毕业设计（论文）-创成式CAPP箱体工艺分析.doc

摘要自动创成capp系统是目前计算机辅助工艺设计系统研究和开发的热点，我了箱体零件创成工艺的关键技术，即箱体零件信息自动提取、工艺数据库的建立等等，并且开发了一套箱体类零件创成capp系统，该系统能实现工艺链的自动生成。系统的工作原理包括获取零件特征信息、零件特征分析、工艺链特征的生成、工序排序、工艺路线的生成等。通过访问数据库里的信息，将零件信息与库中的规则进行匹配推理完成工艺设计。系统运行后，生成的加工链和工艺过程验证了系统的总体设计思想。主控界面完成了零件信息的输入和工艺决策两大模块的数据传递，构成了箱体创成capp系统开发工具的基本框架。本系统还可以与其他生产计划系统进行有效集成。关键词：创成式capp 箱体 工艺abstractautomatic generative capp system is the focus of computer aided process planning system currently.i research the key technologies of box parts generative process,that automatic extraction of box parts information,establishment of technology database and so on,and develop a generative capp system of box parts,the system can achieve automatic generation of process chain. the work principle of the system includes get parts characteristics information,part characteristics analysis,generation of the characteristics of the process chain,process sort,generation of the routing and so on.by accessing information in the database to complete the process design by matching and reasoning the part information and the rules in the database. after the system is running,generated the process and the processing chain test the overall design of the system.master interface completes the data transfer of part information input and process decision,constitute the basic framework of box generative capp system development tools.the system can also make effective integration with other production planning systems.keywords：generative type capp；box；craft26目录摘要iabstractii目录i第1章 绪论11.1 发展capp的目的及意义11.2 capp的基本原理及基本结构21.2.1 capp基本原理21.2.2 capp系统的基本结构41.3 capp的发展现状及趋势41.3.1 capp的发展现状41.3.2 capp的发展趋势5第2章 箱体类零件特征的定义和分类62.1 零件特征的定义和分类62.1.1 零件特征的定义62.1.2 零件特征的分类62.2 箱体类零件特征的定义和分类72.2.1 箱体类零件的特征定义72.2.2 箱体类零件特征的分类82.3 箱体类零件特征造型方法82.4 面向对象技术在特征描述中的应用92.4.1 面向对象技术92.4.2 面向对象技术在特征描述中的应用9第3章 基于特征的箱体类零件信息的描述103.1 零件信息描述的目的103.2 零件信息描述方法和输入方法简述103.2.1 零件信息描述方法103.2.2 零件信息输入方法11第4章 基于特征的箱体零件capp系统设计134.1 总体结构设计134.2 capp系统各模块的功能及其关系14第5章 基于特征的箱体零件capp系统各模块的设计165.1 capp系统各模块的设计165.1.1 工艺知识建模模块165.1.2 工艺决策模块175.1.3 生成工艺手册模块18第6章 基于特征的箱体零件的capp系统的实现196.1 基于特征的箱体零件的capp系统概述196.2 microsoft office access 2003软件的功能特点196.3 主要系统和数据库系统集成后的用户界面20第7章 基于特征的箱体零件的capp系统的应用217.1 运用access 2003编辑数据库21结论23参考文献24致谢26第1章 绪论1.1 发展capp的目的及意义工艺设计是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造之间的桥梁。工艺规程是进行工装设计制造和决定零件加工方法与加工路线的主要依据，其质量之优劣及设计效率的高低，对组织生产、保证产品质量、提高劳动生产率、降低产品成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有着直接的影响，因此工艺设计是生产中的关键工作。传统工艺设计是由工艺师手工逐件设计的，因此工艺文件的内容、质量以及编制时间主要取决于工艺师的经验和熟练程度。一个有经验的工艺师必须具备：1、具有丰富的生产经验；2、熟悉企业内部各种加工方法及相应的设备使用情况；3、熟悉企业内部各种生产加工规范和有关规章制度；4、能与各方面保持友好合作。这样的工艺师需要20年左右的工作实践，国内外企业都缺乏这样的工艺设计人员。而且这种状况不可避免地会存在以下几方面的问题：1、每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，所以由人工设计工艺规程的一致性差、质量不易稳定、难以达到优化目标和不便于工艺规程的标准化；2、手工设计工艺规程设计效率低下，存在大量的重复劳动；3、手工设计工艺规程不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护；4、手工设计工艺规程不便于将工艺专家的经验和知识集中起来加以充分地利用；5、当代机械制造领域中，由于新技术额飞速发展，社会需求趋向多样化。市场竞争激烈，迫使产品更新日益缩短。多品种小批量生产的企业大量增加，制造系统正逐渐从刚性的高效率大工业批量生产模式转向柔性的高效率多品种小批量生产模式，这要求将计算机贯穿于产品策划、设计、工艺规划、制造与管理的全过程。显然，传统的手工工艺设计方法已不能满足上述要求。为了解决这些问题，必须寻找一种可行的方法来编写工艺规程。随着计算机技术的迅猛发展及其在机械制造业中的广泛应用，出现了计算机辅助工艺设计(capp, computer aided process planning)技术。一个capp系统可以完成以下的基本功能：1、自动选择毛坯和材料；2、自动选择加工方法；3、自动选择机床；4、自动选择装夹定位方法(基准和夹具)；5、自动确定加工顺序(工序、安装和工步)；6、自动选择刀具、量具；7、自动确定切削用量和制造公差；8、自动确定工时定额。capp的出现，为缩短生产准备周期，提高工艺文件质量，并使广大工艺人员从繁重和重复的劳动中解放出来提供了一条切实可行的途径，capp系统的使用，不仅可以大大提高工艺规程的生成速度和质量，而且capp系统对操作人员的工艺设计水平的要求可以较低，即使一般技术水准的工艺人员也能借助于capp系统设计出较高质量的工艺规程。与传统的工艺设计方法比较，显而易见可得到以下应用capp系统的效益：1、实践经验较少的工艺人员能应用lapp系统设计出较好的工艺过程，这样不仅可以弥补有经验的高级工艺师的难求和不足，而且能使大量有经验的工艺师从目前繁琐的重复劳动中解放出来，去从事不断研究新工艺和改进现有工艺的工作，促进工厂技术进步，提高生产率。2、采用capp系统不仅可以充分发挥计算机高速处理信息的能力，而且由于将工艺专家的集体智慧融合在capp系统中，所以保证了高速质量优化的工艺规程。3、应用capp系统还可获得综合的经济效益。capp是一种通过计算机技术来辅助工艺人员以系统化方法确定工件从毛坯到成品的制造方法的技术，是公认的将企业产品设计数据转换为产品制造数据的关键性技术环节。它是连接cad和cam的桥梁和纽带，是实现cims的关键技术之一。capp的研究和应用，对改革我国的工艺设计现状、促进企业的发展，提高企业的适应能力和竞争能力有着重要的作用。1.2 capp的基本原理及基本结构1.2.1 capp基本原理用计算机生成工艺的基本原理，是将经过标准化或优化的工艺、或编制工艺的逻辑思想(长期以来工艺师们积累的知识和经验)，通过capp系统存入计算机，在计算机生成工艺时，capp软件首先读取有关零件的信息，然后识别并检索一个零件族的复合工艺和有关工序，经过删减和编辑(派生方式).或按工艺决策逻辑进行推理(生成方式)自动生成具体零件的工艺1。自从niebel于1965年首次探讨用计算机来辅助工艺规划，以及1976年第一个变异式capp系统诞生以来，世界各国对工艺规程的自动设计方法进行了大量的研究，并取得了一定的成果。目前研制的capp系统，按其工作原理可以分为以下几种派生式、创成式和专家系统方法等。一、派生式(变异式)capp (variant)派生式capp的原理是利用零件的相似性。即相似零件具有相似的工艺过程。派生式capp又分为基于成组技术(gt)的派生式capp和基于特征的派生式capp。基于成组技术的派生式capp系统是将零件分类编码并按零件族编制出标准工艺文件，存入计算机的存储设备或数据库中。当需要时只要输入零件的编码就可以调用相应零件族的标准工艺规程，然后按照一定的工艺决策模型对工件的结构、形状、尺寸参数的特点进行分析和判断，选择出标准工艺文件，并进行切削参数的计算，最后输出零件的工艺规程，得到相应的工艺文件。它是用gt码来描述零件的。基于特征的派生式capp系统是用基于特征的零件信息模型来取代gt代码，用工序一工步二叉树(或其他模型)来描述零件的工艺规程和标准工艺规程。它只对工厂现有的产品、零件进行分类。制订样件分类索引树，以基于特征的零件信息模型为依据，在基于特征标准工艺规程中自动匹配和筛选出当前零件的工艺规程。派生式capp系统的优点是系统原理简单、容易开发，在应用中有一定优势。但它的柔性差、可移植性差。二、创成式capp ( generative )创成式capp的原理是将工件的几何形状要素及各表面间的关系代码化，依靠系统中自身的决策逻辑以及有关的制造工程数据信息进行工艺规划。决策逻辑不需要进行预先的准备工作，它采用内装式的算法对工艺规程的内容进行选择和优化，这些算法主要有决策树、决策表、数学算法等.它接近于人类解决问题的思维方式，有利于工艺的优化。但由于大多数工艺过程问题还不能建实用的数学模型和通用算法，实现完全的创成还很困难，它只能处理特定环境下的某类零件。因此创成式capp系统发展还不很成熟。三、专家系统方法将人工智能技术(ai)应用于工艺自动设计中，给capp的研究带来了新的活力，其中最成功的是专家系统方法。专家系统方法主要由知识库和推理机构成，在知识表达方式上以产生式规则使用最广，后来框架、面向对象等知识表示方法也渐渐被采用。除了专家系统方法，一些在ai领域最新研究成果也己在工艺规划中局部地得到应用(如模糊逻辑和神经网络等)。基于人工智能技术的专家系统，代表一种新的发展趋势，具有较强的生命力，但由于知识表达的“瓶颈”与推理的“匹配冲突”至今没有很好地解决，自优化和自完善功能差，capp的专家系统方法仍停留在理论研究和简单应用阶段。基于神经网络的思想方法，具有并行处理、信息分布式存储、自组织、自学习及实时处理特征。但此类capp系统开发工具的研究刚刚起步，成功的前景有待人们的努力2。1.2.2 capp系统的基本结构尽管capp系统的种类很多，但其基本结构都离不开零件信息的输入、工艺决策、工艺数据/知识库、人机界面与工艺文件输出/编辑等五大部分3。1、零件信息的输入 零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，计算机目前还不能象人一样识别零件图上的所有信息，所以在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述，如何输入和描述零件信息是capp最关键的问题之一。2、工艺决策 工艺决策是系统的控制指挥中心，它的作用是以零件信息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程。3、工艺数据/知识库 工艺数据/知识库是系统的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的所有工艺数据和规则，如何组织和管理这些信息，并便于使用、扩充和维护，使之适用于各种不同的企业和产品，是当今capp系统需要迫切解决的问题。4、人机界面 人机界面是用户的工作平台，包括系统菜单、工艺设计数据/知识的输入和管理界面，以及工艺文件的显示、编辑与管理界面等。5、工艺文件管理与输出 一个系统可能有成百上千个工艺文件，如何管理和维护这些文件既是capp系统的重要内容，也是整个cad/capp/cam集成系统的重要组成部分。1.3 capp的发展现状及趋势1.3.1 capp的发展现状从技术发展的角度看，capp结合现代计算机、信息、数据库等相关技术的进展，采用新的决策算法、发展新的功能，并且在并行、智能、分布、面向对象等方面进行着有益的尝试。从工程应用的角度看，我国capp产业在中低端应用方面已经拥有了相当的市场份额，但在高端功能的开发和应用方面，还存在较大的差距。现代capp的发展正在逐步体现先进制造思想，成为以信息继承和工艺知识为主体并融合多种技术的快速工艺设计。进一步发展基于产品全生命周期工艺设计与信息管理一体化系统的开发与应用成为目前研究的热点。从系统设计的角度看，capp系统正在从创成式、派生式、半创成式过渡到结合人工智能技术，且具有检索、修订、生成、交互等各种功能综合的融入智能决策的系统模式，以便充分发挥计算机和工艺人员的特点和特长，最大限度地提高工艺设计效率和质量。1.3.2 capp的发展趋势一种趋势是在原有capp的开发模式和体系结构框架内，结合现代计算机技术、信息技术等相关技术的进展，采用新的决策算法，发展新的功能，并已在并行、智能、分布和面向对象等方面进行有益的尝试。另一种趋势则是跳出capp传统模式，面向具体生产环境，面向实际应用，面向最基本的需求，利用成熟的技术，建立各种计算机辅助功能模块，帮助工艺人员更快、更好的完成工艺任务，意在通过广泛的实际应用促进其发展，这是一种实用化趋势。实用化capp趋势，逐步体现了现代先进制造思想，它实际上是capp技术在经过20多年前期发展之后，一个新阶段的开始，在自动化方向退一步、向通用化、集成化、实用化方向进一步。第2章 箱体类零件特征的定义和分类2.1 零件特征的定义和分类2.1.1 零件特征的定义自提出特征的概念以来，关于特征的定义就有多种说法。根据应用领域和条件不同，特征定义可完全不同。研究者们围绕特征的定义提出了很多观点：(1)对一个或多个设计和制造活动有意义的几何形体和几何实体；(2)具有工程意义的一般几何形状；(3)一定的几何形状或实体，用来实现至少一个cim的功能，可以作为基本单元进行设计和处理；(4)特征是产品模型的一组相关单元素，该元素遵从一系列的识别与分类规则；(5)特征是具有一定的几何模式，并对应特定机械功能的零部件。尽管出现了很多不同的特征定义，但都有一些共同的特点：(1)特征直接反映零件的功能，与设计、制造联系紧密；(2)特征是一个带约束和参数的几何实体，用规则和属性封装了几何实体的行为；(3)特征是构造产品模型的基本元素，即特征将作为一个不可分割的整体出现在零件模型中；(4)特征提供了类似于工程术语的高层次的设计概念和手段，即特征表达了零件几何体或装配的工程意义。可以看出，特征除包括几何/拓扑信息外，还包括一些非几何的属性信息，如尺寸公差、粗糙度、材料等。它是工程环境中能运用几何和功能信息进行产品零件造型的关键要素，是集成环境中高层语义信息的载体和基本传输单位4。2.1.2 零件特征的分类零件特征描述的是其设计和制造等方面的信息。特征分类的主要目的是对零件结构信息的抽象化、形式化，以便于灵活、有效地组织和处理零件有关信息。不同的应用领域和不同的工厂，特征的抽象和分类方法有所不同。通过分析机械产品大量的零件图纸信息和加工工艺信息，可将构成零件的特征分为五大类：(1)管理特征与零件管理有关的信息集合，包括标题栏信息、零件材料信息、未注粗糙度信息等；(2)技术特征描述零件的性能和技术要求的信息集合；(3)材料热处理特征与零件材料和热处理有关的信息集合；(4)精度特征描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，包括公差和表面粗糙度；(5)形状特征与描述零件几何形状、尺寸相关的信息集合，包括功能形状、加工工艺形状、装配辅助形状。除上述五个特征外，针对箱体类零件提出方位面特征；工艺特征模型中提出尺寸链特征，还有装配特征等。以上这些特征中，形状特征和精度特征是与零件建模直接相关的特征，其中形状特征还是描述零件或产品的最主要的特征。而管理特征、材料热处理特征、装配特征虽不直接参与零件的建模，但对于实现cad/capp的集成亦是必不可少的。考虑当前特征的应用主要是面向制造领域，而在此阶段需要将产品零件的设计特征与制造及装配约束相关联，从而保证产品的可制造性与可装配性。因此我们可以认为零件的特征模型如图所示5。图1 零件特征模型图2.2 箱体类零件特征的定义和分类箱体类零件特征的定义和分类是主要针对箱体类零件的一些常见形状和功能结构进行的。由于箱体类零件与其他零件类不同，所以特征定义和分类方式有其独有的特点。2.2.1 箱体类零件的特征定义特征作为构成零件信息的基本单元，它包含了几何形状及相应的工程语义。一个零件就是由不同形状和不同功能的特征经过一定的布尔运算和组合构成，一个零件从几何造型的角度可以定义为： 零件 = 基体 + 正特征集 - 负特征集正特征集：指除基体外所有正特征的集合。负特征集：指要被切除的特征的集合。箱体类零件特征可以表达为： 零件特征 = 形状特征 + 属性零件特征：具有一定属性的几何实体。形状特征：是一组与零件的形状描述相关的有意义的信息集合。它通过几何和拓扑信息来描述，表示零件的某种功能形状，一般由隐式表达的变量尺寸参数来驱动其造型。对形状特征的进一步描述是通过显示表示的面、环、边和点等低层次的几何拓扑信息。属性：指的是描述特征属性的数据，特征的功能和行为，特征间的相互关系。在本设计中，属性主要包括精度和材料属性，精度属性是建立在形状特征模型基础上，它表达零件的精度信息，由尺寸公差、形状公差，位置公差和表面粗糙度等组成；材料属性主要包括材料种类、机械性能、热处理方式、总体表面处理和局部表面处理等。2.2.2 箱体类零件特征的分类在零件的产品建模中，形状特征是产品定义模型中最主要的内容，是其他非几何信息所依附的载体，是区分零件特征之间区别的主要依据。可以这么说，对箱体类零件特征的分类主要是对箱体类零件形状特征的分类。因为属性只相当于形状特征的附属，是大部分特征所共有的6。零件的加工特征作为制造阶段特征的主要形式，其形状特征可以由零件几何模型提取到，但缺乏产品加工过程中需要的功能信息。因此为了弥补几何造型中高层语义信息的不足，提出面向制造的加工特征的分类原则： 从加工制造的观点而不是从描述零件结构的观点来描述特征； 特征的层次结构； 特征参数的设置依照cad下游系统对特征的需求而定； 按照特征的属性建立支持各特征族的机制而不是每种特征建立方法。依照以上的分类原则，箱体类零件按照层次关系将加工特征分类如下： 面特征(face)，包括普平面、台阶面等； 孔特征(hole)，包括通孔、盲孔、螺纹孔、锥孔等； 槽特征(slot)，包括键槽、开口槽、t型槽等； 轮廓特征(contour)，包括方形轮廓、弧形轮廓等； 组特征(group)，包括矩形矩阵孔系及环形矩阵孔系等。2.3 箱体类零件特征造型方法特征造型法(macro modeling)是为了实现cad/capp/cam技术的集成化而发展起来的，它把信息分成两部分：主要形素(macro feature)指几何形状的分类，如立方体、圆柱体、球体等，也称低级形素(low-level feature)；补充形素也称高级形素(high-level feature)，指的是在主要形素上的补充，即制造所需信息。因此这种造型方法不但可以提供几何信息，同时还可提供进行制造的可行性方案评价、功能分析、过程选择、工艺过程设计等所需信息，把设计和生产过程紧密地联系在一起，从而具有良好的发展前景。2.4 面向对象技术在特征描述中的应用2.4.1 面向对象技术面向对象技术起源于60年代末，它把世界看成是独立对象的集合，对象将数据和操作封闭在一起，提供有限的外部接口，其内部的实现细节、数据结构及对它们的操作是外部不可见的，对象之间通过消息相互通信，当一个对象为完成其功能需要请求另一个对象的服务时，前者就向后者发出一条消息，后者在接收到这条消息后，识别消息并按照自身的适当方式予以响应。面向对象技术有以下特点：(l)面向对象技术强调把问题域的概念直接映射到对象以及对象之间的接口，符合人们通常的思维方式。(2)面向对象技术从分析到设计再到编码采用一致的模型表示，后一阶段可以直接复用前一阶段的工作成果。(3)在客观世界以及它的映射软件系统中，实体的结构是相对稳定的。面向对象技术通过把属性和服务封装在“对象”中，当外部功能发生变化时，保持了对象结构的相对稳定，使改动局限于一个对象的内部，减少了改动所引起的系统波动效应。所以，按照面向对象技术开发的软件，具有易于扩充、修改和维护的特性。(4)面向对象技术具有的继承性和封装性，支持软件复用，并易于扩充，能较好地适应复杂大系统不断发展和变化的要求。2.4.2 面向对象技术在特征描述中的应用特征本身的内容以及特征之间的各种关系都是用户操作的对象。所以如何组织特征本身所具有的各种信息以及特征之间的相互关系，是特征技术走向应用关键性的一步。由于面向对象思想是一种围绕真实世界的概念来组织系统的一种全新思考问题的方法，在面向对象的系统设计中，对象是构成系统的唯一的单元，对象将数据结构与行为都合并在单一的实体中，各对象之间存在着一定的联系。对象既是信息的存储单元，又是信息的处理单元，它具有一定的内部结构和处理能力。这就为实现用特征来构造零件模型的系统提供了可能。我们可以把特征当作对象，把具有相同特征的对象归并为一个类，一个基于特征的零件模型可用各种特征通过聚积关系得到，各特征之间存在着一定的联系，从而使面向对象技术走向应用。 第3章 基于特征的箱体类零件信息的描述3.1 零件信息描述的目的工艺过程设计的目标是编制零件的详细而合理的工艺规程。它的主要依据是产品零件的设计图。众所周知，在生产实际中，零件图纸上的信息，通常是图形、字母、数字以及各种特征符号，它们都是不便于原样地在计算机内部传输，也不可能原样被计算机系统接收、识别和处理。由此可见，capp系统首先要解决零件特征信息的描述和输入问题。零件信息的描述问题，其关键是要对零件特征信息的标识即如何解决以数据代替问题(代码化)；零件信息的输入问题，其关键是设计友好的人机界面和数据存贮结构。总的来说，也就是解决零件信息在计算机系统内的传递、存储和识别问题。所以，零件信息的描述和输入是capp系统设计的前提条件3。capp系统对零件信息输入的最理想方式是直接从cad系统中提取，它也是cad/capp集成的关键技术.目前此项技术还不成熟，世界各国技术界正在深入研究和开发。特征建模cad技术和特征识别技术的研究正是为这一目的而发展起来的，籍以实现cad/capp/cam系统的集成，但目前也不成熟，离实用相差还很远.因此，建立实用的capp输入信息方法，不但是当前需要，而且在今后相当长一段时间内，仍是用来解决零件信息输入capp系统的主要手段。3.2 零件信息描述方法和输入方法简述3.2.1 零件信息描述方法capp系统的首要工作就是如何描述零件，以便使系统处理必要的数据，自动输出工艺方案。零件的特征信息包括两方面，即零件的几何信息和工艺信息，零件的几何信息也就是零件的图形信息，即零件的形状、尺寸等，而其工艺信息则包含有零件各表面的精度、粗糙度、零件所需的热处理、表面处理、零件所用的材料以及毛坯的类型及形状等.capp系统对零件特征信息的描述有两个基本要求，一是描述零件的各组成表面的形状、尺寸、精度、粗糙度等，二是明确说明各组成表面的相互关系与连接次序。有了这两方面的内容，就便于确定各加工表面采用的加工方法以及它们的加工顺序。当今世界上出现了各种各样的capp系统，按其工艺路线的生成方法，不外乎为检索式和创成式两类。但是这些系统中的零件特征信息的描述与输入方法则各具特色，为了满足各自系统的要求，出现了许多信息描述的方法。一、零件分类编码描述法在早期的lapp系统中，一般采用零件分类编码系统，输入零件的编码以及一些补充信息。用零件编码来粗略描述零件的形状、尺寸、精度等信息，并且由此形成零件族，根据此零件族以数据检索的方式查找事先以零件族为基础存入的相似零件的标准工艺过程，然后通过人工编辑后形成新零件的工艺过程.这种信息输入方式比较适用于检索式capp系统.但该方法对零件的描述过粗，对零件的具体形状、尺寸及精度等无法描述，使capp系统不能得到足够的信息来详细、合理地进行工艺决策。二、图形要素描述法为了能够详细地描述零件的形状、尺寸等信息，人们把一个零件看成由若干个基本的几何体所组成，并且将这些几何体分为主要素和辅助要素.主要素必须按它们在零件上出现的位置依次进行描述，这是由计算机确定粗加工的加工顺序，重新说明零件形状的需要，而辅助要素则包括倒角、圆角、辅助孔、环槽、直槽等，它一般仅在零件精加工时才考虑，因此它们在零件上的确切位置并不重要，且相同的几个要素可在一起加以描述，这样输入时间就可大大缩短。这种输入方法虽然比较繁琐、费时，但它毕竟可以比较完整、准确地输入零件的设计信息。然而这类方法对于非回转零件的特征描述则比较困难。三、圈论描述法从capp系统对零件结构形状描述的基本要求出发，lapp需要的是零件的图纸信息，而不一定需要cad几何文件，因此我们可以利用图论的基本原理来描述零件的结构形状。这种描述方法是用结点表示零件的形状要素，而这些形状要素均以固定代码表示，边则用来表示两个相邻表面的连接情况，边上赋值，以表示两个相邻表面的夹角。若两表面完全无关时，则无边。这样零件的结构可用“图”加以描述。由于这种方法是用结点、边及其关联关系来描述零件特征的，这样必然导致信息输入的繁琐、费时。因此它只适用于结构形状比较简单的零件。四、拓扑描述法拓扑学是一种现代数学方法。拓扑学的观点认为一个零件就是一个三维物体和三维复合形。三维的零件包括有限数量的元素，如点、线、面、体，这些元素可以看作是一些单元;因此一个零件就可以用一组单元来表示.这种描述方法虽然可以详细地描述零件的信息，但是对于独立的capp系统来说，用于工艺决策的信息并不需要如此详细地描述。况且描述时不方便，很不实用。因此这种方法适于在cad系统中应用。五、面向零件特征要素法此方法只要描述零件由哪些特征组成，然后根据零件特征作出工艺决策。当然系统中也少不了由经验得出的工艺决策逻辑.这种方法适合于描述形状比较复杂的零件，如箱体类零件。3.2.2 零件信息输入方法要用计算机来辅助零件工艺规程设计，就必须把零件的特征信息输入到计算机内，让计算机对零件的特征信息进行处理，以编辑出合适的工艺规程。目前零件特征信息输入方法主要有以下几种：(1)人机交互式输入：这种方法是通过人来对零件图纸进行识别和分析，然后把零件的信息通过计算机界面引导输入到计算机内。这种输入过程繁琐、费时、易出错，有时甚至还不如手工编制工艺文件来得快，所以在生产实际中有些工艺人员不大愿意使用这种方法。(2)从cad系统直接输入零件信息：这种方法是在对零件进行建模时，创建一个特征库，除了输入零件的形状信息外，还将零件的其他特征信息也输入到计算机内，存放在特征库中，供下游系统共享使用。这种方法的关键是要建立基于特征的统一的cad/lapp/cam的零件信息模型，并对特征进行总结分类，建立便于用户扩充与维护的特征类库。或者为产品建立一个完整的、语义一致的产品信息模型，以满足产品生命期各阶段(产品需求分析、工程设计、产品设计、加工、装配、测试、销售和售后服务)对产品信息的不同需求和保证对产品信息理解的一致性，使得各应用领域(如cad, capp, cam, cnc, mis等)可以直接从该模型抽取所需信息。这种方法是cad/capp集成的关键技术，是一种比较有前途的方法。(3)图形扫描输入方式：这种方法是用图形扫描仪将工程图纸上的信息扫描输入到计算机中，然后对扫描所得到的信息进行一定的分析与处理，在计算机上还原出工程图纸，并形成相应的图形文件，然后再对图形文件进行分析与识别，抽取出capp系统能识别的几何形状信息与加工信息。这种方法要解决两个方面的问题：第一是工程图形的扫描与识别技术，第二是特征识别技术。这两个问题是计算机辅助设计与制造领域的难题之一，国内外的研究工作者都在努力地研究。最常用的研究方法有以下两种，(1)图象级的处理方法，(2)矢量化的识别处理法。但目前这两种方法都有其弊端，所以目前图形扫描及识别技术的输入方式也还没有达到与capp等系统的直接集成的水平。我在设计中更多的采用人机交互输入。第4章 基于特征的箱体零件capp系统设计4.1 总体结构设计依据箱体类零件特征建模子系统输出的特征信息文件，采用专家系统技术设计基于特征的箱体类零件capp子系统，在企业制造环境及可制造性评价的约束下，生成最后的工艺文件，再结合零件模型提取工序图，汇总输出工艺手册。它主要分以下三部分：一、接口该接口是用来读取零件特征信息模型里的信息，并将其转变为本capp子系统能够识别的信息模型结构。二、生成工艺规程通过交互方式对输入的特征信息进行推理、计算，最后生成工艺文件，它主要包括以下几个部分：(1)各特征加工方法推理依据接口部分提供的capp输入信息，按照一定的控制策略和冲突消解策略，在当前制造环境及评价领域知识的约束下，在工艺知识库中获取本特征的加工方法。(2)工序间尺寸计算在各特征加工方法推理成功的条件下，依据各加工方法的加工余量及零件图纸上的最终尺寸要求，按照反向推理策略，解算零件各加工工序的工序尺寸.(3)工艺路线及工序内容生成加工路线的制定是以加工阶段的划分为依据的，这些加工阶段所包含的内容在知识库中体现，它们在工艺路线中的顺序在推理规则中表示。其中根据工序集中原则，还要进行适当工序合并，在工序内容生成时，系统充分考虑所加工特征的精度等级、表面粗糙度、机床效率、交货期限、生产批量等的匹配关系。具体来说主要有以下三个部分：(1)工艺路线的排序排序的工作原理是:将各特征的加工路线分解为单个工序，然后判断各工序所属加工阶段和范畴。(2)工序合并完成排序后，如果相邻两个或几个工序采用相同的加工装夹方式、相同的机床，则这些工序就可以合并在同一工序中。按合并后的工序序号进行重新调整，使之具备连续的工序号。(3)工序内容确定主要包括机床、刀夹量辅具选择，基准确定，定位夹紧方式确定，切削参数选择，工时定额及工序尺寸确定等。(4)capp黑板系统它实现设计过程各阶段的综合管理。它控制和协调各功能子模块的执行以及当各子模块不能成功输出结果时，给出问题及建议，供设计者参考及选择.(5)输出工艺文件根据系统的自动推理以及设计者的选择，得到零件的工艺规程文件，然后以一定的格式输出。三、生成工艺手册输入零件实体模型及工艺文件，经内部程序自动处理，生成工艺手册，它主要包括：(1)生成工序图从零件三维实体模型直接生成二维工程图，避免了传统的工艺设计要多次重复画相同的二维工程图。(2)输出工艺手册将工艺文件和工序图汇总，自动填写到定制(或标准)工艺卡片中，最后以卡片的格式输出。4.2 capp系统各模块的功能及其关系1、推理规则模块此模块的运作是以特征建模模块产生的特征信息集合为条件。它是由原始的特征信息数据库出发，按一定的策略运用工艺规则知识库等推断出结论.是整个系统的控制部分。以特征名称、特征类型及特征的一些精度约束等工艺信息作为依据来进行推理。设计推理机时还运用了专家系统技术。推理过程采用的是比较传统的在程序中进行判断的方式。通过特征建模获得的信息，来进行判断采用工艺规则知识库中的哪一条知识.2、推理规则交互模块此交互模块能够使用户改变推理规则模块中的推理条件，用户可以通过界面按照所要求的格式去填写新的推理条件，然后可以把新的推理规则再存入库中，这样就丰富了库中的推理知识。3、工艺规则知识库模块工艺规则知识库的知识不是简单的工艺规程。而是包括判断语句和工艺规程的复合体，其通过推理规则模块去访问工艺规则知识库，具体提取出的那一套知识，不仅要通过推理规则中的判断语句而且还要通过知识库中的判断语句来判断。工艺规则知识库是由控制程序和数据库构成.控制程序是由数据库和推理规则模块之间的联结部份构成.而数据库由工艺规程知识和判断语句的条件部分组成。控制程序被推理规则模块调用去读取数据库中的带有条件的工艺规程知识.工艺规则知识库模块是与用户交互性最强的模块.它允许用户通过交互模块修改、添加工艺规则知识。通过控制程序与交互模块联结，进行交互，修改数据库内容。图2 工艺规则模块框架图4、工艺规则知识库交互模块顾名思义，其功能也是通过交互界面增删/编辑工艺规则知识库中的知识。5、输出模块本模块是把动态数据库中暂时由推理规则模块排列好的工艺规程，按照一定格式输出给用户。6、生成工艺手册模块本模块汇总工序图和工艺规程文件，卡片的形式输出。自动填写到定制(或标准)工艺卡片中，以卡片的形式输出。 第5章 基于特征的箱体零件capp系统各模块的设计5.1 capp系统各模块的设计本系统主要完成从特征建模子系统建立的特征信息库中读取特征信息，在一定的条件允许下，在一定的规则约束下对工艺知识进行选择，确定每个特征所用的加工方法等，然后按一定的规则排列成加工工序路线，计算各工序、工步的工艺尺寸，最后以卡片等格式输出，即输出机械加工工艺手册。因此本系统中包括以下几个模块：工艺知识建模模块、工艺决策模块、生成工艺手册模块。5.1.1 工艺知识建模模块工艺知识是后续工艺决策模块的依据，为后续模块提供可用数据等。因此构建一个工艺知识/数据库，存放各种工艺知识。工艺知识库的结构如图所示：图3 工艺知识库结构框架规则是工艺知识库的核心，它反映了机械加工工艺选择的基本规律，采用产生式规则表示，规则中允许与（ado）等布尔型操作的任意连接形式，对不精确规则采用人机交互方式，由用户根据实际情况来确定。事实知识是表示具体零件的特征、工艺设计、机床、刀具等已知的源知识，在本模块中主要是指加工链，因此可设计工艺知识数据库的数据结构如下： 加工方法 加工链 精度范围 、加工链作为事实知识，精度范围等可以作为工艺知识中的规则，推理机以此规则来确定特征的加工方法。为了方便用户对工艺知识数据库内的知识和规则进行添加、修改、删除和查看等操作，本模块利用面向对象编程技术为用户提供了一个友好的界面，用户可以通过该界面对数据库进行各项操作，操作过程如图所示：图4 工艺知识建模操作示意图5.1.2 工艺决策模块工艺决策模块主要完成对每一个制造特征进行选择加工方法、排列加工链以及各种参数，最后将各制造特征的加工链按一定的规则排列成工艺路线，再按规定的格式输出工艺规程文件。该模块是capp系统的核心部分，而推理机又是该模块的核心部分，因此设计一个自动化程度高且使用的推理机是本模块设计的关键。在本模块的设计中，采用人工智能、专家系统技术来设计推理机，将其建立在黑板框架基础上，推理过程中的黑板框架内容如图所示：图5 推理机中的黑板内容推理机通过ado接口首先从数据库中读入特征信息库名称、知识库名称、制造资源库名称等信息，然后将对应知识库、特征信息库、制造资源库内容载入黑板，推理机通过数据库管理、黑板代理功能，建立推理与知识的关联，具体工作过程为：系统首先从特征信息库里读取一条特征信息，再根据该特征信息里的一些主要约束参数(如粗糙度、孔径、精度、有否底孔、材料等等)到工艺知识库里查询，得到相应的加工方法链以及机床设备，系统自动将它们保存到临时数据库中，如此反复，直到读完所有的制造特征为止。由于工艺设计过程的复杂性，有时一种求解状态下，可供选用的知识有好几种，本模块采用人机交互的方式，由用户根据实际情况在系统推理出来的结果中选择比较适合的一种。这样虽然降低了系统的自动化程度，但提高了系统的柔性和实用性。确定了每个加工特征的加工方法链和所用的制造资源后，便要对所有特征的加工方法链进行排序，以形成一条合适的工艺路线。本模块的排序思想是:首先优选工位，然后优选此工位下的待加工特征，接着安排此特征各工步的加工顺序，上述工作均采用逻辑决策的方法来实现，其依据同样是根据实际加工中的考虑所提取出来的一系列规则，如：(1)先加工基准特征后加工一般特征；(2)若孔在面上，则先加工面后加工孔；(3)同一装夹下，采用相同刀具加工的特征应集中安排加工；(4)若有单方向加工的孔，且此孔的出端平面要加工，则尽可能优选其出端平面方位为先加工的工位；(5)待加工特征的一般优选顺序为：大平面、台阶面、窗口、及轮廓面、其它面、槽类、大孔、小孔等；(6)各工步的加工顺序一般为：面类：粗铣、半精铣、精铣；孔类：中心钻、钻、扩、粗幢、半精幢、精锉、攻丝、铰孔倒角钻、铣槽孔等。以上这些规则在本模块中是用编程语言来实现约束的，即将这些排序规则封装在一程序段内，该程序段相当于一个小模块，能实现在此规则约束下对一些加工工步进行排序，生成一条或几条工艺路线。系统根据一定的约束规则自动推荐一条工艺路线给用户，同时通过一个界面显示给用户看，该界面还允许用户对工艺路线进行重新排序。因此如果用户觉得系统自动提供的工艺路线不够理想，用户可以对工艺路线进行调整，直到排列出满意的工艺路线为止。5.1.3 生成工艺手册模块生成工艺手册模块是capp系统的最后输出模块，其主要功能是将工艺决策模块推理出来的工艺规程文件和工序图填写到标准(或定制)的工艺卡片模板上，以卡片的形式输出。工艺卡片上的内容包括两部分.一是表头信息(总体信息)、工序内容；二是工序图。表头信息、工序内容由工艺规程文件提供，工序图则必须要另行处理。因此本模块的设计思想是一个个工序逐一完成，在每一个工序中是先生成工序图，再将工序图和工艺规程文件中相应工序内容一起填写到定制的工艺卡片模板上。如此反复，直到完成所有的工序为止，最后形成工艺手册。第6章 基于特征的箱体零件的capp系统的实现6.1 基于特征的箱体零件的capp系统概述本系统主要使用visual c+语言开发而成。以visual c+ builder 6.0软件作为主要开发系统，以microsoft office access 2003数据库编辑软件作为数据库支撑系统。6.2 microsoft office access 2003软件的功能特点access 是微软公司推出的基于windows的桌面关系数据库管理系统（rdbms，即relational database management system），是office系列应用软件之一。它提供了表、查询、窗体、报表、页、宏、模块7种用来建立数据库系统的对象；提供了多种向导、生成器、模版，把数据存储、数据查询、界面设计、报表生成等操作规范化；为建立功能完善的数据库管理系统提供了方便，也使得普通用户不必编写代码，就可以完成大部分数据管理的任务。之所以选择access 2003作为数据库编辑软件，主要是因为它有如下几条优点：(1)存储方式简单，易于维护管理 access管理的对象有表、查询、窗体、报表、页、宏和模块，以上对象都存放在后缀为（.mdb或.accdb）的数据库文件中，便于用户的操作和管理。 (2)面