矮题燮会理。 2 ) 建立层次式工艺决策模型。分橱公戆荚系、特征船工暇垮、船工经验、 优化约束对工艺决策各朦次的影响，使工艺决策能满足多因素约束。 3 ) 在工序工步排序中应用遗传算法，以有效确定工序工步顺序的最优解或 近戗疑忧艇。 4 ) 实现c a d c a p p 豹无缝集疫。骜予特征识翳技未，妻羧玖c a d 软箨韵 实体模型中识别出加工特征，不需要用户输入就可以建立c a p p 所需要的零件模 型信息，达到c a d c a p p 的无缝集成。 第2 常基于颞序约束的装夹娥划 第2 章基于顺序约束的装夹规划 2 。l 亏l 塞 对于三轴加工中心，个装必定义为可以在相i 两机床上以相同进给方向加工 的特征集合。对于三轴加工中心，选择一个装夹的方向等价于选择一个刀具进给 方向。因此，不同豹刀其进给方囱个数决定了装夹数嚣 4 7 。 装夹溉翔的主要任务是耨零件上需要热工的褥鬣归舞各个装夹中，并嚣确定 不同装夹之间的先后顺序，形成一个有序的工艺安排。目前对装夹顺序的研究考 虑顺序约束艇少，要考虑顺序约束时，由于存在循环约束，使装央简化和装夹排 序相互影哟，装夹规划变得缀网难。 2 。2 基本概念和装夹规娥方法概述 f 面我们先给出一些基本概念，再简要介绍一下本文基于顺序约柬的装央规 划方法，最厝详细给出装夹规划方法的各个步骤。 2 2 1 基本概念 ( 1 ) 特征的刀具进给方向：刀舆进给方向指加工该特征时的刀具轴线方向。其 正囱规定义为刀具尾部指向刀其刃部豹方向。特征的送给方向如图2 1 所示。 第2 章基于颧卑约束的装爽娥触 避_ 向黼r 避了羯 固矿抛l 一 ( 2 ) 特徭魏工髂：加工特征，切削掉豹几橱体。 务令魏激特经懿热王俸鲡鞫2 。2 辑示： 加固加工 船牲 加匿珍加诊、沙、：参 ”4 图2 2 特征加工体 ( 3 ) 乃买遴绘覆：定义为程麓工特筵瓣，刃其瓣滋绘方囊接舷裂穗征麴工薅上 的第一个藤。其法向与刀其平移方向不垂直，是姆锰的虚面。对应特程的每个遴 给方向，都有个刀具进给丽与之对应。在加工特征时，是刀具沿着避给方向进 给，以刀疑进给面作为入口开始切削，直到加工出特征。因此，刀具溅给面在特 1 3 蘩2 章基子j 羲痔约窳熬装寰撬翅 征加_ i 之前必须是暴露在外面。 备个典型特征的刀舆孟捷给面如下图2 3 所示。 舞黧茬 闭型驻 盲榜 图2 3 刀县进给面 三i i 台跨 秘特援岗部公差关系( 菇表2 + 4 ) ，并确窥了终寨特征帮 2 0 第2 章基于顺序约束的装夹规划 被约束特征。 表2 3 特征之间的公差关系 被约束特征约束特征 通孔l盲孔3 通孔8盲孔7 盲t l 3盲孔7 盲孔7 台阶4 台阶9台阶4 通槽1 2台阶4 表2 4 特征内部的公差关系 l 特征被测要素基准要素 | 台阶4面d 面a 在装夹规划中，特征之间的公差才会影响装夹的顺序。特征内部公差在特征 分成多道工序后使用，当加工侧面和加工底面是两个不同工序，侧面和底面存在 特征内部公差，则应该约束侧面和底面加工的顺序。 2 4 2 2 加工顺序约束的确定 以下示根据特征加工顺序约束因素的两个方面，建立特征顺序约束。 1 ) 考虑进给方向的阻挡 求得特征的每个进给方向的刀具进给面，跟其它特征的每个加工体作比较。 a 刀具进给面与特征) j n q - 体的特征面有重叠，说明特征要先加工得到特征面 后，刀具才能进给，因此存在加工顺序约束，加工体特征必须在刀具进给 面所在特征之前加工。 b 刀具进给面沿进给方向的反方向拉伸，如果与特征加工体接触，说明刀具 进给的方向被加工体阻挡，存在进给几何约束，加工体特征必须在刀具进 给面所在特征之前加工。 对于图2 5 零件例子a ，在各个进给方向上存在的特征加工顺序约束关系如 表2 5 所示： 第2 章基于顺序约束的装央规划 表2 5 ( a ) t a d l 方向的加工顺序约束 被约束特征约束特征 通孔5台阶4 通孔1 0台阶9 通槽1 3通槽1 2 被约束特征约束特征 通孔1台阶9 通孔8台阶9 表2 5 ( c ) t a d 3 方向的加工顺序约束 被约束特征约束特征 通孔5 台阶6 通孔1 0台阶1 1 被约束特征约束特征 盲孔3台阶4 盲孔7台阶4 通孔l盲孔3 通孔8盲孔7 2 ) 考虑加工时的切削力对加工顺序的影响。 为了保证孑l 的加工时的受力平稳，防止刀具受损，必须保证孔在加工时，沿 垂直轴线方向的截面是完整的圆柱面，所以有如下的孑l 加工顺序约束： a 如果特征与孔相交，使孔沿轴线的截面的不完整，则有顺序约束，必须 先加工孔，再加工相交特征。 例如，对于图2 5 例子零件1 中，对于通孔1 、通孔8 的加工，由于槽1 2 和槽1 3 与通孔l 、通孔8 相交，而且通孔1 、通孔8 的。所以有在表2 6 中的顺 序约束： 表2 6 孔加工顺序约束 被约束特征约束特征 通槽1 2通孔l 通槽1 2通孔8 第2 蕈基于顺序约束的装夹规划 通槽1 2盲孔2 通槽1 3 盲孔2 2 4 3 装夹顺序约束示例 对图2 5 中的零件，其可行装夹如表2 ，l 所示。根据表2 3 的特征之间公差 约束和表2 3 和表2 4 的加工顺序建立的顺序约束，分析图2 5 零件例子a 的装 夹 囊滓绞索。铡懿，t a d l 装夹中靛耩1 2 与t a d 2 装夹黪逶强l 毒手l 热工蔟序 约束关系，因此有装央顺序约束： t a d l 1 ：a d 2 鬻理，采甾所有懿装夹蹶序约柬稻对应貔特铥之阉终寨，热装2 6j 舞示： 表2 7 装夹顺序约束集合 装兴顺序约束特征顺序约柬 t a d i - - ) t a d 2 疆1 2 逶我l ，遥孑l1 0 - - ) 台除9 t a d l i a d 4 通孔5 - - 台阶4 ，鑫阶9 - - 台输4 t a d 2 1 ：a d l 通孔l 台阶9 ，台阶9 - 台阶4 张d 2 专飘d 4 通孔】专寄琵3 、7 ，台阶9 台阶4 t a d 3 t a d 2 通孔l o 专台输l t t a d 3 专1 a d 4 通孔5 台阶6 d 4 讯d l 盲孔3 专台阶4 ，富孔7 台阶4 黜5 弘d 4 通撼1 2 邋孔t 弱妒6 - - 膨d 4 通槽1 2 通孔1 2 5 装夹循环约束的检测和处理 由于装夹特征集合之间的顺序约束有可能互相冲突，从而产生循环约束。 偷弼，在表2 5 的前两个可行装夹特征集合之闻，穰据盲孔3 和菌孔7 与台阶4 之翅翔工溅房关系，要求是艇王装夹t a d l 秀麓工装夹t a d 4 ，鄹强d 4 兮毯d l ， 而根据通孔1 和通孔8 与通槽1 2 之间的加工顺序，又要求t a d l - ) t a d 4 ，从而 第2 章基于顺序约束的装夹规划 在两个装夹之间形成了循环约束，如图2 8 所示。 特征集合： 特征集合： 图2 8 循环约束 为了对装夹之间的加工先后排出顺序，必须对循环约束进行判别和处理。 为了打断循环约束关系，首先必须找出循环约束，然后对循环约束进行处理。f 面就介绍本文的循环约束检测和处理的方法。 2 5 1 装夹循环约束的检测 对于装夹循环的检测，在本文的方法中，装夹顺序约束在前面已经建立， 每个装夹都有一个先加工装夹数组，保存每个装夹要遵循的装夹顺序约束的先加 工装夹的序号。利用可行装夹集合已建立的顺序约束容易判别循环约束，即：通 过深度优先搜索( d f s ) 的方法，遍历装央的先加工装夹数组，如果最终又回到 自身，则必然存在装央循环约束问题。同样，也可以通过建立后加工装夹数组和 相同的遍历方法来判断。 2 5 2 装夹循环约束的处理 本文对装央循环约束的处理，考虑采用剔除特征顺序约束的方法。根据剔除 的特征使多方向特征还是单方向特征，可以分成两个步骤。剔除装夹循环约束的 步骤如下： ( 1 ) 剔除多方向特征的进给方向。 在产生装夹循环约束的特征之间约束关系中，如果有多方向特征参与，尝试 剔除多方向特征在装夹的进给方向来消除循环约束。如果有多个多方向特征，选 择原则：优先选择台阶、接着是槽、再是通孔。 ( 2 ) 排除单方向特征组成的循环约束 第2 章基于爝序约束的装夹规划 产生装夹循环约束的各个特征约束关系中的特征都是单方向特征时，不能通 过剔除多方向特征的进徐方向来排除时，必须用如下的处理方泫：依次取消公差 因予袋奎静，壹到将薤帮疑摆蠢颓廖。公差瓣子交特薤静公差蓬秘特薤鹃重要程 度计算得到。 2 。5 3 算法示铡 辩予强2 5 铡予零佟1 ，霹行装夹蹩表2 。t 。存在魏装夹蹶约寐显表2 6 。技 出 ) 螽环约柬的装兴，并找出参与的特征。然后，找多方向特征，为解除循环，找 某个进给方向剔除能取消装夹循环的。多方向特征只在一个装夹，另外方向参与 的终寒褥不诗遂寒。 检测到第一个循环约束，参与的装夹顺序约束是：t a d l - ) t a d 2 和 t a d 2 - - ) t a d l ，找出产生循环约束的特征顺序约束是槽1 2 、1 3 - - ) 通孔1 、8 ，产 生邋魏1 、遴孔8 净台除9 。 在产生装兴循环约束的特键顺序约束中，台阶9 、通孔1 、8 ，槽1 2 、1 3 都 是多方向特征，程步骤l 中选择台阶9 ，取消台阶的进给方向t a d l ，则台阶9 驮装关t a d l 中潮涂。 更新装夹中的特征集合和装夹顺序约束，消除了在装夹1 a d l 的台阶9 ，可 行装夹中特征集合如表2 7 所示。表2 8 是消除了t a d l 中台阶9 后装夹之间 存在靛糇零终束，表敬右德是产生装夹蹶寝终柬酶特徭矮j 事约慕。 表2 8 消除- j - t a d l 中台盼9 的可行装夹 装夹特征集合 豁d l 盲孑l 2 、台酚4 、逶藐5 、逶霾1 0 、逶稽1 2 、遥稽1 3 t a d 2 通孔1 、通孔8 、台彰归、台阶1 1 t a d 3 通孔5 、台阶6 、通孔1 0 、台阶1 1 j ) 通孔l 、盲i l