（机械制造及其自动化专业论文）联轴器数字制造中的capp研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的迅速发展及其在制造业中的广泛应用，企业信息化建设进 入一个蓬勃发展的时代，如何把工艺设计人员从繁重的重复劳动中解放出来、 如何有效设计和管理大量的工艺文件和工艺数据、如何与企业的其它信息系统 集成等问题越来越受到企业的重视。c a p p ( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 技术的应用及发展，为企业提供了一条解决以上问题的根本途径。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制造的桥梁。工艺规程是工 装设计、制造和决定零件加工方法与加工路线的主要依据，它对组织产品生产、 保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等 都有着直接的影响，因此是生产中的关键工作。 在机械行业中，机械零件的品种成千上万，加工方法和机床设备种类也是 多种多样，加工过程中所需考虑的参数很多，工序有时比较繁琐，因此机械零 件加工工艺的拟定就显的尤为重要。所以，建立一个能够帮助工艺人员利用零 件的加工参数来编制和查询机械零件加工工艺的c a p p 系统就具有明显的理论 意义和实际意义。 本文在阐述c a p p 系统开发的基础技术和国内外研究动态的基础上，研究 数控加工中的c a p p 技术。研究内容包括：机械零件的加工工艺设计；c a p p 系统的工艺决策研究；c a p p 系统的数据库设计等。论文结合联轴器零部件的 数字制造工艺，从某联轴器生产厂的实际生产情况出发，结合中小机械制造企 业对c a p p 的需求，综合考虑c a p p 系统的实用性和先进性，同时借鉴工艺技 术人员的工作经验，开发工艺设计和工艺管理的的交互式联轴器c a p p 系统， 能够规范联轴器系列产品的工艺设计，提高工艺设计的效率，提高生产效益， 具有很好的实用价值。 关键词：数字化制造，联轴器，加工工艺，c a p p ，数据库 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di t sw i d eu s ei n m a n u f a c t u r i n g , t h eb u i l d i n go fe n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nh a se n t e r e dap r o s p e r o u sa g e m o r ea n dm o r ee n t e r p r i s e r sr e a l i z et h a ti ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s o l v es u c hp r o b l e m s a sr e l e a s i n gt e c h n o l o g i s t sf r o mb u r d e n s o m ea n dr e p e a t e dl a b o r , m a n a g i n gam a s so f t e c h n i c a lf i l e sa n dd a t ae f f e c t i v e l y ，i n t e g r a t i n gw i t ho t h e ri n f o r m a t i o ns y s t e m so fa n e n t e r p r i s ea n ds oo n t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fc a p ph a so f f e r e d a n a p p r o a c hf o re n t e r p r i s e r sr a d i c a l l y t h ec a p pi ss h o r t e n df o r mo fc o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g t h ep r o c e s sp l a n n i n g i st h ef i r s t s t a g eo fp r e p a r a t i o n f o r m a n u f a c t u r i n gt e c h n i c a ld o c u m e n t a n di ti st h eb r i d g eb e t w e e np r o d u c td e s i g na n d p r o d u c tm a n u f a c t u r i n g t h ep r o c e s si st h eb a s eo f 舶c hd e s i g n ，m a n u f a c t u r i n gt h e m e t h o do fm a c h i n i n ga n dm a c h i n i n gr o u t e i t sf u n c t i o ni sf o l l o w i n g ：o r g a n i z i n g p r o d u c e ，c o n t r o l l i n gq u a l i t y , e n h a n c i n gp r o d u c t i v i t y ，r e d u c i n gc o s t ，r e d u c i n gp r o d u c e p e r i o d s ，i m p r o v i n gw o r kc o n d i t i o n s ，e t c s o ，t h ep r o c e s sp l a n n i n gi st h ec o r ep a r to f p r o d u c t i o n i nt h em e c h a n i c a li n d u s t r y , t h e r ea l et e n so ft h o u s a n d so ft y p e so fm e c h a n i c a l p a r t sa n dm a n yw a y so fm a c h i n i n gg e a r sa n da v a r i o u sk i n d so fm a c h i n e s ，a sar e s u l t t h ep l a n n i n go ft h em a c h i n i n gp r o c e s s i n gt u r no u tt ob ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h e p r o c e s sg e t sm o r ec o m p l i c a t e dp a r t l y b e c a u s et h e r ea r es om a n y k i n d so fp a r a m e t e r s h a v et ob et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nw h i l em a c h i n i n g t h eo t h e rr e a s o ni st h a tt h e p r o c e s ss t e p sa r es o m e t i m e sc o m p l e x ，w h i c hm a k e s i tn e c e s s a r yt od e a lw i t hal o to f r e l a t e df a c t o r s s oi ti sm e a n i n g f u lb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yt oe s t a b l i s hs u c h k i n do fe x p e r ts y s t e mt h a tw i l lh e l pt oc o m p i l ea n dc h e c kt h ef i l ei nt e r m so ft h e p a r a m e t e r sa n dt h en u m b e r o ft h ep a r t s o nt h eb a s i so ft h ee l a b o r a t i n gt h eb a s i ct e c h n o l o g yo ft h ec a p ps y s t e m d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hd y n a m i ca th o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e rm a j o r r e s e a r c ht h e c a p po nc n cm a c h i n i n gt e c h n o l o g y t h es t u d yi n c l u d e ：m e c h a n i c a lc o m p o n e n t s d e s i g np r o c e s s ；c a p ps y s t e mr e s e a r c hi nd e c i s i o n 。m a k i n gp r o c e s s ；d a t a b a s ed e s i g n o ft h ec a p ps y s t e m c o m b i n e d w i t ht h en u m b e ro fc o u p l i n gc o m p o n e n t s m a n u f a c 岫n gp r o c e s s ，i nv i e wo ft h ep r a c t i c eo fc o u p l i n g e n t e r p r i s ec o n s i d e r s ， c 0 i n b i n e dw i t hs m a l la n dm e d i u m - s i z e dm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s 0 1 1t h e c a p pr e q u i r e m e n t s ，c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a l i t y a n da d v a n c e ds y s t e m s ，w m l e c a p i t a l i z i n go na l l t h et e c h n o l o g ys t a f fe x p e r i e n c e ，s t a f fd e v e l o p e dap r o c e s sc 锄 e a s i l vt oc a t t yo u tp r o c e s sd e s i g na n dp r o c e s sm a n a g e m e n t , i n t e r a c t i v ec o u p l i n g c a p ps y s t e m t h r o u g ht h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ec a p ps y s t e m ，t h et e c h n o l o g ys t a n c 觚b ea b l et os t a n d a r d i z eav a r i e t yo fc o u p l i n gp r o d u c t s ，p r o c e s sd e s i g n ，p r o c e s s d e s i 趴i m p r o v ee f f i c i e n c y ，t op r o v i d ec u s t o m e r s w i t ho p t i m a lp r o c e s sd e s i g nr e s u l t l t g r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，h a sg o o dp r a c t i c a l v a i u e k e yw o r d s ：d i g i t a lm a n u f a c t u r i n g ；c o u p l i n g ；t e c h n o l o g yp r o c e s s ；c a p p ；d a t a b a s e 1 i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名：盔篮e i , i 朝：三竺2 ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：势i 取 导师( 签名) ：名罄芘 日期2w 7 、f 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 第1 章绪论 1 1 1 课题的来源和研究的背景 计算机辅助工艺过程设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，简称c a p p ) 是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判 断和推理等的功能来制定对象加工工艺过程【l 】。借助于c a p p 系统，可以解决 手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。由于c a p p 这些优点，自诞生以来，一直受到工业界和学术界广泛重视。c a p p 是将产品 设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是连接c a d 、c a m 的 桥梁，是制造业企业信息化建设的信息中枢，是支撑c i m s ( 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 ) 的核心单元技术，作用和意义重大。 随着工业自动化的发展，制造业在国民经济中所占的比重越来越大，因此 在以后的很长一段时间内，制造业数字化必将引起广泛的重视从而得到重点发 展。自从数控机床和加工中心问世以来，机械制造行业产生了飞速的发展，不 仅大大提高了机械零件的生产效率，也使得形状复杂的零件加工成为可能。但 是，机械零件的任何改变都可能需要重新设计加工工艺，浪费了很大的人力。 而且因为加工设备的能力不同，设计的工艺过程也各不相同，生产出来的零件 质量差别很大，使得数控机床的能力发挥不出来，降低了数控机床的优越性【2 1 。 要实现c a d c a p p c 州集成，数控代码自动编程是一个比较关键的问题， 它是连接c a d 和c a m 的一个桥梁，从产品设计的结果直接生成数控代码，通 过网络( 或者其它介质与接口) 传输到数控设备的c n c 系统中，直接控制数控 机床进行加工，而不需要中间的图纸，从而实现了无纸加工。 目前，大中型企业和科研设计院已基本普及c a d 技术，部分企业在c a d 技术基础上已经开发应用了c a p p 软件，取得了显著的效果。但是，大部分中 小企业在研究应用c a p p 技术中处于相对落后阶段，多数企业工艺设计仍然采 用手工设计的方式。工艺设计工作量大、周期长已经成为制约企业缩短产品设 计周期的瓶颈。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题研究的目的和意义 机械加工工艺规程的设计工作是连接产品设计与产品制造之间的桥梁，它 直接影响到产品质量、劳动生产率、生产周期与成本、生产环境等多个方面， 是生产过程中的一项重要工作。而传统的工艺设计由人工编制，劳动强度大、 效率低、设计周期长，已不能适应现代化企业高质量、高素质、高效率的发展 需求，这就对工艺过程设计提出了更高要求。 计算机辅助工艺过程设计c a p p 即是为了解决手工设计工艺规程中存在的 效率低下、工艺质量不稳定、不便于管理、柔性差等问题而提出的。c a p p 是 连接c a d 与c a m 的桥梁和纽带，它利用c a d 传递的零件信息，生成有关工 艺文件，必要时还要向c a d 系统反馈有关工艺评价信息，并且将这些工艺文件 经过适当处理生成v b 程序，实现c a m ，从而实现c a d c a p p c a m 的集成， 而这正是c i m s 的一个重要方面。从更高的意义上讲，实现c a p p 与m i s c ( 信 息管理系统) 、m a s ) 制造自动化系统) 以及c a q ( 计算机辅助质量控制系统) 等的集成，将使c i m s 系统进一步得到完掣3 1 。 在中小企业为了增强市场竞争力和快速响应市场的变化而采用多种新技术 的环境下，推广并普及计算机辅助技术，革新传统的工艺设计手段，采用以计 算机为工具的现代化工艺设计和管理方式是企业上水平、上台阶的关键之一， 也是中小企业发展的必由之路。开发c a p p 及制造工艺信息系统并进行推广应 用，将从下述四方面解决制造工艺设计与管理中所存在的问题【4 】： ( 1 ) 减少工艺人员的重复性劳动工作，缩短产品制造的工艺编制周期。 ( 2 ) 提高工艺的标准化、规范化，提高工艺设计质量。 ( 3 ) 通过产品设计与工艺信息的共享与集成，提高信息的重用性、准确性 和一致性。 ( 4 ) 通过工艺的不断优化和工艺经验的不断积累，使工艺水平能够得以迅 速提高。 基于以上分析，本课题结合中小机械制造企业对c a p p 需求，对中小型机 械制造企业所需的c a p p 系统进行了研究，利用国内机械制造企业在联轴器制 造领域比较成熟的工艺技术，借鉴多年来联轴器零部件制造工艺方面的经验， 目的是从系统化的角度出发，构造一个工艺人员能够方便地进行工艺设计和工 艺管理的软件平台，从而进一步提高了中小型制造企业工艺部门的工作效率和 2 武汉理工大学硕士学位论文 企业的整体效益，加快企业的信息化建设。 通过本课题的研究，可以为具有某些特定形状的零件n i 提供一个专用的 工艺设计系统。该系统能够为客户提供最优的工艺设计结果，大大提高生产效 益，具有很好的实用价值。 1 2 数字制造中c a p p 的国内外动态 1 2 1 数字化制造的现状与发展动态 2 0 世纪5 0 年代，数控机床的出现开辟了制造装备的新纪元。随着微型计算 机的产生和发展，计算机数控的广泛应用，数控机床得到广泛应用和提高。相 继出现的数控三坐标测量机( c m m ) 、工业机器人和数控机床一起成为重要的 数字化加工、测量和操作装备，其本质是用数字控制代替凸轮行程控制，实现 运动数字化。数控技术发展的趋势是提升各种装备性能甚至使其更新换代，即 所谓的数字制造装备( 简称数字装备) 【5 】。 2 0 世纪9 0 年代，数字装备的一个重要的发展趋势是对海量信息处理能力 的提高，在数字仿形技术的基础上，利用l a s e rs c a n n e r 、c t 、核磁共振等数字 测量设备实现零件几何形状的数字化，然后通过数据预处理、表面建模、实体 建模、后置处理等过程生成s t l 文件( 或数控代码) ，驱动快速成型机( 或数 控机床) 加工出新零件。伽马刀、电镜一视觉引导的机器人等数字医疗设备扩 展了基于视觉的数字测量仪器的应用范围，实现了人体内腔器官的数字化。 数字装备的另一个重要的发展趋势是加工对象的尺度变化，由毫米、微米 到纳米，陆续出现了显微数字图像处理设备、电子制造装备等精密数字制造装 备。在技术方而，数字装备与数字制造的研究已从单纯的制造过程的几何量( 位 移、多坐标联动位移、运动形状、微观形状等) 的数字描述，发展到对制造过 程的物理量( 温度、流量场、应力场、热变形密度、物质材料等) 以及知识、 经验、信息等的数字描述。另外，制造过程和制造系统的形式化、数字化描述 与处理成为当前研究热点，包括海量信息处理，微纳识别和分辨率，物理过程 仿真与分析( 包括有限元方法、三角划分、复杂边界物理方程求解等) 、网格计 算以及物理本质的探索等【6 】。 在2 0 世纪9 0 年代，通过并联机构与数控技术的结合，产生了并联机床， 3 武汉理工大学硕士学位论文 又称虚拟轴机床，其应用逐渐扩展到虚拟轴坐标测量机、六维力传感器等精密 测量平台设备。但从目前的技术发展来看，并联机床还不能成为数控机床的主 流产品，只在轻工、食品加工以及大型天文望远镜方而等具有一定用武之地。 在数字装备的研究方面应该扩大范围，要大力发展以电子制造装备、精密 科学仪器、精密数控装备等数字装备为代表的高技术产业所需装备。目前，作 为现代制造装备“灵魂”的数控系统已由n c 、c n c 时代进入了p c - n c 和n e t - n c 时代，其主要目标都是开发具有智能化和柔性化的新一代开放式数控系统，将 各种新工艺、新技术、新方法集成于控制系统的基础平台，开发先进制造装备 的支撑环境1 7 j 。 在机械制造领域，国外各大企业都投入大量人力和物力进行计算机集成制 造系统( c i m s ) 的研究，已经出现了不少成功的应用案例，比如美国波音公司 应用c i m s 技术成功开发出波音7 7 7 飞机，使开发周期由过去的8 - 9 年缩短到4 年半，成本降低了2 5 ，实现了从产品的设计、工艺编排、产品制造、检测、 装配等整个过程的一体化“无纸加工，显著的缩短了产品开发周期，提高了质 量，增强了企业的市场竞争力，充分显示了c i m s 的优越性【8 1 。 但是由于c i m s 系统比较庞大，涉及企业的宏观决策、资源优化、市场运 作、资金运营等方面，国外相当部分的企业也没有实现真正意义上的c i m s ， 但在产品的设计到制造过程中成功地应用了c a d 、c a p p 和c a m 技术，取得 了不错的效果。 数字化制造在我国也已经取得了一定的成绩，具体表现在以下方面【9 1 ： ( 1 ) c a d c a p p c a e c a m 的推广应用，从根本上改变了传统的设计生产、 制作模式，已经成为当前制造业发展的重要技术特征。这些技术是一项重要基 础信息技术，其实施对于推动企业发展，促进经济进步都具有十分重要的作用。 ( 2 ) m r p e r p 的推广应用。随着市场经济体制的完善，在政府、企业和 科研院所等多方努力下，越来越多的企业开始重视并实施m r p e r p 。二十多年 来，已有上千家企业实施了这种先进的管理信息系统。这一技术的成功实施使 企业都取得了良好的收益。主要体现在：库存减少、资金周转加快、生产周期缩 短、资源利用效率提高、成本降低、整体竞争力增强等。 ( 3 ) c i m s 的推广应用。c i m s 是一项集产品工程设计、制造和管理为一 体的计算机综合自动化制造系统，是先进生产经营模式的实施媒体和技术支撑。 从1 9 8 7 年开始实施到今天，己经在我国的机械、电子、航天、航空、轻工、纺 4 武汉理工大学硕士学位论文 织、石油、化工、冶金等十几个主要的制造行业企业实施了c i m s 工程，绝大 多数都取得了明显的经济效益和社会效益，对行业和地区的制造企业的信息化、 现代化起了重要的牵引导向作用。 ( 4 ) i n t r a n e t e x t r a n e t 建设方面，近几年来，i n t e r a c t 技术的飞速发展和迅 速普及，使企业i n t r a n e t 和e x t r a n e t 的建设得到迅猛发展。我国企业的i n t r a n e t 和e x t r a n e t 应用在近年也表现出了良好的发展势头，许多企业正在对原有信息 系统进行基于i n t e m e t 技术的改造或组织建设自己的平台，企业间可以实现资源 的共享，大大提高了生产效率，节约了成本。 但是，我们同时也看到了许多的不足之处，国内大多数的企业同外国有着 类似的情况，c i m s 主要单项技术( c a d 、c a p p 、c a m ) 成功地被应用，而宏 观决策、资源优化、市场运作、资金运营等方面的应用却参差不齐，且大多不 甚理想，换言之，真正意义的c i m s ( 或e r p ) 实现还有诸多的困难。 随着工业自动化的发展，制造业在国民经济中所占的比重越来越大，因此， 在以后的很长一段时间内，制造业的数字化必将得到重点发展，引起广泛的重 视。针对于数字化的现状，应该从以下几个方面进行改进和提蒯i o 】： ( 1 ) 面向产品全生命周期的数字化 为了最大限度地发挥信息化的整体优势和综合效益，数字化制造的最终目 标应面向产品的全生命周期，满足从市场分析、设计、制造、销售、服务到回 收整个生命周期内各个环节的功能需求。面向全生命周期的信息化是单元技术、 集成技术应用的更高形式，它需要i n t e m e t 技术、数据库技术、软件标准化技术 等现代信息技术的支撑，同时体现网络化制造、精益生产、并行工程、虚拟制 造等现代制造哲理。 ( 2 ) 集成方法的改善和集成范围的拓展 改善集成方式，拓展集成范围，真正实现同类、异类单元系统的无缝连接， 保证数据自由、完整、快速通讯和共享，实现各个环节的协调、并行协同工作。 ( 3 ) 网络化设计与制造系统 实施网络化的目标是进一步提高和完善异地协同设计、虚拟企业与企业协 同管理、资源共享和协作应用、制造业全球采购和产品销售、现代物流配送以 及a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r ，应用服务提供商) 模式的网络化制造服 务，实现企业各部门和企业之间的资源共享，提高制造业创新能力，发挥制造 业群体优势，促进产业链的形成。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内外c a p p 的现状与发展动态 c a p p 的开发、研制是从6 0 年代末开始的，在制造自动化领域，c a p p 的 发展是最迟的部分。c a p p 的研究和开发最早出现在挪威，1 9 6 5 年挪威人n i k b d 首先提出了c a p p 的概念，并于1 9 6 9 年正式推出了世界上第一个c a p p 系统 a u t o p r o s 。1 9 7 6 年美国的国际计算机辅助制造公司c a m i 所推出的c a p p 系统最著名、应用最广泛，在发展历史上具有里程碑意义。此后，世界上有众 多c a p p 系统问世，l o c k h e e d 公司的g e n p l a n ( 1 9 8 0 ) ，o i r 的m i p l a n ( 1 9 8 0 ) ，m e t c u t 的a u t o p l a n ( 1 9 8 2 ) ，这些都是变异型c a p p i l 】。 随着c a p p 进一步发展，出现了创成型c a p p ，如西德a a c h e n 工业大学 的a u t a p ，美国p u r d u c 大学的t i p p s 等。最近几年，国外研究人员对c a p p 的理论与方法进行了广泛和深入的研究，围绕着c a d c a p p 的集成，人们进行 了广泛的研究并提出了一些c a p p 获取信息的方法，从i g e s 文件转换、特征 识别到产品模型数据交换标准s t e p ，这些方法对于c a d c a p p 的集成均起到 了一定的作用，但还存在一些不足：( 1 ) i g e s 文件处理时间过长，交换的只是 数据而不是信息；( 2 ) 特征识别无法获得c a d 中根本就不存在的面向制造的信 息【l2 1 。美国宾夕法尼亚大学h a m 教授和比利时b r u s s e l 教授领导的研究小组把 研究目标瞄向c a d 与c a p p 的集成，在概念设计阶段采用人工智能技术如机器 学习、人工神经元网络、几何推理等提供一个集成的c a d 环境，可识别零件的 几何形状、特征以及其它产品信息，以满足与c a p p 系统集成的需要，他们的 研究取得初步成果，己在轴类和箱体类零件一体化设计中得以实现。以色列海 法大学则认为使用规则系统生成的零件工艺规程，比专家系统生成的效果更好， 日本东京大学机械工程系和德国阿亨工业大学机床及工业管理研究所研制 c a p p 系统则更注重于建模效应。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 13 1 。 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 与开发现状产生怀疑。d i m i t r i sk i r i t s i s 在回顾了c a p p 专家系统的发展状况后， 对一个有效的c a p p 系统必须需要高度自动化这个目标感到怀疑， a m l u s c o m b l e 和d j t o n c i c h 在针对c n c 机床进行的c a p p 研究中，强调其 辅助性( a i d ) 而不是自动化( a u t o m a t i c ) 。g v a nz o r 提出了交互式工艺设计 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 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，并且开发了基于交互式的c a p p 原型系 统。 我国c a p p 技术的研究起步于2 0 世纪8 0 年代初期，在国家8 6 3 c i m s 计 划的支持与推动下，实现从无到有的开创性工作。1 9 8 5 年至1 9 9 0 年可谓c a p p 系统的发展阶段，其间，北航、北工、南航、西工大等一些高等学校开发出了 具有一定水平的c a p p 系统。第九届国际计算机辅助生产工程学术会议在我国 召开，标志着我国c a p p 的发展水平逐渐与国际接轨。在9 0 年代中后期，c a p p 引进系统优化思想和人工智能理论开发出了新一代c a p p 系统。1 9 9 2 年，机械 工业部制定的中华人民共和国机械行业标准j b t 7 7 0 1 9 5 计算机辅助工艺设计 导则的颁布象征着我国c a p p 研究开发进入成熟期。此后，国内几家从事制造 业软件开发与系统集成服务的公司在消化吸收c a p p 研究成果的基础上，并结 合我国企业实际需求，陆续推出了不少商品化的c a p p 系统，代表性的有西飞 公司的“x a c c a p p 、华工科技产业股份有限公司的“开目c a p p 、北京清 华京渝天河软件的“t h 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 ”，另外还有思普c a p p 、金叶c a p p 、大天 c a p p 、艾克斯特c a p p 等一系列产品问世，这些c a p p 系统分别在企业得到了 不同程度的应用。例如国家8 6 3 一c i m s 重点推广应用工程一西飞公司x a c c i m s 工程子项目x a c c a p p 系统的开发，提出了“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 等对产品工艺信息的共享集成” 的c a p p 开发与应用模式l l 4 1 。 据不完全统计，从1 9 9 0 年至今在不同杂志、会议上发表c a p p 研究、开发、 应用成果的文章达近千篇，专著十多种；目前我国自行研制开发的不同类型的 c a p p 系统已达1 0 0 余套。国内c a p p 研究的深入程度、覆盖面和发展水平尽 管与国外还存在差距，但是发展的前景是喜人的。 这些c a p p 软件都能为工艺人员提供一定的服务和帮助，已能满足制造企 业部分需求。但目前较多的商品化c a p p 系统仅仅提供一个工艺编制的平台， 大量的工作均由工艺人员来完成，系统只完成简单的数据填写和表格生成的工 作，不能适应制造业自动化的要求。 伴随着产品向多元化方向发展以及虚拟企业、敏捷工程等新的生成方式出 现和发展，企业为了增强市场竞争力和快速响应市场的变化而采用这些新技术 7 武汉理工大学硕士学位论文 的环境下，对c a p p 提出了更多更广泛的要求。c a p p 技术的发展趋势如下【l5 】： ( 1 ) 分布式体系结构目前，c a p p 系统架构正由c s 结构向b s 结构转 化，b s 结构使我们可以充分利用w e b 平台的优势：业务逻辑与客户端分离； 客户端统一，易在运行时自动升级；大大减少网络中的数据通讯次数，有利十 服务器的负载平衡；分布式架构的c a p p 应用系统易于为p d m ，m r p i i 以及e r p 系统提供了集成接口。 ( 2 ) 智能化工艺规程设计是一个极为复杂的过程，是特征技术、逻辑决 策、组合最优化等多种过程的复合体。要实现c a p p 系统的智能化，仅仅采用 单一的专家系统方法是不够的。专家系统方法只有与其它人工智能技术进行有 效结合，才能使工艺规程的智能化研究走上一个新的台阶。 ( 3 ) 通用化为了适应不同企业和产品不断变化的要求，通用化也成为近 年来c a p p 研究的方向之一。它的主要思路是建立c a p p 系统工具，通过抽取 c a p p 系统的实现机制，提取其共性，为不同企业、不同产品的c a p p 系统开 发提供一个通用的设计环境。 ( 4 ) 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。就目前的研究来说，集成包括信 息的集成、功能的集成和多领域规划的集成等。 ( 5 ) 柔性化c a p p 系统对环境中变化的需求要具备一定的适应性。随着 在企业应用步伐的推进，c a p p 的工作内容不仅仅局限于对工艺文档的处理， 对工艺工作和工艺数据的管理方法已逐渐被人们所重视。工艺设计系统不仅要 管理好工艺信息，更要能够配合其它信息系统一起完成工艺设计工作。 ( 6 ) 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 分体现了并行工程的思想。并行工程是一种新型生产和管理模式，强调在产品 的设计阶段时就考虑下游各过程，尽早暴露并修改设计中存在的问题，从而缩 短产品的开发周期，提高产品质量和降低成本。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设计与实现。 1 3 课题研究内容 通过研究国内外c a p p 系统发展的现状以及应用情况，凸显计算机辅助工 艺设计c a p p 软件在加工制造业工艺设计中的重要作用，结合不同的系统类型 8 武汉理工大学硕士学位论文 和c a p p 系统设计理论基础，开发出适合企业产品特点的交互式c a p p 系统。 通过人机对话输入机械零件几何信息、工艺信息，在该c a p p 系统中对提取到 的信息进行加工，然后根据工艺数据库中的规则以及加工条件信息生成合理的 工艺规程，最后输出该零件的工艺卡片和数控程序。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究分析c a p p 系统基础理论及应用技术。 ( 2 ) 研究机械零件的加工工艺，结合联轴器零件的具体工艺，建立联轴器 工艺知识库。 ( 3 ) 建立联轴器零件工艺数据库，如零件加工中所必需的工艺数据，机床、 刀具和工装夹具等数据库，方便c a p p 系统的调用，并能实现对数据库的维护。 ( 4 ) 运用v b 编程语言，结合建立的工艺知识库和工艺数据库，编制一种 交互式联轴器c a p p 系统软件。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章c a p p 总论及基础技术 2 1 数字制造的定义和内涵 数字化制造用信息技术改造传统产业和实现信息化带动工业化的突破口。 数字化制造技术将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合， 带动产品设计方法和工具的创新、企业管理模式的创新、企业间协作关系的创 新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装 备的数字化、咨询服务的网络化，从而全面提升我国制造业的竞争力。 数字化是指以计算机硬件、软件、信息存储、通信协议、周边设备和互联 网络等为技术手段，以信息科学为理论基础，包括信息离散化表述、扫描、处 理、存储、传递、传感、执行、物化、支持、集成和联网等领域的科学技术集 合【l6 】。数字化制造是用数字化定量、表达、存储、处理和控制方法，支持产品 生命周期和企业的全局化运作，以制造过程的知识融合为基础，以数字化建模 仿真与优化为特征，根据用户需求，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分 析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产 出达到用户要求性能的产品的整个制造过程。数字化制造是庞大的研究领域， 数字化制造的内容可由宏观数字化制造和微观数字化制造的两个方面来描述。 宏观数字化制造是指宏观决策、资源优化、市场运作、资金运营等对制造过程 具有重大影响的活动；微观数字化制造是指产品由设计、工艺装配、过程控制 到最终产品的全过程。总之，制造正在由部分量化和部分经验化、定性化逐步 转化为由宏观到微观的全面数字定量化。 数字化制造内容广泛，主要体现在： ( 1 ) 利用c a d c a p p c a m 等现代信息技术提高企业设计与生产过程自动 化和数字化、提高产品质量、缩短设计周期、加速产品更新换代； ( 2 ) 利用m r p 等现代信息管理技术提高企业的现代管理水平； ( 3 ) 大力推进生产过程的自动化控制，利用c i m s 等进行企业的信息集成， 形成设计、制造和管理为一体的计算机综合集成制造系统； ( 4 ) 通过网络技术，将企业内部资源信息集成共享，建立网络化平台，实 现电子商务等l i 。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 由此可见，数字化制造是在信息技术的支撑下，推动企业创新设计能力、 效率和质量的提高，实现产品设计数字化，改变或改善产品制造活动中的加工设 备、方式和过程，实现产品制造数字化，对企业所有活动进行统一管理和控制， 使整个企业高效、协调和优化运行，实现管理数字化，并最终实现企业数字化 网络化。总之，它是将数字技术用于企业产品设计、制造和管理的全过程，以 提高企业的市场应变能力和竞争能力，这是数字化制造的主要内容和目标。 2 2c a p p 的基本内容 2 2 1c a p p 系统的构成 c a p p 系统的构成，视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的 差异。其基本的模块如【1 8 】： ( 1 ) 控制模块，其主要任务是协调各模块的运行，是人机交互窗口，实现 人机之间的信息交流，控制零件信息获取方式。 ( 2 ) 零件信息输入模块，当零件信息不能从c a d 系统直接获取时，用此 模块实现零件信息的输入。 ( 3 ) 工艺过程设计模块，进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供 加工及生产管理部门使用。 ( 4 ) 工序决策模块，其主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算， 生成工序图。 ( 5 ) 工步决策模块对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成n c 加工控制指令所需的文件。 ( 6 ) n c 加工指令生成模块，依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用 n c 代码库中适应于具体机床的n c 指令系统代码，产生n c 加工控制指令。 ( 7 ) 输出模块，可输出工艺过程卡，工序、工步卡，工序图及其它文档， 输出也可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文 件进行修改得到所需的工艺文件。 ( 8 ) 加工过程动态仿真模块，对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正 确性。 武汉理1 = 大学硕士学位论文 2 2 2c a p p 的基本类型 c a p p 系统就其工作原理可以分为五大类【1 9 】： ( 1 ) 变异型c a p p 系统 变异型c a p p 系统是利用成组技术原理将零件按几何形状及工艺相似性分 类、归族，每一族有一个典型样件，并为此样件设计出相应的典型工艺文件存 入在工艺文件库中。当需设计一个零件工艺规程时，输入零件信息，对零件进 行分类编码，按此编码由计算机检索出相应的零件族的典型工艺，并根据零件 结构及工艺要求，对典型工艺进行修改，从而得到所需的工艺规程。 ( 2 ) 创成型c a p p 系统 创成型c a p p 系统由系统中的工艺决策逻辑与算法对加工工艺进行一系列 的决策，从无到有自动地生成零件的工艺规程。创成型系统基本上排除了人的 干预，从而使工艺规程的编制不会因人而异，容易保证零件工艺规程的一致性。 由于零件结构多样性，工艺决策随环境变化的多变性及复杂性等诸多因素，真 正的纯创成型c a p p 系统用于生产实际尚有一段艰苦的道路。 ( 3 ) 综合型c a p p 系统 综合型c a p p 系统将变异型与创成型结合起来，利用变异型及创成型各自 的优点，克服其缺点，我国发展的c a p p 系统多为这类系统。 ( 4 ) 交互型c a p p 系统 交互型c a p p 系统以人机对话的方式完成工艺规程的设计，工艺规程设计 的质量对人的依赖性很大。交互型c a p p 系统实际上是结合了变异型、创成型 和人工干预三种方式开发的一种c a p p 系统，