于 航，楊秀才，崔萬(wàn)瑞，王 靜

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

（長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所, 長(zhǎng)春 130012）

0 引言

工藝過(guò)程優(yōu)化包括數(shù)控程序優(yōu)化、工藝方案優(yōu)化和工藝參數(shù)優(yōu)化等內(nèi)容。將快速工藝優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件加工中，能夠克服零件加工工藝準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、數(shù)控加工效率低等問(wèn)題。提高設(shè)備利用率，獲取最大生產(chǎn)率，增強(qiáng)企業(yè)的快速響應(yīng)能力。

從制造特征的角度出發(fā)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋零件的加工工藝知識(shí)進(jìn)行分析分解，通過(guò)針對(duì)零件特征制造方位面的特征比較，應(yīng)用制造特征與加工工藝元映射和匹配性算法工藝路線優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)行工藝方案設(shè)計(jì)，縮短工藝設(shè)計(jì)周期。

1 工藝知識(shí)庫(kù)知識(shí)獲取及快速工藝設(shè)計(jì)與重構(gòu)技術(shù)

基于實(shí)例的加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作流程是輸入待解決的問(wèn)題的內(nèi)容、初始條件及其他相關(guān)信息；檢索和提取實(shí)例，根據(jù)問(wèn)題的要求、初始條件，從實(shí)例庫(kù)中提取一個(gè)與當(dāng)前問(wèn)題相似的實(shí)例；評(píng)價(jià)與修改實(shí)例，從實(shí)例中找出最相似的實(shí)例，形成目標(biāo)問(wèn)題的解決方案，經(jīng)修改后滿足設(shè)計(jì)要求；存儲(chǔ)實(shí)例，問(wèn)題解決后，將形成的工藝作為新的實(shí)例存入工藝知識(shí)庫(kù)中。其中基于實(shí)例的工藝設(shè)計(jì)與重構(gòu)系統(tǒng)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(jù)制造特征進(jìn)行工藝決策可以確定制造特征的加工工序。每個(gè)特征最終的表面是需要經(jīng)一系列加工才能成形，它對(duì)應(yīng)著一組加工鏈，稱(chēng)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?fù)鋵?shí)體），并能滿足其技術(shù)要求的工序集。在不同的加工環(huán)境下每個(gè)特征對(duì)應(yīng)著不同的加工方法，當(dāng)制造環(huán)境確定時(shí)，具體的加工方法也就確定下來(lái)。一個(gè)特征工藝段是由若干個(gè)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(shù)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(huán)境等眾多因素綜合決定的。

從制造角度上看，每一個(gè)制造特征MFi都對(duì)應(yīng)著一個(gè)或多個(gè)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(shè)：fp={P1,P2，…}。制造特征MF與特征工藝段fp存在著映射關(guān)系，記為如下映射函數(shù)：

MFi→ fpi=φp(MFi)

其中φp為工藝映射函數(shù)。

在工藝設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)制造特征之間的相互關(guān)系確定各個(gè)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(guān)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(guān)聯(lián)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(shí)，關(guān)聯(lián)特征確定了特征的先后加工次序。而平行特征使系統(tǒng)產(chǎn)生了多重加工路線看，可通過(guò)工藝路線優(yōu)化來(lái)找出最優(yōu)方案，所以可通過(guò)特征關(guān)系的分析，確定所有特征的先后加工順序。

圖1 基于實(shí)例的工藝設(shè)計(jì)與重構(gòu)系統(tǒng)工作流程圖

制造特征工藝段的獲取，主要是通過(guò)對(duì)新零件特征的幾何信息、工藝信息和實(shí)例零件的特征幾何信息、工藝信息進(jìn)行比較，并通過(guò)對(duì)實(shí)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(shí)例零件沒(méi)有的特征工藝段，通過(guò)添加特征工藝段獲?。?/p>

2）實(shí)例零件有新零件沒(méi)有的特征工藝段，通過(guò)刪除實(shí)例特征工藝段實(shí)現(xiàn)；

3）實(shí)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(guò)更改實(shí)例特征工藝段獲取。

工藝優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)用快速工藝設(shè)計(jì)與重構(gòu)技術(shù)完成新零件與典型工藝實(shí)例進(jìn)行比較。提取新零件與典型零件特征信息，如圖2所示。

根據(jù)實(shí)例特征的工藝信息進(jìn)行修改，完成新零件特征的工藝信息。如圖3所示。

2 工藝過(guò)程優(yōu)化及優(yōu)化算法

在制定零件加工工藝路線時(shí),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(jì)算和判斷的工藝路線優(yōu)化技術(shù),以提高數(shù)控設(shè)備的利用率，減少加工成本,提高加工精度。

圖3 實(shí)例特征的工藝信息

2.1 加工一般原則

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋零件的特點(diǎn)，工藝準(zhǔn)備優(yōu)化系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的加工規(guī)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(jìn)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(zhuǎn)位：考慮到大型箱體類(lèi)零件的特殊性，基本上應(yīng)遵循先將某方位面上的所有特征加工完畢，再進(jìn)行轉(zhuǎn)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(chēng)為相同工步組。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋零件的實(shí)際情況和數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，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(chēng)為一個(gè)相同工步組。在加工過(guò)程中，我們將每一個(gè)面的特征對(duì)應(yīng)的工步信息，按照刀具的類(lèi)型幾大小利用堆排序的方法，快速的進(jìn)行相同工步組的合并。

2.3 基于廣度優(yōu)先圖搜索與回溯相結(jié)合的工藝路線優(yōu)化算法

完成相同工步組的合并后，要進(jìn)行相應(yīng)工步組內(nèi)的工藝路線的決策。由于機(jī)體零件的龐大性和繁瑣性及數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)，對(duì)其內(nèi)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(shí)間。在機(jī)床的加工過(guò)程中應(yīng)盡量減少整個(gè)加工過(guò)程的走刀路程，即完成整個(gè)過(guò)程的最短路徑的決策。從而，我們將相同工步組內(nèi)的各個(gè)孔可以看做一個(gè)強(qiáng)連通圖的拓樸結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

最短路徑的決策可以利用模糊搜索、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、深度優(yōu)先算法、廣度優(yōu)先算法、遺傳算法和啟發(fā)式搜索等，但模糊搜索、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、深度優(yōu)先算法、廣度優(yōu)先算法、遺傳算法的算法復(fù)雜度較高，另外啟發(fā)式搜索的估價(jià)函數(shù)比較難于確定；深度優(yōu)先算法導(dǎo)致局部最優(yōu)解；廣度優(yōu)先算法導(dǎo)致全局最優(yōu)解；因此，我們采用了廣度優(yōu)先圖搜索技術(shù)與回溯搜索技術(shù)相結(jié)合的方法；即側(cè)重于廣度優(yōu)先的回溯算法。

廣度優(yōu)先的回溯算法：在相同工步組內(nèi)，圖的最短路徑搜索為了加速圖的搜索速度，進(jìn)行對(duì)搜索空間的限定來(lái)減少搜索空間的范圍。便有條件把搜索集中到會(huì)帶來(lái)更大效果的其他路徑上, 這就是中止對(duì)效益不大的一些子樹(shù)的搜索，以提高搜索效率。同時(shí)為了能使解的有效性，當(dāng)搜索完整個(gè)圖時(shí)，進(jìn)行比較是否有未進(jìn)行的有效路徑，回溯到新的起點(diǎn)進(jìn)行新的搜索，直到搜索完所有的有效路徑，從搜索結(jié)果中選擇最優(yōu)解路徑。

搜索算法描述：

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

2）選取從 S0 到 ts的最優(yōu)代價(jià)點(diǎn) s’， 判斷ts內(nèi)是否有點(diǎn)s”到S0的代價(jià)等于S0到s’ 的代價(jià)，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(jìn)行出棧，ts=s2’。tw=s1’，S0＝S0’ ；goto step2。

5）在st2棧中搜索最優(yōu)解Q，則Q為所求的解路徑。

3 結(jié)論

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋零件的數(shù)控加工成熟的工藝技術(shù)，以特征作為工藝實(shí)例, 通過(guò)特征的映射技術(shù)，基于工藝實(shí)例優(yōu)化算法,解決了具有復(fù)雜特征的工藝實(shí)例相似檢索問(wèn)題。采用分層遞階思想組織實(shí)例庫(kù), 實(shí)施三級(jí)匹配策略, 最終得出相似實(shí)例, 優(yōu)化了設(shè)計(jì)手段。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到企業(yè)，能較好地解決企業(yè)工藝知識(shí)的缺乏和獲取困難的問(wèn)題，實(shí)例庫(kù)在使用中不斷豐富,工藝路線不斷得到優(yōu)化。

[1]王先逵. 計(jì)算機(jī)輔助制造.清華大學(xué)出版社.

[2]蒯曉俊. 發(fā)動(dòng)機(jī)制造快速工藝準(zhǔn)備與工藝過(guò)程優(yōu)化技術(shù)總結(jié). 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五五研究所.

[3]王恩德. Visual C++. NET程序設(shè)計(jì)教程.清華大學(xué)出版社.

[4]馮華. Visual C++數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技巧與實(shí)例. 機(jī)械工業(yè)出版社.