趙 霞，劉永華，宋 猛，陳月芳，丁 玉，王 霄，劉會霞

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院機電工程學院，江蘇 句容 212400)(2.江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)(3.常州市金壇騰遠機械配件有限公司，江蘇 常州 213000)

葉片是現(xiàn)代工業(yè)的重要產(chǎn)品之一，國內(nèi)外眾多專家、學者對葉片CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)做了大量研究，并取得了一些成果。賈薪宇[1]開發(fā)的汽輪機CAD/CAM系統(tǒng)，能夠提高葉片造型和磨削數(shù)控編程的效率。楊洋等[2]利用NX二次開發(fā)工具集NX/Open開發(fā)的針對汽輪機葉片鍛模的快速結構設計系統(tǒng)，縮短了葉片鍛模的設計周期。江鵬[3]開發(fā)的汽輪機葉片工藝知識推薦系統(tǒng)，實現(xiàn)了工藝知識的快速獲取，提升了工藝設計效率。于文靖[4]在VS2013開發(fā)平臺上開發(fā)的汽輪機模鍛葉片加工質(zhì)量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對汽輪機葉片加工質(zhì)量的控制。為了提高葉片制造在工藝設計和數(shù)控編程方面的數(shù)字化水平，本文引入MBD(model based definition)技術，構建葉片MBD設計模型作為唯一數(shù)據(jù)來源，利用基于擴展屬性鄰接圖的特征識別方法、PMI信息提取技術以及基于改進遺傳算法的加工元排序方法，開發(fā)出一套基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)。

1 基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)總體框架

MBD技術是美國波音公司在飛機研制過程中提出的新一代數(shù)字化產(chǎn)品定義技術[5]。其內(nèi)涵是：用一個集成的三維實體模型來表達產(chǎn)品設計信息和制造信息(包括產(chǎn)品所有相關的尺寸、形位公差、粗糙度、工藝信息、技術要求、屬性和管理信息等)，摒棄二維工程圖，保證產(chǎn)品在設計制造過程中數(shù)據(jù)的統(tǒng)一[6]。只需一個MBD模型就可獲得產(chǎn)品全部的設計制造信息，這讓數(shù)據(jù)管理和傳遞變得相當方便。

本文基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)分為五大模塊：系統(tǒng)管理模塊、模型導入模塊、CAPP模塊、NC模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊。其中系統(tǒng)管理模塊包含用戶定義和用戶登錄兩個子模塊，主要用于控制不同角色用戶的模塊使用權限；模型導入模塊主要用于接收葉片設計部門下發(fā)的葉片MBD設計模型，后續(xù)工藝設計的進行全部依賴于此模型；CAPP模塊主要對葉片進行工藝設計，包含葉片加工特征識別和信息提取、加工元生成、加工元排序、工序創(chuàng)建、三維工藝發(fā)布等5個子模塊；NC模塊主要用于對葉片的數(shù)控編程，包含4個子模塊，分別為加工元信息讀取、加工模板調(diào)用、刀軌生成、加工仿真；數(shù)據(jù)庫管理模塊主要用于對工藝數(shù)據(jù)庫的管理，包括數(shù)據(jù)新增、數(shù)據(jù)更改、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)保存。

2 基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)關鍵技術

2.1 葉片MBD設計模型的建立

一般地，零件MBD 設計模型(design model，DM)是由零件的幾何模型和基本工藝信息(零件名稱、數(shù)量、尺寸、公差、材料、表面粗糙度以及熱處理方法等)構成[7]。因此，可將其定義如下：

(1)

本文結合葉片結構特點以及汽輪機葉片國家標準與行業(yè)技術標準，利用NX軟件中的PMI模塊對葉片三維模型進行三維標注，并對統(tǒng)一定制的屬性模板中的葉片產(chǎn)品屬性信息值進行定義，從而建立如圖1所示的葉片MBD設計模型。

2.2 基于葉片MBD設計模型的加工特征識別和信息提取

2.2.1加工特征識別

本文采用基于擴展屬性鄰接圖的加工特征識別方法[8]，構建擴展屬性鄰接圖，并對其進行分解，然后通過基于矩陣映射的子圖同構匹配，實現(xiàn)對葉片MBD設計模型中的加工特征快速、精確識別。其主要識別流程如下：

1)提取零件的幾何/拓撲信息；

2)根據(jù)零件幾何/拓撲信息構建擴展屬性鄰接圖，如圖2所示，并以矩陣形式保存；

圖2 叉槽葉根模型及其擴展屬性鄰接圖

3)對擴展屬性鄰接圖進行屬性分解得到擴展特征子圖；

4)搜索分解生成的擴展特征子圖，利用基于矩陣映射的圖同構算法將其與預定義加工特征庫進行同構匹配，若匹配成功，則完成該類特征識別。

2.2.2PMI信息的提取

葉片MBD設計模型的產(chǎn)品制造信息(product manufacturing information,PMI)一般包括尺寸、公差、基準等，以三維標注的方式標注在模型上。NX軟件二次開發(fā)接口NX/Open API中提供的封裝函數(shù)可實現(xiàn)各類PMI信息的提取。

2.3 基于產(chǎn)生式規(guī)則的加工元生成

加工元是表達特征加工方案的最小單元體，它是以特征為基礎的信息實體，反映了加工特征的某個工步的工藝信息，每個特征的加工過程都是由一組加工元組成[9]。本文定義的加工元內(nèi)容主要包含葉片加工特征、加工方法、加工設備以及刀具、夾具等。

葉片加工企業(yè)長期以來總結出了大量的工藝經(jīng)驗，為了便于加工元的生成，首先需要將企業(yè)的工藝經(jīng)驗表示為計算機可以接受的工藝知識，也就是工藝規(guī)則。常見的知識表示方法有產(chǎn)生式規(guī)則表示法、一階謂詞表示法、語義網(wǎng)絡表示法等。其中產(chǎn)生式規(guī)則表示法廣泛應用于人工智能領域，它形式簡單，格式固定，推理方式單純，沒有復雜計算，適合處理簡單的推理問題[10]。本文利用產(chǎn)生式規(guī)則表示法制定一系列工藝規(guī)則，主要包括加工方法選擇規(guī)則、加工設備選擇規(guī)則、刀具選擇規(guī)則等。為了便于對規(guī)則進行管理，將其用英文縮寫形式表示如下：

DRule ={DRulePm，DRuleDev，DRuleTol，…}

(2)

式中：DRule為產(chǎn)生式規(guī)則；DRulePm為加工方法選擇規(guī)則；DRuleDev為加工設備選擇規(guī)則；DRuleTol為刀具選擇規(guī)則。

2.4 基于改進的遺傳算法加工元排序

2.4.1改進遺傳算法實現(xiàn)步驟

遺傳算法將問題的求解過程轉(zhuǎn)換成計算機模擬生物進化中的染色體選擇、交叉、變異的過程，比一般的優(yōu)化算法可以更快更好地得到組合優(yōu)化的結果[11-12]。但在遺傳算法進行加工元優(yōu)化排序過程中，會產(chǎn)生大量的不滿足基本工藝約束的解，不僅影響程序運行效率，還無法保證最終解的收斂性和可行性，故本文在傳統(tǒng)的遺傳算法的基礎上引入“染色體重組”概念，保證染色體有效性[13]。

2.4.2適應度函數(shù)計算

葉片生產(chǎn)企業(yè)在接到客戶訂單后需要以最快速度完成交貨，因此葉片加工效率是衡量葉片工藝是否合理的重要指標，但在生產(chǎn)過程中，更換機床、刀具、夾具卻花費了大量的時間，故本文以更換機床、刀具、夾具次數(shù)最少為目標對加工元進行優(yōu)化排序。

T=ω1×Tmac+ω2×Ttol+ω3×Tfix

(3)

式中：T為機床、刀具、夾具更換總得分；Tmac為機床更換得分；Ttol為刀具更換得分；Tfix為夾具更換得分；ω1，ω2，ω3分別為Tmac，Ttol，Tfix的權重系數(shù)。通過咨詢企業(yè)經(jīng)驗豐富的工藝工程師，依據(jù)三者的重要程度確定權重系數(shù)：ω1=0.6，ω2=0.1，ω3=0.3。本文采用Min-Max法對數(shù)據(jù)進行標準化處理。

1)機床更換得分。

(4)

式中：n為加工元個數(shù)；kmac為機床數(shù)量；Nmac為機床變換次數(shù)。

2)刀具更換得分。

(5)

式中：ktol為刀具數(shù)量；Ntol為刀具變換次數(shù)。

3)夾具更換得分。

(6)

式中：kfix為夾具數(shù)量；Nfix為裝夾變換次數(shù)。

式(3)為適應度函數(shù)，個體的適應度越大則表明個體越優(yōu)越，即葉片的加工效率越高。通過減少機床、刀具、夾具更換次數(shù)進行迭代優(yōu)化，獲得加工效率最高的加工元序列指導葉片加工，可以有效提高生產(chǎn)效率，縮短葉片生產(chǎn)周期。

2.5 基于加工模板的數(shù)控編程

基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)最大的特點之一就是CAPP模塊中的工藝信息數(shù)據(jù)可以直接用于NC數(shù)控編程模塊。本文通過讀取加工元信息，根據(jù)加工元的加工特征類型和加工方法自動調(diào)出對應的自定義加工模板，并按加工元排序順序依次添加進工序?qū)Ш狡髦?。通過NX軟件提供的二次開發(fā)接口NX/Open API中的CreateCamSetup函數(shù)實現(xiàn)加工模板的調(diào)用。因此，在工藝加工特征識別技術和工藝決策技術的支持下，采用基于加工模板的NC數(shù)控編程對葉片進行程序編制，可以有效提高數(shù)控編程效率。

3 基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

基于UG NX豐富的產(chǎn)品工程解決方案，本文在NX10.0平臺上，利用NX提供的二次開發(fā)工具集NX/Open進行基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)的開發(fā)。數(shù)據(jù)庫為Microsoft Office Access 2013。本文在VS 2015的編譯環(huán)境下，利用C/C++語言進行程序開發(fā)，生成動態(tài)鏈接庫文件(.dll)，通過NX10.0軟件中的定制菜單對其進行加載，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。

3.2 系統(tǒng)實例運行

本文以某葉片制造企業(yè)生產(chǎn)的叉槽動葉片作為實例對象驗證系統(tǒng)的有效性。通過用戶登錄模塊可以獲得進入系統(tǒng)的權限。通過模型導入模塊可以獲得設計部門下發(fā)的葉片MBD設計模型，建立新任務。CAPP模塊先利用加工特征識別和信息提取子模塊識別出葉片MBD設計模型中的加工特征并提取對應的PMI信息，然后基于產(chǎn)生式規(guī)則生成加工元；基于改進的遺傳算法以加工時間最短對加工元序列進行優(yōu)化排序，獲得適應度值最佳的排序結果；最終發(fā)布三維工藝文件，以工藝結構樹結合MBD工序模型的方式展示出來。NC模塊用于實現(xiàn)CAPP與CAM的集成，CAPP過程中的工藝信息數(shù)據(jù)可以傳遞到NC模塊中，如部件幾何體和毛坯幾何體的設置，加工策略、刀具、切削參數(shù)等信息的設定。本文采用基于加工模板的NC數(shù)控編程方法，定制針對葉片的加工模板，將一些參數(shù)信息固化，避免了大量重復勞動，提高了工作效率和工作質(zhì)量。NC模塊通過讀取工藝XML文件，獲得加工特征及其加工方法，然后調(diào)用相應的加工模板，自動添加到工序?qū)Ш狡髦胁⑿薷某绦蛎Q。對加工模板進行相應的參數(shù)設定，再進行后處理生成NC代碼。

4 結束語

本文將MBD技術引入到葉片工藝設計中，在NX軟件平臺上開發(fā)出一套基于MBD的葉片CAPP-NC系統(tǒng)，實現(xiàn)葉片工藝路線決策優(yōu)化，并為后續(xù)數(shù)控編程提供數(shù)據(jù)支撐。該系統(tǒng)可以有效提高葉片工藝設計和數(shù)控編程效率、縮短葉片生產(chǎn)制造周期，并且為企業(yè)實現(xiàn)基于MBD的全三維數(shù)字化制造提供新模式。