（机械工程专业论文）capp中零件工艺相似性判定技术的研究.pdf

y 5 6 5 17 3 c a p p 中零件工艺相似性判定 技术的研究 领域：机械工程 研究生韦清芳指导教师王杰王宝瑞 t 一 计算机辅助工艺过程规划系统( c a p pc o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 是伴随着当代机械制造领域的转型和计算机技术的迅猛发展而应运而生的， 它在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、自动生成玉 艺规程、辅助完成计算工序尺寸、绘制工序图、选择切削参数和优化工艺设 计结果等方面的良好表现为工艺设计的数字化、智能化和自动化提供了很好 的技术支撑。 提高c a p p 系统的功能、实用性、适应能力、通用性和智能水平是当前 c a p p 发展的主要趋势，主要的解决途径多是采用多种工艺决策方法和多层次 的分布式系统结构。在海量的工艺库中如何快速、准确地匹配合理的工艺路 线，加快工艺规程的设计过程是目前要解决的问题之一。如果能依据零件特 征评定两个零件的工艺相似性，就可据此技术建立一个搜索引擎，自动地在 海量工艺库中搜索出与新零件工艺最相似的零件工艺，在此基础上进行工艺 的变异设计，将大大提高c a p p 系统的实用性和智能化；如果能有效地评定 两个零件工艺的相似性，就可以借此技术建立基于实例推理的c a p p 系统。 为解决上述问题，本文提出解决c a p p 中零件工艺相似性的两条途径， 一种途径是认为具有相似特征的零件具有相似的加工方法和工艺规程，依据 零件的特征来判定零件工艺的相似性。另一种途径是直接依据存放在工艺库 中工艺规程的属性，判断二者的相似性，实现相似工艺规程的聚类，为工艺 知识的提取和总结提供方便。 在建立通用零件索引结构和特征索引结构的基础上，实现了零件的特征 建模，建立了基于特征的事例表示，提出了基于相似元和基于特征结构树的 相似性评定算法，实现了基于特征的相似性评定，并对不同的评定方法做出 了评估。 通过提取工艺库中的工艺属性，建立了基于工艺属性的工艺事例检索模 型，提出了具有顺序关系对象的相似性计算方法，实现了基于工艺属性的相 似性评定，对应用情况做出了评估。 建立一个技术实验系统来筛选、验证和评定方案，通过研究，解决了工 艺相似性评定的关键技术问题，为建立我所基于实例的c a p p 系统提供了技 术基础。 关键词：c a p p 数据库相似性基于实例特征建模 s t u d yo fv e r d i c tt e c h n o l o g yo fp a r tp r o c e s s c o m p a r a b i l i t yi nc a p p m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ： w e iq i n g f a n g a d v i s o r ：w a n g j i ea n dw a n gb a o r u i c a p p ( 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 ) a p p e a r s w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n to fm o d e r nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r ea n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y w h i c h m a k e su s eo ft h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e so ft e c h n i c i a nt op r o c e s sd a t a ，t om a k e s c i e n t i f i cd e c i s i o n ，t oc r e a t ep r o c e s sr e g u l a t i o n sa u t o m a t i c a l l y ，t oa i d t h e d i m e n s i o nc a l c u l a t i o np r o c e d u r e ，t op l o tw o r k i n gp r o c e d u r ed r a w i n g s ，t oc h o o s e c u t t i n gp a r a m e t e r , t oa i do p t i m i z i n gp r o c e s sp l a n n i n ga n de t c a n di t a l s o p r o v i d e sap o w e r f u lt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rt h ed i g i t a l i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t i z a t i o n a n da u t o i m m u n i z a t i o no fp r o c e s sp l a n n i n gd e s i g n a d v a n c i n gt h ef u n c t i o n a l i t y , p r a c t i c a l i t y , a d a p t a b i l i t ya n di n t e l l i g e n c e o f c a p ph a v eb e c o m et h em a i nt r e n do fc a p pd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，i tn e e d st o a d o p tm a n i f o l dm e t h o do fp r o c e s sd e c i s i o n - m a k i n ga n dm u l t i p l a y e rd i s t r i b u t e d s y s t e ms t r u c t u r et oa t t a i nt h i sg o a l h o wt om a t c hr a t i o n a lp r o c e s sr o u t er a p i d l y a n da c c u r a t e l ya n dh o wt oq u i c k e nt h ed e s i g n i n gc o u r s eo fp r o c e s sr e g u l a t i o n s u p o nam a s s i v ep r o c e s s p l a n n i n gk n o w l e d g eb a s ea r et h eo n eo ft h eq u e s t i o n s n e e d e db es e t t l e dp r e s e n t l y i fw ec a nv e r d i c tt h ep r o c e s sc o m p a r a b i l i t yo ft w o p a r t sb a s e do nt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，as e a r c h i n ge n g i n ew i l lb ee s t a b l i s h e d o nt h i s p o i n tt os e a r c ht h ec o m p a r a b l ep a r t sp r o c e s sw i t hn e wp a r t s ，t h e nd e s i g nt h e v a r i a b i l i t yo fn e wp a r tp r o c e s s w h i c hw i l l e n h a n c eg r e a t l yp r a c t i c a l i t ya n d i n t e l l i g e n c eo fc a p ea n di fw ec a r lv e r d i c te f f e c t i v e l yt h ep r o c e s sc o m p a r a b i l i t y o ft w op a r t s ，ac a s e b a s e dc a p ps y s t e mw i l lb ee s t a b l i s h e d t h i sp a p e rp u tf o r t ht w or o u t e st h a tc a ns e t t l et h eq u e s t i o no fp a r tp r o c e s s c o m p a r a b i l i t y v e r d i c tp r o c e s sc o m p a r a b i l i t ya c c o r d i n gt ol i k ep a r t sc h a r a c t e r ，t h e o n ei st ob ec o n s i d e r e dt h a tt h el i k ep a r t sh a v ec o m p a r a b l em a n u f a c t u r em e t h o d m a dp r o c e s sr e g u l a t i o n s t h eo t h e ri st ou s et h ea t t r i b u t e so fp r o c e s sr e g u l a t i o n s ， w h i c ha r ep u ti nt h ep r o c e s s b a s et ov e r d i c tt h ec o m p a r a b i l i t y , a n dr e a l i z et h e c o l l e c t i o no fl i k ep r o c e s sr e g u l a t i o n s t h r o u g he r e c t i n gi n d e xc o n s t r u c t i o no ft h ep a r ta n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e s t u d yi m p l e m e n t st h ec h a r a c t e r i s t i cm o d e l i n go fp a r t s ，e s t a b l i s h e sc a s ee x p r e s s b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c s ，p u t sf o r t hv e r d i c ta r i t h m e t i co fc o m p a r a b i l i t yb a s e do n r e s e m b l eu n i ta n dc h a r a c t e rs t r u c t u r e t r e e a n d e v a l u a t e sd i f f e r e n tv e r d l e t m e t h o d b yp i c k i n gu p t h ep r o c e s sa t t r i b u t e sf r o mp r o c e s sb a s e ，t h ea u t h o r e s t a b l i s h e dap r o c e s s c a s ei n d e xm o d e lb a s e do np r o c e s s - a t t r i b u t ea n db r o u g h t f o r w a r dt h ea r i t h m e t i co fo b j e c tt h a tp o s s e s s e ss e q u e n c ec o n n e c t i o n a n d e v a l u a t e si t sa p p l i c a t i o n t h i sp a p e re s t a b l i s h e st e c h n o l o g ya n dt e s ts y s t e m , w h i c hi s u t i l i z e dt o f i l t r a t e ，v a l i d a t ea n de v a l u a t ep r o j e c t a n ds e r i e st h ek e yt e c h n i q u eo fv e r d i c to f t h ep r o c e s sc o m p a r a b i l i t yt h r o u g ht h es t u d yo ft h e s i s ，a tt h es a m et i m e ，t h es t u d y a l s op r o v i d e sp o w e r f u lt e c h n i q u ef o u n d a t i o nf o re s t a b l i s h i n gt h ec a p ps y s t e m c a s e - b a s er e a s o n i n gi n u s t i t u t eo f m e e h a n i c a lt n a f f u t l 知t u r i a gt e c h n o l o g yo f c a e p k e yw o r d s ：c a p b d a t a b a s e ，c o m p a r a b i l i t y , c a s e - b a s e ， f e a t u r e m o d e l i n g 叫川大学t 程倾士学位论文 1 绪论 11c a p p 应用概况 1 1 1c a p p 发展概况 当代机械制造领域中，市场竞争日益加剧，新工艺技术不断得到应用， 用户需求多样化，产品生命周期明显缩短。企业作为市场的主体，需要不断 地降低成本，提高客户满意程度和效益。企业的制造系统正逐渐从刚性向柔 性转变，即从高效率大批量生产模式向高效率多品种小批量生产模式转变。 2 0 世纪8 0 年代以来，全球信息技术飞速发展，尤其是 i n t e r n e t i n t r a n e t 的出现和普及，使得信息技术得以迅速渗透到社会经济 的各个领域，产生了明显的效益。传统的手工工艺设计方式已难以满足企业 制造系统转变的需要。计算机，尤其是基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的计算机， 能进行快速、准确的计算，有效地管理大量数据，进行各种形式的比较和选 择，为自动绘图、表格编制提供良好的工作界面，这为工艺设计的数字化、 智能化和自动化提供了很好的基础，促进了计算机辅助工艺过程规划系统 ( c a p p ，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 ) 的发展川。 c a p p 系统不但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，还能辅助完成计算工序尺寸、绘制工序图、选择 切削参数和优化工艺设计结果等工作，从而设计出标准化、规范、高质量的 工艺规程。工艺信息的数字化，使工艺知识能方便地被重用，大大提高了工 艺设计的效率，工艺设计与c a d ，c a m 乃至m i s 等系统的可集成性大大提高。 世界上最早研究c a p p 的国家是挪威，始于1 9 6 6 年，并于1 9 6 9 年正式 推出世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s ，1 9 7 3 年正式推出商品化a u t o p r o s 系统。美国是6 0 年代末7 0 年代初开始研究c a p p 的，并于1 9 7 6 年由c a m i 公司推出颇具影响力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。 c a p p 的发展过程中，先后出现了派生式和创成式两种不同工艺设计原 理的系统。派生式( v a r i a n t ) c a p p 已从单纯的检索式发展成为具有不同程度 第一章绪论 的修改、编辑和自动筛选功能的系统，并融合了部分创成式的原则和方法。 创成式( g e n e r a t i v e ) c a p p 的研究与开发始于7 0 年代中期，创成式c a p p 具有 自动化、智能化等优点，被认为是有前途的方法，很快得到研究人员的重视。 近年来，这两类系统都在发展中不断改进提高、互相渗透和融合，功能和实 用性有了很大的提高。 在应用传统软件技术( 如传统的过程性结构和判定树、判定表等决策形 式) 的基础上，从8 0 年代开始，研究人员开始探索将人工智能( a i ) 、专家系 统等技术应用于c a p p ，研制成功了基于知识( 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 专家系统。近年来，人工神经元网络技术、模糊推理以及 基于实例的推理等新技术被不断应用到c a p p 的开发中，提出了c a p p 系统建 造工具的思路，并进行了卓有成效的实践。另有研究人员将传统派生法、传 统创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造混合式 ( h y b r i d ) c a p p 系统。 国内外已成功开发了许多具有上述特点的c a p p 系统，但它们多是针对 某类零件的专用c a p p 。在这类系统中，能得到较大范围内应用，且工艺产生 的效率和质量令用户感到满意的系统还不多。 我国对c a p p 的研究始于8 0 年代初，在国家8 6 3 c i m s 计划的支持和推 动下，c a p p 的技术研究、产品开发、实施及应用均取得很大的成绩，形成了 完整的产业链。 1 1 2 制造企业对c a p p 的需求 c a p p 作为一项单元技术，在不断追求其性能和功能提高的同时，作为企 业信息化支撑技术之一，必须与其它系统保持密切的内在联系。只有信息能 被集成使用，才能充分发挥c a p p 及其它系统的效益。 为适应企业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 以下需求，这些需求的实现也是c a p p 系统的发展方向。 a ) c a p p 的集成性 四川i 大学工程顾士学位论文 c a d c a p p c a m 的集成。在c a d c a p p c a m 集成系统中，c a p p 是连接 c a d 与c a m 的桥梁和纽带。集成化的c a p p 系统能直接接收c a d 的零件信息， 充分利用c a d 成果( 如c a d 的产品结构信息、产品属性数据和图档) 进行工 艺规划，生成有关工艺文件，必要时还可向c a d 系统反馈有关工艺评价信息。 以工艺设计结果和零件信息为依据，经过适当的后置处理，生成n c 程序， 从而实现c a d c a p p c a m 的集成。 c a p p 与m i s 的集成。企业的m i s 系统对企业的制造资源( 如：设备管理 系统中的设备信息、工装管理系统中的工装信息、企业组织机构中的部门信 息、人事管理系统中的人员信息等等) 进行了有效的管理。工艺人员进行工 艺规划时，需要充分利用这些数据以提高工艺的质量。c a p p 系统应向其它系 统实时提供有效的工艺b o m 数据，对产品、零部件或工艺文件进行自动统计 汇总，生成各种工艺报表，并将统计汇总结果直接传递给其它系统、或存储 为指定格式的中间文件，其它系统可从工艺数据库中提取所需的工艺数据供 使用。 c a p p 与p d m 的集成。c a p p 是一个以工艺信息产生为主的工具系统，解 决了工艺信息的数字化问题。随着工艺信息快速增加，需要按产品装配关系 快速查询所需零件的工艺信息；图纸和工艺文件的更改不可避免，需要保证 最终使用的是正确版本的图纸和工艺；工艺人员之间需要更有效的并行工作 环境，为满足这些需求，就应实现c a p p 与p d m 系统的无缝集成。 b ) 完全基于数据库 企业实施c a p p 系统的根本目的是为企业管理系统实时地、动态地提供 正确、有效的工艺数据。也就是说，要满足企业信息化建设对集成的要求， 应允许管理系统在不进入c a p p 系统的前提下直接访问工艺数据库，如p d f 、 e r p 、m i s 等系统应可以直接读取工艺数据。 c a p p 是企业信息化建设的关键，工艺数据是指导企业生产的重要依据， c a p p 要为企业信息化建设的其它系统( 如a m s 、p d m 、m i s 、m r p i i 、财务系 统、e r p 等) 提供基础数据，而这些系统都是基于关系型数据库的，因此c a p p 第一章绪论 系统必须是基于关系型数据库的，否则就谈不上数据的无缝和动态集成。 c ) 面向产品结构树 根据c a p p 及集成技术的发展，为满足企业对c a p p 的应用需求，c a p p 的集成与应用应从以零部件为主体对象的局部集成和应用走向以整个产品 为对象的全面集成和应用。c a p p 的集成化应是一个多层次、分阶段应用与集 成的渐进发展过程。 d ) 基于企业网络平台 通常，一个企业有多个分散的工艺组( 或工艺部门) 组成，即使只有一 个工艺组，也是有多个工艺人员使用c a p p 系统。从工艺部门内部的需求来 讲，为了实现工艺数据的集中管理与工艺人员间的信息共享，c a p p 系统应是 一个面向多用户基于企业网络平台的系统，其系统结构应为c s 模式( 或b s 模式) 的两层或多层结构。从c a p p 系统与其它系统间的集成使用的角度来 讲，c a p p 系统也应构筑在企业网络平台之上。 e ) 多种工艺生成模式一体化 实践表明，无论是检索式、派生式、交互式还是创成式，单一模式的c a p p 都存在明显的优缺点，有特定的适用对象，难以全面满足企业工艺实际的要 求。企业之间，企业的不同产品之间在工艺成熟度、工艺习惯以及工艺成果 的积累方面均呈现出差异性。结合企业不同产品的工艺特点和设计要求，发 挥c a p p 各种工艺产生模式的优势，开发多种工艺生成模式一体化的c a p p 系 统可明显提高c a p p 系统的适用范围和易用性。 1 2iu t - c a p p 的特点及应用情况 由于单位性质和产品特点的限制，我所从1 9 9 4 年就开始进行c a p p 方面 的课题研究和系统开发，逐步积累了相关技术。特别是在“九五”期间，在 院科研课题及专项工程的支持下，自主开发了基于大型工程数据库的多模式 c a p p 系统一i 咖t - c a p pv 1 0 ( i n s t i t u t eo fm e c h a n i c a lm a n u f a c u r i n g t e c h n o l o g y c a p p ) ，并在主要生产车间推广和使用该系统。实施一年半来， 在数据库中产生了超过7 0 0 0 份的工艺规程。i m m t c a p p 逐步成为工艺人员的 四川i 大学工程硕士学位论文 日常工作平台，基本上解决了我所工艺数字化的问题。 i m m t c a p p 的设计目标是为我所的工艺设计人员提供一个通用的计算机 辅助工艺规程设计平台，以实现整个工艺设计过程的计算机化，实现工艺数 据的集中管理和集成应用。该系统以c a p p 为主要功能，对典型零件能实现 从c a o 、c a p p 到c a m 的信息集成，并实现了工艺数据的有效管理。 我所自主开发和实施了满足科研生产需要的信息集成系统，该系统的总 体结构如图l l 所示，包括技术信息、管理信息和制造资源信息管理三个 子系统。 技术信息子系统( t i s ) 是c a d c a p p c a m 的集成系统，以c a p p 为重点， 能在一个集成的环境中完成产品设计、工艺编制、数控程序生成，并能有效 管理设计图形、工艺数据和数控程序。 管理信息子系统( m i s ) 主要实现了所生产计划编制、任务下达、现场 生产组织、各种生产及质量信息的采集及分析，为建立一个高效、灵活的生 产计划和调度提供了较好的支持。 制造资源管理系统实现了本所器材、设备、刀具和量具等对象的计算机 管理，可为t i s 和m i s 提供实时的数量、属性及状态信息。 三个子系统在公共数据库( s y b a s e ) 和网络环境支撑下实现有关产品设 计信息、工艺信息、制造资源信息和生产管理信息的共享和集成，从而实现 了以信息集成为核心的灵活制造。图卜l 中的双向箭头示意了各子系统不是 一个个分隔的系统，两两间能进行充分的信息共享和交换，信息集成和管理 的主要策略就是基于公共数据库。 i m m t c a p p 是作为t i s 的一部分与其它系统集成使用的。i 删t c a p p 既可作为一个独立的系统在工艺部门使用，也可与其它数据库管理系统( 如： m i s ) 集成使用。 i m m t c a p p 在功能上是一个多模式的c a p p 系统，系统具有如图卜2 所示 的功能。主要的技术特点和功能如下： 第一章绪论 图卜1 信息集成系统的体系结构 系统的体系结构是基于c s 结构，客户端采用w i n d o w s 系列桌面平台 服务器端选用s y b a s e 数据库，主要用p o w e r b u i l d e r 开发用户界面。 图卜2i 姗t c a p p 的功能模块 四川1 人学工程硕士学位论文 作为一个基于大型数据库的c a p p 系统，所有的工艺信息( 包括工序简 图) 均统保存在数据库中。从c a p p 的角度看，它使工艺数据和工艺卡片 的具体格式相分离，提高了c a p p 系统的适应能力；工艺卡片的具体格式发 生变更，工艺数据能得到最大程度的利用；数据库强大的计算能力大大提高 了c a p p 在统计、汇总等方面的功能。从全所信息化的角度看，我所信息集 成和共享的主要策略就是基于公共数据库。基于公共数据库的c a p p 系统所 产生的信息能被其它系统很好地共享，其它系统如制造资源管理系统和生产 管理系统的信息也能方便地被c a p p 系统所共享。 i 枞t c a p p 的信息流向模型如图卜3 所示。 图卜3m m t - c a p p 的信息流向模型 c a p p 按其工作原理可分为创成式、交互式和派生式等数种，每一种均有 其特点和适用对象。i m m t c a p p 系统包含创成式、交互式和派生式三种工艺 生成模式，能以多种模式产生工艺规程，提高了系统的应用范围，其工作流 程如图卜4 所示。 第一章绪论 玉引初步牛成工劳h 工艺编辑i - 图卜4i 涮t - c a p p 的工作流程 创成式c a p p 根据输入的零件信息，依靠系统中韵工程数据和决策方法 ( 工艺规则、工艺知识) 自动产生零件的工艺规程。其特点是无须人为干预 就能自动产生零件工艺，便于实现c a d c a p p c 枷的集成，是一种较理想的 c a p p 模式。由于技术水平的限制，尚难建造智能性强、自动化程度高、实用 性又很好的创成式c a p p 系统。 派生式c a p p 基于零件相似性原理，认为相似的零件具有相似的工艺加 工，通过检索相似零件的工艺规程，在其基础上，加以编辑而产生一份能满 足实际需求的新工艺规程。派生式c a p p 利用了成组技术、相似性原理和零 件分类编码等技术，在制造业中应用广泛，有较高的实用价值。 交互式c a p p 强调c a p p 的工具性，采用人机对话的方式将一份工艺规程 输入到计算机中，讨：算机提供各种工艺编辑功能。交互式c a p p 在原理上最 为简单、直观，通用性和实用性均较好，是大多数商品化c a p p 系统所采用 的方式。 如图卜5 所示，i 埘t c a p p 是一个面向项目( 任务) 的c a p p 系统。利 用该系统可以完成一个项目的产品设计、工艺设计、工装设计和数控程序的 设计。并可按照信息的依附关系，实现所有技术信息的集中管理。支持从管 理信息系统( m i s ) 中接受工艺任务作为项目或自建项目两种工作方式，既可 四川大学工程硕十学位论文 以单独运行，也可以与m i s 等系统集成运行。 i m m t c a p p 具备工艺流程管理功能，可按需要定义工艺任务的流程，能 根据指定的任务流程进行流程和权限管理。提供任务箱功能，用户对需要完 成的任务一目了然。 图i - 5 面向任务的工艺设计与管理 i 删t c a p p 提供了一个“所见即所得”的工艺卡片编辑器和浏览器，提 供了全面、方便的编辑功能，可以快速生成工艺路线，在进行工艺设计的同 时，可方便地绘制工序简图，进行数控程序设计。提供了工艺校对、审核等 流程的红笔批注功能( 见图卜6 ) ，实现了特殊字符输入，工艺内容自动折 9 第一章绪论 行断行等较高级的编辑功能。 图1 6 工毒校对中的红笔批注功能 i m m t c a p p 内含一个数控编程与数控程序管理的系统，提供了进行数控 程序设计的环境。提供了三种数控程序生成模式：c a p p c a k l 模式、c a d c a m 模式及其他模式。洛种模式生成的数控程序均存放于数据库中，并与产品零 件工艺相关联。用户可以使用数控编零幂辅对编写的器序进行图形模拟( 如 图卜7 所示) 。 叫川大学t 程硕士学位论文 图卜7 数控程序图形模拟 系统具有工艺文档管理功能，对通过本系统产生的全部工艺信息( 包括 工艺规程、工序简图、数控程序、工艺装备等) 能实现方便的管理和检索， 实现了各种工艺汇总报表( 如：工序目录、工装清单等) 的自动处理。 i m m t c a p p 对用户及权限进行统一管理，全面的权限管理机制能控制用 户能使用那然模块，能使用模块中的那些功能，能对那些项目及项目下那些 零件进行操作，能对何种工艺卡片进行操作及进行何种操作。满足了安全管 理工艺信息的需求。 1 3 研究的意义和主要内容 l _ 3 1 研究的背景和意义 参与开发的i m m t - c a p p 系统基于大型数据库，采用客p j k 月i 务器结构， 将交互式、派生式、创成式c a p p 有机结合成一个综合性的c a p p 系统，满足 了不同层次、不同场合的需要，提高了系统的实用性和适应能力。采用基于 公共数据库的信息集成策略，使c a p p 与其上游环节c a d 、下游环节c a m 间能 信息共享。所建立的系统在我所科研生产中得到了实际应用，实现了我所核 第一章绪论 心技术信息的数字化，在科研生产实际中得到较大范围内的应用，获得了一 定的效益。 提高c a p p 系统的功能、实用性、适应能力、通用性和智能水平是当前 c a p p 发展的主要趋势，也是i n , i t c a p p 的努力方向。其主要技术途径是采用 多种工艺决策方法，采用多层次的分布式系统结构，在这些方面，i m m t c a p p 存在许多值得深入研究和提高的地方。 前已叙及，i m m t c a p p 包含创成式、交互式和派生式三种工艺生成模式， 各种模式在实际应用中发挥着不同的作用。对部分关键零部件，因其变化较 少，技术条件和工艺路线相对较固定，工艺规则易于提取和总结，从产品重 要性角度考虑，也值得去进行工艺规则的总结，采用创成式c a p p 的方式自 动地产生这部分零件的工艺规程。工艺知识提取和表达的效率不高且难以被 熟练掌握限制了创成式c a p p 的应用，刨成式c a p p 投入使用的三年多来，使 用的范围基本上未作扩展，所产生工艺规程的比例在：1 0 以下。 要解决创成式c a p p 实用性问题的关键是要解决工艺知识获取的效率问 题。最有效的工艺知识获取途径是从工艺实例中进行提取，r j l 9 , f f - c a p p 未实 施前，工艺知识的提取依靠工艺专家对纸介质工艺规程进行分析和归纳，再 翻译成工艺推理机能识别的语言和格式，准确性不高，工作量相当大。 i n m t c a p p 实施后，工艺库中工艺规程的不断积累意味着工艺知识的不 断增加和沉淀，结构化的工艺信息为工艺知识的提取提供了很大的方便。从 大量的工艺数据中整理、提炼出重用性很高的工艺知识便成为了现实需求。 能最大程度地利用以前的工艺知识来提高新产生工艺规程的效率和质量，是 工艺人员的需求，也是智能化c a p p 系统应提供的功能【l 】。 如果能够依据存储在工艺库中零件工艺规程的属性有效她评定两两间 的相似性，就可以将工艺库中的零件按工艺的相似性进行动态零件聚类，将 具有相似加工链和加工属性的零件及其工艺规程聚集在一起供工艺专家进 行分析和总结，在此基础上建立工艺知识提取系统( 另一项相关的研究工 作) ，实现工艺知识的建立、调试、编译及维护等功能，将大大提高创成式 四川大学工程硕士学位论文 c a p p 挖掘和提取工艺知识的效率，从而实质上提高创成式c a p p 的推理能力 和覆盖范围。同时，工艺规程按相似性的动态聚类也可为工艺新手学习和掌 握以前的工艺经验提供帮助。 i m m t c a p p 实施的最初阶段大量采用的是人机交互方式来产生工艺规 程，其目标是实现工艺规程的数字化和集中管理，即将纸介质上的工艺转化 成为保存在数据库中的结构化信息，将个人产生和保管的信息转化成为集中 管理、可以共享使用的信息，为全所的工艺信息集成应用提供基础。交互式 c a p p 成功应用的关键是工艺编辑器的功能和编辑效率。 当工艺库中工艺规程的数量足够多时，一份需新产生的工艺规程常常是 工艺库中类似工艺的修改( 局部变化或增加新内容) ，至少以前的工艺能为 新工艺规程的编制提供一些借鉴。有大量的数字化工艺规程作基础，派生式 c a p p 在企业中就显示出了较强的实用性，成为工艺人员产生工艺规程的优先 选择。 派生式是一种实用性较好的工艺产生方式，根据其工作原理，派生式 c a p p 系统要能很好地发挥作用的关键问题是怎样优先和确定用来派生的对 象，即需要在工艺库中高效、准确地找到与新零件相似性最好的零件。派生 式c a p p 是典型的父生子的继承过程，所找到的父工艺规程越好( 满足经济、 高质量制造的需要) ，所产生的新工艺规程质量就越高。t m m t c a p p 急需解决 的一个问题就是怎样实质性地提高派生式c a p p 搜索满足需求零件的效率和 准确性。 不同企业的工艺风格和工艺属性相差很大，缺乏统一的标准；工艺规程 在很大程度上又是经验性的，存在许多“知其然，不知其所以然? 的因素， 这决定了用一些看起来很精确的方法难以解决工艺相似性判定的问题。 i m m t c a p p 所采用的实现方式是利用成组技术将零件分组，认为在同一 组内的零件具有工艺相似性，为每一组零件建立工艺模板( 或称标准工艺或 典型工艺) 。由于零件的多样性和复杂性，实际应用中存在以下缺点： a ) 要对所有的零件进行科学分组难度高、工作量大，分组的原则难以 第一章绪论 被工艺人员，尤其是新手，准确掌握。 b ) 如果要使按组建立的工艺模板或标准工艺比较实用化，组的划分一 般需要较小，这样组的数目和层次都比较多，要按组进行零件的检索和查询 就变得效率不高或者较困难。 c ) 工艺模板或标准工艺的建立需要工艺专家的参与，要建立有效的且 覆盖面广的标准工艺在具体实施过程中，既有技术上的难度，也有很大的工 作量。 要进一步提高i m m t c a p p 中派生式c a p p 的性能，就需要解决依据零件 特征评定两个零件的工艺相似性的问题。在此技术基础上，为派生式c a p p 建立一个搜索引擎，该引擎能自动地在大量的工艺规程中搜索出与新零件工 艺最相似的零件工艺，在搜索出工艺规程的基础上进行工艺的变异设计，将 大大提高派生式c a p p 系统的实用性和智能化。 创成式c a p p 是基于知识规则的推理，建立完善、规范的工艺知识库是 创成式c a p p 发挥优势的关键。由于零件的复杂性和工艺设计的经验性，一 方面，工艺知识的规则化可能比较困难，工艺知识的提取和表示工作量大、 效率低；另一方面，工艺知识的形成处处需要工艺专家的参与，具体实施时 难度较大。 正是因为单一方式的c a p p 难以满足实用性的要求才促使人们寻找各种 更有效的c a p p 推理策略。 基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 是一种典型的利用以前 的实例和经验进行推理的求解机制，具有求解问题简单和快速、实例库的建 立不一定需要工艺专家的参与、实例库具各自学习功能等优点，使得c b r 在 知识抽取比较困难、经验性较强的工艺设计中能发挥较好用处l ”。 如果能有效地评定两个零件工艺的相似性，就可以借此技术建立基于实 例推理的c a p p 系统。该系统采用的是类比推理，不用编写复杂的工艺规则 就可利用以前的工艺经验。基于实例的推理无需从头开始求解问题的起点 高，具备自学习、自积累功能，在经验性强而理论不够成熟的工艺设计领域 四川大学工程硕士学位论文 有较强的求解能力。 可见，c a p p 中零件工艺相似性判定技术的研究是i t “m t c a p p 进一步 发展的技术基础，研究工作应该解决工艺相似性判定的关键技术问题。完成 后将相关的技术应用到i m m t c a p p 下一版本的开发中，形成派生式c a p p 的 搜索引擎，使派生式c a p p 的检索功能有质的提高。在本文技术成果的基础 上，实验开发基于实例推理的c a p p 系统，最终将各种原理的c a p p 有机结合， 组成优缺点互补、相辅相成、功能完善、实用性好、适应能力强的综合式c a p p 系统。进一步推动i m m t c a p p 在技术上的进步，更好地满足工艺人员的需求 u s i 。 1 3 2 研究的主要内容 分别从零件的特征信息和保存在工艺库中的工艺信息出发，研究能快 速、有效评定零件工艺相似性的计算方法，建立一个技术实验系统来筛选、 验证和评定方案，比较方案间的优缺点，评估其在c a p p 系统中的实用性。 需要完成的主要工作包括： a ) 建立基本特征集和零件索引结构，建立基于零件特征的实例分解和 表示，研究具备定实用性的工艺相似性判定算法和检索策略。 b ) 从工艺库中抽取所需信息，建立基于工艺信息的实例表示模型，研 究其相似性判定算法和检索策略。 c ) 在i m m t c a p p 相同的开发环境下，建立一个技术实验系统，实现和 验证各种技术方案。 本文的成果和开发的大部分模块将直接应用到i m m t c a p p 的下一版本 中，相似性判定的算法和实现需要充分考虑与现有i 删t c a p p 的兼容性。 1 3 3 主要技术路线 要实现基于零件特征的相似性判定就必须实现基于数据库的零件特征 建模，特征建模的主要技术路线是： 第章绪论 a ) 特征编码。 确定所有特征并唯一标识，确定特征问的关系。 b ) 确定零件特征模型的结构。 零件特征模型的结构有两个含义：一是在逻辑上的零件特征结构，即选 择什么样的特征来构成零件的特征模型，这些特征之间按什么方式进行组 织。二是确定采用什么样的数据库结构来存储零件特征。确定零件特征模型 的结构就是要解决特征的选取和存储的问题 c ) 零件的特征定义。 解决两个层次的问题，一是零件有那些特征? 二是特征的每个属性值是 多少。需要提供高效、易用的用户界面供用户使用。 i m m t c a p p 特征模型的建立有两种方式，一是采用特征识别技术从零件 二维图形中自动或半自动提取和存储所需要的零件特征及特征属性值，另一 中是采用人机交互的方式建立特征模型。 要实现基于工艺属性的相似性判定，需要建立基于工艺属性的判定模 型，从i m m t c a p p 中自动提取零件工艺的重要信息，如：主工艺路线、制造 资源等，建立具有实用性的判定模型。 将进行工艺相似性计算的对象称为一个实例，建立判定模型的过程就是 实例的表示过程，进行工艺相似性判定的过程就是实例间的相似度的计算过 程，对工艺相似性判定方案的评估过程就是对实例模型的信度进行评估的过 程。 所需的实例表示与相似性的评定方法是密切相关的，研究工作拟采用和 实验两条技术路线： 一条技术路线是选择能代理零件工艺特性的相似元，在计算选定相似元 相似度的基础上，通过加权求和来评定零件的工艺相似性。这种方法的优点 是：实现较为简单缺点是只考虑了零件的特征，未考虑特征之间的关系， 其精度和实用性可能稍差【2 1 。 另一种方式是采用面向对象的建模方法，将实例模型转化为抽象的对象 四j i l 大学工程硕士学位论文 类，在对象类中封装零件的多重属性，建立一种能描述零件的多叉树结构， 通过对多叉树相似性的计算来实现零件工艺相似性的评定，这种方式的优缺 点与第一种方式刚好相反吲。 1 3 4 研究概况 本文所述的研究工作是作为开发新版本i m m t c a p p 所需的关键技术而开 展的。希望解决的问题就是从大量的工艺规程中，能较自动、快速地搜索出 与新零件工艺最相似的工艺规程供工艺人员参考。一种途径是认为具有相似 特征的零件具有相似的加工方法和工艺规程，依据零件的特征来判定零件工 艺的相似性。另一种途径是直接依据存放在工艺库中工艺规程的属性，判断 二者的相似性，实现相似工艺规程的聚类，为工艺知识的提取和总结提供方 便。 本文正是从这两种途径着手，分别研究了基于零件特征和工艺属性的工 艺相似性判定技术，建立了各自的实例分解和表示，实验并优化了判定模型 和计算方法，建立了技术实验系统来验证和评定算法的可信度和实用性。基 本解决了工艺相似性判定的关键技术问题，为进一步在c a p p 系统中应用该 技术提供了较好的基础。