方喜峰 ，顧 君 ，朱成順 ，張勝文

（1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學江蘇省船海機械裝備先進制造重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

目前產品三維模型的計算機輔助設計（computeraideddesign，CAD）以及基于三維模型的計算機輔助制造（computeraided manufacturing，CAM）技術都發(fā)展迅速，然而對于計算機輔助工藝規(guī)劃（computer aided process planning，CAPP）的實例開發(fā)，目前多數仍停滯在二維圖紙設計階段，即采用工藝卡制式，缺少應對三維模型的方法[1]，從產品設計到工藝設計、再到加工的過程中需要不斷地對產品信息的輸出做三維與二維的轉化，不但效率低，而且信息在傳遞過程中易出錯[2]，已不能適應三維產品設計制造的要求[3]。三維工藝設計的完善對于開展CAD/CAPP/CAM間融合至關重要，該過程是產品邁向數字化制造的必由之路。工藝路線規(guī)范化輸出是工藝規(guī)程定制的重要內容，由于結構化的工藝路線具有工藝信息表達清楚完整、易于存儲和傳遞等特點，且結構化工藝路線的節(jié)點是組織工序模型、工藝卡片、工藝資源等數據集的理想依附點，故研究依附原始模板的結構化工藝路線轉型技術有其必要性。

目前國內外采用的依托工藝模板轉型的結構化工藝定制手段，常采用數字化結構轉型方法和對與加工特征關聯的加工鏈工藝模板修改的方式去實現。前者，伴隨制造對象系列化和參數化設計程度日益提升，通過數字化特征轉型手段，生成制造工藝[4-6]，但對船用柴油機典型件等結構復雜的零件，參數化工序模型生成及基于參數化的工藝變型將難以實現；后者，通過對與加工特征關聯的加工鏈進行變型，然后再排序的方法[6-7]則沒有充分借用典型件已有的工藝路線結構，且其采用的啟發(fā)式算法運算速度較慢。針對上述兩種方法中的不足，提出基于加工特征分組的方式，對典型件結構化工藝設計后形成的工藝模板進行變型，充分利用已有工藝規(guī)程，依不同制造信息生成新的工藝路線。

2 結構化工藝變型設計

基于工藝規(guī)程模板的結構化工藝變型設計流程，如圖1所示。主要包括：制造特征分組、特征信息轉遞、CAPP系統(tǒng)中典型件制造特征BOF（Bill of Features，特征清單）的建立、加工模板創(chuàng)建、加工特征比較、加工規(guī)程內容的有效性復制等步驟。

圖1 基于工藝模板的工藝變型設計流程Fig.1 Process Variant Design Based on Process Template

2.1 加工特征分組及特征屬性定義

加工信息的合理表述研究是實現結構化工藝設計的一項基礎工作，零件加工信息具有體量大、內容雜、知識離散度高等特點。若采用單一的制造信息表達方法，很難將零件的制造信息清晰地展現出來，針對這一問題，提出采用可視化信息輸出的加工特征分組手段和便于特征識別的特征屬性定義（特征編碼）手段相結合的方法。

2.1.1 加工特征分組

加工特征包括機械加工過程中加工表面及相關的加工要求信息[8]，加工特征分組就是以加工特征為單元，組織零件加工信息的表達。此處用與加工特征關聯的產品制造信息（Product Manufacturing Information）標識技術進行分組的方法來拾取加工特征，由于PMI可與待加工面關聯，可表達加工特征信息，選擇與加工表面關聯的PMI作為組員建立加工特征組，并使之成為待加工零件節(jié)點的子節(jié)點，形成零件加工特征層次結構樹。

連桿加工特征信息的可視化表達應力求盡可能多的展現特征加工信息，PMI標注內容由連桿設計尺寸、加工要求（如：表面粗糙度、加工精度等）和起輔助作用的特征注釋所組成。

2.1.2 加工特征編碼技術

為實現加工特征與工步的關聯及系統(tǒng)對加工特征的識別，采用特征編碼技術。編碼規(guī)則能涵蓋連桿的所有類型和與之對應的加工特征。同時，應保證編碼簡潔、完整、無歧義。

規(guī)則碼由三塊內容構成：（1）零件類型碼；（2）方位碼；（3）幾何信息碼。零件類型碼由兩位數組成，第一位表示典型件類型為桿類零件，后一位表示典型件具體種類，如21表示連桿。方位碼描述特征方位，回轉類工件采用四方位法，非回轉類工件采用七方位法，如：連桿大端面法向量沿Z軸主矢方向，編碼為C。幾何信息碼記述制造特征詳細幾何信息，編碼表示加工對象類型，后跟兩位順序碼表示方位和類型相同但尺寸不同的加工特征，如孔特征可按其直徑尺寸安排順序碼[9]。以連桿大端軸承孔為例，加工特征編碼為：21CP02H01，如圖2所示。

圖2 連桿大端軸承孔Fig.2 Connecting Rod with Big Bearing Hole

2.2 數字化加工特征結構信息的傳遞

CAD、CAPP與CAM之間交互傳遞的信息分為兩種：一種描述零件的基本物理信息，另一種是零件加工特征結構及附屬其上的特征屬性。前者，可用各系統(tǒng)本身提供的信息交流功能進行傳遞，而后者則需借助中間格式文件傳遞。大量制造數據可轉述為標記語言（Extensible Markup Language，xml）[10]格式進行交換及存儲，此方式可保證傳輸數據的精準性和有效性，適于在異構系統(tǒng)間傳遞信息。

結構化特征信息模型的創(chuàng)建過程，如圖3所示。首先，在特征分組界面中，用PMI標注方式關聯加工特征的方法對加工特征進行分組并對特征屬性做了定義；之后，在標注導航窗格內直觀的顯示標注結構；最后，將成組的標注內容及屬性信息轉譯成XML文件，用于將加工特征結構傳遞至CAPP系統(tǒng)中。

圖3 結構化特征信息模型創(chuàng)建過程Fig.3 Process of Creating Structured Features Information

2.3 工藝路線變型

2.3.1 工藝路線模板的創(chuàng)建

為使工藝路線模板具有廣泛的通用性和適應性，利用成組工藝設計的原理，即：一種典型件的工藝規(guī)程樣板盡可能多地包含此類型工件的加工特征，這就需要根據典型工件建立工藝樣板，且每個樣板下的單道工步可通過添加加工特征編碼的方式來與典型件加工特征建立關聯。

2.3.2工藝路線模板的搜索

搜索工藝路線模板的方式主要有兩種：（1）根據型號搜索相近的典型件并獲取關聯的工藝路線模板；（2）根據加工零件類型搜索典型件所在的集合D，再根據零件所屬部套號進一步篩選典型件后形成集合B，并獲得與集合B中典型件關聯的典型工藝路線模板的集合T，最后由工件制造特征ID搜索集合T中的待選路線。假設工件制造特征中共有m個制造特征，其中能被工藝規(guī)程模板i制造的特征有n個，n＜=m，即制造特征BOF中有n個制造特征能在工藝路線模板i中找到對應工步，則定義匹配度指標為s=n/m。對集合T中的待選工藝路線按匹配度從高到低排列，最后選擇集合T中匹配度s最高的一個或多個作為該零件的工藝路線模板。工藝模板選擇界面及工藝路線示例，如圖4所示。

圖4 工藝模板選擇及示例Fig.4 Selection of Process Template and Example

2.3.3 工藝路線變型規(guī)則

加工精度等級、表面質量要求和加工特征對工藝路線影響最顯著，加工特征決定了待加工的特征對象，是決策工藝路線的首要因素，加工精度等級和表面質量要求決定了工藝路線的長度。工藝路線由兩部分組成：工藝路線結構和工藝屬性信息。對應的兩條工藝路線模板變型規(guī)則為：

（1）工藝路線結構變型規(guī)則：工藝路線模板代表典型件加工工藝規(guī)程，其包含典型零件的加工特征，需保證各加工特征在達到對應加工精度的同時獲得高加工經濟效益。在實際工藝設計過程中多數同類型零件無需達到上述加工要求，只需對工藝路線模板中滿足特定要求的工步進行復制。工藝路線模板選擇性復制規(guī)則及實際界面效果，如圖5所示。對于特征結構中的第j個特征節(jié)點，由特征碼搜索工藝模板中關聯工步，若無，則交互式添加，對搜索到的工步，將其制造精度等級ITp和要求加工精度等級ITc比較、表面粗糙度Rap與要求表面粗糙度Rac比較，若同時滿足ITp＜=ITc、Rap＜=Rac這兩個條件，延用原有工藝方法，后續(xù)工步無需復制。（2）工藝節(jié)點屬性修訂規(guī)則：通常，在實際設計階段會碰到許多加工特征相同但尺寸不同的情況，這時相應特征的工步、工序及工藝節(jié)點描述信息等會隨之產生對應的變化。工藝結構中節(jié)點的描述信息由兩部分組成：文字描述與制造達標信息，其中文字描述信息可認為是常量屬性，在工藝變型時可手動修改，制造達標信息可從制造特征節(jié)點中獲取零件最終特征信息，故應先確定該特征對應的最后一道工步的關聯信息，該信息從加工特征節(jié)點屬性中提取，中間工步、工序及根工藝節(jié)點的加工信息需在詳細工藝設計階段確定。

圖5 工藝路線模板選擇性復制規(guī)則及實際界面Fig.5 Selective Replication Rules for Process Template and Real Interface

3 結構化工藝設計實例

在此以某廠船用柴油機典型件連桿為例，通過VS2010（C#）對NX進行二次開發(fā)，輸出連桿加工特征信息（PMI標注和特征屬性定義），再通過中間文件（xml）將特征信息提取至Teamcenter中，最后用Eclipse（Java）對Teamcenter做功能內嵌式的二次開發(fā)，將典型件結構化工藝設計系統(tǒng)集成到Teamcenter產品生命周期管理軟件上，工藝設計系統(tǒng)集成界面，如圖6所示。

圖6 結構化工藝設計系統(tǒng)集成界面Fig.6 Integrated Interface of Structured Process Design System

在上節(jié)通過搜索選出典型件工藝路線模板的基礎上，將工藝路線模板中工序與工步內容和連桿待加工特征節(jié)點進行關聯，從而將連桿特征節(jié)點的特征編碼（內含工藝變型規(guī)則信息）掛接到工藝路線模板相對應的工序和工步上，為后續(xù)工藝路線變型做準備，此過程的實現在圖5工藝路線模板選擇界面中完成。接著根據特征關聯結果比對工藝變型規(guī)則信息，在工藝變型界面中按照工藝變型規(guī)則自動復制相應工藝節(jié)點，同時為了保證工藝合理性，也可手動交互添加工藝節(jié)點，完整的工藝路線變型效果，如圖7所示。經驗證，此方案可行。

圖7 工藝路線模板、工藝變型界面及變型后工藝路線Fig.7 Process Template and Modified Interface with Eventually Route

4 結論

通過對Teamcenter和NX的聯合二次開發(fā)，在模板庫中篩選出典型件工藝模板的基礎上，比較典型件和待加工零件的加工特征信息，對典型件結構化工藝路線模板做轉型設計，從而在不需要對工步做排序的情況下快速得到典型件的工藝規(guī)程，解決目前基于模板的工藝變型系統(tǒng)對結構復雜的零件加工鏈排序難、工藝借用度低、操作繁復等問題。為了進一步提高工藝設計的效率，還需開展提高加工特征分組自動化程度等方面的研究。