崔 成，黃 瑞，蔣俊鋒，陳正鳴

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

隨著以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design, CAD)/計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)等為代表的先進(jìn)制造技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，所產(chǎn)生的三維CAD模型及其關(guān)聯(lián)的數(shù)控工藝數(shù)據(jù)(由CAM系統(tǒng)生成的程編文件，如CATIA的.CATProces文件、UG的.prt文件等，簡(jiǎn)稱(chēng)工藝數(shù)據(jù))呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，其凝聚了工藝設(shè)計(jì)人員的工藝設(shè)計(jì)成果、智慧和經(jīng)驗(yàn)[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，80%左右的設(shè)計(jì)可通過(guò)直接重用或適當(dāng)修改已有設(shè)計(jì)得到，這一特點(diǎn)同樣存在于產(chǎn)品的數(shù)控工藝設(shè)計(jì)階段[3]。然而，由于工藝數(shù)據(jù)為非結(jié)構(gòu)化，目前主要隱式存于企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，需要設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行工藝數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化表征，如何分析、挖掘和重用工藝數(shù)據(jù)中隱含的工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)其多層次結(jié)構(gòu)化表征，成為工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題[4]。

工藝數(shù)據(jù)蘊(yùn)含高附加值的工藝知識(shí)，近年來(lái)受到越來(lái)越多科研人員的關(guān)注和研究，由此提出三維CAD模型多粒度相似性評(píng)價(jià)方法及其關(guān)聯(lián)的CAM模型重用原理，并取得了豐富的研究成果[5-9]。目前，已有方法主要根據(jù)加工特征構(gòu)建三維CAD模型與CAM模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行描述[10-14]。然而這些方法對(duì)工藝數(shù)據(jù)的描述通常只針對(duì)工藝的某個(gè)層面發(fā)現(xiàn)和表示相關(guān)工藝知識(shí)，未對(duì)零件完整的工藝過(guò)程進(jìn)行表示，導(dǎo)致工藝知識(shí)通常孤立存在，事實(shí)上，不同層面的工藝知識(shí)之間存在密切關(guān)聯(lián)，需要對(duì)不同層次(包括宏觀與微觀)工藝知識(shí)進(jìn)行統(tǒng)一建模。為了實(shí)現(xiàn)融合工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征，需要解決如下關(guān)鍵問(wèn)題：①揭示工藝數(shù)據(jù)中三維CAD模型與CAM模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的多層次結(jié)構(gòu)化表征；②準(zhǔn)確提取工藝數(shù)據(jù)內(nèi)嵌的不同粒度工藝設(shè)計(jì)意圖，以支持宏觀和微觀工藝過(guò)程的生成。

為解決上述問(wèn)題，本文針對(duì)三軸數(shù)控銑削加工零件，提出融合工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征方法。首先，提出以工藝設(shè)計(jì)意圖為核心、體現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的多層次結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝模型；其次，通過(guò)計(jì)算刀位線(xiàn)段在子加工區(qū)域加工面上的投影，揭示子加工區(qū)域與加工操作之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而揭示三維CAD模型與CAM模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；然后，以多層次結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝模型為引導(dǎo)，通過(guò)遍歷CAM模型的每個(gè)加工操作，構(gòu)建加工階段與加工對(duì)象的配對(duì)關(guān)系，進(jìn)而捕獲加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖；最后，依序?qū)ο嗤に囋O(shè)計(jì)意圖的加工操作自底向上分類(lèi)，提取零件的宏觀—微觀工藝過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的多層次結(jié)構(gòu)化表征。

1 相關(guān)研究

近年來(lái)，工藝數(shù)據(jù)應(yīng)用一直是數(shù)控工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有大量學(xué)者致力于該類(lèi)研究，并取得了豐碩的成果[15]。本文綜述的相關(guān)研究主要涉及數(shù)控工藝設(shè)計(jì)中的工藝數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)控加工工藝重用等技術(shù)，下面分別對(duì)相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述。

1.1 數(shù)控工藝設(shè)計(jì)中的工藝數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過(guò)檢索工藝數(shù)據(jù)和修訂已有相似工藝方案，可快速生成待制零件的數(shù)控加工工藝規(guī)劃方案，工藝數(shù)據(jù)已經(jīng)成為突破工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)智能化發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵[15]。工藝數(shù)據(jù)表征主要包括兩個(gè)層次：①宏觀層，即零件加工幾何的工位/工序/工步規(guī)劃；②微觀層，即工步關(guān)聯(lián)幾何的刀具選擇與加工操作優(yōu)化排序等。然而，已有研究成果主要集中于工藝設(shè)計(jì)的局部組成要素的自適應(yīng)生成(如工位規(guī)劃、工序/工步安排、加工操作排序等)，難以對(duì)完整工藝過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一表征。

宏觀工藝層面主要涉及工位/工序/工步規(guī)劃等。DEJIA等[16]針對(duì)車(chē)—銑零件提出一種基于特征的工位排序與機(jī)床選擇方法，該方法假設(shè)每個(gè)特征均在一個(gè)工位下完成加工，而在實(shí)際加工中零件存在大量加工特征需要在不同工位下才能完成，只適用于簡(jiǎn)單零件；ZHOU等[17]利用序列比對(duì)方法建立工藝路線(xiàn)相似度矩陣，并根據(jù)粒子計(jì)算理論構(gòu)建工藝信息粒層群，從中選擇最佳比對(duì)結(jié)果的工序集。

微觀工藝層面主要涉及刀具選擇和加工操作排序等。SU等[18]提出一種基于遺傳算法的加工操作排序方法，該方法未考慮不同工位對(duì)特征加工操作選擇的影響，導(dǎo)致生成的工藝過(guò)程與零件的實(shí)際工藝過(guò)程不相符[19]；ZHANG等[20]針對(duì)特征的一個(gè)加工操作(如車(chē)削、銑削等)，提出一種基于本體的加工工藝知識(shí)表示模型。

上述方法主要集中于宏觀或微觀工藝層面，未涉及零件工藝過(guò)程的整體實(shí)現(xiàn)，同時(shí)忽視了零件宏觀與微觀工藝過(guò)程之間的相互影響。

1.2 數(shù)控加工工藝重用

近年來(lái)，各種工藝重用技術(shù)在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，如零件典型工藝、特征加工模板等。零件典型工藝主要針對(duì)同類(lèi)零件，根據(jù)已制零件的工序序列，采用數(shù)據(jù)挖掘算法自動(dòng)提取得到。WANG等[21]提出基于近鄰傳播的典型工藝路線(xiàn)挖掘方法；JONG等[22]提出一種基于加工特征識(shí)別與成組技術(shù)的自動(dòng)工藝設(shè)計(jì)方法；黃波等[23]提出一種面向宏觀工藝重用的三維CAD模型檢索方法。然而，上述方法僅實(shí)現(xiàn)了工藝數(shù)據(jù)中顯式可見(jiàn)部分(如工序)的挖掘，未能有效提取隱式不可見(jiàn)的各工序與三維幾何之間的關(guān)系，而且由于典型工藝過(guò)程未能與三維CAD模型相關(guān)聯(lián)，難以捕捉工藝設(shè)計(jì)意圖，導(dǎo)致典型工藝重用嚴(yán)重依賴(lài)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，不足以支持典型工藝的自適應(yīng)決策。

特征加工模板主要通過(guò)構(gòu)建特征與加工操作之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從工藝數(shù)據(jù)中提取工藝參數(shù)供后續(xù)相似特征采用[24]。ZHANG等[11]提出從已制零件的數(shù)控程序中識(shí)別加工特征，由于該方法只實(shí)現(xiàn)了特征與低層次工藝參數(shù)的關(guān)聯(lián)，難以反映高層次工藝設(shè)計(jì)意圖，而且僅適用于簡(jiǎn)單特征。為了克服這些問(wèn)題，黃瑞等[25]基于刀位點(diǎn)投影方法構(gòu)建加工特征和加工操作之間的關(guān)系，然而該方法針對(duì)窄面特征進(jìn)行加工操作，刀位點(diǎn)無(wú)法投影到設(shè)計(jì)人員設(shè)定的加工面，不能準(zhǔn)確構(gòu)建加工特征與加工操作的關(guān)聯(lián)關(guān)系，影響了捕獲工藝設(shè)計(jì)意圖的準(zhǔn)確性。

2 基本概念與方法概述

2.1 基本概念

定義1子加工區(qū)域。子加工區(qū)域SMRi由加工面集S構(gòu)成，包括底面fB、輪廓面集fC={fCi}和底角面集fF={fFi}，其中fB最多只有一個(gè)，表示為SMRi=fB∪f(wàn)C∪f(wàn)F。

在如圖1所示的子加工區(qū)域?qū)嵗校蛹庸^(qū)域由1個(gè)fB、8個(gè)fCi和8個(gè)fFi組成。

定義2加工操作。加工操作opt為子加工區(qū)域SMRi在時(shí)刻t的工藝設(shè)計(jì)意圖(如粗加工、半精加工、精加工等)的具體實(shí)現(xiàn)，其主要由刀位線(xiàn)段Lj、刀具Tt、刀具軸向nt組成，表示為

opt(SMRi)={Lj}∪Tt∪nt，1≤j≤m。

式中m為刀位線(xiàn)段的數(shù)量。

定義3刀位線(xiàn)段關(guān)聯(lián)面。給定SMRi的一個(gè)輪廓面集{fCi}與零件P在時(shí)刻t的一個(gè)加工操作opt(P)的一條刀位線(xiàn)段Lj，假定Lj在fCi上存在投影，且與fCi之間的距離滿(mǎn)足距離約束λfC，當(dāng)Lj與fCi的距離為其到所有輪廓面距離的最小值時(shí)，opt(P)的刀位線(xiàn)段Lj與fCi關(guān)聯(lián)，表示為

式中：PrjfCi(Lj)為L(zhǎng)j沿fCi法線(xiàn)方向的投影；d(Lj，fCi)為L(zhǎng)j與fCi之間的距離。

定義4加工操作關(guān)聯(lián)幾何。給定零件P在時(shí)刻t的一個(gè)加工操作opt(P)，假設(shè)opt(P)由m個(gè)刀位線(xiàn)段Lj組成。根據(jù)定義3，Lj與fCi關(guān)聯(lián)，fCi屬于子加工區(qū)域SMRi，因此opt(P)與SMRi關(guān)聯(lián)，{SMRi}稱(chēng)為加工操作的關(guān)聯(lián)幾何ERt，表示為

定義5工藝設(shè)計(jì)意圖。工藝設(shè)計(jì)意圖C抽象為以加工階段與加工對(duì)象為核心，由加工階段Sta、加工對(duì)象Obj、軸向加工余量δB、徑向加工余量δC和底角加工余量δF5個(gè)要素組成，反映工藝設(shè)計(jì)人員在當(dāng)前工序/工步/加工操作使三維幾何需要達(dá)到的幾何狀態(tài)(其中，加工階段Sta包括粗、半精、精，加工對(duì)象Obj包括型腔、外形、內(nèi)形、轉(zhuǎn)角、底角等)，表示為C={Sta，Obj，δB，δC，δF}。

定義6多層次結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝模型。結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝模型邏輯上分為宏觀層與微觀層兩個(gè)層次(如圖2)，每一層由相關(guān)的工藝要素及其碎片化知識(shí)構(gòu)成，其不僅表征不同粒度的工藝設(shè)計(jì)意圖，還表征零件的加工工藝流程，具體為：

(1)宏觀層 抽象描述零件在給定工裝下各工藝要素(包括工位、工序、工步等)和關(guān)聯(lián)幾何的分布，并表征高層次工藝設(shè)計(jì)意圖，不涉及具體的加工刀具和幾何加工實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

(2)微觀層 詳細(xì)描述實(shí)現(xiàn)各工步依附幾何加工所需的刀具序列與加工操作集，以及關(guān)聯(lián)幾何在加工刀具和加工操作的分布，是有效捕獲宏觀層工序和工步工藝設(shè)計(jì)意圖的關(guān)鍵。

圖2所示為多層次結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝模型的結(jié)構(gòu)與信息表示，該模型既能獲取工藝數(shù)據(jù)中不同層次的碎片化知識(shí)，又有助于工藝設(shè)計(jì)意圖的表征以及宏觀—微觀工藝過(guò)程的生成。由圖可知，包含關(guān)系和幾何依附關(guān)系可表示為：

2.2 方法概述

工藝數(shù)據(jù)通常既包括源于零件設(shè)計(jì)階段的三維CAD模型，又包括源于零件制造階段的CAM模型，是CAD與CAM關(guān)聯(lián)分析的綜合載體。因此，融入工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征主要包括加工操作與子加工區(qū)域關(guān)聯(lián)關(guān)系的構(gòu)建、子加工區(qū)域關(guān)聯(lián)加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖的捕獲，以及同意圖加工操作的按序分類(lèi)。圖3所示為本文方法的總體流程，包括工藝數(shù)據(jù)預(yù)處理、子加工區(qū)域與加工操作關(guān)聯(lián)、捕獲工藝設(shè)計(jì)意圖、生成宏觀—微觀工藝過(guò)程。具體如下：

步驟1工藝數(shù)據(jù)預(yù)處理。

工藝數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括兩部分：①采用文獻(xiàn)[25]的特征識(shí)別方法提取三維CAD模型中的子加工區(qū)域集；②采用文獻(xiàn)[12]的方法提取CAM模型中設(shè)計(jì)人員交互設(shè)定的工藝參數(shù)(如刀具、方向、加工深度等)和加工操作數(shù)據(jù)(如刀位點(diǎn)、刀位路徑等)。

步驟2子加工區(qū)域與加工操作關(guān)聯(lián)。

通過(guò)判斷加工操作的刀位線(xiàn)段的投影是否在子加工區(qū)域的加工面上，提取加工操作關(guān)聯(lián)的加工面，以有效關(guān)聯(lián)子加工區(qū)域與加工操作，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)中三維CAD模型與CAM模型的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而彌補(bǔ)工藝數(shù)據(jù)中源于不同階段的異質(zhì)數(shù)據(jù)分離的不足。

步驟3捕獲工藝設(shè)計(jì)意圖。

在構(gòu)建加工操作與子加工區(qū)域關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加工階段與加工余量的映射關(guān)系，并提取加工階段與加工對(duì)象的配對(duì)關(guān)系，來(lái)捕獲加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖，進(jìn)而捕獲工步和工序工藝設(shè)計(jì)意圖。

步驟4生成宏觀—微觀工藝過(guò)程。

在前述基礎(chǔ)上，依序?qū)ο嗤に囋O(shè)計(jì)意圖加工操作的自底向上進(jìn)行分類(lèi)，生成零件的宏觀—微觀工藝過(guò)程。其中，宏觀工藝過(guò)程包括工位、工序、工步，微觀工藝過(guò)程包括工步關(guān)聯(lián)幾何加工所需的刀具序列和加工操作集。

3 融合工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征

為了對(duì)融合工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次結(jié)構(gòu)化表征，首先給出子加工區(qū)域與加工操作的關(guān)聯(lián)方法；然后捕獲子加工區(qū)域關(guān)聯(lián)加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖；最后對(duì)具有相同工藝設(shè)計(jì)意圖的加工操作自底向上進(jìn)行分類(lèi)，生成零件的宏觀—微觀工藝過(guò)程。

3.1 子加工區(qū)域與加工操作的關(guān)聯(lián)方法

通常一個(gè)子加工區(qū)域由一個(gè)或多個(gè)加工操作完成，而一個(gè)加工操作可能同時(shí)對(duì)多個(gè)子加工區(qū)域進(jìn)行加工，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的目的是，判斷該加工操作對(duì)子加工區(qū)域哪些加工面的成形具有貢獻(xiàn)，以便提高捕獲加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖的準(zhǔn)確性。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)人員在設(shè)定加工余量時(shí)存在主觀性，可能導(dǎo)致設(shè)置的加工余量與實(shí)際測(cè)量出的加工余量存在一定誤差，導(dǎo)致所捕獲的工藝設(shè)計(jì)意圖出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，需要構(gòu)建加工操作與子加工區(qū)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并計(jì)算加工操作實(shí)際的加工余量，從而準(zhǔn)確捕獲加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖。主要步驟為：①快速過(guò)濾刀位線(xiàn)段；②計(jì)算刀位線(xiàn)段Lj在加工面fi的投影曲線(xiàn)；③計(jì)算加工余量。具體為：給定子加工區(qū)域SMRi和加工操作opt，任一刀位線(xiàn)段由兩個(gè)連續(xù)刀位點(diǎn)Ps和Pe構(gòu)成，記作Lj=PsPe。

(1)刀位線(xiàn)段快速過(guò)濾

由于構(gòu)成opt的Lj很多，為了提高刀位線(xiàn)段投影方法的關(guān)聯(lián)效率，本文在刀位線(xiàn)段投影之前首先對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，本文主要根據(jù)刀位點(diǎn)Ps與面中點(diǎn)PM構(gòu)成的向量PsPM、面的法向量n(fi)和刀具軸值n(Tt)等對(duì)其進(jìn)行快速過(guò)濾。

1)若1個(gè)子加工區(qū)域的底面fB不為空，則保留在底面上方和靠近底面的刀位點(diǎn)，當(dāng)Ps滿(mǎn)足PsPM·n(fB)>λB1，n(Tt)·n(fB)>λB2時(shí)，保留刀位點(diǎn)Ps；若輪廓面fC不為空，則保留靠近輪廓的刀位點(diǎn)，當(dāng)Ps滿(mǎn)足λC1

2)針對(duì)輪廓面和底角面，通過(guò)計(jì)算Lj到fi的最小距離dM是否滿(mǎn)足距離約束λS，進(jìn)一步過(guò)濾Lj。當(dāng)dM-0.5TDia<λS時(shí)，保留刀位線(xiàn)段Lj，其中TDia為刀具直徑。

(2)計(jì)算刀位線(xiàn)段Lj在加工面fi的投影

通過(guò)遍歷opt中的Lj，以底面、輪廓面、底角面為順序依次構(gòu)建關(guān)聯(lián)關(guān)系。將過(guò)濾后的刀位線(xiàn)段Lj沿面fi的法線(xiàn)方向進(jìn)行投影。

1)當(dāng)SMRi存在一個(gè)底面時(shí)，若Lj不被過(guò)濾，其在fB上可投影，且投影曲線(xiàn)PBj在fB上，則Lj與fB關(guān)聯(lián)。

2)由于SMRi的輪廓面(底角面)不止一個(gè)，若Lj不被過(guò)濾，其將沿輪廓面fCi的法線(xiàn)方向進(jìn)行投影，且投影曲線(xiàn)PCj在fCi上，則根據(jù)定義3，Lj與輪廓面fCi關(guān)聯(lián)。

通過(guò)遍歷Lj可得刀位線(xiàn)段關(guān)聯(lián)的加工面，根據(jù)定義3和定義4可得加工操作關(guān)聯(lián)的子加工區(qū)域，表示為

{SMRi}={f1,f2,…,fn}=fB∪f(wàn)C∪f(wàn)F。

(3)計(jì)算加工余量

通過(guò)構(gòu)建關(guān)聯(lián)關(guān)系可以計(jì)算Lj與關(guān)聯(lián)面fj的最短距離dj。若fj為底面，則軸向加工余量δB為dj;若fj為輪廓面(底角面)，則徑向加工余量δC(底角加工余量δF)為dj-0.5TDia，可表示為

Lj∈opt∪Lj?fB∪dj

=min(d(Lj,fB))?δB=dj,

Lj∈opt∪Lj?fCi∪dj

=min(d(Lj,fCi))?δC=dj-0.5TDia,

Lj∈opt∪Lj?fFi∪dj

=min(d(Lj,fFi))?δF=dj-0.5TDia。

圖4所示為加工區(qū)域與加工操作關(guān)聯(lián)實(shí)例。由圖4a可知，面fB，fC1，fC2，fC3為子加工區(qū)域SMR1的構(gòu)成面，線(xiàn)段L1，L2，L3為opt的3個(gè)刀位線(xiàn)段。首先，對(duì)于fB，3個(gè)刀位線(xiàn)段均滿(mǎn)足約束條件；對(duì)于輪廓面，L1和L3滿(mǎn)足約束條件，L2會(huì)被過(guò)濾。其次，由圖4b可知，計(jì)算L1和L2沿fB法線(xiàn)方向的投影曲線(xiàn)，得投影曲線(xiàn)PB1和PB2，即L1?fB，L2?fB，L1沿fC1法線(xiàn)方向投影計(jì)算，得投影曲線(xiàn)PC1，即L1?fC1。因此，加工操作opt與子加工區(qū)域SMR1關(guān)聯(lián)。

3.2 捕獲工藝設(shè)計(jì)意圖

工藝數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含了零件從毛坯到成品的加工工藝設(shè)計(jì)意圖信息[26]，為此需要分析和捕獲加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖，從而進(jìn)一步捕獲工序和工步的工藝設(shè)計(jì)意圖。

3.2.1 捕獲子加工區(qū)域關(guān)聯(lián)加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖

對(duì)于任意一個(gè)加工操作opt，均具有特定的工藝設(shè)計(jì)意圖，如粗銑型腔、半精銑外形、精銑內(nèi)形等，其描述方式均為“加工階段+加工對(duì)象”的形式，捕獲設(shè)計(jì)意圖的核心是分析opt在哪個(gè)階段(如粗加工、半精加工、精加工等)對(duì)SMRi的哪些構(gòu)成面(如底面、輪廓面、底角面等)進(jìn)行加工。因此，構(gòu)建子加工區(qū)域與加工操作關(guān)聯(lián)關(guān)系，需要詳細(xì)分析加工操作的加工階段和加工對(duì)象，具體如下：

(1)加工階段Sta

SMRi的各構(gòu)成面fi(如fB，fC，fF)在加工之前存在較多加工余量(如δB，δC，δF)，隨著SMRi關(guān)聯(lián)加工操作opt的依序執(zhí)行，fB的軸向加工余量、fC的徑向加工余量和fF的底角加工余量逐漸減少，并趨于0 mm。因此，通過(guò)遍歷子加工區(qū)域關(guān)聯(lián)的加工操作，根據(jù)加工操作的加工順序，并結(jié)合加工操作的加工余量，可以得到加工操作的加工階段Sta。

受加工精度約束，一個(gè)子加工區(qū)域往往需要多個(gè)加工操作完成，一般以粗加工、半精加工和精加工為順序進(jìn)行加工。其中，在同一工步下，當(dāng)該子加工區(qū)域進(jìn)行第一次加工且存在較多加工余量時(shí)，為粗加工；當(dāng)該子加工區(qū)域在粗加工階段且仍有加工余量時(shí)，為半精加工；當(dāng)某一加工余量為0時(shí)，判定為精加工。其中，當(dāng)δB=0時(shí)為底面精加工，當(dāng)δC，δF=0時(shí)為輪廓精加工。

(2)加工對(duì)象Obj

通過(guò)構(gòu)建子加工區(qū)域與加工操作的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以得到加工操作關(guān)聯(lián)的加工面，然后根據(jù)特征識(shí)別的類(lèi)型以及加工操作所處的階段可得加工操作的加工對(duì)象Obj。當(dāng)加工操作處于粗加工或半精加工階段時(shí)，根據(jù)特征類(lèi)型，加工對(duì)象可描述為型腔、筋和輪廓。其中：型腔為fB，fC，fF均不為空的子加工區(qū)域；筋為fB不為空、fC和fF為空的子加工區(qū)域;輪廓為fB為空、fC和fF不為空的子加工區(qū)域。

當(dāng)加工操作處于精加工階段時(shí)，需要根據(jù)底面和輪廓面進(jìn)一步描述加工對(duì)象。底面精加工時(shí)，加工對(duì)象根據(jù)底面大小分為腹板和筋；輪廓精加工時(shí)，型腔的內(nèi)輪廓稱(chēng)為內(nèi)形，其他稱(chēng)為外形。另外，在對(duì)輪廓進(jìn)行精加工時(shí)，由于刀具尺寸原因，可能需要對(duì)轉(zhuǎn)角和底角單獨(dú)進(jìn)行精加工。假設(shè)某一加工操作op1關(guān)聯(lián)的輪廓面fCi在op1之前未進(jìn)行精加工，其相鄰兩個(gè)輪廓面fC1和fC2在op1之前已完成精加工，且該面的曲率半徑大于刀具半徑，則op1的加工對(duì)象為轉(zhuǎn)角；假設(shè)某一加工操作op2關(guān)聯(lián)的底角面fF，在op2之前加工操作opt已對(duì)該底角面進(jìn)行了精加工，則op2的加工對(duì)象為底角。

綜上所述，根據(jù)opt的加工階段Sta、加工對(duì)象Obj、軸向加工余量δB、徑向加工余量δC和底角加工余量δF可得opt的工藝設(shè)計(jì)意圖Cop，如表1所示。

表1 加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖判定依據(jù)

圖5所示為捕獲子加工區(qū)域關(guān)聯(lián)加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖實(shí)例。假設(shè)SMR2在t時(shí)刻采用的刀具為D12，軸向加工余量δB=0 mm。在t時(shí)刻之前，SMR2已采用刀具D16進(jìn)行了一次粗加工(δB=3.5，δC=2.0)。例如圖5b中t時(shí)刻加工操作的刀位軌跡，根據(jù)本文所提關(guān)聯(lián)算法，t時(shí)刻加工操作關(guān)聯(lián)的加工幾何為SMR2的底面(腹板)，由δB=0 mm可得該加工操作處于精加工階段，根據(jù)表1可得該加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖為精銑腹板。

3.2.2 工序和工步的工藝設(shè)計(jì)意圖推理

宏觀層工序的工藝設(shè)計(jì)意圖CWP通過(guò)依序?qū)ば蛞栏綆缀渭庸に璧墓げ竭M(jìn)行分類(lèi)而得。遍歷宏觀層工步，若連續(xù)相鄰的工步屬于相同的加工階段，則分類(lèi)為同一工序，表示為

3.3 宏觀—微觀工藝過(guò)程的生成

基于以上分析，在捕獲工藝數(shù)據(jù)中每個(gè)加工操作的工藝設(shè)計(jì)意圖后，根據(jù)工步、工序、工位的定義，通過(guò)依序?qū)庸げ僮髯缘紫蛏线M(jìn)行分類(lèi)，提取零件的宏觀—微觀工藝過(guò)程，具體步驟如下：

步驟3依序?qū)儆谕粋€(gè)加工階段、采用同一刀具軸向的宏觀層工步WSi進(jìn)行分類(lèi)，獲得宏觀工藝過(guò)程的工序集WPS={WPi}，1≤i≤m，m為工序數(shù)量。

步驟4依序?qū)哂邢嗤毒咻S向的工序WPi進(jìn)行分類(lèi)，提取宏觀工藝過(guò)程的工位集WOS={WOi}，1≤i≤k，k為工位數(shù)量。

4 算法驗(yàn)證與討論

為了有效驗(yàn)證本文原理與方法的有效性，以Microsoft Visual Studio 2008為集成開(kāi)發(fā)工具，在CATIA P3 V5R21環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了融合工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征。

4.1 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖6a所示為工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征的原型系統(tǒng)，包括特征識(shí)別模塊、工藝數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析模塊和工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化分析模塊；圖6b所示為原型系統(tǒng)中零件特征的識(shí)別結(jié)果；圖6c所示為工藝數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析結(jié)果；圖6d所示為工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化分析結(jié)果。

在圖6c中，現(xiàn)有工藝數(shù)據(jù)中的各個(gè)程序均用編號(hào)呈現(xiàn)，開(kāi)發(fā)人員并不能直接有效地得到其所蘊(yùn)含的工藝意圖信息，而且設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)對(duì)加工操作的刀位軌跡進(jìn)行仿真才能獲取其關(guān)聯(lián)的加工面。采用本文方法可以構(gòu)建加工操作與子加工區(qū)域的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以便設(shè)計(jì)人員直接得到加工操作所關(guān)聯(lián)的子加工區(qū)域。其中，通過(guò)右擊圖6c中加工操作的關(guān)聯(lián)面可以得到該加工操作的加工余量、工藝意圖和關(guān)聯(lián)加工幾何。在圖6e中，加工余量和工藝意圖以彈窗的方式展示，所關(guān)聯(lián)的加工幾何在三維CAD模型中高亮顯示。

4.2 工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征實(shí)例

圖7所示為一個(gè)雙面零件的工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化實(shí)例，該零件共有6個(gè)子加工區(qū)域和62個(gè)加工操作。其中，根據(jù)零件特征識(shí)別結(jié)果，SMR2和SMR6為型腔特征，SMR1，SMR3，SMR5為筋特征，SMR4為輪廓特征，如圖7b和圖7c所示。

根據(jù)捕獲的加工操作、工步和工序的工藝設(shè)計(jì)意圖，表2給出采用本文方法提取的工藝過(guò)程，其中WS編號(hào)為設(shè)計(jì)人員設(shè)定的工步編號(hào)。由表2可知，零件I有2個(gè)工位，采用A→B面加工策略，即先加工A面再加工B面，表明每個(gè)方向需要1個(gè)工位即可完成該方向各子加工區(qū)域的加工。

表2 零件Ⅰ的工藝過(guò)程

如圖7a所示，在PO3中，工步G023C0201包括5個(gè)加工操作，其中一個(gè)加工操作，設(shè)計(jì)人員設(shè)定δB=1.5 mm，δC=0 mm，根據(jù)設(shè)定的加工余量推理得到該加工操作處于輪廓精加工階段，會(huì)影響加工操作工藝設(shè)計(jì)意圖的捕獲。然而，通過(guò)本文方法計(jì)算得到的δB=3.5 mm，δB=0.908 mm，而且該加工面是第一次加工，可得該加工操作處于粗加工階段。其他幾個(gè)加工操作均處于粗加工階段，加工對(duì)象為內(nèi)形和外形，因此工步G023C0201的工藝設(shè)計(jì)意圖為粗銑內(nèi)外形。

圖8所示為另一個(gè)雙面零件的工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化實(shí)例，該零件共有31個(gè)子加工區(qū)域和246個(gè)加工操作。其中，根據(jù)零件特征識(shí)別結(jié)果，2，30，31為筋特征，3為輪廓特征，其余為型腔特征，如圖8b和圖8c所示。

根據(jù)捕獲的加工操作、工步和工序的工藝設(shè)計(jì)意圖，給出采用本文方法提取的工藝過(guò)程，如表3所示?？芍?，零件Ⅱ有2個(gè)工位，采用A→B面加工策略，即先加工A面再加工B面，表明每個(gè)方向需要1個(gè)工位即可完成該方向各子加工區(qū)域的加工。

表3 零件Ⅱ的工藝過(guò)程

4.3 討論

表4所示為本文方法與其他已有方法的比較。本文方法以多層次結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝模型為引導(dǎo)，揭示三維CAD模型與CAM模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可有效對(duì)融入工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次結(jié)構(gòu)化表征，并通過(guò)提取工藝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化后的宏觀—微觀工藝過(guò)程，支持工藝設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)的數(shù)控工藝重用。

表4 本文方法與其他方法的比較

文獻(xiàn)[11]僅識(shí)別了部分?jǐn)?shù)控工藝信息(如加工操作、進(jìn)給速度、切深等)，其本質(zhì)上屬于低層次、弱結(jié)構(gòu)化，無(wú)法反映不同粒度的工藝設(shè)計(jì)意圖。文獻(xiàn)[27]可以對(duì)異構(gòu)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行包括宏觀和微觀的多層次結(jié)構(gòu)化統(tǒng)一建模，但是其基于知識(shí)圖譜的方法構(gòu)建，知識(shí)圖譜側(cè)重于表達(dá)概念、實(shí)體之間的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)，無(wú)法捕獲隱含在工藝數(shù)據(jù)中不同粒度的工藝設(shè)計(jì)意圖。雖然文獻(xiàn)[28]可表征部分不同粒度的工藝設(shè)計(jì)意圖(如工步、加工操作等)，但是其以加工特征為結(jié)構(gòu)化表征要素，難以表征子加工區(qū)域之間的相互作用。文獻(xiàn)[11，27-28]不能準(zhǔn)確捕獲設(shè)計(jì)人員的實(shí)際工藝設(shè)計(jì)意圖，因此無(wú)法支持工藝設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)的數(shù)控工藝重用。

總體上，融合工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工藝數(shù)據(jù)內(nèi)嵌不同粒度工藝設(shè)計(jì)意圖的有效捕獲與表征，揭示CAM模型與CAD模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文方法具有如下特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)：

(1)提出刀位線(xiàn)段在子加工區(qū)域加工面上投影曲線(xiàn)的計(jì)算方法，以有效反映加工操作與實(shí)際子加工區(qū)域的關(guān)聯(lián)關(guān)系，彌補(bǔ)薄壁零件部分加工特征難以準(zhǔn)確捕獲實(shí)際工藝設(shè)計(jì)意圖的不足。

(2)提取了加工階段與加工對(duì)象配對(duì)關(guān)系，能夠有效捕獲工藝設(shè)計(jì)意圖，保證工藝過(guò)程中加工操作等工藝設(shè)計(jì)意圖的準(zhǔn)確性，從而支持工藝設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)的數(shù)控工藝重用。

(3)通過(guò)該工藝數(shù)據(jù)根據(jù)工藝設(shè)計(jì)意圖實(shí)現(xiàn)其多層次結(jié)構(gòu)化表征，能夠克服宏觀高層工藝設(shè)計(jì)意圖與微觀低層工藝參數(shù)之間的“語(yǔ)義鴻溝”。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種融合工藝設(shè)計(jì)意圖的工藝數(shù)據(jù)多層次結(jié)構(gòu)化表征方法，主要貢獻(xiàn)在于通過(guò)以多層次結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝模型為引導(dǎo)，反映設(shè)計(jì)人員在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的不同加工階段所蘊(yùn)涵的工藝設(shè)計(jì)意圖，揭示三維CAD模型與CAM模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以彌補(bǔ)工藝數(shù)據(jù)中源于不同階段的異質(zhì)數(shù)據(jù)分離的不足，同時(shí)生成工藝設(shè)計(jì)過(guò)程，以對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次結(jié)構(gòu)化描述。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效捕獲不同粒度的工藝設(shè)計(jì)意圖，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的多層次結(jié)構(gòu)化表征，從而支持工藝設(shè)計(jì)意圖引導(dǎo)的數(shù)控工藝重用。

下一步研究工作包括：①進(jìn)一步推理工藝數(shù)據(jù)的因果生成機(jī)理，以支持?jǐn)?shù)控工藝的智能決策；②將本文方法擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如5軸自由曲面加工，擴(kuò)大本文方法的應(yīng)用域。