智能加工的工艺规划

不管是什么零件，也不管采用何种生产方式，都面临一个问题: 如何在保证质量及精度的前提下，能低成本、高效率地加工出零件来。即使是同一个零件，由于生产方式 (生产类型、毛坯类型、机床、刀具、夹具、量具等)不同，零件的工艺规划也不一样，所以工艺是零件加工的决定因素。如果采取智能加工的生产方式，那么零件的工艺规划与普通机床加工和普通的数控加工的工艺规划有所区别，具体表现在以下几个方面。

1. 工艺过程发生改变

由于采取智能加工的生产方式，它是一种复合化及自动化的加工，零件的整个工艺过程缩短了，工序数目减少了，机床数量、占地空间及操作人员都减少。

例如活塞的加工，以前采用普通的数控加工，需要3道工序和3台机床(车端面及止口工序、车外圆及环槽工序、钻油孔工序); 现在采用双主轴车削柔性制造单元，只需1道工序和1台机床。

从表面上看，购买柔性制造单元成本较大，但实际上，企业在效率、生产成本、管理成本等方面都降低了，关键是工艺过程发生了改变。

2. 工艺规划的形式发生改变

以往工艺规划都是根据《机械加工工艺手册》手工编工艺，现在由于采取智能加工的生产方式，充分运用CAM和信息数据的通信功能，可以用电脑和CAM软件来进行工艺规划并与机床联机操作。

3. 工序设计发生改变

①工序内容发生改变。由于采取智能加工的生产方式，零件的加工往往采取工序集中的方法，提高了零件的加工精度 (特别是形位精度)，工序的工步多了，使用的刀具也多了。

②加工阶段、切削参数的选取及走刀方式的规划发生改变。采用电脑和CAM软件能非常方便地进行加工阶段、切削参数的选取及走刀方式的规划并通过仿真检验，对切削参数、走刀方式、走刀轨迹进行优化。

③在智能加工中，由于多数情况下要使用上下料机器人，夹具 (不管是通用的还是专用的) 要求是自动 (液压或气动) 动作的，这样才能适应柔性制造单元的各部分的动作节拍和动作程序的要求。

④在智能加工中，大多采用在线自动量具，一般不需人为选择。

⑤在智能加工中，新的加工方法的出现 (如铣螺纹、铣螺纹退刀槽、铣孔等) 改变了工件工序的加工方式。

4. 成组技术

在智能加工中，尽可能采用成组技术，这样可充分利用数控系统和CAD/CAM软件的功能。

成组技术被公认为是解决多品种、小批量生产的有效途径。成组技术GT (Group Technology) 是从制造工艺领域的应用开始，并逐步发展成为一种提高多品种、中小批量生产水平的生产与管理技术。目前，随着现代制造系统的发展，GT被认为是FMS及CIMS等先进制造系统的技术基础。从广义上讲，成组技术就是将许多各不相同，但又具有相似性的事物，按照一定的准则分类成组，使若干种事物能够采用同一解决方法，从而达到节省人力、时间和费用的目的。长久以来，人们从经验中认识到，把相似的事物集中起来加以处理，可以减少重复性劳动和提高效率。这一类的例子可以在各类工作和生活领域看到，成组技术的核心和关键是按照一定的相似性准则对产品零件分类成组。

成组技术在制造工艺中主要用于编制成组工艺规程，设计成组工艺装备，建立柔性制造系统，并且有利于实现计算机辅助工艺、工装设计等。

(1) 编制成组工艺规程

成组工艺规程是一种通用工艺文件，如果对老产品编制了成组工艺规程，则在试制新产品时就可不编或少编工艺规程，只要插入相似零件组的工艺规程即可，这样可以大大减少编制工艺规程的工作人员，从而提高经济性。

(2) 设计成组工艺装备

成组工艺装备主要指成组夹具。成组夹具和成组工艺规程一样，是针对一组相似零件而进行设计的。为满足一组零件的加工要求，成组夹具的结构特点由固定不变的基体和可换调节元件两部分组成。前者是通用的，像一个机床附件，后者是根据一组零件的加工要求而设计的，是夹具的专用部分。当新产品试制时，一般仅设计可换部分，因此成组夹具具有良好的继承性和经济效益。

对数控加工来说，成组技术的应用就是根据被加工零件的几何形状、结构及加工工艺的相似性进行分组。同一组的零件可按共同的工艺流程，通过改变加工程序，便能加工某一零件族中的任一零件。

5. 工艺规划的方向

在将来的智能加工中，“基于特征的数控技术加工工艺的决策支持”是工艺规划的方向。现有的数控技术加工工艺设计系统主要是提供一个可以进行数控技术加工工艺设计的人机交互式工具，并没有针对零件的特征信息提供一套计算机辅助的机制来对数控技术加工的工艺设计进行指导。这样就导致在当前的软件环境中数控技术工艺人员只能手工填写数控加工工艺，没有充分利用已有的数控技术加工工艺设计软件和计算机辅助的功能对数控技术加工工艺设计过程进行进一步的支持。从而导致数控技术加工工艺设计效率低下，而且数控技术加工质量完全依赖于数控技术工艺设计人员的水平，造成数控技术加工质量的参差不齐。

在工厂实际设计零件的数控技术加工工艺中，由于零件大多形状复杂，导致数控技术加工设计复杂，如何减小数控技术加工工艺设计人员的劳动量，使得数控技术加工工艺人员可以将更多的精力投入创造性的劳动中就成为数控技术加工工艺辅助设计的重要研究课题。

(1) 零件信息的描述

现有的大部分数控技术加工工艺设计系统只注重零件的几何表达，而对于各种技术和公差精度等信息只作为标注处理，而在进行数控技术加工工艺设计时往往要重新查看甚至是输入这些工艺信息，这样不仅造成大量人力、物力重复投入，而且对于数据的及时准确传输也是一个障碍，从而造成了工艺决策系统效率低下，也就不能完全体现出加工工艺决策支持带来的好处。

基于对数据集成和数控技术加工工艺决策系统效率的要求，必须建立一种全新的信息承载体，该承载体不但能够承载传统的几何信息，而且能够承载工艺所需要的其他信息 (例如公差精度以及材料等信息)，包括特征几何信息和工艺特征信息两大类。特征几何信息是产品CAD过程中必须提供有关特征的几何参数，只有这样才能利用特征进行CAD建模; 而工艺特征信息包括几何特征种类 (花键、外圆、螺纹、环槽等)、各项技术要求 (尺寸公差、位置公差、热处理要求等)，这些特征信息实质上反映了CAPP系统所必需的加工特征参数。由此可见，特征应是零件的几何特征和加工特征的结合体，但它又是某种特定功能的反映。

将特征分为以下5类广义特征:

①形状特征。形状特征用于描述具有一定工程意义的功能几何形状;

②精度特征。精度特征用于描述与产品的几何许可变动量相关的信息，如表面粗糙度、形状位置公差及其基准面、尺寸公差等;

③技术特征。技术特征用于描述零件的性能、作用等相关的信息;

④材料特征。材料特征用于描述零件材料的类型等;

⑤管理特征。管理特征用于描述零件的管理信息，如零件名称、批量等。

零件信息建立在上述5类特征上，从而把特征作为零件数控技术加工工艺设计的基本单元。这样将多个特征组织在一起就可以形成完整的零件特征，不但可以完成零件设计者的意图，也可以为以后的数控技术加工工艺设计的辅助化工作提供基础数据。

(2) 工艺知识的表达

只有特征数据并不足以使系统对数控技术加工工艺决策进行辅助。系统还需要对数控技术加工知识进行总结抽象，以达到计算机存储的要求，才能使得数控技术加工工艺设计系统得到知识的支持，从而达到对数控技术加工工艺设计的辅助。数控技术加工知识库存储管理大量工艺专家经验、规则、事实、概念，并向用户提供方便的查询和检索手段，为数控技术加工工艺设计提供知识支持。在所提供的内容丰富的工艺知识库基础上，进一步建立企业专用的机床、刀具、夹具、切削参数、材料、典型工艺库。将数控技术加工工艺所用到的加工方法链、数控技术机床、刀具、夹具、切削参数定义为不同的类。将这些类作为一个基础，在此基础上分别定义各自的子类，利用类的继承和派生的特点，合理安排类的结构以便扩充和使用方便。在工艺模型中，为了便于用户进行数控技术加工工艺设计和数控技术加工工艺数据的管理，保证数控技术加工工艺信息的规范性和集成性，需要对属性的取值进行约束。

(3) 决策支持的方法

有了特征信息作为系统输入，并建立了数控技术加工的知识库与资源库，系统就具备了对数控技术加工工艺设计决策过程进行辅助的基本条件，以下将论述系统的构成和整个推理过程。

数控技术工艺决策模块如图2-11所示。图中各个模块的作用主要是根据工艺人员输入的零件信息配合数控技术加工工艺知识库中数控技术加工工艺知识和数控资源库的数控技术资源信息，利用一定的推理规则实现零件数控技术加工工艺的决策支持，其中包括数控技术加工方法的选择，确定夹具、刀具、数控技术加工参数以及数控技术加工设备。

图2-11 数控技术工艺决策模块

整个决策过程的核心是数控技术加工方法链的决策过程。由于本系统采用的数控技术加工工艺知识库主要是依据不同的特征建立相对应的加工方法链，所以数控技术加工工艺辅助决策的推理机制主要是采取演绎推理的形式。数控技术加工工艺辅助决策推理方式是利用特征设计所给出的特征信息来匹配数控技术加工知识库中符合条件的加工方法链，由用户确定使用哪个数控技术加工方法链作为理想的加工方法链。

系统的核心是理想加工方法链的生成过程，但是推理过程的控制对于整个系统而言也十分重要，这是因为推理过程的控制主要是解决求解过程中知识的选择和应用顺序，也就是说合理的控制策略可以减少推理过程中的推理费用，以达到减少知识匹配费用以及知识应用费用的目的。