（机械制造及其自动化专业论文）自动创成的工艺设计与工艺管理.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 算机辅助工艺设计( c a p p ) 一直是制造业关注的焦点。随着计算 制造技术在企业中的推广和应用，c a p p 作为计算机集成制造系 统( c i m s ) 的一个关键环节，对其实用性和适用性提出了越来越高的要 求。 由于企业产品和生产条件的复杂性和多样性，现有的c a p p 系统多 数是专用c a p p 系统，不能满足企业制造环境复杂化和动态性的要求。 目前c a p p 系统的研究主要集中在工艺设计的自动化、c a p p 与p p p s ( 生 产计划与调度) 的集成、c a p p 与c a d 的信息集成、c a p p 工具系统等 方面1 本，文在对制造企业进行调研和分析了c a p p 研究和应用现状的基础 上，论述了当前阶段及以后相当一段时期内c a p p 技术的研究热点，未 来c a p p 系统发展的重点；并以此为准则，以网络化、通用性、实甩性、 可扩展性为指导思想，针对企业工艺设计和工艺数据管理，面向企业生 产技术准备的全过程，贴近企业生产设计习惯，融合现代管理理念和技 术，设计了实用化的企业工艺设计和管理平台w i t c a p p 系统。 本文对创成式c a p p 技术进行了探讨，设计了自动工艺模块，对创成 式c a p p 决策技术实用化方面进行了研究和完善。 竺二望竺竺兰： 第3 贝 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 ) i sa l w a y st h ei m p o r t a n t f o c u so ft h em a n u f a c t u r i n g a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o n d i s s e m i n a t i o no ft h ec 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 gt e c h n o l o g y a tt h e ne n t e r p r i s e ，c a p p ，w h i c h 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 u p e r n a lr e q u i r e m e n t s i st h ek e yli n ko ft h ec o m p u t e r ( c l m s ) ，r a i s e sm o r ea n dm o r e d u et ot h ec o m p l e x i t ya n dv a r i e t yo ft h ee n t e r p r i s ep r o d u c t a n dm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ，t h ea c t u a lc a p ps y s t e mi sc o m m o n l y t h ee x p e r tc a p ps y s t e m ，w h i c hi sl o c a l j z e da tt h ea p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n to fac e r t a i ne n t e r p r i s ea n dc a n tm e e tw i t ht h e c o m p l e x it ya n dd y n a m i c so ft h em a n u f a c t u r in ge n v i r o n m e n to ft h e e n t e r p r i s e n o w ，t h es t u d yo ft h ec a p ps y s t e mi sm o s t l yf o c u s e d o nt h ea u t o m a t i z a t i o no ft h ep r o c e s sp l a n n i n g ，t h ei n t e g r a t e do f c a p pa n dp p p s ，t h ep r o c e s si n f o r m a t i o ni n t e g r a t e do ft h ec a p p s y s t e ma n dt h ec a ds y s t e m ，t h ec a p pt o o ls y s t e ma n ds o o n o nt h eb a s eo ft h es u r v e yo ft h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ea n d t h ea n a l y s i so ft h er e c e n tr e s e a r c ha n da p p li c a t i o nc o n d i t i o no f t h ec a p ps y s t e m ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e dt h es t u d yh o ts p o to ft h e c a p pt e c h n o l o g i e si nc u r r e n tt i m ea n dq u i t ea1 0 n gt i m ei nf u t u r e ， t h ef o c a lp o i n to ft h ef u t u r ec a p p ：a n db a s e do nt h i s ，ap r a c t i c a b l e w i t c a p ps y s t e m ，w h i c hisa ne n t e r p ris ep r o c e s sp l a n n i n ga n d p r o c e s sm a n a g e m e n tc a p ps y s t e m ，i sd e sig n e d ，w it ht h ea d v a n c e d m a n a g e m e n tt h e o r ya n dt e c h n o l o g y 第4 虹 山东大学硕士学位论文 m o r e o v e r ，a f t e rd i s c u s s i n gt h eg e n e r a t i v ec a p pt e c h n 0 1 0 9 y ， t h ea u t o m a t i cp r o c e s sp l a n n i n gm o d u l ei sd e s i g n e d ，w h i c hi sw e ll r e s e a r c h e da n dc o n s u m m a t e di nt h ep r a c t i c a b i l i t ya s p e c to f g e n e r a t i r ec a p pt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：c a p p t o o l s ；g e n e r a t i v ec a p p ；p d m 第5 负 l l j 东大学硕士学位沦文 第一章引言 随着计算机在制造企业中的深入应f 日，i f 算f j i 辅助i ：岂设计成为可 能。计算机辅助工艺规程设计( c a p pc o m p u t e la l 【l lp r o c e s sp t a n n i n e ) 在现代制造业中具有重要的理论意义和厂1 泛、边切的实际需求。别为c a p p 系统的使用，不仅可以大大提高工艺规程设计效率和质量，而且保证了 工艺设计的一致性、规范化。然而，在国内c a p p 的发展和应用远远跟不 上c a d 、c a m 的步伐。 1 1 企业工艺设计基础的基本状况 工艺设计是优化配置工艺资源，合理编排工艺过程的一门艺术。它是生 产技术准备工作的第步，也是连接产品设计与产品制造的桥梁。工艺规 程是进行工装制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、 提高生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有直接的影响， 因此是生产中的关键性工作。工艺设计的主要任务足为被加工零件选择合 理的加工方法和加工顺序，以便能按设计要求! e 产i b 合格的成品零件。 工艺设计的主要内容有： 选择加工方法及采用的机床、刀具、央具和其他工装设备等； 安排合理的加工顺序： 选择基准，确定加工余量和毛坯，汁算1 序尺寸和公差； 选用合理的切削用量； 汁算时阳j 定额和加工成本； 编耕包含上述所有资料的f 艺文件。 始6 贝 山东大学硕士学位论文 ：艺设计l i ：处于产品设计和加工制造的接e l 处，必须分析和处州大量 信息，既要考虑产品设计图样上有关零件 ，构形状、尺寸公差、材料及批 量等方面的信息，又要了解d n - 工n 造中仃关加1 方法、d n _ e 设各、，l 产条 件、加工成本及时问定额( 工时定额) ，甚至传统习惯等方面的信息。由 于各种信息之间的关系极为复杂，工艺设计时必须全面而周密地对这些信 息加以分析和处理。 工艺设计包含的内容和基本流程为产品由设计部门产生设计图纸 后，首先要转到工艺部门进行工艺审查，工艺审查的目的是了解设计图 上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理方法等方面的信息对其进行 工艺性分析和审查( 工艺性是指所设计的产品在能满足使用要求的前提 下，加工制造和维修的可行性和经济性) 。经过工艺审查后，工艺部门提 出修改意见返回设计部门进行设计图的修改，此时产生的工艺文件是“工 艺审查记录单”。 在设计进行产品图纸设计时，工艺部门同时要做的是工艺总方案的 设计及编写，此时的工艺文件是用工艺总方案用。修改后的设计图纸转 到工艺部门后，工艺要进行工艺路线的编制及工艺规程的编制，基于工 艺规程，工艺人员要完成如用设备汇总、工装汇总等工作。对需要进行 工艺装备设计的提出工装申请，进行工装的设计。在此之后，制造部门 及物资供应部门将以此为依据，进行物资供应及生产的组织，调度。在 生产过程中，部分工艺规程的内容会有所调整和修改，相应的工艺汇总 文件必须修改相关的内容。所有的工艺文件还要经过设计、校对、批准、 标准化、会签等工作流程。产品经试制，修改到最后定型。定型后的产 品其图纸、。i ：艺都要随之定型，定型后的工艺要进行分类归档。定型后 的工艺是不能随意改动的，需修改时，同设计部门一样需填写工艺更改 通知睢。 始7 贝 山东大学硕士学位论文 通常，产品都要经过如上的e 艺设计过程，对于不同的企业，因其 规模企业性质等的不同，工艺设计的具体过程i r 能自所不同，f c 内容大 同小异。在工艺设计过程中产生的许多重要的工艺文件对指导企业制造 系统和物料供应系统的调度有着直接的影响。 虽然计算机已经在企业得到普及，c a d 技术也已经成为企业生产所 必不可少的工具，但长期以来，工艺设计仍然采用传统的手工设计方式， 这种方式存在以下几个方面的问题： 工作量大，设计效率低下。据资料统计，工艺设计中实质性的 技术工作可能只占总时间的5 一1 0 ，而工艺数据的汇总、 计算、抄写等重复性劳动占全部工艺准备工作量的5 0 6 0 。 由于设计人员需进行大量的计算、查表、文件编制等工作，必 然耗费大量的设计时间，这样不但周期长、效率低，而且难以 保证资料的准确性，易出错。 对工艺设计人员要求高；工艺设计的难度性大。由于工艺设计 是统筹产品技术要求、企业经济效益和社会效益的整体优化过 程，涉及面广、处理消息量大，则需要具有较丰富工艺知识的 设计人员才能比较胜任工作，而且工艺文件的合理性、可操作 性以及编制时间的长短主要取决于工艺人员的经验和熟练程 度。这样就不可避免的会导致工艺文件的设计周期和质量不易 保证。这种经验的取得与积累都是一个长期的过程，一般有经 验的 艺人员大多要在5 0 岁左右。 _ 1 ：艺设计造成人j 亍良费。由于工艺设计工作包含相当多重复性 和耗时的大量手工工作，则耗费人力，重复工作过多，妨碍了 j 艺人员爿能的有效利用，造成人j 亍良费。 ，无法典现工艺文件计算机统一管理和维护，工艺信息不能与其 笫8 虹 山东大学硕士学位沦文 它部门共享。 工艺工作与已实现的c a i ) 设l 怍厄法接l i 。 小便于将工艺专家的经验和知i 谚 集【 i 起来加以充分地利f 日。 工艺工作贯穿于企业的整个乍产活动中，在各个方面部充满着个性 气【岂设计所涉及的因素不仅是人量的，i 瓜且是极其错综复杂的，如氽 业的生产类型、产品结构、工艺准备、生产技术发展等的影响，甚至受 到管理体制的制约。上述因素中的任何变化，均可能导致工艺设计方案 的变化。因此说工艺是企业生产活动中最活跃的因素，工艺设计对使用 环境的极大依赖性就必然导致工艺设汁的动态性。 此外，各企业加工的产品干差万别、规模以及员工素质等的不同， 造成各企业的工艺文件多种多样，繁简程度也各不相同，并且所采用的 工艺文件的格式也多种多样，并无统一格式。 1 2 企业工艺设计对c a p p 系统提出的要求 c a p p 系统f 目绕工艺数据来解决企业的工艺设计问题。c a p p 系统中产 生的大量工艺数据要提供给设备、劳资、生产、财务等部门。出这些管 理部门依据工艺数据来安排和组织生产，因此在c a p p 系统中工艺数据是 至关重要的。丽作为工艺数据表现形式的工艺卡片应该是可以改变、可 有可无的。作为企业信息化建设中的部分，c a p p 应从设计、管理、集 成等多方面来解决企业的工艺设计问题。 为了适应极其错综复杂的制造环境，企业工艺设计对c a p p 系统提出 以下要求： 基于产品结构：在企q p q , ，切生产活动都是围绕产品而展j f ： 的。产品的生产过程也就足产品属性的生成过程。t - 艺文件作 鹕9 衄 山东大学硕士学位论文 为，6 ： 的属性，应在工岂设汁计划指导下，困绕产品结构( 基于 装配天系的产品零部件明细表) 艇f 。肇j ：产品结构进行二：艺 设i f ，州以直观、方便、快捷地查找和管理r 艺文件。 艺管埋：在工艺工作中，二f ：艺管理是非常重要的一部分，它 包括产品级的工艺路线设计、材料定额汇总等。对于工艺设计 和成本核算起着指导性的作用。 工艺设计：这是工艺工作的核心工作，c a p p 应高效率、高质量 的保汪工艺设计的完成，二般包括工艺过程卡和工序卡的编制、 工序图的绘制。 资源的利用：在工艺设计的过程中，常常需要用到资源，所谓 资源就是工艺设计需要支配工艺资源数据( 设备、工装物料和人 力等) ，需要应用工艺技术支撑数据( 工艺规范、国家企业技术 标准) ，需要参考工艺技术基础数据( 工艺样板、工艺档案) 。各 个企业的资源是不同的，并且使用资源的方式也是不同的。 c a p p 系统应广泛而灵活地提供资源内容和资源使用方式o _ 艺汇总：也是工艺工作的一部分。工艺汇总卡片中的数据基 于工艺舰程，工艺规程中的工艺数据修改后，必须修改汇总卡 片中的相关内容。 工艺设计管理：诸如工艺设计目录、工艺设计文件封面、用工 央具申请单等的填写对于规范工艺文件管理有着极为重要的意 义。 流程：7 ，工艺设计要经过设计、审核、批准、会签的工作流程。 c a p p 系统应能实现这种工艺工作中流程作业。 f 一岂设汁的后处理：对定型产品的工艺进行分类归档以及归档 第1 0 负 山东大学硕士学位论文 后的育敏利f h 。 标准工艺：c a p p 系统中应有标准或称典型_ i 岂的存储。征 艺 设计中根据相似零件具有相似一i 岂的原理，常常有作为以后j ! 行类似i + 艺设计的参考或模板。下- 【i 5 2 计时，称其为哑1 岂， 工艺设计时直接使用。 企业各个专业工艺设计的基本要求是火同小异的。作为一个实用的 c a p p 系统必须能够适应这些基本功能的要求，甚至还要包括一些更智能 的功能，如实现工艺设计所需信息的描述和代码化。( 特征信息标识和工 艺知识) ：将工艺设计所需信息的数据结构型式的合理制定等等。 但是目f j ，国内计算机辅助工艺设计的应用还处于推广阶段。由于 计算机在企业中的应用，尤其是在生产工程中的应用还e j i n o 起步，很多 企业还是空白，因此在实际开发应用中企业对c a p p 应用开发还应注意以 下几个问题： 企业需要安装简便、人机界面友好的c a p p 系统。操作复杂，数 据准备和系统调试时间长，需要大量培训j 能使用的c a p p 系统 很难让用户接受； 实用性强的c a p p 系统。操作使用应符合工艺设计人员的工艺设 计习惯，使之能迅速掌握。这样c a p p 系统才在企业中能得以推 广； 丌放性好的c a p p 。由于制造环境的多样和复杂，好的c a p p 系统 应当满足：提供用户可以构造适合于本企业制造环境的c a p p 平 台系统：当用户实际的经验与系统的解答不一致时，系统的推理 和决策方法能方便的被用户修改： 企业欢迎的c a p p 系统应具有较好的柔性，能适应企业不同的产 品和生产要求，能满足小同的经营目标和生产计划方案； 箱i l 妞 山东大学硕j ：学位论文 能满足集成要求。集成化发展足现代制造业的发展趋辨，出避 c a p p 系统的发展趋势，防l 此| li d 应用c a p p 应注意c a p p 系统的 底层数据结构能否满足集成要求； 1 3c a p p 技术的发展前景 随着t 十算机的迅速发展和广泛应用，科学技术和工程技术都发生了 革命性变革。计算机的高速、准确和可实现逻辑功能等特点，对提高工 艺设计的质量和效率、促进工艺规程的标准化和优化、提高工艺规程对 生产的指导作用、缩短产品更新的周期、减少设计差错及枯燥的文件编 制工作等，具有极其明显的作用。 目前，计算机技术的应用已深入到工厂企业的各个领域，这为企业 建立计算机制造系统，使用c a p p 系统打下了基础。这样在进行工艺设 计时，如应用计算机进行工艺的设计，必然大大的提高工艺部门的工作 效率、工作质量，提高信息处理能力和企业各部门问信息的交流能力。 当代机械制造领域中，多品种小批量生产的企业大量增加，制造系 统f 逐渐从刚性( 高效率的大批量生产模式) 向柔性( 高效率多品种小批 量生产模式) 转变，这对产品设计及工艺设计的效率、周期提出了更高的 要求。显然，传统的手工设计方式已不能满足上述要求，从手工设计向 计算机辅助设计的转变已经迫在眉睫，将计算机贯穿于产品策划、设计、 工艺规化、制造与管理的全过程，提高工艺规程设计效率和设计重量， 缩短技术准备周期，y j 是制造企业的生存之道。 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 也不断构向前发展。分析国外近3 0 年和我国1 0 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。目叭1 f 在广泛进行智能化、集成化、柔性化和并行化方面的研究。 第1 2 贝 山东大学硕十学位论文 1 ) 智能化 智能化是8 ( ) 年代以来c a p p 系统研究的蘑要发展方向之。过去研 究最多的是各种各样的c a p p 号家系统3 孙，叠今t z f r 多种c a p p 专家 系统在实际中应用。但是号家系统在知识获耿、推理方法、求解空间等 方面还存在一些问题，目前1 f i 在广泛研究的神经嘲络| 3 33 ”、模糊理论【3 5 1 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。就目前的研究柬看，主要包括以 下两个方面：1 ) c a d c a p p 的集成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。这方面的研究很普遍，文献也很多。目前，我国也成功地丌发 了一些专用系统。2 ) c a p p p p s 的集成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。这方面的资料也很多，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 1 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：( 1 ) 研究和丌发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；( 2 ) 研究和丌发非线性_ 1 ：艺规划系统，生成多个可选i 艺规程，给车 问调度提供更大的柔性。 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步发展，充分体现 第1 3 “ 山东大学硕士学位论文 了诈行工程 3 6 1 的思想。并行丁程是目前国际机械_ f 稃领域研究的热f j 课 题。并行c a p p 作为实现并行l 一程目标的重要支持工具，幽内外还部处 j 二探索阶段，主要局限在原型系统j l ：发和理论研究 ：【j 7 ”i 。 1 4c a p p 系统的基本工作原理及主要工作方法 c a p p 从本质上来醴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 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 对于c a p p 系统，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、t 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： 岂过程文件，而是 由软件系统“创造”一个新的j 艺过程。它事先向计算机输入一系列决 第1 4 贝 山东大学硕士学位论文 策逻辑( 规则库) 及相应的决策参考信息( 各种数据厍) 。、把需要编制 f ：艺的零件结构信息和【：艺信息输入汁算机后，计算机仿照l 艺搜汁人 员的决策过程，自动地为该零件创制一个i 艺规程，包括自动选择【艺 过程、机床、刀夹量具、切削参数等。这种方法使c a p p 系统真f f ：保存 和继承了1 艺过程设计的知i 与经验，能适应技术的不断发展，完全摆 脱了具体 _ 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 ) 综合式又称为半创成式，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央方案与工序顺序，则采用创成式 的难点也在于此。但综合式避丌了这难题，它将上述工作仍用样件 工艺来实现，而在较简单的工步设计中则利用创成的思想，使整个系 统易于丌发。不过，综合式的基本工作原理仍与派生式差不多，它也 主要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。 1 5 课题分析 1 5 1 课题的提出和意义 国外从6 0 年代未开始研究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束制定相应的零件规程。美国的 c a m i 公司予19 7 6 年推出的c a m ia u t o a m t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系 统具有罩程碑意义，它属于派生系统。7 0 年代中期，r 始了刨成式系 统的研究与开发，很快被认为足理想的发展模式，但其技术至今仍不 山东大学硕士学位论文 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i ， 智能与专家系统技术在c a p p 领域 f f 的应f j ，产生了所潲c a p p 譬家 系统h “。 我困研究c a p p 系统是始于7 0 年代木，从1 9 8 2 年l ：海同济人7 形式发表了我国策一个c a p p 系统t o j i c a p p ，至今已丌发各类c a p p 有近百种，几乎遍及所有行业的机械制造部门。 c a p p 研究领域的研究经历了三十多年的发展历程后，已取得的许 多富有成效的进展。但是，从总体上看，c a p p 领域目前面临着许多期 待解决的问题，存在着许多技术问题，以下是目前c a p p 领域的研究 热点。 f 1 ) 工艺设汁的自动化 自从tc c h a n g e 给出了“工艺自动设计”的明确定义后，工艺决 策过程的自动化得到了全面的发展。面向并行工程下产品设计的c a p p 工艺决策加工元模型将工艺决策与产品设计有机结合，在理论和实践 上对工艺决策模型、算法进行了有益的探讨与研究：基于神经网络的 工艺设计实例推进索引模型，运用特征技术初步实现了回转类零件 c a d c a p p 的集成；在建立统一产品定义模型基础上，采用框架结 构、黑板结构的描述形式，将产生式规则应用于工艺过程的逻辑决策； 基于制造信息建模、零件模型信息的正向离散与工艺设计基元信息的 反向集中、基础数据与工艺设计决策控制分离的模型，提高c a p p 系 统的柔性：模糊p e t r i o p n 网技术则针对装央与定位方案提出可选工艺 路线的决策方法；p d g 决策( 】：艺决策图) 实现了工艺过程设计；基因 遗传算法引入c a p p 系统从理论上实现了工步排序的优化。 f 2 ) c a p p jp p s ( 生产计划与调度) 的集成 为实现c a p p 与现实制造环境的信息关联，使c a p p 不仅杓j 技术 第1 6 咂 【l j 东大学硕士学位论文 卜而f l 在实际操作 l 订j 什 ：c h r y s s o l o u r i s 等根据：多级并行分以j 式 集成体系结构，耐集 烧递阶决策模型作了深入研究，实现相关i i 艺决 策的并行完成井与p p sf ：为1 个整体进行优化。基j ：面向生产涮度的 c a p p 集成框架，使c a p p 其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汁划陀，即所谓动念c a p p 系统。 ( 3 ) c a p p 与c a d 的信息集成【4 1 i 实现c a d ( a p p 的信息集成一直是国内外学者关注的热点。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 方法则借助标准数掘接口如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发计的研究，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。 ( 4 ) 工程化、商品化c a p p 工具类系统 近年束，国内外已认识到c a p p 应用和工程化问题对c a p p 发展的 影响。ha e i m a r a g h y 指出，c a p p 的实施已落后于新系统的开发和新 概念的应用。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， 对一个有效益的c a p p 系统必须高度自动化这一目标感到怀疑。a m l u s c o m b e 和d ，j t o n i c h 在针对c n c 机床进行的c a p p 研究中，强调“辅 助( a i d ) ”而不是“自动化( a u t o m a t i o n ) ”。pgm a r o p o u l o s 指出需要 进行c a p p 应用研究以促进成熟技术在企业中的应用。 上述热点的形成极大地推动了c a p p 研究的深入与发展，然而这 些热点同时也是c a p p 研究领域的技术难点。出于c a p p 对生产环境 的依赖性及其本身的复杂性，现有c a p p 系统还存在着“先进的不实 用，实用的不，琶进”问题，阻碍了c a p p 的进一步发展与应用。 第1 7 负 山东大学硕士学位论文 1 5 2 课题 要j 作 本课题结合：i ：j 实际，针对“工艺没汁的e j 动化”进行了研究，完 成了“自动j 艺”模块；并构建了通用犁c a p p 系统框架：w i t - c a p p 系统。 自动工艺模块是作为山大华特软件公司为兖矿集团定制丌发的兖矿 c a p p 系统的一个模块，针对回转体类零件的工艺规程自动化丌发的， 其首要目标是满足兖矿c a p p 系统的功能需求，与兖矿c a p p 实现无缝 连接。在此基础上，对自动工艺进行小的改动，实现其通用化。 w i t - c a p p 系统是根据“工程化、商品化c a p p 工具类系统”为指 导思想而构建的c a p p 系统框架。工具化c a p p 系统把系统的功能分解成 一个个相对独立的工具，用户可以通过友好的用户界面根据本企业的情 况输入数据和知识，针对不同的应用环境，形成面向特定的制造环境和 工艺习惯的具体的c a p p 系统，也可以将丌发平台提供给用户，使用户可 以进行c a p p 系统的二次丌发，在丌发平台上构造符合用户需要的c a p p 系统。从理论上讲，它可以适应各种应用环境，具有较好通用性和柔性， 而且由于还具有二次丌发能力，能适应企业内部发生的较大的变化。这 种系统能够很好地实现数据与知识的相互分离，形成一种外壳型开发工 具，或者采用模块组合方式，根据实际要求进行模块重组，实现满足具 体情况的c a p p 系统。因此，w i t - c a p p 系统并不是以工艺生成决策系统 为重点，而是鉴于工艺资源在整个生产流程中的重要地位，侧重于工艺 资源的管理和维护，同时w i t - c a p p 系统考虑了与工艺生成决策系统的 结合，可以与模块化的各种工艺子系统连接。 w i t - c a p p 系统是与山大华特软件的工程师合作丌发完成的，独立 完成的部分足自动工艺模块。 山东大学硕士学位论文 第二章工艺支持系统 尽管c a p p 系统的种类很多，但其基本结构部离不丌零件信息的输 入、工艺决策、工艺资源管理，工艺文件管理，工艺文件输出编辑， c a p p 系统与c a m 或e r p 的集成等几大部分。其中工艺资源管理是 c a p p 的基础。【艺资源管理包含了工艺设计所要求的所有工艺数据f 如 加工方法、余量、切削用量、机床、刀具、央具、量具、辅具以及材料、 工时、成本核算、工艺规范等多方面的信息) 和规则( 包括工艺决策逻辑、 决策习惯、经验等众多内容，如加工方法选择规则、排序规则等) 。静念 与动态数据并存、图文并茂，是典型的工程数据。如何组织和管理这些 信息，并便于使用、扩充和维护，使之适用于各种不同的企业和产品， 是当今系统需要迫切解决的问题。工艺文件管理也属于工艺资源管理的 内容+ 主要包括工艺文件类型和格式的定义、工艺文件的创建、编辑、输 出等。 c a p p 系统进行工艺设计时，要利用系统存储的工艺资源信息进行 工艺决策，生成各种工艺文件同时要处理和生成新数据并对已有工艺文 件与工艺资源数据进行更新。为了满足c a p p 系统的需求，必须建立工 艺数据与知识库来对数据和知识进行管理和维护。c a p p 系统必须在一 定的工艺设计资源的约束下_ 才能正确进行工艺规划，并对企业的生产活 动起到f 确的指导作用。为了提高c a p p 系统的运作效率，第一步迫切 需要实现对c a p p 的资源管理。企业的现有资源管理若全部采用手工管 理，则会存在诸多弊端、管理水平低下、质量不高更谈不上数据的共享 和减少数据的冗余。因此，用数据库系统代替手工劳动进行工艺资源管 理是必然的选择。 第1 9 次 山东大学硕士学位论文 根据c i m d a t a 的定义，p d m 造 门管理所有产品相关信息平l 】过程的 技术。它以网络和分伽式数铡f i q 支术为支撑，采用面向对象的建模方法， 能够管理产品全生命周期内的所有数掘和所有产品十日关过程，提供了一 个企、范嘲内的产品，l ：发和制造的并行化的协作环境。一般来说，成熟 的商用p d m 系统都具有数据仓库、文档管理、工作流过程管理、产品 结构与配置、应用程序封装与集成等主要功能。p d m 系统的强大功能为 丌发适应并行工程的c a p p 系统提供了有力的支持。它具有以下特点： 4 4 1 ( 1 ) 丌放性p d m 技术以网络和分布式数据库技术为基础，在保证 产品数据源的单一性、产品数据的安全性和完整性的前提下，通过中性 接口，提供了对各种异构计算机环境的支持，同时又通过面向对象的方 法为用户定制或二次开发提供了丌发工具或接口，且有良好的丌放性。 c a p p 系统可以利用p d m 丌发工具透明地访问各异构环境下的数据，既 满足了c i m s 中复杂环境对丌放性的要求，又减轻了开发难度，缩短了 丌发周期。 ( 2 ) 集成性作为c i m s 信息集成平台，p d m 系统能够方便地实现 对各种应用程序的封装或集成，在不同层次上支持各种应用系统之间或 者应用系统与p d m 系统之| 、日j 的信息交流，不仅能实现信息集成，还能实 现功能集成和过程集成。由于共享一个统一的数据仓库，c a p p 和其他 分系统之间的数据交换可以不再依赖于开发专用接口，只需针对共享数 据库操作即可。而且由于p d m 对关系数据库进行了o o ( 面向对象) 的封 装，c a p p 可以用直接操作产品对象的方式存取数据。产品设计b o m 可 以直接在数据仓库中通过遍历c a d 系统产生的产品结构树获得，并通过 单一一数据源对工艺视图的映射形成工艺b o m ，以供工艺设计和生产管理 之，用。 箱2 0 贝 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 对企业用户组织和工作流程的支持过程管理是p d m 的特点。 企业功能的实现实际上就是吲绕着各类信息的各种过样的启动和进行。 p d m 提供了对企业中最常用的发放和工程更改过程的支持，也允许用户 自定义过程，以实现对企业过程的灵活重组。利用用，。组织功能可以组 建和管理工艺设汁人员小组，结合工作流程功能可以分配工艺设计任务、 协调工作进度，实现简单的项目管理，还可以支持组内工艺设计结果的 在线审批，从而严格工艺设计程序、及时反馈解决设计制造中的问题， 加快设计节奏，提高设计质量。 ( 4 ) 对并行工程的支持并行工程是集成、并行地设计产品及其相关 过程的系统方法，实质上是一个合作、协调信息及时交流与反馈的过程。 它强调基于信息集成基础上的功能集成和过程集成，组建产品开发团队， 对产品丌发过程进行有效的般控和协调，以及各单元之l 日j 信息的及时交 流与反馈。p d m 的上述特点实际上已经构建了个满足并行工程各单元 信息交流需求的协作环境。通过并行化工作流程可以实现工艺人员之间、 工艺人员和其他部门人员之帕j 的并行工作，唯一的共享数据仓库提供了 信息预发布的基础，从而能够对产品设计作出决策和工艺评价以及实现 与其他系统之间的快速信息交流。 2 1 实用化c a p p 系统的目标 评价c a p p 系统性能的第一要素就是实用性，在减轻工艺人员劳动 强度，提高工艺设计质量的基础上，融合先进的计算机技术和管理思想， 减少丌发工作量，提高软件生命力，是c a p p 系统设计的目标，也是切 合我国企业实际情况，满足企业需求的可行之道。 目前人工智能技术、集成技术的发展迅速，特别是专家系统和c a d c a p p c a m 集成技术的研究与应用，c a p p 系统却仍存在众多问题： 山东大学硕士学位论文 系统丌发周期长，丌发费用高；系统实用性差，难以推广应用；较少考 虑技术与管理的集成，难以使企业全面实现l 岂歧计与管理的计算机化； 从而使得c a p p 的应用缺乏应有的广度，整体发展缺乏】轻实的实践基础。 按照工程化实施的策略，实用性的c a a p p 系统应具有以f 几个性能： ( 1 ) 1 ：程实用性 首先是易学易用，耍能给工艺人员带来工作便利，快艇轻松地完成 及管理各类工艺卡片，提高工作效率；其次是要能真正解决企业的实际 问题，为企业带来实际效益。在实用的前提下考露其先进性，不片面追 求工艺设计过程的自动化。 ( 2 ) 安全可靠性 提高系统的工程化、商品化程序，使系统运行稳定、安全可靠。 ( 3 ) 行业通用性 考虑到企业的制造环境的差别，系统应具有一定的通用性，不同的 企业在使用时，只需建立自己的特殊的工艺数据库和卡片格式，基本功 能模块不变。 ( 4 1 投入经济性 在满足基本功能需要的情况下，从我国企业现状相实际出发，尽可 能降低成本，减少企业的投资。 根据以上几点性质的要求，现丌发的c a p p 系统应充分考虑到我国 企业现状及c a p p 技术发展，使得c a p p 系统能够为多数企业所应用。 目前c a p p 技术的发展方向存在以下两种趋势：1 3 1 一种趋势是在原有c a p p 的丌发模式和体系结构框架内，结合现代 汁算机技术、信息技术等相关技术的进展，采用新的决策算法，发展新 的功能，并已在并行、智能、分布年面向对象等方面进行有益的尝试。 另一一种趋势则是跳出c a p p 传统模式，面向具体生产环境，面向实 第2 2 贝 山东大学硕士学位论文 际应用，面向最鞋奉的需求，利川成熟的技术，建立各种汁算机辅助功 能模块，帮助j 艺人员更快、更好的完成1 ：岂f f 务，意在通过广泛的实 翰、应刚促进其发暖，这是一种实用化趋势。 实用化c a p p 系统的发展趋势，看l 去好象是回退到c a p p 系统发 展的初级阶段，似实际上并非如此。e l 前，实用化c a p p 系统在丌发应 用过程中，其 4 际与传统c a p p 系统的目标有很大不同，它不仅要完成 机加工工艺设汁，还要完成其他各种专业的工艺设计，同时还要进行工 艺数据、制造资源的管理，在此基础上，实现与c a d 、e r p 和m i s 等 的集成。它面向整个产品的工艺活动过程。可以说，目前的实用化c a p p 是相对于传统c a p p 技术的一种螺旋式上升。实用化c a p p 趋势，逐步 体现了现代先进制造思想，它实际上是c a p p 技术在经过2 0 多年前期发 展之后，一个新阶段的开始，在自动化方向退一步、向通用化、集成化、 实用化方向进步。 当然，实用化c a p p 技术的发展也不应该仅仅满足于单纯交互式的 “所见即所得”，忽视或排斥在智能化方向上的努力( 包括人工智能技术 的应用，以及各阶段各种有效的智能化在线辅助) 。只要技术路线正确， 相信经过几年努力之后会给前一种技术趋势仓t 造更好的条件和基础，并 使两种趋势能够更好地结合起来，推进c a p p 技术快速有效地向前发展。 另一方面，工艺过程设计是典型的复杂问题，它包含了分析、选择、 规划和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。但 是长期以束，c a p p 的研究丌发忽视了对工艺准备活动所涉及的基础任 务、方法和数据的深入研究和探索，缺乏一种对工艺业务活动的整体把 握，过多的局限f 某些局部环节，从而造成丌发、实施具体应用系统的 困难，也使新概念、新技术和新方法的采用一直缺乏应用和理论基础。 销2 3 业 山东大学硕士学位论文 m j ，从现代制造业罐个产品7 l i 命周期对1 ：艺丁_ 作的需求出发，以术束 瞧拟食业和网络化令球制造为背景，j j 兀强对工艺基础理沦、i 艺流年【l ! 和 基础数据分析，加强软件系统结构和方法的研究，j 能使上述两种趋坍 结合起来迈出更为峰实的步伐，希望致力于上述两种技术趋势的研发者 部能给予足够的重视。 2 2w i t - c a p p 总体设计 旦 p d m 功 蚓瞄 能支持模块 p d m 0 0 十装膳 网络、分柑代数据库 图2 1 基于p d m 平台的c a p p 系统结构图 基于p d m 平台的c a p p 系统( 如图2 1 ) 不同于一般的c a p p 系统， 它体现了传统结构的扩展。系统建立在被p d m 系统封装的网络和分布式 数据库环境上，其功能层包含二次开发的部分和根据c a p p 系统的需求 对p d m 功能模块进行定制的部分。在这两部分之闻通过统一的 p d m c a p p 界面与用户交互，从功能上形成一个整体。 嘏2 4 贝 山东大学硕士学位论文 川，、管理界向 j e e c a p p 基础平台l 艺管理模块 基本功能：系基本功能： 专业设“模块 麻用系统接口 统配置、l ：艺1 艺资源管理、 , c - 片定制、j ：权限与角色管 基本功能：l 艺卜片编辑、理、流程与任 艺汇总管理、 基本功能：用 基f i i l ；数据维务、评审版本、 并1 艺决策模 p 戍j h 系统接 块 口、p d m 妾口 护、打印、更改、 系统服务层 j j j 亡 数据库组件服务层 图2 2w i t - c a p p 系统总体结构图 建立