CAPP中基子特征的加工工艺相似性研究

　　0 引言

　　由于计算机辅助工艺规程设计(computer aided process planning，CAPP)问题的复杂性和特殊性，CAPP系统仍然面临着诸多问题。其中，工艺决策是CAPP系统进行工艺设计的关键，工艺决策方法选择是制约CAPP系统实用化、通用化、智能化的核心问题。派生式CAPP系统的基本思想是利用零件的相似性来检索现有的工艺规程进行工艺设计。零件按照几何形状、工艺要求等特征的相似性归类成族，建立标准工艺规范，当需要对1个新零件进行工艺设计时，首先检索标准零件库中的相似零件，然后根据相似性原理，实现工艺规划的相似性检索和决策。

　　1 相似性比较方法

　　1.1相似性比较方法的分类

　　零件相似性比较方法可分为3种类型：成组技术、特征技术、几何和拓扑结构技术。基于特征技术的能较好地支持模型的可制造性分析和相似工艺规划。

　　特征是具有一定集合形状、工程意义和加工要求的1组信息的集合，是构造零件几何形状和零件信息模型的基本信息单元，信息单元通过多种关系相互联系为1个整体。特征信息是可以用于零件的结构设计、工艺设计、装配和性能分析。零件孔类加工一般包含沿中心线分布的若干特征，这些特征可以细分为基本特征和辅助特征，基本特征是指用于构造零件总体集合结构形状的特征，如内螺纹、直径大小、粗糙度等，附着在基本特征上的特征称为辅助特征，如倒角等。

　　1.2零件特征信息的描述和分类

　　对零件特征信息进行描述与分类的目的在于对零件信息进行抽象化和形式化，便于灵活有效地组织和处理零件的相关信息。根据孔类加工的特点，可以将零件的主要特征信息分为3大类：总体特征、形状特征、精度特征，以此来进行特征模型的建立。

　　该模型的结构类似于树形结构，如图l所示。其中，零件的总体特征包含了管理信息(零件号、零件名、产品编号、更改信息等)、零件属性(零件类型、材料等)、技术要求(热处理信息等)。形状特征是零件特征中最重要的模型，它包含的信息最多，是零件信息模型的骨架。除几何信息外，还包括尺寸约束及精度信息，形状特征的关联采用形状特征树的结构来描述。形状特征分为基本特征和辅助特征，根据每1个特征的特点对特征进行分类，建立特征的抽象类和子类，子类继承抽象类的所有属性，形成1个完整的树状特征关系图，为特征的相似性计算提供了最主要的依据。精度特征的表达是以形状特征和几何要素为载体，它也是影响零件加工的主要方面。管理特征、材料特征和技术特征是描述零件总体信息的，将它们归并为总体信息。通过以上的零件信息的层次结构，可构造基于零件类和特征类的零件信息模型。

　　图l 零件特征信息模型

　　2 零件特征相似性匹配

　　在对零件进行分类后，根据零件信息中的分类，将待加工零件的各个特征赋予不同的属性，然后从现有的数据库中找出与代加工零件最相似的模型与之进行特征上的匹配，并计算该零件特征与模型之间的相似度，也就是零件属性的相似度的计算，通过具体参数化属性的计算与整理，得到两个零件的相似程度，该相似程度的值应该在[0，1]之间。

　　图2表示的是相似零件检索的流程图。为了对数据库中相似模型进行检索，首先必须确定零件的类型，并检索该数据库中是否有相似的模型存在，如果存在该模型，则进行下一步的零件特征的匹配，如果不存在，则返回上一级菜单。类型匹配后，继续下一步特征属性的匹配检索，并计算其相似度，得到所需的加工工步或工序。

　　图2 零件相似度筛选流程图

　　3 加工零件的相似性计算

　　3.1相似程度值λ

　　相似是指事物之间在某些方面的相似程度。衡量相似的1个重要指标就是相似程度值，在计算1个零件与另外1个零件的相似程度的时候，不仅需要考虑到2个零件在形状特征方面的相似，还包括了2者之间在工艺特征以及所达到的功能特征上的相似。首先，零件的类型和基本形状相同时2零件相似的首要条件，其次，需要考虑2者的比如毛坯类型、热处理加工方式，还有主要特征与辅要特征中的精度等级、表面粗糙度、形位公差和位置度公差的特征属性，这些都会影响到相似程度。在确定相似度的时候，都需要考虑到以上的因素影响。在实际应用中，若λ=l，则表示新零件与当前模型完全匹配;若0.9≤λ<1，则表示基本匹配;若0.7≤λ<0.9，则表示比较匹配;若λ<0.7，则表示新零件与已有零件不匹配。

　　3.2权重系数值K

　　由于加工零件信息特征包含了总体特征、形状特征、精度特征3大方面，而这3个方面对于整个相似程度值的计算过程中所起影响的比重不同，所以我们在这里引入了权重系数的概念。在数学上，为了显示若干量数在总量中所具有的重要程度，分别给予不同的比例系数，这就是加权。权重系数是表示某l指标项在指标项系统中的重要程度。在这里，我们将3个特征属性的权重系数分别定义为 。在实际加工操作过程中，总体特征主要包含了3个方面：材料类型、热处理、毛坯类型。一般的材料类型匹配率、热处理匹配率、毛坯类型匹配率、形状特征匹配率、精度特征匹配率对于相似度计算中的权重系数分别为0.1，0.2，0.1，0.4，0.2，它们的和为l。

　　3.3零件相似性度量

　　3.3.1 零件总体特征的度量

　　在零件总体特征中，功能要求、材料特性、总体尺寸等信息组成了总体特征属性元。即使是形状结构，功能完全相同的零件，只要材料不同，或者是热处理工艺不同，它们的加工工艺也会产生很大的差别。有些材料的切削性能上比较接近，有些则相差甚远。、、

　　3.3.2零件形状特征和精度特征的度量

　　零件形状特征和精度特征的匹配率的度量与总体特征匹配率

　　4 相似性实例分析和计算

　　采用上述理论，以某孔的加工为例，对其相似度λ进行了计算。其中待加工的零件及数据库中的模型分别如图3，图4所示。

　　图3 数据库中模型

　　图4 新加工零件

　　图4是数据库中已经加载的模型，该模型的材料为45钢，无表面热处理，图3为新零件，材料同样为45钢，无表面热处理。由以上计算公式可得：=1;=l;=l;=(1×2)/(1+2)=0.67;=(1×2)/(1+1)=l。根据零件相似度值A的计算公式

　　可得A=0.1×1+0.2×l+0.1×1+0.4×0.67+O.2×l=0.868

　　因此，新零件和现有模型的相似度为0.868，2模型属于比较匹配。

　　根据以上结论，该孔类的加工工艺可以参考现有模型，以其加工工艺为主干，进行加工。

　　5 结语

　　文章通过对孔类加工零件基于特征的相似度介绍和计算，为派生式CAPP系统的工艺规划选择与生成提供了参考，为以后其他类似回转轴，箱体等复杂零件的加工工艺选择做出了前期准备。提供了1种检索相似零件的工艺决策，提高了工艺设计的质量和解决了工艺设计中的标准化问题，满足了派生式CAPP的要求，具有可行性和使用性。