1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文附件 C：译文从设计到工艺规划的刀具选择的垂直构架摘要为了满足现代制造业的竞争需求，有必要在设计活动中利用并行工程的原则进行集成流程规划来减少设计时间，充实决策。虽然这在传统上是通过设计师和规划师的交互合作完成的，但是对于一个 CAD 系统来说，更需要一个功能，来告诉设计师他的决策在车间产生的影响。刀具的选择是一个连接所设计加工的零件的特点和工艺设计的重要过程。因此，刀具选择需要一个集成的CAD/CAPP 系统来实现。本文定义了一个框架，整合了从前期的刀具选择到设计过程的计划和调度。这个框架是以一个映射到分时段管理和详细的工艺设计的五级工具选
2、择体系为基础的。本文利用文献和一个工业调查的结果来确定在CAD 集成系统中合适的刀具选择方法，并把它分成五个刀具选择的级别。然后这些功能被放置在一个时间框架里，功能涵盖了产品从设计到工艺规划的过程。新功能是一个被称为 VI Tool 的面向对象的应用程序，它正在开发，这样它就可以完全集成在一个现有的 CAD 系统中。1.介绍组织任何形式的生产设施是一个高度复杂的任务，设计大量的不同的技能，所涉及的不同的任务的例子包括路由、刀具选择、设置分析、刀具路径优化、切削加工性能评估和时间成本估算。包含这些功能的学科领域和方法也很广泛，包括功能技术、人工智能、数学建模和制造哲学等。为了给与这些任务相关的决
3、策过程提供足够的时间，在产品开发的所有阶段，从概念设计到引入“nished”设计车间，都是可取的集成工艺设计。因为许多设计和工艺规划是用计算机辅助设计（CAD ）和计算机辅助工艺规划（CAPP）这样的计算机软件来实现的，无论是现在还是将来，作为设计过程和信息组件的自动化流程规划都是可行的。CAD/CAPP 集成系统成功所需要的三个关键要素是1. 框架结构的制造信息2. 生产制造注意事项的程序特征映射3. 已经加工的部件的可用信息的程序指导教师评定成绩（五级制）：指导教师签字：重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文这篇文章介绍了一个智能设计系统的特点和嵌入过程中规划功能的关键元素，
4、重点如下 需要一个集成的系统通过计划分时段的方式来实施计划的过程，这种方法在所需的数据可用时可以调用。 在设计和工艺规划的过程中刀具的重要性。 使用面向对象的方法，使一个集成系统实现为一个现有的 CAD 系统的一个模块。在现有的研究中进行的一份有限的调查，表明了建立智能制造行业的要求。这个调查涉及各种制造业当中的 400 家企业（在各个工业领域包括工具制造、航空航天、造船工业的大小型制造商）的 38 个有用的反馈响应。调查所涉及的五家合作公司也获得了更多的关于所进行的调查的意见。这个调查的重要发现写在了本文剩余部分的附录中。2.CAD/CAPP集成在介绍中的 CAD/CAPP 集成成功的三个关
5、键要素，现在对每一个依次讨论。2.1 构建制造信息框架中使用本研究构建的分时段制造业信息、管理和详细的体系的结构工艺设计方法，这是根据输入数据和所需的接口分类设计的。AMD 的体系结构及其设计如图 1 所示，其每一个阶段的目标如下。聚合过程规划、相应的设计概念和体现，包括识别处理选项和生产工艺路线，最后是详细设计阶段，即管理过程计划评估和判断处理选项确定的总体水平，设计完成后进行的详细的工艺设计，优化其余选项提供批准的流程计划。从图 1 和上面的讨论中可以看到，AMD 的本质是可以作为设计进展在生产计划中有助于链接调度活动的结果。因此，聚合工艺规划是一个含蓄但是非常重要的规划阶段。任何建议的在
6、 CAD 中实现工艺规划活动的体系结构必须考虑这样一个事实：在设计的早期阶段，没有足够的数据来构建一个详细的产品型号，没有准备这种详细的流程计划是不可能的。聚合方法在设计的早期阶段使用有限的数据制定处理方案。在聚合阶段为了创建一个短的选项列表，在管理过程中调用的方法规划进行多准则评估确定的选项最有可能被使用。这些方法需要不同的详细的工艺设计、使用数据分析和优化方法以及车间专业知识来确定所需的准确的数据机编程、调度和车间控制。重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文图 1 AMD 工艺设计架构2.2 从特征到生产注意事项的映射正如前面所指出的，各种 CAPP 系统的任务的高度是不同的
7、，然而，流程规划的功能可以非常容易地被集成到设计和刀具选择当中。三个主要原因如下。首先，构建块组件的设计特征，代表正在开发的组件所需要的技术。工具问题可以被映射到表示制造业需求的几何特征，所以作为几何设计和制造技术的桥梁。因为刀具的选择是工艺设计的第一个步骤，模具问题有可能影响早期的设计决策。其次，刀具的选择会影响使用的切削条件和加工的操作性能。因此，在设计的不同阶段仔细考虑刀具的问题将有助于确保正确的机器选择合适的刀具做合适的工作。这需要在分配其他批次的机器组件时要有特别重要的分析工具，因此，可以看到在图 G 附录中，所调查的制造商主要关注的是需要减少工具的扩散。另一个需求是刀具的选择和切削
8、条件，使磨损平衡，来生成最优的一组刀具加工各种零件。最后，是选择刀具的约束特性排序和选择适当的刀具方法的方向。这反过来影响批量设置时间和机器利用率。因此，在试图执行工具的选择设计期间，可以开始计划可能出现的调度问题。这很重要，因为通过迁移的一些短期和中期调度问题转化为远程域，可以消除制造业的一些不确定性。从上面的讨论中可以推断，刀具问题代表工艺规划活动中一个基于特征设计的线程连接。刀具问题的能力和分时段的方式与流程规划的连接已经证明通过了刀具选择的五个等级的概念。这些刀具的选择有分类的范围，这样一级对应于特征选择的刀具和切削条件，而五级对应于选择整个车间的刀具。智能刀重庆大学本科学生毕业设计（
9、论文）附件 附件 C：译文具选择系统包括五个层次的刀具选择，提供了一个开发刀具资源结构的框架。这代表了一套处理选项和有能力开展个人业务所需要的制造的组件和机器的工具的列表，使用的方法和策略在第三节讨论。2.3 利用可用的生产信息现有车间实践信息的一个特定的制造组织可以用以下方式在 AMD 框架实现CAD/CAPP 集成框架。在总体水平上，从车间所有可用的过程中为给定组件选择制造过程。因此刀具是本研究的重点，每个组件的功能选择的过程都是以机器和刀具能够执行所有必要的操作来完成的。在管理层面，一个多标准能力分析结合三方选择和合理化策略的系统在聚合阶段用来评估机器和进行刀具选择。再一次确定了在刀具进
10、行详细选择的阶段使用的最好的处理选项。在最后阶段，制造信息组件已经变得至关重要，因为这些从现有的实践中剩余的数据需要得到批准。3.刀具选择的五个级别在前一节证明了刀具问题是连接设计决策和规划过程的一个重要线程。有鉴于此，有必要对刀具问题及其效果，和对各种工艺规划活动的贡献提供一个正式的分类。这个形式的分类提供五个级别的刀具选择。表 1 给出了这些级别的总结。表 1 中，每一层的目标表明，最为总体的级别是五级，最详细的级别是一级。此外，2、3、4 级别使各种形式的优化选择的机器和刀具作为一个整体来识别那些最适合制造系统的；这对应于目标管理阶段的合理化流程规划。因此刀具选择的五个级别可以映射到 A
11、MD 构架，如图 2 所示。在分时段、垂直整合的不同设计阶段，AMD 的五级体系结构和刀具选择如图 2 所示。现在每次级别的活动都将会讨论。重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文11图 2 设计和 AMD 中的刀具选择的垂直框架3.1 级别 5：减少刀具的扩散如附录中的图 G 所示，在调查的受访者中，减少核扩散和报废的工具是一个特定的需求。这对应于五级刀具选择，其主要的目的是在设计的早期阶段，调用识别所有可能的机器包括可以制造组件的全部或部分刀具。在这个级别，没有尝试来解释这些处理选项，但简单地识别所有可能性的评估后，更多的数据是可用的。匹配每个组件的功能是通过刀具使用的尺寸特性
12、为基础维度定义的理想工具。如果刀具重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文图 3 刀具方向的替代特性是一种合适的生产特性，类似于所需的理想尺寸，那么它将作为一个选项功能被选中。另外一个在这个阶段有用的活动是确定替代工具方法相对应的方向，创造额外的工具选择选项。这是图 3 所示的步骤，可以认为是两种选择，从不同的工具方法方向（TAD1 和 TAD2）和有自己的工具需求带来的不同的切削深度（d1 和 d2） 。另一个特点是可以找到另一种扩展组件的功能，比如穿孔；另一个选择是相同的孔从相反的方向加工。替代的识别功能创造了更多的选项来选择最后的加工策略。最后考虑的机器和刀具的选择是这个活动
13、已经进行的所有操作都必须完成的一个给定的特性。因此，必须开发识别各种操作要求特征的规则。方法如朱所描述的，可以从每个工具类型和每个操作类型提取特征尺寸。3.2 级别四：机器选择、级别三：分批考虑、级别二：刀具选择在级别 4、3 和 2 进行的任务是组合在一起的，因为每一个级别的活动不能孤立地进行。在这些阶段，足够的设计信息可以在级别重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文图 4 使用 TRS 机器和刀具的选择五合理化处理选项。这个层次的第一个任务是确定支架。一个独特的设置是一组功能需要特定的刀具方法的方向。因此，如果存在一个给定的特性，建立识别的任务就是决定哪些特性从一组功能中被选
14、择（见上图） 。图四中给出了一个简单的显示一个足迹爱你由两个部分组成的例子。功能 1 可以是从+Z 方向或者+方向完成。在其他条件不变的情况下，考虑到功能只能由方向完成，那么这个特性在方向也应该加工。然而，刀具路径不是唯一的在决定设置策略是需要考虑的因素，因为切削深度和刀具数量的选择也很重要。在图四的例子中，如果功能在方向上的深度远远小于在Z 方向上的深度，在刀具选项上+X 方向上也优于+Z 方向，那么两个支架的使用就变得更有效。在另一个例子中，要求组件必须在多个机器上运行时，有一个以上的设置可能是对提高机床利用率有利的，在这种情况下，不同的用户可以在不同的机器上帮助实现平衡使用。重庆大学本科
15、学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文图 5 设置标识图 6 机器和刀具选择算法这个级别的下一个任务是创建一个 TRS，如图 5 所示。这显示了 TRS 作为有序的刀具几何为了能够执行每个操作所需要制造的组件。订购的刀具是基于以下标准来完成的。重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文刀具被下达命令之后，需要在一个被称为机器资源结构（MRS）的单独列表里标记。这是由所有的机器刀具在 TRS 的排名，排名基于以下标准。容量（机床的 X，Y ，Z 的尺寸） 。能量（估计从加工时间，卷和具体材料被加工材料去除率） 。刀具可用性（刀具连接到机器的数量，位于旁边那台机器和机床旋转台上的备用刀
16、具持有者的数量） 。主轴速度。进给速率。轴的适用性（在一个设置与安装所需的组件中，刀具的数量方法，的机床能够加工的方向的数量） 。成本。利用率。鉴于支架已经确定，一个 TRS 排名已经创建，一个 MRS 排名已经从 TRS中提取，然后可以根据图 5 列出选择机床和刀具的三种可能的策略。这样做的方式如图 6 所示。三种策略中的第一种是选择最好的机床或机床制造的零件。这是通过从MRS 选择最好的能够制造整个组件的机床和选择附加到机床的最佳的刀具。作为这一战略的一部分，它也需要选择最好的机器，能够完全制造每个设置，选择 TRS 中最好的刀具附加到这些机器。这将为用户提供足够的信息来选择是否整个组件应
17、该在一台机器上或者每个设置是否应该分配到不同的机器上。下一个策略是选择最好的刀具。这是在开始选择 TRS 的刀具和发现 MRS中最好的机器之前进行的，包括这些刀具。最后进行的策略是以同样的方式减少刀具进行扩散作为最好的战略刀具。唯一的区别是，在 TRS 中第一行的工具被选中时，最常用的刀具是最初识别的和在 MRS 中被发现的所包含的。虽然显示了三个独立的策略，但是也许最重要的任务是同时评估这些策略。通过重要性，可以选择在机器和刀具之间达成平衡的结果的策略。作为一个简单的例子，考虑到重量为-0.4 的三个策略，分别是-0.3 和 0.3，如果特定操作的最佳刀具选择的策略是刀具 x，但是策略 2
18、和策略 3 更倾向于选择刀具 y，尽管策略 1 比策略 2 和 3 有更高的权重，但是组合起来看，选择刀具 y 将比刀具 x更好。3.3 级别一：确定切削条件级别 1 的刀具选择的设计在机器和刀具的选择合理化时已经完成。这个级别的任务是产生精确的切削加工时间可以提取的条件。准确的加工时间调度的目的，也用于确定所需成本，这两种基本信息构成了生产计划。有三个主要方重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文法确定详细的切削条件：1. 车间员工的经验。2. 通过数据的回归。3. 刀具供应商提供的详细的数据。从附录给出的调查（图 F）中，我们有一个有趣的发现，超过的受访者加工不到 100 种不
19、同材料，接近 54的受访者加工不到 10 种。另外，在图 G 中可以看到，计算切削条件被认为是特定的刀具需求的问题。合作公司的采访证实，足够精确是切削数据可以用上面的方法 1 和 3 得到。因此，VI 刀具使用刀具供应商的信息和批准车间数据的数据库进行切削加工性能分析评估。4.智能刀具的实现方法4.1 面向对象的表示本节描述一个分时段刀具选择系统，称为 VI Tool，是一个集成在一个专用的 CAD 系统的软件应用程序。VI Tool 开发的主要目的是丰富专用 CAD 软件的与刀具相关的工艺规划的功能。然而，发展到目前为止，其所描述的构架和编程使用封装 C+对象库，目的也是 VI Tool 应
20、该作为一个开放系统转移到其他 CAD工具。面向对象开发的应用程序的一个重要任务是单个对象的设计，同时代表任务被模仿。这些传输数据和方法用于与其他对象的相互作用。尽管 VI Tool 需要大量的不同对象的物理产品模型，如计算机、刀具和夹具以及无形的对象，如数据库交互和功能分析，这是到目前为止最重要的对象，需要用模拟组件表示。这是因为用户几乎所有的行动最终都会影响组件设计和开发，这样的所有对象都是满足组件对象模型的要求。因此，投入大量的努力创建一个组件模型，使刀具选择在一个面向对象的环境中进行。这是有据可查的基于特征设计的基础方法，这在某种程度上是很受调查受访者的欢迎的（见附录图 B） 。基于特征
21、设计的作为一个已知类型的库存材料的形状和尺寸的表示足迹爱你已经被移除。特征的主要优势是，当确定它将如何制造时，每一个都可以携带必要的技术信息。基于特征设计可以进行三种可能的方法：1. 特征识别。2. 设计特征（DBF ） 。3. 混合识别（DBF ） 。一旦特征提取设计已经完成，特征识别可以说是最突出的方法。这和方法2DBF 不同，设计师由于受限于图书馆的特性，可能会限制他产生一个好的设计的创造力。然而，特征识别，是最可靠的方法，因为算法往往不能识别特性，重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文尤其是当有两个或者两个以上的交叉。方法 1 和 2 的缺点在一定程度上的解决方法是方法
22、3 的混合识别。尽管这样的一个混合动力系统达成的平衡，在 VI Tool 中，要求大量的准确信息不允许出现任何误差特性。这只能采用 DBF 的刚性结构保证。目前，VI Tool 仅限于少数常见的铣削功能。但是，可以想象，随着图书馆的功能变得更大，设计上的限制也将变得更少。VI Tool 组件模型的另一个重要需求是需要代表和管理替代功能。如前所述，当试图根据各种设置策略选择机器和刀具时，必须提供尽可能多的基于替代版本的特性的刀具方法。这些替代的特性，有必要识别刀具选项。这些是用于选择时间车间里可用的机床和刀具的理想的工具。因此，组件模型中使用 VI Tool 可以表示为图 7 所示。在这个例子中
23、，组件是由三个主要特性表现为替代特性集。从每组的替代功能中，只能选择一个特性来创建最终的工具资源结构（尽管其他特性可以用来创建替代选项） 。VI Tool中，三种类型的操作可以用于创建每个特性：钻井操作创建孔洞，粗糙做删除大量的材料和分析操作来完成这项功能。每一个都需要从车间选择机床和刀具的基础来进行理想的描述。在这个例子中，机器和刀具的选择被用来识别最好的机器，能够制造整个组件和 TRS 已经重新排序反映了这一点。可以看出 VI Tool 组件模型在选择机器和刀具时提供了一个二维的灵活性的结构。在水平方向上，另类的造型特点增加了许多可能的刀具配置，在垂直的方向上，多种刀具的选择和分析提供了更
24、多的选择和创建 TRS 结果的灵活性。4.2 VI Tool模块VI Tool 组件模型的设计如图 7 所示，以便于它可以在第三节讨论。因为五个级别的刀具选择与分时段 AMD 架构兼容，VI Tool 组件在创建设计模型时有可能进化。这意味着，作为一个设计过程，在产品的开发、聚合阶段，合理化刀具选择是最合适的，这样当设计完成，剩下的是选择的机器和刀具的批准的计算数据。其所需的方法在进行分时段 VI Tool 组件模型的进化时已经列出，所以剩下的就是将这些方法描述为软件组件时，可能会成为一个实现现有的 CAD 系统的附加模块。这些软件组件表示为模块如图 8 所示。第一个模块用 CAD 系统的环境
25、设计实现了设计功能，以确保允许制造业信息提取的组件的方式。这些如图 9 所示，包括钻孔、封闭的容器、插槽、全时段和表面。开发模块 1 所需的方法涉及使用专用 CAD 对象库定义的几何和拓扑性质，以及在一个图形用户界面演示和操作组件及其功能。第二个模块功能验证的目标是当一个或多个其他功能进行交互时，重新定义一个尺寸和类型的特性描述。这确保了来自一个基于特征的 CAD 绘图的生产信息仍然是最新的，即使最初的尺寸和外观特性变化，被定义为其他功能被添重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文加到组件中。所需的实现这一目标的方法是采用专用 CAD 对象库模型调查来寻找相互作用特性的边界。这个模
26、块还调用规则创建替代功能，如 3.1 节中所讨论。模块 3 中的 操作选择实现了将几何特性规则转换成操作需求。每个特性至少需要下列目前实现的操作之一：钻孔、粗加工和剖析。开发出的规则为这些操作的每个理想刀具分配操作特性和识别刀具的类型和尺寸。然后这些操作需求转化为数据库数据后，可以查询来图 7 VI Tool 组件模型提取合适的刀具（机床上）来完成每个操作。一旦刀具被选中，这些可以根据他们的表现，使用模块 5 中的适宜性和可用性进行评估。方法 4 倍详细地记录重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文在贝克和麦罗的理论中，他们还提出了一个模块 5 所需的总加工时间估算法。注意，在图
27、8 中，模块 5 中的刀具评估结果是反馈到模块 1。这样做是为了代表反馈设计，使设计发生的变化是基于聚合工具分析的结果。如果功能选择在模块 2 中被确定，那么作为在管理阶段规划所需的合理化过程，要求在模块 6 中对所有组件的功能进行评估，以确定图 8 VI Tool 模块哪些替代品被使用。正如 3.2 节中解释的，这是贯穿三个机器和刀具的选择的策略的第一个先决条件。这些先决条件的第二个是 TRS 的创建，这是在模块 4完成的，最后的前提是建立一个机器资源建构，这是在模块 7 中根据 3.2 节中列出的标准完成的。在模块 8 中，图 6 所示的选择策略正在进行，设计师和规划师正在评估最好的刀具和
28、机器的列表，以及提出一套改进的建议。合理化的机器和刀具集合在模块 9 中传递到详细阶段，调用的设计已经完成。这一阶段的目标是分析生产批准的数据调度的目的，这是通过一个友好的用户界面，提示车间的员工输入数据。然后对这些数据进行回归分析。4.3 技术软件开发的关键要求是，它应该在现有的 CAD 系统集成。为此，一套专门开发 CAD 应用程序的专有 C+对象被用于实现模块 1 和 2，如图 8 所示。此外，重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文这两个模块已经在同一个开发环境中开发，使 VI Tool 有相同的外观，感觉起来与现有的 CAD 应用程序相同。在这方面，CAD 用户应该能相对
29、容易地发现对 VI Tool 有熟悉感。图 8 中的模块 3 到 8 在 Java 开发。这是因为 Java 提供了潜在的基于网络使用的 VI Tool 软件的相关性，如果 VI Tool 部署在公司的基础上，它可能需要评估分布式制造环境，它会要求访问远程数据库。Java 有必要的功能也能够做到这一点，以为它有一个面向对象的环境，从而能使模块 1 和 2 中的 C+元素能够在模块 3 到 8 中被使用。此外，这 6 个模块的 Java 的使用将允许外部元素封装在无缝集成的模块 9。的确，在达勒姆大学，这样的基于 web 的工具已经被开发，它将成为一个客观的 VI Tool 能够远程访问这些专家
30、系统的方法。5.结论查显示业界需要通过整合成 CAD 工艺规划功能来促进行工程实践。因为高效的产品和过程开发、多工艺规划在设计的早期是可取的，有必要将聚合过程归类在规划方法中，根据他们的数据需求和接口设计管理详细 AMD 架构。在AMD 的架构中，使用刀具问题作为集成设重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文图 9 VI Tool 中实现的功能类型计和工艺设计的五个级别的刀具选择之间的联系，以一个垂直框架，分时段CAD/CAPP 集成的形式开发 9 个软件模块。在达勒姆大学，目前这些正在以 VI Tool 附加的一套专有的计算机辅助工程软件的名义进行开发。设想一下，这项研究的结果将
31、为行业提供一个工具来评估设计可能在车间产生的影响。这将导致更有效的产品和过程开发，强调问题在设计的早期阶段进行解决，而不是被发现之后，甚至是在生产过程中。感谢表明物理科学研究委员会（EPSRC） ，英国格兰特 GR/L07017 的支持。特别要感谢英国拉 Datavision 有限公司和五个工业合作者支持这个项目。重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 C：译文附录 a. 工业调查的重要发现参考文献1 Alting L, Zhang HC. Computer-aided process planning -the state-of-the-art survey. International
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