基于特征的數(shù)控加工工藝的決策支持(1)
                                    王小輝，喬立紅
                    （北京航空航天大學(xué)機械制造及其自動化學(xué)院）
    摘要： 提出了一種基于特征的數(shù)控加工工藝生成方式，闡述了與該方式相關(guān)的特征技術(shù)、數(shù)控加工工藝知識與資源庫、數(shù)控加工方法鏈以及相匹配的數(shù)控加工參數(shù)、刀具、夾具等的產(chǎn)生方式。
  關(guān)鍵詞： 特征；數(shù)控加工；工藝決策；知識庫
    隨著數(shù)控技術(shù)與CAD/CAPP/CAM技術(shù)的飛速發(fā)展，使得企業(yè)可加工精度更高、形狀更復(fù)雜的零
件。另外一方面市場競爭的日益加劇，要求企業(yè)在產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的前提之下不斷壓縮產(chǎn)品生產(chǎn)時
間。所以如何利用計算機對數(shù)控加工工藝設(shè)計過程進行輔助，以期提高數(shù)控加工工藝設(shè)計的質(zhì)量，減少生產(chǎn)時間就成為當(dāng)務(wù)之急。
    但是，現(xiàn)有的數(shù)控加工工藝設(shè)計系統(tǒng)主要是提供一個可以進行數(shù)控加工工藝設(shè)計的人機交互式工具，并沒有針對零件的特征信息提供一套計算機輔助的機制對數(shù)控加工的工藝設(shè)計進行指導(dǎo)。這樣就導(dǎo)致在當(dāng)前的軟件環(huán)境中數(shù)控工藝人員只能手工填寫數(shù)控加工工藝，沒有充分利用已有的數(shù)控加工工藝設(shè)計軟件和計算機輔助的功能對數(shù)控加工工藝設(shè)計過程進行進一步的支持。從而導(dǎo)致數(shù)控加工工藝設(shè)計效率低下，而且數(shù)控加工質(zhì)量完全依賴于數(shù)控工藝設(shè)計人員的水平，造成數(shù)控加工質(zhì)量的參差不齊。
    在工廠實際設(shè)計零件的數(shù)控加工工藝中，由于零件大多形狀復(fù)雜，導(dǎo)致數(shù)控加工設(shè)計復(fù)雜，如何減輕數(shù)控加工工藝設(shè)計人員的勞動量，使得數(shù)控加工工藝人員可以將更多的精力投入到創(chuàng)造性的勞動中，就成為數(shù)控加工工藝輔助設(shè)計的重要研究課題。本課題將研究在數(shù)控加工工藝設(shè)計中匯集數(shù)控加工工藝專家智慧，并且充分利用這些數(shù)控加工工藝知識，進行邏輯判斷推理，以期探索出一條有效提高數(shù)控加工工藝設(shè)計質(zhì)量，縮短時間的途徑，從而輔助數(shù)控加工工藝設(shè)計人員的數(shù)控加工工藝決策過程。
  1、適于數(shù)控加工決策支持的零件信息描述
    現(xiàn)有的大部分?jǐn)?shù)控加工工藝設(shè)計系統(tǒng)注重的只是零件的幾何表達，而對于各種技術(shù)和公差精度等
信息只能作為標(biāo)注處理，而在進行數(shù)控加工工藝設(shè)計時往往要重新察看甚至是輸入這些工藝信息，這
樣不僅造成大量人力物力重復(fù)投入，而且對于數(shù)據(jù)的及時準(zhǔn)確傳輸也是一個障礙，從而造成了工藝決
策系統(tǒng)效率低下，也就不能完全體現(xiàn)出加工工藝決策輔助支持帶來的好處。本課題將以特征技術(shù)作為
數(shù)控加工工藝決策系統(tǒng)的輸入信息。
    基于對數(shù)據(jù)集成和數(shù)控加工工藝決策系統(tǒng)效率的要求，必須建立一種全新的信息承載體。該承載體不但能夠承載傳統(tǒng)的幾何信息，而且能夠承載工藝所需要的其它信息（例如公差精度以及材料等信
息）。包括特征幾何信息和工藝特征信息兩大類。特征幾何信息是產(chǎn)品CAD過程中必須提供有關(guān)特征
的幾何參數(shù)，只有這樣才能利用特征進行CAD建模.而工藝特征信息包括如幾何特征種類（花鍵、外
圓、螺紋、環(huán)槽等）、各項技術(shù)要求（尺寸公差、位置公差、熱處理要求等），這些特征信息實質(zhì)上反映了CAPP系統(tǒng)所必須的加工特征參數(shù)。由此可見，特征應(yīng)是零件的幾何特征和加工特征的結(jié)構(gòu)體，但它又是某種特定功能的反映。綜上所述，本文將特征分為以下5個廣義特征：
（1）形狀特征。用于描述具有一定工程意義的功能幾何形狀；
（2）精度特征。與產(chǎn)品的幾何許可變動量相關(guān)的信息集合，如表面粗糙度、形狀位置公差及其基準(zhǔn)
面、尺寸公差等；
（3）技術(shù)特征。用于描述零件的性能、作用等相關(guān)的信息集合；
（4）材料特征。用于描述零件材料的類型等；
（5）管理特征。用于描述零件的管理信息，如零件名稱、批量等。
    零件信息將建立在上述5類特征上，從而把特征作為零件數(shù)控加工工藝設(shè)計的基本單元。這樣將
多個特征組織在一起就可以形成完整的零件特征，不但可以完成零件設(shè)計者的意圖，也可以為以后的
數(shù)控加工工藝設(shè)計的輔助化工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
  2、數(shù)控加工工藝知識的表達
    只有特征數(shù)據(jù)并不足以使系統(tǒng)對數(shù)控加工工藝決策進行輔助。系統(tǒng)還需要對數(shù)控加工知識進行總
結(jié)抽象，以達到計算機存儲的要求；才能使得數(shù)控加工工藝設(shè)計系統(tǒng)得到知識的支持，從而達到對數(shù)控加工工藝設(shè)計的輔助。
  2.1.數(shù)控加工知識的建立原則
    數(shù)控加工知識庫存儲管理大量工藝專家經(jīng)驗、規(guī)則、事實、概念，并向用戶提供方便的查詢和檢索手段，為數(shù)控加工工藝設(shè)計提供知識支持.在所提供的內(nèi)容豐富的工藝知識庫基礎(chǔ)上，進一步建立企業(yè)專用的機床、刀具、夾具、切削參數(shù)、材料、典型工藝庫等.鑒于數(shù)控加工知識涉及的種類繁多，信息量大，必須嚴(yán)格按照以下幾條原則建立數(shù)控加工知識庫和數(shù)控資源庫，以便提供系統(tǒng)全面的知識存儲和快速高效的檢索查詢。
 （1）數(shù)控加工工藝知識的信息模型必須在綜合、全面的分析數(shù)控加工的需要和各類數(shù)控加工工藝規(guī)
程、文件的基礎(chǔ)上建立。既要全面地反映數(shù)控工藝規(guī)程和文件中需求的信息，又要方便清晰地反映對象的客觀存在。
 （2）類對象應(yīng)盡量保持?jǐn)?shù)控加工工藝規(guī)范的完整性。類屬性的確定既要將數(shù)控加工工藝規(guī)程中出
現(xiàn)的信息反映在對應(yīng)的類屬性中，又要考慮到一些數(shù)控加工工藝設(shè)計時所需參考的數(shù)據(jù)。
 （3）類屬性、名稱采取企業(yè)的習(xí)慣。在確定類屬性時，不僅要考慮到理論上的需要，而且還要充分調(diào)查企業(yè)的使用情況，盡量的保留企業(yè)現(xiàn)有的習(xí)慣。
 （4）類的層次應(yīng)該盡量簡便，減少不必要的復(fù)雜度。盡可能地合并類、減少類的個數(shù)，這樣，不但可以提供給用戶一個簡潔的類視圖，方便以后的更改，而且可以提供系統(tǒng)方便的查詢，降低系統(tǒng)的開發(fā)難度"
  2.2.面向?qū)ο蟮臄?shù)控加工工藝表達方式
    所謂面向?qū)ο蟮臄?shù)控工藝知識信息建模就是指利用面向?qū)ο蟮姆椒ǚ治鰯?shù)控加工工藝系統(tǒng)中各個
實體之間、對象之間的關(guān)系，以及對象所需要的屬性，形成可以正確反映數(shù)控加工工藝設(shè)計過程的對
象模型。
    將數(shù)控加工工藝所用到的加工方法鏈、數(shù)控機床、刀具、夾具、切削參數(shù)定義為不同的類。將這些類作為一個基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上分別定義各自的子類，利用類的繼承和派生的特點，合理安排類的結(jié)構(gòu)以便擴充和使用的方便。在工藝模型中，為了便于用戶進行數(shù)控加工工藝設(shè)計和數(shù)控加工工藝數(shù)據(jù)的管理，保證數(shù)控加工工藝信息的規(guī)范性和集成性，需要確定對屬性的取值進行約束：
 （1）對象的屬性值必須有明確的值域，例如工件的材料分為鋁合金、淬火鋼等。不能出現(xiàn)黑色金屬這種內(nèi)涵過于廣泛而在計算機中很難處理的詞匯，必須對屬性的值域有一個明確的限定，才可以保證在整個加工決策的過程中正確合理的使用這些對象。
 （2）對象屬性之間的關(guān)系必須明確。例如刀具的總長必須大于刀刃的長度，類似這些屬性值的限制
是保證對象是否真實存的關(guān)鍵。
  2.3.實例說明
    例如,數(shù)控刀具分類如圖1所示，將數(shù)控刀具分為數(shù)控銑刀、數(shù)控車刀、數(shù)控鉆頭，然后再根據(jù)這三個方面的具體使用情況再次進行小類別的劃分，例如其中的銑刀就可以分為一般銑刀、T形銑刀等，同樣的分類方式可以應(yīng)用到其它數(shù)控刀具中。利用這樣的分類形式就可以真實地反映數(shù)控刀具的客觀存在情況，而且提供用戶可以方便地管理和使用數(shù)控刀具的具體實例。這樣數(shù)控刀具就在分類層次少的基礎(chǔ)上盡可能的涵蓋所有數(shù)控刀具，做到了分類清楚、全面，管理靈活、方便。
        
                    圖1：數(shù)控刀具的分類
  3、決策支持的方法與推理過程
    有了特征信息作為系統(tǒng)輸入，并建立了數(shù)控工的知識庫與資源庫，系統(tǒng)就具備了對數(shù)控加工工
藝設(shè)計決策過程進行輔助的基本條件，以下將論述本系統(tǒng)的構(gòu)成和整個推理過程。
  3.1.系統(tǒng)的構(gòu)成
    數(shù)控工藝決策模塊的構(gòu)成如圖2所示.圖中各個模塊的作用主要是根據(jù)工藝人員輸入的零件信息
         
                  圖2：數(shù)控工藝決策模塊構(gòu)成
配合數(shù)控加工工藝知識庫中數(shù)控加工工藝知識和數(shù)控資源庫的數(shù)控資源信息，利用一定的推理規(guī)則實
現(xiàn)零件數(shù)控加工工藝的決策支持，其中包括數(shù)控加工方法的選擇，確定夾具、刀具、數(shù)控加工參數(shù)以及數(shù)控加工設(shè)備。