一种基于工艺知识的零件自适应成本估算方法

摘要

本发明属于数字化设计与制造相关技术领域，并公开了一种基于工艺知识的零件自适应成本估算方法。该方法包括：S1对于待处理零件的三维结构模型，识别该三维结构模型中的制造特征，以此获得该待处理零件所包括的所有制造特征和该制造特征对应的特征信息；S2对于每个制造特征，确定该制造特征对应的工艺路线，对于该工艺路线中每个加工工艺，根据完成该加工工艺所需的工装资源，采用成本最小原则，选取最优的工装资源组合；S3根据步骤S2中确定的工艺路线和工装资源组合，构建生产总成本计算模型，利用该成本计算模型待处理零件的总成本。通过本发明，实现零件在设计阶段的成本估算，降低产品研发中不必要成本。

说明书

技术领域

本发明属于数字化设计与制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于工艺知识的零件自适应成本估算方法。

背景技术

在目前工业软件和芯片产业被国外垄断的现状下，工业4.0时代亟需在加工、装配工艺、制造和信息管理等方面有所突破。在大数据、物联网、云计算等信息技术支持下，各类工业制造软件在对工业产品的全生命周期动态需求设计的响应能力上仍存在提升空间。

具体地，包括可制造性设计分析软件(DFM)、三维工艺过程设计软件(3DCAPP)，这些工业软件实现的必要条件之一都是工艺知识库支持。工艺知识库提供工艺知识服务，工艺知识是制造业发展和创新的基础。工艺知识管理能高效地将企业工艺知识资源收集整理并利用起来。对于工艺设计和制造过程中的工艺基础资料，以规范统一的模式存储在信息系统中，通过有效管理，将具有多样性、复杂性的工艺知识收集起来，能使工艺知识库转化为有效的生产力。

在产品的生命周期中，设计阶段的投入费用在总成本的占比只有5％左右，但是却影响着产品开发总成本的70％-80％，因此在设计阶段对产品的成本进行仿真对降低产品成本有着重要的意义。产品的设计过程决定了产品的关键功能的实现，制造成本是在设计阶段决定的，它们的定义往往会影响生产过程中使用的材料、机器和人力资源的选择。在这种情况下，设计阶段的制造成本计算就成为一项重要的任务。在设计中设计人员的一些细微的修改往往会造成成本的增加，而这些修改引起的工艺变化而增加的成本只有后期和成本核算人员才能发现。

因此，实时的产品成本估算技术可以在设计阶段具体地计算设计零件的成本，而无需通过工艺人员和成本管理人员的成本核算，设计人员可以通过对零件的几何特征的修改来降低成本有利于避免新品研发中不必要的成本，可以实现设计阶段新品达到或低于目标成本时，再投入生产。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于工艺知识的零件自适应成本估算方法，实现零件在设计阶段的成本估算，降低产品研发中不必要成本。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于工艺知识的零件自适应成本估算方法，该方法包括下列步骤：

S1对于待处理零件的三维结构模型，识别该三维结构模型中的制造特征，以此获得该待处理零件所包括的所有制造特征和该制造特征对应的特征信息；

S2对于每个制造特征，根据该制造特征对应的特征信息，确定该制造特征对应的工艺路线，对于该工艺路线中每个加工工艺，根据完成该加工工艺所需的工装资源，采用成本最小原则，选取最优的工装资源组合；

S3根据步骤S2中确定的工艺路线和工装资源组合，构建生产总成本计算模型，利用该成本计算模型待处理零件的总成本。

进一步优选地，在步骤S1中，所述制造特征按照下列方法获得：

首先，提取所述三维结构的几何拓扑信息，将该几何拓扑信息解析为图的格式；其次，将该转化为图的格式的几何拓扑信息与预设数据库中的几何特征图进行比对，以此确定该几何拓扑信息对应的特征类型，即实现制造特征的识别。

进一步优选地，在步骤S1中，所述制造特征对应的特征信息包括公共信息和特征信息，所述公共信息包括零件名称，零件类别，材料代号，零件体积，热处理方式，零件批量；所述特征信息包括制造特征名称，制造特征类别，特征尺寸值，特征工艺要求信息，其中，所述特征工艺要求信息包括表面粗糙度，公差等级。

进一步优选地，在步骤S2中，所述工装资源包括机床、刀具、夹具和消耗品。

进一步优选地，在步骤S2中，所述成本最小原则按照下列方式进行：

对于所述机床、刀具、夹具或消耗品的选择，当满足预设条件的机床、刀具、夹具或消耗品有多个时，选择成本最低的。

进一步优选地，在步骤S3中，所述生产总成本的计算模型按照下列关系式进行：

C＝C

其中，C是生产总成本，C

进一步优选地，所述材料成本按照下列关系式计算：

C

其中，v

C

其中，C

进一步优选地，所述加工成本C

其中，w

进一步优选地，所述总时间T

其中，生产准备时间T

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明的数据源为零件全三维零件模型，区别于二维CAD无法自动识别制造特征的痛点问题，也针对企业只利用三维CAD存储造型信息，而没有将三维标注的工艺信息应用到优化设计迭代中来，通过特征识别结合工艺决策，提供了一种定量的零件成本评估方法，也是对于MBD模型一种的新的应用方案；

2.本发明基于工艺知识库，提出了成本定量计算的方法，基于制造特征加工的逻辑操作序列，模拟加工的资源配置过程，实现自动化工艺决策，在设计阶段就得到成本的数据，区别于传统的先设计再规划工艺再核算成本的复杂流程，有利于缩短产品的开发流程，将降低成本作为优化设计的目标，形成自适应设计；

3.本发明在工艺决策阶段对于有多个结果的情况，采用了基于成本排序的唯一决策方法，是因为在工艺决策的过程中不止有唯一的决策方法，在多种方法中选择成本最少的加工方案最符合实际情况，也使得设计变动时可以直观有效地评估成本的升高和降低；

4.本发明进一步优化了成本定量计算模型，将消耗品成本、设备维护成本以及废品成本考虑在内；在人工费用的计算中将换机时间和生产准备时间考虑在内，更加符合实际生产过程。

附图说明

图1是本发明构建的基于工艺知识的零件自适应成本估算方法流程示意图；

图2是本发明构建的基于工艺知识的零件自适应成本估算方法的制造特征识别流程图；

图3是本发明构建的基于工艺知识的零件自适应成本估算方法工艺决策流程图；

图4是本发明构建的基于工艺知识的零件自适应成本估算方法的特征识别过程图，其中，(a)是键槽特征图，(b)是键槽特征属性邻接图，(c)是加工面特征属性邻接图；

图5是本发明构建的基于工艺知识的零件自适应成本估算方法的特征识别结果图；

图6是本发明构建的基于工艺知识的零件自适应成本估算方法的特征成本计算数据图；

图7是本发明构建的基于工艺知识的零件自适应成本估算方法成本估算实例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对现阶段对于全三维模型数据利用不够，以及弥补通用机械零件的成本估算方法的空白，本发明提供一种针对通用机械零件的成本估算方法，以MBD模型作为数据源，基于已建立的工艺知识库的基础，将制造过程的成本产生分解成特征加工的逻辑操作序列，作为成本估算的核心思想，实现通用机加工零件的成本的量化评价，设计人员根据评价反馈修改设计，从而实现产品自适应设计的需求。

一种基于工艺知识的零件自适应成本估算方法，包括以下步骤：

S1：制造特征识别，用于将三维的MBD模型转化为加工语义信息，其目的为从包含弱制造语义(点、线、面等)的CAD模型中自动识别出具有强制造语义(孔、孔系、凹槽和直槽等)的加工对象，并提取加工对象的相关制造要求信息。

其中，特征识别的步骤如图2所示，提取三维零件模型的几何拓扑信息，将几何拓扑信息解析为图的格式，与预定义的特征的属性邻接图进行图的同构化匹配，通过定义的制造特征识别规则，得到制造特征的类型。

其中，识别结果包括公共信息与特征信息，公共信息包括零件名称，零件类别，材料代号，零件体积，热处理方式，零件批量；特征信息包括制造特征名称，制造特征类别，特征尺寸值，特征工艺要求信息。特征工艺要求信息包括表面粗糙度，公差等级。

S2：工艺决策，进一步地，根据制造特征识别的结果，提取对应特征属性参数，基于工艺知识库，对制造特征的工艺路线和工装资源进行决策，得到特征的加工方法和工艺路线，使用机床，刀具，夹具，消耗品的数据；

其中，工艺决策的步骤如图3所示，首先是根据识别的特征结果，基于特征规则库对特征的加工方法进行制定，接着根据特征信息以及加工方法的约束，在工艺资源库中匹配符合条件的加工的工艺装备。

其中，工艺决策的知识应用产生式规则法来实现表示包括工艺路线制定知识，机床选择知识，刀具选择知识等。这些知识表示关于工艺决策知识描述方式的约定，是智能化工艺决策的前提，其基本形式为：

P→Q或IF P Then Q

其含义为“如果前提P成立则有结论Q”。在实际情况下，前提P和结可能为多个子项的合取，如以下形式所示：

Q＝P

当结果存在多于一条规则的时候，即结果集Q＝{Q

Q＝Mincost{Q

S3：成本建模及计算，将成本分解为材料成本C

C＝C

其中，材料成本C

C

进一步地，加工成本依据机器成本和人工成本累加得到。机器成本由工时定额和机器的单位时间费率计算，其中工时定额的计算参照工艺手册，计算出每个特征的加工工时，再根据每个特征加工对应的机器，汇总机器的工时，综合计算得到机器费率。人工成本依据人工的单位时间工资和加工的时长计算如下所示：

其中w

进一步地，其他成本主要由工具维修成本，次品报废成本和消耗品成本构成，如下所示：

C

其中工装维修成本和消耗品成本按照批量进行计算，利用设计批量的数据和费率进行计算。报废品成本按照1％的次品率对批量的零件进行分摊计算。

本发明实施例采用了一个回转体类机械零件，利用本发明提出的方法及系统实现零件制造成本地快速估算流程。

系统开发选择CATIA V5 R19作为三维CAD平台，打开样例零件，零件为回转体类零件，包含典型制造特征，外圆柱面，孔，外螺纹，退刀槽，键槽等特征，以及三维标注信息。

首先是制造特征的识别，以键槽的特征识别过程为例，如图4所示，提取键槽的几何信息，初步得到特征属性邻接图：

其中的关键面为f1是基于标注信息提取得到的，进一步地获取为加工面特征属性邻接图。

经过图的同构化匹配，识别得到结果，并提取特征对应的工艺要求标注和尺寸数据。其他特征同理，按照此方法进行特征识别，得到特征识别结果如图5所示。

进一步地，进行工艺路线和加工工装的决策。以图5中的外圆柱1为例，依据工艺知识库中的特征工艺知识对特征的工艺路线进行规划，根据特征参数匹配知识实例如下表所示。

根据规则实例匹配得到工艺路线为粗车-半精车-精车或粗车-半精车-磨削。依据成本优先的权值进行排序，选择低成本权值优先，因此工艺路线定为粗车-半精车-精车；

依据机床选择知识实例对机床进行决策，机床选取知识规则如下所示。

Machine＝P

其中P1为(机床可支持加工方法＝当前工序加工方法)；P2为(机床最大加工精度>特征精度等级)；P3为(机床最大加工尺寸>零件尺寸)；得到机床结果集，不唯一，需要进行优选。

根据优选原则Machine＝Mincost{M

同理刀具及其他工装资源也按照此方法选取。得到工装资源的决策结果。结合特征识别的数据形成完整的特征成本计算数据，如图6所示。同理其他特征也按照此样例进行工艺决策。

按照成本计算的公式模型，带入参数分别计算材料成本，加工成本和其他成本得到结果如图7所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。