CN106843153B - 面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法 - Google Patents

面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法，用于解决现有可重用数控工艺映射方法实用性差的技术问题。技术方案是采用多叉树的方式构建工艺方案结构化模型，以工艺方案为指导，根据加工操作属性信息对可重用数控工艺分别进行工位、工序、工步解析，根据工艺解析结果将可重用数控工艺向工艺方案进行映射，以工艺方案指导可重用数控工艺进行整体工艺的排序，以支持生成合理、完整的零件数控加工方案，从而有效解决了工艺排序过程中排序效率低，排序结果不满足实际加工要求等技术问题，实用性好。

Description

面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法
技术领域
本发明涉及一种可重用数控工艺映射方法，特别涉及一种面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法。
背景技术
文献“基于遗传算法的加工工艺决策与排序优化，中国机械工程，2012，23(1)：59-65.”公开了一种基于遗传算法的加工工艺决策与排序优化方法。该方法以总生产时间最短为优化目标，建立零件工步排序数学模型；考虑多次装夹下零件特征有多种加工方案的情形,通过引入特征约束矩阵和加工优先级系数，构建工艺排序约束条件，保证工艺规划中约束的合理性；采用遗传算法对加工方案进行选择与排序，较好的解决了箱体类零件的工艺路线排序问题。文献所述方法虽然在工艺排序过程中取得了较好的成果，但尚未与数控工艺重用技术进行有效集成。此外上述方法虽然考虑了工艺约束、加工资源等对工艺排序的影响，但排序未面向工艺方案，这导致工艺排序是一个组合爆炸问题，排序效率低，时间长，且排序结果难以满足零件的实际加工要求。
发明内容
为了克服现有可重用数控工艺映射方法实用性差的不足，本发明提供一种面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法。该方法采用多叉树的方式构建工艺方案结构化模型，以工艺方案为指导，根据加工操作属性信息对可重用数控工艺分别进行工位、工序、工步解析，根据工艺解析结果将可重用数控工艺向工艺方案进行映射，以工艺方案指导可重用数控工艺进行整体工艺的排序，以支持生成合理、完整的零件数控加工方案，从而有效解决了工艺排序过程中排序效率低，排序结果不满足实际加工要求等技术问题，实用性好。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、采用多叉树的方式构建工艺方案结构化模型，表明工艺方案中工位、工序、工步以及各属性之间的关系，表示方法如下：
其中，SMP表示具有多层次的工艺方案，MPBI表示工艺方案基本信息，WD表示工位节点，n表示工艺方案中工位个数，wdi表示第i个工位，PT表示零件类型，ST表示毛坯类型，SM表示毛坯材料。
其中，wd表示工位，wdD表示工位方向，WP表示该工位下包含的工序节点，R(rd)表示该工位与工艺方案中其他工位间的位置关系，m表示该工位中包含的工序个数，wpj表示第j个工序。
其中，wp表示工序，wpBI表示工序基本信息，由加工类型Mt、加工阶段Ms以及机床MMT组成，WS表示该工序下包含的工步节点，s表示该工序中包含的工步个数，wsk表示第k个工步，R(rp)表示该工序与相同工位下的其他工序之间的位置关系。
其中，ws表示工步，MM表示工步采用的加工方法，MO表示该工步的加工部位，R(rs)表示该工步与相同工序下的其他工步序列间的位置关系；R表示该工步在零件工艺方案中的全局位置关系,rs表该工步与相同工序节点下的其他工步之间的位置关系，rp表示该工步所在工序与相同工位下的其他工序之间的位置关系，rd表示该工步所在的工位与工艺方案中其他工位之间的位置关系。
步骤二、通过特征识别以及三维模型检索方法，从工艺信息模型实例库中依次检索出与每个查询特征相似的特征，并对其关联的数控工艺进行有效重用，以获取待制零件的可重用数控工艺。以特征工艺链为基本单元，以工艺方案为指导，根据加工操作属性信息对可重用数控工艺分别进行工位、工序和工步解析。
所述的特征工艺链是指加工该特征所采用的加工操作序列，其步骤为：
步骤1)根据加工操作中的余量信息判断加工操作所属加工阶段，根据加工操作关联特征类型、加工阶段、加工操作类型将特征工艺链与特征典型工艺路线进行匹配，推出特征工艺链中每个加工操作属于典型工序，将典型工序与工艺方案中各工序进行匹配，解析出加工操作所属工序。典型工序与工艺方案中工序的相似性从加工类型与加工阶段进行计算，计算公式如下：
Sim(wpi,wpj)＝0.5×SimM(wpi,wpj)+0.5×SimS(wpi,wpj)
其中Sim(wpi,wpj)表示典型工序wpi与工艺方案中工序wpj的相似度，SimM(wpi,wpj)表示wpi与wpj加工类型相似度，SimS(wpi,wpj)表示wpi与wpj加工阶段相似度。SimM(wpi,wpj)与SimS(wpi,wpj)相似度采用基于语义的相似度计算方法，具体公式如下：
其中，Sim(X1,X2)∈[0,1]，||X1S||和||X2S||分别表示X1和X2的字符串长度，ed(X1,X2)表示两个相比较字符串的编辑距离。
步骤2)根据加工操作类型、加工操作关联特征类型和加工余量这些信息推理加工操作加工部位，根据加工操作所属工序，加工部位，关联特征类型与零件加工方案中工步序列进行匹配，确定加工操作所属工步。特征工艺链中加工操作与加工方案中工步的相似性从加工特征类型、所属工序和加工部位三个方面进行计算，计算公式如下：
其中Sim(opi,wsj)表示加工操作opi与工艺方案中工步wsj的相似度，SimP(opi,wsj)表示opi与wsj所属工序相似度，SimF(opi,wsj)表示opi与wsj加工特征相似度，SimB(opi,wsj)表示opi与wsj加工部位相似度。
步骤3)对待制零件中的所有可重用数控工艺按照上述方法进行工步、工序解析，在完成工序、工步解析的基础上，将可重用数控工艺S根据其关联特征的刀具轴向，将刀具轴向相同的加工操作进行聚类分组，形成不同的工位级加工操作组(S'1,S'2,...,S'n)；然后根据工位级加工操作组S'i内加工操作所属的工序、工步信息以及关联特征类型，将工位级加工操作组S'i与加工方案中工位wdi从工序、工步种类以及加工特征类型三个方面完成相似度计算，最后根据相似度Sim(opi,wsj)值的大小选取工位级加工操作组S'i相匹配工位。其中相似度计算公式为：
其中Simp(S'i,wdi)表示S'i与wdi工序种类相似度，Sims(S'i,wdi)表示工步种类相似度，Simf(S'i,wdi)表示特征类型相似度。
步骤三、根据工艺解析结果将可重用数控工艺向工艺方案进行映射，以工艺方案指导可重用数控工艺进行整体工艺的排序。具体方法为：
深度遍历工艺方案M得到加工序列，记作M＝{gi}，1≤i≤n，将可重用数控工艺OS，其中OS＝{opj},1≤j≤m，根据所属的工位wdj、工序wpj、工步wsj与工艺方案中的各个工步进行匹配，如果满足：
wdi＝wdj∧wpi＝wpj∧wsi＝wsj
则加工操作opj与工艺方案中的加工序列gi相匹配，运用gi在工艺方案中的位置关系来辨明加工操作的优先权系数，则加工操作opj的优先级权系数为：Pj＝(n-i+1)/n，根据优先权系数值Pj，从大到小对加工操作进行排序，完成加工操作在宏观工艺层面的排序。
步骤四、将映射后的可重用数控工艺与工艺方案模型树中的属性信息以及零件模型信息进行有效集成。工艺信息的集成，实现了工艺信息的有效组织与存储，以方便工艺信息的检索及重用，并对整体工艺设计过程中信息的提取提供良好的支持。
步骤五、从集成工艺信息中提取特征间拓扑关系信息，以加工路径最短，空刀最少为优化目标，对每个工步下包含的加工操作进行加工路径排序，从而生成合理、优化的零件数控加工方案，完成零件的加工。
本发明的有益效果是：该方法采用多叉树的方式构建工艺方案结构化模型，以工艺方案为指导，根据加工操作属性信息对可重用数控工艺分别进行工位、工序、工步解析，根据工艺解析结果将可重用数控工艺向工艺方案进行映射，以工艺方案指导可重用数控工艺进行整体工艺的排序，以支持生成合理、完整的零件数控加工方案，从而有效解决了工艺排序过程中排序效率低，排序结果不满足实际加工要求等技术问题，实用性好。
1)将工艺方案进行结构化建模，形成了具有层次化的工艺方案模型，不仅能快速编辑、浏览工艺方案，而且便于可重用数控工艺向工艺方案映射，以工艺方案指导可重用数控工艺排序。
2)有效的集成了工艺重用技术，实现了信息资源的有效重用，提高了数控编程效率。统计资料表明，在CAM软件应用中，每个加工操作的设定平均需要用户交互使用鼠标和键盘约20次，因此，对一个复杂槽腔，若采用CAM系统通过人机交互进行数控工艺设计，需要100次左右的用户交互操作，但采用工艺重用技术，则仅需要6次用户交互操作。
3)以工艺方案指导可重用数控工艺排序，使得工艺排序效率高，排序结果更加符合零件的实际加工要求。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法的流程图。
图2是本发明方法中工艺方案树状表示模型图。
图3是本发明方法中可重用数控工艺解析图。
图4是实例零件模型。
图5是本发明中可重用数控工艺向工艺方案映射示例示意图。
具体实施方式
参照图1-5。本发明面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法具体步骤如下：
步骤一.采用多叉树的方式构建工艺方案结构化模型，表明工艺方案中工位、工序、工步以及各属性之间的关系，表示方法如下：
其中，SMP表示具有多层次的工艺方案，MPBI表示工艺方案基本信息，WD表示工位节点，n表示工艺方案中工位个数，wdi表示第i个工位，PT表示零件类型，ST表示毛坯类型，SM表示毛坯材料。
其中，wd表示工位，wdD表示工位方向，WP表示该工位下包含的工序节点，R(rd)表示该工位与工艺方案中其他工位间的位置关系，m表示该工位中包含的工序个数，wpj表示第j个工序。
其中，wp表示工序，wpBI表示工序基本信息，由加工类型Mt、加工阶段Ms以及机床MMT组成，WS表示该工序下包含的工步节点，s表示该工序中包含的工步个数，wsk表示第k个工步，R(rp)表示该工序与相同工位下的其他工序之间的位置关系。
其中，ws表示工步，MM表示工步采用的加工方法，MO表示该工步的加工部位，R(rs)表示该工步与相同工序下的其他工步序列间的位置关系；R表示该工步在零件工艺方案中的全局位置关系,rs表该工步与相同工序节点下的其他工步之间的位置关系，rp表示该工步所在工序与相同工位下的其他工序之间的位置关系，rd表示该工步所在的工位与工艺方案中其他工位之间的位置关系。
步骤二.通过特征识别以及三维模型检索技术，从工艺信息模型实例库中依次检索出与每个查询特征相似的特征，并对其关联的数控工艺进行有效重用，以获取待制零件的可重用数控工艺。以特征工艺链为基本单元，以工艺方案为指导，根据加工操作属性信息对可重用数控工艺分别进行工位、工序、工步解析，其中特征工艺链是指加工该特征所采用的加工操作序列，具体步骤为：
1)根据加工操作中的余量信息判断加工操作所属加工阶段，根据加工操作关联特征类型、加工阶段、加工操作类型将特征工艺链与特征典型工艺路线进行匹配，推出特征工艺链中每个加工操作属于典型工序，将典型工序与工艺方案中各工序进行匹配，解析出加工操作所属工序。典型工序与工艺方案中工序的相似性可从加工类型与加工阶段进行计算，计算公式如下：
Sim(wpi,wpj)＝0.5×SimM(wpi,wpj)+0.5×SimS(wpi,wpj)
其中Sim(wpi,wpj)表示典型工序wpi与工艺方案中工序wpj的相似度，SimM(wpi,wpj)表示wpi与wpj加工类型相似度，SimS(wpi,wpj)表示wpi与wpj加工阶段相似度。SimM(wpi,wpj)与SimS(wpi,wpj)相似度采用基于语义的相似度计算方法，具体公式如下：
其中，Sim(X1,X2)∈[0,1]，||X1S||和||X2S||分别表示X1和X2的字符串长度，ed(X1,X2)表示两个相比较字符串的编辑距离。
2)根据加工操作类型、加工操作关联特征类型，加工余量等信息推理加工操作加工部位，根据加工操作所属工序，加工部位，关联特征类型与零件加工方案中工步序列进行匹配，确定加工操作所属工步。特征工艺链中加工操作与加工方案中工步的相似性可从加工特征类型，所属工序，加工部位三个方面进行计算，计算公式如下：
其中Sim(opi,wsj)表示加工操作opi与工艺方案中工步wsj的相似度，SimP(opi,wsj)表示opi与wsj所属工序相似度，SimF(opi,wsj)表示opi与wsj加工特征相似度，SimB(opi,wsj)表示opi与wsj加工部位相似度。
3)对待制零件中的所有可重用数控工艺按照上述方法进行工步、工序解析，在完成工序、工步解析的基础上，将可重用数控工艺S根据其关联特征的刀具轴向，将刀具轴向相同的加工操作进行聚类分组，形成不同的工位级加工操作组(S1',S'2,...,S'n)；然后根据工位级加工操作组Si'内加工操作所属的工序、工步信息以及关联特征类型，将工位级加工操作组Si'与加工方案中工位wdi从工序、工步种类以及加工特征类型三个方面完成相似度计算，最后根据相似度Sim(opi,wsj)值的大小选取工位级加工操作组Si'相匹配工位。其中相似度计算公式为：
其中Simp(S'i,wdi)表示S'i与wdi工序种类相似度，Sims(S'i,wdi)表示工步种类相似度，Simf(S'i,wdi)表示特征类型相似度。
步骤三.根据工艺解析结果将可重用数控工艺向工艺方案进行映射，以工艺方案指导可重用数控工艺进行整体工艺的排序。具体方法为：
深度遍历工艺方案M得到加工序列，记作M＝{gi}，1≤i≤n，将可重用数控工艺OS，其中OS＝{opj},1≤j≤m，根据所属的工位wdj、工序wpj、工步wsj与工艺方案中的各个工步进行匹配，如果满足：
wdi＝wdj∧wpi＝wpj∧wsi＝wsj
则加工操作opj与工艺方案中的加工序列gi相匹配，运用gi在工艺方案中的位置关系来辨明加工操作的优先权系数，则加工操作opj的优先级权系数为：Pj＝(n-i+1)/n，根据优先权系数值Pj，从大到小对加工操作进行排序，完成加工操作在宏观工艺层面的排序。
步骤四.将映射后的可重用数控工艺与工艺方案模型树中的属性信息以及零件模型信息进行有效集成。工艺信息的集成，实现了工艺信息的有效组织与存储，以方便工艺信息的检索及重用，并对整体工艺设计过程中信息的提取提供良好的支持。
步骤五.从集成工艺信息中提取特征间拓扑关系等信息，以加工路径最短，空刀最少为优化目标，对每个工步下包含的加工操作进行加工路径排序，从而生成合理、优化的零件数控加工方案，完成零件的加工。
应用实施例。
参照图2，对工艺方案进行结构化建模，从图5中可以看出，图4中零件模型的工艺方案主要包括一个工位wd，该工位下包含三个工序：(1)粗铣，用wp1表示(2)精铣，用wp2表示(3)钻，用wp3表示。其中粗铣工序下又包含粗铣槽腔工步ws11，精铣工序下包含精铣腹板ws21，精铣侧壁ws22、精铣转角ws23三个工步。
参照图3，对可重用数控工艺进行工艺解析，可重用数控工艺由一系列加工操作组成，加工操作中包含加工方法、几何参数、加工参数、刀具以及关联的特征等信息。对可重用数控工艺解析步骤如下：
(1)首先对可重用数控工艺进行工序解析，由加工操作的余量信息判断各加工操作所属加工阶段，根据加工操作所属加工阶段、加工操作类型、加工操作关联特征类型与特征典型工艺路线进行匹配，获得特征的加工路线，以及特征工艺链中每个加工操作所属典型工序，并根据加工操作所属典型工序，计算加工操作与工艺方案中工序的相似度，解析出各加工操作所属工序。
(2)然后对可重用数控工艺进行工步解析，根据加工操作类型、加工操作关联特征类型，加工余量等信息判断加工操作的加工部位，根据加工操作所属工序，加工部位，关联特征类型计算加工操作与工艺方案中工步的相似度，确定各加工操作所属工步；
(3)最后对可重用数控工艺进行工位解析，根据刀具轴向将可重用数控工艺进行聚类分组，形成工位级加工操作组，将工位级加工操作组与工艺方案中的工位进行匹配，获得加工操作所属工位。从图5中可以看出，图4中所示零件特征F1关联的加工操作op1所属工序为wp1、工步为ws11、工位为wd，加工操作op2所属工序为wp2、工步为ws21、工位为wd，加工操作op3所属工序为wp2、工步为ws22、工位为wd。
参照图5，将解析后的可重用数控工艺根据所属的工位、工序以及工步信息，向工艺方案树状模型中的各工步进行映射，从图5中可以看出，加工操作op1所属的工位wd，工序wp1，工步ws11与工艺方案中的粗铣型腔工步ws11所属的工位wd，工序wp1，工步ws11相匹配，粗铣型腔工步ws11在工艺方案中的顺序就表示与之匹配的加工操作op1的顺序。
参照图5，将映射后的可重用数控工艺与工艺方案模型树中的属性信息以及零件模型信息进行有效集成。其中工艺方案模型树种的属性信息主要包括工艺基本信息、零件类型、毛坯材料与类型、工位方向等，零件模型信息主要包括零件尺寸信息、公差、表面粗糙度等。
对加工操作进行工艺优化排序，从集成工艺信息中提取特征间拓扑关系等信息，根据特征间拓扑关系等信息对每个工步下包含的加工操作进行路径优化排序可生成零件完整合理的数控加工方案。

Claims (1)

1.一种面向工艺方案的可重用数控工艺映射方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用多叉树的方式构建工艺方案结构化模型，表明工艺方案中工位、工序、工步以及各属性之间的关系，表示方法如下：
其中，SMP表示具有多层次的工艺方案，MPBI表示工艺方案基本信息，WD表示工位节点，n表示工艺方案中工位个数，wdi表示第i个工位，PT表示零件类型，ST表示毛坯类型，SM表示毛坯材料；
其中，wd表示工位，wdD表示工位方向，WP表示该工位下包含的工序节点，R(rd)表示该工位与工艺方案中其他工位间的位置关系，m表示该工位中包含的工序个数，wpj表示第j个工序；
其中，wp表示工序，wpBI表示工序基本信息，由加工类型Mt、加工阶段Ms以及机床MMT组成，WS表示该工序下包含的工步节点，s表示该工序中包含的工步个数，wsk表示第k个工步，R(rp)表示该工序与相同工位下的其他工序之间的位置关系；
其中，ws表示工步，MM表示工步采用的加工方法，MO表示该工步的加工部位，R(rs)表示该工步与相同工序下的其他工步序列间的位置关系；R表示该工步在零件工艺方案中的全局位置关系,rs表该工步与相同工序节点下的其他工步之间的位置关系，rp表示该工步所在工序与相同工位下的其他工序之间的位置关系，rd表示该工步所在的工位与工艺方案中其他工位之间的位置关系；
步骤二、通过特征识别以及三维模型检索方法，从工艺信息模型实例库中依次检索出与每个查询特征相似的特征，并对其关联的数控工艺进行有效重用，以获取待制零件的可重用数控工艺；以特征工艺链为基本单元，以工艺方案为指导，根据加工操作属性信息对可重用数控工艺分别进行工位、工序和工步解析；
所述的特征工艺链是指加工该特征所采用的加工操作序列，其步骤为：
步骤1)根据加工操作中的余量信息判断加工操作所属加工阶段，根据加工操作关联特征类型、加工阶段、加工操作类型将特征工艺链与特征典型工艺路线进行匹配，推出特征工艺链中每个加工操作属于典型工序，将典型工序与工艺方案中各工序进行匹配，解析出加工操作所属工序；典型工序与工艺方案中工序的相似性从加工类型与加工阶段进行计算，计算公式如下：
Sim(wpi,wpj)＝0.5×SimM(wpi,wpj)+0.5×SimS(wpi,wpj)
其中Sim(wpi,wpj)表示典型工序wpi与工艺方案中工序wpj的相似度，SimM(wpi,wpj)表示wpi与wpj加工类型相似度，SimS(wpi,wpj)表示wpi与wpj加工阶段相似度；SimM(wpi,wpj)与SimS(wpi,wpj)相似度采用基于语义的相似度计算方法，具体公式如下：
其中，Sim(X1,X2)∈[0,1]，||X1S||和||X2S||分别表示X1和X2的字符串长度，ed(X1,X2)表示两个相比较字符串的编辑距离；
步骤2)根据加工操作类型、加工操作关联特征类型和加工余量这些信息推理加工操作加工部位，根据加工操作所属工序，加工部位，关联特征类型与零件加工方案中工步序列进行匹配，确定加工操作所属工步；特征工艺链中加工操作与加工方案中工步的相似性从加工特征类型、所属工序和加工部位三个方面进行计算，计算公式如下：
其中Sim(opi,wsj)表示加工操作opi与工艺方案中工步wsj的相似度，SimP(opi,wsj)表示opi与wsj所属工序相似度，SimF(opi,wsj)表示opi与wsj加工特征相似度，SimB(opi,wsj)表示opi与wsj加工部位相似度；
步骤3)对待制零件中的所有可重用数控工艺按照上述方法进行工步、工序解析，在完成工序、工步解析的基础上，将可重用数控工艺S根据其关联特征的刀具轴向，将刀具轴向相同的加工操作进行聚类分组，形成不同的工位级加工操作组(S′1,S'2,...,S'n)；然后根据工位级加工操作组S′i内加工操作所属的工序、工步信息以及关联特征类型，将工位级加工操作组S′i与加工方案中工位wdi从工序、工步种类以及加工特征类型三个方面完成相似度计算，最后根据相似度Sim(S′i,wdi)值的大小选取工位级加工操作组S′i相匹配工位；其中相似度计算公式为：
其中Simp(S′i,wdi)表示S′i与wdi工序种类相似度，Sims(S′i,wdi)表示工步种类相似度，Simf(S′i,wdi)表示特征类型相似度；
步骤三、根据工艺解析结果将可重用数控工艺向工艺方案进行映射，以工艺方案指导可重用数控工艺进行整体工艺的排序；具体方法为：
深度遍历工艺方案M得到加工序列，记作M＝{gi}，1≤i≤n′，将可重用数控工艺OS，其中OS＝{opj},1≤j≤m′，根据所属的工位、工序、工步与工艺方案中的各个工步进行匹配，如果满足：
wd(gi)＝wd(opj)∧wp(gi)＝wp(opj)∧ws(gi)＝ws(opj)
则加工操作opj与工艺方案中的加工序列gi相匹配；其中，其中，wd(gi)、wp(gi)、ws(gi)分别表示加工序列中gi所对应的工位、工序、工步，wd(opj)、wp(opj)、ws(opj)分别表示加工操作opj所对应的工位、工序、工步，运用gi在工艺方案中的位置关系来辨明加工操作的优先权系数，则加工操作opj的优先级权系数为：Pj＝(n′-i+1)/n′，根据优先权系数值Pj，从大到小对加工操作进行排序，完成加工操作在宏观工艺层面的排序；
步骤四、将映射后的可重用数控工艺与工艺方案模型树中的属性信息以及零件模型信息进行有效集成；工艺信息的集成，实现了工艺信息的有效组织与存储，以方便工艺信息的检索及重用，并对整体工艺设计过程中信息的提取提供良好的支持；
步骤五、从集成工艺信息中提取特征间拓扑关系信息，以加工路径最短，空刀最少为优化目标，对每个工步下包含的加工操作进行加工路径排序，从而生成合理、优化的零件数控加工方案，完成零件的加工。
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