硕士论文-基于GT与KBE的智能数控编程与应用.doc

摘要摘 要随着科学技术的发展和进步，数控技术的应用已日趋普及，使得机械制造过程发生了显著的变化，其作用和影响越来越大。与此同时，企业对数控技术的要求也越来越高。数控编程技术作为数控技术的重要组成部分之一，一定程度上关系到企业生产加工技术水平的提升。目前，企业在利用通用的CAM系统（如UG）进行数控编程的过程中普遍存在着重复性劳动、编程知识经验要求高以及编程系统操作复杂、刀轨形式受限制等问题，降低了数控编程效率，影响了数控编程质量。针对上述问题，本文在对企业实际需求分析的基础上，构建了基于UG平台的智能数控编程系统体系结构，设计了智能数控编程系统的功能模块，给出了船用柴油机复杂零件知识库系统的结构模型。为促进系统能实现高效、准确、快捷的智能数控编程，论文进行了一些探索性研究，主要研究内容与成果如下：（1） 在对数控编程中参数设置分析的基础上，首次提出了对成组技术进行级联应用，详细研究了该方法在CAPP/CAM系统中的应用，并给出了基于成组技术级联应用的数控编程流程。（2）为了实现数控编程的知识驱动，针对数控编程领域经验知识的特点，研究了知识工程技术在数控编程中的应用，主要包括：数控编程领域的知识表示、知识获取和知识推理。（3） 以船用柴油机复杂零件为对象，归纳了船用柴油机复杂零件的加工特征与优化了的刀轨，研究了加工特征识别、特征处理和基于特征的刀轨规划技术，分析了特征、刀轨与工艺之间的映射关系。在上述研究成果的基础上，利用UG/Open、VC+6.0和SQL Server2000等技术开发了基于GT与KBE的智能数控编程系统，并通过船用柴油机复杂零件的数控编程实例验证了上述研究成果的有效性和系统的实用性。关键词： 数控编程；成组技术；知识工程；刀轨规划73AbstractAbstractWith the development of science and technology, CNC technology has been used more and more popular. It has changed the manufacturing process, its effect and influence become greater. At the same time, enterprise has higher requirements for CNC technology. As one important part of cnc technology, CNC programming technology could improve the production technology level to a large degreeAt present, there are several problems in CNC Programming when enterprise uses the traditional CAM system (such as UG), such as repetitive work, require high programming experience knowledge, the programming system has complicated operation and tool path forms is restricted. These problems decrease the programming efficiency rate, impact the programming quality.In view of the above problems, this paper analyzed the enterprise demand, then constructed the system framework of intelligent programming system based on GT and KBE, and designed the function module of intelligent programming system, and then established the frame model of knowledge based system for complicated components. In order to realize a highly effective, accurate and quickly intelligent CNC programming system, this paper did some exploratory work. Its main content and contributions are as follows:(1) Based on the analysis on the CNC programming parameters setting, the application of cascading group technology is proposed for the first time, then it is researched in detail in CAPP/CAM system, and a cnc programming flow was designed based on it.(2) In order to make CNC programming driven by knowledge, aimed at the characteristics of CNC programming field knowledge, the application of knowledge-based technology in CNC programming was studied, including knowledge representation in the field of CNC programming, knowledge acquisition and knowledge reasoning. (3) Taking complex components of marine diesel as objects and summarized its manufacturing feature and tool path pattern. It has a research on manufacturing feature recognition, manufacturing feature processing and tool path planning based on manufacturing feature, and analyzed the mapping relationship between feature, tool path and process.On the basis of the above research results, the intelligent programming system based on GT and KBE was developed by using UG/Open, VC+ 6.0 and SQL Server 2000. And cases of CNC programming for complex components of marine diesel have been illustrated to validate the effectiveness of the above-mentioned research contributions and the practicality of the system.Key words：CNC Programming；Group Technology；Knowledge-based Engineering；Tool Path Planning目录目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 课题研究现状21.2.1 成组技术研究现状21.2.2 知识工程技术研究现状31.2.3 数控编程技术研究现状41.3 课题主要研究内容51.4 课题研究的理论意义和实用价值61.4.1 课题研究的理论意义61.4.2 课题研究的实用价值61.5 本章小结7第2章 基于GT与KBE的智能编程系统体系研究82.1 智能数控编程系统开发流程82.2 系统需求分析92.3 系统研究总体目标92.4 基于GT与KBE的智能编程系统体系结构102.5 系统功能模块122.6 基于GT与KBE的智能编程系统的功能特点142.7 系统的开发环境和开发工具142.8 系统开发支撑技术152.8.1 UG二次开发技术在智能编程系统中的应用152.8.2 支持知识重用的数据库开发技术202.9 本章小结26第3章 成组技术在数控编程中的应用273.1 成组技术的基本原理273.2 成组技术的级联应用273.3 数控编程参数设置的相似性分析283.4 成组技术在数控编程中的级联应用293.4.1 CAPP中的相似性处理293.4.2 CAM中的相似性处理313.4.3 基于相似度的工艺信息与加工模板映射323.4.4 数控编程流程设计323.5 本章小结33第4章 知识工程技术在数控编程中的应用344.1 知识工程的含义344.2数控编程中的知识表示354.2.1 数控编程中知识表示的原则354.2.2 基于规则与实例的数控编程知识表示354.3 数控编程中的知识获取364.4 数控编程中的知识推理394.4.1 基于规则的数控编程知识推理394.4.2 基于实例的数控编程知识推理394.5 本章小结43第5章 基于加工特征的刀轨规划技术研究445.1 概述445.2基于加工特征的船用柴油机复杂零件刀轨445.2.1可重用的加工特征元445.2.2 船用柴油机复杂零件加工特征的分类455.2.3 船用柴油机复杂零件刀轨类型465.3 基于加工特征的刀轨规划475.3.1 加工特征的识别475.3.2 加工特征的处理505.3.3 刀轨规划505.3.4 加工特征的映射525.4 基于加工特征的刀轨生成525.5 本章小结53第6章 智能数控编程系统的实现546.1 系统概述546.2 系统操作流程546.3 系统登陆及主界面556.4 企业资源管理模块556.4.1 零件管理模块556.4.2 刀具管理模块566.4.3 机床管理模块566.4.4 工艺信息管理模块576.4.5 知识库管理模块596.5 知识加工模块606.5.1 智能编程模块606.5.2 知识顾问模块636.5.3 后处理模块656.6 用户管理模块656.6.1 用户信息管理模块656.6.2 权限设置模块666.7 本章小结66总结与展望67课题总结67进一步的研究工作展望67参考文献69攻读学位期间发表的学术论文72致谢73ConetetsContentsChinese AbstractIAbstractII1 Exordium11.1 Research Background11.2 Research Status21.2.1 Research Status of Group Technology21.2.2 Research Status of KBE31.2.3 Research Status of CNC Programming41.3 Research Content51.4 Research Theoretical Significance and Practical Value61.4.1 Research Theoretical Significance61.4.2 Practical Value61.5 Chapter Summary72 Research on Families of Intelligent Programming System Based on GT and KBE82.1 Intelligent Programming System Development Flow82.2 System Demand Analysis92.3 Research General Target92.4 Intelligent Programming System Architecture Based on GT and KBE102.5 System Function Module122.6 Intelligent Programming System function Character Based on GT and KBE142.7 System Development Environment and Tools142.8 System Development Supporting Technology152.8.1 Application of UG Secondary Developing Techniques in Intelligent Programming System152.8.2 Database Development Technique Based on Knowledge Reuse202.9 Chapter Summary263 Application of Group Technology in CNC Programming273.1 Basic Principle of Group Technology273.2 Application of Cascading Group Technology273.3 Similarity Analysis on CNC Programming Parameter Setting283.4 Application of Cascading Group Technology in CNC Programming293.4.1 Similarity Processing in CAPP293.4.2 Similarity Processing in CAM313.4.3 Processing Information Mapping with Processing Template Based on Similarity323.4.4 CNC Programming Process Design323.5 Chapter Summary334 Application of KBE in CNC Programming344.1 The Meaning of KBE344.2 CNC Programming Knowledge Representation354.2.1 Principles of CNC Programming Knowledge Representation354.2.2 CNC Programming Knowledge Representation Based on Rule and Case354.3 CNC Programming Knowledge Acquisition364.4 CNC Programming Knowledge Reasoning394.4.1 CNC Programming Knowledge Reasoning Based on Rule394.4.2 CNC Programming Knowledge Reasoning Based on Case394.5 Chapter Summary435 Research on Tool Path Planning Based on Manufacturing Feature445.1 Summary445.2 Tool Path for Complex Components of Marine Diesel Based on Manufacturing Feature445.2.1 Reusable Manufacturing Feature Element445.2.2 Complex Components of Marine Diesel Manufacturing Feature Classification455.2.3 Complex Components of Marine Diesel Tool Path Type465.3 Tool Path Planning Based on Manufacturing Feature475.3.1 Manufacturing Feature Identification475.3.2 Manufacturing Feature Process505.3.3 Tool Path Planning505.3.4 Manufacturing Feature Maps525.4 Tool Path Generation Based on Manufacturing Feature525.5 Chapter Summary536 Brief Introduction of Intelligent Programming System546.1 System Summary546.2 System Operating flow546.3 System Login and Main Interface 556.4 Enterprise Resource Management Module556.4.1 Part Management Module556.4.2 Tool Management Module566.4.3 Machine Management Module566.4.4 Process Management Module576.4.5 Knowledge Base Management Module596.5 Knowledge Manufacturing Management Module606.5.1 Intelligent Programming Module606.5.2 Knowledge Consultant Module636.5.3 Post Process Module656.6 User Management Module656.6.1 User Information Management Module656.6.2 User Authorization Management Module666.7 Chapter Summary66Conclusion and Prospect67Conclusion67Prospect67Reference69Published Thesis for Masters Degree72Acknowledgement73第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题研究的背景随着近年来中国船舶制造行业的迅速崛起，对有船舶“心脏”之称的船用柴油机提出了较高要求。对于船用柴油机制造企业，如何在市场瞬息万变的情况下把握时机，快速响应市场需求，提供优质的产品，对企业的生存发展至关重要。数字化制造技术是现代制造技术的重要组成部分之一，对于提升企业制造水平，提高企业市场竞争力起着不可忽视的作用。因此，企业相继引入了CAD/CAPP/CAM技术，但取得的实际效果却有限。主要原因有以下三点：1）直接引入的CAD/CAM系统不具有专用性。为了最大化地满足不同企业的设计及制造过程中的需求，通用型的CAD/CAM系统提供了较多的操作方式供客户选择。这一方面对客户提出了较高的技能，要能熟练掌握对CAD/CAM系统的使用；另一方面，由于每个企业生产的产品具有自己的特点，通常只需用到其中极少部分的操作方式，并且使用过程中有许多相似性设置，所以这些操作方式可以进一步的简化。此外，通用型的CAD/CAM系统未能考虑到企业在设计和制造过程中一些的细节问题，缺少针对特殊要求的解决措施和方法。2）CAD/CAPP/CAM之间缺少相互协作与相互支持，产生了诸多问题：信息在这三个独立的系统中传递时，必然存在着时间上的延迟，降低了效率；人工传递信息的方式容易产生输入输出上的错误，影响到后续生产；造成海量信息的访问、处理及维护紊乱；信息不能自由传递与交换，一处信息更改，其它与之对应的信息不能自动得到更新；系统之间没有统一的数据格式，相互访问受到限制。3）知识没有得到存储和利用。设计与制造属于知识密集型的工作，经验和知识需要多年的积累，属于稀缺和无形的资源。通用型的CAD/CAPP/CAM系统不能将工程师使用系统时所运用的知识进行捕捉、存储和利用，降低了系统的智能性。 由于自动数控编程是以CAD系统提供的模型为对象，以CAPP系统提供的工艺信息为指导，在CAM系统中完成编程操作的生成，是对CAD/CAPP/CAM技术的综合应用。因此，上述几种因素就对数控编程产生了直接的影响，造成多数企业引入的CAM系统处于闲置状态。如何激活数字化制造技术的实用价值，成为企业关注的重点。通过对当前各种理论和技术的分析研究，可以将成组技术(Group Technology,简称GT)与基于知识的工程技术(Knowledge Based Engineering，简称KBE)作为解决数控编程领域内问题的有效途径。利用成组技术的思想可以对数控编程领域内的相似性问题进行处理，利用基于知识的工程技术可以实现对工程师知识的获取和应用。此外，为了满足客户的开发需求，CAX开放的二次开发技术也为对实现数控编程的改造提供了技术支持。1.2 课题研究现状1.2.1 成组技术研究现状 成组技术的思想可以追溯至二十世纪的2030年代，并在50年代中期由苏联专家米特洛万诺夫对成组工艺方面的实践经验与研究工作进行总结之后，比较全面地提出了成组技术科学理论，形成了一门专门学科。成组技术最初是将企业中具有相似性的零件分类编组，并以“组”为单位对零件组织生产，可显著提高劳动生产率、降低生产成本，是组织多品种、中小批量生产的一种科学方法。基于成组技术在实践中取得的成果，它在欧美、中国、日本等国家得到推广和应用，并逐渐延伸到其它的领域，发挥越来越重要的作用。1.2.1.1 成组技术国外研究现状成组技术在国外先进国家处于稳步发展的形式，具体表现为两个方面1：1) 不断扩大应用成组技术在工业界受到越来越多的企业的重视，GE公司、Boeing公司、Lockheed公司等企业都先后实施了成组技术。一些政府机构也非常重视成组技术在工业生产水平中的作用，纷纷投资和鼓励中小企业应用成组技术。例如，美国宾夕法尼亚州政府建立了以富兰克林命名的“本富兰克林关于在National Forge公司应用成组技术提高生产能力的研究项目”。该研究项目是由宾州州立大学工业与管理系统工程系与公司共同合作，研究经费则由州政府和公司各负担一半，逐年拨付学校。成组技术不断扩大应用也具有时代鲜明的特点，不再仅仅局限于在编码、分组基础上组织生产单元，而是与计算机技术结合，如与CAPP结合、与FMS(Flexible Manufacture System，柔性制造系统)结合、与MRP(Material Requirement Planning，物料需求计划)结合。2) 继续深入研究国外许多高校（如南佛罗里达大学、杨伯翰大学等）与学术组织（如工业工程师学会、机械工程师学会等）都在为发展成组技术做研究。研究了极大极小法、聚类方法、横竖交叉法、团划分等方法在成组技术中的应用2。1.2.1.2 成组技术国内研究现状成组技术在国内的应用主要集中在产品设计、工艺规程设计以及企业生产管理等方面，并取得了一些成绩3。例如，制定了JLBM-1系统等机械零件分类编码系统、开发了诸如TOJICAP的多种CAPP系统等等，取得了较大的经济效益。总的来说，成组技术在国内进展还很缓慢，较多的集中在CAD、CAPP方面，而在CAM等方面的研究还较少。随着我国制造业的发展，为适应中小企业的生产技术和企业组织管理的改革，成组技术再次受到重视。2008年在兰州召开的中国机械工程学会年会暨甘肃省学术年会中，特举办了“模块化设计及产品平台技术研讨会”专题会议，对成组技术的应用与发展进行了研讨。因此，仍需继续深入研究成组技术的实用价值，扩大其应用领域，为中国制造企业的发展做出贡献。1.2.2 知识工程技术研究现状知识工程技术的概念最早产生于20世纪70年代的中期4。1977年美国斯坦福大学的E.A.费根鲍姆教授在第五届国际人工智能大会(IJCAI-77)上，以“人工智能的艺术：知识工程的课题及实例研究”为题系统地阐述了专家系统的思想，并初步提出了“知识工程(Knowledge Engineering,KE)”的概念。E.A.费根鲍姆教授认为知识工程就是通过应用人工智能(Artificial Intelligence,AI)的基本原理和方法，可以为那些需要通过专家知识才能解决的应用难题提供求解的手段，而恰当地运用知识的获取、表示以及推理过程的构成和解释，则是设计领域基于知识系统的一个重要的技术问题。知识工程的提出不但确定了知识在人工智能中的重要地位，而且使得人工智能技术从学科研究走向实际应用，并且开创了知识工程研究的新时期。1.2.2.1 知识工程技术国外研究现状英国的Warwick制造组中的Chapman博士指出：到2010年，KBE技术对于企业的重要性，将如同CAD/CAE/CAM技术在20世纪90年代给工业界带来的变革同样重要5。因此，日本、美国和欧洲各国政府都对KBE技术的开发与应用方面给予了有力的支持，同时也将其列为了国家未来发展战略的重要核心技术。美国的福特汽车公司在其21世纪发展战略中就将KBE技术列为保持在全球汽车行业领先地位的关键技术之一，并成立了KBE部门，同时为此开发了多个基于知识的设计咨询系统。美国DEC公司、克莱斯勒公司、英国空中客车公司等也纷纷采用了KBE技术对产品进行设计与分析，从而极大地提高了工作效率。国外一些著名的CAD/CAM系统开发商，如DASSAULT(CATIA)、UGS(Unigraphics)等，也均开展了基于知识的工程系统的开发，使得工程师能够在设计过程中能得到基于产品领域知识的帮助，显著提高了产品的设计和创新能力。此外，国外诸多高等院校（如美国的Washiongton大学、英国的Coventry大学等）也都在对知识工程技术进行应用研究。1.2.2.2 知识工程技术国内研究现状在国内，对KBE技术的研究正受到重视，并被列为机械十五重点学科之一。但目前该方面的研究尚处于起步阶段，相关研究工作主要集中于一些大学和研究机构，如上海交通大学、浙江大学、南京航空航天大学、华中科技大学、重庆大学、中国科学院自动化研究所等6。主要研究内容有如下几方面：(1)CAD/CAPP/CAM；(2) 知识驱动；(3) 知识库；(4) 快速设计；(5) 建模技术；(6)推理机制；(7)知识融合；(8)协同设计；(9)知识集成。但作为一个复杂的系统，KBE还有很多理论和应用问题有待作深入研究。目前，知识工程较多应用于设计领域，在其他领域的研究还较少。可以将知识工程技术与具体领域相结合，不断探索其在新领域的的应用。例如，知识工程作为一种新型的智能设计方法，利用KBE技术可以在数控编程过程中提供相关的知识，有利于实现数控编程的参数化、自动化和智能化。目前KBE在数控领域的应用研究还不是很成熟，仍需继续深入研究。1.2.3 数控编程技术研究现状数控编程是将数控加工中的编程方法作为研究对象的一门加工技术，以机械加工中的工艺及编程理论为基础，针对不同数控机床的特点，综合运用相关知识来解决数控加工中的工艺问题与编程问题，主要包括加工区域的划分与规划，刀轨形式选择和走刀方式的控制，刀具与机械参数的设置以及加工工艺参数的设置。数控编程对于提高加工质量和加工精度、缩短产品制造周期、实现加工自动化方面有着重要影响7。1.2.3.1 数控编程技术国外研究现状国外对数控编程技术的研究应用起步较早，研发出的数控自动编程系统也较为先进，功能比较强大，主要可分为两大类8：1） 通过与CAD软件一体化集成的软件：如美国UG公司的Unigraphics 、PTC公司的Pro/Engieer、CNC software公司的Mastercam等。此类CAD/CAM集成软件，通常具有较强的产品设计与制造功能，能够覆盖整个机械设计的全过程，但是对技术人员的要求也较高。2） 独立型的CAM软件：这类软件通常只有CAM功能而不具备产品设计和绘图功能，需要依靠数据转换接口来读入产品数据，比如DelCAM的PowerMill等。此类软件灵活性好，并可与不同的CAD系统相结合，但也同样存在着与CAD系统的集成问题。目前主要是通过标准的产品数据交换文件来实现。为了缩短产品设计和制造周期，降低生产成本，满足客户需求，数控编程正向标准化、高度智能化、网络化和集成化等方向发展。因此，国外的科研机构和相关企业还在不断探索和提高数控编程技术。1.2.3.2 数控编程技术国内研究现状虽然国内对数控编程技术的开发应用较晚，但也研发出了许多的数控编程软件，主要可分为以下两种情况9：1) 独立自主研发的数控CAD/CAM集成化软件，如浙江大天电子信息工程有限公司研发的GS-CAD98系统、高华GEMS系统、美思MicroSolid系统、大天CAD/CAM系统以及北航研发的CAXA系列软件等。2) 在国外已有且应用广泛的数控编程软件（例如UG、MasterCAM等）的基础上进行相应的二次开发，从而生成符合企业需求的数控编程软件。由于每个企业的产品制造各具特点，如何使数控技术更加贴近企业的实际需求，应当成为今后研究的考虑因素之一。目前，可以通过二次开发的方式对现有数控编程软件进行改进，能够比较迅速的满足企业的生产需要。1.3 课题主要研究内容本文在对生产环节的关联性和船用柴油机复杂零件数控编程的实际要求进行综合分析研究后，提出了将成组技术和知识工程技术应用到数控编程中。在对智能编程系统的数控编程体系结构、功能特点、支撑技术、数控刀具轨迹规划等方面进行研究的基础上，开发了基于UG平台的船用柴油机复杂零件的智能数控编程系统。船用柴油机复杂零件的智能数控编程系统就是以船用柴油机的几个典型复杂零件为对象，根据工艺信息完成知识模板的定制以及刀具轨迹的开发，从而保证在遇到相似工艺和相同加工特征时能够从实例库中检索出数控加工知识模板和对应的特征刀轨，使得程序员可以准确、便捷地生成数控操作。在智能数控编程系统中构建的企业资源库，既可以为生产部门提供相关的资源信息，并能方便地实现资源信息的管理与应用，也可以促进企业内专家知识经验的传承与拓展，并可指导员工技能培训。在智能数控编程系统的研究开发过程中，主要进行了五方面内容的研究，现阐述如下：1) 提出了成组技术的级联应用，并针对CAD/CAPP/CAM中存在的相似性和继承性，研究了成组技术在挖掘和处理数控编程中相似性信息的级联应用。2) 研究了KBE在数控编程领域中的应用。分析了数控编程领域知识表示原则，并采用了产生式规则表示法和实例表示法对数控知识进行表示；分别研究了数控编程知识的非自动获取方式和自动获取方式；给出了基于规则和实例的数控知识推理流程。3) 研究了基于船用柴油机复杂零件加工特征的刀具轨迹规划。对船用柴油机复杂零件的加工特征进行了分类，总结了常用的刀轨形式；研究了加工特征的识别技术、加工特征的信息处理、刀轨的规划、加工特征与刀轨的映射。4) 船用柴油机复杂零件的智能数控编程系统的设计研究。根据企业的实际需求，设计了船用柴油机复杂零件的智能数控编程系统的体系结构与功能模块，并分析了智能编程系统的功能特点。5) 基于GT与KBE的智能数控编程系统开发。根据各个子功能的特性及要求并按照模块化设计的概念规划了整个系统，在UG平台上，利用Visual C+6.0、SQL Server2000数据库技术、UG/Open开发工具，开发出了基于GT与KBE的智能数控编程原型系统，并通过船用柴油机复杂零件的数控编程实例验证了系统的实用性。1.4 课题研究的理论意义和实用价值1.4.1 课题研究的理论意义现代化的生产制造需要应用到数字化技术、网络化技术及智能化技术等先进技术。而先进技术的应用离不开先进理论的指导，同时生产实践中存在的问题又对生产理论提出新的要求。尽管目前成组技术已经在产品设计、制造和生产管理等环节上得到了广泛应用并取得显著的效益，但是大多成组技术仅局限于某一环节的应用之上，没有从整个生产系统全局出发，忽略了各环节之间的联系，大大降低了成组技术的应用效果。于是研究成组技术的级联应用就显得十分必要，对于拓展成组技术的理论内涵和应用范围也是一次可行的尝试。知识工程技术作为智能研究领域的先进技术，将知识工程技术引入数字化制造后可以促进加工过程信息化、智能化。目前知识工程技术在设计领域已经得到了一定的研究和应用，在制造领域的应用还处于起步阶段，因而知识工程技术在数控编程中的理论研究有待进一步深入。综上所述，为了能够更好的服务生产，有必要对成组技术及知识工程技术在数控编程领域的应用进行研究。1.4.2 课题研究的实用价值数控编程技术是数控加工技术实际应用的中关键环节之一，也是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，它在提高产品加工质量与加工精度、缩短产品的研制周期、实现产品设计与制造自动化等诸多方面都发挥着重要作用10-11。然而目前先进的数字化制造技术还未能在中国企业广泛应用。一方面，由于先进的高级软件操作复杂，需通过多年的实践才能熟练掌握软件的使用；另一方面，即使软件再先进，也只是一种辅助工具，人在生产过程中仍处于主导地位，人的经验与知识是任何软件无法替代的。目前企业内的老技术人员大多拥有数十年的基层工作实践，但是由于年龄、学历等多方面的原因，他们对新事物的接受相对缓慢，并且对先进的制造技术缺乏了解；而企业招收的具有高层次学历的人才，虽然接受过系统优质的教育，掌握了大量理论知识与先进技术发展动态，但是他们却缺乏满足生产的工作经验。由此可见产品的数字化制造是一个相当复杂的系统工程，它不仅要求工程技术人员掌握一定的理论知识、金属切削加工知识、工艺知识和数控编程知识，而且还要具有丰富的工艺装备（夹具、量具、刀具）、工艺参数的选择经验和实际操作数控机床的经验12。为解决传统CAM系统对编程人员技能要求高、系统编程操作过程复杂等问题，迫切需要能够面向整体模型的、智能化程度高的、具有高速加工切削知识库的、新一代的CAM系统13-14。为此，通过实施知识工程技术，将企业有关技师、工艺员及编程员的经验注入CAM系统，构建有企业自身特点的CAM知识模板库。同时结合成组技术对CAPP工艺库以及CAM模板库进行分类整理，编辑成智能加工向导，可提高数控编程效率、积聚企业经验知识财富，提升企业的竞争力。因此，本课题对推动数字化制造技术进步具有重要的现实意义，而且应用前景比较广阔。1.5 本章小结 本章论述了课题的研究背景，分析了课题国内外的研究现状，提出了将成组技术和知识工程技术应用到数控编程领域中；在详细阐述课题主要研究内容的基础上，分析了基于GT与KBE的智能数控编程系统研究与开发的理论意义和实用价值。第2章 基于GT与KBE的智能编程系统体系研究第2章 基于GT与KBE的智能编程系统体系研究本章在充分调研、分析船用柴油机制造企业的数控编程现状和数控编程需求的基础上，给出了基于GT与KBE技术的智能数控编程系统框架。基于GT与KBE的智能数控编程系统，即将成组技术与知识工程技术应用到计算机辅助编程系统中，通过建立的数控编程知识库和知识推理，实现对数控编程领域内知识与经验的归纳、表示、获取、推理和拓展，促进船用柴油机复杂零件的数控编程技术向智能化发展，提高企业的编程效率，保证编程质量。2.1 智能数控编程系统开发流程基于GT与KBE的智能数控编程系统是以GT与KBE为指导，以船用柴油机的典型复杂零件作为研究对象，基于UG平台的智能化数控编程系统。依据软件工程的思想，本系统的开发过程主要分为：客户需求分析、可行性研究、系统解决方案、详细设计等几个阶段，开发流程见图2.1。图2.1 系统开发流程图Fig.2.1 System Development Flow Chart首先，在设计所有子系统和开发各功能模块之前，通过与客户的交流，了解客户需求，明确系统的目标，并从技术、投资、收益等角度对系统开发的可行性进行研究；在肯定系统开发的可行性后，初步提出系统的解决方案供用户参考，同时根据用户意见及时修改系统方案直至客户确认方案能满足其需求；深入企业内部进行详细调研，搜集和整理相关资料，如船用柴油机典型复杂零件的三维模型、数控工艺信息、企业现行NC程序编制规范、NC代码实例、机床与数控系统资料等；分析相关资料，进行系统总体规划，提交详细设计说明书供用户确认；构建数据库，实施系统开发，并提交用户试运行，根据用户意见进一步修改完善系统；最后，将系统交付使用并完成用户培训，指导用户掌握系统的日常维护。2.2 系统需求分析某柴油机企业是目前国内规模最大、技术开发能力最强的船用大功率中、低速柴油机生产基地，连续多年被评为上海市高新技术企业。该公司已引进了天河CAPP系统、UG NX5.0数字化产品开发系统以及VERICUT数控加工仿真系统等多种数字化软件。尽管目前已经有许多的商品化数字软件在公司中得到了应用，但公司对当前的数字化软件的应用效果并不非常满意。这主要是由于这些数字化软件的通用性较强，但针对性较弱。为提高企业核心竞争力，公司规划构建船用柴油机数字化制造平台，实现设计数字化、制造网络化和管理信息化。通过对该企业的调研，总结出其对CAPP/CAM系统的要求主要有：1) CAPP与CAM之间的无缝集成：当前企业的CAPP与CAM系统相对独立，未能实现资源信息共享。企业期望能建立CAPP与CAM的互动和反馈机制，不但要求CAPP可以为CAM提供完整的工艺信息，而且要求CAM能快捷方便的将编程信息反馈到CAPP，实现CAPP/CAM信息的同步更新。因此，企业计划对CAPP/CAM系统进行升级处理。2) UG CAM系统的定制与开发：船用柴油机体积庞大、加工工艺复杂、刀具运动轨迹限制条件多、加工质量要求高。企业现有的通用型UG CAM操作繁琐、功能简单，不足以满足船用柴油机复杂零件的数控编程要求，亟待一个自动化程度高、智能性好的数控编程系统。3) 刀具轨迹的后处理：企业目前拥有捷克加工中心、英国加工中心、TK6513镗床、494NC大车等多种机床加工设备，包含了siemens-840C、siemens-880M、siemens-840D、FANUC-18M、FANUC-0、FANUC-15i等多种数控系统。为使CAM系统所生成的数控程序不经手工修改，直接应用于数控机床加工，则必须对每一台数控机床定制专用的后置处理器。2.3 系统研究总体目标由于企业面临CAPP系统的改造升级，开发的智能编程系统必须能满足改造升级后的CAPP系统，因此在智能数控编程系统中是通过设计的企业资源库来模拟改造后的CAPP工艺信息库，同时保证满足CAM系统对工艺信息的需要。综上所述，为了使智能数控编程系统能够满足企业的需求与应用，应达到如下目标：1) 开发基于UG的数控编程平台：按照企业现行刀具轨迹编制要求，通过UG/CAM系统定制和二次开发，使UG/CAM系统能满足企业的实际使用需要。其定制和开发主要目标为： 实现自定义刀轨该功能的开发主要着眼于机座、机架的联接面加工（兼顾其它需平面内退刀的大平面加工），并立足于解决平面内退刀和空腔快走刀问题。 实现空间位置受限（多检查几何的）的平面、孔加工船用柴油机零件的数控加工，涉及诸多空间受限条件下的平面、孔加工问题。这部分的开发、定制，主要解决两个问题：a) 单一加工对象，在附件、刀具运行空间受限条件下的刀具轨迹定制；b) 同一加工特征，由于空间位置的不同，附件、刀具运行空间的受限条件也存在差异，因此需解决一个加工特征在多种受限条件下的刀具轨迹规划问题。 实现基于特征的加工几何选取船用柴油机零件存在诸多阵列、对称的加工特征，为减轻CNC工程师一一选取加工几何的工作量，特开发此功能，以实现相同加工特征一次操作，多对象同时选择的目的。2) 通过建立模板库，避免重复劳动并实现已有加工知识的管理和高效继承。模板定制的目标为：按企业现行零件数控编程要求，将加工几何、对应附件、刀具、切削参数等信息固化于模板零件中，CNC工程师通过调用模板零件，可快速生成需要的数控程序，避免重复性的参数设置。具体研究内容为： 以企业产品为对象，分析、汇总各类零件、各加工特征的走刀方式、机床操作（如附件的安装、旋转、卸载以及其它宏程序调用等）、切削参数等信息； 按机型、零件、加工特征分类，将上述汇总内容定制入模板库。3) 促进企业的数控编程方式由手工向计算机辅助编程转变，并使数控编程的效率提高30%以上。4) 系统操作方便，易学易用。系统操作舒适性好，符合CNC工程师的数控程序编