（机械设计及理论专业论文）capp工具系统中的工艺管理子系统的研究与开发.pdf

摘要 当今世界的竞争主要是综合国力的竞争，以机械制造技术为代表的先进制造技术， 对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用。在新世纪全球经济一体化大潮下，制 造业正面临着巨大的挑战和机遇。本文在研究分析了全球一体化环境下制造业的发展趋 势以及c a p p 的研究现状与发展趋势的基础上，深入研究了面向产品的c a p p 工具系统 中工艺管理子系统实现的原理、方法及关键技术。本文的研究内容可概括如下： ( 1 ) 综述了制造业的发展趋势、c a p p 的国内外研究现状及发展趋势，以及现有 c a p p 存在的问题，阐述了课题的主要研究内容和意义。 ( 2 ) 论述了面向产品的c a p p 系统研究的基本内容及其特点，分析了面向产品的 c a p p 工具系统及其工艺管理的功能模型；在此基础上研究了面向产品的c a p p 系统中 工艺管理的信息模型，及以产品结构为核心的工艺信息描述模型，构建了工艺管理子系 统的功能模型及其体系结构框架。 ( 3 ) 通过对工艺资源数据结构的分析及工艺资源数据结构的定制，研究了基于资 源树的管理技术，建立了以工艺资源树为核心的资源管理模型，实现了工艺资源的管理。 ( 4 ) 研究了工艺卡片定制的设计思路，通过对工艺卡片元素的分析，建立了工艺 卡片模板，实现了工艺卡片的定制。 ( 5 ) 研究了工艺管理过程中工艺文件的分类及其信息模型，实现了工艺文件的打 印。 ( 6 ) 在对c a p pi 具系统中工艺管理系统实现的原理、方法和关键技术研究的基 础上，研制和开发了工艺管理子系统，并成功应用于螺杆泵产品的c a p p 系统中。 最后，对全文的研究工作和取得的成果进行了总结，并提出了进一步研究的设想。 关键词：面向产品的c a p p ；i 艺管理；工艺资源：螺杆泵 a b s t r a c t t h ec o n t e s to ft h ew o r l dm a i n l yf o c u s e so i lt h ec o n t e s to ft h ew h o l es t r e n g t ho ft h e c o u n t r y 豇圮a d _ v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yw h i c hi sr e p r e s e n t e db ym e c h a n i c a l m a n u f a c t u r et e c h n o l o g yt a k e sa l li m p o r t a n tp a r to nt h et e c h n i q u ee c o n o m yd e v e l o p m e n to f t h ec o u n t r y u n d e rt h et i d eo ft h en e wc e n t u r yg l o b a le c o n o m yi n t e g r a t i o n , m a n u f a c t u r i n gi s f a c i n gg r e a tc h a l l e n g ea n do p p o r t u n i t ya f t e ri n v e s t i g a t e da n da n a l y z e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d o f m a n u f a c t u r i n g ，a n dr e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fc a p p , t h et h e o r y , m e t h o d s a n d k e yt e c h n o l o g i e so fp r o c e s sm a n a g e m e n ts u b - s y s t e mo fc a p p t o o ls y s t e mf o rp r o d u c t s a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ef o l l o w e d ： ( 1 ) t h ep r e s e n ts t a t u sa n dt r e n d so ft h er e s e a r c ho nm a n u f a c t u r i n ga n do nc a p pa r e r e v i e w e d ，a n dt h es h o r t a g eo fc a p ps y s t e mn o w a d a y s ，a n dt h er e l e v a n tc o n t e n t sa n dg o a l so f t h ep r o j e c ta r ep u tf o r w a r d ( 2 ) 1 1 kb a s i cc o n t e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a p pt o o ls y s t e mf o rp r o d u c ta r e d i s c u s s e d c a p pt o o ls y s t e mf o rp r o d u c ta n di t st e c h n o l o g i cm a n a g e m e n t sf u n c t i o n a lm o d e l a r ea n a l y z e d b a s e do nt h o s e t e c h n o l o g i cm a n a g e m e n t si n f o r m a t i o nm o d e lo fc a p pt o o l s y s t e mf o rp r o d u c ta n dt e c h n o l o g i ci n f o r m a t i o nd e s c r i p t i v em o d e lt h a tl i e si nt h ec o r eo f p r o d u c t ss t r u c t u r ea r es t u d i e d , a n df u n c t i o n a lm o d e la n ds y s t e ms t r u c t u r a l 丘a n l oo ft h e t e c h n o l o g i cm a n a g e m e n t ss u b s y s t e ma r ec o n s t r u c t e d ( 3 ) b yh a v i n ga n a l y z e da n dc u s t o m i z i n gt h et e c h n o l o g i cr e s o n r c e sd a t as t r u c t u r e ， s t u d i e dm a n a g i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h er e s o u r c et r e e s n 渤u em a n a g i n gm o d e lw h i c hi n t h ec o r eo f t e c h n o l o g i cr c s o n l c 沱t r e e sa r ef o u n d e d ，a n dt e c h n o l o g i cr e s o u r c e sm a n a g e m e n ti s c a r r i e do u t ( 4 ) t h ed e s i g n i n gi d e a so i lt h et e c h n o l o g i cc a r d s c u s t o m i z a t i o na r er e s e a r c h e d b y h a v i n ga n a l y z e d t h e t e c h n o l o g i cc a r d s e l e m e n t , i t st e m p l a t e i s c o n s t i t u t e d , a n di t s c u s t o m i z a t i o ni sc a r r i e do u t ( 5 ) t h et e c h n o l o g i cf i l e ss o r ta n di t si n f o r m a t i o nm o d e li nt h ec o u r s eo ft e c h n o l o g i c m a n a g e m e n t a r er e s e a r c h e d , a n di t sp r i n ti sc a r r i e do u t ( 6 ) b a s e do ns t u d y i n gt oc a n yo u tt h et e c h n o l o g i cm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h ec a p p s y s t e mw h o s et h e o r y , m e t h o da n dk e yt e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g i cm a n a g e m e n t ss u b s y s t e mi s d e v e l o p e d ，a n dw h i c hi sa p p l i e di nt h es c r e wp u m p sc a p ps y s t e m f i n a l l y , as u m m a r yo ft h er e s e a r c hw o r ka n dt h er e s u l t si sm a d ea n dp l a n sf o rf u t u r e r e s e a r c hi sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：c a p pf o rp r o d u c t s ；p r o c e s sm a n a g e m e n t ；p r o c e s sr e s o u r c e ；s c r e wp u m p 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，也不包含为获得天盗理工大至或其 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 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名躺签字日期：卅1 年 ) 月肠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨太至 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本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 辐弛焉名：嚷繇 签字目期：钆唧年7 月f 孑曩 签字日期秒7 年月子日 第一章绪论 第一章绪论 当今，为了响应市场竞争的加剧、产品更新速度的加快及商品需求的多样化的现状， 制造业逐步趋于多品种、小批量化生产，同时机械制造生产技术也得到了迅猛发展。传 统的工艺设计方法已远远不能满足要求，计算机辅助工艺过程设计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 ) “1 技术应运而生并蓬勃发展，对机械制造业产生了重 大的影响。 1 1c a p p 概述 c a p p 技术是当前企业信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时也为企业的管理 部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节，对产品质量和制造成本具有极为重 要的影响。同时，在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，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，也是企业发展的必由之路。应用c a p p 技术，可 以使工艺人员从繁琐重复的事务性工作中解脱出来，迅速编制出完整而详尽的工艺文 件，缩短生产准备周期，提高产品制造质量，进而缩短整个产品的开发周期。从发展的 角度看，c a p p 可以从根本上改变工艺过程设计的“个体”劳动与“手工”劳动性质， 提高工艺设计质量，并为制定先进合理的工时定额，提高企业管理水平提供科学依据， 同时还可以逐步实现工艺过程设计的自动化及工艺过程的规范化、标准化与优化。 开发c a p p 及制造工艺信息系统并进行推广应用，可以有效地减少工艺人员的重复 性劳动，缩短产品制造的工艺编制周期；提高工艺的标准化和规范化，提高工艺设计质 量：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：最 终通过工艺的不断优化和工艺经验的不断积累，使工艺水平得以迅速提高。c a p p 技术 己经走过了2 0 多年的历程，它虽然取得了许多成绩，受到广泛重视，但在应用上未能 打下坚实的基础。今天，它又面临计算机集成制造系统( c i m s ) ，并行工程( c e ) “1 ， 虚拟制造( v m ) 0 1 ，敏捷制造( a m 、企业工艺设计业务重组( b p r ) 等先进制造技术 的种种高新需求，可以说它己进入一个既有大量机遇又有严峻挑战的新的发展阶段。 1 2c a p p 研究现况及发展趋势 1 2 1c a p p 的发展及研究现状 我国的c a p p 技术的探讨应该是同c a d 的探索同步的，但是，同c a d 、c a m 等 计算机辅助技术相比，c a p p 系统的实用性和普及性并不高。一方面，这是由工艺设计 问题的复杂性和特性所决定的；另一方面，它也是受c a p p 发展的大背景和指导思想的 影响。c a p p 技术在我国己有二十几年的发展历史，但是从其发展历程来看无论是七八 十年代出现的派生式和创成式系统还是后来发展的c a p p 专家系统都很难满足我国制造 型企业对c a p p 系统应用的要求。2 0 世纪9 0 年代中期，以华工科技开目公司为代表的 一批企业提出了工具化、实用化c a p p 系统的开发思路，使得c a p p 在众多的企业中取 得了良好的运用效果。c a p p 的普及和深化运用正在全国范围内展开，有效地起到了联 第一章绪论 系设计和生产中间环节的作用，为企业解决“信息孤岛川”问题提供了可行的解决方案。 在当代，自动化技术的迅速发展，特别是系统技术、信息技术与人工智能方面的进 步，为c a p p 系统的飞速发展提供了强大的技术支持。并且，计算机集成制造、并行工 程、敏捷制造、虚拟制造、智能制造嘲等制造业自动化新技术的发展，对c a p p 系统提 出了新的要求。目前c a p p 的研究主要集中在几个方面：即适应先进生产模式( 如并行 工程等) 的c a p p 系统的体系结构、关键技术及系统的功能扩展；传统c a p p 系统设计 本身的一些关键技术，如工艺设计的模型化表示、零件信息的描述、工艺过程的决策等； 人工智能技术在c a p p 中的应用，如c a p p 专家系统、人工神经网络技术及模糊理论以 及面向应用的c a p p 开发工具等等。 下面来简单介绍一下整个c a p p 的研究现况。 1 国外c a p p 的发展及研究现状 世界上第一个c a p p 系统是挪威于1 9 6 9 年推出并于1 9 7 3 年正式推出商品化的 a u t o p r o s 系统”1 。美国于1 9 7 6 年由c a m i 公司推出颇具影响力的c 舢讧i s a u t o m a t e d p r o c e s sp l a n n i n g 系统嗍，成为c a p p 发展史的里程碑。随继出现的系统有美国o i r 的 m i p l a n ( 1 9 8 0 ) 嘲，美国l o c kh e e d 的g e n p l a n ( 1 9 8 0 ) 、美国m e , c u t 的a u t o p l a n ( 1 9 8 0 ) 御。目前国外流行的c a p p 系统主要有：美国h m s 软件公司研制的“h m s c a p p ”【s 】、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 c t c a p p ”以及莫斯 科工业大学的“t e x h o n p o ”等。 从2 0 世纪6 0 年代末到目前三十多年期间，先后出现了设计方法不同的两类系统， 即派生式( v a r i a n t ) 系统和创成式( g e n e r a t i v e ) 系统“”。派生式系统已从单纯的检索式 发展成今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原 则和方法。创成式系统的研究和开发始于7 0 年代中期，而且很快得到普遍重视，被认 为是有前途的方法。1 9 7 7 年w y s k 在他的博士论文中首次提出了一个创成式c a p p 系统 - a p p a s 嘲。理想的创成式c a p p 系统，通过决策逻辑效仿人的思维，在无需人工干 预的情况下自动生成工艺。但是经过多年的努力，至今仍然没有一个真正意义上的创成 式c a p p 系统。因此，一些学者1 提出了半创成式c a p p 系统，即综合派生式和创成式。 在大多数情况下，使用派生式，若没有相应的典型工艺时，使用创成式生成工艺。半创 成式c a p p 系统被认为是最有前途的发展方向之一。 随着计算机及其相关技术的发展，各种c a p p 系统在发展中不断改进、提高和互相 渗透，从2 0 世纪8 0 年代开始探索将人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 、专家系统等技术 应用于c a p p 系统的研究和开发嘲，研制成功了所谓基于知识( 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。近几年来，有学者“”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；有学者“”将人工神经元网络、模糊推理、基于实例的 推理以及基于知识的推理等技术用于c a p p 之中；有学者”“对面向产品的c a p p 智能 化概念体系及面向产品的集成化c a p p 系统进行了研究与实践。还有学者“”将传统派生 式、创成式与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了所谓的混合式( h y b r i d ) c a p p 系统，如美国发表的c o r e c a p p 系统就属于此类。图1 1 所示为c a p p 系统 的分类，从上而下反映了c a p p 的发展过程。 2 第一章绪论 图1 - 1c 舡p 系统的分类 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。a m l u s c o m b e 和d j t o n c i e h “”在针对c h i 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 c ) ”。d i l l l 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 系统必需高度自动化这一目标感到怀疑； 总结了c a p p 存在的主要问题包括产品和零件表达方式、工艺设计逻辑与知识、数据库 和特征识别等；评述了基于知识的专家系统，指出基于知识的专家系统是c i m 中实现 c a d 和c a p p 集成的有效方法。v a n z e i rg 提出了交互式工艺设计( i n t e r a c t i v ep r o c e s s p l a n n i n g ) 的概念m 1 ，并开发了基于交互式的c a p p 原型系统。e l m a r a g h y “”指出c a p p 与产品设计的集成、c a p p 与生产计划调度的集成、分布式工艺设计、面向质量的工艺 设计及非传统的c a p p 等将是c a p p 的主要发展趋势。l k i t i n g 提出c a p p 系统应当 具有与n c 编程、m r p 系统及产品仿真系统的接口，在c a p p 系统的发展中a i 技术将 被广泛地应用，未来的c a p p 系统应该能够实时的对生产过程进行检测，并根据反馈结 果进行实时修改；集成产品设计、工艺设计及产品制造将是c a p p 发展的最终目标。 e v e r s h e i m “4 对c a p p 指出未来的c a p p 系统应包括产品装配操作；c a p p 应与n c 编程 3 第一章绪论 集成；人工智能方法应用于决策中；在与c a d 数据集成中应使用共享数据库等。k a r a r a n i 丸k “2 1 等则认为，c a p p 是将工艺设计人员从许多工艺设计工作中解脱出来的一种工 具；但能代替熟练工艺人员的c a p p 系统仍未开发出来，现有的c a p p 系统难以成为企 业的解决方案。 2 国内c a p p 的发展及研究现状 “九五”期间，随着我国大力推广电子信息技术在传统产业技术改造中的应用， 大力推进机械设计“甩掉图板”及相应计算机辅助技术的应用，企业对c a p p 的应用需 求目益迫切。1 9 9 6 年4 月，针对国家8 6 3 一c 幢s 重点推广应用工程西飞公司x a c c i m s 工程子项目x a c c a p p ( a 0 、f 0 ) 系统开发，提出“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( a o 、f o ) 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 等对产品工艺信息共享集成”的c a p p 开发与应用模式“”。在此基础上，1 9 9 7 年6 月，结合国家“九五”攻关项目子专题“基 于微机环境的实用化c a p p 应用系统”的开发，提出“以工艺知识库产品工艺数据库 为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管理和工艺卡片格式编辑器为应用支持工 具，面向产品全面实现工艺设计与管理计算机化、信息化”的全新c a p p 应用框架与应 用开发模式，标志着我们开始了c a p p 产品化的工作。随后相继出现了国内c a p p 的研 究热潮，如华工科技产业股份有限公司的“开目c a p p ”、天喻信息产业责任有限公司的 “i n t e c a p p 系统”、西北工业大学的“c a p p f r a m e w o r k ”、北京清华京渝天河软件公司 的“t h c a p p ”及上海s i p m 公司的“s i p m - - c a p p ”“”等等。 1 2 2 现有c a p p 系统存在的问题 c a p p 的研究虽已取得很多成果，国内外也开发了众多c a p p 系统，但真正达到实 用化水平的不多，实际上当前流行的商业软件大都回避了c a p p 这个难点。为了推动 c a d 和c a m 的真正集成，c a p p 已经成为目前设计制造自动化中的瓶颈和急需解决 的问题之一。 目前，c a p p 存在的主要问题包括： ( 1 ) 系统开发周期长、费用高、难度大、适用性差、难以推广应用； ( 2 ) 功能有限：现有的c a p p 系统无法完成所有工艺设计任务。有些功能人机交互 可轻松完成，而c a p p 系统做起来却非常困难，现有c a p p 系统智能程度和知识水平不 高； ( 3 ) 适应性差：目前大多数c a p p 系统是针对特定生产环境和零件类型开发的专用 型系统，难于适应不同企业的特殊需求和工艺决策逻辑。这是由于机械产品零件种类复 杂多样，各企业均有传统的特定工艺知识，企业间生产设备、技术管理水平和生产习惯 等也差异很大； ( 4 ) 透明度低：多数c a p p 系统的工作过程基本上是“黑箱”操作“6 】，用户难于了 解软件系统结构，使用起来不好理解，可信度低。多数c a p p 系统基于符号推理，数据 和推理过程过于抽象： ( 5 ) 工艺人员一般难以掌握：由于在使用中仍需交互输入大量的信息，麻烦而又容 易出错： 4 第一章绪论 ( 6 ) 工艺设计与数据管理不能集成：导致工作效率低，很难保证工艺信息和文件的 准确性、一致性。 1 2 3c a p p 的发展趋势 c a p p 被公认为是c a d c a m 真正集成的关键，是许多先进制造系统的技术基础。 近年来，随着先进制造技术的发展，无论从广度上还是从深度上，都对c a p p 的发展提 出了更新更高的要求。 1 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 内涵也在发生变化，即由单纯的信息集成发展到过程集成和企业集成。目前的研究主要 集中于以下两个方面： ( 1 ) c a d c a p p c a m 集成“” 自2 0 世纪7 0 年代起，开始研究c a d 、c a p p 、c a m 之间信息的自动传递和转换 问题，即3 c 集成技术。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 觥a p p ，c a m 集成的关键。3 c 集成的发展经历了三个阶段： 1 ) c a d 、c a p p 、c a m 单元技术的研究应用； 2 ) c 订s 环境下的c a d ，c a p p c a m 单向的基于串行模式的集成； 3 ) c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 环境下的c a d c a p p c a m 双向的基于并行模式 的集成。 ( 2 ) 基于p d m 的集成技术 图1 - 2c a d c a p p c a m 集成与p d m 闻的信息流 p d m 即产品数据管理( p r o d u c t d a t a m a n a g e m e n t ；p d m ) 。1 9 9 5 年9 月g a r t n c r g r o u p 公司的d b u r d i c t t “6 1 将p d m 定义为：“p d m 是在企业范围内从策划到产品构筑一个并 行化协作环境，由供应、工程设计、制造、采购、市场与销售、客户等构成的关键使能 器。它能有效地将产品数据从概念设计、计算分析、详细设计、过程设计、加工制造、 试验验证、销售维护直至产品消亡的整个生命周期内及其各阶段的相关数据，按照一定 5 第一章绪论 的数学模式加以定义、组织和管理，使产品数据在其整个生命周期内一致、最新、共享 和安全。它提供产品全生命周期的信息管理，在企业为产品的设计与制造建立了一个并 行化的协作环境”。p d m 系统一出现，就成为企业关注和应用的热点。 p d m 系统是建立在关系型数据库管理系统平台上的面向对象的应用系统。它将与 产品有关的信息统一管理起来，按信息的不同用途分门别类地管理，是一个面向对象的 企业全局信息集成框架。任何人在任何地点、任何时候都可以得到所需要的产品信息。 因此p d m 系统是3 c 集成的平台，3 c 集成与p d m 间的信息流如图l - 2 所示。p d m 系 统作为集成的平台，一方面要为3 c 系统提供数据管理与协同工作的环境，同时还要为 3 c 系统的集成提供支持。 2 智能化 2 0 世纪8 0 年代以来，智能化已成为c a p p 系统的一个重要发展方向。随着人工智 能( a i ) 技术的发展，人们设想模拟工艺设计专家设计工艺过程“”，c a p p 专家系统就 应运而生，c a p p 专家系统已成为人工智能应用中比较活跃的一个领域，至今已有多种 c a p p 专家系统在实际中应用。尽管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，但随着人工智能技术的发展，仍不失为一个很有前景的研究领域。 3 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。其意义不仅在于设计阶段的并行，还包括制造、规划过程中各个功能部门的并行。 并行化的核心是c a l m c a p p 之间的并行。主要体现在c a p p 能在c a d 产品设计的 过程中，为c a d 提供产品设计工艺性反馈，对设计方案和结果进行可制造性分析和评 价，尽早发现设计中的问题，确保设计的合理性，减少设计反复。目前主要的方法是建 立可制造性综合评价功能模块或子系统，根据事件信息和制造资源信息，在一定工艺原 则指导下，建立评价函数，对零件结构工艺性、加工工艺性等指标进行分析评价。 4 柔性化“” 为了适应不同企业和产品不断变化的要求，c a p p 柔性化也是近年来研究的方向之 一。柔性化是指c a p p 系统经过一定程度的修改和调整后，能用于不同零件和不同的生 产环境，这种修改和调整越容易，柔性化程度就越高。柔性化有两个方面的含义：其一 指的是c a p p 系统对不同的软硬件资源情况、不同的生产要求等条件发生变化时的适应 性；其二指的是c a p p 用户化方面的柔性，比如特征的用户自定义、柔性编码、知识库 和推理机自学习功能等。它的研究途径主要有： ( 1 ) 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； ( 2 ) 开发非线性工艺规划系统和研究生成多条可选工艺规程，提高车间调度的柔性； ( 3 ) 开发c a p p 可扩数据库系统，允许不同的用户输入不同的产品参数和企业资源 数据。 5 绿色化 6 第一章绪论 随着全球对资源优化利用问题的日益重视和资源消耗是环境问题之本等观念的出 现，人们意识到机械产品的绿色化已成为人类可持续发展的核心。基于此，各国纷纷提 出绿色设计与绿色制造等概念。从制造系统的资源流动过程看，工艺规划对资源消耗状 况和废弃物的产生量有着直接的影响。所以，c a p p 的绿色化是一种趋势。除了上述发 展趋势外，下列方面的探索和研究也越来越受到重视。 6 实用化 实用化是指面向实际应用，面向最基本的需求，利用成熟的技术，建立各种计算机 辅助功能模块，帮助工艺人员更快、更好的完成工艺任务。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3 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、实用化方向进一步。 1 3 工艺管理在c a p p 中的作用 把工艺数据管理纳入c a p p 的范围是近年来c a p p 技术发展的结果。传统c a p p 技 术只是针对单个零件的工艺自动生成，对工艺数据管理的要求不高，一般采用文件形式 保存工艺数据。随着基于集成环境面向产品的c a p p 技术的提出，c a p p 系统需要在网 络环境中处理大量工艺数据，传统的基于文件保存工艺数据的方式不能有效的管理工艺 数据，这要求对c a p p 工艺数据管理技术深入研究。 c a p p 工艺数据管理的目的是保证产品工艺数据的有效性、完整性、一致性，实现 工艺数据共享，实现c a p p 与c i m s 其它子系统有效的集成。工艺数据管理在c a p p 系 统的作用如下： 1 工艺数据管理是c a p p 实用化的基础框架 目前，c a p p 实用化是将c a p p 系统作为一种工艺人员的辅助工具，以交互式为主 录入工艺数据，然后形成包含工艺数据的图形卡片。工艺数据管理负责管理c a p p 中的 产品工艺数据、企业工艺资源和典型工艺库等，这包括了上述数据的输入、输出、存储、 检索等，所以工艺数据管理内含了交互式的辅助工艺设计功能，是c a p p 实用化的基础 框架。 2 工艺数据管理是c a p p 智能化的基础之一 c a p p 智能化的主要来源是采用派生、创成或专家系统技术，其中派生式c a p p 的 数据来源主要是产品工艺数据和典型工艺库，创成式c a p p 的工艺决策逻辑与算法和 c a p p 专家系统中的知识库归根结底来源于现有的产品工艺和典型工艺。因此，工艺 数据管理是c a p p 智能化的基础之一。 3 工艺数据管理是集成环境下的c a p p 系统的必然要求 c a p p 与c i m s “”其它子系统集成实际上是c a p p 与c i m s 其它子系统的数据共享 与交换，对工艺数据的有效管理是c a p p 与c i m s 其它子系统集成的前提。 1 4 课题的提出 1 4 1 课题研究的背景及意义 在快速、多变的市场需求条件下，企业要在激烈的竞争中求得生存和发展的空间， 7 第一章绪论 必须提高快速响应市场需求的能力。因此，机械产品快速设计技术成为制造企业迫切需 求的关键技术。c a p p 作为c a d 和c a m 的桥梁和纽带，是产品开发设计过程中的重要 一环，是计算机集成制造系统( c “s ) 啪1 中信息流和物料流的重要交汇点。”。当前开 发出来的大多数c a p p 系统仍停留在理论探索的原型阶段，工厂能够实际应用或至少能 初步应用的系统仍然很少，c a p p 已经成为产品开发设计中的一个瓶颈。 c a p p 作为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。 为了推广c a p p 在制造企业的应用，必须开发出具有较高柔性和通用性的c a p p 系统。 因此，开发柔性化的、工具型的c a p p 2 1 已成了目前几乎所有c a p p 系统软件开发者的 共识。为了推广c a p p 在制造企业的应用，必须开发出具有较高柔性和通用性的c a p p 系统。在认真研究、分析了全球一体化环境下制造业的发展趋势以及c a p p 的研究现状 与发展趋势的前提下，结合天津市自然科学基金项目“螺杆泵 c a d c a e c a p p c a m p d m ( 4 c p ) 集成系统( 项目编号：0 3 3 7 0 0 2 1 1 ) ”的研究内容，提 出了本课题的研究。主要研究工具化、柔性化、实用化的c a p p 系统开发的关键技术及 实现方法，建立以产品数据库为核心的集工艺设计与工艺管理为一体的交互式计算机应 用系统，并集成检索、修订、创成等多工艺决策混合技术和人工智能技术，完成面向产 品的c a p p 工具系统的工艺管理子系统的开发。 本课题的研究成功，对c a p p 工具系统的关键技术研究具有普遍性的学术价值。所 开发的系统可应用于螺杆泵产品的工艺设计中，快速完成产品的工艺设计和管理。同时 可推广应用于天津市机械制造行业，能快速的、柔性的响应产品和用户需求的变化，以 提高产品的工艺设计能力。 1 4 2 主要研究内容和全文章节安排 在项目的研究工作中，本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 面向产品的c a p p 工具系统中工艺管理的体系结构研究。论述了面向产品的 c a p p 系统研究的基本内容及其特点，分析了面向产品的c a p p 工具系统及其工艺管理 的功能模型；在此基础上研究了面向产品的c a p p 系统中工艺管理的信息模型，及以产 品结构为核心的工艺信息描述模型，构建了工艺管理子系统的功能模型及其体系结构框 架； ( 2 ) c a p pi 具系统中工艺管理的关键技术的研究。确定了c a p p 工具系统中工艺 管理子系统的几项关键技术，如工艺资源数据存储及检索、工艺卡片的定制、工艺文件 打印等，并对这几项技术进行了深入的研究； ( 3 ) c a p p 工具系统中工艺管理的关键技术的实现。针对上一部分对几项关键技术 的分析与研究，实现了工艺数据的管理、工艺卡片的定制，工艺文件的打印等； ( 4 ) c a p p 工具系统中工艺管理子系统的实现。将面向产品的c a p p 工具系统中工 艺管理实现的多种关键技术有机融合，完成了c a p p i 具系统中工艺管理子系统的开发。 论文以天津市泵业总厂的主导产品一单螺杆泵为应用对象，通过分析单螺杆泵产品 的加工工艺，利用c a p p 工具系统，快速定制出了工艺管理子系统，基本满足了企业的 要求。 全文的章节安排如图1 3 所示。 8 第一章绪论 图1 - 3 全文章节安捧 1 5 本章小结 1 概述了c a p p 在企业生产中的作用以及开发c a p p 的意义； 2 论述了目前c a p p 的研究现状及发展趋势； 3 论述了工艺管理在c a p p 中的作用； 4 论述了本课题研究的背景、意义及主要内容。 9 第二章面向产品的c a p p 工具系统中工艺管理的体系结构研究 第二章面向产品的c a p p 工具系统中工艺管理的体系结构研究 本章首先论述了面向产品的c a p p 系统研究的基本内容及其特点，论述了p d m 框 架下c a d c a p p 信息集成，分析了面向产品c a p p 工具系统的功能模型，进而提出面 向产品c a p p 系统的总体构架；在此基础上研究了面向产品的c a p p 系统中工艺管理的 信息模型，对工艺信息模型进行了描述；构建了c a p p 工具系统工艺管理系统的功能 模型及其体系结构框架。 2 1面向产品的c a p p 方法论 2 1 1面向产品提出背景 现代制造业已步入信息化时代。市场竞争向我们提出了更高要求，传统的设计观念 与模式都需要转变。c a p p 虽然经过二十余年的发展，但至今仍是计算机辅助技术领域 的薄弱环节。这主要是因为长期以来，c a p p 过分强调对零件信息的获取，缺乏从整个 产品的角度去研究c a p p 的应用和集成问题。当前我们提出的“面向产品的c a p p 工具 系统的工艺管理”，能帮助我们朝着更高应用水平的c a p p 软件系统研究和开发迈出关 键的一步，实现企业的工艺信息共享及工艺设计与管理的一体化。当前以计算机为工具 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，也是企业信息化建设重要 环节。 2 1 2 面向产品的c a p p 概述 从当前c a p p 技术存在的问题和企业对c a p p 系统的要求可以看出，传统的以零组 件为主体对象的企业c a p p 局部应用模式显然是难以适应现代企业工艺设计发展的需 求。传统的c a p p 强调对零组件几何及工艺信息的获取和对零组件制造信息的输出，缺 乏从整个产品角度来考虑产品工艺过程设计和工艺信息管理。从长远来看，这势必会造 成企业工艺过程设计与工艺信息管理及其它信息系统的脱节和不一致。而且，c a p p 作 为企业生产信息的汇集点和产品数据转换的使能器，在企业集成中充当着十分关键的角 色。但传统的c a p p 却存在着系统开发时间长、集成难度大、针对性强、应用范围窄及 推广实施困难等缺点，以至于成为多年来企业实施c i m s 的瓶颈，这也从根本上不能满 足企业应用c a p p 系统的需求。 c a p p 方法论的基本内容是：c a p p 系统应是一个以整个产品为应用研究开发对象， 以产品的工艺数据为中心的集工艺过程设计、工艺信息管理为一体的交互式计算机应用 系统，并通过融合检索、修订、创成等多工艺决策混合技术以及人工智能技术和计算机 系统集成技术，逐步和部分实现工艺设计和管理的自动化，从而提高工艺人员的工作效 率并在应用中不断积累工艺设计人员的经验和知识，实现企业产品工艺设计和管理的计 算机化和信息化。 2 1 3 面向产品c a p p 研究的特点 由上一小节所描叙的面向产品c a p p 的基本内容进而我们可以理解为面向产品 1 0 第二章面向产品的c a p p 工具系统中工艺管理的体系结构研究 c a p p 具有以下的特点： ( 1 ) 以交互式为基础的c a p p 系统 在以交互式为基础的c a p p 模式下，工艺人员是工艺决策的主体，系统采用检索、 修订、创成等多工艺决策混合技术将着眼于局部工艺决策功能的自动化，并作为从整体 上提高工艺人员工作效率的手段之一，而不是简单地实现工艺决策全过程的自动化，更 不应成为c a p p 所要实现的唯一或主要目标。 ( 2 ) 以产品工艺数据和工艺知识为核心的c a p p 系统 产品工艺数据和工艺知识是c a p p 定制的重要因素。产品工艺数据是产品数据的重 要组成部分，也是企业生产信息的汇集处。从发展看，c a p p 的主要功能应是保证产品 工艺数据的完整性、一致性，实现企业产品工艺信息的集成与共享，而不应是孤立的编 制零件工艺规程及输出工艺卡片；反过来，零件工艺规程编制的功能应是生成产品的工 艺数据，而工艺卡片是工艺数据的格式化表现形式，完全可由系统自动生成。在此基础 上，c a p p 也完全可自动完成各个层次( 产品层、部件层及零件层) 的工艺装备、工艺关 键件、外协外制件、工时定额及关键工序等各类统计汇总功能，并自动生成汇总统计报 表，这样不仅可以极大地提高工艺文件的编制效率，而且可最大限度地减少不必要的人 为失误。 工艺过程设计是典型的复杂问题，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量和知识量 相当庞大。在实际的工艺设计中，所用到的知识有制造资源知识、制造对象知识、制造 工艺知识及工艺决策知识。这些知识的来源也是多方面的，如书本手册、生产现场、工 艺实例及工艺专家等。 在面向产品的c a p p 系统中，知识库的作用首先是为工艺人员的决策提供详尽的帮 助，一方面可代替手工查阅工艺手册及相关资料，另一方面可代替手工查阅已设计好的 工艺实例；其次提供相关自动工艺决策功能，帮助工艺人员提高工作效率，帮助具有较 少经验的工艺人员能够设计出具有专家或准专家水平的产品工艺。在此