（机械制造及其自动化专业论文）基于pdmplm的平台式capp系统若干关键技术研究.pdf

摘要 产品生命周期管理( p r o d u c tl i f em a n a g e m e n t ) 作为c a x 的集成平台，为 产品提供数据共享和保护，随着企业信息化的发展，基于p d m p l m 的 c a d c a p p c a m 集成必将成为一个发展趋势。本文在已有回转类c a p p 系统、箱体 类c a p p 系统和液压机c a p p 系统研究的基础上，通过归纳和总结，就基于p d m p l m 的平台式c a p p 系统若干关键技术进行了研究。主要包括以下内容： l 、分别对c a p p 、模块化设计和产品生命周期管理三方面的研究进展、应用 现状等方面进行了综述。阐述课题提出的目的和意义，明确了本文研究的主要内 容。 2 、提出基于p d m p l m 的制造过程信息化集成模式：在平台式c a p p 系统的设 计约束模型基础上，构建了平台式c a p p 系统的体系结构；并给出工艺决策模型 和功能模型；最后提出基于s m a r t e a m 的c a p p 开发模式和实现策略。 3 、建立模块化产品生命周期模型的组织结构；针对面向产品族的广义模块 的划分和规划方法，建立基于特征的柔性模块c a d c a p p 集成模型及基于工艺模 板的c a d c a p p 映射模型：研究s o l i d w o r k s s m a r t e a m c a p p 集成的关键技术。 4 、从工序模板和工步模板的角度研究了工艺模板的创建过程：以液压机上 梁模块机加工为例，采用基于专家知识的推理技术实现了工艺模板的创成；提出 了面向产品族的工艺模板分层结构树的组织模式。 5 、提出基于分层规划的多模式工艺决策流程；在统一数据模型的基础上， 从特征层和零件层分层规划，实现了零件加工子工艺的自动创成；提出基于a h p 的工步排序决策方法。 6 、针对产品生命周期中的设计制造信息，建立了面向对象的类树结构和基 于u m l 的静态结构模型；提出基于p d m p l m 软件的设计制造信息管理系统的构 建方法；以商品化p l m 软件s m a r t e a m 作为开发平台，开发了基于s m a r t e a m 的设 计制造信息管理原型系统；研究设计制造信息模型多视图映射机制。 7 、开发了基于p d m p l m 的平台式c a p p 原型系统，构建了系统的功能模型， 并对系统的主要功能进行说明，给出系统的运行实例。 关键词：p d m p l m ，平台式c a p p ，模块化产品，工艺模板，多模式工艺 决策，设计制造信息模型，多视图映射 a b s t r a c t a st h ei n t e g r a t e dp l a t f o r mo f c a x ，p r o d u c tl i f em a n a g e m e n tp r o v i d e st h es h i e l d a n ds h a r ef o rd a t ao fp r o d u c t t h ei n t e g r a t i o no fc a d c a p p c a mw o u l db et h e t r e n do fd e v e l o p m e n t 船t h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ng r o w s o nt h eb a s i so ft h r e ec a s e s o fs o m es p e c i a lc a p p ，t h a ti s ，f o rs h a f t , b o x ，a n dh y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e ，s o m ek e y t e c h n o l o g i e so fc a p pp l a t f o r mb a s e do np d m p l ma r er e s e a r c h e d t h em a i n c o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g 1 t h ep r o g r e s sa n ds t a t u so fc a p p , m o d u l a rd e s i g na n dp r o d u c tl i f em a n a g e m e n t a r es u m m a r i z e d t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i ci sr e p r e s e n t e da n dt h e c o n t e n t so f t h ep a p e ra r ei n t r o d u c e d 2 t h ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dp a t t e mb a s e do np d m p l mi nt h ec o u r s eo f m a n u f a c t u r ei sp u tf o r w a r d u n d e rt h ec o n s t r a i n t so fb u i l d i n gc a p pp l a t f o r m ，t h e a r c h i t e c t u r eo fc a p pp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d t h em o d e l so fd e c i s i o nm a k i n ga n d f u n c t i o nf o rp r o c e s sp l a n n i n ga r eg i v e n t h e nt h ed e v e l o p m e n tm e a n so fc a p pb a s e d s m a r t e a n la r ee x u a c t e d 3 t h es t r u c t u r eo fm o d u l a rp r o d u c tl i f ec y c l ei se s t a b l i s h e d t o w a r dt h ed i v i s i o n a n dp l a n n i n go ft h eg e n e r a lm o d u l e s ( g m ) o r i e n t e dp r o d u c tf a m i l y ，t h e c a d c a p pi n t e g r a t e dm o d e lo ff l e x i b l em o d u l eb a s e do nf e a t u r ea n dc a d c a p p m a p p i n g m o d e lb a s e do n p r o c e s sp l a n n i n g m a t c hb o a r da r es e tu p t h ek e y t e c h n o l o g i e so fs o l i d w o r k s s m a r t e a m c a p pi n t e g r a t i o na r es t u d i e s 4 f r o mt h ep o i n to fv i e wo fp r o c e s sm a t c hb o a r da n ds t e pm a t c hb o a r d ，t h e p r o c e s so fc r e a t i n gt op r o c e s sp l a n n i n gm a t c hb o a r di ss t u d i e d a sa l le x a m p l e ，t h e m a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n go fu pb e a mo fh y d r a u l i cp r e s sm a c h i n e si su s e dt o i n t r o d u c et h ee s t a b l i s h m e n to fp r o c e s sp l a n n i n gm a t c hb o a r db ym e a n so fi n f e r e n c e b a s e do ne x p e r tk n o w l e d g e t h eo r g a n i z em o d e la b o u tt h ep r o c e s sp l a n n i n gm a t c h b o a r do r i e n t e dp r o d u c tf a m i l yi sb r o u g h tf o r w a r d 5 t h em u l t i d e c i s i o nm e t h o d so fc a p ps y s t e mb a s e do na n a l y t i ch i e r a r c h ya r e g i v e n o nt h eb a s i so fu n i f o r md a t am o d e l ，t h es u b - m a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n go f p a r ti sa u t o c r e a t e db ym e a n so fa n a l y t i ch i e r a r c h y , t h es t e pd e c i s i o nm e t h o d sb a s e d o na h pi sp u tf o r w a r d 6 f o rt h ed e s i g n m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o ni nt h ec o u r s eo fp r o d u c tl i f ec y c l e ，t h e t r e es t r u c t u r eb a s e do no b j e c t o r i e n t e da n ds t a t i cm o d e lb a s e du m la r ef o u n d e d t h e m e t h o do fe s t a b l i s h i n g d e s i g n m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m i s b r o u g h t f o r w a r d t h ec o m m e r c i a lp l ms o f t w a r e - - s m a r t e a mi s r e g a r d e d a s d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，o n b a s i so fw h i c h ，t h ed e s i g n m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m i s b u i l t ，a n d t h em u l t i - v i e w m a p p i n gt e c h n i q u e o f d e s i g n m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o nm o d e li ss t u d i e s i i 7 ac o m p u t e r - a i d e dc a p pp l a t f o r mb a s e do np d m p l mi sf o u n d e d ，a n di t s s 廿u c t u r e ，f u n c t i o n ，w o r kf l o wi s i l l u s t r a t e d s o m ee x a m p l eo ft h es y s t e ma r e i n t r o d u c e d k e y w o r d s ：p d m p l m ，c a p pp l a t f o r m ，m o d u l a rp r o d u c t , p r o c e s sp l a n n i n gm a t c h b o a r d ，m u l t i d e c i s i o nm e t h o d s ，d e s i g n m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o nm o d e l ，m u l t i - v i e w m a p p i n g h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得歪壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：矧墨嵩 签字日期：凇年月；l oe t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：捌弓芳莩 导师签名： ( ，拉串 签字日期：r 年6 月却日签字日期：泖岁年占月切日 第一露绪论 第一章绪论 裁港遂是瓣隧经漭懿支毪产逢，裁潦援拳蠹接龟逡罄羟会瓣富。鬟赛露l 遣攮 的实践诞明，工龇化酗寐的真芷财富中肖6 0 8 0 是制造企她戳造的h j 。2 l 缎 怒是垒球纯、铸惑弦辞技零爨麟熬薅投，每令众鼗罄甏 疆着持续多交帮不蜀竞垒 预测的愈球纯市场竞争，竞争的核心麓以知识为基础酌新产晶纛争。鲻何提高众 数戆竟争秀是摆在每巾锱造受照嚣蘩豹严嫒麓戆。近3 0 牮来，飞逡发袋斡售怠技 术对制谶业所怒的作糯越来越大。 1 12 世纪制造缝的技术特点 为逑应2 l 滋纪游潮造数帑场、产磊及企犍特撼鹣需赘，未采豹先遴隶8 造技拳将向数字化、锻能化、慰络化、盛撒他、集成化的方向发鼹。由此 秘残的铡造系绽其有蘩经、孙满、敏捷熬酶髓。 1 、数字化、鸳憨忱怒先进制造技术秘机电产品的发展方向 褥数字豫技术鼹予裁造滟程，爵大大掇瘫裁逡邀程瓣黍瞧i 将数字他 技术“融入”机电产鼹，可摄尚其性能，使之升级，以满足国鼹经济和人 麓生懑毽盏臻长戆簧浓；将键能玩技洙注入强遵裂造技术粒产菇，可使之 舆有“嬲慧”，熊部分代替人的脑力势动。 2 、盛毅镄造技术羁瓣络铡遗按零将广泛盛蕊 虚拟制造技术以计算机焱持的仿真技术为前掇，形成艘拟的环境、廉 叛戆潮潦过纛、虚熬鹣产瑟、虚攒鹣企堑，鼠焉大大缭簸产燕开发瘸翳、 提高一次成功率。特别是网络技术的高速发展，奄业通过网际甄联网、屈 域滔熟海部瘸，激蜜魂鬏摅道赛上任褥一德静照户定蕈两缝建稳态鼗畿 企业，邀行异地设计、异地制造，然后在缴接近用户豹嫩产基地制造成产 龉。 3 、集成化 黠鬣公落、各耱企建之阕靛合佟澄成濑滚，垒球锈遥悉成炎制造技术 发展的趋势。集成包括单元信息的熊成、幼德的集成、过程的集成。集成 毒乏还懿稔企鼗巍帮黪豁舔瓣煞蔽，缀惫与横囱嚣集斌，毽精缝壤土翡集壤。 只有实现集成化，信总化才能发挥燎大的作用。 4 、黎稳、虿鬟梅往将戏秀众效懿逡互艺、装备獒鼹藩特患 个性纯需求和不确定的市场环橇，要求克服设备资源沉淀造成的成本 天津大学博士学位论文 升高风险。因此，先进的制造工艺、智能化软件和柔性的自动化设备、柔 性的发展战略，构成未来企业竞争的软、硬件资源；制造资源的柔性和可 重构性将成为2 l 世纪企业装备的显著特点。 综上所述，面向2 1 世纪制造业的技术特征实质上就是实现制造业的信 息化，作为制造业信息化的标志一制造信息系统是实现制造业敏捷化的 使能器0 3 。 1 2 c a p p 的国内外研究现状及发展趋势 1 2 1国外c a p p 的发展及研究现况 世界上第一个c a p p 系统是挪威于1 9 6 9 年推出并于1 9 7 3 年正式推出商 品化的a u t o p r o s 系统。美国于1 9 7 6 年由c a m - i 公司推出颇具影响力的 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，成为c a p p 发展史的里程碑。 随继出现的系统有美国o i r 的m i p l a n ( 1 9 8 0 ) ，美国l o c kh e e d 的g e n p l a n ( 1 9 8 0 ) 、美国m e t c u t 的a u t o p l a n ( 1 9 8 0 ) 。1 。目前国外流行的c a p p 系统 主要有：美国h m s 软件公司研制的“h m s c a p p ”、美国c i m x 推出的c s c a p p 、 美国i a m s 开发的“m e t c a p p ”以及莫斯科工业大学的“t e x h o h p o ”等。 从2 0 世纪6 0 年代末到目前三十多年期问，先后出现了设计方法不同 的两类系统，即派生式( v a r i a n t ) 系统和创成式( g e n e r a t i v e ) 系统。派生 式系统已从单纯的检索式发展成今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛 选功能的系统，融合了部分创成式的原则和方法。刨成式系统的研究和开 发始于7 0 年代中期，而且很快得到普遍重视，被认为是有前途的方法。1 9 7 7 年w y s k 在他的博士论文中首次提出了一个创成式c a p p 系统一一a p p a s “3 。 理想的创成式c a p p 系统，通过决策逻辑效仿人的思维，在无需人工干预的 情况下自动生成工艺。但是经过多年的努力，至今仍然没有一个真正意义 上的创成式c a p p 系统。因此，一些学者提出了半创成式c a p p 系统，即综 合派生式和创成式，在大多数情况下，使用派生式，若没有相应的典型工 艺时，使用创成式生成工艺。半创成式c a p p 系统被认为是最有前途的发展 方向之一。 随着计算机及其相关技术的发展，各种c a p p 系统在发展中不断改进、 提高和互相渗透，从2 0 世纪8 0 年代开始探索将人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ；a i ) 、专家系统等技术应用于c a p p 系统的研究和开发，研 制成功了所谓基于知识( k n o w l e d g e - b a s e d ) 的创成式c a p p 系统或c a p p 专 第章绪论 家系统。逡冗年寒，蠢学者骚1 撼滋了c a p p 罴统建造王其戆愚鼹，荠滋行7 卓有成效的实践；裔学者”叫将人工神经元网络、模糊推避、基于实例的推 理以及撼于知识的推理等技术用于c a p p 之中；有学者“1 ”对面向产品的c a p p 智毙睨壤念髂系及疆囊产鑫兹鬟成纯c a p p 系绞进行了秘究与实浅。述有学 者。”将传统派生式、刨成式与人工智能结合程一起，绦合它们的优点，构 造了所谓的混合式( h y b r i d ) c a p p 系统，如美国发表的c o r e c a p p 艨统就 属予此类。图卜1 所示为c a p p 鬈统的分类，扶上箍下凝映了c a p p 的发展 过程。 派 生 式 系 垫 罚 蔚 式 惹1 最 是至坚塑墨垫i 藏于畿盔臻本酶系统 基于传统过程性程序结构与决茕彤式的系统 基于工具或骨装式的摹统 基于工艺知识的专家系统 基于神经元网络的系统 滚生式毒盎l 盛式撩结合砖系统 基于实例与知识的系统 其它混夸式的系统 圈1 - 1c h p p 系统的分类 近年来，以自动化为唯一目标的c a p p 发展状况已经使人们对c a p p 研究与 并发璎软产生悔疑；a + m l u s c o m b e 和d 。j 。t o n c i c h 1 2 i 在铮对c n c 枧露逡霞戆 c a p p 研究中，强调“辅助( a i d ) ”而不是“是动亿( a u t o m a t i c ) ”。d i m i t r i s k i r i t s i s 1 3 在回顾了c a p p 专家系统的发展状况靥，对一个有效髓的c a p p 泵统必 需高度翻动化这一目橼感到怀疑；艨结了c a p p 存在的主要瓣题包括产品鄹零件 表达方式、工艺爱诗滋辑与氟谈、数据摩帮特缝谈尉等；浮逐了基予窳识虢专家 系统，指出基于知识的专家系统是c i m 中实现c a d 和c a p p 集成的有效方法。 v a n z e i r0 【1 4 l 提出了爱互式工艺设计( i n t e r a c t i v ep r o c e s sp l a n n i n g ) 的概念，并 开发7 蘩予交互式戆c a p p 原型系统。e i m a r a g l a y l l 5 j 捂塞c a p p 与产磊设访黥集 成、c a p p 与生产计划调度的集成、分布式工蘸设计、面向旗整的工艺设计及非 传统的c a p p 等将是c a p p 的主要发展趋势。l a l t i n g 1 6 】提出c a p p 系统臆当具 有与n c 编程、m r p 系统及产品佬真系统的接翻；在c a p p 系统静发展审a i 技 天津大学博士学位论文 术将被广泛地应用；未来的c a p p 系统应该能够实时的对生产过程进行检测，并 根据反馈结果进行实时修改；集成产品设计、工艺设计及产品制造将是c a p p 发 展的最终目标。e v e r s h e i m ”】对c a p p 指出未来的c a p p 系统应包括产品装配操 作：c a p p 应与n c 编程集成；人工智能方法应用于决策中；在与c a d 数据集 成中应使用共享数据库等。k a m r a n ia k 1 8 1 等则认为，c a p p 是将工艺设计人 员从许多工艺设计工作中解脱出来的一种工具；但能代替熟练工艺人员的c a p p 系统仍未开发出来，现有的c a p p 系统难以成为企业的解决方案。 1 2 2国内c a p p 的发展及研究现况 在国家8 6 3 c i m s 计划的支持和推动下，近年来我国c a p p 技术己取得 很大的成绩。“九五”期间，随着我国大力推广电子信息技术在传统产业 技术改造中的应用，大力推进机械设计“甩掉图板”及相应计算机辅助技 术的应用，企业对c a p p 的应用需求日益迫切。1 9 9 6 年4 月，针对国家 8 6 3 一c i m s 重点推广应用工程“西飞公司x a c c i m s 工程予项目x a c c a p p ( a o 、 f 0 ) 系统”开发，提出“以交互式设计为基础，以工艺知识库为核心，在波 音7 3 7 7 0 0 垂尾工艺( a o 、f o ) 设计和管理上全部实现计算机化、信息化， 并实现通过数据库系统同m i s 、m a s 、f m s 等对产品工艺信息共享集成”的 c a p p 开发与应用模式。在此基础上，1 9 9 7 年6 月，结合国家“九五”攻关 项目子专题“基于微机环境的实用化c a p p 应用系统”的开发，提出“以工 艺知识库产品工艺数据库为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管 理和工艺卡片格式编辑器为应用支持工具，面向产品全面实现工艺设计与 管理计算机化、信息化”的全新c a p p 应用框架与应用开发模式，标志着我 们国家开始了c a p p 产品化的工作。随后相继出现了国内c a p p 的研究热潮， 如浙大大天公司的“g s c a p p ”、西北工业大学的“c a p p f r a m e w o r k ”、天喻 信息产业责任有限公司的“i n t e c a p p 系统”、北京清华京渝天河软件公司的 “t h c a p p ”、华工科技产业股份有限公司的“开目c a p p ”及上海s i p m 公司 的“s i p m c a p p ”等等。 近年来，国内外一些c a p p 系统“”引入了a g e n t 技术，但只是将该项 技术作为一种决策中的推理技术来应用，而没有发展到系统整体结构的规 划和研究上。 1 2 3c a p p 的发展趋势 c a p p 被公认为是c a d c a m 真正集成的关键，是许多先进制造系统的技 天津大学博士学位论文 术将被广泛地应用；未来的c a p p 系统应该能够实时的对生产过程进行检测，并 根据反馈结果进行实时修改；集成产品设计、工艺设计及产品制造将是c a p p 发 展的最终目标。e v e r s h e i m ”1 对c a p p 指出未来的c a p p 系统应包括产品装配操 作：c a p p 应与n c 编程集成；人工智能方法应用于决策中；在与c a d 数据集 成中应使用共享数据库等。k a m r a n ia k 【1 8 】等则认为，c a p p 是将工艺设计人 员从许多工艺设计工作中解脱出来的一种工具：但能代替熟练工艺人员的c a p p 系统仍未开发出来，现有的c a p p 系统难以成为企业的解决方案。 1 2 2 国内c a p p 的发展及研究现况 在国家8 6 3 c i m s 计划的支持和推动下，近年来我国c a p p 技术已取得 很大的成绩。“九- 五“期间，随着我国大力推广电子信息技术在传统产业 技术改造中的应用，大力推进机械设计“甩掉图板”及相应计算机辅助技 术的应用。企业对c a p p 的应用需求日益迫切。1 9 9 6 年4 月，针对国家 8 6 3 一c i m s 重点推广应用工程“西飞公司x a c c i m s 工程子项目x a c c a p p ( a o 、 f 0 ) 系统”开发，提出“以交互式设计为基础，啦工艺知识库为核心，在波 音7 3 77 0 0 垂尾工艺( a o 、f 0 ) 设计和管理上全部实现计算机化、信息化， 并实现通过数据库系统同m i s 、m a s 、f m s 等对产品工艺信息共享榘成”的 c a p p 开发与应用模式。在此基础上，1 9 9 7 年6 月，结合国家“九五”攻关 项目子专题“基于微机环境的实用化c a p p 应用系统”的开发，提出“以工 艺知识库产品工艺数据库为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管 理和工艺 片格式编辑器为应用支持工具，面向产品全面实现工艺设计与 管理计算机化、信息化”的全新c a p p 应用框架与应用开发模式，标志着我 们国家开始了c a p p 产品化的工作。随后相继出现了国内c a p p 的研究热潮， 如浙大大天公司的“g s c a p p ”、西北工业大学的“c a p p f r a m e w o r k ”、天喻 信息产业责任有限公司的“i n t e c a p p 系统”、北京清华京渝天河软件公司的 “t h c a p p ”、华工科技产业股份有限公司的“丌目c a p p ”及上海s i p m 公司 的“s i p m c a p p ”等等。 近年来，国内外一些c a p p 系统”“1 引入了a g e n t 技术，但只是将该项 技术作为一种决策中的推理技术来应用，而没有发展到系统整体结构的规 划和研究上。 1 2 3c a p p 的发展趋势 c a p p 被公认为是c a d c a m 真正集成的关键，是许多先进制造系统的技 c a p p 被公认为是c a d c a m 真正集成的关键，是许多先进制造系统的技 天津大学博士学位论文 术将被广泛地应用；未来的c a p p 系统应该能够实时的对生产过程进行检测，并 根据反馈结果进行实时修改；集成产品设计、工艺设计及产品制造将是c a p p 发 展的最终目标。e v e r s h e i m ”】对c a p p 指出未来的c a p p 系统应包括产品装配操 作：c a p p 应与n c 编程集成；人工智能方法应用于决策中；在与c a d 数据集 成中应使用共享数据库等。k a m r a n ia k 1 8 1 等则认为，c a p p 是将工艺设计人 员从许多工艺设计工作中解脱出来的一种工具；但能代替熟练工艺人员的c a p p 系统仍未开发出来，现有的c a p p 系统难以成为企业的解决方案。 1 2 2国内c a p p 的发展及研究现况 在国家8 6 3 c i m s 计划的支持和推动下，近年来我国c a p p 技术己取得 很大的成绩。“九五”期间，随着我国大力推广电子信息技术在传统产业 技术改造中的应用，大力推进机械设计“甩掉图板”及相应计算机辅助技 术的应用，企业对c a p p 的应用需求日益迫切。1 9 9 6 年4 月，针对国家 8 6 3 一c i m s 重点推广应用工程“西飞公司x a c c i m s 工程予项目x a c c a p p ( a o 、 f 0 ) 系统”开发，提出“以交互式设计为基础，以工艺知识库为核心，在波 音7 3 7 7 0 0 垂尾工艺( a o 、f o ) 设计和管理上全部实现计算机化、信息化， 并实现通过数据库系统同m i s 、m a s 、f m s 等对产品工艺信息共享集成”的 c a p p 开发与应用模式。在此基础上，1 9 9 7 年6 月，结合国家“九五”攻关 项目子专题“基于微机环境的实用化c a p p 应用系统”的开发，提出“以工 艺知识库产品工艺数据库为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管 理和工艺卡片格式编辑器为应用支持工具，面向产品全面实现工艺设计与 管理计算机化、信息化”的全新c a p p 应用框架与应用开发模式，标志着我 们国家开始了c a p p 产品化的工作。随后相继出现了国内c a p p 的研究热潮， 如浙大大天公司的“g s c a p p ”、西北工业大学的“c a p p f r a m e w o r k ”、天喻 信息产业责任有限公司的“i n t e c a p p 系统”、北京清华京渝天河软件公司的 “t h c a p p ”、华工科技产业股份有限公司的“开目c a p p ”及上海s i p m 公司 的“s i p m c a p p ”等等。 近年来，国内外一些c a p p 系统“”引入了a g e n t 技术，但只是将该项 技术作为一种决策中的推理技术来应用，而没有发展到系统整体结构的规 划和研究上。 1 2 3c a p p 的发展趋势 c a p p 被公认为是c a d c a m 真正集成的关键，是许多先进制造系统的技 第一章绪论 术基础。近年来，随着先进制造技术的发展，无论从广度上还是从深度上， 都对c a p p 的发展提出了更新更高的要求。 1 集成化 经过近3 0 年的发展，c a d 软件已经成为成熟的技术，目前大多数c a d 、 c a m 软件供应商都能提供集成化的c a d c a m 系统。但是，比较困难的是如何 解决c a d 、c a p p 、c a m 系统之间有效的、可靠的集成。随着制造技术和自动 化程度的不断提高，集成化是c a p p 系统发展的必然。近几年来，国内外有 关集成的报道很多，综合起来主要有以下几种方法“4 。2 “： 1 ) 基于特征的集成方法 特征技术涉及产品零件形状和属性，包含了产品隐含的工程语义，从 一定意义上满足产品c a d c a p p c a m 的集成和并行运行的需求。因此是实 现c a d c a p p c a m 信息集成的关键技术，特征技术主要包括：交互式特征定 义，基于几何模型的特征自动识别，零件特征组合描述，基于预定义特征 的特征造型和实现特征集在不同应用领域间转换的特征映射等。 2 ) 基于数据接口的集成方法。7 1 ” 这种集成方法可以按特定的数据接口进行，也可按标准的数据交换接 口连接，而后者可实现数据共享。在国际上比较流行的应用很广的产品模 型数据交换标准( s t e p ) 是以e x p r e s s 语言为核心，能解决制造过程中的 c a d 、c a p p 、c a m 等活动的产品信息共享，随着s t e p 标准的目趋完善，它将 成为c i m s 领域信息集成的热点研究课题，可以从根本上解决了c i m s 信息 集成问题。 3 ) 基于p d m p l m 的集成技术 p d m p l m 系统是建立在关系型数据库上面向对象的应用系统。它将与产 品有关的信息统一管理起来，按信息的不同用途分门别类地管理，是一个 面向对象的企业全局信息集成框架。因此p d m p l m 系统作为3 c 集成的平台， 一方面要为3 c ( c a d c a p p c a m y 系统提供数据管理与协同工作的环境，同 时还要为3 c 系统的集成提供支持。 2 、工具化 通用性问题是c a p p 中需要考虑和实现的最为关键的问题之一，为了适 应实际生产过程中变化多端的问题，应该使c a p p 系统能像c a d 系统一样具 有通用性，工具化c a p p 的思想主要体现在以下几个方面o ”3 “。 1 ) 工艺设计的共性与个性要分开处理，使c a p p 系统各工艺设计模块 与系统所需的工艺数据与知识( 或规则) 完全独立。共性包括推理控制策 略和一些公共的算法以及通用的、标准化的工艺数据与工艺决策知识。个 天津大学博士学位论文 经主要毽稔与特定蕊王嚣境辖关懿王蔻数据及工艺决策袈谈。 2 ) 工艺决策方式多榉化。系绕的工艺设计怒通过推理机实现的。谯嶷 际生产中，单一的推理控制策略不能满足用户的需求。因此，系统应能给 蠲户提供滚裳式、基予翔识夔剖成武叛及又杌交置式等多耪王艺浚诗方法。 3 ) 其脊统一标准的数据与知识管理平台。镪括友好的入杌工作界藤， 便利的数据与知识管理系统，以便于用户根据自身的要求建立工艺知识岛 数据瘁。 3 、荠嚣纯3 ” 并行化c a p p 是在然成化和智能化基础上的避步发展，充分体现了并 彳亍工程的思想。其意义不仅在于设计阶段的并行，还包括制造、规划过程 中各个囊筑部愆夔势行。势嚣证瓣援。是c a d c a p p 之阕豹势行。主要髂瑷 在c a p p 能谯c a d 产品设计的过程中，为c a d 攮供产品设计工艺性反馈，对 设计方案簿结果进行可制造性分析和评价，尽昂发现设计巾的问题，确保 设计的合理性，减少设计反复。强麓主要方法楚建立可制造瞧综合评价沩 麓模块或予系统，禳据零侔信息帮翻造资源信息，在一定工麓覆羽指导下， 建立评价函数，对零件结构工艺性、加工工艺性等指标进行分析评价。 4 智能化”6 制 裁造鼗姆送入餐翡翻造兹对筑。鹫藐耽是翻造韭发震豹憩趋势，遭去 研究最多的是各种各样的c a p p 专家系统，至令已有多种c a p p 专家系统谨 实际中应用。近期神经网络、模糊理论和遗传算法等技术得到广泛研究， 为c a p p 系统的逶一步簧缆纯提供了瑷论基础。掰稳常翅豹a i ( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n t ：人工智煞) 技术还有：藻板结梅( b l a c k b o a r da r c h i t e c t u r e ) ： 混沌理论( c h a o st h e o r y ) ；计算机视觉( c o m p u t e rv i s i o n ) ；基于约柬的 搜索( c o n s t r a i n tb a s e ds e a r c h ) ；专家系统( e x p e r ts y s t e m s ) 、知识基 蘩绫( k n o w l e d g eb a s e ds y s t e m s ) ；翔谈表速( k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ) ； 闰论( g r a p ht h e o r y ) ；扁发式搜索( h e u r i s t i cs e a r c h ) ；机器学习( m a c h i d e l e a r n i n g ) ；p e t r i 网( p e t r in e t s ) ；定性推理( q u a l i t a t i r er e a s o n i n g ) ； 维理技术 r e a s o n i n gt e c h n i q u e s ) 提毂论 ；生物翩造系统( b i o l o g i c a l m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) ；多智能主体系统( m u l t ia g e n ts y s t e m s ) 等。 尽管专家系统等人工智能技术强c a p p 中的蹴黑取得了许多成果，但趄 专家系统在皴识获取、攘理方法、求解空霾等方覆还存在一整瓣蔻，量道 分强调工兹决策的自动化，使开发豫用高，系统适应性差，滩以推广应用。 所以，以交互式为基础的检索、修订、创成等工艺决策混合技术建立的综 第一章绪论 合智能化c a p p 系统框架，才能真正理顺先进性与实用性。 纵观先进制造技术的发展，可以看到，未来的制造是基于集成化、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，而c a p p 的智能化、集成化和广泛应用是实现产品工艺过程信 息化的前提，是实现产品设计与产品制造全过程集成的关键性环节之一。 从我国先进制造技术发展战略和国情出发，c a p p 的发展应在符合新技术发 展趋势的前提下，从系统化角度对面向产品( 以整个产品为对象) 的c a p p 集成化( 包含工艺信息管理) 、智能化、工程化技术进行深入研究；并应更 加强调市场需求，在工程化、商品化软件开发方面投入足够的力量，把c a p p 技术的研究、开发推向新阶段。 1 3 模块化设计的研究与应用 1 3 i 模块化设计的概念 模块化作为一种思想，其应用日益广泛，随着人们研究的深入，对模 块化的理解不断加深。但目前来说，关于模块化的概念还没用形成统一的 定义，不同的学者从不同的角度和深度对其进行了研究。 u l r i c h ”认为模块化与设计中的两个特点紧密相关： 1 ) 设计中功能域与物理结构域之间地对应程度影响模块化的程度； 2 ) 产品物理结构间相互影响程度的最小化。 这两点从设计学角度指出了影响模块化设计的基本因素，首先是在系 统分析规划时，采用适当的方法对设计过程中各个部分，尤其是产品的功 能域、结构域以及二者之间映射关系的合理分析，是模块化设计技术的关 键影响因素。其次，要保证模块的功能、结构的相对独立性，即将模块之 间相互影响的因素尽量减小。 s u h 。”从功能一设计参数映射的角度定义模块化设计：模块化设计是一 种分析结果的产生，这种结果以产品、过程和系统的形式表现，并满足预 定的需求，其方法是选择适当的设计参数( d p s ) 完成从功能需求域( f r s 。p a 。e ) 到设计参数域( d p 。s p a c e ) 的映射，即， f r h a - b p ， a 】是设 计矩阵。 天津大学博士学位论文 p a h l 和b e i t z “”认为模块设计是完成从功能需求域到模块功能域的映 射，然后在考虑模块性能( 如尺寸、重量等) 基础上完成从模块功能域到 模块结构域的映射，这三种域的映射关系如图l _ 2 所示，并将模块功能域 的功能分为基本功能b f 、附加功能a f 、适应性功能a d f 、专用功能c f 、用 户定制功能s f 五类，相应地将模块结构定义为基本模块b m 、附加模块a m 、 适应性模块a d m 、专用模块c m 、用户定制模块s m 。 卜1 g 订 l fl l 叫1 _ j 谚善 f 回 n 习 i _ j 回 回 1s f | l 叫 i 一 圈1 - 2 三个设计领域的映射图 文献“”认为：“模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不 同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功 能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需 求的设计方法。” 文献“”认为，模块化设计是综合考虑系统对象，把系统按功能分解成 不同用途和性能的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设 计部分专用模块) 迅速组成各种要求的系统的一种方法。 文献“”从系统论角度定义模块化为：为取得最佳效益，从系统观点出 发，研究产品( 和系统) 的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块系 统，并运用模块组合成产品( 或系统) 的全过程。 文献“”认为机床模块化设计是将机床上同一功能的单元设计成具有不 同用途或性能的、可互换选用的模块，根据市场需要拼组成具有不同性能 特点的机床。 关于模块的定义，文献“”认为，模块是一组同时具有相同功能和相同 结合要素，而具有不同性能或用途甚至不同结构特征，但能互换的单元。 并进一步指出模块化设计是基于模块的思想，将一般产品设计任务设计成 模块化产品方案的设计方法。它包括两方面内容：模块创建和模块综合。 所谓模块，就是用来组合实现多种不同功能或相同功能不同性能、不 同结构形式的技术系统的通用结构单元，它可以是零件、部件，+ 也可以是 第一章绪论 个系统，其主要静缩构特点楚具有稽同的接口。 另