基于典型工序MBD模型的工藝路線決策研究

辛宇鵬，王剛鋒，張 琪，許曉明

（1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西西安 710064；3.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅蘭州 730050）

1 引言

隨著三維數字化制造技術的發展，傳統二維數字化工藝設計模式向三維數字化工藝設計模式轉變在所難免。傳統制造模式是以物理樣機為試驗驗證為基礎，而三維數字化制造模式是基于三維數字樣機虛擬仿真試驗。與前者相比，其主要優勢在于它的三維模型表達能讓工藝人員更清楚理解設計意圖，智能化程度更高。在航空制造領域，美國波音公司最先研究了飛機數字化制造模式，并推行了一種新型技術—MBD技術（Model-Based Definition）。該技術的核心思想在于全三維基于特征的表述方法，基于文檔的過程驅動，過程模擬和產品標準規范等[1-2]。MBD技術的出現有力推動了傳統制造模式向三位數字化制造模式的轉型升級。然而，三維數字化工藝設計模式不但需要研究全新的基于三維模型的產品工藝設計模式，相應的生產組織方式，生產管理模式都需要重新規劃。文獻[3]研究了基于MBD技術的是三維標注方法，并以全三維CAPP系統為平臺，驗證了規定的標準規則。文獻[4]研究了MBD技術支持下的產品協同設計和協同信息表達。文獻[5]基于MBD技術構建了MBD標準體系并對基于模型的三維表達技術進行了研究。文獻[6]以企業應用為背景，研究了MBD模型下的三維可視化技術。隨著數字化技術和制造技術的融合，與工藝決策和優化的課題被廣泛關注。工藝路線的設計是整個工藝設計的核心，工藝路線安排是否合理將直接決定工藝設計方案的可行性和生產加工效率。采用計算機輔助手段實現工藝路線自動決策，是長期以來學者們研究的重點。早期，加工序列的規劃和優化的基本思路是將人工經驗轉化為計算機可識別的工藝知識，在工藝知識庫的支持下，采用決策和優化算法進行計算機輔助工藝規劃。其發展歷程了多個階段，如傳統的派生式決策，生成式決策，再到融合知識和規則的工藝決策。國內外學者對此開展了大量的研究工作，成果豐碩。

基于上述研究成果并考慮其中尚待解決的問題，通過借鑒MBD 技術思想，在加工特征分類的基礎上，構建典型工序MBD模型，并通過特征編碼實現“特征—模型”之間的檢索匹配，以“工藝—工序—工步—加工元”的遞進關系正向演繹推理生成工藝路線。為三維數字化制造環境下工藝路線自動決策，提供了一種新的思路，以減少不必要的加工方法和決策步驟，簡化工藝路線決策過程。

2 典型工序MBD模型的相關定義

傳統二維數字化工藝設計模式下，典型工藝是指針對具有相似結構、相近尺寸和類似加工特征的一組零件，編制、總結出的一套完整工藝規程，用以指導設計新工藝。工藝信息主要以工藝卡片的形式表示，工藝卡片通常根據功能劃分不同的固定區域（如：視圖區、表格區等），通過給區域數據建立數據庫關聯字段，實現工藝信息的自動提取或填寫。然而，在三維數字化機加工藝設計模式下，工藝信息的載體由二維工藝卡片變成了三維模型，因此，典型工藝從工藝信息表示形式和數據提取方式上，都有別于傳統模式，為了表述需要，對相關概念進行重新定義。

定義1.典型工藝MBD模型由一組工序MBD模型構成，用來統一表達具有相似結構要素、尺寸相近的零件族的加工工藝，同一零件族內的零件具有類似的工藝特征和加工工藝路線。

定義2.工藝決策規則是工藝經驗的一種計算機語言表達形式，由類似“if…then…”的條件判斷語句構成，在計算機輔助工藝決策中，通常用來表達針對某一工藝問題的解決方法。

定義3.典型工序MBD模型是在典型工藝MBD模型和特征分類基礎上進一步提煉和總結出的、具有較強代表性的工序MBD模型，用來統一表達針對某一類加工特征通常采用的加工方案。

根據定義可將典型工序MBD模型表示為：

式中：TIPMGeo—典型工序三維幾何模型；

TBasicInfo—典型工序MBD模型基本屬性；

DRule—工藝決策規則。

定義4.加工元是以加工特征為核心的工藝信息集合，是描述特征加工過程的最小單位。其內容包括特征信息、加工方法以及加工該特征所需的機床、夾具、刀具、量具等制造資源信息、切削參數和刀具運動模式等。加工元信息模型數學表達式可表示為：

式中：fi—加工元對應的加工特征對象；

MPij—特征fi對應的加工方法；

MRij—加工特征fi對應的制造資源和切削參數；

TAD—刀具可進刀方向（Tool Approach Direction），即刀具的運動模式。

一個零件的全部加工元構成該零件的加工元集合，表示為：

定義5.加工鏈是在達到技術要求的前提下，完成一個加工特征的工藝路線。一個加工鏈是與具體加工特征相關的典型工序序列，如：“鏜孔—粗鏜孔—精鏜孔”表示一個簡單的孔加工鏈。

3 典型工序MBD模型的構建

3.1 幾何加工特征介紹

典型機加工序是機加工藝知識的重要組成部分。通常機加工序以加工特征為基本單位，描述工序加工區域，表達加工過程完成的結果。根據構成零件幾何形狀的主次關系，可將加工特征分為主特征和輔助特征。主特征主要包括：基本輪廓特征（立方體、圓柱體），凸臺特征（圓柱凸臺、多邊形凸臺），孔特征等。輔助特征是在主特征的基礎上進行補充、完善，用以完整表達零件的總體特征。主要有：過渡特征、螺紋和齒類特征等。除了加工特征，機加工序信息還包括機床/工裝、切削參數和工步加工信息等。其中，工步加工信息是指刀具進刀方向和走刀路徑信息。

3.2 工藝知識的表達方式

工藝知識表示就是將工藝知識以一種計算機可接受的數據結構進行描述的方法，表示過程是把知識編碼成某種計算機可識別的數據結構的過程[7]，知識表示形式決定推理方法和決策邏輯。為了將上述工藝知識表示為一種計算機可接受的數據結構，此處采用產生式規則表示法[8-9]將工藝決策過程在計算機內部的處理方式表示為：“條件判斷+語句執行”。通常描述為：“IF A，THEN B”。其中，A是指前提條件，可以是任何子句的邏輯組合；B是決策結論部分，可以是陳述性結論或一個具體操作，或是多個結論與操作的組合。為了方便實現推理過程算法化，將各個規則子集按照語義的英文縮寫形式分別進行標記，部分子規則示例如下：

式中：DRuleMe—加工方法選擇規則；

DRuleDev—機床選擇規則；

DRuleTol—刀具選擇規則。

為了構建典型工序MBD模型，我們將加工特征與工藝知識的匹配簡化為加工特征與典型工序MBD模型的匹配過程，達到提高工藝決策效率的目的。

為了便于信息的存儲和提取，采用加工元這一信息實體作為描述典型工序的基本單位，并采用屬性定義和規則關聯的方式，將加工元和決策規則與工序三維模型關聯，構成典型工序MBD模型，如圖1所示。

圖1 典型工序MBD模型構建流程Fig.1 Construction Process of Typical Process MBD Model

4 工藝路線決策與優化過程

4.1 工藝路線決策單元

工藝路線決策是在明確零件所有加工特征和技術要求的情況下，按照工藝學原則和優化指標（加工效率和經濟性等）建立約束條件，結合工藝決策邏輯和推理算法合理安排零件加工序列的過程。加工特征是工藝路線決策的主要依據，為了便于工藝知識的獲取，以典型工序MBD 模型為基礎，定義和存儲典型工序信息，并將工藝決策規則與典型工序MBD模型關聯。將加工元作為描述典型工序的最小單位，通過特征與典型工序MBD模型匹配、加工元提取/合并、工序生成/優化排序三個階段的決策和優化，生成新的工藝路線，如圖2所示。

圖2 工藝路線決策與優化過程Fig.2 Procedure of Process Route Decision and Optimization

4.2 工藝路線決策的推理算法

為了便于上述推理過程的計算機實現，設計了工藝路線推理算法。該算法分為兩個階段：加工特征與典型工序MBD模型匹配階段和工藝決策正向演繹推理階段，如圖3所示。

圖3 基于典型工序MBD模型的工藝路線推理算法Fig.3 A Process Route Reasoning Algorithm Based on Typical Process MBD Model

為便于零件特征信息的計算機識別，根據特征分類對加工特征進行編碼，工藝路線決策時將零件設計MBD模型中包含的加工特征編碼信息作為算法的初始輸入，通過特征編碼查詢匹配對應的典型工序MBD模型，構成典型工序MBD模型備選集。在此基礎上進一步推理，具體步驟如下：

步驟1.讀入加工特征信息（特征編碼）；

步驟2.檢索包含該特征編碼的TIPM；

步驟3.遍歷TIPM備選集，判斷是否滿足加工特征的工藝要求，滿足則執行步驟4，不滿足，執行步驟5；

步驟4.標記為目標工序；

步驟5.判斷是否遍歷完TIPM備選集，未完成則返回步驟3，完成則執行步驟6；

步驟6.執行工序優化選擇算法；

步驟7.生成優化TIPM集合；

步驟8.遍歷優化TIPM集合，提取全部加工元；

步驟9.執行合并規則，合并加工元形成工序；

步驟10.根據優先級約束進行工序排序；

步驟11.推理結束。

5 實例分析

本節將以某型號飛機雙面大框結構件的三維數字化工藝設計實例說明工藝路線的設計與優化過程。工藝路線的設計與優化以工藝設計導航器為交互應用界面，其過程可分為接收工藝任務、獲取基本工藝信息、提取加工特征、工藝路線決策與優化四個部分。

5.1 接收工藝任務

在工藝路線設計時，首先需要接收工藝設計任務，獲取設計MBD 模型。工藝人員在TC中接收設計部門下發的飛機雙面大框設計MBD模型，進入UG-CAPP系統，進行三維數字化工藝設計，過程，如圖4所示。

圖4接收工藝設計任務Fig.4 Acceptance of Process Planning Tasks

5.2 獲取基本工藝信息

零件基本工藝信息來源于設計MBD模型，內容主要包括工藝代號、零件名稱、零件編號、工藝版次和材料牌號等信息。為了方便對零件基本工藝信息的瀏覽、編輯，采用加工元自動獲取方法原理，通過對UG進行二次開發，實現了基于三維模型的工藝信息自動獲取，以減少人機交互輸入信息的步驟、提高工藝設計自動化程度。

5.3 提取加工特征

本系統主要以人機交互選擇和定義幾何型面的方式提取加工特征信息，分為三個步驟：

（1）選擇零件幾何模型；

（2）選擇加工特征幾何型面；

（3）確定所選加工特征類型。

加工特征信息提取完成后，輸出加工特征的識別結果，并生成XML文件，作為信息傳遞的基礎，如圖5所示。

圖5 加工特征信息提取結果Fig.5 Extraction Results of Processing Feature Information

5.4 工藝路線決策與優化過程

工藝路線的決策與優化分為兩步完成，第一步是根據加工特征信息進行加工鏈的決策與優化，得到與零件設計MBD模型中加工特征匹配的典型工序MBD模型；第二步是根據特征約束規則、加工元合并/排序規則，生成工藝路線。“加工鏈決策結果”一欄所示，系統經過優化算法的計算，將最優加工鏈顯示在“最終加工方案”一欄，從而實現了對工藝路線的優化，如圖6所示。

圖6 加工鏈決策與優化界面Fig.6 Interface of Decision-Making and Optimizing in Machining Process Chain

工藝路線的決策以加工鏈為基礎，通過自動提取加工鏈中典型工序MBD 模型信息，生成工藝路線信息列表，如圖7所示。系統根據特征約束規則、加工元合并/排序規則，決策生成工藝路線，如圖8所示。工藝人員可在此工藝路線的基礎上，人機交互添加輔助工序，完成最終工藝路線的設計。

圖7 工藝路線信息列表Fig.7 Process Route Information List

圖8 工藝路線設計界面Fig.8 Interface of Process Route Design

6 結論

在對典型工序MBD模型開展相關定義基礎上，通過制訂正向演繹推理和分層次深度遍歷檢索相結合的工藝路線推理策略，實現了MBD模型的構建。依據相關工藝知識和工藝路線推理算法，對工藝路線決策和優化過程進行了研究。結合飛機雙面大框結構件加工實例，通過特征與典型工序MBD模型匹配、加工元提取/合并、工序生成/優化排序三個階段對工藝路線進行決策和優化，簡化了工藝路線推理過程，保證了工藝路線推理結果更具客觀性、合理性。