0 前言

我国大部分制造型企业依然沿用传统的计算机辅助工艺设计（CAPP）系统来进行工艺规划，随着计算机技术的进步和制造业信息化的发展，这种模式逐步暴露出若干劣势。随着全球工业 4.0 的提出，智能制造已成为推动制造业转型升级的核心动力，工艺开发也正在向智能化进行转型。本文基于MBD技术，结合智能算法，创新性开发了机械加工工艺开发智能方法。

1 机械加工工艺智能开发技术路线

1.1 国内外研究现状

随着工业 4.0 的推进，智能制造技术在国内外得到了广泛关注。

国外一些领先的制造企业和科研机构已经在智能工艺开发方面进行了深入研究，并取得了显著成果。 这些研究主要集中在 MBD 技术的应用、智能制造系统的集成与优化以及工艺开发过程的自动化和智能化方面。例如，波音777全机采用MBD技术，用于三维 数字化产品定义、数字化装配和数字化机加工艺规划， 使得研制周期缩短 50%，出错返工率减少 75%, 成本降低 25%，给企业带来了很大的经济效益。同时，美国机械工程师协会（ASME）在波音公司的协助下开始进 行有关 MBD 标准的研究，制定了“数字化产品定义数据规程” ASME Y14.41 标准。

在国内，智能制造的研究同样取得了长足进展。很多高校和科研院所在智能工艺开发方面开展了大量研究，涉及智能工艺规划、工艺参数优化以及基于大数据的工艺经验积累与应用等。在船舶领域，MBD 技术的应用有效解决了传统工艺的局限性，提高了船舶制造效率和质量，推动了中国船舶制造向智能化、自动化方向发展。在航空航天领域，MBD 技术打通了从设计到制造的数据流，实现了工艺过程三维可视化。同时， 深度学习以及数字孪生等技术也在航空领域的工艺规 划中得以应用，实现了复杂零件的工艺方案智能决策。

1.2 智能开发技术路线

如图 1 所示，本研究的智能开发技术路线包括以下几个关键步骤：

（1）产品信息识别与提取。基于 MBD 技术，从三 维模型中自动识别并提取产品的几何特征和工艺要求， 生成结构化的特征属性信息。

（2）智能工艺方法推理。利用累积的工艺经验， 构建结构化数据库，根据产品特征自动检索最佳加工方案，生成可选加工方案列表。

（3）智能工艺路线编排。运用运筹优化、区域优 化和最短路径等算法，根据项目要求生成最优化工艺路线。

（4）工艺文件自动化生成。根据标准化模板，自动生成各类工艺文件，确保文件的准确性和一致性。

图1 智能工艺开发技术路线

2 机械加工工艺智能开发模块组成

2.1 产品信息识别与提取

零件信息识别和提取是指基于产品三维图样，自动识别并提取特征相关几何信息，该信息用于后续智能加工方法推理。本模块通过 MBD 技术对具有三维数字化标注的模型进行分析，自动识别判断加工特征的类型并根据类型提取工艺开发所需要的信息，然后将数据进行结构化表达，形成可同时供机器读取以及工程师阅读的数据文件。模块功能通过以下步骤实现：

（1）建立特征规则库。根据常见的机械加工特征建立标准特征库。该特征库包括孔、槽、键及凸台等具有典型特征的几何、尺寸和材料参数，并定义每个特征的识别规则。

（2）特征识别与属性信息生成。利用几何特征的标准模板，开发特征识别算法，自动解析三维模型中的几何信息并生成特征数据。例如，通过分析曲面上的相邻边界点关系，自动识别不同类型的孔或槽。同时构建产品拓扑图模型，基于图论分析零件中的连接关系，识别复杂的几何特征。

（3）基于三维 CAD 软件读取 MBD 模型的解析系 统，自动从零件的 3D 数字模型提取产品的 PMI 信息（包 括几何尺寸、形位公差和表面粗糙度等）。

（4）模块对 3D 数字模型进行分析，提取必要的几 何信息，包括质心位置、边缘形状等，并将提取出的 PMI 信息、几何信息与特征进行关联，并生成每个特 征对应的特征属性信息，包括特征所属的分类和在该 分类下的元素特征（例如孔的通 / 盲信息、直径和深度 等）。

2.2 智能工艺方法推理

智能工艺方法推理是基于结构化知识库与推理算法自动生成最优加工方案的关键模块。为了实现这一目标，需要依赖丰富的工艺知识、经验数据和智能算法。 智能工艺方法推理模块的模型包括以下过程：

（1）工艺知识库构建。根据工艺知识表示理论， 构建一个包括工艺规则、工艺参数、案例和工艺经验的结构化数据库。该知识库应支持灵活的查询和更新， 能够随着新工艺和新材料的出现而不断扩展。

（2）工艺方案推理模型。根据加工特征的类型以 及特性，如孔的通盲情况、切削深度和加工精度要求 等，通过定义“IF-THEN”规则，实现基础的工艺推理。 对于常规加工操作，可以通过规则推理快速生成标准 加工方案，同时引入案例推理技术，通过检索历史案例，推导出相似问题的解决方案。结合案例复用和修正， 生成更符合当前加工条件的工艺方案。通过推理模型， 最终确定各个特征所采用的加工方案，可供选择的刀具以及加工参数。根据特征属性信息和加工属性信息， 从预先建立的映射关系中调取相应的刀具信息，包括刀具类型、尺寸和参数等。基于刀具信息和其他中间过程数据，生成关于零件加工的结构化数据。结构化数据以规整的格式存储，便于机器识读和应用，同时也满足工程师查阅的需求。如表所示，选取孔加工方案部分推理逻辑作为示例，展现推理流程。

（3）平台化推理引擎。将开发的推理引擎接入云 平台，能够根据输入的特征信息自动选择合适的推理路径，并输出最优加工方案。平台化的推理引擎保证了调用数据库的时效性，也提高了操作的便利性。

2.3 智能工艺路线编排

智能工艺路线编排是通过一系列优化算法来生成最优的工艺路线。工艺路线的优化不仅要考虑加工工艺的合理性，还要考虑加工效率、成本和资源利用率等多方面因素。整个模块主要分为两部分：数据处理模块和模型求解模块。在数据处理中，模块会对模型进行预处理，同时进行数据冲突检查，确保求解的收敛。 图 2 所示为工艺路线编排模块的工作流示意。

图2 工艺路线编排工作流示意

（1）工艺路线优化模型构建

工艺路线的规划需要考虑多种因素，如定位基准选择、特征加工方法要求、单工位机加工节拍限制、 特征加工顺序优先级、机床和夹具与加工特征的匹配性以及机床数量限制。将机加工工艺规划过程转化为大规模混合整数组合优化问题（MIP），同时将上述影响因素转化为约束边界条件。根据要求定义优化目标， 可选择总成本最优、节拍均衡、节拍最优或其中几项的加权组合。

（2）数据处理分析

模块自带的数据预处理和剪枝功能，在主要的模型处理之前，对数据进行结构化预处理，明确数据的 可用性，通过分支定界法，对不可行解预剪枝，在计算前期干预增加计算收敛速度，减小时间复杂度。同时求解器将“哈密顿环”理论应用于系统冲突预校验功能，根据预先设定的校验规则，基于待校验数据的属性，对待校验数据进行智能分析和诊断，提前发现导致冲突的根本原因。求解算法针对机加工工艺编排的实际问题进行数学建模求解，形成工艺编排模块结果的同时，对结果进行反向自检查，保证结果可用。

（3）优化算法实现

由于整个加工过程复杂，需先对加工区域进行划分，然后分别对每个区域进行优化，最后将各区域的优化结果进行整合。算法首先根据指定要求将加工特征分派到不同工序中，从而实现区域划分，能够减少计算复杂度，提高算法效率。在每个区域内部将问题转化为求取最短路径问题，基于加工步骤，将加工过程表示为有向图，其中节点代表特征加工步骤，边代表步骤之间的连接关系。边的权重通过加工时间、成本或资源消耗控制。在每个加工区域或整体加工过程中，使用最短路径算法优化加工路径，减少刀具移动和非加工时间。

2.4 工艺文件自动化生成

工艺文件自动化生成是智能工艺开发的最后阶段， 会将产品和工艺信息转化为标准化的工艺文件。工艺文件包括工艺流程图、控制计划、工艺失效模式和影响分析（PFMEA）及刀具清单等，直接为车间生产提供指导。 通过自动化生成，能够确保文件的一致性和准确性，减少人为错误，并提高开发效率。

（1）工艺文件模板的标准化设计

汇总文件需要包含所需的工艺和产品信息，包括加工要求、测量要求、设备信息和刀具信息等。汇总文件明确其数据要求和格式，确保工艺信息能够以标准化的形式输出。同时采用原有标准化的工艺文件模板库，包括工艺流程图、PFMEA、控制计划和刀具清单等，作为最终输出形式。

（2）工艺文件的生成模块

本模块可以调用工艺文件模板库中的模板，根据模板文件定义的字段内容和格式，自动提取产品和工艺数据信息，规范格式后填写在模板中。针对需要计算的字段，可以进行自动计算，也可以按照逻辑进行公式的填充。最终根据文件输出要求，输出相应格式的文件，同时将工艺文件信息储存在数据库中。

（3）工艺文件的输出与管理为了便于应用和管理，我们还开发搭建了工艺文件生成管理平台，实现文件在线并发生成。根据工艺文件版本，平台自动关联入库。同时管理系统支持审批流，可以自动分发至相关负责人进行审批授权。平台支持工艺文件数据库精确检索以及模糊检索，可以快速找到需要的工艺信息。

3 工艺智能开发方法验证

在本项研究中，我们提出的方法论已在实际生产活 动中得到广泛推广与实践。初始阶段，本研究方法在发动机项目中进行了试点应用。在获得积极反馈之后，逐步扩展至变速器、电驱动器等项目中，最终实现了对公司动力总成所有机加工项目的全面覆盖。伴随着工艺知识库的持续丰富与更新，该方案的应用领域不断拓宽， 展现出贯穿整个机加工产业链的潜在能力。

截至目前，该方法已成功融入超过 10 个动力总成项目，并展现出显著的成效。采用本研究方法后，工艺设计效率都得到显著提升，工艺规划时间相比传统模式缩减 75 %。

如图3所示，展示了近 3 年规划的机加工项目中， 应用工艺智能开发方法后，所节省的刀具 CPU（Cost Per Unit）比例。工艺智能开发方法优化后的工艺，刀具成本都显著下降。

图3 刀具成本下降比例

此改进不仅极大提高了工作效能，同时确保了数据一致性达到 100%，从而维护了规划质量的稳定性。 此外，本研究方案的应用促进了工艺规划操作模式的革新，实现了更为高效和精确的工艺规划流程。

4 结语

本研究所建立的智能化机械加工工艺开发模式，包括产品信息识别与提取、智能工艺方法推理、智能工艺路线编排和工艺文件自动化生成四个关键步骤。研究方案从产品信息提取到工艺方案生成，再到工艺文件的生成和下发的工艺规划全过程。并且研究成果已在实际生产中广泛应用，得到验证。 本研究可以显著提升工艺规划效率，规划周期缩短 75%，保证数据一致性，在系统化、自动化和智能化方面表现出显著的先进性。本研究中建立的业务与算法结合的混合模型也具有强扩展性，基于数据库的更新，可以推广至全机加工领域。

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