（机械制造及其自动化专业论文）基于标准化的回转体零件capp系统设计.pdf

摘要 摘要 工艺设计是连接产品设计与制造的桥梁，计算机辅助工艺设计( c a p p ) 作为 工艺设计的计算机实现方式，是c a d c a m 集成乃至实现c i m s 的关键技术。但 与c a d 、c a m 相比较，c a p p 的应用、研究与发展相对滞后。造成这个现象的 一个很重要的原因就是在进行c a p p 系统开发的时候，没有按照统一的设计标准 和规范来对系统进行开发。如果不按照统一的设计标准和规范来对系统进行开发， 就不可能彻底改变按专用系统开发的道路，就很难实现c a p p 系统的通用化。 为了开发出标准化、通用化的c a p p ，我们充分运用标准化技术、模块化技 术、计算机技术，创造性的把以上原理与方法用于零件工艺设计的全过程，建立 了大量标准工序、工艺及设备、工装、余量、工艺路线规范、加工路线规范的知 识库，初步开发出了标准化、通用化的j z c a p p 系统。 零件信息的描述部分，结合回转体零件的特点和工艺设计对输入信息的要求， 在形面描述法的思想上构建了系统零件信息模型。根据系统目标和功能要求，在 工艺决策的过程中采用决策表和决策树的决策逻辑表达方式并借鉴了专家系统中 知识库与推理机相互独立的思想，提出了以数据库为基础的决策模式，并按此决 策模式的要求，以关系数据模型实现了工艺知识的表达与存贮。工艺生成部分， 首先初步生成加工链，然后根据型面各工步的加工方法与加工精度对加工链进行 分解和整理，在工艺知识库里获取的加工顺序、热处理原则等工艺知识对零件工 艺进行优化、重构、排序，生成最终工艺。整个系统为由零件信息数据库、工艺 知诃数据库、工艺决策推理程序构成的“数据+ 知识+ 控制= 系统”的三级体系结 构。 该系统是在基于w i n d o w s 操作系统的主流开发平台p o w e r b u i l d e r 9 0 上， 利用s q l s e r v e r2 0 0 0 数据库系统的支持进行开发的。系统结构合理、人机界面友 好、决策过程透明、易于扩充维护，较好的解决了c a p p 系统的通用性、实用性 和适用性的问题。 关键词：标准化；形面要素描述；关系数据库；重构 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o c e s sp l a n n i n gi st h eb r i d g et h a tf i n k sp r o d u c td e s i g nw i t hm a n u f a c t u r e a st h e c o m p u t e rr e a l i z i n gw a y f o rp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p pi st h ep i v o t a lt e c h n o l o g yt or e a l i z e t h ei n t e g r a t i o nb e t w e e nc i m sa n dc a d c a m h o w e v e rn o to n l yt h ea p p l i c a t i o no rt h es t u d yb u ta l s ot h ed e v e l o p m e n to fc a p p r e l a t i v e l yl a g sb e h i n dc a d a n dc a m i t so n ei m p o r t a n tc a u s eo ft h ep h e n o m e n o nt h a t d e v e l o p i n gt h ec a p ps y s t e mw i t h o u tn n i f o r n lc r i t e r i o n t h ew a y t od e v e l o pu n i v e r s a l c a p ps y s t e m sw o n ta c h i e v ei fw ed o n td e v e l o pt h es y s t e ma c c o r d i n gt ou n i f o r n l c r i t e r i o n t od e v e l o p m e n tt h es t a n d a r da n du n i v e r s a lc a p ps y s t e m ，n o tt h et e c h n o l o g yo f s t a n d a r d i z a t i o na n dt h et e c h n o l o g yo fm o d u l a x i z a t i o nb u tt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r a r eu s e ds u f f i c i e n t l yt h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s so fp r o c e s sp l a n n i n go fp a r t s m a n y d a t a b a s e sa b o u ts t a n d a r dw o r k i n gp r o c e d u r e ，e q u i p m e n t , r e m a i n d e r , a n dc r i t e r i o no f p r o c e s sa r eb u i l d e d t h es y s t e mn a m e dj z c a p ps y s t e mt h a ti ss t a n d a r da n du n i v e r s a l i sd e v e l o p e dp r i m a r i l y t h ei d e at h a tr e p o s i t o r yi ss e p a r a t e df r o mr a t i o c i n a t i o ni ne x p e r ts y s t e m si su s e df o r r e f e r e n c ei nt h ep r o c e s so fc r a f td e c i s i o nb a s e do nt h ea i mo fs y s t e ma n do nt h en e e do f f u n c t i o n b yt h en e e do ft h em o d e o fd e c i s i o nt h a tb a s e do nd a t a b a s ew ep r e s e n t e d ，t h e e x p r e s s i o na n dd e p o s i to fk n o w l e d g ea b o u tc r a f ti sr e a l i z e db yr e l a t i o nd a t am o d e l t o t h ed e s c r i p t i o no fp a r t si n f o r m a t i o n ，w ei n t e g r a t et h ec h a r a c t e r i s t i co fr o t a t i o n a lp a r t s w i t ht h en e e do fp r o c e s sp l a n n i n gt oi n f o r m a t i o ni n p u t ，a n dd e s i g nt h em o d e lo fp a r t s i n f o r m a t i o nb yt h ei d e ao fd e s c r i p t i o no fe l e m e n t so fs h a p e t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n i st r i p i es y s t e mc o m p o s e do fp a r t si n f o r m a t i o nd a t a b a s e ，c r a f tk n o w l e d g e d a t a b a s ea n d t h ep r o g r a m m eo fr a t i o c i n a t i o n t h es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e di no p e r a t i n gs y s t e mo fw i n d o w s2 0 0 0w i t hs q l s e r v e r2 0 0 0a n dp o w c r b u i l d e r 9 0 t h a tt h es t r u c t u r ei sr e a s o n a b l e ，t h em a n m a c h i n e a b s t r a c t i n t e r f a c ei sf r i e n d l y , t h ep r o c e s so fd e c i s i o ni st r a n s p a r e n ta n dt h em a i n t e n a n c ei s c o n v e n i e n ti st h es p e c i a l t yo fj z c a p ps y s t e m i naw o r d ，u n i v e r s a l i t y , p r a c t i c a l i t ya n d a p p l i c a b i l i 哆a l es o l v e dw e l li nt h es y s t e m k e y w o r d s ：s t a n d a r d i z a t i o n ；d e s c r i p t i o no fe l e m e n t so fs h a p e ；r e l a t i o n a ld a t a b a s e ； r e c o n s t r u c t i l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期：丛竺幺：夕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者躲观导师繇逸俎日期：型少论文作者签名：懈导师签名：缉日 期：趔 二7 第1 章绪论 1 i 引言 第1 章绪论 c a p p ( c o m p u t c ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 是计算机辅助工艺规划的简称，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， 是生产中的关键环节。工艺设计必须分析和处理大量的信息，既包括零件结构形 状、尺寸公差、材料及热处理以及批量等方面的信息，还包括加工制造中有关加 工方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额，甚至还有传统习惯等方面 的信息。因此，人们在进行工艺设计时必须查阅大量的表，做大量的计算等烦琐 的工作。传统的手工设计工艺规程主要存在以下问题： 工作量大，设计效率低下。 对工艺设计人员要求高，工艺设计的难度性大。 无法实现用计算机来统一管理和维护工艺文件，工艺信息不能与其它部门 共享。 工艺工作与已实现的c a d 设计工作无法接口。 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。 高速发展的计算机科技为工艺设计的自动化奠定了基础，计算机不仅能有效 地进行快速、准确的计算，还能进行各种形式的比较和选择，自动绘图，编辑文 件，加工仿真等，可见计算机的这些优势正是工艺设计所需要的，于是计算机辅 助工艺设计( c a p p ) 便应运而生。c a p p 不仅能利用工艺人员的经验知识和各种 工艺数据进行科学的决策、自动生成工艺规程，还能自动计算工序尺寸、绘制工 序图、选择切削参数和自动生成n c 代码等，从而使得工艺设计与c a d 、c a m 乃至m i s 等系统的集成成为可能。 1 2c a p p 在c 蹦s 中的作用 激烈竞争的市场环境极大地促进了现代制造技术的发展。尤其是最近2 0 多年 山东大学硕士学位论文 来迅速发展起来的c i m s 技术无疑己成为现代制造行业共同研究的主要方向。而 作为c i m s 的核心，c a d c a p p c a m 的真正集成己引起国内外有关专家学者的 高度重视并因此成为研究的热点，而其中c a p p 系统则是实现c a d 与c a m 集成 的真正桥梁。 c i m s 是利用计算机对企业的主要功能活动信息进行集成和控制。它可以分 解为管理信息分集成系统( 简称m i s ) 、工程信息分集成系统( 简称c a d c a m ) 、质 量信息分集成系统( 简称q i s ) 、生产自动化分集成系统( 简称p a ) 、网络( n e t ) 和数 据库( d b ) 。其中c a d c a m 的作用是全面实现从c a d 到c a p p ，从c a p p 到c a m 的信息集成，完成产品设计、工程分析、工艺设计、n c 加工程序的生成。数据 库和网络则是各分集成系统的支撑，d b 采用分布式管理系统建立c i m s 工程数据 库，为c i m s 的开发和集成提供良好的信息服务，以实现对c i m s 信息的有效存 贮、管理和维护，达到各集成系统间数据的共享。n e t 是一个支持分布式数据库， 实现各分集成系统的计算机通讯网络系统，完成信息传递的工作。c a p p 属于 c a d c a m 分集成系统，是把产品的设计信息转换为各种加工、管理信息的关键 环节。目前，相对于n c 技术和c a d 技术来说，c a p p 技术发展较慢，在实际生 产中的应用也不是很成熟。产生这个现象的主要原因是工艺规划的涉及面广，随 机性大，很难用简单的数学模型对其进行理论分析和决策，从而使得c a p p 成为 现代机械制造业中的急需解决的公认的难题。目前，各国均己投入大量的人力物 力对其进行研究，我国己把c a p p 列入8 6 3 c i m s 重点研究项目。 1 3c a p p 的发展及分类 国外从6 0 年代末开始研究c a p p 技术。第一个c a p p 系统是挪威于1 9 6 9 年发表的a u t o p r o s 系统。它是根据成组技术原理，利用零件的相似性去 检索和修改标准工艺来制定相应的零件规程。美国的c p 州 公司于1 9 7 6 年 推出的c a m a u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统具有里程碑意义，它属于派 生式系统。7 0 年代中期开始了创成式系统的研究与开发，很快被认为是理想 的发展模式，但其技术至今仍不完善，因此人们又提出了半创成式系统。进 入8 0 年代以来，随着人工智能与专家系统技术在c a p p 领域中的应用，产生 2 第1 章绪论 了所谓c a p p 专家系统f ”。 我国研究c a p p 系统是始于7 0 年代末，从1 9 8 2 年上海同济大学正式发表了 我国第一个c a p p 系统t o j i c a p p ，至今已开发各类c a p p 近百种，几乎遍及所 有行业的机械制造部门田。纵观c a p p 的发展过程，就其工作原理而论，可以分 为三大类，即派生式、创成式和综合式。 1 ) 派生式( v a r i a n t )派生式是利用成组技术原理，将零件按结构与工艺的 相似性分类归族，事先为每一族零件设计出相应的标准工艺过程存入计算机。当 需要设计某一零件的工艺过程时，将零件按结构工艺特征进行编码输入计算机， 由计算机检索出相应的零件族的标准工艺，再按事先存入计算机的决策逻辑与进 一步深入的具体零件的补充信息，对标准工艺进行增、删和重新排序等编辑工作， 从而得出适应于该零件的工艺，同时进行相应的机床、刀具、切削参数选择、工 时定额计算等。由于派生式所实际依据的是对标准样件进行检索的原理，故又称 其为检索式工艺设计。 2 ) 创成式( g e n e r a t i v e )创成式工艺设计是指不采用事先准备好的标准工艺 过程文件，而是由软件系统“创造”一个新的工艺过程。它事先向计算机输入一 系列决策逻辑( 规则库) 及相应的决策参考信息( 各种数据库) 。当把需要编制工 艺的零件结构信息和工艺信息输入计算机后，计算机仿照工艺设计人员的决策过 程，自动地为该零件创制一个工艺规程，包括自动选择工艺过程、机床、刀具、 量具、切削参数等。这种方法使c a p p 系统真正保存和继承了工艺过程设计的知 识与经验，能适应技术的不断发展，完全摆脱了具体工艺过程设计中对操作人员 知识和经验的依赖。 3 ) 综合式( s e m i g e n e r a t i v e )综合式又称半创成式，它将派生式与创成式 结合起来，一般工序设计用派生式的方法，而工步设计则用创成的方法。由于实 际工艺设计中最困难的工作是确定定位装夹方案与工序顺序，故采用创成式的难 点也在于此。但综合式避开了这一难题，它仍用样件工艺来实现上述工作，但在 较简单的工步设计中则利用创成的思想，使整个系统易于开发。不过，综合式的 基本工作原理仍与派生式差不多，它主要也是依据样件工艺的思想，仍需进行零 件族的工作。因此，派生式的缺点在综合式中仍不同程度存在。 山东大学硕士学位论文 1 4c a p p 系统的基本结构 c a p p 系统的基本结构视其工作原理、产品对象、规模大小的不同而有较大 的差异。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部分。 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 前还不能像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，数据库技术给予我们很大的帮助。这就要求 通过建模将零件的几何信息( 包括零件尺寸，形状等) 和工艺信息( 主要包括；尺寸的 精度等级、形位公差，表面粗糙度，热处理，表面处理，材料，生产规格等) 写入 - 数据库。这是c a p p 的关键问题之一。 2 ) 工艺决策工艺决策是以零件信息为依据，按工艺决策原则，调用有关工 艺知识库进行决策，生成零件的工艺规程和n c 代码。 3 ) 工艺数据，知识库工艺数据知识库是系统支撑工具，它包括工艺设计所 需工艺数据( 如加工方法、余量、切削用，l 、机床，刀具、夹具、量具、辅具以及 材料、工时、成本核算等多方面的信息) 和规则( 包括工艺决策逻辑、决策习惯、经 验等众多内容) 。 4 ) 人机界面人机界面是用户的工作平台，包括系统菜单、工艺设计的界面、 工艺数据，知识的输入和管理，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工艺文件管理与输出是工艺文件的格式化显示、存 盘、打印以及输出零件的n c 代码。 1 5c a p p 技术的发展前景 随着计算机技术的不断发展和制造企业生产的不断变化，c a p p 技术也不断 的向前发展。分析国外近3 0 年和我国l o 余年c a p p 的发展情况，就其研究方法 而言，基本经过了检索式、派生式、半创成式、创成式的过程。目前正在广泛进 行智能化、集成化、柔性化和并行化方面的研究。 1 ) 智能化智能化是8 0 年代以来c a p p 系统研究的重要发展方向之一。过 4 第1 章绪论 去研究最多的是各种各样的c a p p 专家系统3 嘲，至今已有多种c a p p 专家系统在 实际中应用。但是专家系统在知识获取、推理方法、求解空间等方面还存在一些 问题，目前正在广泛研究的神经网络【蜘、模糊理论和遗传算法等技术为c a p p 系 统的进一步智能化提供了理论基础。 2 ) 集成化集成化是c a p p 系统发展的必然。随着制造技术和自动化程度的 不断提高，集成的内涵也随之发生变化。就目前的研究来看，主要包括以下两个 方面： c a d c a p p 的集成嗍这种集成主要是信息的集成，它是克服c a p p 系统信 息输入困难的根本途径，也是c a d ，c a p p c a m 集成的关键。基于特征自动识别 的方法试图从c a d 的零件几何和工艺描述中获取零件的特征数据，并从c a d 数 据库中自动识别零件特征；基于数据交换的方法则借助标准数据接口如s t e p 标准 等以期实现c a d c a p p 的数据共享；更多学者致力于特征设计的研究，基于对零 件特征的准确描述，试图从根本上实现c a d c a p p 的信息集成。这方面的研究很 普遍，文献也很多。目前，我国也成功地开发了一些专用系统。 c a p p p p s ( 4 = 产计划与调度) 的集成 8 1 这种集成主要是系统功能的集成，它 是目前国内外研究的热点。为实现c a p p 与现实制造环境的信息关联，使c a p p 不仅在技术上而且在实际操作上具有可行性，c h r y s s o l o u r i s 等根据多级并行分布 式集成体系结构，对集成递阶决策模型作了深入研究，实现相关工艺决策的并行 完成并与p p s 作为一个整体进行优化。基于面向生产调度的c a p p 集成框架，使 c a p p 具有适应于调度的柔性，能充分反映生产的动态性和资源利用的计划性， 即所谓动态c a p p 系统。有关这方面研究的资料很多，提出的研究方法也不少， 如非线性工艺规划、动态工艺规划、准时工艺规划等，但真正实用的系统极少。 3 ) 柔性化为了适应不同企业和产品不断变化的要求，柔性化也是近年来 c a p p 研究的方向之一。它的研究主要有两种途径： 研究和开发c a p p 工具系统和c a p p 专家系统工具，给不同生产条件的企 业提供更大的柔性； 研究和开发非线性工艺规划系统，生成多个可选工艺规程，给车间调度提 供更大的柔性。 山东大学硕士学位论文 4 ) 并行化并行化c a p p 是在集成化和智能化基础上的进一步发展，充分 体现了并行工程咖的思想。并行工程是目前国际机械工程领域研究的热门课题。 并行c a p p 作为实现并行工程目标的重要支持工具，国内外还都处于探索阶段， 主要局限在原型系统开发和理论研究上【1 p 1 ”。 1 6c a p p 系统的基本工作原理及主要工作方法 c a p p 从本质上来说就是模拟人的编制工艺方法，代替人完成编制工艺的工 作。c a p p 系统中编制工艺的工作一般应包括： 1 z 1 4 l 编制工艺路线：包括所采用的各种工艺方法及顺序。 所需工艺装备：如机床、刀具、夹具、量具等。 工艺参数：如加工中的切削用量、加工余量、工序公差等 工时定额 1 7 课题分析 1 7 1 课题的提出和意义 计算机技术的发展对制造业的发展起了很大的促进作用，计算机用于产品设 计计算、绘图从2 0 世纪5 0 年代就开始了，至今已基本形成一个比较完整的辅助 设计系统。由于工艺设计的复杂性，所以直到1 9 6 7 年世界上才开始研究计算机辅 助工艺设计，经过3 0 多年的研究开发与应用，有了很大的发展，从最基本的样件 法、派生法发展到生成法和应用人工智能专家的原理开发c a p p 。但是，由于工 艺设计的多样性，过去开发的都是在特定环境下的工艺系统，通用化、标准化程 度很低，国外所提供的某些商品化软件也只是一种模式c a p p 框架，并没有具体 的工艺内容，所以至今c a p p 没有形成像c a d 、m r p i i e r p 那样比较完善的支 撑系统与原型系统。由于各种新技术的发展，企业为了在市场竞争中求生存与发 展，新的制造理论不断出现，如工业工程、并行工程、精益生产、集成制造等等。 为了取得良好的经济效益，要求企业产品的开发制造技术与管理技术都有同步的 发展，这已被世界的历史所证实。因此，工艺设计作为产品设计、制造与管理的 6 第1 章绪论 桥梁必须跟上形势的发展。2 0 世纪8 0 年代以来c a p p 成了国内外研究开发的重 点，但是由于工艺设计的内容没有统一的设计标准与规范，所以到目前为止，所 开发的c a p p 系统都是按专用系统进行的。 为了开发出标准化、通用化的c a p p 系统，我们充分运用标准化技术、模块 化技术、计算机技术，创造性的把以上原理与方法用于零件工艺设计的全过程， 建立了大量的标准工序、工艺及设备、工装、余量、工艺路线规范、加工路线规 范的知识库，初步开发出了标准化、通用化的j z c a p p 系统。 1 7 2 课题主要工作 在基于标准化的回转体零件c a p p 系统开发设计中，本人主要完成了以下工 作： 系统总体结构设计以及功能模块的划分。 研究分析回转体零件的形面构成特性，实现零件信息的描述与输入。 研究确定系统的工艺决策模型，进行工艺知识与数据的分析、整理，建 立了典型零件的标准工序、工艺及设备、工装、余量、工艺路线规范、 加工路线规范的知识库。 研究确定系统工艺决策推理的实现方法，完成系统工艺决策推理各功能 模块的设计。 研究工艺文件输出的实现方法，完成工艺卡、工序卡的输出模块设计。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章c a p p 的使能技术及总体设计 2 1 成组技术 成组技术【”1 ( g t - g r o a pt e c l m o l o g y ) 是揭示和利用事物问的相似性，按照一定的 准则分类成组，能够采用同一方法对同组事物进行处理，以便提高效益的技术。 成组技术有两种含义：一为一种技术，即将具有一定相似性的零件组合在一起加 工；二是一种思考方法，它是将具有一定相似性的问题组合在一起考虑。我们一 般强调的是后者。即认为它是一种制造哲学，它充分利用了零件的相似性以及在 零件设计和制造中加工工艺的相似性。 成组技术在制造环境中作为信息和知识系统的组织者的作用正被越来越多的 企业和研究者所认识到。在机械制造工程中，成组技术是计算机辅助制造的基础， 将成组哲理用于设计、制造和管理等整个生产系统，改变多品种小批量生产方式， 以获得最大的经济效益。c a p p 技术的不断发展，不仅不能摆脱成组技术，而且 是对成组技术的进一步发展，那种贬低成组技术的想法是不合适的。 2 2 面向对象技术概述 2 2 1 面向对象技术的优势 面向对象技术h 司，顾名思义，就是以对象观点来分析现实世界中的问题，从 普通人认识世界的观点出发，把事物归类、综合，提取共性并加以描述的方法。 其基本思想是：对问题空间进行自然分割，以更接近人类思维的方式，建立问题 域模型，以便对客观实体进行结构模拟和行为模拟，从而使所设计出的软件尽可 能直接地描述现实世界，构造出模块化的、可重用的、维护性好的软件，并能够 控制软件的复杂性和降低开发维护费用。 面向对象技术是一种试图模仿人们建立现实世界模型的程序设计方法，它的 着眼点是数据而不是功能。它的设计思路是从确定表征客观实体的对象开始，建 第2 章c a p p 的使能技术及总体设计 立对象之间的层次结构，确定反映对象状态的属性及施加于这些属性之上的操作， 对象之间通过消息互相作用和联系，从而形成软件结构。可见这种方式符合人们 对客观世界的认识过程。由此可见以面向对象技术开发系统是保证系统通用性的 一项关键技术。 2 2 2 面向对象技术的要点 ， 面向对象的设计方法学的要点是： 认为世界由各种对象构成，任何事物都是对象，是某类实例化的结果， 复杂的对象可以由多个简单的对象以某种方式组成。 把所有对象都划分成各种类，每个类都定义了一组方法，所谓方法，就 是指允许施加于该类派生对象上的各种操作。 对象之间除了互相传递消息的联系之外，并无其他联系。 将“类”按照。父类”( 或称为基类) 、“子类”( 或称为派生类) 的关系 构成一个具有层次结构的系统，其中上层的“类”所具有的性质可以被 下层的“类”继承。 2 2 3 面向对象技术特征 面向对象技术具有以下四方面的重要特征： 抽象性( a b s 血 a c t i o n ) 所谓抽象就是通过从特殊例子中抽取其共同特性 以形成一般概念的过程。 封装性( e n c a p s u l a t i o n ) 封装性是指数据和加工处理该数据的过程( 称 为函数或方法) 紧密地结合在一起的一个整体，具有很强的独立性，是 实现模块化的理想机制。 继承性( i n h e r i t a n c e ) 在“类”按照“父类”与“子类”的关系构成的 层次结构系统中，上层类所具有的性质可以被下层类继承，这种特性被 称为类之间的属性集成关系。 多态性( p o l y m o r p h i s m ) 多态性是指在类等级的各层中共享( 公用) 一 个行为( 函数) 的名字，然而类等级中的每个类都各自按自己的需求来 9 山东大学硕士学位论文 实现这个行为。 2 3 特征技术 近年来，特征技术的研究特别活跃。人们认识到特征是表达工程信息的一种 较好的方法。特征技术摆脱了传统c a d 中点、线、面造型元素的束缚，提供了 一种在宏观基础上，易于定义的描述模型和数据结构。 自从8 0 年代特征的概念产生以来，特征的定义至今未得到统一。在 c a d c a m c a p p 不同领域，研究者对于特征给予了不同的定义1 7 。在文献n 羽中， 特征被定义为关于零件性质的信息与数据的集合，它可以用于设计、制造、装配 等目的。从工艺设计出发，选择了面向加工的定义，即把它看成是一组彼此相关 的、可以统一描述的几何元素、拓扑关系和工艺信息所组成的集合。特征是建立 在特征造型系统支持的形状特征之上，并通过静态的特征属性及用户自定义的特 征参数和特征要素来描述的。 因为工步是工艺设计的基本单元，以工步所对应的加工表面或形体为设计中 的特征，对工艺设计实现智能化和集成化十分有利。 特征技术仍处于初级阶段，现在的应用主要集中在形状特征上。考虑到 c a d c a m 的集成，利用形状特征主要有两种形式，即特征识别和基于特征的设 计。在特征识别中，是自动或交互从对象的几何模型中识别特征量。正相反，特 征设计的方法是从特征库中提前定义的特征来建立对象的模型。 2 4 人工智能技术 人工智能是计算机科学的一个分支，它主要研究智能计算机系统的设计以及 怎样运用计算机或各种自动装置来延伸或扩大人的智能。它涉及了几乎所有的科 学领域，是- - t 7 新兴的边缘科学。目前，人们把人工智能、空间技术和能源技术 称为世界三大尖端。 l o 第2 章c a p p 的使能技术及总体设计 2 4 1 专家系统、人工神经网络技术( a n n ) 1 9 - 2 2 1 2 4 1 1 专家系统的定义 专家系统是一个用基于知识的程序设计方法建立起来的计算机软件系统。它 拥有某个特殊领域内的专家知识和经验，并能象专家一样运用这些知识，通过推 理在那个领域作出决策。 2 4 1 2 人工神经网络的定义 人工神经网络是由大量简单的基本元件神经元相互连接而成的自适应非 线性动态系统。每个神经元的结构和功能比较简单，而大量神经元组合产生的系 统的行为却非常复杂。 2 4 1 3 专家系统用于c a p p 的优越性 专家系统引入c a p p 中，使c a p p 摆脱了派生式系统对成组技术的依赖， 突破了早期创成式系统简陋的决策工具( 判断树、判断表等) ，进入了知 识处理的新阶段。 ， 在c a p p 系统中，问题的主流不是复杂的数值计算，而是对工艺信息和 工艺知识的处理和利用。专家系统具有擅长符号处理和逻辑推理的功能 特点，符合c a p p 要求。 专家系统不但能利用那些确保无误的知识，而且还能利用那些没有严格 理论依据、不能确保正确性的知识。 专家系统的知识库与推理机相互独立。知识库易于更新，可以增加、删 除、修改其中的知识而不会涉及程序体，这增加了c a p p 系统的柔性。 专家系统具有强大的解释功能，能对工艺设计中的结论以及推理过程作出解 释。 2 4 1 4 人工神经网络技术用于c a p p 的优越性 由于自学习功能是a n n 的基本特征之一。在基于a n n 的c a p p 系统中， 工艺知识的获取过程将大为简化。 山东大学硕士学位论文 在a n n 系统中，工艺知识的表达不同于传统的专家系统中采用的显示表 达，而是把知识蕴含在a n n 的互连结构与连接权重中，是种隐式表达。 基于a n n 的知识处理系统的推理过程是并行计算过程，没有搜索和匹配 等问题，所以工艺设计速度很快。 人工神经网络技术本身正处于发展之中，它也同样面临一系列尚待解决的问 题。因而它在智能化c a p p 中的成功应用还任重而道远。西安交通大学的沈兵1 2 3 1 ， 东南大学的易红、汤文成 2 4 1 在这方面的研究也仅处于理论研究阶段。 2 4 2 人工智能技术在创成式c a p p 中的应用 知识表达是人工智能研究中的最重要问题之一。对于c a p p 专家系统，需要 工艺领域的专门知识，以便于让该专家系统能生成具有专家水平的工艺。为此， 如何表达、管理和使用知识便成为一个专家系统的关键问题。工艺知识表达方式 目前主要采用产生式规则、语义网络和框架，其中产生式规则简单易懂，适合人 的直觉。不同的知识表达用不同的推理方式，正向推理和反向推理技术广泛的应 用于创成式专家系统中。 2 4 2 1 知识的表达方法 知识表达有不同的形式，其中最著名的是语义网络、一阶谓词结构、框架和 产生式系统。 产生式系统的最大特点是将知识表示成“i f 一t h e n ”这样简 单的形式。目前，这种方法正广泛地用于构造专家系统。 产生式系统主要由知识获取环节、知识库、推理机、解释环节和知识库管理 系统组成知识获取环节主要负责收集有用的知识，因此它具有三个功能，即： 对源知识的有效收集。 对源知识的精炼。 对源知识的有效学习。 总的功能就是对人类专家的专业技能作有效的收集，并能保留正确部分而去 除多余或错误的部分。知识库不同于一般的数据库，它由描述问题求解领域的知 第2 章c a p p 的使能技术及总体设计 识规则构成。推理机对所提出的问题最佳地利用知识库的内容，完成问题的求解。 在机器内部，解是由内部码表达的。因此，为了使用户得到可以接受的解的形式， 就需要一个解释环节，同时也可以对推理过程中应用的知识进行说明。尽管这个 环节没有多少智能可言，但确是专家系统不可缺少的一部分，为了对知识库的知 识进行建立、增、删、修改等等，需要有一个知识库管理系统来完成这些功能。 典型的产生式系统如图2 - 1 所示。 产生式系统是用规贝来表达知识，规则的一般形式为： i f a n d a n d t h e n 结论 图2 - 1 产生式系统的一般结构 山东大学硕士学位论文 在这种形式的每一条规则中，都说明了如果一定的条件得以满足，那么与它 相对应的结论就会产生，它也可称作假设与现实的连接桥梁。目前，国内外许多 专家系统都采用这种产生式规则来构造知识库，并取得了成功。产生式规则的应 用具有以下几个优点： 这种规则的结构很接近人类思考问题的方式，所以用此方式比较容易从 人类专家那里获取专业领域的知识。 由于这些规则是独立的，所以很容易被用户检查、修改和扩充。这就比 较容易使系统从一种环境去适应另一种环境。 很容易添加一些解释功能，以便观察系统是如何进行推理并得出结论的。 这一功能可以方便地用来调试程序，并为用户学习专家的知识提供了帮 助。 具有描述不确定知识的能力。一些知识难以定量化，并运用置信度概念， 就可以对这些不确定的知识进行描述。 2 4 2 2 工艺知识表达 完成工艺设计不仅要用到许多常识性知识，更需要经验知识的支持。工艺经 验知识是一种领域( 专业) 知识，它和待加工零件的种类、设计要求及生产条件有 关。工艺经验知识常用框架或产生式系统表示，后一种方法由于构造简单、便于 扩展得到了广泛的应用。 在产生式系统中，工艺知识可以分成两部分： 工艺事实这主要是指零件的名称、材料、精度、表面粗糙度以及刀具、 量具、机床型号规格等等。 工艺规则它是工艺设计的主体。在工艺设计中，依据工艺事实按规则 进行推理，最终能得到加工工艺路线和工序内容等等。 2 4 2 3 正向推理技术和反向推理技术 目前，人工智能的研究领域己经极其广泛。在解决复杂的现实世界问题中， 人工智能的理论和方法，主要是以专家系统的形式获得了实际的应用。专家系统 的功能来自于所储存的大量专门知识，恰当地应用有效的推理技术。推理方法不 第2 章c a p p 的使能技术及总体设计 可能完全独立于所要解决的问题的种类。但推理过程又不能针对某特定问题， 以至于在某些场合不能适用。因为专家系统是模仿人类专家进行工作，所以在设 计推理机时，应使其推理过程与专家的推理过程相类似，最好完全一致。专家系 统的推理方式有： 正向推理它是由原始数据出发，按一定的策略运用知识库中专家的知 识，推断出结论的方法。这种推理方式，由于是由数据到结论的策略， 所以也叫“数据驱动策略”。在c a p p 中，正向推理是指由毛坯推向成品 零件，即由毛坯如何一步一步通过加工，最后变成零件。 反向推理它是先提出结论( 假设) ，然后去寻找支持这个结论的证据。这 种由结论至数据的策略，称为“目标驱动策略”。在c a p p 系统中，则是 由成品零件通过逐步给各零件表面及中间表面加精加工、半精加工及粗 加工余量的方法，最终变成毛坯的推理过程。 创成式系统的工艺规程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。这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象、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( 一般的创成式c a p p 系统) ，或者以规则的形式存入相对独立的工艺知识库， 供主控程序一一调用( 基于a i 或专家系统的c a p p 系统) 括号不一样。在向创成式 系统输入待加工零件的信息后，系统能自动提供( 生成) 各种工艺规程文件，用户 不需或略加修改即可。派生式c a p p 系统的缺点可以说正是创成式系统的优点。 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。但这种系 统需要做大量的准备工作，要广泛收集生产实际中的工艺知识，建立庞大的工艺 数据库与知识库。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。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 全部自动化。所以即使是创成式c a p p 系统，也不能完全排除适当的人机交互。 创成式c a p p 系统主要要解决两个方面的问题，即零件工艺路线的确定( 也 山东大学硕士学位论文 叫工艺决策) 与工序设计。前者的目的是生成工艺规程主干，即指明零件加工顺序 ( 包括工序与工步的确定) 以及各工序的定位与装夹表面；后者主要包括工序尺寸 的计算、设备与工装的选择、切削用量的确定、工时定额的计算以及工序图的生 成等内容。前者是后者的基础，后者是对前者的补充。 c a p p 的使能技术除了以上提到的成组技术、面向对象技术、特征技术以及 人工智能技术之外，还有工艺决策技术、工艺数据库技术等，这些技术在后面的 章节中均有介绍，在此不再祥述。目前几乎所有的c a p p 系统都要用到上面技术 的一种或者几种，通过对以上使能技术的运用，我们初步开发出了通用化、标准 化的j z c a p p 系统。 2 5j z - - c a p p 系统总体设计 系统设计目标是使回转体零件c a p p 的工艺知识数据与工艺决策推理实现相 对分离、在智能化基础上实现系统的柔性化。系统主要完成的任务包括零件信息 描述与输入、加工方法选择、加工阶段划分、工序集中与分散、加工基准选择、 加工顺序安排、机床刀具与毛坯类型选择、工艺知识与数据的更新维护、工艺文 件的打印与输出等内容。 j z - - c a p p 系统是在w i n d o w s 操作系统的主流开发平台p o w e r b u i l d e r 9 0 t 净2 7 1 上，利用s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库系统的支持进行开发的，数据库与系统之间接口 采f f j o d b c ( o p e nd a m b a c o n n e c t i n g 开放式数据库互联) 来实现。 根据系统目标和功能要求，在工艺决策的方式上借鉴了专家系统中知识库与 推理机相互独立的思想，提出了以数据库为基础的决策模式，并按此决策模式的 要求，以关系数据模型实现了工艺知识的表达与存贮。对于零件信息的描述，则 结合回转体零件的特点和工艺设计对输入信息的要求，在形面描述法的思想上构 建了系统零件信息模型。整个系统为由零件信息数据库、工艺知识，数据库、工艺 决策推理程序构成的“数据+ 知识+ 控制= 系统”的三级体系结构。系统总体结构如 图2 2 所示。 第2 章c a p p 的使能技术及总体设计 2 6 系统功能模块设计 图2 - 2 系统总体结构 系统主要由主控模块和三个功能模块：零件信息输入模块、工艺决策模块、 工艺知据，数据库处理模块、工艺文件输出模块组成。 ( 1 ) 主控模块主控模块用于协调和控制整个系统的运行，在主控模块下可完成 对各功能模块的选择与调用。 ( 2