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1、清 华 大 学 学 报(自 然 科 学 版)20?29 1998年 第38卷Journal of T singhua U niversity(Sci 0 自动化系,北京100084收稿日期: 1997202225第一作者:男, 1970年生,博士研究生3 国家 “863” 高技术项目(863251120520141)及C I M S青年基金项目文 摘 可制造性评价是实现产品并行设计的重要手段。 本文介绍了一个面向对象的可制造性评价系统,提出了基于优化工艺设计的可制造性评价策略,将优化工艺设计转化为一个目标规划问题。在此基础上,讨论了基于约束检验的可制造性评价内容和提出了结构工艺性评价和加工可行
2、性评价的分层评价树;研究了可制造性评价系统的信息需求及信息建模,系统知识组成及面向对象的知识表达。最后介绍了基于面向对象技术的系统实现过程和体系结构。关键词 可制造性评价;工艺过程设计;面向对象技术;知识表达分类号 TH 16; TP 2在传统的生产模式下,产品及其过程设计沿用 了串行的工作方式。这样一种串行工作方法将设计功能与制造功能隔离开来,可能导致所设计的产品 无法加工或制造费用过高。为此人们提出了并行工 程的思想,以实现产品及其过程的集成和并行设计。 可制造性评价在实现产品及其过程设计的集成中起 着非常重要的作用。 它使得在产品设计的同时,就能考虑到与制造相关的因素,使设计者在制造工艺
3、和 制造环境的约束下进行零件形状结构设计,同时基 于有关制造约束对零件进行一定的工艺信息分析和 处理,从而做到产品设计的一次成功1。1 零件可制造性评价策略零件的可制造性与零件及其环境等多领域的问 题相关2。 由于可制造性牵涉的因素多且复杂,目前还没有一个系统能够全面考虑所有方面的因素实现 零件的可制造性评价。 作者认为,影响零件可制造性 的最核心的两个因素是:零件形状配置和制造能 力,同时,这两个因素也是决定工艺过程设计的二个主要因素。 从理论上来分析,合理与可行的工艺过程 计划是零件可制造的重要体现。 所以,工艺过程设计 与可制造性评价是密切相关的,可以将两者结合起来,从工艺过程设计出发去
4、考虑零件的可制造性评 价,在可制造性评价的基础上完成工艺过程设计。 这 样一种思路是与并行工程的思想方法相一致的。 从技术因素来看,零件优化设计就是寻求满足 可装配性、 结构工艺性和加工可行性三方面约束,并具有最短生产周期(T)、 最优质量(Q)和最低成本 (C)的产品配置。零件设计的三方面约束中,结构工艺性和加工可行性也是零件工艺过程设计所必须满 足的约束条件。 与零件优化设计相一致,零件工艺过 程设计则是在可装配性、 结构工艺性和加工可行性约束下寻求具有最短生产周期、 最优质量和最低成 本的工艺过程计划。图1是优化工艺过程设计的几 何解空间表示,P1、P2和P3表示可行解,P4表示不可行解
5、5。 由于T、Q和C三个目标一般不可能同时 达到最优,但是,可以寻求某一目标的最优或三者之 间的最优组合4。 所以,优化工艺过程设计可以表达为目标规划求解问题。Tm in(P1,P2,P3)=P2Qm in(P1,P2,P3)=P3Cm in(P1,P2,P3)=P1图1 优化工艺过程设计的解空间该问题的数学模型可以表述如下 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.max Z=W13Tp+W23Qp+W33Cps. t.A(Tp,Qp,Cp)0M(Tp,Qp,Cp)0S(Tp,Qp,Cp)0上
6、述模型中,目标函数是T,Q和C三者的加权和,W1,W2和W3分别是T、Q和C三者的权系数。三个约束函数分别代表了三个约束条件,A(Tp,Qp,Cp)0表示可装配性约束,M(Tp,Qp,Cp)0表示加工可行性约束,S(Tp,Qp,Cp)0表示结构工艺性约束。可装配性约束主要是属于面向装配的设计(DFA)研究的内容,所以,以下的讨论均假定零件满足可装配性约束。 这样,可以将基于优化工艺设计的零件可制造性评价划分成两个部分。一部分是结构工艺性和加工可行性的边界约束条件检验,另一部分则是建立在工艺过程设计基础上的不同工艺过程计划的目标函数值比较。 基于该策略,本文主要研究关于零件结构工艺性和加工可行性
7、评价。2 基于约束检验的零件可制造性评价 内容2. 1 基于约束检验的零件结构工艺性评价内容零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下,零件的毛坯制造、 切削加工、 装配和维修的可行性和经济性。为了避免因结构不合理而造成不必要的浪费,必须对所设计的零件的结构工艺性进行检验,及时发现问题,并做出相应的修 改。零件结构工艺性包括铸造、 锻造、 冲压、 焊接、 热处理、 切削加工和装配等方面的内容。 由于在整个制造过程中,通常零件切削加工所消耗的工时和费用最多,因此,零件结构的切削加工工艺性就显得特别重要。 结构工艺性要求本身具有一定弹性,但是存在一些边界的情况。本文就是主要针对一些常见
8、的情况,从零件总体结构、 零件单元特征、 特征关系三个方面分别进行零件的结构工艺性的边界约束检验。图2是零件结构工艺性评价内容分层树。2. 2 基于约束检验的零件加工可行性评价内容零件的加工可行性是指零件所要求的表面形状、 尺寸、 精度和质量等要求能否在相应的企业设备状况下加工出来。我们对零件加工可行性评价内容的划分与零件结构工艺性评价内容划分相一致,它也主要包括三个方面。第一个方面是零件总体要求 的加工可行性评价;第二个方面是单元特征的加工可行性评价;第三个方面是特征关系的加工可行性评价。图2零件结构工艺性评价内容分层树结构工艺性评价总体结 构评价单元特 征评价特征关 系评价公差关系评价尺寸
9、关系评价表面粗糙度评价特征形状评价特征尺寸精度评价定位装夹评价总体质量要求评价总体尺寸精度评价3 评价系统的信息需求及信息建模3. 1 评价系统的信息需求可制造性评价系统是在对各类信息处理的基础上完成所要求零件的结构工艺性和加工可行性的评 价的。这些信息主要包括:1)零件设计信息,包括几乎所有的几何信息和 非几何信息;2)制造资源信息,主要是现有制造资源设备的加工能力信息;3)工艺参考信息,主要指工艺原理用于指导设 计的参考信息。3. 2 评价系统的面向对象信息模型1)零件信息模型 零件可制造性评价实际上就是对具体零件设计 信息的评价。本文采用了基于特征技术的面向对象 零件信息模型来组织和表达
10、可制造性评价所需要的零件信息。 该模型将零件信息分为零件层、 特征层和 几何层三个层次。零件层包括了特征列表和各特征 所共同具有的管理信息。特征层反映的是零件的所 有特征单元信息及特征间关系信息。几何层则反映 了CAD系统的底层几何信息。2)制造资源信息模型 制造资源信息是零件加工可行性评价的重要依 据。本文采用了面向对象制造资源信息模型来组织 和表达可制造性评价所需要的制造资源信息。该模 型包含三个视图:物理视图、 能力视图和状态视图。物理视图描述资源的物理结构和特性参数。能力视 图描述资源的加工能力或生产能力。状态视图描述 资源的当前运行状态。37吴瑞荣,等: 面向对象的可制造性评价系统
11、1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3)工艺参考信息模型工艺参考信息是零件结构工艺性评价的重要依据。如何合理地组织与表达各类工艺参考信息将直接影响到评价的效率。 作者认为,面向对象的数据抽象、 封装性、 继承性和多态性等特点同样非常适合于工艺参考信息的组织与表达。(a)工艺参考信息的组织考虑到与结构工艺性评价内容的一致性,工艺参考信息也按照图2的分层树形式进行组织。 这样,工艺参考信息总库相当于由一个个子库所组成的分层库。(b)工艺参考信息的表达工艺参考信息的表达应该以方便结构工艺评价为主
12、要原则。 根据这样的原则,我们采用了面向对象的表达方式。 按照面向对象方法,一个工艺参考信息子库相当于面向对象中的一个类,它包含了库名及具体信息项目等属性,同时它包含许多方法,这些方法主要是为结构工艺性评价服务的,如数据搜索等。下面以普通螺纹尺寸为例,介绍工艺参考信息的面向对象表达。对螺纹尺寸参考信息的描述可以用C+ +表示如下:Class O rdinary-Screw-D i mension 普通螺纹尺寸参考信息类char3name; 参考信息名称STRUCT-D di m; 螺纹尺寸数据结构float Search(float d); 搜索直径float Search(float d,
13、float p); 搜索螺距. . . 该描述将普通螺纹尺寸参考信息描述成一个类,它包括了参考信息名称和螺纹尺寸数据结构二个属性,其中螺纹尺寸数据结构定义了三个系列的直径和对应每个直径的螺距。 除了属性,该描述还将方法封装到类中,目前它主要包括了直径搜索和螺距搜索两个函数,这两个函数主要是为了结构工艺性评价时提取信息的需要。上面的描述方法充分体现了面向对象方法的数据抽象、 封装性、 继承性和多态性等特点。继承性的体现是普通螺纹尺寸参考信息类的属性和方法可以自动地被其子类所继承,即外螺纹、 内螺纹、 通螺纹孔、 盲螺纹孔均可继承其属性和方法。 多态性的特点则体现在普通螺纹尺寸参考信息类的方法描述
14、中,直径搜索和螺距搜索两个函数用了同一个函数名。虽然用的同一函数名,但是程序能够自动根据函数变量判断搜索直径还是螺距。 这样,大大方便了应用程序的设计。4 评价系统的知识组成及知识表达4. 1 评价系统的知识组成我们根据可制造性评价系统本身的特点,将知 识分成两类:事实知识和评价知识。事实知识是系 统作出评价决策的基础,评价知识在事实知识的基础上经过一定的操作作出评价结果。系统的事实知 识可以进一步分为零件信息模型、 制造资源信息模 型和工艺参考信息模型,这三类知识中,零件信息模 型和制造资源模型组成零件加工可行性评价的事实 基础,零件信息模型和工艺参考信息模型是组成零件结构工艺性评价的事实基
15、础。系统的评价知识可 以进一步分为控制知识和执行知识,控制知识用于 规划和监控评价过程,执行知识用于完成具体的评 价操作,它们共同完成评价任务。4. 2 评价系统的知识表达1)控制知识 控制知识用于规划和监控评价过程,它包括了 整个评价过程的规划和具体评价执行的监控。控制知识以产生式规则的形式来表达,用面向对象的方 法来实现。 其中,规划知识的面向对象实现形式是评 价过程类,评价开始,则实例化顶层评价过程类,由 它控制其下层评价过程类的实现,上层评价过程类 对下层评价过程类的控制实际是通过实例化的过程来实现的。用于监控评价执行的控制知识则以产生 式规则的形式封装在评价过程类的方法中。2)执行知
16、识 控制知识用于控制评价过程的进行,而执行知 识则完成具体的评价操作。执行知识实际上是底层评价内容的具体体现,它包括三部分内容:搜索、 匹 配和返回。搜索是根据评价内容的要求搜索相应的 需求信息,它实际上是在零件信息模型、 制造资源信 息模型和工艺参考信息模型的基础上实例化并提取 相应信息的过程。匹配是将零件数据与资源能力数据或工艺参考数据相比较的过程。返回是根据匹配 的结果返回相应的评价结果。5 可制造性评价的实现过程及其体系 结构可制造性评价所包括的结构工艺性评价和加工可行性评价两个方面,虽然评价的角度不一样,但是 它们的实现过程是相同的。图3表示了系统的体系 结构和它们的实现过程。可制造性评价的具体实现47清 华 大 学 学 报(自 然 科 学 版)1998, 38(2) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.过程如下:当系统接收到启动信息以后,实例化零件对象和可制造性评价过程类,生成一个关于评价 零件的评价过
