锻件计算机辅助工艺规程设计

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.01.018 第16卷第1期 北京科技大学学报 Vol.16 No.1 1994年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.1994 锻件计算机辅助工艺规程设计 许耀昌 苏红 北京科技大学计算机系，北京10083 摘要以人工智能和计算机辅助设计技术为基础，锻件的计算机辅助工艺规程设计采用LSP语 言，并使用人工移植方法把锻造工序中的经验用产生式规则表达·推理过程中采用了逆向推理方 法，计算结果与实际吻合· 关键词人工智能，计算机辅助设计，镀件/计算机辅助工艺规程设计 中图分类号TP311.52,TG316 The CAPP of Forgings Xu Yaochang Su Hong Department of Computer Science,USTB,Beijing 100083,PRC ABSTRACT Based on Artificial Intelligence (AI)and Computer Aided Design (CAD),a knowledge-based system on Computer Aided Process Planning (CAPP)of forging technology by LISP programming language has been developped.The empirical knowledge of forging pro- cess planning is described with productions.The reasoning of heuristics is backward chainning. The fact that calculated effects by computer are in good argeement with practice confirms that the research is sucoessful. KEY WORDS artifical intelligence,computer aided design,forgings/CAPP 在机械制造业中，特别是金属塑性成形领域（如冲压、锻造、轧钢等），工艺过程设计 是较为复杂的，我国在这方面利用计算机辅助技术尚处于起步状态，传统的工艺设计方法不 仅费时而且成本高，阻碍产品的更新换代，影响企业的效益·利用CAPP技术，对于促进企 业技术进步，具有重要的推动作用. 本文以塑性成形过程中较典型的锻造工艺为例，应用AI技术，对锻件的CAPP进行研 究，并在计算机上用LSP语言做了一系列试验，取得了良好的效果， 1零件工序的知识表达 1.1零件特征的知识获取与表达 1992-11-30收稿第-作者男55岁副教授

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 万功 锻件计算机辅助工 艺规程设计 许耀 昌 苏 红 北京科技 大学计算机系 ， 北京 〕 〕 摘要 以人工智 能和 计算机辅助设计技术 为基础 ， 锻 件 的 计算 机 辅 助 工艺规程设计 采用 语 言 ， 并使用 人工 移植方法把锻造工序 中的经验用产生式规则表达 推理过程 中采用 了逆 向推理方 法 计算结果 与 实 际 吻合 关 键词 人工 智能 ， 计算机辅助设计 ， 锻件 计算机辅助 工 艺规程设计 中图分类号 ， 飞 月。 ” 侧 阳 妞涨沮 讯 优 月 记 】 污 ， 加 】 一 涨月 邸 吨 枉￡ 卫 卜泥 州 司 吨 伙月 代汾 岛 油叮 ℃ 】 川 喇 巧沈想 沈 砒 份代 工 巧 谊 ， 咖 ， 那 在 机械制 造 业 中 ， 特别 是 金 属 塑性成形 领 域 如冲 压 、 锻 造 、 轧 钢 等 ， 工 艺 过 程 设 计 是 较 为复 杂 的 我 国在 这方 面利 用计算机辅助 技术 尚处于 起 步 状态 传统的工 艺设计方法不 仅费 时而 且成本高 ， 阻碍 产 品 的更 新换代 ， 影 响企 业 的效益 利 用 技术 ， 对于促 进企 业技 术进步 ， 具有 重要 的推 动作 用 本文 以 塑性成形 过 程 中较典型 的锻造 工 艺 为例 ， 应 用 技 术 ， 对 锻 件 的 进行 研 究 ， 并 在 计算 机上 用 语 言做 了 一 系列 试验 ， 取 得 了 良好 的效果 零件工序 的知 识表达 零件特征的知 识获取与表达 卯 一 一 收稿 第一 作 者 男 岁 副教授 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．01．018

Vol.16 No.I 许耀昌等：锻件计算机辅助工艺规程设计 .85. CAPP需要1组与零件描述有关的信息，如形状特征、精度特征、材料特征等.锻件形 状比较复杂，生产中使用最多的是一些轴对称零件，它们可以看作由一些简单的几何形体组 成.例如图1的零件可看作由4部分构成：第1部分是圆柱；第2部分是圆台；第3、第4部 分是圆柱，因此，该零件的基本体素为圆台和圆柱· 我们采用自顶向下描述法，即按圆柱一圆台一圆柱的 顺序来描述图1所示的零件.一般锻件的基本体素可有 圆柱、圆锥、截锥、柱体、倒角、长方体等多种，每 个零件可以是实心件，也可以是空心件.实心件用Soid 表示，空心件内外各部分用不同的形状名表示，各部 分分别有相应的尺寸.例如圆柱尺寸可用(d,h)表示， d为直径，h为高.实心圆柱用LISP语言表示为： 图1 锻件的组成部分 (cylinder d h )solid nil)) Fig.1 Components of the forgings 如果内外均为圆柱的空心件，则可表示为： cylinder dh)cylinder d2 h2)) 计算机识别的次序是先外后内，即先读外部的儿何形状和尺寸，后读内部的形状尺寸， 图1所示的几何形状和尺寸可表示为： ((cylinder d)(solid nil ))(cylinder d2 h2)(solid nil ) (truncated-cone d2)(solid nil))((cylinder d3 h3 )solid nil )) 1.2锻造工步的知识获取和表达 工艺流程（即工序）由不同的工步组成，根据坯料和工具及变形方式的不同，工步可分 为自由锻、模锻、挤压、拉伸、轧锻、板料冲压、剪切等7种， 工艺的起点是坯料的几何形体，终点是该工步所产生的新的几何形体.在锻造零件的智 能CAPP系统中，某两个几何形体在工序寻找过程中，分别对应两个结点，连接这两个结点 的路径就是工步，一系列工步的组合就形成工艺流程· 图2表示从形体(a)到形体(b)所完成的工序，该工序称为镦头(heading),用LISP 语言表示图2所示的基本工步为： (heading (1))((cylinder solid))((cylinder solid )cylinder solid )) 上式中第1元素为工步名称；第2元素为坯料的形状 关系；第3元素为经过镦头后的零件形体， 1.3工序设计的知识获取和表达 进行工步设计时，经验可以告诉设计人员什么条件下 工步成立，什么条件下工步不成立.对于基本工步而言，其 设计规则组成了系统知识库的主要部分，如镦头工步的设 (a) (b) 计规则之一是高径比h/d≤2.5及最大变形量d,/d≤2.2， 否则会出现几何缺陷或物理缺陷，图3给出镦头设计规则图2缴头的工序 的示例.(f(d,/d,≤2.2)h,/d≤2.3)Them(free heading)Fg.2 Techology of thec-heading

心 许耀 昌等 锻件计算机辅助工 艺规程 设计 卫 需 要 组 与零件描 述 有 关 的信 息 ， 如形 状特 征 、 精度特 征 、 材 料 特 征 等 锻 件 形 状 比较复 杂 ， 生 产 中使用 最 多 的是 一 些 轴对称零件 ， 它们可 以 看 作 由一 些 简单 的几何形 体组 成 例 如 图 的零件 可 看作 由 部分 构成 第 部分是 圆柱 第 部 分 是 圆台 第 、 第 部 分是 圆柱 因此 ， 该零件 的基本体素为 圆台 和 圆柱 我们采 用 自顶 向下 描 述 法 ， 即按 圆柱一 圆台一圆柱 的 顺序来描述 图 所示的零件 一般锻件的基 本体素可有 圆柱 、 圆锥 、 截锥 、 柱 体 、 倒 角 、 长方 体等多 种 每 个零件可以是实 心件 ， 也可 以是 空心件 实心件用 表示 ， 空 心件 内外各部分用不 同的形状名 表示 各部 分分别有相 应 的尺寸 例如 圆柱 尺寸可 用 ， 表示 ， 为直径 ， 为高 实心 圆柱 用 语言表示 为 卿血 如果 内外 均 为 圆柱 的空 心件 ， 则 可表示 为 即血 ， 卿 姚 中 山 山 。 图 瑰 锻件的组成部分 翩训旧由 犯 丘嗜哪 计算 机识别 的次序是 先外 后 内 ， 即先读外部 的几何形 状和 尺 寸 ， 后 读 内部 的形 状 尺 寸 图 所示 的几何形状和 尺寸可表示 为 卿 ， ， 吐 一 姚 卿枷 锻造工步 的知识获取和 表达 工 艺 流程 即工 序 由不 同的工 步组成 根 据坯 料 和 工具及 变形方式 的不 同 ， 工 步 可分 为 自由锻 、 模锻 、 挤压 、 拉 伸 、 轧锻 、 板料 冲压 、 剪切 等 种 工 艺 的起 点是 坯 料 的几何 形 体 ， 终 点是 该工步 所产 生 的新 的几何形 体 在 锻 造零件 的 智 能 系 统 中 ， 某 两个几何 形 体在 工序 寻 找过程 中 ， 分别 对应两 个结 点 ， 连 接 这 两个结点 的路 径就是 工 步 一 系列 工 步 的组 合就形 成工 艺 流 程 图 表 示从形 体 到形 体 所 完成 的工 序 ， 该工 序称 为徽头 用 语言表示 图 所示 的基 本工 步 为 上 式 中第 元 素为工 步 名称 第 元 素 为坯 料 的形 状 关系 第 元 素为经 过徽头后 的零件形 体 工序 设计 的知 识获取和 表达 进行 工步设计 时 ， 经验 可 以 告 诉设计人 员什 么 条件 下 工步成立 ， 什 么 条件下工 步不 成 立 对于 基本工 步而 言 ， 其 设计规则组成 了系 统知 识 库 的主要 部分 如徽头工 步 的设 计规则 之一是 高径 比 蕊 及 最大 变形 量 ， 簇 ， 否 则 会 出现几何缺 陷或物理 缺 陷 图 给 出激 头设计规则 的示 例 ， 泥 内川山 、 护 尹 、 图 徽头 的工序 瑰 由 众粉 胶 一 卜班山吃

.86 北京科技大学学报 1994年No.1 本系统中应用了许多工艺流程，这些工艺流程都是在工 -Φd, 厂中实际应用并证明是行之有效的.为此，我们建立了一个 样本工库，样本工序是根据生产中已被实践证明为可行的工 艺流程，经过分析归纳后提炼出来的.当拥户输人的零件形体可 由某一样本工序来完成锻造加工时，系统将直接输出该样本工序. Φ运 图3辙头的设计规则 Fig.3 Illustration of the rule of the heading 2推理过程 利用样本工序库的推理过程中，无论是输入最终产品，还是构成预成形零件，都要对样 本工序库进行访问.如果有相似的零件存在于样本库中，则根据已知条件进行必要的检验与 计算，把符合条件的工序取出·利用样本库进行推理的过程如下： (1)寻找具有相似形状的零件是否存在于样本库中·寻找的方式是把最终产品或预成形 产品的形状关系表与样本库中的样本关系表一一匹配，如匹配成功，表明找到相似零件，转步 骤(2)；否则退出本过程· (2)进行条件检验及作相应的计算.在样本库中对每个样本都附有相应的检验条件· 对应于各条件有相应的工序及计算公式， (3)将合格的工序表和有关数据，送到输出工序和输出数据表中，然后退出此过程， 推理过程的框图见图4.本系统中采用逆向推理方式，即先假设一种结论，再寻找可实 现这种假设的事实，搜索方式采用广度优先搜索，其目的是保证推理过程的完备性，整个过 程利用了输入数据库、动态数据库、基本工步库、样本工步库和规则库， 3工艺评估 本系统应用产生式规则进行锻件 待匹配的关系表和数据表输入 工步的设计，产生式规则来自生产实际， 以保证生产出符合要求的零件，但由 与样本库关系表匹配 于经验知识形成的规则并不能包括所 有可能出现的情况，因此设计时应考 N 存在相似条件否 虑工艺评估这一环节，经过评估合格 Y 的工艺方案可以减少试生产时失败的 ①依照条件检验符合的工序路径 概率，节约试制经费， 样本关系 ②根据公式计算载荷量 锻造工艺的评估标准有很多，例 ③输出工序表和数据表 表结束否 Y 如不出现几何缺陷，不出现物理缺陷， 各工步变形合理，工步总数较少等.用 退出推理过程 户在使用本系统时可结合具体情况， 图4推理过程的流程图 选择所需的工艺路线. Fig.4 Chart of the reasoning 当评估工艺可行时，以锻造力和模具单位压力较小者为优，一般给出模具单位压力的上限 P,如果P>Pr,此工步可行.如锻造力大于现有设备的最大吨位，则表明此工步无法完成

北 京 科 技 大 学 学 报 望科 年 本系统中应用了许多工 艺 流 程 ， 这 些工 艺流程都是在 工 厂中实际应用 并证明是 行 之有效 的 为 此 ， 我们建立 了一 个 样本工 库 样本 工序是 根据生产中已被 实践证明为可行 的工 艺流 程 ， 经过分析归纳后提 炼出来的 当用户输人的零件形体可 由某一样本工序来完成锻造加工时 ， 系统将直接输出该样 本工序 图 傲头 的设计规则 瑰 址劝 位刃 试 触 山 触 坛，成嗯 推理过程 利 用 样本工 序库的推理过程 中 ， 无论是 输人最终产 品 ， 还是 构成 预成形 零件 ， 都要 对样 本工序 库 进行访 问 如果有相 似 的零件存在 于样本库 中 ， 则根 据 已 知条件进行必要 的检验与 计算 ， 把符合条件 的工 序 取 出 利 用样本库进行 推理 的过程 如下 寻 找具有 相 似形 状的零件是 否存在于样 本库 中 寻 找 的方式 是把最终产 品或预成形 产 品 的形 状关 系表 与样 本库 中的样 本 关 系表 一 一 匹 配 ， 如 匹 配成 功 ， 表 明找到相似零件 ， 转步 骤 否 则 退 出本过程 进行条件检 验 及 作 相 应 的计 算 在 样 本 库 中 对每 个 样 本 都 附 有 相 应 的检 验 条 件 对应于 各 条件 有 相 应 的工 序 及计算公 式 将合格 的工 序表 和 有 关数据 ， 送到 输 出工序 和输 出数据表 中 ， 然 后退 出此 过程 推理过程 的框 图见 图 本 系 统 中采 用逆 向推理 方式 ， 即先假设一 种 结 论 ， 再 寻 找 可 实 现这种假设 的事 实 搜 索方 式采用 广度 优先搜索 ， 其 目的是保证推理过程 的完备性 整 个过 程 利 用 了输人数据库 、 动态 数据库 、 基本工 步库 、 样 本工步库和规则库 工 艺评估 本 系 统应用 产 生式规则 进 行 锻件 工步 的设计 ， 产生式规则来 自生产实 际 ， 以 保证生 产 出符 合要 求 的零件 但 由 于 经验 知 识 形成 的规则 并 不 能 包括所 有 可 能 出现 的情 况 ， 因此设计 时应 考 虑 工 艺评估 这 一 环节 经过评估合格 的工 艺 方 案 可 以 减 少试 生产 时失 败 的 概 率 ， 节 约试制 经 费 锻 造 工 艺 的评估标 准有 很 多 ， 例 如 不 出现 几何缺 陷 ， 不 出现物 理 缺 陷 ， 各 工步 变形 合理 ， 工 步 总 数较 少等 用 户在 使 用 本 系 统 时可结合具体情 况 ， 选 择所需 的工 艺路 线 与样本库 关 系 表 匹 配 ① 依 照条件检验符合的工 序路径 ② 根据公式 计算 载荷量 ③ 输 出工序表 和 数据表 本关 系 结束否 退 出推理过程 图 推理过程的流程 图 瑰 〔 加 翻 ，。 啥 当评估工 艺 可行 时 ， 以 锻 造力 和 模具单位压力较小者为优 一般给出模具单位压力的上限 尸 狱 ， 如果 尸 尸 ， 此工步可行 如 锻造 力 大于 现 有 设 备 的最大 吨位 ， 则 表 明此 工 步 无法完成

Vol.16 No.1 许耀昌等：锻件计算机辅助工艺规程设计 …87, 在锻造成形领域，为了确定工步的可行性，除了按有关规则进行初评外，目前正在兴起 采用过程模拟（Process Simulation)的方法.过程模拟主要采用有限元技术，对于不同的 工艺、材料，可采用不同的有限元技术（如刚塑性有限元、弹塑性有限元等），过程模拟可 在微机上用软件仿真，提高工作效率，节省设备材料费用， 4实例 在研究CAPP过程中，需要使用人工智能技术，利用经验和知识来进行零件分析、毛坯 设计、加工方法选择、工序组织等，还需要使用CAD中的工程数据库.图5给出在CAPP 研究中得到的锻件图· 输入计算机的数据如下： d,=70mm; d2=50mm; d,=30mm; h,=30mm; h2=40mm; h,=50mm. Φd2 屈服应力参数σ，=40kg/mm2; 最大单位压力c,=420kg/mm2; 最大吨位Wr=600. 棒料直径： ΦM 图5采用CAPP得到的锻 (1)d=70mm;(2)d=50mm; (3)d=30mm. 件图 系统输出的工序路径为： Fig.5 Product of the forgings by CAPP (1)d=70mm ((TRAPPED-DIE EXTRUSION)(TRAPPED-DIE EXTRUSION)) ((CYLINDER 70 50.4 ))(CYLINDER 70 30)(CYLINDER 50 58 )) (((CYLINDER SOLID))((CYLINDER SOLID ))((CYLINDER SOLID))) (2)d=50mm 此时有两条工序路径可供选择： (a) ((TRAPPED-DIE EXTRUSION )FREE HEADING ) ((CYLINDER 50 116.0)((CYLINDER 50 98.8)CYLINDER 30 50))) (((CYLINDER SOLID ))(CYLINDER SOLID)(CYLINDER SOLID))) (b) (((HEAD CONSTRAINED HEADING )(TRAPPED DIE EXTRUSION )) (((CYLINDER 50 116.8 (CYLINDER 70 30 CYLINDER 50 80))) (((CYLINDER SOLID ))((CYLINDER SOLID)CYLINDER SOLID))) (3)d=30mm 无工序路径

许耀 昌等 锻件计算 机辅 助 工艺规程设计 · · 在 锻 造成形 领 域 ， 为 了确定 工步 的可 行性 ， 除 了按有 关规则 进行初评外 ， 目前正在 兴起 采 用过程模拟 的方 法 过 程 模 拟 主 要 采 用 有 限 元 技 术 对 于 不 同 的 工 艺 、 材料 ， 可 采 用 不 同 的有 限元技 术 如 刚塑性 有 限元 、 弹塑性 有 限元 等 过 程 模 拟 可 在微机上 用 软件 仿真 ， 提 高工作 效 率 ， 节省 设 备材料 费用 实 例 在 研究 过程 中 ， 需 要 使用 人工 智 能技术 ， 利 用 经验 和 知 识来进行零件分析 、 毛 坯 设计 、 加 工 方法 选择 、 工 序组织等 还需要 使用 中 的工 程 数 据 库 图 给 出在 研究 中得 到 的锻件 图 输人计算 机 的数据 如下 一 气二 凡二 刀。 气 们以 屈服 应力 参数。 二 早 最大单位 压力 最大 吨位 涵 棒料 直径 系 统输 出的工序路 径 为 一 一 中 个 丁 图 采用 得到 的锻 件 图 触 】、 以如 血 云娜哪 勿 此 时有 两条工序路 径可供 选 择 一 】 仁 无工 序路 径

…88· 北京科技大学学报 1994年No.1 5结论 本系统在已有的CAPP基础上，引人AI技术，采用人工移植方法，将锻造工序设计过 程中应用的理论和经验，通过总结、归纳，用产生式规则表达，知识推理部分采用广度优先 搜索技术和逆向推理方法· 系统吸取了派生式CAPP系统及生成式CAPP系统的特点，采用LISP语言编程，实现 了轴对称零件冷锻工艺的CAPP功能. 参考文献 1 Davison T P,Knight WA.Computer Aided Process Design for Cold Forging Operation.In:Proc.Ist Int Conf on Tech of Pasticity,1984.551~556 2 Yang G B,Osakada Kozo.An Expert System for Process Planning of Cold Forging.In:Proc of the 3 rd ICTP,1990.109~114 3王胜平，王祖唐.飞轮温锻新工艺的实验研究.锻压技术，1990,15(6)：29~30 4杜裴，黄乃康，CAPP原理，北京：北京航空航天大学出版杜，1990.100~224 5涂序彦.人工智能及其应用.北京：电子工业出版社，1988.16~36 6 Pao Y C.CAD/CAM基础.许耀昌等译·北京：电子工业出版社，1986.105~135；299~310

北 京 科 技 大 学 学 报 望对 年 结 论 本 系 统在 已 有 的 基 础上 ， 引人 技术 ， 采 用 人工 移 植 方 法 ， 将 锻 造 工 序 设 计 过 程 中应用 的理论和 经验 ， 通过总结 、 归纳 ， 用产生式规则表达 知识 推理部分 采 用 广度 优先 搜索技 术 和 逆 向推理方 法 系 统 吸取 了派 生 式 系统及 生成式 系 统 的特 点 ， 采 用 语 言 编 程 ， 实 现 了 轴 对称零件冷 锻 工 艺 的 功能 参 考 文 献 冶说刃 ， 记曰 找 七 巴卿 卿 犯 戈 颐 ， 一 ， 骆 以纽 详 岁 叹 ” 骆 刊 助 叮 ℃ 心 〔丁 ， 男〕 伪 一 王 胜 平 ， 王 祖唐 飞 轮温锻新工 艺 的 实验研究 锻 压技 术 ， 望列〕 ， 巧 一 杜 裴 ， 黄乃 康 原理 北京 北京航空 航天 大 学 出版社 ， 关 一 涂序 彦 人工 智 能及其应 用 北京 电子 工 业 出版社 ， 基 础 许耀 昌等译 北京 电子工 业 出版社 ， 一 卯 一