| 基于特征的數控加工工藝的決策支持(1)
王小輝，喬立紅
（北京航空航天大學機械制造及其自動化學院）
摘要： 提出了一種基于特征的數控加工工藝生成方式，闡述了與該方式相關的特征技術、數控加工工藝知識與資源庫、數控加工方法鏈以及相匹配的數控加工參數、刀具、夾具等的產生方式。
關鍵詞： 特征；數控加工；工藝決策；知識庫
隨著數控技術與CAD/CAPP/CAM技術的飛速發展，使得企業可加工精度更高、形狀更復雜的零
件。另外一方面市場競爭的日益加劇，要求企業在產品質量不斷提高的前提之下不斷壓縮產品生產時
間。所以如何利用計算機對數控加工工藝設計過程進行輔助，以期提高數控加工工藝設計的質量，減少生產時間就成為當務之急。
但是，現有的數控加工工藝設計系統主要是提供一個可以進行數控加工工藝設計的人機交互式工具，并沒有針對零件的特征信息提供一套計算機輔助的機制對數控加工的工藝設計進行指導。這樣就導致在當前的軟件環境中數控工藝人員只能手工填寫數控加工工藝，沒有充分利用已有的數控加工工藝設計軟件和計算機輔助的功能對數控加工工藝設計過程進行進一步的支持。從而導致數控加工工藝設計效率低下，而且數控加工質量完全依賴于數控工藝設計人員的水平，造成數控加工質量的參差不齊。
在工廠實際設計零件的數控加工工藝中，由于零件大多形狀復雜，導致數控加工設計復雜，如何減輕數控加工工藝設計人員的勞動量，使得數控加工工藝人員可以將更多的精力投入到創造性的勞動中，就成為數控加工工藝輔助設計的重要研究課題。本課題將研究在數控加工工藝設計中匯集數控加工工藝專家智慧，并且充分利用這些數控加工工藝知識，進行邏輯判斷推理，以期探索出一條有效提高數控加工工藝設計質量，縮短時間的途徑，從而輔助數控加工工藝設計人員的數控加工工藝決策過程。
1、適于數控加工決策支持的零件信息描述
現有的大部分數控加工工藝設計系統注重的只是零件的幾何表達，而對于各種技術和公差精度等
信息只能作為標注處理，而在進行數控加工工藝設計時往往要重新察看甚至是輸入這些工藝信息，這
樣不僅造成大量人力物力重復投入，而且對于數據的及時準確傳輸也是一個障礙，從而造成了工藝決
策系統效率低下，也就不能完全體現出加工工藝決策輔助支持帶來的好處。本課題將以特征技術作為
數控加工工藝決策系統的輸入信息。
基于對數據集成和數控加工工藝決策系統效率的要求，必須建立一種全新的信息承載體。該承載體不但能夠承載傳統的幾何信息，而且能夠承載工藝所需要的其它信息（例如公差精度以及材料等信
息）。包括特征幾何信息和工藝特征信息兩大類。特征幾何信息是產品CAD過程中必須提供有關特征
的幾何參數，只有這樣才能利用特征進行CAD建模.而工藝特征信息包括如幾何特征種類（花鍵、外
圓、螺紋、環槽等）、各項技術要求（尺寸公差、位置公差、熱處理要求等），這些特征信息實質上反映了CAPP系統所必須的加工特征參數。由此可見，特征應是零件的幾何特征和加工特征的結構體，但它又是某種特定功能的反映。綜上所述，本文將特征分為以下5個廣義特征：
（1）形狀特征。用于描述具有一定工程意義的功能幾何形狀；
（2）精度特征。與產品的幾何許可變動量相關的信息集合，如表面粗糙度、形狀位置公差及其基準
面、尺寸公差等；
（3）技術特征。用于描述零件的性能、作用等相關的信息集合；
（4）材料特征。用于描述零件材料的類型等；
（5）管理特征。用于描述零件的管理信息，如零件名稱、批量等。
零件信息將建立在上述5類特征上，從而把特征作為零件數控加工工藝設計的基本單元。這樣將
多個特征組織在一起就可以形成完整的零件特征，不但可以完成零件設計者的意圖，也可以為以后的
數控加工工藝設計的輔助化工作提供基礎數據。
2、數控加工工藝知識的表達
只有特征數據并不足以使系統對數控加工工藝決策進行輔助。系統還需要對數控加工知識進行總
結抽象，以達到計算機存儲的要求；才能使得數控加工工藝設計系統得到知識的支持，從而達到對數控加工工藝設計的輔助。
2.1.數控加工知識的建立原則
數控加工知識庫存儲管理大量工藝專家經驗、規則、事實、概念，并向用戶提供方便的查詢和檢索手段，為數控加工工藝設計提供知識支持.在所提供的內容豐富的工藝知識庫基礎上，進一步建立企業專用的機床、刀具、夾具、切削參數、材料、典型工藝庫等.鑒于數控加工知識涉及的種類繁多，信息量大，必須嚴格按照以下幾條原則建立數控加工知識庫和數控資源庫，以便提供系統全面的知識存儲和快速高效的檢索查詢。
（1）數控加工工藝知識的信息模型必須在綜合、全面的分析數控加工的需要和各類數控加工工藝規
程、文件的基礎上建立。既要全面地反映數控工藝規程和文件中需求的信息，又要方便清晰地反映對象的客觀存在。
（2）類對象應盡量保持數控加工工藝規范的完整性。類屬性的確定既要將數控加工工藝規程中出
現的信息反映在對應的類屬性中，又要考慮到一些數控加工工藝設計時所需參考的數據。
（3）類屬性、名稱采取企業的習慣。在確定類屬性時，不僅要考慮到理論上的需要，而且還要充分調查企業的使用情況，盡量的保留企業現有的習慣。
（4）類的層次應該盡量簡便，減少不必要的復雜度。盡可能地合并類、減少類的個數，這樣，不但可以提供給用戶一個簡潔的類視圖，方便以后的更改，而且可以提供系統方便的查詢，降低系統的開發難度"
2.2.面向對象的數控加工工藝表達方式
所謂面向對象的數控工藝知識信息建模就是指利用面向對象的方法分析數控加工工藝系統中各個
實體之間、對象之間的關系，以及對象所需要的屬性，形成可以正確反映數控加工工藝設計過程的對
象模型。
將數控加工工藝所用到的加工方法鏈、數控機床、刀具、夾具、切削參數定義為不同的類。將這些類作為一個基礎，在此基礎上分別定義各自的子類，利用類的繼承和派生的特點，合理安排類的結構以便擴充和使用的方便。在工藝模型中，為了便于用戶進行數控加工工藝設計和數控加工工藝數據的管理，保證數控加工工藝信息的規范性和集成性，需要確定對屬性的取值進行約束：
（1）對象的屬性值必須有明確的值域，例如工件的材料分為鋁合金、淬火鋼等。不能出現黑色金屬這種內涵過于廣泛而在計算機中很難處理的詞匯，必須對屬性的值域有一個明確的限定，才可以保證在整個加工決策的過程中正確合理的使用這些對象。
（2）對象屬性之間的關系必須明確。例如刀具的總長必須大于刀刃的長度，類似這些屬性值的限制
是保證對象是否真實存的關鍵。
2.3.實例說明
例如,數控刀具分類如圖1所示，將數控刀具分為數控銑刀、數控車刀、數控鉆頭，然后再根據這三個方面的具體使用情況再次進行小類別的劃分，例如其中的銑刀就可以分為一般銑刀、T形銑刀等，同樣的分類方式可以應用到其它數控刀具中。利用這樣的分類形式就可以真實地反映數控刀具的客觀存在情況，而且提供用戶可以方便地管理和使用數控刀具的具體實例。這樣數控刀具就在分類層次少的基礎上盡可能的涵蓋所有數控刀具，做到了分類清楚、全面，管理靈活、方便。
圖1：數控刀具的分類
3、決策支持的方法與推理過程
有了特征信息作為系統輸入，并建立了數控工的知識庫與資源庫，系統就具備了對數控加工工
藝設計決策過程進行輔助的基本條件，以下將論述本系統的構成和整個推理過程。
3.1.系統的構成
數控工藝決策模塊的構成如圖2所示.圖中各個模塊的作用主要是根據工藝人員輸入的零件信息
圖2：數控工藝決策模塊構成
配合數控加工工藝知識庫中數控加工工藝知識和數控資源庫的數控資源信息，利用一定的推理規則實
現零件數控加工工藝的決策支持，其中包括數控加工方法的選擇，確定夾具、刀具、數控加工參數以及數控加工設備。
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