（机械电子工程专业论文）基于相似原理的工艺设计系统若干关键技术.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 缩台智能集成化计算机辅助工艺设计系统i c a p p 的开发，研究和探讨了相似工艺设 计在c a p p 系统中的实现方法。 首先，介绍了课题的研究背景、来源和目的，分析了企业工艺设计的现状及对 c ”p 系统提出的要求，并综述了c a p p 研究概况。 然后，建立了基于相似工艺设计思想的c a p p 系统的框架体系。阐述了基于p d m 进行工艺设计开发的重要性，并对p d m 相关技术进行了研究。分析了i c a p p 系统 开发中采用的一些先进的计算机技术。设计并分析了系统的总体体系结构及网络结 构 接着，阐述将相似学理论应用于工艺设计的相似工艺设计方法。利用该方法对 工艺设计信息进行了分析和建模，建立了基于模板的工艺信息模型，并利用数据字 典技术记录工艺信息表之间的关联关系。讨论了相似工艺设计方法在产品工艺设计 中的具体应用。 研究了基于相似工艺设计的i c a p p 系统的实现技术。包括按照相似性对工艺信 息进行组织与管理，相似工艺信息的获取，以及工艺设计中相似变异的实现技术等。 分析了i c a p p 系统与c a d 停d m 系统的集成关系。 最后，给出i c a p p 系统的部分运行实例。总结全文，并对今后c a p p 系统的研 究方向进行了展望。 关键词：c a p p ，相似性，娟似工艺设计，集成彳已 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa l l m p o r t a n tc e l l t e c h n o l o g yo fc i m s ，c a p pi s ab r i d g et ol i n k e n g i n e e r i n g d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n t i ti sv e r yd i f f i c u l tt oc r e a l e au n i v e r s a lc a p p s y s t e mb e c a u s eo fg r e a td i f f e r e n c e so fp r o c e s sp l a n n i n ga m o n ge n t e r p r i s e s s i m i l a r i t y d e s i g n ，w b 2 c hu t i l i z e sf u l l yt h ep r e s e n tp r o c e s sd e s i g nk n o w l e d g e ，s e e m st h eb e s tc h o i c e f o rc a p ei n t e g r a t e d 、i t l ld e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ta n di n t e g r a t e dc a p p s y s t e m t h e a p p l i c a t i o no fs i m i l a r i t y d e s i g ni nc h p ps y s t e m i ss t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n da n do b j e c t i v eo ft h er e s e a r c ha r ei n t r o d u c e d ，t h ec u l t e n t s i t u a t i o no f p r o c e s sp l a n n i n ga n dt h ee x p e c t a t i o nf o rf u t u r ec a p ps y s t e ma r ea n a l y z e d ， a n dt h es t a t eo f t h ea r to f c a p pi sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h ea r c h i t e c t u r eo fc a p ps y s t e mb a s e d0 ns i m i l a r i t yd e s i g nt h e o r yi s e s t a b l i s h e d t h ei m p o r t a n c eo fp r o c e s sp l a n n i n gb a s e do np d mi ss t a t e d t h er e l e v a n t t e c h n o l o g i e so fp d m a r er e s e a r c h e d s o m ea d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e su s e di nt h e i c a p p s y s t e ma l er e p r e s e n t e d t h eo v e r a l lf l a m ea n dn e t w o r kf r a m e w o r ko fi c a p p a r e d e s i g n e da n da n a l y z e d t h i r d l y , s i m i l a r i t yp r o c e s sd e s i g nm e t h o dt h a tu s e ss i m i l a r i t yt h e o r yi np r o c e s s d e s i g ni ss t a t e d b ya n a l y z i n g a n d m o d e l i n gp r o c e s sd e s i g n i n f o r m a t i o n u s i n g t h i sm e t h o d ， t h ep r o c e s si n f o r m a t i o nm o d e lb a s e do n t e m p l a t ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h er e l a t i o no f v a r i o u s p r o c e s si n f o r m a t i o nt a b l e s i sr e c o r d e du s i n gd a t ad i c t i o n a r yt e c h n o l o g y t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fs i m i l a r i t yp r o c e s sd e s i g nm e t h o d i np r o d u c t p r o c e s sd e s i g ni sd i s c u s s e d t h er e a l i z i n gt e c h n o l o g i e so fi c a p p s y s t e mb a s e do ns i m i l a r i t yp r o c e s sd e s i g na r e r e s e a r c h e d ，s u c ha so r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fp r o c e s si n f o r m a t i o na c c o r d i n g t ot h e s i m i l a r i t i e s ，a c q u i s i t i o n o f p r o c e s si n f o r m a t i o n ，t h er e a l i z i n gt e c h n o l o g i e s o f a p p r o x i m a t i o na n dv a r i a n c ei np r o c e s sd e s i g n ，a n ds oo n t h ei n t e g r a t e dr e l a t i o n so f i c a p p s y s t e ma n d c a d c a m s y s t e ma r ea n a l y z e d f i n a l l y , s o m ec a s es t u d yo fi c a p ps y s t e mi sp r e s e n t e d c o n c l u s i o ni s d r a w na n d r e s e a r c ht r e n do fc a p pj sf o r e c a s t e d j i 华中科技大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：c a p p ，s i m i l a r i t y ，s i m i l a r i t yp r o c e s sd e s i g n ，i n t e g r a t i o n i 华中科技大学硕士学位论文 i 1 课题目的与来源 1绪论 制造业是国民经济的基础产业，其发达程度体现了一个国家的科学技术和社会 生产力发展水平。从1 8 世纪英国爆发工业革命开始，制造业走出手工作坊阶段，迅 速发展壮大，逐渐成为世界各国国民经济中的主导产业。特别是本世纪5 0 年代，大 批大量生产模式的确立使制造业达到了一个前所未有的巅峰时期。但是近十几年来， 随着世界经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，市场环境发生了巨大的变化， 消费者需求日趋主体化、个体化和多样化，制造厂商面对一个变化迅速且无法预测 的买方市场，传统的大批大量的生产模式不再适应新的市场形势的需要。在这种情 况下，对市场需求的快速反应能力就开始成为企业能否在激烈的市场竞争中占得一 席之地的重要标志【l “。 另一方面，8 0 年代以来，全球信息技术飞速发展，尤其是i n t e m e t 的出现和普及， 使得信息技术得以迅速渗透到社会经济的各个领域，信息化早已成为不以人的意志 为转移的世界潮流，国民经济信息化和全球经济一体化已经成为当今时代的特征【5 】。 2 0 0 1 年，中国不但获得了2 0 0 8 年奥运会的主办权，还于年底加入了w t o 。奥运会 和w t o 为中国企业带来巨大的商机，但同时也加剧了市场竞争，国内企业将直面全 球企业的剧烈竞争，而制造业面临着新世纪的挑战和机遇【6 1 。 计算机、电信等信息产业的兴起，使可以利用现代化信息技术和现代化的管理 技术改造传统制造业，组织生产，提高产品质量、提高劳动生产率、减低成本、缩 短生产周期以及改善劳动条件等：最终是可以提高企业的市场竞争力。因此，人们 提出了许多全新的现代制造理念、方法和系统，如计算机集成制造系统( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ：c i m s ) 、智能制造系统( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ：i m s ) 、并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ：c e ) 、虚拟制造系统( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ：v m s ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ：a e ) 、d f x ( 面向制 造的设计、面向成本的设计、面向质量的设计等的总称) 等等”。在这些制造方 法和系统中，c a p p ( 计算机辅助工艺设计) 是一个将产品数据转换成面向制造的指 一 华中科技大学硕士学位论文 竺! = 篁! = 詈= = = = = ! = = = = ! 竺= ! = 竺= ! ! ! 皇苎! ! = 竺! ! 竺! = ! = = ! ! 竺= = ! ! ! = ! = = ! = ! ! ! ! 竺! 暑 令性数据的重要环节，起到了一个承上( 产品设计) 启下( 加工制造与管理) 、连接 c a d 与c a m 及m i s 的桥梁的作用，是实现c a d 与c a m 一体化的技术关键。c a p p 把对产品本身进行定义的数据转换成面向制造的指令性数据，c a d 生成的信息只有 经过c a p p 系统的处理才能变成c a m 所需要的加工信息，计算机辅助生产管理、计 划调度也必须依靠c a p p 系统的辅助数据 1 2 - 1 4 1 。 尽管国内外在各种决策方式、各种机加工艺c a p p 、以及智能化、集成化方面取 。 得许多成绩，但应用基础还不很牢固，研究开发方向也和当前的实际需求有较大差一，t 距。， 本课题的目的是从实用化的角度出发，充分利用j a v a 、c o r b a 、x m l 、数据库、 c 网络等各种先进的计算机技术，基于以相似性原理的相似工艺设计方法，以p d m 系 统为集成平台，开发出具有良好的人机交互界面，信息集成的较为通用的c a p p 系 、 统，促进工艺设计的规范化和标准化。 本课题来源之一为国家8 6 3 c i m s 重点应用示范工程一广东科龙c i m s 项目的 c a p p 子项目中的软件开发，这一对应软件版本称为i c a p p l 0 ，它无缝集成于美国 u g s 公司的p d m 产品n d a n 5 o 上，具有u n i x 的m o t i f 风格，以c 、c + + 为主要开： 发工具：来源之二为浙江省宁波市海天注塑机械厂产品数据管理及制造资源计划系 统的c a p p 项目的研究与开发，这一软件版本为i c a p p 2 5 版本，它基于i m a n 的最 新版本i m a n 7 0 3 ，采用先进的j a v a + c o r b a 技术，独立于i m a n 并通过接口和它 通讯，强调系统的模块化和层次性，功能更加完善和强大。 1 2 一般企业工艺设计现状分析 1 2 1 现有企业工艺设计流程及可能问题 工艺设计工作是企业基础工作，贯穿与生产的全过程，是保证产品质量、发展 生产、降低消耗、提高生产效率和增强企业应变能力的重要手段。一般企业都会制 定一整套从产品开发调研、产品工艺性审查和工艺方案设计开始，到工艺路线分配、 工艺规程设计、材料定额设计，一直到工艺总结和现场工艺服务在内的工艺设计流 程。但是，由于缺乏某些技术工具或是信息孤岛的存在，工作流程并没有完全被贯 彻执行【1 5 】。主要包括： 2 华中科技大学硕士学位论文 1 有些工作没有形成书面的工艺文件。例如，由于产品结构工艺性审查工作缺 乏审查工具，往往只是由工艺人员参与产品设计工作的讨论，以口头形式提出工艺 结构性方面的意见，缺乏相应的工艺设计记录： 2 信息传递纸质化，导致制造部门无法及时向工艺设计部门反馈信息进行工艺 更改，降低了工作效率，严重情况下，需要设置专职的现场工艺人员，造成人力资 源浪费； 3 有些工艺设计过程不够正规。 图1 1 某机械制造公司生产工艺流程 1 2 2 企业现有工艺设计方式及工艺文件管理方式 企业现有的工艺设计主要是用电子图文编辑工具( 如w o r d 与a u t o c a d 等) 和手工相结合的方式进行，个别企业工艺人员使用了独立于工艺部门的工艺设计辅 助设计软件，与传统纯手工工艺设计的区别仅在于用电子屏幕和键盘代替纸和笔， 并没有提高多少效率，离c a p p 和c i m s 的要求相差甚远。个别工作有相应的软件 进行支持，但是没有建立联系这些系统的平台，各个子系统基本是信息孤岛，无论 是信息来源还是设计结果，都不能与其它相应的系统进行信息沟通 1 6 1 1 7 】。 华中科技大学硕士学位论文 一般企业现有的产品数据与工艺文件的管理与发放以纸介质的方式手工进行为 主。产品设计( 用a u t o c a d 、u g 等) 结果以图形文件格式存储在设计者各自的计 算机上或部f - n 务器上，没有统一的产品数据管理机制：产品设计结果用纸介质输 出，以纸介质的形式交档案室存档，对图纸的管理全部以手工方式进行；工艺设计 部门从设计部门或档案室接受产品图纸，对产品进行工艺性审查并重新录入产品信 息，进行工艺设计，生成各种工艺文件，以纸介质存档，同时下发给各有关部i - t 。 1 2 3 企业现有工艺设计存在的问题及原因 综上所述，一般企业现有工艺设计和工艺文件管理方式存在以下问题【1 6 1 1 8 - 1 9 】： i 存在大量的信息重复录入，工作量繁重、效率低、一致性差 工艺设计者在生成各种工艺文件时要反复抄写产品的有关信息( 如产品名称、 图号、材料等管理信息) ，绘制工艺指导图( 或工序图) ，由于c a d 系统产生的产 品信息( 包括文字和图形两个方面的信息) 不能或很难被工艺设计者利用，由此造 成大量的信息重复录入；并导致工艺设计工作量加重、效率低、周期长、信息一致 性差。 2 不便于工艺文件的统一管理 用纸介质和手工管理众多的工艺技术文件显然十分烦琐，不便于文件保存、更 新和维护，查找起来十分不易，不便于工艺设计者充分利用已有工艺文件进行新产 品或该型产品的变异式( 或变形) 工艺设计设计。 3 不便于对工艺文件进行版本管理和工程变更管理 在一个产品的生命周期中，往往要经过多次更改，生成产品数据和工艺文件的 多个版本，而且更改结果要被企业各相关部门所知晓，用纸介质和手工进行文档管 理显然不便于版本的管理和工程变更管理，由此也会带来产品信息的不一致性。 4 不便于维护工艺文件的安全性 对工艺文件的操作( 如读、写、改、打印等) 必须有一定的权限控制，以维护 数据的安全性，这一点也是手工方式难以做到的。 5 不易进行数据统计和生成报表 工艺设计工作中存在大量统计和报表工作，如物料单汇总，工时统计，材料定 额统计工作量统计，提交各种清单，这些工作用手工抄写进行不但十分烦琐，而 。i可|f。， _ 华中科技大学硕士学位论文 且容易出错。 6 不能对工艺设计流程进行管理和实现多用户并行协同工作 工艺设计本身是由各种不同性质的任务( 如工艺过程设计，各种类型的作业指 导书设计，关键工序质量控制卡设计，工装设计，工艺文件的提交、审校、会签、 以及管理和维护) 组成，一般任务又包括“文件创建一校核_ 标准化检查专会签j 审批”等子任务。这些任务可能由分布在不同工作组的人员共同协作完成，存在一 个任务协调和设计过程管理的问题。传统的手工工艺设计方式远不能胜任这一要求。 7 工艺文件格式规范化不够 没有建立合理的工艺文件编号规则，甚至没有统一的工艺文件编号； 许多工艺文件没有统一的、标准的格式； 某些内容表达不清。例如，有些工艺文件把零部件图号和名称写在一起，有些 把工装编号和名称写在一起。这些都不便于计算机表达。 相互关联的工艺文件中某些信息在手工填写时存在不一致现象。 8 缺乏对工艺设计资源进行统一管理 工艺设计资源，如常用工艺名称库，常用工艺路线库，设备、车间、班组、材 料、辅料、工装库，工艺文件编码规则库等，是进行工艺设计的重要支撑数据，只 有建立了统一和规范的工艺资源库并进行有效的管理才能提高工艺设计效率和工艺 设计的规范化水平。 9 缺乏对工序简图的管理 工序简图是工艺设计中工作量比较大的工作。海天尚未建立直接从设计部门获 取产品设计图纸的技术路线，更缺乏对已经完成的工序简图的管理和查询功能。 l o 对工艺设计人员要求高 工艺设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和工作经验，难以保证工艺数据 的准确性，工艺质量无法保证。工艺方法因人而异，难以实现工艺设计的继承性、 规范性、标准化和最优化，不能有效地降低生产成本。要求工艺师具有丰富的生产 经验，熟悉企业内部各种加工方法及相应设备使用情况，熟悉企业内部各种生产加 工规范和规章制度。工艺师培养成本高，缺乏有经验的工艺师。 1 1 不能在各部门间共享工艺资源 工艺信息不能与其他部门共享，不能将工艺专家的经验和知识集中起来加以充 分地利用，不能充分利用企业制造资源、工艺资源。 华中科技大学硕士学位论文 造成以上问题的主要原因在于【1 6 1 9 - 1 9 ： 1 缺乏连接产品设计与工艺设计之间的桥梁，导致二者之间的信息不畅 假如使用p d m 平台，企业的所有设计数据将全部实现电子化和统一管理。开发 与之紧密集成的c a p p 系统，不仅可以大大提高工作效率，更为重要的是减少差错， 提高设计水平。 2 企业已有的工具软件缺乏统一的产品数据库和产品数据管理系统的支持 有些企业虽然已经有一些辅助工具，但是由于缺乏统一的产品数据库管理系统 的支持，这些工具软件都无法相互传递信息，大大减少了这些软件的实用性。 3 工艺设计标准化不够 某些工艺文件需要进一步规范化，避免模糊表达：需要规范工艺设计流程，如 工艺文件的创建与审批流程，工艺文件更改流程等。 综上所述，企业现有的工具软件是信息孤岛，工艺设计和工艺文件的管理方式 手工进行为主：一方面，从产品设计到工艺设计之间缺乏c a _ p p ，另一方面，各应用 系统之间缺乏统一的产品数据管理系统和数据库的支持，使得系统之间的信息共享 和集成不能进行，各应用系统存在大量的信息重复录入，效率低，一致性差，管理 水平落后。用计算机代替手工劳动进行规范化的工艺设计和工艺文件的管理，实现 各个应用系统之间的信息共享和集成势在必行，开发和应用基于p d m 集成的c a p p 系统是制造企业在竞争中求发展的当然选择。 1 3c a p p 系统的现状及发展趋势 c a p p 的开发、研制是从6 0 年代末开始的，1 9 6 9 年挪威正式推出世界上第一个 c a p p 系统a u t o p r o s ，1 9 7 3 年正式推出商品化的a u t o p r o s 系统。在c a p p 发 展史上具有里程碑意义的是c a mi 于1 9 7 6 年推出的c a m i s a u t o m a t e dp r o c e s s p l a n n i n g 系统，取其字首的第一个字母，称为c a p p 系统【“”j 。计算机辅助工艺设计 的基本原理正是基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的：首先，产品零件 的数据信息应能利用，并建立零件信息的数据库：其次，工艺人员的工艺经验、工 艺知识能够得到充分的利用和共享；第三，制造资源、工艺参数等以适当的形式建 立制造资源和工艺参数库：第四，充分利用标准( 典型) 工艺生成新的工艺文件【1 5 】【2 0 】。 c a p p 的出现彻底改变了工艺设计手工编制方式和对人的依赖，而且显著提高了编制 6 华中科技大学硕士学位论文 工效，缩短了工艺设计周期，避免了不必要的差错，为实现工艺过程优化创造了条 件【2 0 】。 各国对使用计算机进行工艺的辅助设计进行了大量的研究，并取得了一定的成 果。目前，c a p p 可分为五类【2 0 2 3 1 ： 1 交互式c a p p 系统 交互式c a p p 系统采用人机对话的方式基于标准工步、典型工序进行工艺设计。 系统主要由零件工艺设计模块和一系列工艺设计数据库组成，用户在系统指引下， 按照工艺设计流程、基于工艺设计资源库和工艺设计习惯、经验等，交互完成工艺 过程设计、工时计算和成本估算等工作，并由系统进行统一信息存储、分类统计， 以输出供生产用的工艺规程卡片，供计划调度用的产品工艺流程，供生产过程中使 用的设备清单和刀夹量辅具清单等。这种以填写方式为主的人机交互型c a p p 系统， 其工艺规程的设计质量对人的依赖性很大，难以保证工艺信息的准确性和可靠性。 2 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 的原理是通过检索和修改系统中已有的相似零件主样件的标准工 艺并加以筛选或编辑而获得当前零件的工艺规程。在派生式c a p p 的数据库中存储 有各类标准工艺。标准工艺是工艺人员事先拟定的，其工序工步间的逻辑关系已经 确定，而对标准工艺的修改仅仅是一系列的增删操作，不会改变工序或工步原来的 排列顺序。根据零件信息的描述与输入方法不同，派生式c a p p 系统又分为基于成 组技术f o r ) 的派生式与基于特征的派生式c a p p 系统。 3 创成式c a p p 系统 创成式c a p p 系统中不存入任何工艺过程方案，它是将工艺决策知识用决策表、 决策树或公理模型等技术来实现。当输入当前零件的有关信息后，系统可以模仿工 艺人员的手工编制过程，根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程数据信息生成工 艺规程。在创成式系统中，工艺决策的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库， 供主程序调用，不需要派生法中的样板工艺文件。在创成系统中只有决策逻辑与规 则，系统必须读取零件的全面信息，在此基础上按照程序所规定的逻辑规则自动生 成工艺文件，由于其知识库需要包含所有的工艺决策逻辑，加上工艺设计过程的多 样性及复杂性，要实现能够自动排序的完全创成式系统的难度太大，至今也没有开 发出来。现有的创成式系统只能算作半创成型，即系统中包含有一部分决策逻辑， 而其关键部分工序工步的排序则采用标准工艺法来实现，或通过人机交互的方 7 华中科技大学硕士学位论文 式来完成。 4 c a p p 专家系统 人工智能特别是专家系统的广泛应用，创成式系统发展为知识基c a p p 系统。 这些系统与以往系统的显著区别在于，它们有一个将工艺知识与经验以产生式规则 表示的知识库和模拟工艺设计专家进行工艺决策的推理机。在专家系统中，工艺专 家编制工艺的经验和知识存在知识库中，并可以方便地通过专用模块增删和修改， 提高了系统的适应性和通用性。对知识库中工艺生成逻辑可进行查询和修改。而以 自然形式存放的工艺知识通过知识编辑模块，成为一种直接供推理机使用的数据结 构，以加速运行。推理机从文件库中读取零件制造特征信息，经过逻辑推理，生成 工艺文件输出并存入文件库。创成式c a p p 系统是以逻辑算法加决策表为特征的， 而专家系统则以知识库加推理机为特征的。专家系统求解问题的过程是逻辑判断和 决策的过程 21 ( c a p p 技术特征及发展动态参考) ，非常适合工艺过程设计中需要依 靠专家经验和优化策略等解决的问题，因此，开发c a p p 专家系统前景广阔。但实 践证明专家系统还存在着几大突出问题：知识的脆弱性、推理的单调性和知识获取 的“瓶颈”等。c a p p 的专家系统方法仍停留在理论研究和简单应用的阶段。 5 综合式c a p p 系统 综合式系统是将交互式、派生式、创成式与人工智能c a p p 的优点结合在一起， 综合而成的。目前，国内很多c a p p 系统采用这种模式。 在8 0 年代中期，s m e 曾预测，美国的制造业将有9 0 的企业要使用c a p p ，但 直到今天，仍只有不到1 0 的企业使用c a p p ，而且成功率不大。我国对c a p p 的 研究始于8 0 年代初，迄今为止，在国内学术会议、刊物上发表的c a p p 系统已有5 0 多个，但被工厂、企业正式应用的系统只是少数，真正形成商品化的c a p p 系统还 不多。究其原因，主要是目前c a p p 方法和系统的研究存在以下一些的问题9 1 1 1 6 - 2 2 1 ： 1 片面追求c a p p 系统的工具化 一些软件制造商没有从企业信息化建设的角度考虑产品开发，系统未提供与企 业常用软件集成运行的支撑环境，仅是提供一个用计算机代替手工工作的工具，企 业应用前期的c a d 、c a p p 技术的的基础数据不能实现集成化和利用，成为企业信 息化建设的障碍，并使得企业信息化建设成为“空中楼阁”，并没有提高多少效率。 华中科技大学硕士学位论文 2 过分强调工艺决策的自动化，c a p p 系统的通用性差，柔性差 c a p p 要求的工艺决策自动化这个目标具有很大片面性，致使c a p p 系统开发周 期延长，开发费用增加，开发难度大，开发出的系统适应性差，难以推广应用；工 艺人员难以掌握系统的使用，而且在使用中仍需交互输入大量的信息，麻烦而又容 易出错；忽视工艺管理功能的研究与开发，工艺设计与管理不能集成，不仅工作效 率低，而且很难保证工艺信息和文件的准确性、一致性。缺乏从整个产品的角度研 究c a p p 的应用和集成问题，没有认识到工艺基本数据结构及基本设计功能的普遍 性、通用性，由于c a p p 系统涉及问题的复杂性和对应用环境的依赖性，更由于对 决策自动化的目标定得过高，使得c a p p 的研究与开发基本以零件为主体对象，且 主要集中在机械加工工艺设计领域，常常只能针对特定制造对象、特定制造环境( 特 定企业、特定车间甚至特定设备) 进行。开发出的系统功能和应用范围有限，缺乏适 应生产环境变化的灵活性和应用性，难以适应于企业中的大多数零件的应用需要， 更难以满足先进制造系统的发展需求。 为了解决上述问题，国内外不断地在c a p p 开发工具的开发及面向对象( 0 0 ) 技术的应用上进行探索，但仍受限于以自动化为目标和以零件为主体对象，问题并 未得到解决。这种现状不仅难以满足先进制造系统对c a p p 的应用和发展日益增长 的需求，而且造成大量重复劳动和人力、财力、物力的浪费，严重限制了c a p p 应 用的广度和深度。 3 动态规划问题 进行工艺设计时，大多c a p p 系统是面向固定制造资源环境的专用系统或预先 假定的静态企业资源信息或者认为可用资源是无限的，系统没有考虑生产部门实时 资源的动态反馈，不能随制造资源的状态变化而变化，如不能适应制造环境、设备 故障、设备负荷及工具短缺等的变化，设计出的工艺不能实时变化，影响预定规划 的顺利执行。 4 对c a p p 的系统化、实用化、工程化研究重视不够 尽管各种新概念、新方法、新技术在c a p p 中不断获得应用，但主要是针对各 种决策功能，而始终缺乏对c a p p 的系统化、实用化、工程化的研究，缺乏各种技 术之间及技术与管理、与人之间的集成，使得这些新技术、新概念、新方法所起作 用甚小，也使得c a p p 的整体发展缺乏坚实的实践基础和动力。近年来，国内外已 9 华中科技大学硕士学位论文 开始认识到c a p p 应用和工程化问题对c a p p 发展的影响。c a p p 在企业中的应用 已落后于新概念的应用和新系统的开发，这已几乎成为当前c a p p 发展的绊脚石【2 4 】。 5 c a p p 的基础性技术和方法有待进一步深入研究 工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质 的各种功能要求，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量相当庞大，又与具体的生 产环境及个人经验水平密切相关；生产环境不同( 不同的工厂，甚至同一工厂内的不 同车间) 、产品对象不同、生产批量不同、生产设备、工艺方法和工艺习惯都不一样， 使得产品工艺差别很大。而长期以来，c a p p 的研究与开发都忽视对工艺设计问题所 涉及的通用基础性技术、方法和数据的深入研究和探索，各种新概念、新方法、新 技术的采用既缺乏应用基础，也缺乏系统化基础。工艺设计方法缺乏良好的理论和 坚实的科学基础是阻碍c a p p 发展的因素，进入9 0 年代，国内外日益认识到c a p p 基础性理论和方法研究的重要性瞄】。总之，开发c a p p 系统的基础是工艺设计的原 理和方法，一些研究者过分强调了c a p p 系统开发中计算机程序设计的重要性而忽 视了工艺设计的原理和方法，因此绝不可能开发出高水平的c a p p 系统 2 6 - 3 0 】。 未来的制造是基于集成和智能化的敏捷制造和全球化、网络化制造，未来的产 品是基于信息和知识的产品，先进制造技术与先进制造系统的发展加速了制造企业 的信息化过程，c a p p 作为企业信息化建设的关键部分作为实现产品设计与产品制 造全过程集成的关键环节之一，无论从广度还是深度上都面临更新更高的发展要求。 顺应我国先进制造技术发展战略和国情，顺应市场需求情况，顺应新技术发展趋势， c a p p 技术的研究、开发到达了一个新阶段，并出现了以下趋势【7 】f 1 3 州】 1 6 】【1 9 - 2 3 1 1 2 8 - 3 0 】： 1 通用化和实用化趋势 c a p p 开发研究性质从专用c a p p 系统向企业通用及实用的c a p p 系统发展：从 工艺基本数据结构及基本设计功能的普遍性、通用性出发，研究出能适应大多数企 业需要的可在其上进行二次开发应用工具化的c a p p 系统。 2 智能化趋势 人工智能技术的发展出现了c a p p 专家系统，但受限于知识获取等瓶颈；而人 工神经网络技术、模糊理论、几何推理等方法发展为专家系统的决策化工具，采用 多种技术相结合来构造智能化c a p p 系统，使得系统具有从实例数据自动产生规则 和知识框架的可能，并可以并行的进行知识推理。增强了c a p p 获取、表达、处理 1 0 华中科技大学硕士学位论文 知识的有效性和灵活性，c a p p 系统更具柔性和活力。 3 集成化、网络化和开放的趋势 集成化是c a p p 发展的必然，c a p p 应能充分利用计算机潜力交互式在线处理 系统，并能提供完备的工艺文件，为c i m s 各部门提供信息服务。c a p p 应用的规 划和建议中，还必须考虑c a p p 系统的开放性、适用性及先进性，以适应企业信息 集成的需求。面向产品信息共享的c a p p 工艺数据使产品数据的重要组成部分，也 是企业生产信息的汇集处。因此，c a p p 不仅是p d m 、m i s 等的数据来源之一，也 是c i m s 中产品设计制造和生产经营管理实现信息集成的关键性环节。以集成化为 方向，采用基于数据定义的工艺设计技术，通过分布式网络和数据库，c a p p 系统将 可广泛与m i s 、p d m 、c a d 等进行集成【3 7 - 3 8 1 。 4 分布式的趋势 分布式c a p p 是一些相对分散的工艺规划子系统的集合，其中每个子规划系统 都具有有限的功能或应用范围。这些系统用全局管理程序有机地连接起来，形成一 个分布式的计算机“系统的系统”。 5 并行化的趋势 并行化c a p p 是在集成化和智能化的基础上的进一步发展，充分体现了并行工 程的思想。并行工程的一个焦点是在信息和功能的层次上实现产品详细设计和制造 过程设计的集成。并行c a p p 除了要从c a d 获取设计信息生成工艺文件外，还要反 过来指导、制约c a d 的设计。在并行设计中，零件信息模型必须是一个动态的数据 结构。设计者可以在设计中的任何阶段将设计结果移交工艺评价模块，并根据评价 结果修改模型或继续设计。零件模型还便于多知识源的协同处理。在并行c a p p 中， 零件设计与工艺设计是一个宏观上并行、微观上串行的过程 6 绿色c a p p 工艺污染的增多，地球环境的恶化使c a p p 系统的研发从只考虑纯技术因素的 向技术和社会、环境等因素同时考虑的方向发展【3 1 】。 1 4 本文的工作 笔者自2 0 0 0 年8 月进入课题以来，先后在科龙c a p p 小组和海天c a p p 小组工 作，参与了科龙c a p p 的部分编码和软件维护工作，如今科龙的项目已经验收， 华中科技大学硕士学位论文 i c a p p l 0 也在科龙集团投入运行，也参与了海天c a p p 的详细设计、编码和维护工 作，i c a p p 2 0 也海天机械公司运行。 作者曾长期在企业内部从事c a p p 调研、详细设计和编码、维护工作，对不同 生产类型企业的工艺文件组织管理、工艺设计流程等有比较深入的了解，并参与了 基于相似原理的相似工艺信息模型的设计及工艺文件组织、管理及编辑等程序的实 现，也参与了c a d p d m c a p p 间信息集成工序程序开发，积累了一定的经验。 本文将围绕i c a p p 的部分功能实现，以软件工程的观点，从i c a p p 系统框架体 系结构分析开始，介绍由相似学原理及方法衍生来的工艺设计方法，并利用相似工 艺设计方法分析工艺信息模型，然后阐述i c a p p 系统支持相似工艺设计方法的若干 关键技术。 1 5 本文的组织结构 第一章绪论，介绍了自己参加的课题工作给目标，综述了c a p p 的发展现状及 趋势，并对p d m 平台及新技术与c a p p 系统的结合做了一些介绍。第二章则首先分 析一般企业的工艺设计现状并规划出i c a p p 系统的总体结构。第三章介绍了相似学 原理及相似系统设计方法，提出相似工艺设计概念，利用相似学原理对工艺信息结 构进行建模，并介绍了相似工艺设计方法在产品工艺设计上的应用。第四章则主要 说明i c a p p 系统实现相似工艺设计方法的若干关键技术。第五章介绍了系统的部分 运行实例。第六章总结了全文的内容，并展望下一步的工作。 1 6 本章小结 本章说明课题的目的及来源，分析了企业的工艺设计现状，然后讨论了c a p p 的发展现状，指出了c a p p 集成化、信息化、网络化的发展趋势。 2 华中科技大学硕士学位论文 2ic a p p 框架体系结构分析 2 1i c a p p 系统的发展历程 本课题组1 9 9 8 年开始承担“国家8 6 3 c i m s 重点示范工程广东科龙c i m s 工程”，开始了基于p d m 的c a p p 系统开发。该项目中用到p d m 是由世界著名的制 造业软件公司美国u g s 公司开发的产品i m a n 。由于在该项目中和u g s 公司的 成功合作，该公司已决定将基于i m a n 的c a p p 系统作为其配套产品在中国推广和 销售，以弥补其在c a p p 方面的不足。课题组将多年来开发的c a p p 系统进行功能 完善与融合，形成了一套功能完善的通用化强的c a p p 系统，并将该系统正式定名 为i c a p p 。课题组已经先后推出了能够运行在u n i x 平台的i c a p p1 o ( f o ri m a n 4 0 5 0 ) ，运行于w i n d o w s 系列操作系统的i c a p p2 0 ff o ri m a n6 0 6 5 ) ，以及主要用 j a 、，a 编写的跨平台的i c a p p2 5 ( f o ri m a n7 0 1 7 0 2 ) 。目前，课题组正在规划开发 能够支持u g 报表的i c a p p3 0 和面向中小型企业的、脱离i m a n 运行的i c a p p i n d 版。这些系统已经在韶关齿轮厂、浙江海天机械有限公司( 全国最大的注塑机生产 基地) 等企业得到成功应用，并具有乐观的市场前景。 回顾i c a p p 的开发历程，我们可以总结出c a p p 系统的开发经历了从理论化、 专门化、单机运行、单纯的工艺设计、独立的应用系统到实用化、通用化、网络化 运行、工艺设计与工艺管理相结合的智能设计、系统集成化这么一个转变过程。将 本课题组的c a p p 系统命名为i c a p p 也是为了体现这些变化特点： 1 i m a n b a s e da n di n d i v i d u a l ：基于产品数据管理系统i m a n 并且相对独立。 i c a p p 是在p d m 产品i m a n 上二次开发完成的，它和i m a n 共享统一的产品 设计模型，并利用了i m a n 的数据管理( p d m ) 、产品结构编辑( p s e ) 、流程管理 ( w o r k f l o w ) 等功能。但是在某些功能受限制的条件下，i c a p p 也允许脱离i m a n 独立运行。甚至，面向中小企业的i c a p p 独立版( i c a p p i n d ) 已经包含了产品数据 管理的大部分功能，例如数据管理、设计过程管理、产品结构管理等。 2 i n w a n e f f i n t e m e t ：基于网络。 为了能够支持不同的网络环境下的并行设计工作，i c a p p 提供了多种网络算法， 华中科技大学硕士学位论文 包括典型的两层c i s 结构( 客户端与数据库服务端) 、三层c s 结构( 客户端、应用 服务端和数据库服务端) 以及b s 结构( 浏览器、服务器) 。 3 i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ：信息集成。 正如上面所分析，当前的工艺设计系统已经不再向以前那样单纯地支持辅助工 艺设计，而是将工艺设计管理作为其重要功能之一。尤其在并行工程环境下，c a p p 的信息集成已经不再仅限于工艺设计工作内部，而是要支持c i m s 的各个环节，与 其各个单元系统进行信息集成。 4 i n t e l l i g e n c e ：智能辅助。 c a p p 的智能化主要体现在利用已有的设计知识与经验，同时对现在设计工作进 行规范，以便将来重复利用，实现工艺设计知识的最优利用。 2 2 c a p p 系统与p d m 平台的集成 2 2 1p d m 平台技术简介 产品数据管理( p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t )以定义为以软件技术为基础，以产品 为核心，实现对产品相关的数据、过程和资源进行一体化集成管理的技术【3 4 】。p d m 面向制造企业，以产品为管理的核心，以数据、过程和资源为管理信息的三大要素。 p d m 进行信息管理的两条主线是静态的产品结构和动态的产品设计流程，所有的信 息组织和资源管理都围绕产品设计而展开，以解决制造业在普及了单元技术之后存 在的“信息孤岛”问题，实现企业的信息集成和过程集成，这也是p d m 系统有别于 其它的信息管理系统，如管理信息系统( m i s ) 、物料管理系统( m r p ) 的关键所在。 p d m 系统中数据、过程、资源和产品之间的关系如图2 1 所示： 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 产品、过程、数据