基于特征的数控技术加工工艺的决策支持

　　随着数控技术与CAD/ CAPP/ CAM 技术的飞速发展,使得企业可加工精度更高、形状更复杂的零件。 另外一方面市场竞争的日益加剧,要求企业在产品质量不断提高的前提之下不断压缩产品生产时间。 所以如何利用计算机对数控技术加工工艺设计过程进行辅助,以期提高数控技术加工工艺设计的质量,减少生产时间就成为当务之急。

　　但是现有的数控技术加工工艺设计系统主要是提供一个可以进行数控技术加工艺设计的人机交互式工具,并没有针对零件的特征信息提供一套计算机辅助的机制对数控技术加工的工艺设计进行指导。 这样就导致在当前的软件环境中数控技术工艺人员只能手工填写数控加工工艺,没有充分利用已有的数控技术加工工艺设计软件和计算机辅助的功能对数控技术加工工艺设计过程进行进一步的支持。 从而导致数控技术加工工艺设计效率低下,而且数控技术加工质量完全依赖于数控技术工艺设计人员的水平,造成数控技术加工质量的参差不齐。

　　在工厂实际设计零件的数控技术加工工艺中,由于零件大多形状复杂,导致数控技术加工设计复杂,如何减轻数控技术加工工艺设计人员的劳动量,使得数控技术加工工艺人员可以将更多的精力投入到创造性的劳动中就成为数控技术加工工艺辅助设计的重要研究课题。 本课题将研究在数控技术加工工艺设计中汇集数控技术加工工艺专家智慧,并且充分利用这些数控技术加工工艺知识,进行逻辑判断推理,以期探索出一条有效提高数控技术加工工艺设计质量,缩短时间的途径,从而辅助数控技术加工工艺设计人员的数控技术加工工艺决策过程。

1 适于数控技术加工决策支持的零件信息描述

　　现有的大部分数控技术加工工艺设计系统注重的只是零件的几何表达,而对于各种技术和公差精度等信息只能作为标注处理,而在进行数控技术加工工艺设计时往往要重新察看甚至是输入这些工艺信息,这样不仅造成大量人力物力重复投入,而且对于数据的及时准确传输也是一个障碍,从而造成了工艺决策系统效率低下,也就不能完全体现出加工工艺决策辅助支持带来的好处。 本课题将以特征技术作为数控技术加工工艺决策系统的输入信息。

　　基于对数据集成和数控技术加工工艺决策系统效率的要求,必须建立一种全新的信息承载体。 该承载体不但能够承载传统的几何信息,而且能够承载工艺所需要的其它信息(例如公差精度以及材料等信息) 。 包括特征几何信息和工艺特征信息两大类。 特征几何信息是产品CAD 过程中必须提供有关特征的几何参数,只有这样才能利用特征进行CAD 建模。 而工艺特征信息包括如几何特征种类(花键、外圆、螺纹、环槽等) 、各项技术要求(尺寸公差、位置公差、热处理要求等) ,这些特征信息实质上反映了CAPP 系统所必须的加工特征参数。 由此可见,特征应是零件的几何特征和加工特征的结构体,但它又是某种特定功能的反映。 综上所述,本文将特征分为以下5 个广义特征:

　　(1) 形状特征。 用于描述具有一定工程意义的功能几何形状;

　　(2) 精度特征。 与产品的几何许可变动量相关的信息集合,如表面粗糙度、形状位置公差及其基准面、尺寸公差等;

　　(3) 技术特征。 用于描述零件的性能、作用等相关的信息集合;

　　(4) 材料特征。 用于描述零件材料的类型等;

　　(5) 管理特征。 用于描述零件的管理信息,如零件名称、批量等。

　　零件信息将建立在上述5 类特征上,从而把特征作为零件数控技术加工工艺设计的基本单元。 这样将多个特征组织在一起就可以形成完整的零件特征,不但可以完成零件设计者的意图,也可以为以后的数控技术加工工艺设计的辅助化工作提供基础数据。

2 数控技术加工工艺知识的表达

　　只有特征数据并不足以使系统对数控技术加工工艺决策进行辅助。 系统还需要对数控技术加工知识进行总结抽象,以达到计算机存储的要求;才能使得数控技术加工工艺设计系统得到知识的支持,从而达到对数控技术加工工艺设计的辅助。

　　2.1 数控技术加工知识的建立原则

　　数控技术加工知识库存储管理大量工艺专家经验、规则、事实、概念,并向用户提供方便的查询和检索手段,为数控技术加工工艺设计提供知识支持。 在所提供的内容丰富的工艺知识库基础上,进一步建立企业专用的机床、刀具、夹具、切削参数、材料、典型工艺库等。 鉴于数控技术加工知识涉及的种类繁多,信息量大,必须严格按照以下几条原则建立数控技术加工知识库和数控技术资源库,以便提供系统全面的知识存储和快速高效的检索查询。

　　(1)数控技术加工工艺知识的信息模型必须在综合、全面的分析数控技术加工的需要和各类数控技术加工工艺规程、文件的基础上建立。 既要全面地反映数控技术工艺规程和文件中需求的信息,又要方便清晰地反映对象的客观存在。

　　(2)类对象应尽量保持数控技术加工工艺规范的完整性。 类属性的确定既要将数控技术加工工艺规程中出现的信息反映在对应的类属性中,又要考虑到一些数控技术加工工艺设计时所需参考的数据。

　　(3) 类属性、名称采取企业的习惯。 在确定类属性时,不仅要考虑到理论上的需要,而且还要充分调查企业的使用情况,尽量的保留企业现有的习惯。

　　(4) 类的层次应该尽量简便,减少不必要的复杂度。 尽可能地合并类、减少类的个数,这样,不但可以提供给用户一个简洁的类视图,方便以后的更改,而且可以提供系统方便的查询,降低系统的开发难度。

　　2.2 面向对象的数控技术加工工艺表达方式

　　所谓面向对象的数控技术工艺知识信息建模就是指利用面向对象的方法分析数控技术加工工艺系统中各个实体之间、对象之间的关系,以及对象所需要的属性,形成可以正确反映数控技术加工工艺设计过程的对象模型。

　　将数控技术加工工艺所用到的加工方法链、数控技术机床、刀具、夹具、切削参数定义为不同的类。 将这些类作为一个基础,在此基础上分别定义各自的子类,利用类的继承和派生的特点,合理安排类的结构以便扩充和使用的方便。 在工艺模型中,为了便于用户进行数控技术加工工艺设计和数控技术加工工艺数据的管理,保证数控技术加工工艺信息的规范性和集成性,需要确定对属性的取值进行约束:

　　(1) 对象的属性值必须有明确的值域,例如工件的材料分为铝合金、淬火钢等。 不能出现黑色金属这种内涵过于广泛而在计算机中很难处理的词汇,必须对属性的值域有一个明确的限定,才可以保证在整个加工决策的过程中正确合理的使用这些对象。

　　(2) 对象属性之间的关系必须明确。 例如刀具的总长必须大于刀刃的长度,类似这些属性值的限制是保证对象是否真实存的关键。

　　2.3 实例说明

　　将数控技术刀具分为数控技术铣刀、数控技术车刀、数控技术钻头,然后再根据这三个方面的具体使用情况再次进行小类别的划分,例如其中的铣刀就可以分为一般铣刀、T 形铣刀等,同样的分类方式可以应用到其它数控技术刀具中。 利用这样的分类形式就可以真实地反映数控技术刀具的客观存在情况,而且提供用户可以方便地管理和使用数控技术刀具的具体实例。 这样数控技术刀具就在分类层次少的基础上尽可能的涵盖所有数控技术刀具,做到了分类清楚、全面,管理灵活、方便。

3 决策支持的方法与推理过程

　　有了特征信息作为系统输入,并建立了数控技术加工的知识库与资源库,系统就具备了对数控技术加工工艺设计决策过程进行辅助的基本条件,以下将论述本系统的构成和整个推理过程。

　　3.1 系统的构成

　　各个模块的作用主要是根据工艺人员输入的零件信息配合数控技术加工工艺知识库中数控技术加工工艺知识和数控资源库的数控技术资源信息,利用一定的推理规则实现零件数控技术加工工艺的决策支持,其中包括数控技术加工方法的选择,确定夹具、刀具、数控技术加工参数以及数控技术加工设备。

　　3.2 推理规则

　　整个决策过程的核心是数控技术加工方法链的决策过程。 由于本系统采用的数控技术加工工艺知识库主要是依据不同的特征建立相对应的加工方法链,所以数控技术加工工艺辅助决策的推理机制主要是采取演绎推理的形式。 数控技术加工工艺辅助决策推理方式是利用特征设计所给出的特征信息来匹配数控技术加工知识库中符合条件的加工方法链。 由用户确定使用哪个数控技术加工方法链作为理想的加工方法链。

　　下面是一个简单例子,说明系统是如何使用演绎推理的方法辅助数控技术加工工艺的决策。

　　规则1 : IF{形状是简单孔,直径范围1～20 ,长度范围1 ～ 40 , 顶角范围1 ～ 180 , 表面粗糙度>Ra10 ,尺寸精度> IT11}

　　THEN{加工方法链:DRILL IN G}

　　规则2 : IF{形状是简单孔,直径范围1～20 ,长度范围30～120 ,顶角范围1～180 ,表面粗糙度>Ra10 ,尺寸精度> IT11}

　　THEN{加工方法链:PECK DRILL IN G}

　　规则3 : IF{形状是沉头孔,大孔直径范围1～60 ,大孔深度范围1～40 ,小孔直径范围1～30 ,整体孔深度范围10～80 ,顶角范围1～180 ,表面粗糙度> Ra10 ,尺寸精度> IT11}

　　THEN{加工方法链:DRILL IN G- COUNTER2BORIN G}

　　而今有如下特征:特征信息= 简单孔,直径=15 ,长度= 30 ,顶角= 118 ,表面粗糙度= Ra11 ,尺寸精度= IT12。 推理过程为:

　　第一步:几何特征为简单孔,满足规则1 、2 的要求;

　　第二步:直径、长度、顶角、表面粗糙度、尺寸精度的值落在规则一的属性值域范围内,推理结果是DRILL IN G成为系统推荐的加工方法链。

　　 系统首先是依据输入的特征信息自动匹配出加工方法库中适合的加工方法。 而后由数控技术加工工艺人员从中选定一种加工方法链作为认定的理想加工方法链,如果数控技术工艺设计人员认为没有适合的加工方法链,则可以手动输入或者修改当前的加工方法链,直至得到理想的数控技术加工方法链。

　　3.3 推理过程的控制

　　系统的核心是理想加工方法链的生成过程。 但是推理过程的控制对于整个系统而言也十分重要,这是因为推理过程的控制主要是解决求解过程中知识的选择和应用顺序,也就是说合理的控制策略可以减少推理过程中推理费用,以达到减少知识匹配费用以及知识应用费用的目的。

　　将对每一条所选的数控技术加工方法链提供夹具和机床选择的决策支持,而对于每一个数控技术加工链中的数控技术加工方法则提供了数控技术刀具和数控技术加工参数的决策支持。

4 实　例

　　 本工序需要加工的是该零件中间的槽。 这个槽的尺寸是50 60 20 ,其表面精度是IT11 ,尺寸精度是Ra10。 系统将利用演绎的方法在加工知识库中自动匹配相应的加工方法链。 数控技术知识库中对应该特征的加工方法链有: PLANAR-MILL ; PLANAR-MILL-finishing-PLANAR MILL ; CAVITY -MILL ; ZL-EVEL-FOLLOW-CAVITY。 结果发现数控技术加工知识库中适合该特征的加工方法链仅有两条: ①PLANAR-MILL ; ②CAVITY-MILL。 而后系统将这两条数控技术加工方法链提供数控技术加工工艺设计人员以供选择。 如果数控技术加工工艺设计人员认为系统提供的数控技术加工方法链是可以使用的,可以选择其中一条加工方法链譬如加工方法2 ,系统则会生成与该加工方法链有相关的信息,并根据该加工方法链匹配适合的加工参数、加工刀具、机床。 而后数控技术加工工艺设计人员就可以利用CAM 软件的功能再微调一些数据,最后就可以自动生成该工序所需要的数控技术加工的走刀轨迹。 

5 结　论

　　本系统以零件数控技术加工工艺设计过程为研究对象,通过特征技术,为零件的数控技术加工工艺设计提供了方便高效的手段。 本系统可以对已知特征的数控技术加工提供辅助决策功能,不但提高了数控技术加工工艺的编制效率,而且大大提高了企业数控技术加工工艺的编制质量。 另外通过数控技术加工知识库可以保留以前企业数控技术加工工艺设计人员的经验,在一定程度上解决了数控技术加工工艺设计技术延续性不强的问题,使企业的数控技术加工工艺设计技术更上一个台阶。