PLM的参数化工艺设计方法

4.1参数化工艺设计方法     随着计算机应用技术的发展，在工程实际中的许多重复性的工作已经可以由计算机来完成，从根本上说，其基本原理就是参数化方法。工艺人员在进行编制过程中，往往在已有的典型工艺或相似工艺的基础上进行个别工艺参数的修改即可完成。可见利用典型工艺编制工艺的过程就可以用一种参数化的方法来实现。产品设计是整个产品生命周期的源头，是基于产品平台与产品族的，具有系列化、参数化的特点。要解决好大规模生产与个性化需求的矛盾，从产品设计的角度看，就是要快速设计出满足用户要求的个性化产品。

      在产品的构成中，可以分成两大部分:即定制部分和非定制部分。而在一个成型产品中，非定制部分的结构是比较固定的，往往在产品中占有相当大的比重，是实施参数化设计的最好对象。在制造业信息化系统中，参数化设计技术是实现并行处理的重要技术之一，参数化设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能的功能。参数化设计技术在标准化、系列化产品的设计中有着非常广泛而又方便的应用。

    参数化包括几何信息参数化、关系参数化和过程变化(操作)参数化。它能够恰当地描述设计过程中的模糊性，并使其处于动态修改状态。因此，在产品系列化的过程中，产品设计部门越来越多的采用参数化设计技术，设计人员可以根据设计任务书的要求在参数化设计工具软件中输入参数(可以明确表示一种产品的属性，包括产品参数、部件参数、零件参数，如：皮带宽度，机头高度、倾斜角度，是否有弯段等)，系统就会自动生成装配总图，并配置出整机的通用件、外购件的配套明细。       产品设计完成之后，工艺部门需要对每一个零件编制工艺。在传统的计算机辅助工艺设计方法中，派生式方法是将相似零件归并成零件族，设计时检索出相应零件族的标准工艺规程，并根据设计对象的具体特征加以修订，成组工艺设计就是基于这种派生式方法的；生成式方法是将人们设计工艺过程时的推理和决策方法转换成计算机可以处理的决策逻辑、算法，在使用时由计算机程序根据内部的决策逻辑和算法，以及生产环境信息，自动生成零件的工艺规程。       参数化工艺设计作为成组工艺设计的一种特殊形式，综合了派生式和生成式两种方法的优势，它是以零件的设计参数作为依据来自动生成工艺的工艺设计方法。这种方法中，以零件参数为依据，将工艺设计过程中一些成熟的、变化少的内容用派生式原理设计，将经验性强、变化大的内容用生成式原理进行决策，由于工艺决策主要由工艺设计人员完成，则在决策时可以采用交互的方式并按规则自动化进行。       通过开发参数化工艺设计系统，可以大大提高工艺人员在设计参数化通用件工艺中的效率，例如，对于每一种通用件的下料尺寸都有自己的基本下料公式，通过输入相关参数就可以计算出下料尺寸。这样，减轻了工艺设计的劳动强度，缩小了参与工艺设计的人员范围，提高了工艺设计的质量。   4.2参数化工艺设计关键技术     参数化工艺设计的关键技术有：零件的分类，参数化关系的建立，参数化实现规则的定义与实现。   4.2.1零件的分类     零件的分类是实现参数化工艺设计的前提，成组技术正是进行零件分类的最有效的方法。成组技术（Group Technology，GT），是提高多品种、小批量机械制造业水平，增加生产效益的一种基础技术。       成组技术不仅用于零件加工、装配等制造工艺方面，而且还用于产品零件设计、工艺设计、工厂设计、市场预测、劳动量测定、生产管理和工资管理等各个领域，是一种贯穿企业生产全过程的综合性技术。       成组技术的核心和关键是按照一定的相似性准则对产品零件的分类成组。成组技术需要解决从产品零部件的标识、分组、开发和利用的一系列问题。利用零件分类编码系统对零件进行标识己经成为实施成组技术的重要手段。       尤其是当零件结构、工艺特征比较复杂时，利用零件分类编码技术可以大大提高工作效率。同时，利用零件分类编码结果得出企业的零件频谱，集中反映了这个企业的产品设计、制造工艺和生产等方面的基本数据，而且它也是企业据以进行生产合理化和制订技术改造方针的重要原始资料。       而且，零件分类编码也为工艺标准化提供了便利。此外，零件分类编码还可以大大提高零件检索效率，以及由在整个行业、整个部门进行零部件的标准化统一，有利于全行业的零件大批量专业化生产。       零件的相似性是应用成组技术的基础。所谓零件的相似性是指零件所具有的各种特征的相似，一般包括结构相似性、材料相似性及工艺相似性。零件的相似性见表4.1。

    由于零件的结构形状、材料、精度相似性与工艺相似性之间密切相关，结构形状、材料、精度决定工艺。例如，零件的基本形状、形状要素、精度要求和材料常常决定应采用的加工方法和机床类型，零件的最大外廓尺寸决定着应采用的机床规格等。     因此有人又把零件的结构形状、材料、精度的相似性称为基本相似性，而把工艺相似性称为二次相似性。零件的相似性是零件分类的依据。在参数化工艺设计过程中，对零件的分类则主要是综合考虑零件的基本相似性和工艺相似性，把零件分为不同的加工工艺零件族。   4.2.2参数化关系     一个零件族(零件类)是按零件的加工工艺相似性来建立的，零件族中的所有零件的工艺都只是在典型模板工艺的基础上根据不同参数自动或交互生成的。为了能够自动生成工艺，在典型模板工艺中必须建立工艺数据与零件参数相关联的关系，这里称为参数化关系。       一般情况下，由典型模板工艺生成的不同参数的零件工艺的差别都不是很大，如加工方法、加工工艺路线、所选设备、工序顺序等一般都没有多大变化，只是由零件参数如零件尺寸、材料影响下料尺寸、加工的用量等。       根据零件族的每个参数，在典型模板工艺中建立对应于每个参数的对应关系。每个关系相当于一个函数，当参数发生变化得到的结果就相应改变。参数化关系也影响着零件参数的数量，有时从零件本身来说，并不需要某些参数，但是在进行参数化关系建立时，有时需要引进一些参数来实现工艺生成，这一部分参数称为工艺参数。工艺参数的输入主要由交互来完成。工艺参数作为零件的一种特殊参数，在零件工艺的自动生成中用来判断或决策。       (1)参数化关系的分类参数化关系主要由工艺的相似性特点来决定。按对应关系一般可分为下面三种:一对一关系。一个参数决定一个工艺数据，如零件的长度尺寸为A，对应加工工艺中的下料工序下料尺寸就为A+B（B，工艺中给下料的富余量）。多对一关系。       由零件的几个参数决定一个工艺数据。一对多关系。一个参数决定几个工艺数据，也就是一个参数包含了前两种关系中的一种或两种。按关系的复杂度分为:简单关系。直接把零件参数作为工艺数据。公式关系。由一个或多个参数形成一个公式来决定工艺数据。规则关系。由一个或多个参数按一定的规则来决定工艺数据。       (2)参数化关系的建立参数化关系的建立是相当关键的一部分，也是交互参数化工艺设计的一个难点。参数化关系的建立必须在对工艺的特点进行详细的分析下，综合考虑零件的基本参数和工艺参数对零件工艺的影响，根据具体情况来建立。       它的好坏直接影响着零件工艺的交互自动生成的效率。在建立零件的参数表时，零件的每个参数都取一个参数名，建立参数化关系时，用一种特殊的表达方式来定义一个关系，在典型模板工艺和典型工序图中插入这些参数化关系。       (3)参数化关系的实现在进行零件工艺的自动生成时，把典型模板工艺和典型工序图中的参数化关系转化为零件工艺的工艺数据的过程称为参数化关系的实现。参数化关系的实现按照参数化关系的不同采用不同的处理方式：       简单参数。直接用参数替换生成工艺信息数据。     参数公式。计算出公式结果，替换生成工艺信息数据。     产生式规则。按规则推理出结果，替换生成工艺信息数据。     如果工艺信息数据是工序图的尺寸，还需要驱动图形作相应的修改。       参数化关系的实现过程从典型模板工艺开始，当选取了某种典型模板工艺后，就循环模板工艺中的所有数据信息，如果遇到参数化关系就进行处理替换，直到循环处理完成整个工艺；对于工序图，按一定的规则选取工序图后，也是循环整个图形中的所有尺寸信息，如果遇到关系就进行处理，生成的工序图的实际尺寸，再驱动修改图形。整个过程如图4.1。

4.2.3参数化实现规则     参数化实现规则也是一种产生式规则，可以分为典型模板工艺选取规则、典型工序图选取规则和参数化关系规则三类。对应于所有的零件族，根据零件的分类编码制定典型模板工艺选取规则，并且对于每一个零件族(也就是对于每个典型模板工艺)建立起典型工序图选取规则，在典型模板工艺和典型工序图中根据需要建立参数化关系规则。各种规则在工艺生成中的作用如图4.2。

4.3参数化工艺设计方法实现     首先，工艺人员必须按照零件间的结构和工艺方面的相似性，将零件分类成组，建立相似零件族或加工组，并给每一个零件族制定一个优化工艺方案，然后将已知条件及其它所有随着产品规格和工艺特点而变化的基本参数进行变量提取。       在进行工艺设计时，根据得到的零件信息，经过相应查询和计算，然后对相应的零件工艺信息库中的变量进行参数化处理，即可生成零件的加工工艺规程。在自动生成的工艺规程的过程中，工艺员也可以进行交互式的对话选择，参数化工艺设计方法实现过程如下。   4.3.1零件参数的组织传递及参数库建立     根据零件的结构特点和零件的加工工艺的相似性，运用成组技术(GT)把零件分为零件族和加工组，对于一个零件族，归纳总结它们的特征参数可以建立一张参数表；建立所有零件族的参数表就能建立起零件基本参数库。提取零件基本参数入库，即零件的参数化。       通常采用两种方式，一是直接从CAD中集成零件的特征信息，通过专用的接口直接入库；二是手工录入。对于几何参数模型而言，主要有两个内容：几何关系和拓扑关系。几何关系是指具有几何意义的点、线、面，有确定的位置和大小；拓扑关系反映形体的特征和关系，如几何元素之间的邻接关系。       在一般的工艺设计中既涉及到尺寸的改变又涉及到结构的改变。这些参数信息在设计部门使用参数化设计功能模块，基本实现参数化设计后，由于每个通用件都有相应的参数表，将组部件的参数信息进行提取，通过PLM与CAD的接口，导入到工艺设计参数库中，如图4.3所示。

    零件设计参数库以单个零件为单位，每一条数据库实例除包含零件代号、零件图号、成组编码、材料等属性外，还包括零件的参数表达式与参数表达值属性。这里的参数表达式是由零件的参数化模型经过数学分析，抽象出来，用于表达由于各零件参数值的变化，对目标零件尺寸、结构数据的影响，它与零件参数是一种定义域和值域的关系。       参数表达值，是在参数表达式中出现的，相对于具体零件实际参数值，在参数表达式计算中用于变量代换，参数与数值是一种类似函数中形参和实参的关系。       需要指出的是，由于设计参数信息已经传递到工艺设计模块，工艺设计模块可以充分利用参数信息进行参数化工艺设计。这样，参数表达式可被用于各类工艺信息的设计中，比如：材料定额、工时信息、下料尺寸、工序内容、工步内容、工序图尺寸等。   4.3.2基于参数表达式的模板工艺库的建立     实现快速的参数化工艺设计，除了需要零件参数库的建立外，还需要调用预先设计好的模板工艺，进行参数化工艺的生成。所谓模板工艺，是指用于参数化工艺设计的标准模板和规范的工艺。       在定义模板工艺前，应根据工艺设计经验，综合分析企业系列产品的加工工艺特点，给每种类型的通用件工艺进行详尽的结构和工艺性分析，优化工艺方案，将可变部分用参数表达式代替提取完成。       显然，是否将一个工艺特征提取为模板工艺参数表达式，取决于定义者希望模板工艺的参数化程度。模板的参数化程度越高，它所能包含的零件工艺数目就越多。

    模板工艺的管理通过建立模板工艺库来实现，如图4.4所示，为模板工艺库信息组织方式。采用面向对象的方法，根据零件设计参数表达式的不同形式，建立表示模板工艺分类；将每种参数表达式下收集的工艺参数，作为模板工艺的属性。       将部分需要计算的参数以计算公式的形式表示。模板工艺的代号定为零件代号，这样方便今后对通用件的工艺进行匹配。如果同一类型的通用件有多份模板工艺，即出现多匹配的工艺，可以通过关键标识来区分，增加工艺生成的柔性。       工艺人员也可以在工艺设计过程中，随时将总结的工艺规程经过一定的编辑修改(输入工艺规程属性信息，总结参数表达式，配备图形)直接放入模板工艺库中，从而实现模板工艺的动态扩充。       在模板工艺中，通过参数表达式建立起模板工艺中工艺数据与零件参数之间的参数化关系。模板工艺的工序图形及其工序的配置，均可由具体的系列的零件参数调整来修改和控制，将模板工艺中的工序图建立成一个工序图库，并且建立起与模板工艺之间的对应关系。       工序图中尺寸随着工艺参数变动，所以在工序图中也要建立与参数对应的参数化关系。这种关系保证参数化驱动生成系列产品的零件工艺规程。   4.3.3参数化工艺实现规则     在模板工艺库和零件参数库、图形库都建立起来后，还需要建立工艺生成规则来进行零件工艺的匹配、工序图形的自动选取，以及根据参数驱动生成工序图等工作，以此来实现参数化工艺设计。       这里的工艺生成规则是一种产生式规则，可以分为模板工艺选取规则、典型工序图选取规则和参数化关系规则三类。参数化工艺的设计过程如图4.5，首先，对应于所选的零件族，根据零件的分类编码、参数表达式制定模板工艺选取规则。

    根据零件的参数表达式去关联模板工艺类，对于符合模板工艺类的零件，再根据零件代号关联模板工艺类下某一具体模板工艺的工艺代号，如果零件代号与工艺代号相同或相似，则将此关联的模板工艺作为该零件的模板工艺。       这里所谓的关联是指当前零件的工艺与模板工艺，及其工艺图形库建立一种联系，产生的当前零件的工艺信息在工艺数据库中的信息只是原模板工艺的一个索引，当前零件的工艺是以虚拟的方式存在，只有打开浏览或者打印时才会动态生成。       并且，对于每一个模板工艺需要建立起模板工序图选取规则，在模板工艺和模板工序图中根据需要建立参数化关系规则。模板工艺和工序图选取后，通过参数处理与计算，经简单修改，生成对应的零件工艺。       在生成过程中，如果根据模板工艺选取规则关联一份模板工艺，则直接进行下一步处理；但是如果找到多份模板工艺，则需要根据关键参数由工艺员交互式判断并关联具体一份模板工艺，然后再进行下一步处理。       在进行零件工艺的自动生成时，把模板工艺和工序图中的参数化关系转化为零件工艺的工艺数据的过程称为参数化关系的实现，如果工艺信息数据是工序图的尺寸，还需要驱动图形作相应的修改。       从模板工艺开始，当选取了某种模板工艺后，就循环模板工艺中的所有数据信息，如果遇到参数化关系就进行处理替换，直到循环处理完成整个模板工艺；对于工序图，按一定的规则选取工序图后，也是循环整个图形中的所有尺寸信息，如果遇到参数关系就进行处理，生成的工序图的实际尺寸，再驱动修改图形。最后将图形插入到选取的模板工艺中，经简单修改，生成零件工艺。   4.3.4参数化工艺设计方法评价     通过运用参数化工艺设计方法，可以自动匹配生成参数化工艺，大大提高工艺人员在设计通用件参数化工艺中的效率。例如，对于每一种通用件的下料尺寸都有自己的基本下料公式，通过输入相关参数就可以计算出下料尺寸。       这样，减轻了工艺设计的劳动强度，缩小了参与工艺设计的人员范围，提高了工艺设计的质量。同时，通过零件设计参数与工艺参数相关联，实现了产品设计信息与工艺设计信息的有效继承和紧密融合，这不仅有利于在产品设计中推行参数化设计方法，而且有利于工艺信息合理的组织、总结与优化，提高了企业工艺设计质量和标准化程度。   4.4本章小结     本章介绍了参数化工艺设计方法，对基于PLM的参数化工艺设计关键技术进行了分析研究，实现了基于特征的参数化工艺设计，通过零件参数的组织传递，基于表达式的模板工艺库的建立和参数化工艺实现规则，达到对产品工艺的整个形成过程进行灵活控制。