（机械电子工程专业论文）基于特征的交互式capp系统研究.pdf

摘要 c a p p 系统的使用将工艺人员从繁重的手工工艺设计中解放出来，在c i m s ( 计算机集成制造系统) 中发挥了重要的作用。但由于c a p p 系统的针对性较 强，使得c a p p 技术发展缓慢。随着市场竞争日益激烈，企业应充分利用现代 制造理论和技术，使自己能够迅速响应市场变化。这就需要c i m s 各子系统与 c a p p 系统实现信息集成、过程并行，从而推动了c a p p 系统应用的发展j 本论文在分析了c a p p 系统的技术与开发现状，阐述了现代制造理论对 c a p p 技术的影响的基础上，提出建立一个基于特征的集成化、实用的交互式 c a p p 系统的思想。论文探讨了特征技术在c a d c a p p c a m 集成中的作用， 以及c a p p 中工艺路线生成和工序详细设计的实现方法，和系统支持数据库。 论文还介绍了根据上述思路建立的t r c a p p 系统的实现与使用。 关键词c a p p ，特征，工艺路线生成，工序详细设计，数据库，t r c a p p 系统 第l 页 南京理l 。人学硕士学位论文 a b s t r a c t c a p p ( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s s p l a n n i n g ) p l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei nc i m s ( c o m p u t e ri 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 ) ，a n di t h a so b v i o u sa d v a n t a g e so v e r h e a v ym a n u a lp r o c e s sp l a n n i n gw o r k h o w e v e r , c a p ps y s t e m i sh i g h l ys p e c i a l i z e d ， a n dh a r dt or e a l i z ed u et ot e c h n i c a lf a c t o r s ，w h i c hb l o c k st h ed e v e l o p m e n to fc a p p s y s t e m ，a n dm a k e s i tu n a b l et om e e tt h en e e do f w i d e l yu s e i no r d e rt or e s p o n s et ot h ec h a n g eo ft h em a r k e tm o r er a p i d l ya n dm o r ee f f i c i e n t l y , t h e e m e r p r i s em u s tm a k e f u l lu s eo fc o n t e m p o r a r ym a n u f a c t u r i n gt h e o r i e sa n d t e c h n o l o g i e s ac i m ss y s t e mi nw h i c h c a p p s y s t e mi si n t e g i a t e da n d c o l l a b o r a t e d w i t ho t h e r s u b s y s t e m s i sn e e d e d ，w h i c h ，i nt u r n ，a c c e l e r a t e st h ed e v e l o p m e n to f c a p p s y s t e m i nt h i s p a p e r , r e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n dd e v e l o p i n ga c t u a l i t y o fc a p ps y s t e mi s a n a l y z e d ，a n di n f l u e n c eo fc o n t e m p o r a r ym a n u f a c t u r i n gt h e o r y o nc a p pi sp r e s e n t e d t h e na ni d e at oc o n s t r u c ta n i n t e g r a t e d ，p r a c t i c a l ，i n t e r a c t i v e a n df e a t u r e b a s e d c a p ps y s t e mi sp u tf o r w a r d a n dt h eu s eo ff e a t u r et e c h n o l o g yi nt h ei n t e g r a t i o no f c a d c a p p c a m ，t h e m e t h o do f r e a l i z i n gp r o c e s sp l a n n i n g a n d p r o c e d u r e d e s i g n i n gi n c a p ps y s t e m ，a n dt h es t r u c t u r eo fs u p p o r t i n gd a t a b a s e s y s t e m i s d i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l y ，t h er e a l i z a t i o na n du s i n go ft r - c a p ps y s t e mb a s e do n i d e am e n t i o n e da b o v ej sj n t r o d u c e d k e yw o r d s ：c a p ef e a t u r e ，p r o c e s sp l a n n i n g ，p r o c e d u r ed e s i g n ，d a t a b a s e ，t r c a p p s y s t e m 第1 i 页 南京理1 人。乎硕卜学何论文 基r 特祉的交且c a p p 系统研究 1 引言 随着进入一十一世纪，市场全球化和信息技术的高速发展使得市场竞争变 得更加激烈，表现为产品更新速度加快、产品生命周期缩短、用户需求个性化， 企业必须以更高的产品质量、更低的市场价格、更好的售后服务满足不同用户 的需要。因此提高产品质量、降低产品成本、缩短产品开发周期、提高企业对 市场环境的适应能力是当今企业生存和发展的关键。面对竞争f 益激烈和需求 小断变化的国际市场，制造企业的生产模式和经营策略在不断地发展，从7 0 年代的c i m 哲理、8 0 年代的c e 理论，到9 0 年代的智能制造、虚拟制造，直 至敏捷制造和全球制造。虽然它们所采用的手段和方式各不相同，但它们都有 一个共同的目的，即生产出最令用户满意的产品，赢得市场竞争的胜利。 1 1c i m s 的意义 作为现代制造系统的体现，计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 为企业在市场竞争中取得胜利提供了希望。c i m s 作为一种生产企业组织系统，要求从市场预测、经营决策、计划控制、工程设 计、牛产制造、质量控制到产品销售、售后服务的各个部门通过计算机网络联 结在起共享信息，以求达到高效率、高质量、低成本和灵活机动的企业经营 目标。 美国学者j 哈林顿1 9 7 4 年首先提出了c i m 概念的两大基本观点【4 ： ( 1 ) 企业活动是一个不可分割的整体，其各个环节彼此紧密关联，单一的 生产活动都应在企业整个框架下作统一的考虑。 ( 2 ) 就其本质而言，整个生产活动是一个数据采集、传递和加工处理的过 程。最终形成的产品可以视为“数据”的物质表现。 从c i m 的概念提出以来，c i m 理念作为制造企业生产活动组织的新理论 受到各国工业界的重视，并推动了c i m s 的实际应用开发和发展，在许多企业 的实际应用中取得了可观的经济效益。 随着现代计算机新技术的发展，c e 理论、智能制造、虚拟制造、敏捷制 造和全球制造等现代先进制造技术新理论的提出，c i m 思想得以不断扩展和完 善，c i m s 也在不断发展进步。c i m s 集现代管理方法、计算机技术和先进制 2 0 0 0 年1 2 月 第1 页 南京理1 人了：硕十学位论文 基于特征的交互c a p p 系统研究 造技术丁- 体，代表了未来生产制造的发展方向。我国自1 9 8 6 年将c i m s 列 入国家8 6 3 高技术研究计划，经过近千人专业队伍十余年的艰苦攻关，已在 c i m s 的研究开发和试点应用取得了巨大的成绩。其中清华大学和北京第一机 床厂的c i m s 先后获得c a s a s m e ( 美国制造工程师学会、计算机和自动化系 统号、世委员会) 颁发的“大学领先奖”和“工业领先奖”1 。我国“8 6 3 计 划”c i m s 主题的研究和开发成果证明：c i m s 是现代化制造领域中卓有成效 的技术，是加快我国企业经济增长的重要技术手段。c i m s 技术的研究与推广 必将推动我国企业的信息化、现代化发展，促进我国c i m s 相关高技术产业的 形成。 1 2 并行工程 传统的产品开发过程是一个串行过程，它根据市场及最终用户对产品的需 求，向设计部门提出一简短的产品描述，设计部门在完成设计后，将设计结果 传送给生产规划部门，然后进行生产组织。这是一种“抛过墙”式的产品开发 方式，存在较多的问题。例如： ( 1 ) 生产规划、可制造性规划及可靠性等问题，在开发过程中是分别考虑 的： ( 2 ) 在产品开发过程上游中存在的问题，只有等到过程进行到下游时才暴 露出来，为保证产品质量，开发过程不得不返工，这样既浪费资金， 又延误时间； ( 3 ) 设计数据零散分布于开发过程，缺乏统一有效的管理，数据无法保持 一致，并且容易丢失。 为解决上述问题，人们在总结c i m s 等相关技术成果的基础上，认为应进 一步强调产品开发早期阶段的工作对产品的t ( 时间) 、q ( 质量) 、c ( 成本) 、 s ( 服务) 、e ( 环保) 的影响，因而引入了并行工程的概念。关于并行工程有 很多种不同的描述方法，但至今较为公认的是，1 9 8 6 年美国国防分析研究所的 r - - 3 3 8 研究报告对并行工程所做的定义：“并行工程是对产品及其相关过程 ( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。 这种工作模式力图使开发者们从一开始就考虑到产品全生命周期( 从概念形成 到产品报废) 中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求”。 而诨百丁仁1 n f 壹壅堡! 叁望堡堂堕堡皇 垫王堑堑盟至皇羔垒堕尘墼型! ! ! l 根掘卜述定义，并行工程有以f 的实现目标： ( 1 ) 并行 ：程要实现产品的高质量、低成本、上市快及满足用户的多种需 求； ( 2 ) 并行工程是一种系统化的工作模式。它强调产品全生命周期的市场需 求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持( 包括质量、销售、 采购、发送、服务) 及产品报废等各相关阶段过程的集成、并发与优 化；人们在产品生命周期的上游阶段工作时，就要充分考虑下游工作 的可实现性，尤其是在产品设计阶段，要进行可制造性、可装配性、 可测试性、可维护性、可靠性、可支持性和成本合理性等方面的设计。 它要求产品生命周期各阶段工作间能及时交流、协调，尽量避免跨阶 段的“大返工”； ( 3 ) 并行工程以产品为中心，组成由有关部门代表参加的多学科小组进行 “团队”工作。这种工作方式不仅要加强部门间的协调，而且要集成 多学科人员的智慧。根据产品复杂程度不同，可组成有层次的团队工 作小组群。如果条件允许，期望用户也成为团队的成员； ( 4 ) 并行工程十分重视采用新型的信息化的先进设计、制造技术，以支持 产品及其过程的数字化定义、计算机辅助设计与制造( 如c a d c a e c a m 等) 、计算机辅助下游可实现性设计( 如d f a d f m d f t 等) 、计算机辅 助团队协同工作及各阶段部门间的信息集成等； ( 5 ) 并行工程要求企业的成员具有与之相应的素质，尤其是团队协同工作 的素质，并掌握有关协同工作的新技术。 一个较为理想的并行工程体系结构应该以客户需求为核心，按照并行工程 的哲理，合理组织企业产品全过程的三要素：团队组织、经营管理和技术；并 基于集成化的支撑环境，使产品设计3 2 艺规划、生产制造及产品管理支持各 类活动中的信息流、物料流、价值流( 资金流) 优化运行，进而改善产品的t 、 q 、c 、s 、e ，达到赢得市场竞争的最终目标。 协同工作有两层含义：一层是指广义上的协同工作，另一层是指计算机支 持的协同工作( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ，c s c w ) 。协同工作通 过一个团队中的多个成员的共同努力和合作而最终完成任务。当前的研究多集 中在计算机支持的协同工作。 计算机支持的协同工作是同计算机科学、心理学、人类工程学、认知科学 2 0 0 0 年1 2 月第3 页 南京理l ：人学硕十学位论文 基于特征的交互c a p p 系统研究 和社会学等多个学科领域紧密相关的一个综合性的学科研究领域。它以人类的 协同工作为研究对象，从多种学科角度在理论上解释人们的合作和交流的内在 机理，探索计算机技术对人类群体工作支持的可能；同时利用现有技术，特别 是多媒体技术、网络与通信技术、分布式处理技术等建立一个协同工作的计算 机环境。 1 3c a p p 的作用及其在c i m s 中的地位 计算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 是根据 产品设计给出的产品、零件信息运用计算机软件工具进行产品工艺设计。工艺 设计是根据产品图纸，制定出从原材料加工成符合设计要求的产品所需要的一 系列加工方法、制造过程以及有关资源需求的计划。它是产品生产制造过程中 技术准备工作的一项重要内容，是产品设计与生产组织的纽带，是一个经验性 很强而且随制造环境变化而多变的决策过程。 工艺设计直接影响着企业生产的组织，零件质量的保证和生产技术的革 新。工艺设计需要查阅大量的资料和手册，分析处理大量的信息( 既有零件信 息，又有工厂的实际生产条件及工时成本等) ，填写工艺卡片和表格等工艺文 件，因此工艺设计人员的工作比较繁重，在设计中容易产生错误，需要在设计 过程中设置较多的检查环节。长期以来工艺设计是工艺人员依靠个人经验来完 成的。由于个人经验的局限性，并且手工的工艺规程编制方法本身容易造成人 为的失误和疏漏，不利于工艺过程的规范化和优化。而c a p p 不仅彻底改变了 手工编制方式对人的过分依赖，而且显著地提高了编制效果，避免了不必要的 差错，为逐步实现工艺过程优化和规范化创造了条件。 采用c a p p 技术以后，首先可以大大提高工艺人员的工作效率，加快工艺 设计的速度，缩短生产的准备时间。例如美国洛克希得飞机公司采用c a p p 技 术以后，工艺设计的书面工作量减少了7 5 ，设计工艺规程的能力比以往手工 提高了3 0 0 “。 其次可以减少工艺设计费用，降低制造成本。据国外统计，采用c a p p 技 术后，工艺设计劳动量减少2 0 4 0 ，工艺设计费用降低2 0 5 0 ，总的 制造成本降低9 6 。由于每个工艺人员都使用同一数据库，保证了工艺设计 的一致性，有利于推行工艺规程的标准化和工艺文件的统一管理“ 。 2 0 0 0 年1 2 月 第4 页 幸j 糸理1 人。学硕十学何论文 毖r 特征的交qc a p p 系统研究 c a p p 系统是c a d c a p p c a m 集成制造系统的重要组成模块。 c a d c a p p c a m 集成制造系统是c i m s 的重要组成部分，是实现产品设计和 制造自动化的关键技术。在c i m s 的4 个功能分系统( 管理信息系统、 _ 程设 计系统、制造自动化系统、质量保证系统) 和两个支撑系统( 计算机网络和数 据库) 中，工程设计系统具有极其重要的地位，它直接关系到产品开发设计、 制造准备及性能测试等产品开发各个过程，相继出现了多个计算机辅助子系 统，包括c a d ( 计算机辅助设计) 、c a p p ( 计算机辅助工艺设计) 、c a m ( 计 算机辅助加工制造) 等。这些子系统的集成进一步提高了工程设计系统在全系 统中的地位，使工程设计系统发挥出更大的经济效益。虽然c a d c a p p c a m 集成制造系统技术已经有将近3 0 多年的发展历史，并且随着计算机图形技术 和数据库技术的进步c a d 、c a m 两个子系统不断取得新的成果。相比之下， 处于c a d c a p p c a m 集成制造系统中间环节的c a p p 技术发展得比较缓慢， 成为系统中的“短腿”1 4 1 ，不仅不能适应系统集成的需要，还将影响到产品设 计人员、工艺设计人员对整个集成制造系统使用的认同。另外在 c a d c a p p c a m 集成制造系统中，c a p p 是连接c a d 与c a m 之间的桥梁与 纽带。它利用c a d 提供的零件信息，进行工艺规划，生成有关的工艺文件； 而c a m 以工艺设计结果和零件信息为依据，生成n c 代码。没有c a p p 系统 的连接，c a d 与c a m 系统就无法实现集成，三者的连接关系如图( 13 1 ) 。因 此刀：发有效适用的c a p p 系统直接影响到c i m s 的应用推广，是推动 c a d c a p p c a m 集成制造系统发展和普及的关键。 图131 c a d 、c a p p 与c a m 之间的关系 1 4 并行工程对c a p p 的影响 并行工程的提出推动了c i m s 技术的发展，在c i m s 的过程集成方面取得 进一步的加强。同时也对对c a p p 系统提出了更高的要求，主要有以下影响： ( 1 ) 要求进行分步渐进的工艺设计。 并行工程要求把产品设计过程划成若干阶段，同时c a p p 与其他过程 ( c a d 、c a f d 、c a m 、d f m 等) 之间的信息交换应是及时的、双向的。一 2 0 0 0 年1 2 月第5 页 南京理i ：夫学硕士学位论文基于特征的交互c a p p 系统研究 方面c a p p 应能在不同的设计阶段对设计方案进行不同程度的制造工艺性能评 价，提供反馈意见；另一方面c a p p 应尽早尽快地、在自身的不同阶段向相关 过程提供信息，即c a p p 应是分步渐进的。 ( 2 ) 要求进行柔性工艺设计。 由于c a p p 是并行工程中的关键环节，应充分利用制造工艺和制造资源功 能的柔性，对同一设计对象应能生成多种可选工艺方案，以便在与其他设计部 门协调时能够迅速重选工艺方案，即c a p p 应是柔性的工艺设计。 ( 3 ) 要求进行动态工艺设计。 为适应制造资源的动态变化，产生更符合实际、更加优化的工艺方案，更 加准确地评价零件设计结果，c a p p 的资源选择决策应根据制造资源使用的动 态状况进行，所以工艺设计应是动态工艺设计。 1 5 c a p p 系统发展现状 经过多年的研究开发，国内外已开发出很多c a p p 系统，目前国外比较著 名的c a p p 系统有美国c a m i 开发的c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系 统i “、美国普度大学的a p p a s 及t i p p s l 4 j 、柏林工业大学开发的c a p s y t 4 1 等。 此外，我国也相继研制了一些较为成功的c a p p 系统，如同济大学开发的 t o j i c a p p t ”、东南大学开发的s e - - - c a p n l t 4 i 、华中理工大学开发的r c a p l 4 等。但目前这些系统绝大多数是独立的自动化系统，只有个别的系统是与c a d 系统( 一般是二维的回转体系统) 或是与数控编程系统连接的，极大地限制了 c a p p 系统的适用性，不利于c a p p 系统的推广。 c a p p 技术所面临的主要问题是： c a d 不能为c a p p 提供足够的产品信息，这主要是因为c a d 和c a p p 关 心的产品技术数据各不相同。因此c a p p 系统只能依靠分析从c a d 系统 获得的产品的几何和拓扑信息来理解和处理加工对象，无法获取用于 进行工艺过程的管理和工序的合理安排的相关工艺信息。 c a p p 的针对性强，它不仅与加工对象有关，而且与企业的加工能力和 生产设备等环境资源有关，同时由于工艺设计的理论和算法仍然处于 发展阶段，还不能建立较为完善的数学模型，工艺设计在很大程度上 对人的参与依赖性仍然较大。 2 0 0 0 年1 2 月 第6 页 南京珲i 人学颂k 学伉论文 基j i 特征的交“c a p p 系统研究 c a p p 的透明度低，现有的多数c a p p 系统的丁作过程基本 二是“黑箱” 过程，用户看不到想看而且应该看到的事情。这样不仅难于理解工艺 的生成过程，而且设计结果的说服力和可信度低。这是凶为系统主要 是基于符号推理，实用于计算机操作，但数据和推理过程过于抽象。 为了解决c a p p 这一瓶颈问题，许多科研单位和高等院校投入大量的人 力、物力进行研究，取得了一些成果。这些研究从不同的角度出发对c a p p 技 术进行了较全面的研究。总体上包含以下几个方面： 在数据信息集成方面，或从产品信息建模的角度出发提出建立适应集 成化要求的基于特征的产品信息模型，或从系统集成的产品数据共享 和数据存储的角度着重研究基于s t e p 等产品数据交换标准的系统数据 共享。 在辅助工艺规划方面，从计算机辅助工艺制定角度重点研究面向并行 化、集成化和智能化的工艺设计算法。如浙江大学机械工程及自动化 系的潘晓弘等人结合杭州叉车总厂h c a p p 工程应用项目，构造了一 种基于知识推理的创成式c a p p 专家系统模型哺 。其知识库的管理独立 于推理机，为知识库管理、推理机改进、零件特征排序、知识库系统 移植等提供方便。 在c a p p 系统通用性开发方面，针对企业生产环境多样性的事实，研究 在c a p p 系统框架基础上建立c a p p 系统开发工具，加快不同企业的实 用化c a p p 系统的开发过程，推动c a p p 系统的使用推广。如清华大学 研究提出抽象信息模型和抽象功能模型等概念，开发了可以由用户定 义信息模型、功能模型和决策逻辑的面向并行工程的c a p p 框架系统一 一t h c a p p s h e l l ；并将c a p p 框架系统实例化，实现了并行工程环境 下面向复杂构件的c a p p 系统t h c a p p c e 5 7 3 。 其中产品信息模型在c a d c a p p c a m 系统中的应用是当前国内外研 究的重点。作为连接企业生产部门、技术部门和管理部门之间的桥梁，c a p p 技术越来越受到企业和科研单位的重视，并在使用过程中发挥出越来越大的作 用。 2 0 0 0 年1 2 月第7 页 南京理1 j 人学硕十学位论文基于特征的交互c a p p 系统研究 1 6 课题背景 本论文是基于与电子部第1 4 研究所合作进行的“雷达关键零部件设计制 造一体化工程”项目以及“设计制造一体化的c s c w 支持环境研究与开发” 项目进行研究的，开发的系统重点应用于“雷达关键零部件设计制造一体化工 程”项目，并将集成到c s c w 系统应用中去。论文以工程实际为基础，主要 研究开发集成化、丌放性的实用c a p p 系统及其支撑环境，并为开发分布式协 同开发环境下的c a p p 应用模块做好准备。本论文所研究的内容是面向 c a d c a p p c a m 集成环境下的c a p p 子系统，因此论文的各章研究内容如下： 第一章引言，介绍c a p p 系统的研究意义和发展现状，以及本论文的课题 背景与研究目标。 第二章从系统需求分析出发，研究确定t r c a p p 系统的结构框架； 第三章根据c a d c a p p c a m 集成的需要，研究基于特征的零件数据建模， 并建立相应的数据库为系统集成提供支持，实现c a p p 系统从c a d 系统直接 获取零件信息。 第四、五章研究建立了t r c a p p 系统的工艺设计实现技术，以及相应的 数据库保障系统，实现了工艺规程的计算机辅助设计。 第六章介绍了t r c a p p 系统的应用环境和实际使用过程。 第七章总结了论文研究的经验与教训，并对以后的工作提出一些建议。 2 0 0 0 年1 2 月第8 页 南京理1 入学硕十学 奇论文 基于特征的交互c a p p 系统研究 2 系统分析和结构框架 2 1 需求分析 本课题的研究与开发是面向电子部第1 4 研究所的“雷达关键零部件设计 制造一体化工程”项目进行的。电子部1 4 所是我国重要的国家级科研院所， 主要负责我国雷达的研究开发与生产。作为集科研开发与生产为一体的科研单 位，1 4 所的生产组织具有以下特点： 1 4 所研究的雷达系统品种繁多、大小各异，产品的结构尺寸、重量、 性能等差异较大。雷达产品的生产批量小，但对于一些关键的功能部 件，由于每件产品中的零部件数量较多，部件的生产批量依然较大。 因此，生产形式是一种多品种、多种批量共存的生产情况。 作为科研单位，1 4 所生产的雷达零部件经常要进行老产品的改进和新 产品的开发。并且作为国家重点科研院所，新品开发和旧品改型的研 制任务较重。工艺设计的更新较多，这些更新既有改型后的一般工艺 文件修改和新雷达设计后的工艺方案制定，又有新工艺试验研究成功 后对已有工艺方法的改进。 在1 4 所生产的产品中，t r 组件是雷达关键零部件中的接收发送部件， 也是1 4 所主要生产的雷达零部件。它品种较多，有1 0 0 余种；结构尺寸变化 范围大，从4 5 2 0 0 m m 到6 0 0 x5 0 0 m m 多种规格；工艺复杂，使用到多套专 用夹具。1 4 所每年t r 组件的设计、加工工时约为4 0 0 0 0 小时，占全所工作 量的3 0 左右。 t r 组件主要由壳体、双工器、移相器、滤波器和盖板组成。由于这些组 成部分之间存在严格的配合关系，整个t r 组件又要满足机械、电子、微波等 不同学科的功能和设计要求，零件形状特殊，零件壁较薄，某些零件表面又要 求有很高的尺寸精度和形位精度，因此对零件的加工有着特殊的要求，需要特 殊的装夹和加工方法。 以t r 组件中的壳体零件例，它是一种薄壁壳体零件，用来安装双工器、 波导滤波器、移相器等，主要由圆角方型槽、凸台、通孔、盲孔等特征组成。 其中的带孔凸台用于双工器、波导滤波器、移相器等的定位；一部分通孔要满 2 0 0 0 年1 2 月第9 页 南京理i ：人学硕七学位论文基丁二特征的交互c a p p 系统研究 足雷达的电子、微波等学科的特殊要求，它们的形位精度都较高。t r 组件中 的壳体零件在1 4 所的零件中具有较高的代表性，因此本文在后续的论述中将 主要以t r 组件中的壳体零件为例对本课题c a p p 系统的设计进行说明。 本课题所属的“雷达关键零部件设计制造一体化工程”项目工程集成分系 统( e n g i n e e r i n gi n t e g r a t e ds y s t e m ，e 1 s ) 研究开发的范围涉及到产品设计、工 艺设计、数控代码生成、产品数据管理、信息集成等方面。主要由五大部分组 成：特征造型子系统、c a p p 子系统、工装c a d 子系统、c a m 子系统和数据 管理子系统。它们之间的关系如图2 1 1 所示。 图2 11 系统总体构成图 按项目发展计划要求，项目详细设计中要贯彻以下原则： e i s 的范围及应用对象是针对雷达的关键零部件，解决这些关键零部件 的设计制造一体化问题，从而消除雷达研制过程中的“瓶颈”，而不 贪大求全。 组成e i s 的各个子系统的功能应当相互独立，易于扩展，具有时间和 空问上的开放性以适应十四所今后发展的需求以及c i m s f m s 技术未 来发展的需求。为此各系统的设计以结构化、模块化为特点，同时在 信息交换方面遵循有关的国际和工业界标准。 组成e i s 的各个子系统在技术上必须易于集成。在系统开发中要将各 子系统的集成开发放在首位。 2 0 0 0 年1 2 月第1 0 页 南京理1 ：人学硕十学位论文基于特征的交互c a p p 系统研究 把实用性和可能性放在头等重要的位置，不盲目追求技术的先进性， 采用成熟的新技术和新方案。 2 2 常用c a p p 系统分析 虽然c a p p 技术6 0 年代后期就已提出，但是直到8 0 年代才受到工业界的 重视。经过3 0 多年的发展，c a p p 经历了派生式、创成式和专家系统等几个阶 段的发展，在生成原理、系统结构、决策方法等方面，都已取得了很大的进展。 现在一般将c a p p 系统分为派生式和创成式两种。 2 2 1派生式c a p p 系统 派生式工艺设计系统的工作原理是利用零件的相似性，即相似的零件有相 似的工艺过程。一个新零件的工艺是通过检索相似零件的工艺并加以修改编辑 而成的。在派生式c a p p 系统中，数据库中存储有各类零件的复合工艺。所谓 复合工艺是指为每个零件族( 相似零件的集合) 设计出的可供全组零件使用的 工艺，它是符合企业生产条件下的最优工艺方案。根据零件信息的描述与输入 方法的不同，派生式c a p p 系统又分为基于成组技术( g t ) 的派生式与基于 特征的派生式c a p p 系统【3 l 。 基于g t 的派生式c a p p 系统用g t 码描述与输入零件信息。系统预先要 对现有零件进行分组，得到所谓的零件族或样件；每个零件族或样件有一通用 的制造过程，即件的标准工艺规程。派生式系统需要存储零件族矩阵文件或样 件信息文件，样件的标准工艺规程文件及各种加工工程数据文件，如切削用量、 设备、刀具、量具、辅具等资料供新零件检索时调用。在工艺设计时，系统以 被设计零件的g t 码为依据，首先搜索到该零件所属的零件族矩阵文件或样件， 每一个零件族矩阵文件或样件对应着一个标准工艺规程即样件工艺规程。然后 调用有关工艺数据，对工艺规程文件进行必要的补充，最后得到当前零件的工 艺过程。 基于特征的派生式c a p p 系统用特征取代g t 码来描述零件信息，用工序一 工步二叉树来描述零件的工艺规程，从而可以对零件信息与工艺信息进行准确 完备的描述。用样件分类索引树取代零件分组。这种分类索引树是动态的，用 户可以方便地创建实例分类索引树和对树进行维护和管理。样件按零件分类索 2 0 0 0 年1 2 月 第1 1 页 南京理i 大学硕十学位论文基于特征的交互c a p p 系统研究 引树分类存储，用户可以随时将新制订的样件按类存入样件库，无须事先对零 件进行分组和制订零件组矩阵。样件的制订不依赖于已有的大量零件图及其工 艺规程，而只要对工厂现有的有限典型零件进行分类，并就每一类订制一个或 若干个样件，编出其标准工艺规程。用基于特征的推理代替基于零件族矩阵的 工艺规程筛选策略，即以基于特征的零件信息模型为依据，在基于特征的标准 工艺规程中自动筛选和匹配出当前零件的工艺规程。在样件的基础上增加了实 例的概念。实例是系统中已有的工艺规程及其相应的零件信息的集合。实例可 以是系统中新产生的工艺设计结果，也可以是一个样件。 派生式c a p p 系统在技术上较易实现；能减轻工艺人员的工艺文件编制工 作；且容易在g t 思想的基础上发展成与c a d 和c a m 集成的系统。但系统仍 有缺点： 系统的操作者依然需要是有经验的工艺人员，以对生成的工艺方案进 行检查和修改： 标准工艺过程未考虑生产批量因素，当生产批量改变较大时仍然维持 原有的工艺方案； 生产技术和手段发展后，系统不易修改。因而当新产品不存在相似零 件工艺时仍需要人工完成工艺设计，不能发挥c a p p 系统应有的作用； 基于特征的派生式方法在一定程度上改善了派生式的适应性，但是对 于改进较多的零件工艺设计仍需要工艺人员手工设计的辅助。 所以，派生式c a p p 主要适用于零件族较少、每族零件种数较多，生产方 式变化不大，零件的改动较小的企业。 2 2 2 创成式c a p p 系统 和派生式系统不同，创成式c a p p 系统是根据程序中所反映的决策逻辑和 制造工程数据信息生成的【3 】。这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和 加工对象、各种设备及刀具的适用范围等等一系列的基本知识。而工艺决策中 的各种决策逻辑或者植入程序代码( 一般创成式c a p p 方法) ，或者以规则的 形式存入相对独立的工艺知识库，供主控程序调用( c a p p 专家系统方法) 。 在向创成式系统输入待加工零件的信息后，系统何以模仿工艺人员的手工编制 过程，利用决策逻辑和制造工程数据信息( 包括各种加工方法的加工能力和对 2 0 0 0 年1 2 月第1 2 页 南京理j 人学硕十学位论文基于特征的交互c a p p 系统研究 象、各种设备及刀具的适用范围等) 自动做出各种工艺决策，自动生成零件的 工艺过程方案，输出各种工艺规程文件，用户不需或略加修改即可。 一般创成式c a p p 系统就是将各种工艺设计决策逻辑模型化和算法化，并 用计算机语言写成代码来实现。其工艺决策过程如下： 首先选择加工方法。在输入零件信息以后，首先要根据零件各种几何表面 特征( 基本的或辅助的) 的加工要求，确定各种表面特征的加工方法。每一种 表面特征( 也称形状工艺要素) 一般要经过不同的加工工序来达到它的各方 面的要求。因此，加工方法的选择实际上是组成零件的各个表面要素的加序列 的选择。最常用的方法是查表法。该法的核心是，根据零件各表面元素的最终 要求，在工艺数据库或规则库中直接查出各表面元素的加工方法。查表法简单 明了，只需事先将各种表面特征的加工方法按定的格式存入数据库或知识库 即可，并且对这些数据或规则的维护也很方便。 然后生成工艺规程主干，即按照一定的工艺路线安排原则，将已选择好的 零件各表面要素的加工方法按一定的先后顺序排序，以确定零件的工艺路线。 这是工艺过程设计的最重要和最困难的环节。因为安排工艺路线需要考虑各种 可能的因素和约束，安排工艺路线的方法在生产实践中非常灵活。实践中通过 分级、分阶段决策来完成这种复杂的决策过程，即分级、分阶段地考虑几何形 状、技术要求、工艺方法、以及经济性或生产率为指标的优化要求等约束因素， 使之能排出合理的工艺路线。 而在c a p p 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适用的数据结构，以加快运行。推理机从 文件库中读取零件制造特征信息，经过逻辑推理( 这种推理类似创成式c a p p 系统) ，生成工艺文件输出并存入文件库。数据库中内容也类似创成式c a p p 系统。c a p p 专家系统有处理多意性和不确定性问题的能力，并且在一定程度 上模拟人脑进行工艺设计，使得工艺设计中的许多问题得以解决。c a p p 专家 系统本身具有较大的灵活性，由于求解问题的知识( 知识库) 同使用知识的方 法( 规则) 是相互独立的，因而便于知识的增长和积累使系统的开放性增强， 利于维护和更新。 虽然在理论上，创成式c a p p 系统是一个完整的系统，它的软件或知识库 2 0 0 0 年1 2 月第1 3 页 南京理i ：人学硕士学位论文基丁特征的交互c a p p 系统研究 中应含有一切工艺决策逻辑，系统具有工艺规程设计所需要的所有信息，可以 不依赖于操作人员的知识和经验，自动实现工艺过程合理化和优化。但这种系 统开发需要作大量的准备工作，要广泛收集生产实际中的所有工艺知识，建立 庞大的工艺数据库与知识库，使系统实现困难增加。同时工艺决策是否能够有 效工作取决于设计者是否整理出合适的推理信息，是否建立了合理的搜索和推 理方案。由于产品品种的多样化，各种零件的描述方法和加工过程有很大的不 同，每个生产环境都有它特殊的生产条件，工艺决策逻辑也不一样，这就需有 不同的工艺决策逻辑。所以现有的创成式c a p p 系统都是针对某一产品或某一 工厂专门设计的，到目前为止还没有一种创成式c a p p 系统宣称能适用于所有 类型的零件，也没有一种系统能全部实现自动化。创成式c a p p 系统仍然不能 完全排除必须的人机交互。 总的来看，在现有的c a p p 系统中无论派生式还是创成式，由于其自身研 究的出发角度的不同，因而在实际使用中都还存在着各种问题。因此，两种系 统相互借见，取长补短是当前c a p p 系统的发展方向。随着c a p p 系统研究与 实际应用的深入，人们开始对在制造系统中发挥人的创造力和人的智能给予高 度的关注。人不再被看作是c a p p 系统中的干预因素，而是被当作构成整个工 艺规划设计系统的一个组成部分，工艺人员的个人技能可以得到充分的发挥。 工艺规划具有经验性强、技巧性高的特点，人的适当参与会在更大程度上提高 c a p p 系统的集成度建立一种人机一体化的智能系统，充分发挥人的智能优势， 弥补计算机技术在创造性思维活动方面的不足，以合理的代价实现较高的智 能，这在很长的时间内将被作为开发c a p p 系统的一个指导原则。 2 3 t ，r - c a p p 系统框架 由上述分析可知，创成式c a p p 系统由于人工智能技术本身的不完备性， 并且知识库系统的前期准备工作繁多，造成系统设计难度大，系统的通用性不 好，适用范围有限。派生式c a p p 系统由于其本身的一些特点，在实际使用中 要更具有生命力，但在某些情况下不能发挥应有的作用。当然创成式c a p p 方 法可以使工艺设计更加自动化，使工艺设计人员从烦琐的工艺过程设计中解放 出来，更好的进行工艺方法的创新和工艺的优化。因此当前c a p p 系统开发适 宜采用以派生式方法为主，在新工艺设计中采用创成式专家系统的思想建立一 2 0 0 0 年1 2 月第1 4 页 南京理i ：人学硕十学位论文基r 特征的交互c a p p 系统研究 种人机交互方式的c a p p 系统。 根据对国内外c a p p 研究状况和现有技术水平的分析，从工艺过程设计的 多样性，工艺决策和知识的多样性，以及生产环境约束条件的多样性出发，智 能化、集成化的c a p p 系统应是多种决策方式、多种程序结构、多层次的各种 具体专家系统的综合行的集合体，或模拟专家组工作方式，而不是单一专家系 统工作方式的系统，同时从生产实际出发不同的产品零件及其品种和批量的差 别，使所适应的c a p p 系统的工作方式也应不同。考虑到十四所工程中心加工 对象( 雷达关键零部件) 的特点：天线系统关键件品种不多，但t r 组件机 壳品种较多，为了提高1 4 所的工艺设计水平，改变现有人工编制工艺规程的 落后状态，从而缩短制定工艺规程的时间、完善生产过程的规范化管理，需要 建立一个以成组技术为基础，提供良好人机交互能力，由检索式、修订式、创 成式等各种子系统组成的分布式c a p p 系统。该c a p p 系统应是具有一定规则 处理能力、开放的、适用的系统，既方便雷达改型等情况的普通工艺文件修改， 又能较好地适应新品雷达工艺方案创新的研究。其系统框架如图2 3 1 所示。 该系统运作时首先根据零件信息作出判断，当输入零件与数据库中典型零 件形状完全相似仅尺寸不同时，使用检索式c a p p 子系统进行工艺设计，系统 将检索出的典型工艺文件输出供用户修改后生成零件的工艺文件，同时将新生 成的工艺文件存入数据库；当数据库中没有与输入零件相似的典型零件，输入 零件属于数据库中某个零件族时，使用派生式c a p p 子系统进行工艺设计，系 统将根据零件族的成组工艺文件输出供用户修改后生成零件的工艺文件，同时 将新生成的工艺文件存入数据库；当数据库中既无与输入零件相似的典型零 件，又无输入零件所属的零件族时，使用创成式c a p p 子系统进行工艺设计， 系统根据零件的特征信息和工艺设计规则，通过计算机辅助与人机交互相结合 的方式进行工艺设计，生成专用工艺文件并存入数据库。 目前已开发完成的c a p p 系统主要由零件特征信息获取、工艺过程设计、 工艺文件生成、工艺知识库数据库管理等模块组成，其详细框图如图2 3 2 所示。 2 0 0 0 年1 2 月 第1 5 页 南京理上人学硕士学位论文 基于特征的交互c a p p 系统研究 ：c a d 了系统 图2 3 1分布式c a p p 系统框架示意图 图2 3 2 t r c a p p 系统框架 数据库 圄囝囝 南京理l ：人学硕士学位论文基于特征的交且c a p p 系统研究 系统总控模块是系统管理的核心，通过它进行系统各功能的控制与调用。 零件输入模块是c a p p 系统的基础。零件信息是系统进行工艺设计的对象 与依据，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c a p p 最关键的问题之一。 工艺设计模块是系统的控制指挥中心，它的作用是以零件信息为基础，按 一定的推理逻辑，或人机交互方法进行有关工艺路线和工