用于DFM的工艺咨询与评价方法的研究

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以回转类零件为对象，......



以回转类零件为对象，将功能－特征－工艺－制造环境等有机结合，建立工艺咨询及评价的知识、信息模型，从而实现产品与工艺的并行设计。
1　系统的体系结构功能及信息需求
该咨询系统不仅可以与CAD系统联接进行产品设计以及生成加工工艺，而且能给设计者提供有关工艺与制造环境方面的咨询，帮助设计者更快地设计出能被方便加工的零件或产品，还可以随时对上游设计依据本领域的专家知识进行可制造性评价并反馈评价意见和修改建议。
1.1　系统的体系结构与功能需求
系统包括零件建模及图形显示、工艺咨询、可制造性与经济性评价、工艺设计、工艺数据/知识库、咨询知识库、特征库与用户界面等， 系统的总体结构如图1所示。①零件建模。建立满足并行设计的零件信息模型，不仅能接收咨询信息，而且可以接收可制造性评价的反馈信息，并且可以进行零件模型的修改。②咨询模块。其功能是从工艺角度分层次就所设计零件的单一特征或组合特征的工艺性能进行咨询，为设计者提供工艺与设备资源方面的知识与经验。③评价模块。其功能之一是从工艺角度对所设计零件的可制造性及工艺结构的合理性进行评价，并提出修改意见，功能之二是对所生成的多套工艺路线进行时间、成本的综合评价，推荐优选方案。④工艺设计。用于生成同一零件的多套工艺路线，并可根据评价信息修改工艺路线。⑤控制与协调管理。是实现CE/DFM的关键环节，具有控制零件建模、工艺生成、咨询与评价之间并行交互的进程、协调各模块的作业等功能。
1.2　系统的信息需求
(1)零件信息
除常规的零件尺寸、公差及精度要求外，还需要与制造有关的功能、材料及加工信息，它们是并行设计依据。
(2)决策信息
工艺知识，包括领域数据库和领域知识库；咨询信息，主要是工艺咨询知识，包括功能－特征映射规则、特征－加工方法映射规则、加工 方法－设备资源映射规则及备选加工方法和设备资源规则等；评价知识，包括结构工艺性、经济精度、结构可制造性及轴向尺寸检查等信息。
(3)操作控制信息
是控制各模块协调作业的信息，包括设计与咨询、设计与评价及并行设计的操作信息。
图1　DFM工艺咨询系统的体系结构
2　系统的关键技术
2.1　工艺性评价
在零件设计过程中，通过评价模块检验特征是否具有工艺可行性，判断所设计零件是否满足设计、工艺及制造环境的约束，以及它们之间 是否存在有冲突等。如果发现所设计零件与设计要求、工艺要求及制造环境存在有冲突或不满足，设计者可以根据该模块产生的评价意见和建议修改零件模型，直到零件设计与工艺设计都满足约束为止。
(1)结构工艺性评价
在结构工艺性评价中，我们主要考虑：①中心孔、退刀槽、倒角、过渡圆角的设置是否合理；②锥体或呈弧形面的零件是否有便于装夹的 工艺圆柱面或中心孔；③同轴孔系排列，其孔径应向一个方向或中间递减；④避免出现深孔(L/D＞5)加工；⑤盲孔、螺纹孔、阶梯孔、有阶梯的螺纹孔是否应设置退刀槽。
(2)特征可制造性评价
在满足功能的前提下，根据零件信息，检查零件的各特征是否符合当前生产环境下的工艺、资源及工装的约束，使零件具有较好的可制造 性。如果某特征不满足约束或可制造性不好，设计者可自行进行修改，若需要系统也可提出修改建议。
(3)经济精度评价
经济精度评价主要考虑下面两个问题：①根据零件的特征功能及设计要求评价所设计特征的精度；②根据特征的精度判断是否超过现有生 产环境下机床的加工能力。
(4)尺寸检查
该模块可以检验零件主特征是否出现错误的轴向尺寸——过定位或欠定位。其判断方法是：当尺寸链图为一棵树时，尺寸链正确；若存在 有环，为过定位；若为森林(即多棵树)，表示为欠定位。图2为传动轴的轴向尺寸链检查。
图2　传动轴的轴向尺寸链检查
若多尺寸13，为过定位；若少尺寸73，为欠定位；若无尺寸13，有尺寸73，为正确定位
(5)工艺方案评价
对于一个被加工零件，可以拟定多套满足技术与功能要求、且具有不同经济性的工艺方案；传统CAPP只考虑单一工艺过程的最优，很少涉 及多方案和综合评价指标。该模块可以依据低工艺成本和少加工时间等对并行设计所产生的多套工艺方案进行评价，推荐出给定生产环境下经济、高效的方案。
2.2　工艺性咨询
在设计产品中，设计者常常根据各自的经验和习惯构造产品，很少考虑特征在现有制造环境下的加工能力，不可避免地会增加加工成本， 延长开发周期。本研究旨在建立适合DFM的咨询层次模型；该模型清楚表达特征－加工方法－设备资源的层次和隶属关系，构成咨询信息模型，图3为工艺性咨询模块的功能图。
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图3　工艺性咨询模块的功能图
在工艺咨询过程中，主要考虑以下因素：备选特征、特征的加工方法、特征的加工设备来构造工艺咨询模糊函数，使该函数反映所咨询对象(即被设计的特征)与上述因素的模糊映射关系，其工艺咨询模糊函数
式中：p1＝｛Uf｝——特征替代规则集；
p2＝｛Us｝——特征的设备资源规则集；
p3＝｛Um｝——特征的加工方法规则集。
F、Pi（i＝3）在产品建模的不同阶段都可以发挥一定的作用。
(1)特征的替代性咨询
特征的替代由零件功能所决定。任一零件的总功能都可分解成多个分功能，用零件功能集描述，Fun＝｛fun1，fun2，……，funn｝；同 样，任一零件的总体形状特征也可以有很多特征组成(即用零件特征集描述)，Fea＝｛fea1，fea2，……，fean｝，零件功能集｛funi｝与零件特征集｛feai｝之间存在非唯一的映射关系，可能出现某一功能有多种可选特征，或满足某一功能要求出现组合特征等，如传动轴的某分功能“支承传动件”和“轴向定位”，其映射关系为：“支承传动件”圆柱面或圆锥面，“轴向定位”圆锥面或台阶面/端面；但是，对于某零件特征，其具有相同功能的多种可选特征的适合程度不同，可替代性没有十分明显的界限，具有一定的模糊性，给设计者选择替代特征带来一定的困难。因此，为了更好地通过零件功能咨询零件特征，运用模糊数学方法处理零件功能与特征之间的映射关系，实现功能向特征的转换，
图4是特征替代咨询模块。
(2)特征的加工方法与设备资源咨询
图4　特征替代咨询
不管从特征角度，还是从加工方法角度，其一种特征可能对应多种加工方法，一种加工方法可能对应多种设备资源，它们之间可以用一种较复杂的网络及层次结构描述(图5)。因此，根据特征咨询加工方法和根据加工方法咨询设备资源均是一个复杂的工作。为简化这一过程，可以建立特征－加工方法、加工方法－设备资源之间的模糊关系矩阵，将零件特征被选择的可能性变换成加工方法的候选性、将加工方法的候选性变换成设备资源的可用性，并把它们之间已知的、可以罗列的事实以文件或数据库形式存放。