鄭國磊，鄭祖杰，周 敏，陳樹林，王 勃，杜寶瑞

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110034）

作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的主要承力和保形構(gòu)件，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件多為難加工材料，且具有外形尺寸大、型面復(fù)雜、加工特征種類和數(shù)量多、材料去除量大、加工易變形和難控制等特點(diǎn)，普遍采用數(shù)控銑削等先進(jìn)加工方式加工。因此，數(shù)控加工編程是從三維零件模型到數(shù)控加工程序的全過程，是現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工準(zhǔn)備階段中的主要任務(wù)，數(shù)控程序質(zhì)量成為決定結(jié)構(gòu)件制造質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素。

在我國航空制造業(yè)內(nèi)，目前數(shù)控加工編程的主流方式是采用通用CAD/CAM系統(tǒng)軟件（如CATIA、UG與ProE等）中的基礎(chǔ)交互功能，依次指定加工特征、選取刀具和加工參數(shù)，并定義和生成相應(yīng)的“加工操作”，如此往復(fù)，直至完成結(jié)構(gòu)件所有加工特征的加工編程。其中，加工特征、刀具和加工參數(shù)的選取均依據(jù)工件的加工要求和條件及編程技術(shù)人員的工藝經(jīng)驗(yàn)來人工完成。加工操作是加工過程和數(shù)控程序的最小定義單元，它包含了所定義的加工特征（幾何）、刀具和工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，它是由CAD/CAM系統(tǒng)自動(dòng)生成的。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件通常含有少則數(shù)十、多則上百乃至數(shù)百個(gè)加工特征，對(duì)于每個(gè)特征均需要重復(fù)生成加工操作并定義刀具、加工策略及刀軌樣式等參數(shù)，故編程效率低下。而且，工藝員與編程技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)參差不齊，數(shù)控程序質(zhì)量難以保證。

針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件及其工藝特點(diǎn)，研究并開發(fā)自動(dòng)編程技術(shù)，是解決這些問題的一條有效途徑。本文綜合我國航空制造業(yè)的技術(shù)條件、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及作者多年來的研究實(shí)踐，重新思考和調(diào)整自動(dòng)編程技術(shù)的研究思路，并將工序計(jì)算作為數(shù)控加工自動(dòng)編程的核心技術(shù)。具體研究內(nèi)容包括：

（1）詳細(xì)闡述工序計(jì)算的具體內(nèi)涵；

（2）綜述國內(nèi)外的相關(guān)研究現(xiàn)狀；

（3）設(shè)想工序計(jì)算技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

工序計(jì)算的內(nèi)涵

采用CAD/CAM系統(tǒng)編制的數(shù)控加工程序，其結(jié)構(gòu)可用圖1直觀表示。其中，一個(gè)“零件”ρ，除了自身的三維幾何模型外，還包含了一個(gè)“工序件”表ρ(δi)（i=1～m，δi為第i個(gè)工序件，δ1和δm分別代表毛坯和零件）和一個(gè)“工序”表ξ(λi)（i=1～m-1），其中λi為第i道“工序”，代表著將工序件δi按設(shè)定的“工位”安裝在所選擇的“機(jī)床”上并加工成工序件δi+1。在一個(gè)“工序”λ中，除了“機(jī)床”和“工位”信息外，其主要數(shù)據(jù)是一個(gè)“工步”表λΩλ,T(τi)（i=1～l），其中τi為第i個(gè)工步，Ωλ為工序待去除的材料域，T為工序執(zhí)行中先后使用的一組刀具。一個(gè)“工步”τ使用一把“刀具”，并執(zhí)行一系列最基本的“加工操作”，表示為τ(oi)，其中oi(i=1～k)為第i個(gè)加工操作。一個(gè)“加工操作”o包含“加工方法（m）”、“幾何數(shù)據(jù)（G）”、“加工參數(shù)（P）”和“加工余量（Δ）”等數(shù)據(jù)，即o(m,G,P,Δ)，這是定義和構(gòu)成數(shù)控加工程序的最小單元。

圖1中，除了零件的三維模型是由上游產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門提供外，其他所有的加工過程、方法、工藝參數(shù)和幾何數(shù)據(jù)等均需要由自動(dòng)編程系統(tǒng)自動(dòng)選取和計(jì)算，將這些選取和計(jì)算統(tǒng)稱為工序計(jì)算。工序計(jì)算模型如圖2所示。其中，在“加工方案規(guī)劃”中，“工序件設(shè)計(jì)”是關(guān)鍵和難點(diǎn)，即根據(jù)零件加工的工位安排，先后定義和建立除了零件外的其他所有工序件（包括毛坯的三維幾何模型）。對(duì)于每個(gè)工位，除了配備必要的機(jī)床、刀具、切削參數(shù)、工藝知識(shí)和材料庫外，加工前后兩工序件的三維模型是該工位工序計(jì)算的最主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！肮ば蛴蛴?jì)算”即是根據(jù)工位前后工序件的三維幾何模型，計(jì)算該工位工序待去除的材料域，簡稱工序域，即上文的Ωλ，并用最基本的切削體單元（簡稱工域元）及其關(guān)系來定義和表示，工序域計(jì)算的核心和關(guān)鍵是工域元的計(jì)算。工位的“工序計(jì)算”分為工域元工序計(jì)算和工域元工序間協(xié)調(diào)兩個(gè)階段：在工域元工序計(jì)算中，依據(jù)工藝知識(shí)中所定義和規(guī)定的工域元幾何特性、加工策略和選刀條件，先后完成各個(gè)工域元的幾何特性計(jì)算和分析、加工幾何單元（簡稱工藝元）規(guī)劃、定義和計(jì)算以及先后加工所需刀具選取等，其中工藝元計(jì)算和刀具選取交錯(cuò)進(jìn)行。在工域元工序間協(xié)調(diào)過程中，以工域元工序?yàn)榛A(chǔ)，通過共用和微調(diào)它們中的刀具以及根據(jù)它們各刀具所加工的工藝元的空間位置關(guān)系，來確定整個(gè)工序域的刀具組，并在此基礎(chǔ)上定義和建立整個(gè)工序域的工步序列?！肮げ絻?yōu)化”分為“工藝元加工順序優(yōu)化”和“切削參數(shù)選取優(yōu)化”兩步驟，前者通過重新調(diào)整工步中各個(gè)工藝元的先后加工順序來實(shí)現(xiàn)空走刀路線最短的主要目標(biāo)，后者則是在綜合考慮機(jī)床功效、工件材料性能和加工精度等條件下，以加工效率最高和刀具壽命較長為目標(biāo)，來確定和優(yōu)化各個(gè)工藝元的切削參數(shù)，以及通過適當(dāng)微調(diào)來“平順”相鄰工藝元間的加工參數(shù)。

圖1 數(shù)控加工程序Fig.1 NC machining program

圖2 工序計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of machining process

傳統(tǒng)工序是用于指導(dǎo)工人現(xiàn)場加工操作的步驟和過程，執(zhí)行中所需的大量工藝常識(shí)、尺寸數(shù)據(jù)等細(xì)節(jié)均依靠工人的工作經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場確定。但是，支持?jǐn)?shù)控加工自動(dòng)生成的工序，其內(nèi)容較傳統(tǒng)工序要詳細(xì)和豐富得多，它明確定義和包含了加工中所需的所有幾何數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、加工方法和過程。因此，數(shù)控加工自動(dòng)編程技術(shù)的核心和難點(diǎn)就是工序計(jì)算，這種認(rèn)知有別于當(dāng)今在此領(lǐng)域相關(guān)研究的理念。

工序計(jì)算技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外在工序計(jì)算相關(guān)技術(shù)的研究主要集中在工序件建模、加工特征識(shí)別、刀具選取和刀軌規(guī)劃與路徑優(yōu)化等諸多方面，下面簡要介紹這些技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

（1）工序件建模。

工序件三維模型是數(shù)控加工自動(dòng)編程的中間數(shù)據(jù)，其建模效率和質(zhì)量對(duì)編程效率和質(zhì)量有直接影響。目前，工序件三維模型主要是通過人工交互操作CAD系統(tǒng)中的“零件設(shè)計(jì)”功能來定義和創(chuàng)建的。但是，這種建模方式不僅效率低，而且在建模過程中因無法準(zhǔn)確預(yù)估和定義加工余量及其分布，會(huì)導(dǎo)致加工過程中的空走刀與撞刀現(xiàn)象[1-2]。

工序件自動(dòng)建模技術(shù)是解決這些問題的有效途徑，目前的方法可歸結(jié)為“正向減材法”和“反向增材法”兩大類。其中，正向減材法是指由毛坯模型出發(fā)，通過計(jì)算各工序中刀具所去除的材料域（切削體），并對(duì)前工序模型/毛坯模型與切削體進(jìn)行布爾差運(yùn)算獲得當(dāng)前工序模型；反向增材法是指從零件設(shè)計(jì)模型出發(fā)，根據(jù)工藝流程的逆過程反推計(jì)算各工序的切削體，并對(duì)后工序模型/產(chǎn)品零件與切削體進(jìn)行布爾并運(yùn)算，獲得當(dāng)前工序模型。無論是減材法或增材法，切削體的定義與構(gòu)建是關(guān)鍵，直接影響布爾運(yùn)算的結(jié)果。目前，大多數(shù)研究主要集中在如何快速精確地構(gòu)建切削體方面。文獻(xiàn)[3-4]分別通過構(gòu)建刀具運(yùn)動(dòng)過程的掃掠體與典型特征元來實(shí)例化切削體。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)特征的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了深入分析研究，提出了若干過渡特征、相交特征的抑制簡化方法，降低了等距偏置法[8]的復(fù)雜度，有效提高了切削體的建模質(zhì)量。

（2）加工特征識(shí)別。

加工特征識(shí)別是從零件模型自動(dòng)提取特征的過程，旨在確定數(shù)控加工編程過程中的待加工區(qū)域，為數(shù)控加工工藝自動(dòng)決策奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者提出大量技術(shù)方法，具有代表性的包括基于圖、基于痕跡、基于體分解、基于加工資源與混合式識(shí)別等經(jīng)典方法[9-10]。其中，基于圖的識(shí)別方法是通過構(gòu)建零件模型的屬性鄰接圖，與預(yù)定義的特征模式進(jìn)行匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特征的識(shí)別[11]。復(fù)雜特征難以通過固定特征模式表達(dá)，因此該方法的局限性在于難以準(zhǔn)確識(shí)別相交特征。

近年來的研究重點(diǎn)主要在于提高特征匹配效率與相交特征識(shí)別兩個(gè)方面。國內(nèi)研究人員提出采用啟發(fā)式算法[12]、圖等效分解法[13-15]將屬性鄰接圖拆分為若干子圖，通過遍歷子圖識(shí)別預(yù)定義的特征，有效降低了特征匹配算法的時(shí)間復(fù)雜度。Li等[16]提出特征種子面的概念，基于此擴(kuò)展屬性鄰接圖的節(jié)點(diǎn)與鄰接邊屬性，有效識(shí)別飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常見的曲面特征與相交特征?；诤圹E的識(shí)別方法是通過分析特征實(shí)例在實(shí)際模型中所殘留的幾何、拓?fù)渑c公差等設(shè)計(jì)特征信息，引入不確定性推理方法識(shí)別加工特征[17-19]。相比于基于圖的識(shí)別方法，該方法能夠有效識(shí)別交叉特征[20]，但對(duì)于不同的特征其痕跡的定義及推理方法均不同，方法的通用性較差?；诹Ⅲw分解的特征識(shí)別方法將零件的切削體分解為小的凸體集合，然后對(duì)分解出的凸體按照預(yù)先定義的特征體模式進(jìn)行重新組合，產(chǎn)生出特征的零件解釋[21]。此類識(shí)別方法不依賴于具有固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征模式，能夠較好地處理相交特征的自動(dòng)識(shí)別[22]。但是該方法主要是通過數(shù)學(xué)算法對(duì)待去除的材料區(qū)域進(jìn)行體積分解，幾乎沒有考慮特征對(duì)應(yīng)的加工方法，同時(shí)立體分解組合過程中需要大量的求交運(yùn)算，因此識(shí)別效率較低?；诩庸べY源的識(shí)別方法最早由Gaines[23]提出，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。該方法確保所識(shí)別特征具有可加工性且不存在多重特征解釋[24-25]。類似的，Yu等[26]基于分層加工思想提出了廣義槽特征的概念。她將同工位下同一縱向分層區(qū)域的加工區(qū)域定義為廣義槽特征，并且將閉角、內(nèi)陷、筋條等典型特征為廣義槽特征的附屬特征，從而將加工特征識(shí)別轉(zhuǎn)化為分層廣義槽特征構(gòu)建與附屬特征提取過程。目前，這項(xiàng)技術(shù)已在沈飛的實(shí)際生產(chǎn)中得到良好的應(yīng)用，但是對(duì)于需要雙面加工壁板和其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，現(xiàn)有技術(shù)仍不能直接應(yīng)用。

（3）刀具選取。

刀具自動(dòng)選取是數(shù)控加工工藝方案自動(dòng)規(guī)劃的重要內(nèi)容，刀具選取的合理與否將直接影響結(jié)構(gòu)件加工成本。在數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展初期，為避免過切，通常采用一把小刀具進(jìn)行加工。

隨著現(xiàn)代機(jī)床自動(dòng)換刀技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)制造企業(yè)通常采用多把刀具組合加工來提高大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工效率[27]。刀具組合加工策略的技術(shù)難點(diǎn)在于如何確定最優(yōu)刀具數(shù)量及刀具參數(shù)。文獻(xiàn)[28-29]指出采用兩把刀加工策略，但是方法不具通用性，仍難以保證最大切削效率?，F(xiàn)有刀具自動(dòng)選取方法總體思路是：首先，對(duì)特征輪廓進(jìn)行分析，采用Voronoi圖[30-31]、模擬滾圓法[32]、中軸變換圓[33]與最小通道法[34]等方法計(jì)算待加工區(qū)域的關(guān)鍵幾何特性；然后根據(jù)最小瓶頸距離、最小圓角半徑等參數(shù)從刀具庫中初步篩選可行刀具集合；最后，建立路徑長度和刀具加工時(shí)間計(jì)算模型[35-37]，以最小加工成本、最少換刀次數(shù)等為優(yōu)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)最佳刀具組合的快速選擇。同時(shí)，文獻(xiàn)引入啟發(fā)式算法提出刀具組合排斥性的判斷方法，有效減小優(yōu)化模型的解空間，從而提高算法效率。綜上可知，目前國內(nèi)的研究學(xué)者主要針對(duì)單個(gè)特征對(duì)象（如槽腔與腹板等）特征進(jìn)行刀具的優(yōu)化選取。而對(duì)于諸如飛機(jī)壁板等具有少則十多個(gè)、多則數(shù)十乃至數(shù)百個(gè)槽的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，若依次獨(dú)立地對(duì)各特征進(jìn)行刀具的優(yōu)化選取將導(dǎo)致刀具數(shù)量眾多與刀具選取效率低下等問題。因此，大型結(jié)構(gòu)件加工刀具的快速優(yōu)化選取將是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。同時(shí)，有關(guān)選刀所需的工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)均融合在算法中，工藝知識(shí)更新將導(dǎo)致這些算法的再研究和設(shè)計(jì)，因而目前的技術(shù)不具通用性和靈活性。

（4）刀軌規(guī)劃。

三軸數(shù)控加工通過控制刀具平動(dòng)來完成零件的加工，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中的粗加工階段與腹板以及側(cè)壁加工階段通常采用三軸方式加工。對(duì)于三軸數(shù)控加工，經(jīng)典的刀具路徑軌跡規(guī)劃方法有等距偏置法、截平面法、等殘留高度法與等參數(shù)線法等方法。然而，基于這些方法生成的傳統(tǒng)行切、環(huán)切路徑軌跡可能存在尖角和加工方向的突變等一階不連續(xù)的情況，導(dǎo)致生成的刀具軌跡無法直接應(yīng)用于高速銑削。Yao等[38]提出一種新的組合螺旋刀軌生成算法，該算法以槽的中軸線上兩個(gè)分支間的線段或圓弧作為螺旋刀軌的中心，對(duì)轉(zhuǎn)角的殘留再采用沿著邊界的環(huán)切方法去除，最后再拼接各螺旋刀軌和環(huán)切刀軌。國內(nèi)學(xué)者在該方面也作了大量研究，針對(duì)含孤島型腔提出螺旋刀軌的生成方法[39-41]，有效提高加工效率并改善切削條件。

五軸數(shù)控加工在三軸基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，使得刀軸姿態(tài)更加靈活可控。通過調(diào)整刀軸矢量不僅可以避免刀具與工件及夾具等的干涉，也使刀具和工件曲面之間能夠獲得更好的幾何匹配，有利于增大加工帶寬并提高實(shí)際加工效率。因此，五軸數(shù)控加工的刀具路徑軌跡規(guī)劃時(shí)，需要在保證無干涉前提下，通過調(diào)整刀軸方向來擴(kuò)大刀具有效切削面積、改善工藝條件[42]。

現(xiàn)有的刀具刀軸矢量規(guī)劃方法可以歸為兩大類：先生成后調(diào)整和基于刀具可達(dá)空間的方法。其中，先生成后調(diào)整的思路是首先生成刀具軌跡，然后進(jìn)行干涉判斷[43]與刀位矢量調(diào)整，因此該類方法的研究重點(diǎn)在于如何提高干涉檢查效率[44-45]；基于刀具可達(dá)空間的刀軸矢量規(guī)劃方法是直接在刀具可達(dá)空間中生成無干涉刀具路徑。首先，在離散的刀觸點(diǎn)處采用C空間法[46-47]、可視錐法[48-49]等方法計(jì)算可達(dá)方向錐；然后，在可達(dá)方向中規(guī)劃刀具路徑。因此，該方法的優(yōu)點(diǎn)是避免對(duì)刀具路徑進(jìn)行反復(fù)的調(diào)整和檢測，能夠直接生成無干涉的刀具軌跡路徑，有效提高算法效率與可靠性。

（5）路徑優(yōu)化。

刀具軌跡路徑優(yōu)化旨在優(yōu)化加工順序，減少數(shù)控加工過程中的空走刀行程，從而提高大型復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工效率。路徑優(yōu)化屬于組合優(yōu)化問題，典型的優(yōu)化方法可分為兩類：傳統(tǒng)啟發(fā)式方法與現(xiàn)代啟發(fā)式方法。傳統(tǒng)啟發(fā)式方法主要有：基于規(guī)則推理、A*算法及狀態(tài)空間搜索等。為了提高路徑優(yōu)化的效率并獲取近似最優(yōu)化的加工順序，國內(nèi)外學(xué)者引入現(xiàn)代啟發(fā)式方法優(yōu)化飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工順序?，F(xiàn)代啟發(fā)式方法主要包含：遺傳算法、模擬退火、蟻群算法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。近年來，這類方法應(yīng)用在加工操作排序上較多，取得了不少研究成果，其中，遺傳算法應(yīng)用最為廣泛。1996年，Kamhawi等[50]就提出采用遺傳算法解決加工排序問題，但是其未考慮加工特征父子加工順序問題，如子特征的加工需要先加工父特征。為了解決這個(gè)問題，Reddy等[51]進(jìn)行了算法的補(bǔ)充，Qiao等[52]綜合考慮特征加工操作序列選取及加工操作排序，采用遺傳算法解決2.5軸零件加工操作排序問題。另外，Krishna與Xu等分別采用蟻群算法、模擬退火算法解決加工排序問題[53-54]，有效提高了飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工效率。

工序計(jì)算技術(shù)發(fā)展趨勢

以當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合工序計(jì)算新思路，工域元和工藝知識(shí)計(jì)算、工序在線計(jì)算將成為近期數(shù)控加工自動(dòng)編程技術(shù)研究的重點(diǎn)，并將為未來實(shí)現(xiàn)零件“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)加工”奠定關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。

（1）加工域及加工對(duì)象單元計(jì)算。

從前面的介紹中可見，目前所定義的加工特征通常并不能用于準(zhǔn)確定義和表達(dá)工件上待去除材料域（下面統(tǒng)稱為加工域），如圖3（c）所示，將它作為加工對(duì)象單元，不符合零件的一般加工思路。加工域的最基本構(gòu)成單元應(yīng)該是工域元，如圖3（d）所示，加工操作中幾何數(shù)據(jù)所定義的幾何對(duì)象（簡稱操作元）才是真正意義上的加工對(duì)象單元。工域元并不能直接用于定義操作元，其中還需要所謂的“工藝元”這一中間單元。工域元、工藝元和操作元的幾何意義及其之間的關(guān)系如圖4所示。根據(jù)這些新認(rèn)識(shí)和新定義，工域元、工藝元和操作元等計(jì)算方法將取代此前的加工特征識(shí)別技術(shù)，這些方法將成為未來自動(dòng)編程技術(shù)中的關(guān)鍵組成。在工域元計(jì)算中，將主要考慮加工域的空間連通性及界面幾何特點(diǎn)，如圖3（d）為圖3（c）的兩個(gè)工域元。一個(gè)工位上加工前后兩個(gè)工件的三維模型是該工位第1個(gè)工步中各工域元計(jì)算的基礎(chǔ)，后續(xù)工步的工域元?jiǎng)t是其前面一或多個(gè)工步加工殘留工域元或是多個(gè)相鄰殘留工域元合并而成的。在工藝元計(jì)算中，除了工域元幾何特性外，還要綜合衡量工藝條件、機(jī)床和刀具能力、工件材料性能和加工要求等多種因素，而且需要獲得工藝知識(shí)計(jì)算技術(shù)和多種加工資源的支持。操作元計(jì)算方法則主要是建立在工藝元幾何特性和刀具尺寸參數(shù)的基礎(chǔ)之上。據(jù)此可見，工藝元計(jì)算是工域元、工藝元和操作元3者計(jì)算中最為靈活的，因而也是最難實(shí)現(xiàn)的。

（2）工藝知識(shí)計(jì)算及管理。

目前，對(duì)工藝知識(shí)的應(yīng)用方法是，根據(jù)工序計(jì)算中的專門需要，人工確定知識(shí)范圍，理解和量化表示知識(shí)工程意義，將量化結(jié)果嵌入到工藝性分析、刀具、加工參數(shù)選取和加工路線規(guī)劃等一系列專用算法中。知識(shí)缺乏系統(tǒng)性組織和結(jié)構(gòu)化管理，不具備統(tǒng)一和通用的工藝知識(shí)計(jì)算方法及工藝知識(shí)的自行更新和積累能力。當(dāng)工藝知識(shí)更新時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)和開發(fā)這些專門算法，開發(fā)和維護(hù)成本高。

為了從根本上解決這些問題，有必要研究和建立通用的工藝知識(shí)計(jì)算技術(shù)，其中重點(diǎn)是定義和建立工藝知識(shí)的形式化、結(jié)構(gòu)化表示模型、類人腦組織和存儲(chǔ)模式以及工藝知識(shí)工程意義分析與解析算法等。由于工藝知識(shí)融合了工程領(lǐng)域中常見的圖表查詢、形體表達(dá)與認(rèn)知、復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算等多種復(fù)雜形態(tài)的知識(shí)，而這些形態(tài)的知識(shí)在當(dāng)前的人工智能和知識(shí)工程研究中尚未提供有效的表達(dá)、管理和處理技術(shù)，有必要在本領(lǐng)域研究中開展專門的研究。

在工藝知識(shí)管理方面，目前仍以借鑒并采用數(shù)據(jù)庫管理方法為主，知識(shí)的組織與管理結(jié)構(gòu)均是靜態(tài)的，不能根據(jù)知識(shí)的使用頻度靈活調(diào)整其物理存儲(chǔ)位置，以提高常用知識(shí)的讀取響應(yīng)速度。后續(xù)有必要利用成熟的“數(shù)字腦”技術(shù)，設(shè)計(jì)和構(gòu)建工藝知識(shí)的動(dòng)態(tài)物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，使知識(shí)的組織和存儲(chǔ)最為合理，讀取最有效，同時(shí)便于知識(shí)的自行更新。

（3）工序在線計(jì)算及加工參數(shù)自調(diào)適。

目前的工序計(jì)算是以理論定義的加工坐標(biāo)系和工件三維模型為基礎(chǔ)，但在實(shí)際加工中這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一定存在偏差，計(jì)算結(jié)果、尤其是后續(xù)工序和工步中的數(shù)據(jù)一定存在誤差，并最終影響零件的加工精度。未來將通過安裝在加工系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來獲得當(dāng)前工件的實(shí)際形狀及其裝夾方位，并以此為基礎(chǔ)來計(jì)算加工坐標(biāo)系和加工域，其結(jié)果將更能準(zhǔn)確地定義當(dāng)前工件的加工數(shù)據(jù)，消除工件此前的加工誤差積累及當(dāng)前定位誤差對(duì)工件加工精度所造成的影響。

圖3 工域元的計(jì)算流程Fig.3 Calculation flow of machining region cell

圖4 工域元、工藝元及操作元關(guān)系Fig.4 Relationship of machining region cell, machining process cell and operation cell

另外，目前在工件的加工全過程中，機(jī)床和刀具等均按程序中所設(shè)定的參數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)，并始終保持不變。但是，由于飛機(jī)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜和材料性能不均勻，加工余量的理論計(jì)算與實(shí)際間存在偏差，刀具的加工壽命和實(shí)際磨損難以準(zhǔn)確預(yù)測，編程中所選取的加工參數(shù)難以達(dá)到最合理的程度。未來將通過加工系統(tǒng)中的各種傳感器，實(shí)時(shí)感知和采集當(dāng)前機(jī)床工作狀況及刀具外部載荷、磨損和溫度等參數(shù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，分析和提取機(jī)床和刀具工況的局部特征和全局趨勢參數(shù)，并據(jù)此實(shí)時(shí)判斷和調(diào)試相關(guān)的加工參數(shù)，以確保機(jī)床始終處于最佳的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)和較高的輸出功率，控制刀具磨損，實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)毒吣p等帶來的加工誤差，并使零件制造達(dá)到最精確的程度。

（4）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)加工方式。

目前的數(shù)控加工系統(tǒng)可接受的輸入文件是數(shù)控加工程序，由輸入的數(shù)控加工程序來控制機(jī)床與刀具等工藝資源完成工件的加工過程。隨著工藝知識(shí)計(jì)算和工序在線計(jì)算技術(shù)的研究和應(yīng)用、以及自動(dòng)編程系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，可將自動(dòng)編程系統(tǒng)直接與數(shù)控系統(tǒng)集成，以形成全新的數(shù)控加工系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)將不限于數(shù)控加工程序，而可能是工件的精確三維幾何模型數(shù)據(jù)?；诖思夹g(shù)，未來在零件數(shù)控加工準(zhǔn)備階段不再需要編程，從而實(shí)現(xiàn)零件的“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”加工目標(biāo)。

結(jié)束語

結(jié)合研究實(shí)踐得出，工序計(jì)算將是自動(dòng)編程技術(shù)的核心，而操作元計(jì)算是工序計(jì)算實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵技術(shù)。在分析現(xiàn)有相關(guān)研究現(xiàn)狀及其存在問題的基礎(chǔ)上，推測了未來的自動(dòng)編程是以加工域?yàn)閷?duì)象，以工序和工藝知識(shí)計(jì)算為技術(shù)支持，從而實(shí)現(xiàn)“加工路線及參數(shù)自調(diào)適”和“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”等的發(fā)展趨勢和研究重點(diǎn)。我們正在按照這些新思路和發(fā)展方向，調(diào)整在此之前的研究重點(diǎn)，以期在最短時(shí)間內(nèi)完成新研究目標(biāo)。

當(dāng)前，這樣的調(diào)整也并非易事，工域元、工藝元和操作元計(jì)算完全不同于之前的加工特征識(shí)別，可供借鑒的技術(shù)方法不多，需要開展全新的研究。此外，工藝知識(shí)同時(shí)包含符號(hào)、數(shù)學(xué)、圖表和幾何形體等多種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的知識(shí)，目前的知識(shí)工程和人工智能的研究成果不完全適用于工藝知識(shí)計(jì)算，也需要開展專門的研究。這些研究均是自動(dòng)編程研究中的基礎(chǔ)性工作，有待盡快取得研究成果。

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