基于模板工艺的参数化工艺设计技术研究与实现

 

根据产品、零件信息自动生成加工工艺一直是CAPP(Computer Aided Process Planning)技术难以解决的问题。由于工艺设计工作不仅涉及到企业的生产类型、产品结构、制造设备、工艺装备、生产技术水平等方面，而且在很大程度上依赖于工艺人员的技术水平和经验，因此由计算机自动生成零件加工工艺具有很大的难度。

随着产品设计分工专业化，某些行业的产品系列化程度越来越高。例如，烟草机械等物流设备产品的特点是:多品种，小批量，系列化。在产品设计中大量采用通用件，只有少量零件需要根据客户的不同需求进行重新设计。产品、零部件设计也采用了参数化设计技术，设计人员根据设计任务书的要求在参数化设计工具软件中输人参数(可以明确表示一种产品的属性，包括产品参数、部件参数、零件参数，如:皮带宽度，机头高度、倾斜角度，是否有弯段等)，系统就会自动生成装配总图，并配置出整机的通用件、外购件的配套明细。设计人员也可以在自动生成后的配套明细添加专用件。产品设计完成之后，工艺部门需要对每一个零件编制工艺。对于通用件的工艺规程编制，通常采用工艺借用方式。但是由于下料尺寸以及材料和制造资源的变化，工艺规程又有部分变动。

本文主要针对烟草机械等物流设备产品的系列化和参数化特点，对参数化工艺设计技术进行研究，以提高工艺设计的自动化程度。

1 参数化工艺设计

任何零件，都是由一系列的应用特征组合而成。在特定的生产环境和设计条件下，只有其中某几个特征能决定最终生成的零件工艺流程，这些特征可以是尺寸、公差，也可以是结构说明和功能要求。这些特征可以抽象为一组零件参数的集合。

在产品系列化的条件下，影响同系列不同型号产品下的零件工艺的特征仅仅是零件的几何形状及其相关尺寸。即同系列产品零件工艺中的可变部分随零件的几何形状不同而不同。在特定的条件和定义目标下，将这些可变部分事先提取完成，用参数表达式代替。这种总结出来的带参数表达式的工艺规程，被称为模板工艺。

参数化工艺设计就是根据零件参数信息，通过查找相应的模板工艺的参数，自动决策生成工艺的一种技术。其中，参数化工艺规程的形成和零件参数的获取是实现参数化工艺设计的关键。具体包括零件分类、零件族的工艺规程建立和模板工艺参数化。

派生式CAPP是将相似零件归并成零件族，设计时检索出相应零件族的标准工艺规程，并根据设计对象的具体特征加以修订;生成式CAPP是将人们设计工艺过程时的推理和决策方法转换成计算机可以处理的决策逻辑、算法，在使用时由计算机程序根据内部的决策逻辑和算法，自动生成零件的工艺规程。参数化工艺设计采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制图形几何形状和工艺内容，自动实现工艺设计。这种方法中，以零件参数为依据，将工艺设计过程中一些成熟的、变化少的内容用派生式原理设计，将经验性强、变化大的内容用生成式原理进行决策，综合了派生式和生成式两种方法的优势。

根据零件参数化工艺设计的原理，提出参数化工艺处理流程，如图 1所示。

图1 参数化工艺处理流程

模板工艺的建立，参数信息的描述和获取，参数工艺的生成是CAPP系统参数化得以实现的关键技术。

2 模板工艺的建立及其参数化

在定义工艺模板前，根据工艺设计经验，综合分析系列产品加工工艺特点，给每种类型的通用件工艺进行详尽的结构和工艺性分析，优化工艺方案，将可变部分用参数表达式代替提取完成。显然，是否将一个工艺特征提取为模板工艺参数表达式取决于定义者希望工艺模板的参数化程度。模板的参数化程度越高，它所能包含的零件工艺数目件工艺类别的增加，参数的提取必然有所变化，因而后续的工序流程定义和工序内容定义都会相应地变化。

在模板工艺中，通过参数表达式建立起模板工艺中工艺数据与零件参数之间的参数化关系。这种关系保证参数化驱动生成系列产品的加工工艺规程。

建立了模板工艺，还需要建立工艺生成规则、完成参数化关系的实现、实现工序图形的自动选取以及根据参数驱动生成工序图等工作，才能实现参数化工艺设计。

根据以上方式，模板工艺的工序图形及其工序的配置，均可由具体的系列的零件参数调整来修改和控制，这就实现了模板工艺的参数化。零件参数和模板工艺的处理如图2。

 
图2 零件参数和模板工艺流程

3 零件参数信息的表达和获取

要实现参数化设计，必须建立零件的参数化模型。零件的参数主要是其尺寸参数，即几何参数，还有结构说明参数，比如有无弯段。对于几何参数而言，主要有两个内容:几何关系和拓扑关系。几何关系是指具有几何意义的点、线、面，有确定的位置和大小;拓扑关系反映形体的特征和关系，如几何元素之间的邻接关系。在一般的工艺设计中既涉及到尺寸的改变;又涉及到结构的改变。零件参数的形式要充分表达产品系列的特点，确保能够根据参数来确定产品的几何形状和结构关系。零件参数主要根据产品的系列从设计来总结和提取。在工艺部门编制工艺时从设计获取零件的信息，通过参数库来获取相应的零件参数信息。然后形成工艺的零件结构树，并且带有参数信息。

4 参数化工艺设计的实现

本文介绍了基于模板工艺的参数化工艺的设计方法，并运用该方法在商品化的CAPP系统-CAPP Framework上实现了烟草机械产品的参数化CAPP系统。

在本系统中，建立模板工艺库管理模块，采用面向对象的方法，根据参数表达式的不同形式建立<类>表示工艺分类;将参数作为类的属性，将部分需要计算的参数以计算公式的形式表示。模板工艺的代号为零件代号，如果同一类型的通用件有多份模板工艺，即出现多匹配的工艺，可以通过关键标识来区分，增加工艺生成的柔性。工艺人员可以在工艺设计过程中，随时将总结的模板工艺规程经过一定的编辑修改(输人工艺规程属性信息，总结参数表达式 ，配备图形)直接放人模板工艺库中，从而实现模板工艺的动态扩充。

由于每个通用件都有相应的参数表，除了设计明细表具有的信息外，CAPP系统可以从设计BOM的数据库中获取产品级或部件级的BOM信息，其中包含了物料号、参数信息(指从设计传送过来的，编制工艺时用到的所有信息，可以明确表示一种模板工艺的属性，包括产品参数、部件参数、零件参数)。

将模板工艺中的工序图建立成一个工序图库，并且建立起与模板工艺之间的对应关系。工序图中尺寸随着工艺参数变动，所以在工序图中也要建立与参数对应的参数化关系。

在模板工艺库和零件参数库、图形库都建立起来后，工艺员在处理通用件的工艺规程设计过程中，选择要处理的产品系列，利用模板工艺和零件参数生成当前产品下的工艺规程。即根据零件的参数表达式去找相应的模板工艺和工序图形，关联生成对应的零件工艺。

模板工艺库、图形库和参数库组织如图4。在关联过程中可能遇到的以下三种情况:根据零件代号和参数关联一份模板工艺;根据零件代号和参数找到多份模板工艺，需要根据关键参数由工艺员交互式判断并关联具体一份模板工艺;根据零件代号和参数无法找到一份模板工艺，需要进行工艺编制。关联到模板工艺后，系统根据零件的参数驱动去自动更改工艺中的下料尺寸、工时定额，以及与参数有关的内容，并且参数驱动生成图形。

5 结束语

基于模板工艺的参数化CAPP系统，是针对企业对CAPP系统智能化和实用化提出的更高要求而推出的。参数化工艺设计与传统的工艺设计方法相比，最大的特点是存储了设计的整个过程，能设计出一族而不是单一的产品模型，这使工程技术人员可以通过变动某些约束参数而不必运行工艺设计的全过程来更新设计，成为进行初始设计、产品模型的编辑修改、多种方案的设计和比较的有效手段。

本文运用基于模板工艺的参数化工艺设计方法在商品化CAPP系统CAPPFramework上实现了烟草机械产品的参数化CAPP系统。该系统在某烟草机械等物流设备制造企业的实践证明，应用参数化工艺设计在系列产品快速编制工艺，提高系统速度等方面全面提升了CAPP系统的智能性、同时也满足了系统实用性的要求，具有较强的适应性，其结果符合生产实际。