近年來，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)在企業(yè)中的應(yīng)用不斷深入，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭的日益激烈，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的快速、智能、合理性等方面的要求越來越高，雖然CAPP系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但其生成的生產(chǎn)工藝往往不能很好地針對(duì)企業(yè)現(xiàn)有的制造資源現(xiàn)狀，即生產(chǎn)工藝無法以現(xiàn)有制造資源實(shí)現(xiàn)。因此，迫切需要一種工藝設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)，工藝人員在熟悉的軟件環(huán)境下對(duì)工藝設(shè)計(jì)對(duì)象作簡單的操作即可完成工藝設(shè)計(jì)。
本文以軌道車輛轉(zhuǎn)向架常用沖壓零件為研究對(duì)象，針對(duì)企業(yè)實(shí)際制造資源現(xiàn)狀，以制造工藝的智能化和可實(shí)現(xiàn)性為目的，研究了CAD/CAPP系統(tǒng)集成環(huán)境下沖壓件的工藝特征識(shí)別、提取和在制造資源約束下的工藝智能設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題。首先基于特征識(shí)別和特征映射實(shí)現(xiàn)了CAD/CAPP之間的無縫集成，進(jìn)而通過建立制造資源對(duì)工藝特征的約束機(jī)制，以及基于工藝特征的沖壓件工藝推理規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了滿足企業(yè)現(xiàn)有制造資源約束要求的沖壓類零件制造工藝的智能設(shè)計(jì)。
1 基于特征的CAD/CAPP系統(tǒng)集成
CAD系統(tǒng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的環(huán)境．同時(shí)也是工藝設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象工藝信息獲取的重要工具，因此，CAPP與CAD系統(tǒng)的集成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)CAPP系統(tǒng)的操作都能夠在CAD系統(tǒng)下完成。
零件工藝信息是CAPP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工藝生成的基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象準(zhǔn)確、簡潔的工藝信息獲取是CAPP系統(tǒng)進(jìn)行工藝決策分析的關(guān)鍵，而零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)信息為基礎(chǔ)來完成。特征是信息的抽象與集合，同時(shí)是信息的載體，可分為設(shè)計(jì)特征與工藝特征。在應(yīng)用CAPP階段，工藝設(shè)計(jì)人員希望從零件幾何模型中盡可能通過簡單的操作獲取對(duì)工藝設(shè)計(jì)有用的信息，甚至通過簡單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊和菜單操作即可完成所有工藝信息獲取，以減少人工的信息分析和輸入的工作量。特征即為零件信息的載體，其可將CAD系統(tǒng)下零件的信息以數(shù)據(jù)的形式傳遞給CAPP系統(tǒng)，由此，特征作為信息傳遞的紐帶，通過特征識(shí)別和特征映射將兩系統(tǒng)集成起來，在集成系統(tǒng)下，對(duì)零件信息的操作可通過對(duì)零件特征的操作實(shí)現(xiàn)。
基于特征的CAD/CAPP集成系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：CAD環(huán)境下特征信息獲取模塊，特征映射模塊，資源約束下工藝方案、工藝文件生成的CAPP模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程
系統(tǒng)以工藝設(shè)計(jì)對(duì)象（零件的三維模型）為輸入，以人機(jī)交互的方式在CAD環(huán)境下提取零件的設(shè)計(jì)特征以及選擇零件的材質(zhì)，從而生成完整的設(shè)計(jì)特征，經(jīng)特征映射將設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)化為工藝特征，并以特征文件的形式存儲(chǔ)，特征文件可以通過模塊間的通信將零件的信息傳遞到CAPP模塊中，在制造資源約束的條件下，生成符合實(shí)際的工藝方案，進(jìn)而通過工藝決策生成工藝文件。
特征映射以特征映射機(jī)理為基礎(chǔ)，采用產(chǎn)生式規(guī)則推理的方法將設(shè)計(jì)特征映射為工藝特征。集成系統(tǒng)提供模塊化管理接口，映射功能模塊與系統(tǒng)間以動(dòng)態(tài)鏈接的形式結(jié)合，這樣易于功能模塊維護(hù)且可在不修改系統(tǒng)程序框架的情況下升級(jí)新功能。特征映射過程為系統(tǒng)后臺(tái)運(yùn)行功能，其工作過程如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)特征映射
CAD/CAPP系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)是以特征技術(shù)為基礎(chǔ)的，作為信息載體，特征能夠跨平臺(tái)地傳遞零件的幾何信息、工藝信息以及其它屬性信息。基于特征技術(shù)的CAD/CAPP系統(tǒng)，以通用CAD系統(tǒng)為平臺(tái)，通過二次開發(fā)技術(shù)，擴(kuò)展CAD系統(tǒng)的特征識(shí)別和信息處理功能模塊，工藝人員以人機(jī)交互的方式在熟悉的CAD環(huán)境下，即可完成對(duì)零件幾何信息、工藝信息的獲取。對(duì)于這些信息，系統(tǒng)以特征文件的形式存儲(chǔ)，該文件為文檔格式的多系統(tǒng)可識(shí)別的中性文件，通過定義文件的格式，以及為CAD、CAPP系統(tǒng)開發(fā)擴(kuò)展文件接口程序，即可實(shí)現(xiàn)零件信息在多系統(tǒng)之間的傳遞。特征文件包含了與設(shè)計(jì)有關(guān)的幾何信息，同時(shí)包含與生產(chǎn)相關(guān)的制造信息，這些信息通過特征映射，經(jīng)程序模塊處理、提取后生成與工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的工藝信息，即工藝信息文件。該文件經(jīng)制造資源約束模塊讀取，作出可制造性判定后即可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行工藝決策，生成符合當(dāng)前企業(yè)制造能力要求的工藝文件。
本文采用配置文件作為特征文件的存儲(chǔ)形式，為了使存儲(chǔ)于各系統(tǒng)中的特征信息便于應(yīng)用及處理，有必要應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序語言建立配置文件的操作功能接口。筆者設(shè)計(jì)了基于配置文件信息存儲(chǔ)模型的數(shù)據(jù)信息操作接口，由此可實(shí)現(xiàn)基于配置文件的特征信息的保存、修改和解析，使得工藝系統(tǒng)可以以此讀取特征信息，同時(shí)也可以將配置文件中保存的特征信息還原到設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)工作提供信息支持。圖3為基于配置文件的特征信息轉(zhuǎn)換接口功能示意圖。
圖3 文件信息轉(zhuǎn)化接口
2 制造資源對(duì)生產(chǎn)工藝的約束
生產(chǎn)工藝必須在企業(yè)制造資源約束下才能對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)起到正確的指導(dǎo)作用，在工藝設(shè)計(jì)過程中，希望企業(yè)的制造資源是清晰描述的，并且是能夠?qū)に囋O(shè)計(jì)起到指導(dǎo)和約束作用的。
制造資源描述主要是對(duì)其制造能力的描述，制造能力是指應(yīng)用企業(yè)制造資源所能完成的生產(chǎn)任務(wù)的程度，如機(jī)床的加工范圍、加工精度，折彎機(jī)的最大折彎力等。制造資源分為機(jī)床設(shè)備、模具、刀具、工裝、量具等。制造資源以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)信息，數(shù)據(jù)主要包括管理信息和能力信息兩方面內(nèi)容，見表1。
表1 制造資源數(shù)據(jù)
制造資源庫包括工藝知識(shí)庫和資源設(shè)備庫兩部分。工藝知識(shí)庫存儲(chǔ)以制造資源信息為基礎(chǔ)的工藝約束性知識(shí)，如針對(duì)某一工藝對(duì)象的設(shè)備、工裝等的選擇規(guī)則，工藝參數(shù)的確定規(guī)則等。
資源設(shè)備庫主要包括各類機(jī)床、模具、刀具、工裝和量具等，這些設(shè)備以數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)和管理。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫為用戶提供管理接口，根據(jù)企業(yè)制造資源的變更，可及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，從而可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)企業(yè)的制造資源現(xiàn)狀，及時(shí)有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。
在零件生產(chǎn)工藝過程中，工序中涉及相應(yīng)的機(jī)床，工件安裝涉及相應(yīng)的夾具，機(jī)床和夾具確定后由刀具實(shí)現(xiàn)加工，或由模具實(shí)現(xiàn)成型，最后由量具實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此，工藝過程中各個(gè)環(huán)節(jié)都受到制造資源的約束。工藝過程資源約束關(guān)系如圖4所示。
圖4 工藝過程資源約束
對(duì)工藝知識(shí)和制造資源的管理，通過對(duì)CAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)以及擴(kuò)展工藝知識(shí)庫和制造資源庫管理功能模塊予以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)管理接口，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝知識(shí)、制造資源信息的添加、修改和刪除，通過這一接口，工藝人員以及系統(tǒng)維護(hù)人員可以將產(chǎn)品生產(chǎn)過程中積累的工藝經(jīng)驗(yàn)以及工藝改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)時(shí)地添加到工藝系統(tǒng)中，同時(shí)可根據(jù)企業(yè)制造資源變動(dòng)調(diào)整資源信息，由此實(shí)現(xiàn)了有價(jià)值的生產(chǎn)工藝以及經(jīng)驗(yàn)的積累和傳承，同時(shí)保證了制造資源的實(shí)時(shí)更新，使系統(tǒng)工藝生成的智能性、合理性不斷提升。
以鋼板類零件折彎成型過程為例，共涉及機(jī)床、工具、量具3類制造資源，其中機(jī)床包括數(shù)控折彎機(jī)，工具包括折彎模具，量具包括折彎檢測(cè)工具。
反應(yīng)制造資源能力的參數(shù)為：1)折彎機(jī)，最大折彎力，最大可折工件長度，最大可折工件寬度，最大開啟高度；2)折彎模具，最大工件寬度，折彎圓弧半徑，折彎圓弧張角；3)測(cè)量工具，折彎圓弧半徑，折彎圓弧張角。
以某一組制造資源為例，約束參數(shù)表示方式如下。
折彎機(jī)A：折彎力≤1200kN，可折工件長度≤3200mm，可折工件寬度≤2700mm，開啟高度≤620mm。
折彎上模A：工件寬度≤1000mm，50mm≤折彎圓弧半徑≤60mm，50°≤折彎圓弧張角≤120°。
折彎下模A：工件寬度≤1000mm，下模開口寬度=100mm，30mm≤折彎圓弧半徑≤180mm，90°≤折彎圓弧張角≤120°。
測(cè)量工具A：10mm≤折彎圓弧半徑≤150mm，折彎圓弧張角≤180°。
通過對(duì)折彎對(duì)象特征提取的特征信息包括板料厚度S、板料折彎寬度L以及材料抗拉強(qiáng)度b，根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)，下模開口寬度V與板料厚度S之間的約束關(guān)系為：
8S≤V≤10S
折彎半徑R與下模開口寬度V之間的關(guān)系為：
0.16V≤R≤0.17V
折彎力P的計(jì)算公式為：
P=1.42bS2L/V
通過對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象特征信息處理，得到工藝參數(shù)V、S、P，再通過對(duì)制造資源信息檢索及對(duì)約束關(guān)系進(jìn)行邏輯判斷，即可評(píng)價(jià)出此工件是否可以現(xiàn)有制造資源來達(dá)到理想設(shè)計(jì)要求。
若通過約束判定后可實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇現(xiàn)有設(shè)備、模具、工裝、量具的制造資源，通過工藝決策生成零件成型工藝。
3 實(shí)例
圖5為轉(zhuǎn)向架側(cè)梁下蓋板折彎成型后的三維模型，具體參數(shù)如圖6所示。
圖5 三維模型
圖6 零件成型參數(shù)
在CAD環(huán)境下，通過對(duì)幾何模型進(jìn)行特征選取，以及經(jīng)過系統(tǒng)特征映射、制造資源約束判斷、工藝方案選擇以及工藝決策，系統(tǒng)生成特征中性文件：
[XGB(01)]
R1=50
V1=140
R2=100
V2=160
R3=100
V3=120
L1=71.5
L2=350.6
L3=255.4
L4=1036.3
S=14
其中：R表示圓弧半徑；V表示圓弧張角；L表示圓弧間距：S表示材料板厚。
由以上參數(shù)可以通過系統(tǒng)處理得到制造資源約束結(jié)果，若具備可制造性，則生成折彎工藝文件。
4 結(jié)束語
本文提出了制造資源約束檢查方法，建立了基于特征和制造資源約束的折彎工藝設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)，并以轉(zhuǎn)向架常用件作為設(shè)計(jì)對(duì)象對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，得到如下結(jié)論。
(1)系統(tǒng)由零件模型提取的特征信息能夠完整地描述零件幾何結(jié)構(gòu)和工藝要求。
(2)設(shè)計(jì)特征可向工藝特征映射，系統(tǒng)通過三維圖形顯示的方式，表現(xiàn)設(shè)計(jì)人員的意圖。
(3)工藝推理模塊能夠通過讀取加工特征文件，獲取零件設(shè)計(jì)信息，生成工藝流程，實(shí)現(xiàn)制造工藝智能生成。
(4)系統(tǒng)對(duì)工藝特征進(jìn)行制造資源約束檢查，保證所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝是本企業(yè)現(xiàn)階段可制造的，減少了由于零件不可加工造成的反復(fù)設(shè)計(jì)問題，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭力。
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本文標(biāo)題：基于特征和制造資源約束的折彎工藝設(shè)計(jì)方法研究
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