飞机结构件集成化智能化CAPP技术

作者：许建新 孔宪光 贾晓亮 黄乃康

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 结合航空CIMS工程中飞机结构件集成化CAD/CAPP/CAM项目的研究开发，在国家863-CIMS目标产品CAPPFramework系统的基础上，深入研究了面向对象知识处理技术、智能化对象基推理技术、综合智能化技术等，进行集成化智能化CAPP的应用与开发，实现了飞机结构件数控工艺的自动化设计，实现了信息集成和工艺设计与管理的一体化。 国家863-CIMS目标产品CAPPFramework系统以企业的现实需求为基础，针对企业对CAPP的需求正由传统的计算机辅助填卡片式CAPP系统向工艺规范化、标准化、集成化及工艺设计与信息管理一体化的制造工艺信息系统发展趋势，在国内率先提出“以交互式设计为基础、以产品数据为核心、工艺设计与管理一体化”的CAPP方法论和应用解决方案。 CAPPFramework系统广泛采用Windows编程技术、面向对象、专家系统、网络数据库与信息系统等先进成熟技术，将对象与工艺信息实体有机结合，全面支持企业制造工艺信息系统的构建。系统具有多种风格的工艺编辑界面和方便的工艺编辑功能，在面向对象工艺知识库的支持下，可以实现完全符合企业习惯的专业化工艺设计：1）具有产品综合工艺设计能力，快速编制工艺分工计划、工艺路线、材料定额等综合工艺，进行工艺准备。2）综合运用交互式、检索修订式以及智能决策方式等工艺设计模式，最大限度地提高工艺设计效率和质量、保证工艺信息的完整性和一致性、增强系统的集成性。3）基于产品结构的工艺数据和工艺文件一体化管理和查询和可定制的工艺工作流程管理，提供专业特色的工艺借用功能。4）参数化智能化工艺文档生成、网络化浏览。 一、 对象的工艺知识处理技术 工艺过程设计是典型的复杂问题，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量和知识量相当庞大，作者根据这些知识在CAPP系统中的作用将其分为：工艺信息模型、工艺数据、工艺决策知识和决策过程控制知识等，并采用面向对象技术建立工艺信息模型，工艺数据作为对象的“实例”，存储在知识库或工程数据库中，采用产生式规则表示工艺决策知识和决策过程控制知识，由于这些知识描述了对象类及其属性之间的相互关系，因此，这些知识作为对象类的“方法”，与面向对象的工艺信息模型集成在对象类中。 1． 向对象的工艺信息建模 面向对象的工艺信息建模就是采用面向对象方法分析描述CAPP系统的实体结构、对象之间的关系及对象的操作等，形成能够正确反映工艺设计过程的对象模型。 对象是应用领域中有意义的事物，对象类则是具有相同性质对象的抽象，它将该组对象所具有的共同特性（包括结构特性和行为特性）集中起来，以说明该组对象的性质和能力。对象类常简称为“类”。类的一大特性是具有层次结构，一个类有超类和子类，利用对象类的层次结构实现对象类的属性和方法的可继承性。 把零件、工序、工步、加工所用机床、刀具、夹具、切削参数、材料等分别定义为不同的类，把所有对象共有的属性和方法定义为一个基本类，在此基础上，利用对象的派生、继承等特点，使知识的扩充简便易行。 一个对象具有若干个结构特性，即对象属性。例如，车床可以用型号、名称、最大加工直径、最大加工长度等属性来描述其结构特性。 一般来说，属性的值型为整型（int）、浮点型（float）、字符串型（string）等。为了描述对象关系和工程数据的需要，作者引入了对象型（object）、对象表型（objlist）、图形（dwg）、文本（text）等数值类型。 对象方法是工艺决策知识的组织单元，是具有相同决策功能的规则的集合。一个对象可有多个对象方法，每个对象方法包含多条完成某一决策任务的产生式规则。在对象方法定义时确定对象方法名称、推理方式（按权重排序单一推理、按权重排序多重推理、按规则顺序多重推理）、启动类型（主动方法、被动方法）等。如“工序”对象类有“机床选择”、“工序排序”等方法。 为了规范化表示和处理产生式规则，作者引入了规则元的概念，同时根据工艺决策规则的表示和推理的需要，确定了一些保留字和命令词。 规则元是组成规则的基本单位，具有明确含义的指令或判断。按照其目的和表示形式，规则元分为条件规则元、命令规则元、赋值规则元等。条件规则元用在规则的前提部分，而命令规则元、赋值规则元用在规则的结论或否则部分。 工艺决策知识的表示和推理中，常需要一些词语指代相应对象，因此就引入了保留字。如operation用来指代工序对象，step用来指代工步对象，tempobj用来指代需要的临时对象。 同时，为了描述一些决策过程，或提供用户进行人机交互的操作，根据需要引入了命令词。如create（创建）用来描述一个对象的创建过程，queryobject（查询对象）用来描述一个对象数据的查询，getchoice（用户选择）用来描述请求用户根据提示选择输入数据。 为了保持工艺决策规则在语法、语义上的正确性，在进行对象方法的维护时，需要进行规则的预编译处理。作者建立了工艺信息建模与决策规则描述语言（见表1、表2），为工艺知识库的建立、维护与编译奠定基础。 表1 对象类描述范式（部分） 对象类 ::= <[对象类名称], [对象属性]，[对象方法], [对象实例] | [[对象类关联数据库]，[数据库关联条件系列]]> 对象属性 ::= <[序号], [属性名称], [属性别名], [属性值型], [属性约束], [计算公式], [默认值], [取值方式], [关联], [属性类型], [属性特性]> 属性值型 ::= < '整型' | '实型' | ['字符串型',[长度]] | '文本' | ['对象', [引用对象类名称]] | ['对象表', [引用对象类名称]] | '逻辑型'> 计算公式 ::= <[] | [算术表达式] | [字符串表达式]> 取值方式 ::= '自由取值' | '约束取值' | '关联取值' 关联 ::= <'无关联' | ['单关联', [关联对象属性名称]] | ['多关联', [关联对象属性名称系列]]> 表2 产生式规则表示范式（部分） 产生式规则 ::= <[规则名], [前提], [结论], [否则], [权重], [注释]> 规则元 ::= <[条件规则元] | [命令规则元] | [赋值规则元]> 条件规则元 ::= <[关系运算符], [左项], [右项]> 命令规则元 ::= <[命令词], [左项], [右项]> 赋值规则元 ::= <[赋值运算符], [左项], [右项]> 赋值运算符 ::= '=' 关系运算符 ::= '>' | '<' | '>=' | '<=' | '==' | '!=' | 'include' | 'is' | 'inside' 命令词 ::= 'create'| 'delete' | 'getinput' | 'getchoice' | 'getobject' | 'write' | 'normal_up' | 'normal_down' | 'check' | 'usemethod' | 'userule' | 'queryobject' | 'connect' | 'disconnect' | 'showmsg' 左项 ::= <[对象属性] | [对象类名称] | [保留字] | [临时变量]> 右项 ::= <[对象属性] | [临时变量] | [常量] | [算术表达式] | [字符串表达式] | [提示信息] | [对象属性系列] | [赋值规则元系列] | [条件规则元系列] | [规则名] | [方法名称]> 保留字 ::= 'part' | 'plan' | 'operation' | 'step' | 'm_e' | 'feature'|'tempobj' 2． 面向对象的推理技术 通过研究和实践可以发现，工艺决策过程可以分解为若干决策子任务，每个子任务的决策是根据一个主控对象类及其相关对象类的属性值进行的，决策结果可归纳为三种情况：1) 产生其被包容类及其属性值，如“工序”类“机床选择”；2) 生成其包容类及其属性值，如“特征加工”类“工序生成”；3) 补充完善对象类的属性值，如“工步”类“加工参数确定”。 根据决策的层次，工艺决策分为对象推理、子任务推理、基于过程模型的推理等。围绕一个对象，进行一个对象方法的推理称为对象推理。围绕同一类的所有对象，进行一个对象方法的推理称为子任务推理。其关键是对象数据的整理和设置，循环设置当前决策对象，调用对象推理功能，实现子任务推理。根据决策过程模型，逐个子任务进行推理，称为基于过程模型的推理。 决策过程模型是控制决策过程的知识。为了便于决策专家系统的决策控制，整个工艺决策任务被划分成若干决策子任务，每个子任务有一个主控决策对象及其对象方法，决策专家系统根据过程控制知识依次执行每个决策子任务。 决策过程模型::= <[上一子任务], [当前子任务], [当前对象类], [当前对象方法]> 二、 特征基工艺决策模型 1． 飞机结构件特征分析 特征信息包括了零件几何、拓扑及工程信息，是描述零件的最好方法之一，成为整个系统信息集成基础。为了把特征概念应用于航空CIMS工程CAD/CAPP/CAM集成化实用系统的对象——飞机结构件中的框、梁、肋、壁板等3~5坐标零件，有必要对其工艺特点进行分析。 飞机机加零件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分，它们品种繁多、形状复杂、材料各异。为了减轻重量，进行等强度设计，往往在结构件上形成各种复杂型腔。与一般机械零件相比，加工难度大，制造水平要求高。例如壁板、梁、框、座舱盖骨架等结构件由构成飞机气动外形的流线型曲面、各种异形切面、结合槽口、交点孔组合成复杂的实体。结构件加工不但形位精度要求高，而且有严格的重量控制和使用寿命要求。由于现代飞机性能的不断提高，整体结构件成为广泛采用的主要承力构件。整体结构件外形准确、结构刚性好、强度高，重量轻、气密性好；采用整体结构件减少了零件和连接件的数量，装配变形小，可大大降低制造成本。整体结构件尺寸大，壁薄，易变形。零件槽间距离仅2～5mm，腹板厚度也仅有2～4mm，筋顶形状复杂。 通过对零件工艺及数控加工进行调查和分析，依据以下特征归纳原则共归纳18类特征： 1) 采用几何和参数相结合的方式来描述特征。CAPP主要关心特征的属性部分（参数），它们关系到加工方法、刀具参数等决策。CAM主要关心特征的几何部分，它们是刀位计算的根据。 2) 从加工制造的观点而不是从描述零件实际构造的观点来归纳特征，特征与特定的工艺方法相对应。如，带斜壁或曲壁的槽腔，为了提高效率在粗加工时往往先沿槽内边界按三坐标加工直壁槽，在半精加工和精加工时才用五坐标加工整个槽壁，因此，在归纳特征时，槽特征都作为是直壁的，把斜壁或曲壁定义为内壁特征，斜壁或曲壁的槽腔可看作槽特征及其子特征内壁的组合。 3) 特征的层次结构。特征之间形成树状的层次结构。特征之间是否形成父子关系，不决定于它们的位置，而取决于加工时是否相互影响。如，槽与槽底的孔可以不形成父子关系，槽与槽中的凸台则形成父子关系。 4) 特征分类码的应用。特征名由特征分类码、属性分类码和序号组成，在信息模型中是唯一的。属性分类码是GT技术在特征层加以运用，方便了描述特征的语义信息，具有较大的信息容量。 5) 特征参数的设置依照CAPP和CAM的信息需求而定，如，轮廓特征的正、负摆角参数可供CAPP选择机床，凸台与槽壁间的最小距离决定了刀具的选择。 6)附加特征的设置。如，工艺凸台是零件加工过程中因装夹定位而设置的特征。 7)特征组的概念：相同特征类，具有相同或相似的工艺特性，总结归纳形成特征组，如槽特征组、孔特征组等。 特征信息模型是CAD/CAPP/CAM系统集成的基础。由于采取了统一的数据模式，使数据既具有完备性，又避免了冗余性，满足CAD、CAPP、CAM各自的信息需求。 2． 特征基工艺决策模型 针对特征基数控加工工艺决策的实现，提出了基于加工元的工艺决策过程模型。加工元指说明特征一次加工的信息实体，它包括特征、特征加工方法、进刀方向、加工刀具、使用机床、切削余量等加工信息。 飞机结构件数控加工工艺决策的加工元决策模型如图1所示。作者根据具体需求，把整个决策过程划分成若干子任务分阶段进行决策。在CAD系统提供的飞机结构件特征信息的基础上，按顺序进行总体工艺信息获取、分工路线设计、毛坯设计、刚度分析、定位方案设计、装夹方案设计、特征加工顺序确定、加工元生成、工序生成、机床选择、夹具选择、工序排序、特殊工序安排、辅助工序插入、工作说明生成、工步生成、辅助工步生成、工步排序、工步刀具参数确定、刀具库关联、刀具查询选择、刀具库断开、量具选择、切削参数库关联、切削参数查询选择、切削参数库断开、工步内容生成等子任务。 三、 综合智能化工艺决策技术 由于工艺设计环境和任务的复杂性和多样性，难以实现通用的工艺决策全过程自动化；而且交互式、检索修订式和创成式CAPP各有其特点和局限，片面地强调CAPP系统的智能化或自动化是不合适的。同时，计算机的工作模式有它的特点和局限性，比如它适合处理复杂重复繁琐的工作，而对抽象性综合性强的、难以描述的决策任务不能胜任，这些恰恰是工艺人员的特长，充分发挥工艺人员的技能技巧有着重要的实际意义。为此，作者提出了综合智能化工艺设计的概念。 综合智能化工艺设计指的是充分发挥计算机和工艺人员的特点和特长，综合运用交互式、检索修订式以及智能决策方式等工艺设计模式，最大限度地提高工艺设计效率和质量、保证工艺信息的完整性和一致性、增强系统的集成性。 所谓综合运用交互式、检索修订式以及智能决策方式等工艺设计模式不是简单地叠加，而是有机地融合、渗透，用户是工艺决策的主体，要充分发挥人的智能优势，在系统应用过程中不断实现系统智能，有效地辅助工艺人员，更好地发挥CAPP系统的效率。例如对于工艺路线安排、定位方案及夹紧方案的确定等经验性强的规划性决策可发挥人的智能优势，而刀具选择和计算等决策，可充分发挥计算机的优势。 在航空CIMS工程结构件CAD/CAPP/CAM集成系统中，作者充分利用了综合智能化工艺决策技术。同时，通过工艺知识库中对象类、数据库关联条件，实现了与工程数据库的动态关联，实现了工艺信息、制造资源信息的集成与共享。 四、 结束语 飞机结构件集成化、智能化CAPP系统已应用于工程实际，取得了预期效果和经济效益。随着开发与应用的不断深入，工艺知识库、工程数据库等进一步丰富和完善，系统的社会效益与经济效益将更加显著。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/27/2004)