（机械制造及其自动化专业论文）基于特征匹配的机加工设备能力评价系统研究.pdf

摘要 摘要 设备是车间的主要组成部分，在企业的固定资产总额中所占的比例最大， 随着机器设备技术含量的日益增高、设计制造和购置现代化设备费用的增加， 还会继续加大设备在固定资产总额中的比例。因此，设备的运作良好与否，对 企业兴衰影响重大，举足轻重。 设备的使用不可避免的遇到根据零件加工工序选择设备的情况，当前大多数 企业的做法是凭借经验由人工去完成设备的选择。但是，人工选择设备大都过 多的突出了主要因素，甚至会出现较大的偏差，造成设备资源的浪费、生产成 本增加、设备损耗加快等等。随着企业信息化的迅速发展，越来越多的企业开 始应用m e s 系统，本文就是以数控车间m e s 系统为应用环境，面向数控设备， 研究如何建立数控设备信息模型以及描述设备综合能力，以解决人工选择设备 所不能解决的问题。主要内容及创新点如下： 建立了一套通用性较强的设备特征信息模型，满足了不同生产部门对设备 特征信息的需求。建立了该模型的设备类与设备管理层次，并设计了一套科学 的设备编码体系，给出了各码位的详细解释； 建立了零件工艺特征与设备几何特征的匹配关系以及匹配规则，使零件与 设备之问的特征匹配更加简化： 根据零件成组编码建立了设备能力矩阵，该矩阵用来初步选择设备；提出 了基于层次分析法与模糊综合评价方法的设备能力评价方法，建立了评价因素 体系，利用层次分析法科学的确定各因素的权重；总结了模糊综合评价因素属 性值的获取和规范化方法，根据层次分析法求得的权重利用模糊综合评价方法 得出设备综合加工能力的阈值，选择最适合零件加工工序加工的设备，并给出 其设备合理性排序。 围绕建立的设备特征信息模型，设计了能力评价系统的框架结构与功能模 块，开发了根据以上方法所得的原型设备能力评价系统，并在企业的应用中取 得了良好的效果。 关键词：特征信息模型；特征匹配；层次分析法；模糊综合评价 a b s t r a c t m a c h i n ei sam a j o rc o m p o n e n to ft h ew o r k s h o p i th o l dt h el a r g e s tp r o p o r t i o no f t h et o t a lf i x e da s s e t si nt h ee n t e r p r i s e w i t ht h ei n c r e a s i n gt e c h n i c a lc o n t e n t , t h e m c r e a s m gc o s to ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，a n dt h ei n c r e a s i n gc o s to fb u y m o d e mm a c h i n e s ，t h e r ew i l lm o r ei n c r e a s i n gi n v e s t m e n to nm a c h i n e t h e r e f o r e ，t h e o p e r a t i o no ft h em a c h i n e ，w h i c hi sg o o do rn o t ，h a sa m a j o ri m p a c to ne n t e r p r i s e w h e nu s i n gm a c h i n e ，w eu s u a l l yn e e dt oc h o o s ei ti na c c o r d a n c e 、析1t 1 1 e p a r t p r o c e s s i n g c u r r e n t l y , m o s to ft h ee n t e r p r i s e sc h o o s em a c h i n eb yv i r t u eo fw o r k e r s e x p e r i e n c e h o w e v e r , t h ea r t i f i c i a ls e l e c t i o no fm a c h i n eh a st o om u c he m p h a s i so n t h em a i nf a c t o r s s oi ts o m e t i m e so c c u rt h el a r g e rd e v i a t i o n sw h i c hw i l lc a l l s et h e w a s t eo f r e s o u r c e ，t h ei n c r e a s i n go fp r o d u c t i o nc o s t ，s p e e d i n gu pt h em a c h i n e sw e a r a n dt e a r w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r e e n t e r p r i s es t a r t st ou s em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m t h i sa r t i c l ei s 西t t e ni nm e b a c k g r o u n do ft h em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m sa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to ft h e n c w o r k s h o p 。a n di tu s e st h en ce q u i p m e n ta si t sb a c k g r o u n d t h em a i nc o n t e n ti s h o wt oe s t a b l i s ht h ei n f o r m a t i o nm o d e la n ds y n t h e t i cc a p a b i l i t yd e s c r i p t i o no fn c e q u i p m e n t s oi ts o l v e sm a n yq u e s t i o n st h a ta r t i f i c i a ls e l e c t i o nc a n ，ts o l v e t h em a i n c o n t e n ta n di n n o v a t i o na r ei l l sf o l l o w s ： t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e saf e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e lo ft h en c e q u i p m e n tw h i c h m e e tt h ed i f f e r e n tn e e d so ft h ep r o d u c t i v es e c t o r i ta l s os e tu pt h ee q u i p m e n t ，st y p e a n dt h ee q u i p m e n t sm a n a g e m e n tl e v e l a n dt h e nt h ea r t i c l ed e s i g n sa s e to fc o d e s y s t e mf o r t h ee q u i p m e n t t h e ni tg i v e st h ec o d eb i t s e n c o d e di n t e r p r e t a t i o n t h ea r t i c l eb u i l d sm a t c h i n ga n dm a t c h i n gr u l e sb e t w e e nt h ep r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fp a r t sa n dt h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q u i p m e n t a n di tm a k e st h ef e a _ t u l e m a t c h i n gb e t w e e np a r t sa n de q u i p m e n tm o r es i m p l i f y t h ec a p a b i l i t ym a t r i xi sd e s i g n e dt od e s c r i b ee q u i p m e n t s ，m a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t y f o rp a r tt y p ea n dm a t e r i a l t h em a t r i xi su s e df o rt l l ei n i t i a lc h o i c eo fe q u i p m e n t t h i s a r t i c l ee s t a b l i s h e sa n a p p r a i s i n gm e t h o do fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s ， m a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t yb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fa n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s sa n d i i a b s t r a c t f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n a n dt h ea r t i c l eb u i l d sas y s t e mf o rt h ee v a l u a t i o n f a c t o r s i tu s e sa n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s st od e t e r m i n et h es c i e n t i f i cw e i g h to fe a c h f a c t o r a n di ta l s os u m m a r i z e du ph o wt oo b t a i nt h ep r o p e r t yv a l u e sa n dt h e s t a n d a r d i z e dm e t h o d s b yv i r t u eo ft h ef u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，w ec a ng e t t h en u m e r i c a ls i z eo ft h ee q u i p m e n tc a p a c i t y s ow ec a nc h o o s et h eb e s te q u i p m e n tt o p r o c e s sp a r t sa n dg i v et h er e a s o n a b l eo r d e rt ot h ee q u i p m e n t b a s e do nt h ei n f o r m a t i o nm o d e l ，i te s t a b l i s h ss y s t e m sf r a m e w o r ka n df u n c t i o n m o d e l sa n dd e v e l o p sa p r o t o t y p eo ft h ee q u i p m e n te v a l u a t i o ns y s t e m a n dt h es y s t e m a p p l i c a t i o ni nt h ee n t e r p r i s eh a sa c h i e v e dg o o dr e s u l t s k e yw o r d s ：f e a t u r ei n f o r m a t i o nm o d e l ；f e a t u r em a t c h i n g ；a n a l y t i c a lh i e r a r c h y p r o c e s s ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( - - - 7 - 写) ：量 签字日期： 加广 学位论文版权使用授权书 l 6 月佣 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：a r n 签字日期： 卟6 名谚趸 b i z f i 一答字醐1 私月m 第1 章引言 第1 章引言 1 1 机加工设备能力描述及评价问题的提出 1 1 1 设备能力描述及评价的涵义 关于设备能力，目前还没有明确的概念。按一般性的理解，设备能力可以 包括设备的加工能力、经济性、设备负荷能力以及设备安装刀具、夹具的能力 等等。在本研究中对设备综合能力的描述将主要考虑设备加工能力，即本文研 究中设备综合能力主要是指设备对零件某一或若干工艺特征的加工能力，描述 的是设备可产生的工艺方法及各方法所达到的精度和粗糙度等。实际上，描述 及评价设备的加工能力，是在零件工艺设计知识与设备资源之间建立了联系。 设备资源的选择是多方案的，同- - 力n m i 序有不同的设备资源选择方案， 同理，同一设备资源可以适应不同的加工工序要求。设备能力描述与评价就发 生在设备资源与加工工序的相互作用过程中。本文的设备能力描述是指根据零 件加工工序选择适合加工设备的过程中，对设备的加工能力如加工柔性、加工 精度、经济性等方面的一种参数表达。设备能力评价是指通过对设备能力的描 述，凭借人工经验或建立数学模型并用数学方法求解等方法选择设备的整个过 程。 1 1 2 机加工设备能力评价的产生背景 当前制造业日趋向智能化、敏捷化和集成化发展。在企业的种类生产资源 信息中，加工设备信息种类庞杂、参数繁多，无论进行产品设计、工艺制定还 是生产调度等等，都需要对所采用的生产设备或生产线的加工能力有一个较准 确的了解。在传统的产品设计、工艺设计或生产调度过程中，相关人员是根据 零件的加工要求和各种设备的一些基本参数凭经验来选取适合加工该零件的设 备，即传统的设备能力用参数来描述的，设备能力评价是人工评价的。 在人工选取设备的过程中，由于没有科学的评价因素体系，相关人员往往 根据经验把自己认为最为重要如加工尺寸、加工精度、经济性等因素中的一个 或两个因素作为选择设备的标准。这样做导致的结果是最大限度的突出了主要 因素，丢失了大量的有用信息；其次，由于工作人员是凭借自己的经验去选择， 第1 章引言 往往不会一次性考虑太多的评价因素，而且不同的人员有不同的选择经验，这 就使得选择结果带有很多的主观意识。因此，人工选择设备有很多局限性，往 往得不到最合理的设备选择结果，造成资源的浪费、加快设备的损耗等等。 为适应车间制造的敏捷化，制造执行系统m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o n s y s t e m ) 逐步形成并得到迅速发展。m e s 是位于上层的计划管理系统与底层的工 业控制之间的面向车间生产的管理信息系统【l 】。随着现代制造业信息化的快速推 进，较多的企业应用了m e s 系统。由于在计算机系统中计算机无法像人那样去 选择设备，必须将制造设备的加工能力用数字的形式描述出来或用具体的算法 计算出来，计算机才能进行设备选择等操作。机加工设备( 本文中主要指数控 设备) 能力评价的课题研究就是在m e s 大环境下进行的。 1 2 课题的研究现状及发展趋势 进行基于特征匹配的机加工设备能力评价必须在设备特征信息模型为基础 上，理清设备与零件之间的特征映射关系，并采用科学合理的算法才能得到正 确的结论。下面对课题涉及到的各方面的概况进行简单介绍。 1 2 1 设备特征建模技术的研究概况 设备资源特征信息建模方法的研究是制造环境建模理论中的一个重要方 面，也是研究和建立统一的、能实现产品生命周期中各阶段信息交换与共享的 设备资源模型的基础性工作。近年来，产品建模的研究取得了很大的进展，为 并行设计的实现提供了很好的条件；然而，设备建模的研究进展缓慢，主要是 设备资源模型存在着以下问题：复杂的设备资源信息不能像产品或零件那样 用相对统一的特征来描述；复杂的设备环境都是动态的；设备资源的工程 语义不能附在几何模型上；不同的企业，其制造环境不同。这给面向制造的 设备资源模型的建立带来了很大困难，阻碍了设备资源模型实用化的发展【2 j 。 制造资源是企业完成所有制造活动的物理抽象。它是对企业中的设备、材 料、人员以及产品生命周期所涉及的硬件、软件的总称。具体的是指企业组织 生产所须的原材料、机床、刀具、夹具、量具和切削环境等。本文研究的设备 资源信息建模是制造资源建模的下一级，它们大都采用特征建模的方法。国外 学者对制造资源模型作了一些研究，如c h a n g x u ef e n g 等建立了制造资源的约 束模型【3 】；t o r s t e n 等建立了基于s t e p 的制造资源信息模型 4 】；g a o 建立了产品 2 第1 章引言 和制造能力模型框架【5 】；c a s e 建立了工艺能力模型【6 】。国内这方面的研究有：陈 云等人建立面向对象和s t e p 技术的制造环境建模，把制造环境分解为三个子模 型：控制结构模型、资源模型和制造能力模型7 】；邵新宇等人把设备环境分为五 层：工厂层、分厂层、工段层、工作站层和设备层，基于特征进行设备环境建 模【引；王华栋应用面向对象的技术，建立了面向对象的制造资源特征层次模型【9 1 ； 戈鹏提出了基于知识的制造资源数据统一建模，在资源平台的通用化等方面进 行了有益的探索( 1 刎；王军等提出了过程特征的概念，建立了基于过程特征的制 造资源模型【1 1 】；石旭东建立了面向可制造性评价的虚拟制造资源模型【1 2 】。 上述建立的制造资源模型大都局限于各自领域内的应用，缺少通用完整的 模型定义，极易造成信息的大量冗余，数据表示不一致性明显，信息流通严重 受阻，信息难以更新与维护，并不能解决前面提到的模型的缺点。本文将建立 通用性与灵活性较强的设备信息模型。 生产过程中的各个环节对设备资源信息有着不同需求，在系统集成和信息 共享的过程中必须体现这种信息需求的差异，具体到以下几个方面【1 3 】： ( 1 ) i 艺设计：工艺设计将安排工艺路线、制定工艺规程并生成数控加工刀 位文件，它们均与设备资源有着密切的、不可分割的联系，因而这一过程至少涉 及两个层次的信息：工厂、车间及设备单元能加工的零件类型、具备的加工方 法，车间之间的相互关系，车间中各单元( 或设备) 的分工协作等；机床的类 型、性能、规格、主要尺寸、刀具配置、加工精度、刀夹具的材料及尺寸规格 等。 ( 2 ) 产品设计：需同时考虑制造因素，及时进行工艺咨询、可制造性评价及可 装配性评价等。而工艺咨询及可制造性评价中的主要指标( 如零件结构、尺寸、 精度等的可制造性) 均与设备资源信息有着密切的关系。 ( 3 ) 生产计划：制定生产计划必须考虑工厂、车间及设备单元的生产能力，以 及设备和加工单元的加工能力( 包括机床和加工单元的加工工种、加工效率、可 加工零件类型及尺寸范围、设备运行状态等) ，同时应考虑设备资源的概要数据 ( 如名称、型号、生产厂家、购置价格、使用部门、安装和排放、操作和维修等) ， 这些信息是进行固定资产核算、设备评估和产品成本核算的依据，也是工艺方案 综合评价的依据。 ( 4 ) 产品制造：产品制造过程是零件在具体的设备环境中被加工的过程，它 与设备资源有着直接的联系，而且联系最密切；因此，产品制造过程所需要的 设备资源数据更详细设备数据交换更频繁；如在数控加工过程仿真中，设备 3 第1 章引言 的具体数据( - 1 - _ 作台尺寸、刀具数据、坐标系结构、加工范围及联动情况等) 是 碰撞、干涉检验的依据之一。 由此可见，应用系统中的诸环节均与设备资源密切相关，若采用各自为政 的做法，必然存在设备资源的数据冗余，无法保持设备资源数据的一致性；因 此，有必要建立统一的、共享的设备资源信息模型。设备资源特征信息建模是 本文研究的重点内容之一。 上述制造资源的建模基本上采用特征信息建模技术，具体可分为传统的特 征信息建模技术与面向对象的特征信息建模技术等类型。在具体的应用过程 中，制造资源的特征信息建模包括面向敏捷性制造的、面向网络化制造的以及 基于w e b s l 造的特征信息建模等。虽然种类复杂多样，但归根究底，以上种类 还是由前两大类演化而来的。因此，本文将设备特征信息建模技术分为传统的 与面向对象的两类。下面对这两种类型作详细介绍。 1 2 1 1 传统的设备特征信息建模技术 传统的设备特征信息建模技术是将设备的完整信息区分为静态信息与动态 信息。静态信息主要是指工艺装备的几何特征与功能特征。动态信息则是描述 工艺装备的实时状态，如空闲状态、装载状态、加工状态、拆卸状态等，它详尽 的描述各个状态之间的切换。最初运用特征建模技术对设备资源建模时仅仅是 对设备结构的静态描述，无法全面地描述加工设备作为一种制造实体所拥有的 资源和功能。为了更好地将设备作为一种制造实体全面性的建立模型，有些国 内学者开始将设备的动态特性加入到设备特征模型中。用这种方法建立的设备 信息模型可以综合定义设备的静态结构特性参数和设备在生产过程中呈现的动 态信息参数，能够同时满足各个控制系统对设备静态及实时动态信息的需求。 此种类型的设备信息模型以如图1 1 所示的设备特征信息模型为典型【l 训。 图1 1 设备信息模型定义 4 第1 章引言 从敏捷制造、并行工程等的角度来看，这种传统的建模方法有以下优点： ( 1 ) 动态性。由于设备在生产过程中所传递的信息是动态的，它不仅改变了 加工产品的物资形态，同时也改变了产品的信息形态，因此适合用动态的数据 模型来定义和描述。 ( 2 ) 完整性。该设备定义模型完整地描述了设备的性能和状态，包括动态的 和静态的，可以为制造系统的其他组成部分提供完整的设备信息。 由于设备资源的状态和行为是不断变化的，这种模型虽然兼顾了设备的静 态与动态信息，但是在企业实际应用中不能对设备资源进行有效管理和不能对 设备进行有效利用的情况比比皆是。究其原因是该种模型的通用性和灵活性较 差，这种单一功能的制造资源模型及能力模型对于满足新型制造模式的需求显 得力不从心。 1 2 1 2 面向对象的设备特征建模技术 由于面向对象的技术有着很多传统的特征建设模技术所不能比拟的优点， 面向对象的方法越来越多的应用在了设备资源的特征建模上。面向对象方法学 的基本原理是对问题领域实行自然分割，按人类认识客观世界的思维方式来识别 和定义客观世界中各信息实体。采用o o 方法进行系统设计，以0 o 分析为基础 建立对象模型以表示各实体之间的关系。对象模型可使用对象( o b j e c 0 、属性 ( a t t r i b u t e ) 、和关联( a s s o c i a t i o n ) 等来表示模型的结构。由于对象是客观世界的 某类实体，对象可拥有属性以描述其各方面的性质，但属性本身也是一个对象， 当它用来描述某一对象的性质时就成为该对象的属性。描述对象与对象之间的 关系称为关联，o 。o 系统有三种关联关系： 1 ) 一般与特殊的关系许多实体对象的属性有其共性，从而可归纳为对 象之间的一般与个别、普遍与特殊的关系，可用i s a 来定义，如图1 2 ( a ) 。 2 ) 整体与部分的关系在认识复杂实体对象时，人们常采用分而治之的 原则，将其分割成几个相对简单的部分来识别对象之间的关系，表示一个对象 是另一个对象的成员组成，可用c o n s i s t - o f 来定义，如图1 2 ( b ) 。 3 ) 引用关系( r e f e ：r e n c e )它是对象与对象之间的一种调用关系，表示一 个对象调用另一个对象的属性，可用a p p l i e d t o 来定义，如图1 2 ( c ) 。 5 第1 章引言 图1 2 对象之间的关联与从属关系 采用面向对象的设备特征建模技术较有代表性的是建立了较完善的如图1 3 所示的设备资源信息描述指标模型【1 5 】。 图1 3 设备资源的信息描述指标 该模型中将设备资源信息统一分为静态信息和动态信息两大类，其中静态 信息又可分成基本特征信息和能力信息，基本信息即描述制造资源名称、功能、 位置等基本特征的信息能力信息即资源能够完成特定制造任务的信息，通常是 指与成本、时间、质量、信誉和服务等资源性能相关的一些信息动态信息包括 随时间变化的信息( 如资源状态、可用性、软件资源的运行速度、计算资源的 内存使用率等) 和随设备资源所在的位置而变化的信息( 如运输时间、运输费 用、差旅费等) 。由于对资源类型的划分具有层次性，每个子类除拥有其父类的 所有公有属性外，还拥有自己的不同于相同层次上的其它子类的信息描述指标。 采用面向对象的技术方法，研究制造资源的结构形式及其相互关系，建立 制造资源特征的对象模型，可为建立通用化程度高、可重构的制造资源类库及 工艺知识和工艺数据库提供技术支撑。本文即是采用面向对象的方法建立设备 特征信息模型。 6 第1 章引言 1 2 2 设备与零件的特征匹配 本文所说的设备与零件的匹配是指根据加工零件对设备进行约束检验，主 要检验设备资源是否满足零件加工要求，在现有的设备资源约束下，零件的工 艺特征是否可以加工。 一般而言，任何零件都可以看成是由各种特征表面构成的，每一特征表面都 对应着各自的加工特征，如大小、精度、粗糙度等，根据特征表面的加工特征，从 相关资料和经验中能够知道加工该表面可采用的加工方案；同时。任何设备也对 应着各自的制造特征，如加工方法、加工精度、加工范围等。设备的制造特征决 定了该种设备是否可以用来产生相应的零件特征表面，这也就是零件设备特征 匹配思想的基础1 1 6 1 。 1 2 3 机加工设备能力评价的国内外现状 国内有些学者对机床加工能力描述与评价进行了研究，并提出了一些评价 模型。曹华军掣r 7 】建立了一种面向绿色制造的机床设备选择目标分解参考体系， 对机床设备选择问题进行了三级分类和数学描述；针对具有代表性的零件单个 特征的机床设备选择问题，建立了多目标优化决策模型，并将灰色关联分析法 和层次分析法相结合，应用于上述模型的求解。秦宝荣等【1 8 i 提出了基于模糊综 合评判的机床选择分层决策方法，建立了初选和终选机床的评判模型。陈婀娜 等【1 9 】应用模糊综合评价理论建立数学模型来评价数控机床。刘忠等【2 明以零件加 工的时间目标作为模型的优化目标，以机床的购买成本作为约束，提出了f m s 机床选择模型，结合遗传算法快速高效的搜索特性，对机床选择问题进行求解。 张进春等【2 l 】对影响机床的人机系统安全的因素进行了分析归类，建立了人机系 统安全性评价指标体系，并应用层次分析法方法对机床产品的人机系统安全性 进行了评价，从而辅助企业做出科学合理的采购决策。 虽然种类较多，但其分类可做如下划分：第一类是通过建立知识库，利用 知识推理机实现设备的描述与评价的功能；第二类是利用构建的设备特征信息 模型，为用户提供设备相关加工特征信息，设备的选定最终是由人工来完成的； 第三类是采用模糊数学、神经网络或遗传算法等数学方法对设备的综合能力进 行描述，然后通过相应的算法进行设备选择的推导计算。第二类方法在一定程 度上描述了设备的综合能力，但在具体应用上难以用数字化实现，仍依赖人工 经验，其实现的方法与前面介绍设备特征建模相似，这里就不再赘述。国内外 7 第1 章引言 研究比较多的是第三类方法，形成了很多成熟的方法，本文将重点研究第三类 方法。 基于加工设备的可加工性评价方法的基本思想是，生产厂的每一台设备，对 其能够承担的每一种加工能力，分别针对尺寸、精度、形状等加工要求制定可加 工性的模糊评价函数。例如，对于一台普通车床，它具有车和钻两种加工能力，但 对于同样的加工尺寸，车5 0 m m 的轴对它来说也许比较容易，而钻5 0 m m 的孔可 能比较困难，同样，对于相同的精度要求，车出i t 6 的精度也许能够做到，而钻出i t 6 的精度就很困难；因此，对于这台车床，需要分别为车和钻两种加工能力、为 尺寸和精度两种要求，制定4 种可加工性评价函数。 为零件选择合适的加工机床，应综合考虑加工类型、尺寸范围、精度等级、 设备状态以及经济性等各方面的要求。较有代表性的是构建了如图1 4 所示的设 备选择的二级综合模型2 2 】。 图1 4 设备选择的二级模糊综合评判指标 。 1 3 本课题的研究内容 本课题的研究旨在吸收国内外设备管理信息系统的优点，结合国内制造企 业信息化中的设备管理需求，建立通用性较强的设备特征信息模型，探索零件 与设备的特征匹配关系，研究设备对零件加工能力评价，使企业的设备管理变 得更为容易，将零件与设备的特征匹配引入设备管理系统中，并将设备的加工 能力评价体系与企业传统的台帐式设备管理系统结合起来，使企业管理者选取 设备的时间大为缩短、效率大大提高，使企业的加工设备得到合理的利用，实 8 第1 章引言 现了设备的科学、规范、数字化和高效管理。主要工作内容如下： ( 1 ) 将加工设备特征化，建立或完善设备特征信息模型。 ( 2 ) 研究零件特征、零件加工工艺特征和设备加工特征之间相互的映射关 系，建立零件工艺特征与加工设备的匹配规则，实现零件工艺特征与设备加工 特征的匹配； ( 3 ) 建立科学的递阶层次评价因素体系，合理的确定因素的权重，为后续 的推理奠定基础。 ( 4 ) 根据数控设备的特征信息模型和零件工艺特征同设备加工特征间的映 射关系，研究如何实现对数控设备加工能力进行数字化描述和评价。 1 4 论文的组织结构 本文共分七章，各章节具体安排如下： ，第一章引言。本章介绍了机加工设备能力评价的涵义与产生背景，并介绍 了课题相关内容的研究现状，并在此基础上提出了本课题的研究内容及意义。 第二章机加工设备特征信息模型。本章建立了通用性较强的设备特征信息 模型，并用该模型描述设备，随后构建了信息模型的设备类与设备管理层次， 建立了系统的设备编码体系，并给出了各码位的码位解释。 第三章机加工设备与零件的特征匹配。本章介绍了系统的零件特征模型、 设备与零件特征匹配的基本原理、零件工艺特征与设备几何特征的匹配规则概 述，由此引出了过渡特征的概念，得出设备与零件特征匹配的匹配规则设置方 法。 第四章设备能力评价相关理论及其拓展。本章从理论角度介绍能力评价应 用的两种数学方法：层次分析法与模糊综合评价方法。首先介绍了层次分析法的 涵义及求解步骤，然后介绍了模糊综合评价方法的相关理论知识。随后建立了 基于层次分析法与模糊综合评价方法数学模型的技术路线，紧接着构建了递阶 层次结构与模糊综合评价因素体系以及设备能力评价实现的思路。 第五章设备能力描述与评价应用研究。本章介绍了以加工能力为主的设备 能力，用设备能力矩阵进行设备的初选，紧接着举例应用层次分析法确定各评 价因素的权重，运用模糊综合评价方法进行评价，得出设备对零件待加工特征 的能力阈值。最后通过在企业中的具体应用说明了该方法可行。 9 第1 章引言 第六章机加工能力评价系统实现。本章介绍了机加工设备能力评价系统框 架结构、功能模块及详细设计，尤其重点介绍了设备能力评价模块的详细流程， 比较详细的介绍了系统功能模块的软件实现。 第七章总结与展望。本章对本文的主要研究内容与创新点作了总结，并对 设备能力评价进行了展望。 l o 第2 章机加工设备特征信息模型 第2 章机加工设备特征信息模型 2 1 设备特征的内涵及其建模原则 特征是设计与制造零、部件的基本几何定义，它是源于产品的模块化设计 思想。特征是几何体，是由面、环、边、中心线和中心点等几个要素组成的。 特征是参数化的几何体。通过改变特征的尺寸，可以用有限的特征造型构造出 无限的零、部件形状，具有一定的工程意义。特征包含几何信息和非几何信息。 从设计观点来看，传统的特征是由几何及其拓扑元素组成的形状信息集从制造 观点来看，特征是表示与制造相关的形状和技术属性。特征是构成产品描述的 形状、参数、属性和性质表达的信息集，在不同工程活动中，特征的形式和内 涵不同，并且可以识别、混合、转换，且在各种应用中能覆盖该项应用的全部 要求【2 3 羽1 。 在制造技术领域中，设备特征信息既可以是设备自身的几何特征，也可以 是与设备制造能力相关的技术属性，即一台设备所能加工零件特征的性能范围。 进行面向制造设备( 这里主要是数控设备) 的特征建模时，必须遵循如下原 则： ( 1 ) 包含所有机械加工的信息； ( 2 ) 能够满足后续的各种计算机系统如c a d 、c a p p 、m e s 等的需要： ( 3 ) 尽量减少不必要的参数，避免信息冗余； ( 4 ) 结构合理，具有柔性，如果产品有了改进，可根据实体对模型进行方 便、快捷的修改，而不需要重建； ( 5 ) 可以在不同的c a d 、c a m 、m e s 等系统中方便的转化，尽量避免特征 信息丢失或畸化； ( 6 ) 建模时准确计算各种几何、拓扑信息间的关系，避免无效特征、特征 干涉、特征语义发生变化等问题。7 2 2 机加工设备特征信息模型 2 2 1 机加工设备特征信息模型的建立 综合数控设备自身的特点与第一章所述的理想的设备信息模型需要满足的 l l 第2 章机加t 设备特征信息模型 模型必须兼顾数控设备的静态信息和动态信息两个方面。由于建模的目的是更 好的进行设备能力评价，所以该模型必须具有较高的特征性、通用性和灵活性。 所谓特征性是指设备具有特征。一般而言，我们将设备特征可分为两大类： 征描述数控设备所具备的加工能力的全部信息。根据其是否是设备自身固有的 特征，将功能特征分为普通功能特征和特殊功能特征两大类，普通功能特征主 要描述设备所具备的普通加工能力，特殊功能特征主要描述由于采用了特殊的 夹具、刀具或者对机床进行了改造而使设备所具备的特殊加工能力，如企业在 牛头刨床上加一数控装置将其改装成数控机床，该机床就具备了很多数控机床 的加工能力，对原来的机床来说，这些能力就属于特殊功能特征。 所谓特征模型不具有通用性与灵活性指所构建的特征信息库绝大多数都是 封闭的，仅对所考虑范围内的特征进行描述，当要输入的信息超过特征信息库 描述范围之外时就无法进行评价。本文将数控设备特征分为通用特征与自定义 特征两类，其中通用特征便于分类，通用性较强，应用范围很广，所以用设备 用户根据自己的习惯去定义描述各自的参数。在系统中这种自定义特征用户既 要输入描述参数又要输入具体数值。系统的设备特征信息描述模型的层次结构 i 1 = ：立：二= 一：王： 堕壅童墼塑堡l鱼塞墨塑堕量墼塑堕i描述层 在该描述模型层次中加入了自定义特征，用户可随时根据需要自定义特征， 故而各个企业可根据自己的情况去描述设备特征信息，实现系统的通用性与实 1 2 第2 章机加工设备特征信息模型 图2 2 数控设备的特征信息模型 下面介绍数控设备特征信息模型的详细分类与信息描述。如图2 2 所示数控 设备的特征信息模型兼顾了动态信息与静态信息，共分为七部分： ( 1 ) 基本特征信息：主要描述设备的总体信息，如设备名称、类型、编号、 生产厂家、重量、所属车间、台时费用、可用时间、当前状态等； ( 2 ) 经济属性信息：切削工时的参考信息、切削工时的计算、台时费用、 人工费用、维护费用等； ( 3 ) 控制属性信息：主要包括与数控系统相关的信息，如数控系统类型、 c p u 型号、存储容量、分辨率、驱动进给类型、联动轴数轴、通信功能、显示 功能等； ( 4 ) 加工零件范围信息：加工零件基本信息：主要指加工零件的零件类 型，批量，最大重量，床身上最大直径，刀架上最大直径，最大长度，最大棒 料直径等；零件的可加工形状特征：加工方法，形状特征，主参数及其范围， 可达尺寸精度，可达表面粗糙度，形状精度名及其可达值，位置精度称及其可 达值，被测面及其基准；可加工材料信息：它主要包括常加工材料，不常加 工材料与不能加工材料： ( 5 ) 动态信息：主要描述与实际生产相关的设备状态信息，如包括生产任 务，开始时间，完成时间，提货时间，无故障运行时间等； ( 6 ) 切削用量信息：对于高效率的金属切削机床加工来说，被加工材料、 切削刀具、切削用量是三大要素。这些条件决定着加工时间、刀具寿命和加工 质量。经济的、有效的加工方式，要求必须合理地选择切削条件。而切削用量 1 3 第2 章机加t 设备特征信息模型 无疑是其中最重要的一环，它包括切削速度、进给量和切削深度。本文切削用 量的主要信息主要是指：主轴转速范围、级数和进给量范围、级数，主轴传递 的最大功率，主电机功率，机床可承受的最大切削力，选择切削用量的相关参 考信息，切削速度的计算，主轴转速的计算，切削力、切削功率等的计算和查 表信息； ( 7 ) 自定义特征：体现设备在添加一些辅助措施后所具有的一些特殊加工 能力，对于不同的特殊功能特征，可以分别以各自定义的方式表达，它既包括 名称，也包括与常规功能特征相应的主要属性，此外往往还包括选用夹具的信 息等。 综上所述，在该数控设备特征信息模型中，综合定义了设备的静态信息参 数和设备在生产过程中呈现的动态信息参数，不但满足了管理和工艺设计部门 对设备静态特性参数的需求，也满足了制造系统中的生产调度对设备实时状态 的需求。 系统存储的所有数控设备的信息都根据模型划分成不同的特征类别，如图 2 3 所示，供用户查阅和系统使用。 数控设备 通用特征 基本特征信 设备名称 设备类型 设备编号 生产厂家 设备苇量 所槭车问 台h - i 赞用 可t j 时f u - j 当前状态 普通功能特征 自定义特征 自定义特征1 自定义特征2 加工零件范围信息| | 经济属性信息| | 控制属性信息li 动态信息ii 切削用覃信息 切削工时参考信息 切削t 时的计算 台h 寸费用 人工费用 维护费用 数控系统类型 c p u 型号 存储容盈 分辨率 驱动进给类型 联动轴数轴 通信功能 显示功能 加1 = 零们基本信息ii 町加工零件形状特征ll 可加i ：材料信息 零件类型 零件批量 零件最大重量 床身上最大直径 刀架上最大直径 最人长度 最大棒料直径 y j 架席信息 加工力法 形状特征 主参数及其范围 可达尺寸精度 可达表面半i l 糙度 形状精度名称 位霄精度可达值 位置精度名称 位胃精度可达值 被测巾f 及其基准 常加t 材料 不常加工材料 不能加丁材料 生产任务 开始时f h j 完成时间 提货时间 无故障运行时间 手轴转速范闸 主轴转速级数 进给盈范围 迸给量级数 轴传递最大功率 丰电机功率 机床可承受最大切削力 选择切削用量的相艾参考信息 切削速度的h - 算 卡轴转速的计算 切削力的计算和赍表信息 切削功率的计算和查表信息 图2 3 数控设备特征信息模型的详细内容 1 4 第2 章机加t 设备特征信息模型 2 2 2 机加工设备特征信息模型的设备类与设备管理层次 由于数控设备资源是制造设备资源的一种，为使建立的设备类层次更具有 通用性和做出的系统更有拓展性，把锻造、铸造、热处理等设备也纳入该设备 类中。制造资源的每一类对象都可以更详细的划分，形成自上而下逐步细化的 层次分类结构，每个层次意义上的同类资源具有相同的功能属性。按其属性类 别还可以进一步派生为基类对象，如切削机床可派生为车床、铣床和镗床等。 每一基类对象又有其自身的属性集和方法集。通过分析不难看出，每一资源对 象类具有共同的属性，如机床，不管是车床、铣床，还是钻床等，按对象类组 织管理，均存在对其进行描述，如机床分类代号、结构形式、机床状态等，在 此基础上，构建资源对象类库。数控设备包括不同的类型，每种类型又有不同 的型号，每种型号又可能有一台或几台设备，它们之间同时存在着相同点与不 同点，例如设备a 和设备b 都是型号c ，具有相同的可加工零件形状特征，但可 加工的零件类型却不同；型号c 和型号d 都是数控铣床，加工零件类型是一样的， 但经济属性相关信息还存在着差别。用特征对数控设备进行描述，就不能忽视 这些层次之间的联系。本系统建立的设备类层次关系如图2 4 所示。 图2 4 制造设备资源的分类层次模型 有了数控设备的类层次以后，就可以划定设备的管理层次。在该设备管理 层次中，设备类型用设备编码的第一位与第二位表示，该层表述其下级设备的 1 5 第2 章机加：i ：设备特征信息模型 某些公有属性，如该类型设备都具备的加工方法或特征参数。系统为每个设备