基于特征匹配的CAPP系統工藝派生方法設計與應用

左畤廷 趙紫薇 賴小昆 黃長春 魏興 岑林

（1.重慶南方制冷工程有限公司，重慶 400000；2.三峽大學馬克思主義學院，宜昌 443000）

1 前言

對大批量生產的零件，將所有工藝文件合理分類并高速調取，對典型的工藝快速識別，是節省加工時間、提高生產效率的保證，為實現該目標，需要針對零件做特征分類，根據零件特征方可在數據庫中進行相似度匹配得到相似工程文件，本文針對氣門零件，使用MATLAB 完成氣門零件特征分類、相似度計算、分類儲存、快速匹配。

2 氣門特征的分類

氣門按結構來分可以分為整體和局部2 個部分，也可細分為盤端面、盤外圓、盤錐面、頸部、桿部，每個局部都涉及加工的精度、尺寸、形狀以及表面處理[1]，分別分析氣門局部的精度特征、尺寸特征和形狀特征就能具體描述出氣門的形狀，再通過表面處理特征描述氣門局部硬度就能完全的描述氣門整體的狀態，所以將氣門按結構分類，如表1 所示。

表1 氣門部位特征分類

2.1 氣門零件各個特征與機加工的關系

進行零件特征匹配，能夠清楚的知道新零件與存庫零件的特征區別，但還不能明確的知道其涉及的具體機加工的區別，為了能夠更加方便的得到新零件的加工工藝，需要繼續分析零件特征的機加工方法。

氣門類別是進氣門還是排氣門與氣門是實心或空心對氣門后續加工方法的影響是很大，但所要求的機加工方式和方法并不復雜，具體機加工如表2 所示。氣門工作的強度和環境決定了氣門所需要使用的材料，其對應的機加工處理方式可以分為整體類、對焊類、桿端焊片類3 類。桿徑的大小決定了加工的精細程度，桿徑越大，氣門桿加工時越穩定，而桿越細需要的加工的精度會越高，對細長的桿加工會導致定位基準的變換。盤外圓倒角的加工涉及角度的變化，編制合理的數控程序即可，但出現圓弧角時需要更換成圓弧車刀。盤錐面角度的問題可以通過調整角度加上圓弧補償完成。

頸部成型面形狀涉及的機加工、形狀如圖1 所示。

圖1 頸部成型面

頸部成型面的形狀一共有5 種，每一種所對應的頸部過渡錐角都不同，不同的錐角所對應的盤厚也不同，要形成不同形狀的頸部成型面只要改變成對應的頸部過渡錐角即可。

鎖夾槽是控制氣門運動的關鍵部分，對應的特征主要是圓弧和槽的數目，對于圓弧的機加工方式主要是進行車加工，要求的圓弧光滑度越高加工精度就越高，此處主要涉及的是精車和粗車，槽加工主要使用90°的車刀進行車加工，多圓弧和多槽的機加工方法只需要加上車刀的定位即可。

其它部位的加工類似，總結為表2 所示（表面處理涉及的方法不做論述，對應表面處理使用對應方法）。

表2 氣門零件特征及機加工

續表

2.2 氣門零件的特征編碼

為方便計算機識別特征信息，現將所有零件特征和對應機加工方法按局部特征的順序依次排列，并以此順序作為計算機識別碼，如表2 所示。

特征順尋識別碼如表2 所示，若給出一個氣門零件特征信息即可得到對應的特征識別碼，以供計算機識別氣門零件信息。例如給出氣門零件特征為：進氣門、實心、整體奧氏體、7.5～9.5 mm、＞16 mm、≤5.5 mm、≤3.5 mm、圓弧+角度、直線角、75°、形狀2、除碳槽在桿中部、三圓弧、角度+圓弧+角度、Ra≤0.25 μm、Rz≤1.255 μm、圓柱度＞0.005 mm、有錐度、Ra＞0.25 μm、Rz＞25 μm、無特殊處理、無特殊處理、氮化+淬火、無特殊處理。對應的零件編碼就應為：1112211413224412125339。

3 氣門零件族劃分和新零件相似度匹配方法

要完成氣門分組程序，需要有氣門零件分組的知識，然后將知識代碼化。

3.1 氣門零件族劃分

3.1.1 成組技術方法概論

零件分類的主要方法有3 種：編碼分類法、生產流程分析法、視檢法[2]。

生產流程分析法，在研究生產過程特別是從原材料到產品的物料過程有獨特的優勢，但在研究對象品種多、工藝結構復雜時，分析法也會變的極其復雜。氣門對于其他零部件而言，有著結構相似的特點，正好可以使用此種分析方法，下面運用的是生產流程分析法中的聚類分析法對氣門零件零件族分類。

生產流程分析法的主要實施步驟如下。

a.數據采集；

b.工藝過程編碼；

c.建立原始零件——機床數據矩陣表；

d.生產流程分析。

具體問題具體分析，c 步驟中建立原始零件-機床數據矩陣表在對應的聚類分析法中可以使用2 個零件之間的相似度系數（類相似系數）來代替。

3.1.2 聚類分析法分組

相似系數的取值：相似系數是描述2 個樣品之間相似度的統計量。2 個氣門之間的相似度的值就是相似度系數。相似系數計算方法下一節會詳細描述，此間不再贅述。

類相似系數的取值：若現已分好2 個類分別有nw及ne個零件，此時要將2 類零件聚類成為一個新族r，新的族r與其他族q之間的類相似系數Srq的計算見公式（1）。

式中，Swq、Seq分別是原來類w與類q的類相似系數。

此方法的程序框圖如圖2 所示。

圖2 聚類算法程序流程

氣門零件聚類分析步驟如下。

a.假設對n個零件進行聚類分析，他們兩兩之間的相似度用Sij進行表示。建立相似度矩陣，如表3 所示。

表3 相似度矩陣

b.找到相似度最高的S值，如果S＞0.7(相似度閾值)，將S對應的2 個零件歸為新的一組n+1 組，計算新組和其他零件的類相似系數，形成新的相似系數矩陣。

假設相似度最大值為Sn-1,2，則將零件n-1 與零件2 歸為n+1 組。

新的n+1 組與其他零件q之間的類相似系數的計算見公式（2）。

由于編程問題，對零件聚類方法做了一些改變，如若覺得繁復可以參考原方法《成組技術》，如圖3 所示[3]。

圖3 聚類分組算法實現[3]

建立迭代后的新類相似度矩陣，如表4 所示。

表4 類相似度矩陣

c.重復步驟b，直至S（相似度閾值）＜0.7 為止，期間所產生的分組即為聚類分組結果。

3.1.3 聚類分析算法實現

根據表2 列出所有零件的特征編碼信息，每個零件的特征編碼信息用數組的形式儲存，將零件1與零件2（數組1 與數組2）中每個特征編碼信息代入公式3、公式4 得到其相似度S2，1，以此類推得到零件兩兩之間的相似度，按順序填入表3 之中建立相似系數矩陣，檢索出相似矩陣中的最大值Smax并判斷最大值是否大于閥值S（0.7）。是則將對應兩個零件分為一組并代入公式2 修正系數矩陣，重新檢索相似矩陣中的最大值Smax重復循環，直至Smax小于閥值S（0.7）結束循環，并反饋出所有分類的結果。

4 新零件基于特征的相似度匹配

要實現零件進行特征匹配后不僅返回出數據庫中最相似的零件而且將相對應機加工方法也反映出來，首先要實現的是基于零件特征的相似度匹配工作。

氣門零件擁有著結構簡單、工藝較少、品種多樣的特點，根據氣門零件的特征能夠較為容易地寫出氣門的工藝流程，所以相似度匹配的核心就放在了對于不同品種的氣門進行相同特征的統計，特征相同的數目多就意味著氣門越相似[4]。

4.1 相似度權重賦予

若按每個氣門特征進行權重的賦予，會使整個氣門特征計算相似度時顯的繁瑣復雜，加大了工作量而且容易混淆。如若將特征歸類簡化成對氣門各個部位（盤端面、盤錐面、頸部、桿部）分別賦予權重，不能體現對于氣門精度、氣門尺寸、表面處理等情況不同對氣門工藝流程產生的影響，如此分配權重會顯的結果模糊不清。既然氣門尺寸、表面處理、精度等能夠比較清晰的分析出對氣門工藝的影響，不妨就按尺寸特征、表面處理特征、精度特征、形狀特征、材料特征進行分類，如表5 所示。

表5 特征分類

在權重賦予中氣門的類型、結構不必考慮，氣門結構分為空心氣門和實心氣門，如果工藝處理中用刀具對氣門進行鉆孔形成空心，氣門的各方面的屬性就會大幅變化，特別是氣門材料屬性中應力的變換，必然使隨后工藝流程不同，所以氣門結構不同對氣門工藝的影響太大，不同的氣門結構的氣門沒有可比性。氣門類型不同對工藝的影響上文以清晰表述，這2 個特征不用分配權重，直接當做判斷條件即可，如若是不同的氣門結構或者是不同的氣門類型則氣門不進行相似度比較。

經過分類的特征屬性對于氣門工藝的影響是不同的，材料特征屬性由于材料的選擇不同，會導致氣門硬度、質地不同，不同的硬度質地的材料加工時刀具的選擇都會有變化，對整個工藝流程的影響是很大的，屬于較大權重的第1 個級別。形狀特征是局部特征，形成面的加工特征就有5 種，5種不同的特征加工方法也有很大的區別，盤端面凹槽形狀也是5 種，平底凹槽能夠減少氣流阻力，反圓弧有很好的廢氣清潔功能，兩者的加工方法完全不同，平底凹槽車削即可完成，但反圓弧產生球形部分受力面積增大，質量慣性同比增大，工藝更加復雜，形狀特征屬性對于機加工的方法影響極大，權重也放在第1 個級別。精度特征屬性涉及氣門運動的磨損和閉合性，在機加工中主要影響粗加工、精加工、半精加工的選擇，雖然對與氣門功能影響較大，但在加工部分影響并不太大，所以權重大小放在第2 位。尺寸特征屬性對氣門機加工的主要影響還是在于定位基準的選擇，影響程度并不大，權重大小應該放在第3 位。表面處理特征屬性中氣門不同部位對于表面處理的需求不同，雖然對于氣門功能影響較大，但也只屬于局部屬性，對整個氣門機加工影響不大，權重大小也放在第3 位。

由上述分析結果，分別給予形狀特征屬性、材料特征屬性、精度特征屬性、表面處理特征屬性、尺寸特征屬性的權重值分別為0.3、0.3、0.2、0.1、0.1。

4.2 相似度的計算

以精度特征屬性計算為例，精度特征屬性中有盤錐面粗糙度、桿外圓形位公差、桿外圓錐度、桿外圓粗糙度4 種不同的子屬性特征，記為Njd=4。

零件對比時，需要分別對比4 個子屬性是否相同，如果1 個子屬性相同則記njd=1，2 個子屬性相同則記為njd=2，以此類推。

精度部分的相似度Sjd計算見公式（3）。

若2 個零件除了桿外圓形位公差相同，其它均不同，則njd=1，那么精度部分的相似度就是1/4。

以此類推把各個部分的相似度都對比計算出來，乘以對應權重（權重用K表示）。尺寸特征、表面處理特征、精度特征、形狀特征、材料特征的相似度分別為Scc、Sbm、Sjd、Sxz、Scl。總相似度計算見公式（4）。

值得注意的是，材料特征屬性只有一類特征屬性，但在材料特征屬性具體特征中整體馬氏體、整體奧氏體的機加工重合部分較多，整體氣門的成型技術和工藝相同，后續工藝大同小異，所以不能說這兩類完全不同，其他類似的情況還有對焊操作的材料。所以材料部分分為3 大類：整體、對焊、桿端焊片，如果材料加工的大類相同則相似度為0.6，比如同為一個整體，但一個為整體馬氏體、一個為整體奧氏體，相似度為：Scl=0.6。

4.3 相似度匹配算法實現

利用MATLAB 為基礎，將氣門零件特征通過計算機編碼的形式輸入并使用大量IF（條件判斷語句）對兩氣門進行相似度判斷如圖4 所示，根據相對應公式得出答案。

圖4 相似度匹配算法代碼

4.4 零件特征屬性對應的機加工算法實現

任意的輸入一個新的零件，與上一章成組技術已經分好的組別進行相似度匹配，將與之相似度最高組別的特征信息與輸入零件特征信息對比，標出不同特征，并反映出不同特征所對應的機加工的信息，具體代碼如圖5 所示。

圖5 零件特征對應機加工代碼

5 氣門零件族劃分與特征比對原型系統應用驗證

5.1 開發背景

目前，重慶某公司研發的氣門零件CAPP 系統雖然能夠按要求運行，但由于汽車行業的進步改革，氣門行業制造類型、制造工藝也隨之變化，企業主要生產的氣門零件也會隨之變化，CAPP 系統中的典型零件庫應隨時更新，為了實現CAPP 系統對行業變化的適應能力，開發了原系統的補充系統氣門零件族劃分與特征比對原型系統，以達到隨時更新典型零件庫以及更加便捷的設計新氣門零件的工藝文件。

5.2 系統簡介

為了解決輸入零件標準化的問題以及利用及計算機輔助來方便的得出相似匹配的結果，以MATLAB 為基礎開發了零件族劃分與計算新零件相似度的系統。

系統分為2 個主要功能，第1 個功能是零件族劃分，通過輸入多組氣門零件的特征，對輸入的零件進行聚類分組最后得出分組結果。第2 個功能是氣門零件的相似比對，通過輸入新的氣門零件與已經存儲在系統中的典型零件進行相似度的比較，得出相似度最大的氣門零件并將不相同的特征的標紅并機加工方式調出。

其中零件標準化的輸入通過Switch 語句實現，加上GUI（圖形用戶界面）的面板和單選按鈕可以實現界面輸入，具體代碼如圖6 所示，實現界面如圖7 所示。

圖6 零件標準輸入

圖7 零件標準輸入界面實現

5.3 分組程序應用過程

為達到某公司隨時更新典型零件庫的要求，現隨機輸入5 組氣門數據進行氣門零件族劃分，以驗證程序正確性并進行程序運行演示，具體特征數據如表6 所示。

將5 組氣門零件輸入計算機，分組程序運行結果如圖8 所示。

圖8 分組結果

氣門5、氣門3 被為6 組，氣門4、氣門1 為7 組。最終結果為3 組：第1 組：氣門5、氣門3，第2 組：氣門1、氣門4，第3 組：氣門2。

根據氣門特征信息，分別計算兩兩零件的相似 度。S2,1=0.453 6、S3,1=0.185 7、S3,2=0.528 6、S4,1=0.744 3、S4,2=0.471 4、S4,3=0.203 6、S5,1=0.321 5、S5,2=0.621 4、S5,3=0.764 3、S5,4=0.253 6，建立相似度矩陣，如表7所示。

表7 相似度矩陣

取最大值S5,3=0.764 3，S5,3＞0.7(相似度閾值)，將S對應的氣門5、氣門3 分6 組，計算新組和其他零件的類相似系數，形成新的相似系數矩陣。

新的6 組與其他零件q之間的類相似系數的計算見公式（5）。

計算結果為S6,1=0.253 6、S6,2=0.575 0、S6,3=0.000 0、S6,4=0.228 6、S6,5=0.000 0，根據結果建立新的類相似度矩陣，如表8 所示。

表8 類相似度矩陣

取最大值S4,1=0.744 3，S4,1＞0.7(相似度閾值)，將S對應的氣門1、氣門4 分為7 組，計算新組和其他零件的類相似系數，形成新的相似系數矩陣。

新的7 組與其他零件q之間的類相似系數的計算見公式（6）。

計算結果為S7,1=0.000 0、S7,2=0.462 5、S7,3=0.000 0、S7,4=0.000 0、S7,5=0.000 0、S7,6=0.241 1，根據結果建立新的類相似度矩陣，如表9 所示。

表9 類相似度矩陣

取最大值S6,2＜0.575 0，S6,2＜0.7(相似度閾值)，無0.7 以上值，分組結束。

分組結果：第1 組，氣門5、氣門3；第2 組，氣門1、氣門4；第3 組，氣門2。與計算機程序計算結果相同。

5.4 新零件的特征匹配

由于氣門零件信息不足，難以拿到大量企業實際數據，新零件匹配所比對的典型零件庫是由20 個氣門零件分組形成的9 組典型零件，因庫存數據過低，在特征匹配時只提取相似度最大值，而不去設定最小相似度。輸入新零件與9 組典型零件對比相似度分別用S1,1、S2,1、S3,1、S4,1、S5,1、S6,1、S7,1、S8,1、S9,1表示。

輸入新零件的特征，零件輸入過程如圖9所示。

圖9 零件特征輸入

計算機特征計算結果如圖10 所示，與新零件最相似的典型零件為第4 組零件，相似度為0.585 7，并將典型零件4 與新零件不同特征標紅，提出新零件需要改進的工藝步驟。

圖10 計算結果

由公式（4）分別計算出9 個典型零件與新零件相似度的值。

式中，Scc、Sbm、Sjd、Sxz、Scl分別為尺寸特征、表面處理特征、精度特征、形狀特征、材料特征的相似度。乘以對應權重（權重用K表示）。

新零件與典型零件1，材料完全不同，Scl=0，尺 寸1 處相同，ncc=1，Scc=1/4，形 狀5 處相同，nzx=5，Scc=5/7，精度3 處相同，njd=3，Sjd=3/4，表面處理2 處相同nbm=2，Sbm=2/4。由公式（7）經計算得，S1,1=0.496 4。以此類推算出9 個典型零件與新零件的相似度，計算結果為S1,1=0.439 3、S2,1=0.221 4、S3,1=0.421 4、S4,1=0.585 7、S5,1=0.465 7、S6,1=0.496 4、S7,1=0.285 7、S8,1=0.271 4、S9,1=0.353 6，由計算結果可知與新零件最相似的零件為第4 組典型零件，與計算機計算結果相符合，新零件與典型零件的對比如表10所示。

表10 特征表

5.5 試驗數據

5.5.1 氣門特征分組

將工程文件配套儲存的氣門零件按特征輸入50 組氣門數據進入系統，分為19 組。結果如圖11

圖11 分組結果

5.5.2 零件的匹配

輸入新氣門零件數據進行匹配得到結果如圖12 所示。

5.5.3 運用結果

經過測試應用后，測試結果如表11 所示。發現通過對大量氣門零件數據成組分組后得到典型氣門零件，按分組的結果對氣門零件工藝文件、工程文件進行儲存，可以針對特征快速從系統中找出原先氣門零件數據，解決了對冗雜數據不易保存和查找的問題。對于新產品的氣門零件，經過系統比對可以從庫中找出最相似的氣門零件，如圖12 所示，只需要對相應部分進行適當修改就可以上線生產，極大的減少了設計人員重復工作的時間。

圖12 相似結果

表11 氣門零件的平均設計時間改善前后效果對比 h

6 結束語

通過查閱、學習成組技術的概念方法、相似度計算改進方法，應用于氣門零件的零件族劃分、氣門特征比對中，實現了氣門零件高效快速的進行零件族劃分與特征比對。學習了MATLAB 的編程方法與GUI 界面的實現方法，最終實現了原型系統計算機算法與系統的可視化運行。

對于氣門零件分組程序的開發代碼部分還是過于復雜，目前只能支持50 組數據的同時輸入并且不能記錄數據，新零件匹配程序中零件特征屬性對應的機加工的表還不夠詳盡，新零件進行匹配后會得到最相似零件的特征但是程序中并沒有寫入相似零件的控制計劃，目前狀態編寫新工藝文件還無從談起，必須與現氣門零件CAPP 系統中的工藝文件知識庫連接才能真正的完成新氣門零件的工藝文件設計。本文并未涉及加工余量的計算，存在改進的部位如何對具體的新零件加工余量的具體數值進行設置的問題。

針對上述存在的不足，期望可以將原型系統中加入氣門工藝數據庫和典型氣門數據庫將氣門零件分組程序處理過的數據存儲進入典型零件庫以供相似度匹配時調出運用，并將知識庫中對應的工藝文件與新進入典型零件庫中的零件進行對接才能在匹配之后進一步完成新零件的工藝文件，后續研究方向為關于加工余量的計算。