發動機快速工藝過程優化技術研究

于 航，楊秀才，崔萬瑞，王 靜

YU Hang, YANG Xiu-cai, CUI Wan-rui, WANG Jing

（長春設備工藝研究所, 長春 130012）

0 引言

工藝過程優化包括數控程序優化、工藝方案優化和工藝參數優化等內容。將快速工藝優化技術應用于發動機的關鍵零件加工中，能夠克服零件加工工藝準備周期長、數控加工效率低等問題。提高設備利用率，獲取最大生產率，增強企業的快速響應能力。

從制造特征的角度出發對發動機機體、缸蓋零件的加工工藝知識進行分析分解，通過針對零件特征制造方位面的特征比較，應用制造特征與加工工藝元映射和匹配性算法工藝路線優化技術，進行工藝方案設計，縮短工藝設計周期。

1 工藝知識庫知識獲取及快速工藝設計與重構技術

基于實例的加工工藝設計系統的工作流程是輸入待解決的問題的內容、初始條件及其他相關信息；檢索和提取實例，根據問題的要求、初始條件，從實例庫中提取一個與當前問題相似的實例；評價與修改實例，從實例中找出最相似的實例，形成目標問題的解決方案，經修改后滿足設計要求；存儲實例，問題解決后，將形成的工藝作為新的實例存入工藝知識庫中。其中基于實例的工藝設計與重構系統工作流程如圖1所示。

從制造角度看，零件方位面上的特征是由一系列制造特征組成，制造特征中包含了形狀、精度、粗糙度等信息，根據制造特征進行工藝決策可以確定制造特征的加工工序。每個特征最終的表面是需要經一系列加工才能成形，它對應著一組加工鏈，稱之為特征工藝段。特征工藝段定義為加工某一特征形體（特征幾何與拓撲實體），并能滿足其技術要求的工序集。在不同的加工環境下每個特征對應著不同的加工方法，當制造環境確定時，具體的加工方法也就確定下來。一個特征工藝段是由若干個工藝元，即加工工步，按一定順序組成。特征工藝段的確定主要包括該特征加工的加工工步的選擇、工藝參數的選擇、量具的選擇，其中加工工步是由特征尺寸、精度、表面粗糙度以及加工環境等眾多因素綜合決定的。

從制造角度上看，每一個制造特征MFi都對應著一個或多個工藝元P1，P2，…，這些工藝元組成了該制造特征的特征工藝段，設：fp={P1,P2，…}。制造特征MF與特征工藝段fp存在著映射關系，記為如下映射函數：

MFi→ fpi=φp(MFi)

其中φp為工藝映射函數。

在工藝設計中，應該根據制造特征之間的相互關系確定各個制造特征的先后加工順序，平行特征之間由于不存在約束關系，其加工可以不分先后順序，但在相鄰特征必須考慮其接口處的特征工藝融合，而關聯特征則必須遵循一定的順序安排，如先面后孔等加工原則，因此在生成特征加工順序時，關聯特征確定了特征的先后加工次序。而平行特征使系統產生了多重加工路線看，可通過工藝路線優化來找出最優方案，所以可通過特征關系的分析，確定所有特征的先后加工順序。

圖1 基于實例的工藝設計與重構系統工作流程圖

制造特征工藝段的獲取，主要是通過對新零件特征的幾何信息、工藝信息和實例零件的特征幾何信息、工藝信息進行比較，并通過對實例增、刪、改獲取的。具體有三種形式。

圖2 提取新零件與典型零件特征信息

1）新零件有實例零件沒有的特征工藝段，通過添加特征工藝段獲取；

2）實例零件有新零件沒有的特征工藝段，通過刪除實例特征工藝段實現；

3）實例零件有新零件也有，但是特征的幾何、工藝信息有變化的特征工藝段，通過更改實例特征工藝段獲取。

工藝優化系統運用快速工藝設計與重構技術完成新零件與典型工藝實例進行比較。提取新零件與典型零件特征信息，如圖2所示。

根據實例特征的工藝信息進行修改，完成新零件特征的工藝信息。如圖3所示。

2 工藝過程優化及優化算法

在制定零件加工工藝路線時,存在多種備選方案,因此需要一種有效、直觀、既能描述、分析、又能計算和判斷的工藝路線優化技術,以提高數控設備的利用率，減少加工成本,提高加工精度。

圖3 實例特征的工藝信息

2.1 加工一般原則

根據發動機機體、缸蓋零件的特點，工藝準備優化系統的工藝設計應遵循的加工規則。

1）先面后孔：先加工方位面特征，后加工所在的孔特征。

2）先粗后精：先進行粗加工，半精加工或精加工。

3）孔加工按照先鉆中心孔，鉆孔、后或銑孔、鏜孔、絞孔。

4）螺紋孔按照先鉆中心孔，鉆孔、攻絲。

5）先換刀后轉位：考慮到大型箱體類零件的特殊性，基本上應遵循先將某方位面上的所有特征加工完畢，再進行轉位。

2.2 相同工步組

相同工步組：一把刀具完成零件一次裝夾所能完成的所有特征工步稱為相同工步組。

根據發動機機體、缸蓋零件的實際情況和數控機床的特點，特征加工工步序列生成后，將在同一方位面的相同刀具的若干加工工步序列視為一組，稱為一個相同工步組。在加工過程中，我們將每一個面的特征對應的工步信息，按照刀具的類型幾大小利用堆排序的方法，快速的進行相同工步組的合并。

2.3 基于廣度優先圖搜索與回溯相結合的工藝路線優化算法

完成相同工步組的合并后，要進行相應工步組內的工藝路線的決策。由于機體零件的龐大性和繁瑣性及數控機床的加工特點，對其內部的合理排序尤為重要，合理有效的工藝路線可以極大地縮短加工時間。在機床的加工過程中應盡量減少整個加工過程的走刀路程，即完成整個過程的最短路徑的決策。從而，我們將相同工步組內的各個孔可以看做一個強連通圖的拓樸結構。如圖4所示。

圖4 拓撲結構

最短路徑的決策可以利用模糊搜索、動態規劃、深度優先算法、廣度優先算法、遺傳算法和啟發式搜索等，但模糊搜索、動態規劃、深度優先算法、廣度優先算法、遺傳算法的算法復雜度較高，另外啟發式搜索的估價函數比較難于確定；深度優先算法導致局部最優解；廣度優先算法導致全局最優解；因此，我們采用了廣度優先圖搜索技術與回溯搜索技術相結合的方法；即側重于廣度優先的回溯算法。

廣度優先的回溯算法：在相同工步組內，圖的最短路徑搜索為了加速圖的搜索速度，進行對搜索空間的限定來減少搜索空間的范圍。便有條件把搜索集中到會帶來更大效果的其他路徑上, 這就是中止對效益不大的一些子樹的搜索，以提高搜索效率。同時為了能使解的有效性，當搜索完整個圖時，進行比較是否有未進行的有效路徑，回溯到新的起點進行新的搜索，直到搜索完所有的有效路徑，從搜索結果中選擇最優解路徑。

搜索算法描述：

1）init 鄰接矩陣T、搜索起始點 s0、搜索中間結果棧st1=NULL、搜索最終結果棧st2=NULL、未訪問空間ts＝｛s1,s2,s3, … , sn｝、已訪問空間tw＝｛S0｝、其中st1的元素結構包括已訪問表s1’、未訪問表s2’、新的起始點S0’。

2）選取從 S0 到 ts的最優代價點 s’， 判斷ts內是否有點s”到S0的代價等于S0到s’ 的代價，若存在 s”，則 s1’＝ tw+{s”} , s2’=ts－{s”}, S0’=s”并入棧 st1 ；否則， ts＝ ts－ {s’}，tw=tw+{s’}，S0 ＝ s’。

3）判斷ts是否等于NULL，若不等于NULL，則goto step2；否則將tw入棧st2。

4）否則判斷st1,是否等于NULL，若不等于NULL，將st1進行出棧，ts=s2’。tw=s1’，S0＝S0’ ；goto step2。

5）在st2棧中搜索最優解Q，則Q為所求的解路徑。

3 結論

結合發動機機體、缸蓋零件的數控加工成熟的工藝技術，以特征作為工藝實例, 通過特征的映射技術，基于工藝實例優化算法,解決了具有復雜特征的工藝實例相似檢索問題。采用分層遞階思想組織實例庫, 實施三級匹配策略, 最終得出相似實例, 優化了設計手段。這項技術已經應用到企業，能較好地解決企業工藝知識的缺乏和獲取困難的問題，實例庫在使用中不斷豐富,工藝路線不斷得到優化。

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