摘要
智能制造模式下，机器取代了工人成为工艺设计主要接受者和生产执行者，需要更加精确、详细的产品制造工艺以指导生产准确、高效地进行。由于工艺设计要素多、内容复杂、场景时变性强，当前基于简化决策模型和静态决策方法的计算机自动化工艺设计模式存在结果粗糙、准确性差、智能程度低等问题，难以满足智能制造模式下高质高效的工艺设计需求。人机协同的思想为上述问题提供了解决方案。本文围绕人机协同计算机辅助零件工艺设计的实现这一目标，以机加工工艺设计为切入点，提出了人机协同模式下的零件工艺设计方法框架，并面向零件工艺设计的主要业务重点开展了相关关键技术研究，在建立准确、高效、决策过程可控的计算机辅助工艺设计方法的同时，探索人机协同智能在工艺设计领域的实现与应用。 针对人机协同模式下的零件工艺设计方法问题，分析工艺设计活动规律，研究人机协同工艺设计的实现机理，提出兼顾人机业务分工与能力分配的人机协同计算机辅助工艺设计框架。进一步的，围绕零件工艺设计的主要任务，建立人机协同工艺设计的业务流程，讨论关键支撑技术及作用，为人机协同工艺设计的实现提供理论与方法。 为了解决零件设计是否存在可行加工工艺的问题，通过引入制造元对象的概念，提出了一种基于知识的零件工艺性分析方法，用于实现以知识对象为中介的人机协同零件工艺性审查，自动定位当前制造条件下零件设计所存在的工艺性缺陷。在此基础上，建立了基于框架-产生式规则的工艺性知识表达模型，研究了该模型的表达与推理过程，并运用基于对象链与参数表的规则表达与推理方法以解决连续关系型与同形异参型知识规则的表达问题，提高工艺性知识的表达能力与场景应变水平。应用验证结果表明了上述方法的可行性与有效性，以及支持基于新建知识对象的分析扩展。 为了进一步提高零件工艺规程设计质量与效率，通过从加工特征的层面开展零件制造规律研究，提出了特征组的概念，并建立了基于特征组的派生-推理混合式工艺规程设计方法。该方法以特征组为基本对象，通过人对工艺路线派生与工艺参数推理两个阶段的控制，引导计算机完成零件工艺设计，为人机协同的工艺规程生成提供了实现途径。为了实现特征组工艺路线的匹配与派生，建立了包含8个相似度计算特征的特征组相似度计算模型，研究了特征组相似度计算方法。通过与形状分布算法的对比结果表明该方法可以实现面向制造含义的特征组相似度计算。应用验证结果表明了以上方法的可行性与有效性，实现了人机协同的零件工艺规程快速生成。 为了解决零件工艺规程经济性分析问题，研究零件工时成本的形成与零件切削成型过程之间的规律，构建基于工步平均材料去除率的工时成本数学模型，提出基于工步切削特征的工时成本估算方法，该方法利用零件三维中间状态模型实现工艺规程驱动的工时成本的自动估算。为了快速创建工步切削特征，基于截面轮廓的思想，引入特征轮廓和增广特征轮廓的概念，建立了基于增广特征轮廓的工步切削特征自动生成的方法，实现了工步切削特征的自动生成。验证结果表明本方法不仅可以实现面向工艺过程的零件工时成本快速估算，也可以用于零件三维中间状态模型的正向自动创建。 为了验证上述方法的工程应用效果，在面向人机协同的零件工艺设计系统HMCAPP的实现过程中应用了上述理论方法并开展了工程化应用验证。验证结果表明，相对于现有方法零件工艺性缺陷数量下降61.6%，工艺路线及参数修改次数下降20.0%，零件工艺设计时间效率提升59.6%，工时成本估算时间缩短77.8%，表明了本文研究成果达到了提升工艺设计质量与效率的目的。 本文研究工作对于人机协同思想与计算机辅助工艺设计的融合与应用提供了理论方法和技术支撑，推动制造行业向智能制造转的型升级具有积极作用。
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