（机械工程专业论文）面向中小制造企业的cadcapp集成系统.pdf

天津大学硕士学位论文摘要 中文摘要 近年来，我国很多企业实现了c a d ( 计算机辅助设计) 、c a p p ( 计算机辅助 工艺设计) ，但多数是各自独立开发，不能实现c a d 、c a p p 之间信息的自动传递 和交换。c a p p 系统的信息输入要花费大量的时间，而且容易出错，从而生成不 恰当的工艺过程。本课题基于s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c t m o d e ld a t a ) 标准，实现了c a d 、c a p p 系统的信息集成与共享，在完成零件工作 图设计的同时，相继产生该零件的加工工艺过程，减少了出错率，缩短了设计加 工周期。 该系统中，自行开发的参数化c a d 子系统采用双向链表实现了全尺寸驱动， 可方便地进行二维工程图纸的设计：基于国际标准s t e p ，建立了管理信息、形 状特征信息、精度信息、技术信息等零件信息模型；系统经过特征识别，自动产 生s t e p 文件；c a p p 系统自动从s t e p 文件获取全部几何信息和工艺信息，经过 推理专家系统，自动产生零件的机械加工工艺过程；同时可根据结构和工艺的相 似性，按结构特征矩阵和进级匹配提取相似实例，对零件实例库中的现有工程图 和工艺稍加编辑，即可完成新零件的设计。适用于多品种、小批量生产类型的机 械制造厂进行产品零件设计和工艺设计。 本文介绍了系统的设计方法和总体结构，阐述了系统中主要模块的功能及设 计原理。 关键词：集成化s t e p 标准c a dc a p p 专家系统相似实例 天津大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i nt h ep a s tf e wy e a r s c a da n dc a p ph a v eb e e nr e a l i z e d i nm a n yc h i n e s e e n t e r p r i s e s ，m o s to fw h i c hw e r ed e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yw i t h o u tt h ea u t o m a t i c t r a n s m i s s i o na n de x c h a n g ei n f o r m a t i o nb e t w e e nc a da n dc a p ei n p u to ft h ep a r t i n f o r m a t i o ni nc a p pn o to n l yc o s t sl o t so ft i m e ，b u ta l s og o e sw r o n gf r e q u e n t l y , s o t h ei n a d e q u a t ep r o c e s si sp r o d u c e d b a s e do ns t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) s t a n d a r d ，t h es y s t e mm a k e si t p o s s i b l et og e tt h ec a d c a p p s y s t e ms h a r ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o no fm a c h i n ep a r t s ，t h u sw h i l ef i n i s h i n gw o r k i n g g r a p hd e s i g nf o rap a r t ，i tp r o d u c e st h ep a r tp r o c e s s i n gp r o c e d u r e s ，s h o r t e n sd e s i g n a n dm a n u f a c t u r ep e r i o d s t h em i n o rc a ds y s t e mo ft h ei n t e g r a t i o ns y s t e md e v e l o p e db yu si sp a r a m e t r i c ， c o m e st r u et h ef u l l - s c a l ed i m e n s i o nd r i v i n gb yt h ed o u b l el i n kl i s t i ti sc o n v e n i e n tt o d e s i g nt h e2 dw o r k i n gg r a p h b a s e do nt h ei n t e r n a t i o n a ls t e ps t a n d a r d ，i th a sb u i l t t h ei n f o r m a t i o nm o d e lo fm a c h i n ep a r t ，i n c l u d i n gm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n ，s h a p e f e a t u r ei n f o r m a t i o n ，p r e c i s i o ni n f o r m a t i o n ，t e c h n o l o g yi n f o r m a t i o na n ds oo n t h e s y s t e mc a ng e n e r a t et h es t e pf i l ea u t o m a t i c a l l yt h r o u g ht h ef e a t u r er e c o g n i t i o n t h e m i n o rc a p pc a na u t o m a t i c a l l ye x t r a c ta l lo ft h eg e o m e t r i ca n dt e c h n i c a li n f o r m a t i o n f r o ms t e pf i l e b ym e a n so fi n t e r f e r e n c e e x p e r ts y s t e m ，i tc a ng e n e r a t e t h e m a c h i n e r ym a n u f a c t u r ep r o c e s sp r o c e d u r e so f t h ep a r ta u t o m a t i c a l l y a tt h es a m et i m e ， a c c o r d i n gt ot h es i m i l i t u d eb o t ht h es t r u c t u r ea n dp r o c e s s ，a n dt ot h es t r u c t u r ef e a t u r e m a t r i xa n dm a t c hs t e pb ys t e p ，i tc a ne x t r a c tt h es i m i l a rc a s e a f t e rm o d i f y i n gt h e w o r k i n gg r a p ha n dp r o c e s sp r o c e d u r ei nt h ep a r tc a s ed a t a b a s e ，i tc a nf i n i s ht h en e w p a r td e s i g nq u i c k l y i ti ss u i t a b l ef o rm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ef a c t o r yt h a ti sm u l t i f o r m a n ds m a l l - b a t c ht y p et od e s i g nt h ew o r k i n gg r a p h sa n dp r o c e s s p r o c e d u r e s t h i se s s a yi n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o da n dg l o b a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m ， e x p l a i n si t sf u n c t i o n so fm a j o rm o d u l e sa n dd e s i g np r i n c i p l e s k e yw o r d s ：i n t e g r a t i o n ，s t e ps t a n d a r d ，c a d ，c a p p , e x p e r ts y s t e m ，s i m i l a r c a s e 天津大学硕士学位论文 独创性声明 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，也不包含为获得墨注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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妈肠袭签字日期： 阱年多月边f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘堂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：玛砀爹邑j 签字目期：舛年月n 目 导师签名：雄止 签字日期： 褂年多月丑日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 企业信息化 第一章绪论 制造业是国民经济的支柱产业，它决定着一个国家的经济发展和繁荣。随着 世界经济的飞速发展和市场全球化，制造企业之间的竞争日趋激烈，各企业面l 临 着巨大的挑战，比如：竞争对手不断增加，原材料价格上涨，产品需求变化快， 市场难于预测，客户要求交货期短、质量高、价位低和全面售后服务，产品品种 多、结构复杂、更新快，生产的组织、计划和管理工作任务艰巨等等。 企业竞争的焦点变为t q c s ，即以最快的上市时间( t i m e ) ，最高的质量 ( q u a l i t y ) ，最低的成本( c o s t ) ，最好的服务( s e r v i c e ) 来赢得市场。其核心是 上市时间，如何把产品快速及时地投放市场，成为企业赢得竞争，求得生存和发 展的关键。企业要以晟短的时间开发出质量晟高的、用户最满意的新产品，开展 企业的信息化建设势在必行。 1 i 1 信息化的内容 企业信息化是指企业利用信息技术( 包括计算机技术、通讯技术和自动化技 术等) 改善企业的经营、管理、生产的各个环节，提高生产效率提高产品质量， 降低消耗，提高企业的创新能力，是企业组织、管理现代化生产的有效途径n 企业信息化可分为企业内部信息化和外部信息化。内部信息化包括企业内部各部 门、各分支机构、各生产经营环节通过网络，建立与管理决策、研究开发、生产 制造、市场营销、售后服务部门的紧密连接，实现企业内部信息共享。而外部信 息化是指在互联网的基础上实现企业对企业的商务活动，建立企业对客户的电子 商务解决方案。 工艺信息化是企业信息化建设成功的前提，它既是保障产品质量、交货周期 和控制成本的关键，也是其他部门信息化( e i l p 等) 的数据枢纽。作为工艺信息 化的核心技术，c a p p 技术是制造业信息化的基础 2 6 。 1 1 2 信息化的阶段 按计算机应用的规模，企业信息化大致可分为如下几个阶段 天津人学硕士学位论文 茸一章绪论 1 ) 单机的计算机应用 如采用c a d 提高工程设计及绘图的效率和质量，采用计算机进行财务、工 资或合同等的单项管理。 2 ) 局域网支持下的计算机应用 用计算机网络技术实现跨部门的计算机应用，如产品设计部门，基于网络和 数据库的c a d 、c a p p 、c a e 以及各管理部门的m r p 的应用。其技术水平和效 益比前者提高了一步。 3 ) 网络数据库支持全企业范围的训算机应用综合系统 这是c i m s 的信息集成阶段。这阶段把企业各个单元的训算机应用，如 c a d 、c a p p 、c a e 、c a m 、m r p 、车间管理与摔制、质量保证以及办公、辅助 决策等集成起来，实现信息资源共享，优化运行机制，使企业有更强的竞争能力。 4 ) 广域网、因特网支持下的企业信息1 目的集成和资源优化 这一阶段企业的信息化突破了企业的界限，这是敏捷龃造阶段的企业信息 化。8 6 3 c i m s 主题提出的王见代集成制造系统，包括了企业信息化的第3 ) 、第4 ) 两个阶段。 1 1 3 我国机械制造企业信息化现状 随着科学的发展、技术的进步，国家、企业的共同推。，我国的工业正向着 自动化、智能化方向发展，许多机械制造企业为了提高市场反映速度，降低生产 成本，减少资金占用率，提高管理水平和综合决策能力等不惜花巨资，开发企业 的e r p ( e n t e r p r i s er e s m l r c e sp l a n n i n g ，企业资源计划) 。 e r p 最初是由美国的g a r t n e r g r o u p 公司在9 0 年代初期提出的，并就其功能 标准给出了界定。 e r p 是m r p i i 的发展，它超越了m r p i i 的功能范围，将m r p 的实用性逆一步 扩展。它不但优化内部的管理业务流程，再目对供应链的所有环节进行有效地管 理，如订单、采购、库存、计划、生产制造、质量控制、运输、分销、服务与维 护、财务管理、投资管理、经营风险管理、决策管理、人事管理等等进行全面分 析和优化，是一个企业内部和外部管理集成的信息处理系统【 j 。e r p 是在m s 基 础上实现辨证的否定，是m r p i i 和c i m s 的深化和推广它的主要特征在于系统 性和集成性，即从企业系统运行过程的整体性出发，对各项功能和各种信息加以 集成。 作为企业管理思想，e r p 是一种新型的管理模式：而作为一种管理上具，它 同时又是先进的计算机管理系统。为此，在十几年的时间内，它很快被人们认同 和接受，并为许多企业带来了丰厚的收益。 和接受，并为许多企业带来了丰厚的收茄。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 就唐山而言，唐山清源环保机械厂、唐山市卫生陶瓷一、唐山市专用汽车制 造厂等相继上了e r p ，开发费用和设备投资大约在8 0 一15 0 万元左右。但是，我 国大n _ t 拘q u 小企业，受技术、资金等各方面的限制，对系统集成方面的投入非常 有限，大多处在企业信息化的第1 ) 、2 ) 阶段。 1 2c a d 、c a p p 系统简介 1 2 1c a d 技术及发展概况 c a d ( 计算机辅助设计，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指工程技术人员以计算 机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文 档等设计活动的总称 3 1 。它具有制图速度快，修改设计快，设计计算快，易于 建立和使用标准图库及改善绘图质量、提高设计和管理水平、缩短设计周期等一 系列优点。 近十几年来，随着微型计算机性能价格比的不断提高，c a d 己被广泛应用 于机械、电子、建筑、航空、航天、汽车、船舶、轻工等所有需要设计绘图的领 域。 c a d 在机械产品设计过程中，已成为一个必不可少的工具，在此领域中有 三维造型的大型工作站c a d 系统，有通用性较强的二维和三维微机c a d 系统， 如a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 通用c a d 系统，国产化有自主产权的p i c a d ，电 子图板c a x a 等众多c a d 系统都受n t 程技术人员的喜爱，还有一些二次开发 软件如t h c a d 、g h c a d 等也得到了广泛应用。 这些c a d 软件的广泛应用，使“甩掉图板”基本上已成现实，给工程设计带 来了极大方便，对丁：提高设计效率及设计质量起到了很大作用，为我国的c a d 普及应用做出了贡献，取得了显著的经济效益和社会效益。 1 2 2c a p p 技术及发展概况 c a p p ( 计算机辅助工艺设计，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 ) 是根据产品设 计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计。一般认为，c a p p 系统 的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定等。其中，工序 设计又可包含装夹设备的选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、 刀具和夹具的选择、必要的工序图生成等【4 】。 c a p p 是计算机技术运用于机械制造领域的一个重要方面，其主要意义在 天津大学硕士学位论文第一章绪论 于：实现工艺设计的计算机化；对于广大工艺设计人员可以使他们从繁重和重复 劳动中得以解放，逐步“丢笔甩图板”、告别工艺手册；对于整个企业的管理可克 服工艺设计的不一致性，促进工艺文件的规范化、条理化、标准化，便于实施科 学化、系统化管理：同时，c a p p 作为生产信息的处理中枢前镶后嵌于c a d 、 c a m 之间，为生产信息数据的传递、共享，建立了一座金色的桥梁。 在制造自动化领域内，c a p p 的发展是最迟的部分。世界上最早研究c a p p 的国家是挪威，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 。 美国于1 9 7 6 年推出的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 系统在c a p p 发展 史上具有里程碑的作用。我国对c a p p 的研究始于8 0 年代初，不少科研院校和 软件公司相继开发出了许多商品化的c a p p 系统，其自动化程度也越来越高。 经过近3 0 年的发展，c a p p 在生成原理、系统结构、决策方法等方面，都 取得了很大进展。根据工艺设计的原理，c a p p 本质上有两种系统设计方法，即 派生式和创成式。在c a p p 的不同发展阶段出现了以下五种形式【5 】： 交户式 这种系统往往在w o r d 、e x c e l 或a u t o c a d 上绘制出工艺卡片的空白表格， 用户在系统的提示下，直接采用填写或修改已经存在的工艺文件进行工艺设计， 由系统进行统一信息存储、分类统计，以输出供生产用的工艺规程卡片、工艺流 程、设备清单和刀具、夹具、辅具等。 其特点是效率低，对用户的要求较高，且难于实现工艺的标准化。 派生式 派生式( 变异式) c a p p 是利用成组技术原理将零件分类成组，设计出各组 的典型工艺，针对具体的零件，找到所属组别，修改相应的典型工艺的方法。 与交互式c a p p 系统相比，派生式c a p p 工作效率较高，利于工艺设计的标 准化和舰范化。 创成式 创成式c a p p 系统是通过模拟人类解决问题的思维方式，将工艺设计中用到 的推理和决策算法( 如决策树、决策表等) 转换成计算机可以自动处理的决策模 型、算法及程序代码，从而生成零件的工艺规程。 创成式c a p p 较派生式c a p p 前进了一大步，但存在着算法死板、结果唯一、 系统不透明等弱点，且编程工作量大，不易修改，对结构复杂的零件，实现创成 式c a p p 较困难。 专家系统 与创成式c a p p 系统一样，专家系统也是以自动方式生成工艺规程。创成式 c a p p 系统是以逻辑算法加决策表为特征的，而专家系统则是由信息库、知识库、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 推理机三部分组成，三者相互独立。对于不同的问题，只需修改知识库，建立新 的信息库，在推理机不作任何变动的情况下，自动推理决策，生成工艺规程。 该方法既可利用专家经验，便于实现工艺的标准化，编程量不大，又可用于 创成任何零件的工艺规程，无疑是种很有前景的好方法。 综合式 为了增强系统的实用性，采用上述多种工艺规程设计方法，建立整体统一， 局部自治的分布式c a p p 系统。 本课题中，c a p p 系统采用了派生式与专家系统相互结合的综合模式。 目前，c a p p 逐步完善，在许多企业也得到了成功的应用，它与c a d 一样 为缩短产品设计生产周期做出了很大贡献。c a p p 技术正向着智能化、集成化和 并行化方向发展。 1 2 。3c a d c a p p 集成研究现状与发展 c a d c a p p 集成技术不是简单的组合或叠加，而是各模块间信息的提取、交 换、共享及处理的集成。 传统的c a d 、c a p p 系统分别作为独立单元进行研究，二者研究的侧重点 不同。c a d 关心的是几何实体信息和拓扑关系信息，而c a p p 关心的是零件的 加工工艺信息。c a d 大都采用几何造型的方法，这种方法缺乏零件制造要求信 息，不能有效地提供加工工艺过程中所需的技术信息，从而使c a d 、c a p p 各自 独立，达不到资源共享，具体表现是：1 ) 描述的产品信息不完备，它主要用来定义 产品的几何形状，难以将公差、粗糙度、材料等信息一起表达；2 ) 实体造型表达 的几何形体是以拓扑信息描述的，不能支持工程应用所需的高级信息：3 ) 特征之 间的关系无法表示。 国外在c a d c a p p 集成方面做了大量工作，涌现出许多集成的商品化系统 软件，如：美国s d r c 公司设计的集设计、仿真、加工、测试、数据库于一体 的m a s t e rs e r i e sc a d c a e c a m 集成系统；法国国家科研中心的集几何模型与 特征模型于一体的e u c l i dc a d c a m 集成系统：美国p a r a m e t e rt e c h n o l o g y 公司 的p r o e n g i n e e r 以及u g 等集成化软件系统等。 国内在c a d c a p p 集成方面也做了许多工作，清华大学开发的商品化 t h - - - c a p p 2 0 0 3 可实现与设计零件清单( b o m ) 和产品数据的管理与集成，能 向有关部门输出规范的电子工艺数据 1o ：高华c a p p 、开目c a p p 等也涉及了信 息集成的问题。 c a d c a p p 的集成主要采用了以下三种方法”j ： 1 ) 特征自动识别法 天津大学硕士学位论文第一章绪论 特征识别就是从c a d 系统给出的零件几何信息和工艺描述信息中获取零件 的特征数据，并能从c a d 数据库中自动识别零件特征的算法。这种方法可以通 过两种方式来实现c a d 和c a p p 的通讯。一种方式是在c a d 系统中或c a d 与 c a p p 之间增加工艺信息模块；另一种方式是通过研究图形数据文件，寻找数据 存入规律，进而开发数据交换的算法程序，设计c a d 与c a p p 之间的接口程序 来实现两个系统之间的通讯。 特征自动识别方法的优点是无需改变原有的c a d 和c a p p 系统，只需设计 中间接口程序就可实现由c a d 到c a p p 的信息交换。这种方法虽然有一定的限 制，但在现阶段是一般企业实现c a d c a p p 集成的有效方法。 2 ) 数据交换法 作为标准中性文件的图形交换标准或产品定义数据交换标准为c a d 、c a p p 的集成提供了有效手段。国际上较为规范的数据交换标准有初始图形交换标准 f i n i t i a l g r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，i g e s ) 牙h 产品数据的表达和交换标准 ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ，s t e p ) 。制订数据交换标准的目 的是提供一个不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的产 品数据，从而在不同系统中方便、准确地交换数据口】。 清华t h c a p p i ”】、英国u m i s t 的i c a p p 7 j 都是基于i g e s 的数据交换方式。 i g e s 在使用中有一些缺点，它主要支持c a d 系统的图形信息交换，不支持产品 开发的后继过程设计系统。 s t e p 是在国际标准化组织( i s 0 1 0 3 0 3 ) 主持下，从1 9 8 4 年开始开发的，它 被普遍认为是实现产品周期信息集成的基础【8j 。目前，s t e p 标准中一些应用协 议已陆续开发完成，并在工业中应用和实施，但仍有许多协议尚未发布。实现产 品数据交换的方式可分为四种：中性文件交换、工作格式交换、数据库交换、知 识库交换，其中中性文件交换方式比较成熟，其它三种方式尚在研究之中一j 。 数据交换方法实现起来比较简单，本课题采用此方式实现c a d c a p p 系统 的信息传输与共享。 3 ) 特征设计 特征设计即基于特征的零件设计，设计数据库中包含了完整的特征定义数 据，可以实现对零件特征的准确描述，简化零件的几何规范。关于特征设计至今 还没有统一的特征类别划分的定义，但其原理都是在确定零件特征后，根据特征 建立零件信息模型，然后确定实体造型，图形显示。 由于特征设计需要按标准数据建立c a d 或c a p p 系统内部的数据表示方 式，因此，对现在的c a d 系统和c a p p 系统都将有较大的修改，甚至需要重建 系统。目前，特征设计主要针对回转体零件进行。由于特征设计可以对零件信息 天津大学硕士学位论文第一章绪论 进行完整描述，数据以数据库形式存放，能够从根本上实现c a d c a p p 的集成。 1 3 本课题的研究背景及意义 我国很多中小企业他们往往借助自身力量，与大专院校合作，在c a d 、 c a p p 等单元技术的开发应用方面取得了一定的成果。但这些应用多数是分别进 行c a d 、c a p p 的开发或是委托给不同的单位分别独立开发，开发的过程中没 有很好地进行信息交流和技术协调，使c a d 、c a p p 形成了“自动化孤岛”。因此， 亟待解决这些企业中各个自动化孤岛之间的信息交换与共享问题，从而将这些零 散的模块集成起来，以最大限度地发挥其潜能。 目前，各机械制造企业多采用a u t o c a d2 0 0 0 、2 0 0 2 、2 0 0 4 等进行产品设 计，设计输出图纸和有关的技术文档。其缺点是不能实现全尺寸驱动，使系列化 零件的设计不太方便。 c a p p 大多为厂企合作开发，c a p p 系统中，需将图纸、文档等纸面上的信 息通过人机交互的方式输入给c a p p 系统，这样，零件信息的输入不仅要花费大 量时间，而且容易输错，从而生成不恰当的工艺过程。 为了解决上述问题，人们做了大量的工作，也取得了一些可喜的研究成果。 我国的8 6 3 c i m s 高技术计划资助一些大学和企业从事c i m s 的研究和应用，他 们都是基于工作站c a d c a m 软件，如p r o e n g i n e e r ，u g 等，由于工作站及其 相关c a d c a m 软件价格昂贵，投资大，不易在中、小企业推广应用。 本课题来源于唐山市星火计划项目“集成化c a d c a p p 系统( 0 0 2 0 6 1 ) ”， 主要针对唐山水泥机械厂开发，该厂主要生产水泥窑、水泥磨、滚压机、冷却机、 破碎机等2 0 余种产品，部分产品出口澳大利亚等国家，属典型的多品种、小批 量、系列化生产制造企业。 我们曾对唐山水泥机械厂，唐山水泵厂，玉田印刷机械厂，唐山化工机械厂 等做过调研，他们普遍认为目前使用的c a d 、c a p p 系统不理想，对集成化 c a d c a p p 系统有强烈的要求，因此研制面向中小企业的集成化c a d c a p p 系 统有着重要的意义。 开发c a d c a p p 集成系统，实现c a d c a p p 一体化，使得机械产品的零件 在完成设计的同时就得到了其加工工艺规程，可提高产品质量，缩短产品开发周 期，提高企业的市场竞争能力，对机械行业的繁荣和发展，对深入推广c a d 、 c a p p 技术和c i m s 高新技术，具有重要的推动作用，该项研究具有显著的经济 效益和社会效益。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本课题的主要内容 计 根据中4 n 造企业的特点，本课题要解决下列问题： 1 研究c a d c a p p 集成策略，快速、准确地完成新零件图的设计和工艺设 2 开发满足集成要求的参数化c a d 系统 3 研究相似实例的存储和获取方法 4 建立产品信息模型 5 建立工艺知识库和制造资源库 6 开发c a p p 专家系统，研究创成式c a p p 的工艺决策及推理策略 1 5 本论文的总体框架结构 第一章对c a d 、c a p p 、c a d c a p p 集成作了简单介绍，指出了本课题的研 究意义及研究内容。 第二章对整个系统进行了总体介绍。介绍了该c a d c a p p 集成系统的c a d 子系统、信息处理子系统和c a p p 子系统的功能，各系统之间的数据传递、衔接 问题。 第三章、第四章、第五章分别详细阐述了各子系统中的主要模块和关键技术。 第六章给出了一个简单的应用实例。 天津大学硕士学位论文第二章面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 第二章面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 2 1 系统的功能 该系统以目前我国中小制造企业c a d 、c a p p 系统使用过程中的不便为切 入点进行研究。系统实现了参数化绘图，可方便地进行二维工程图纸的设计和修 改；通过信息处理系统自动提取零件图中的参数，产生c a p p 所需的全部几何信 息和工艺信息，形成固定格式的信息库文件；经过推理专家系统，不需任何人工 干涉，自动产生零件的机械加工工艺过程卡片；同时可对零件实例库中相似实例 的现有工程图和工艺稍加编辑，即可完成新零件的设计。 适用于多品种、小批量生产类型的机械制造厂进行产品零件设计和工艺设 计。 2 2 系统的总体结构 系统主要由参数化c a d 子系统，信息处理子系统，c a p p 子系统三部分组 成，其总体结构框图如图2 - 1 所示。 系统的工作过程简述如下：首先根据零件的形状、结构( 不考虑材料、毛坯、 精度等) ，人为选择相似零件，进行零件工作图纸的设计、存储；然后自动进入 编码系统对零件进行编码，依据编码和特征矩阵自动分组；根据应用协议产生 s t e p 文件，由s t e p 后处理器分离出c a p p 所需的几何信息和非几何信息，存 入信息库：然后进行工艺过程设计，包括工序名称，工序内容( 内含工步) ，机 床、刀具、量具、辅具、夹具、必要的工艺简图等。生成工艺过程的方法有两种， 一种是：若能提取到相似实例，直接编辑修改，生成当前零件的工艺过程；另一 种则是由专家系统的推理机依据知识库和信息库进行推理决策，包括工艺决策、 机床决策、刀具决策、辅具决策、量具决策、余量决策、工艺简图决策、工艺创 成，生成当前零件的工艺过程；将生成的工艺过程存入实例库，最后打印输出零 件的工作图和工艺过程卡片。 天津大学硕士学位论文第二章 面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 图2 - 1c a d c a p p 集成系统总体结构框图 子系统i o 天津大学硕士学位论文 第二章面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 2 3 c a d c a p p 系统主要模块的功能与设计 2 3 1c a d c a p p 系统的信息集成 如何将c a d 系统中的几何参数准确无误地传送到c a p p 系统是整个集成系 统中最为关键的问题，下面介绍其实现方法。 s t e p 是国际标准化组织i s o 制定的一个有关产品数据的计算机可理解的表 达与交换的国际标准，它提供了一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产 品整个生命周期的有关数据。产品生命周期包括产品设计、分析、制造、检测、 使用、维护和报废等。 s t e p 使用形式化信息建模语言e x p r e s s 描述和表达产品数据。e x p r e s s 不仅是产品模型数据的规范语言，可用来描述集成资源和应用协议，而且是整个 s t e p 中数据模型的形式化描述工具。它即可以传递几何形状数据，也可以传递 非形状数据。 s t e p 目前已被认为是实现c i m s 的必要和前提条件【l “。因此，我们采用s t e p 为c a d c a p p 的集成传递数据。 如图2 2 所示是基于s t e p 的信息集成方法。首先根据c a p p 对零件信息的 要求，参照s t e p 应用协议a p 2 1 4 ，借助于形式化描述语言e x p r e s s 、中性文 件映射规则和中性文件语法结构，从s t e p 逻辑层的集成资源构造应用层的零件 信息模型，c a d 的设计信息自动存储为s t e p 文件，通过s t e p 文件后处理器， c a p p 系统直接获取s t e p 文件中的零件设计信息，实现c a d c a p p 的信息集成 与共享。 2 3 2c a d 子系统 图2 2 基于s t e p 的信息集成 我们用m i c r o s o f tc + + 自行开发的二维c a d 子系统除了具有一般c a d 系统的 天律大学硕士学位论文 第二章面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 绘图功能外，还有以下一些特点： ( 1 ) 具有参数化尺寸驱动功能，包括公称尺寸、公差、粗糙度、标题栏的参 数化，可针对相似零件的图纸修改局部结构和尺寸参数，即可方便地得到新零件 的工作图。 ( 2 ) 支持数据库，包括国标数据和企业数据库，有利于产品的标准化和产 品的系列化，让用户在设计中不再需要翻查手册就能获得所需要的数据。 ( 3 ) 能够为c a p p 提供零件的几何信息及非几何信息。信息输出采用标准 化s t e p 格式，便于数据的接收，便于系统的扩展。 该c a d 子系统的关键技术要点有两个，第一个是如何将c a d 系统中的参 数，准确无误地传送到s t e p 文件中；第二个是如何实现公称尺寸、偏差、粗糙 度、标题栏的参数化驱动。 2 , 3 3 信息处理子系统 信息处理子系统由编码模块、分组模块、s t e p 前处理器、s t e p 后处理器四 部分组成。 ( 1 ) 零件编码 零件的编码就是运用字符( 数字、字母或数字与字母的组合) 来描述或标识 零件结构及其工艺的有关特征信息，它是零件分组的主要依据。零件的某些码位 能够反映零件的种类、结构、热处理等有关信息，由于其码位有限，而无法满足 c a p p 进行详细工艺设计时的需要。在实施成组技术时，零件的结构及工艺特征 可以用一定数位的分类代码形式体现出来。 依据我国的j l b m 一1 分类系统，兼顾德国的0 p i t z 系统，日本的k k 一3 系统“1 的优点，根据水泥机械自身的产品零件特点，我们制订了s j b m 分类系统，共1 5 个码位每个码位有1 0 个特征项”4 1 ，各码位所表示的内容依次为是：第1 、2 码 位为名称类别，第3 码位为材料种类，第4 码位为毛坯原始形状，第5 码位为热 处理类型，第6 码位代表直径或宽度尺寸，第7 码位代表长度尺寸，第8 码位为 外部基本形状，第9 码位为外部功能要素，第1 0 码位为内部基本形状，第1 1 码 位为内部功能要素，第1 2 码位为外( 端) 面的平面、曲面加工要素，第1 3 码位 为内面及结合部位的平面、曲面加工要素，第1 4 码位为辅助加工要素，第1 5 码位为精度级别。 为了后面叙述的方便，表2 - 1 给出第一、二码位所代表的具体内容。 天津大学硕士学位论文第二章面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 表2 - 1 名称类别矩阵表( 第一、二码位) 、秽二睁盆0123456789 第一码位、 膜片盘、盖轮芯带轮托轮半联支盘滚轮活塞挡轮 0 轮盘类 轴嚣 调整环、套螺母衬套螺旋法兰轴套油缸、传动轮带 l 环套类 垫片筒盘气缸接管 销、圆幸f 、扭力短轴长轴蜗杆手把、 中空 吊杆 齿轮 堵、短导气 轴、中链f rf 柚、轴轴 2 销杆轴 圆拄管、圃间轴、操作 回 管出轴杆 转 圆柱廉半锥齿蜗轮链轮、窑半齿轮整齿组台特大 3齿轮类 外齿齿幽轮聋且轮曲酬轴圈齿轮齿轮 体 轮 零 异形空心挡轮衬瓦加工对舍顶丝窑的麝的滑杆、 件 盘套轴座后切后加座球面球面刮刀、 4异形件 开轴工轴瓦瓦刮油 瓦瓦刷 边缘 中心中心 窑简 窑简 塔篦 下料 传动传动传动体大体小溜子 5专用件 磨简中间磨筒段节段节 体卸料体 简体 杆、条锤臂、连杆、撑杆、扳手键壤梁齿条其它 6 杆条类锤柄帅杆 闸板压条 臂 板、块防护盘撑加强通凸轮其它 板、盖板、垫板、压体板 7板块类 板、门板板、熊 非 板础垫 同 板 转 体 有球支座有圆底座支架焊接车架整体里孔离孔 零 嘶轴柱孔机架轴承式轴有配无配 件 8应架类承蛙轴承煺承连台轴台轴 座位承座承座 弯板 罩、盖容器壳体箱体立柱机身 工作 其它 9箱竞类 台 根据s j b m 分类系统，我们开发了计算机辅助编码系统软件。该软件采用人 机交互方式，操作者只需按用户界面上的单选框逐一选择，即可完成当前零件的 天津大学硕士学位论文第二章面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 g t ( g r o u pt e c h n o l o g y ) 编码，将零件名称、零件图号、g t 编码按不同的零件 类型( 轮盘类、环套类、轴类、齿轮类) 分类存储，用于对各类零件进行特 征统计和实例提取。 系统开发时，对覆盖全厂的具有代表性的轮盘类( 0 ) ，环套类( 1 ) ，销杆轴 类( 2 ) ，齿轮类( 3 ) ，异形件类( 4 ) ，专用件类( 5 ) ，杆条类( 6 ) ，板块类( 7 ) ， 座架类( 8 ) ，箱壳类( 9 ) 的7 8 0 个零件进行了计算机编码，这里括号内的数字 为零件类号。 ( 2 )零件分组 从制造工艺这个领域来讲，成组技术的基本原理是充分认识和利用生产制造 活动中客观存在的相似性的哲理。按照零件结构和加工工艺相似性的准则将零件 分类成组，它是开发基于成组技术原理c a p p 的重要一环。这里提到的零件组， 它是具有某些共同属性的零件集合，其共同属性突出的是同一个组的零件结构相 似、加工工艺过程相似、而且工艺过程中各工序、工步的加工内容描述也较相似 1 1 2 】。为了达到此目的，对零件进行分类成组常用的方法有视检法、编码法、流 程分析法等。 本课题中采用视检法与编码法的组合，对零件分类成组，即首先根据零件结 构和加工工艺的相似性准则对每类中的零件人为进行粗分组，依据粗分组的结 果，用计算机进行各码位的特征统计，根据统计的结果以及零件的结构和工艺的 相似性，设计零件组的特征矩阵( 1 0 x 1 5 的矩阵) ，一个特征矩阵对应一个零件组， 本系统共划分了8 3 个零件组。如：2 0 2 组的特征矩阵是 、曲 1234)6789】0l li2l31415 00000100l11lll】0 10000l0ol0】llol1 21010 10o1 o 111o1 1 3o0l0l0o00j ll0l 1 401l0l0i001100】1 501 00 lll00】1001l 6000llll001l】o11 70000】001 】00 01 80000ji】00】10001 900 0 0j1】0o1】0001 设计特征矩阵时，必须注意以下两点： ( 1 )弄清楚划分该零件组的主要原因是什么，确定哪些零件特征是划分 天津大学硕士学位论文第二章面向中d , n 造企业的c a d c a p p 集成系统 该零件组的主要影响因素，从而合理地决定系统中的哪些码位应该 规定为同组零件特征矩阵的码位。 ( 2 )各特征矩阵不能交叉。最容易出现的问题是几个特征矩阵有交叉的 情况，结果导致一个零件可能同时落入几个组，这在设计特征矩阵 时必须避免。 自动分组时，将零件的编码与各组的特征矩阵逐个匹配，至找到所在组时停 止运行，随即显示出分组结果，自动分组程序框图如图2 3 所示。 开始 用零件所属类的分组执行文件 与特征矩阵匹 打开本类的特征矩阵 顺序调入一组的特征矩阵 特征矩阵搜索完毕吗? 2 3 4 基于实例的工艺设计 生鎏璺l v 一 二叫星主亘垦望三 y = h 显示不属丁现有 图2 - 3自动分组的实现方法 退出分组模块 退出系统 实例是过去在满足特定设计要求下所获得的优化结果或满意结果，这里指已 完成了图纸设计及工艺设计的零件，它本身包含了大量的设计经验知识，是种 丰富的资源。 相似实例是具有相同属性和特征的实例，或具有相似设计任务的实例。 基于实例的设计具有许多优点：1 ) 从实例开始进行设计意味着设计不必从零 开始，实现信息重用，因而，基于实例的设计速度更快。2 ) 实例是以前设计问 题的满意结果，已经过了实践检验，因此基于实例发计的结果实用性更强。3 ) 基于实例的设计更符合设计专家的思维过程，设计专家在产品设计时，总要考虑 以前的设计实例，找出相似设计方案对其进行修改，以获得新的设计方案( 即新 实例) 。 天津大学硕士学位论文第二章面向中小制造企业的c a d c a p p 集成系统 基于实例的设计