張煒頎， 孟麗麗， 賈晨靜， 劉芷妤， 蔡國慶

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

0 引言

工藝設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，也是連接工程設(shè)計與生產(chǎn)制造的橋梁和紐帶［1］。CAPP是指借助于計算機(jī)軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境，利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計算、邏輯判斷和推理等功能來制定零件機(jī)械加工工藝過程。在軸類工藝設(shè)計中，工藝推理機(jī)制和決策方法至關(guān)重要。本文以常見軸類零件為研究對象，按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼，將零件信息根據(jù)特征編碼規(guī)則成零件特征編碼，再加入關(guān)聯(lián)特征信息成特征編碼排序，繼而運用知識庫和推理機(jī)生成特征加工鏈，再次將加工鏈引入知識庫和推理機(jī)，則形成了工藝排序，最終通過綜合形成零件工藝排序。

1 軸類零件編碼

零件信息分為總體、形狀、精度、材料、工藝、制造等六大特征。并且任何一個軸類零件都是由外輪廓、內(nèi)輪廓和端面三部分組成的，每一個輪廓表面又是若干個基本形面與輔助形面的組合。常見的軸類特征如圖1所示。首先，零件的分類編碼就是用數(shù)字來描繪零件的名稱、幾何形狀、工藝特性、尺寸精度等，使零件名稱和特征數(shù)字化。這些代表零件名稱和特征的每一位數(shù)字被稱為特征碼，這些形面在滿足零件的功能要求及制造要求中所起的作用是不同的，它們之間具有層次關(guān)系屬性。根據(jù)這一性質(zhì)，可將形狀特征劃分為主形狀特征（0級特征）和輔形狀特征（1級特征）。要在計算機(jī)內(nèi)部“組合”成一個完整的零件，必須對特征的相互關(guān)系進(jìn)行描述。本編碼由名稱類別矩陣、形狀及加工碼、輔助碼三部分12個碼位組成。所做的特征編碼最基本的要求就是要滿足全面準(zhǔn)確的包含軸類零件的各種加工信息，并且方便工藝人員制定加工工藝。為此，本系統(tǒng)在制定特征編碼時充分考慮軸類零件的各種特征要素，制定出比較合理的特征編碼系統(tǒng)，如表1所示，其中第1到9位為形狀及加工碼，10到12位為輔助碼，通過形狀及加工碼和輔助碼即可表示出計算機(jī)可識別的軸類零件信息。

圖1 軸類零件特征圖

2 軸類零件的工序排序

對于軸類零件加工，制定了以下的工序和工步排序原則：1）基準(zhǔn)面先加工；2）按面、孔、螺紋的順序加工；3）按先粗后精的順序加工；4）把粗加與精加工工步分離；5）少換刀、多轉(zhuǎn)位；6）工藝孔先加工。軸類零件的加工，一般可分為3個階段：粗階段（包括車端面，打頂尖孔，粗車外圓）、半精加工和精加工，按“車、鉆、銑、磨”的方法排序。具體的工藝路線取決于軸的主要表面的尺寸精度、形位公差。為了使以上工序變成計算機(jī)能識別的語言，可以結(jié)合這些工序的先后性進(jìn)行代碼化。

表1 軸類零件特征編碼系統(tǒng)

3 工藝推理

3.1 工藝知識庫設(shè)計

知識庫設(shè)計是系統(tǒng)的中心工作，也是最為繁瑣的事情。該知識庫系統(tǒng)采用了產(chǎn)生式規(guī)則表示方法，由相互獨立卻同時相互聯(lián)系的“規(guī)則庫、事實庫、元知識庫”組成。規(guī)則庫反映工藝選擇的標(biāo)準(zhǔn)，例如機(jī)床選擇規(guī)則庫；事實庫表示具體零件的特征、刀具等已知的源知識，如零件編碼表；元知識庫是控制規(guī)則應(yīng)用、比較的事實性知識。同時系統(tǒng)所建立的知識庫易于添加、修改和刪除，增加了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。在此針對軸類零件的加工建立了4個知識庫，分別為工藝知識選擇規(guī)則庫（儲存切削參數(shù)、精度等級及加工余量的選擇規(guī)則），工序排序規(guī)則庫（儲存工步排序的規(guī)則），加工設(shè)備選擇庫（儲存機(jī)床、夾具、刀具、量具等選擇規(guī)則），特征知識庫（儲存軸類零件的特征和與之相對應(yīng)的典型加工工藝）。

3.2 推理機(jī)制的實現(xiàn)

推理機(jī)是專家系統(tǒng)中實現(xiàn)知識推理的部件，是基于知識的推理在計算機(jī)中的實現(xiàn)。推理機(jī)制運用的方法有正向推理、反向推理和雙向推理3種［3］，在此應(yīng)用的是正向推理。正向推理是按條件推結(jié)論的方向進(jìn)行的推理方式，它從一組事實出發(fā)，使用一定的規(guī)則，來證明目標(biāo)事實的成立。正向推理一般分為3個階段，下面簡要介紹本系統(tǒng)3個階段的運行機(jī)理。

第一階段：按照軸類零件的整體準(zhǔn)則，如功能要素的形狀位置信息、加工工藝準(zhǔn)則等從最高層面來確定優(yōu)先級關(guān)系，是第二、第三階段的前提和基礎(chǔ)。對于階段一，假如我們根據(jù)整體準(zhǔn)則將軸類零件的特征編碼排序，然后大致按優(yōu)先級數(shù)從上到下確定好了各特征要素的加工先后，那么第一階段的目標(biāo)就已經(jīng)完成。例如：若孔R1是粗基準(zhǔn)，端面R2是精基準(zhǔn)，根據(jù)加工的先粗后精，那么R2的優(yōu)先級數(shù)大于R1，則也意味著先加工端面R2，再加工孔R1，從而完成了初步的加工排序。

第二階段：在第一階段的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步排序?；诘谝浑A段的基本特征編碼，再對其中所有的特征編碼進(jìn)行掃描，然后形成可用的加工方案，并把所有的特征編碼方案進(jìn)行排列組合。再根據(jù)前面的知識庫的四個子系統(tǒng)，如機(jī)床、夾具、刀具、量具、切削參數(shù)、精度等級等內(nèi)容選擇相應(yīng)可行的加工類型和加工參數(shù)，從而形成特征編碼的下級特征編碼，如果某一特征編碼出現(xiàn)就只有一個工步或者不需要加工等情況，那么就會導(dǎo)致該推理的結(jié)束。

第三階段：對第二階段產(chǎn)生的工序序列進(jìn)行篩選和處理，從而形成完整的工藝路線。篩選原則就是現(xiàn)實中的約束條件，并且優(yōu)先級數(shù)高的約束條件優(yōu)于優(yōu)先級數(shù)低的約束條件，在此，為了節(jié)約時間提高效率和增加準(zhǔn)確性，也要應(yīng)用約束條件結(jié)合知識庫規(guī)則，如若一個特征或者工序序列不符合約束，那么就停止該工藝的繼續(xù)審核。在此階段可能會形成一個或者多個可行方案，需要結(jié)合現(xiàn)實情況進(jìn)行最優(yōu)化選擇，從而選擇最優(yōu)方案，這就是工藝決策的核心功能。

4 工藝決策形成

特征編碼間存在空間位置關(guān)系的尺寸、精度、公差以及特征加工優(yōu)先順序的限制。工藝決策形成首先需確定特征的優(yōu)先加工順序，即特征排序，本文將零件加工特征分為關(guān)聯(lián)特征、獨立特征，關(guān)聯(lián)特征的排序通過特征排序完成，獨立特征在工藝加工文件中的位置由工藝決策模塊確定，然后完成工步?jīng)Q策，根據(jù)零件的加工要求，對各工序中少數(shù)工步進(jìn)行調(diào)整，并安排去毛刺、檢驗等輔助工步等。經(jīng)過工步?jīng)Q策后，即得到完整的工藝路線［4］。

5 結(jié)語

軸類零件比較復(fù)雜，重點在于分析CAPP系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)。我們基于特征的零件編碼系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了編碼系統(tǒng)的設(shè)計過程，及最終得到的編碼規(guī)則；基于知識庫的分析及零件工藝的推理機(jī)制，根據(jù)零件信息檢索出工序，按工藝原則排序，從而生成零件新工藝。

［1］ 孟麗麗，郝力文，路春光，等.基于Web Service和工作流技術(shù)的CAPP 系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2014（8）：63-88.

［2］ 蘇惠陽.基于WEB的機(jī)械零件CAPP系統(tǒng)［D］.福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2013.

［3］ 張彩芳.CAPP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（8）：93.

［4］ 陳龍，和建偉.軸類零件工藝路線決策方法［J］.機(jī)械工程師，2010（3）：113-115.