（机械电子工程专业论文）ug环境下基于加工特征的三维capp系统开发.pdf

u g 环境下基于加工特征的三维c a p p 系统开发 竺篙衲 指导教师签字：6 影i 丑v 妙 搁要 在分析c a p p 的研究现状与发展趋势的基础上，深入研究了基于三维制造特征的面向 产品的c a p p 系统实现的原理、方法及关键技术，以提高工艺编程质量，加速制造周期， 提高核心技术竞争力。主要研究内容如下： ( 1 ) 分析了c a p p 的国内外研究现状、发展趋势及存在的问题，阐述了基于加工特 征的三维c a p p 系统的优越性。 ( 2 ) 分析了传统c a p p 系统的开发思路、面向对象的设计思路和方法，研究了如何 应用面向对象方法开发基于加工特征的三维c a p p 系统，构建了整个系统的框架和流程。 ( 3 ) 分析了加工特征数据的结构，构造了加工特征信息模块及其与工艺管理模块的 接口，在u g 环境下，对加工零件的三维特征参数进行提取，并通过接口输入工艺编辑模 块中去。 ( 4 ) 通过对工艺资源数据组成、结构的分析，研究了工艺数据的存储技术和管理技 术，建立了以工艺资源数据为核心的制造资源管理模型，实现了工艺资源的有效管理。 ( 5 ) 通过对工艺卡片各个元素的分析，建立了工艺卡片模板，实现了工艺卡片的定 制和管理。研究了工艺管理过程中工艺文件的分类及其信息模型，建立了工艺数据和工艺 卡片的分离模型，实现了工艺文件的打印。 ( 6 ) 基于u g 二次开发工具u g o p e n u i s t y l e 和u g o p e na p i 、p o w e r b u i l d e r 、s q l s e r v e r2 0 0 0 、o d b c 开发原型系统，对以上研究进行了验证。 关键字：三维加工特征；三维c a p p ；工艺资源数据库；工艺卡片；u g m a n u f a c t u r i n gf e a t u r eb a s e dt h r e e - d i m e n s i o n a lc a p ps y s t e m d e v e l o p m e n t o nu gp l a t f o r m d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g s t u d e n t s i g n a t u r e ：如学几 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：良肌b q a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t a t eo ft h ea r ta n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fc a p p ，t h e p r i n c i p l e ，m e t h o d a n dk e yt e c h n o l o g i e so fp r o d u c t - o r i e n t e dc a p ps y s t e mb a s e do n t h r e e d i m e n s i o n a lm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e sa r es t u d i e d i tc a ni m p r o v ep r o c e s sp l a n n i n gq u a l i t y ， a c c e l e r a t ep r o d u c tm a n u f a c t u r i n gc y c l e ，a n di m p r o v ec o r ec o m p e t e n c e t h em a i nc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s ( 1 ) t h es t a t eo ft h ea r t ，d e v e l o p m e n tt e n d e n c y ，e x i s t i n gp r o b l e m so fc a p pa r es u m m a d z e d t h es u p e r i o r i t yo f t h et h r e e - d i m e n s i o n a lo b j e c t - o r i e n t e dc a p ps y s t e mi se x p o u n d e d ( 2 ) t h et r a d i t i o n a lc a p pd e v e l o p i n ga p p r o a c ha n do b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gi d e a sa n d m e t h o d sa r ea n a l y z e d t h em e t h o dt od e v e l o pt h et h r e e - d i m e n s i o n a lc a p ps y s t e mi s d i s c u s s e db a s e do nm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e su s i n go b j e c to r i e n t e dm e t h o d t h ef r a m e w o r k a n dw o r k f l o wo ft h es y s t e ma r ec o n s t r u c t e d ( 3 ) t h es t r u c t u r eo ft h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r e si sa n a l y z e d t h em a n u f a c t u r i n gf e a t u r e i n f o r m a t i o nm o d u l ea n di t si n t e r f a c e 、析t hp r o c e s sp l a nm a n a g e m e n tm o d u l ea r ec o n s t r u c t e d o nu gp l a t f o r m ，t h r e e - d i m e n s i o n a lf e a t u r ei n f o r m a t i o ni se x t r a c t e da n di n p u ti n t op r o c e s s p l a ne d i t i n gm o d u l et h r o u g ht h ei n t e r f a c e ( 4 ) a f t e ra n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fp r o c e s sr e s o u r c ed a t a , t h es t o r a g ea n d m a n a g e m e n to ft h ep r o c e s sr e s o u r c ed a t aa r es t u d i e d t a k i n gt h ep r o c e s sr e s o u r c ed a t aa s t h ec o r e ，t h em a n a g e m e n tm o d e lo fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e si se s t a b l i s h e dt or e a l i z e e f f e c t i v ep r o c e s sr e s o u r c em a n a g e m e n t ( 5 ) a f t e ra n a l y z i n gt h ee l e m e n t so fp r o c e s sc a r d s ，ap r o c e s sc a r dt e m p l a t ei sd e f i n e dt or e a l i z e p r o c e s sc a r dc u s t o m i z a t i o na n dm a n a g e m e n t t h ec l a s s i f i c a t i o na n di n f o r m a t i o nm o d e lo f p r o c e s sd o c u m e n t sa r ed i s c u s s e d t h es e p a r a t i o nm o d e lo ft h ep r o c e s s i n gd a t aa n dp r o c e s s c a r d si se s t a b l i s h e d t h ep r i n to ft h ep r o c e s sd o c u m e n t si sa l s or e a l i z e d ( 6 ) b a s e do nu g o p e n u i s t y l e ，u g o p e na p i ，p o w e r b u i l d e r , s q ls e r v e r2 0 0 0 ，a n do d b c ，a p r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e dt ot e s tt h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h e s k e yw o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a lm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ；t h r e e - - d i m e n s i o n a lc a p p ；p r o c e s s r e s o u r c ed a t a b a s e ；p r o c e s sc a r d ；u g 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果 或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的学 位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：稚镁 r 谧嘉耀擀泳 日期：加哆皋，嗣ff 履 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：转靛 指导教师签名： 醐：叫车 1绪论 1 绪论 随着技术的推广和深化应用以及制造业信息化工程的推进，越来越多的制造业企业迫 切地需要借助于c a p p 来提高工艺设计的效率和水平，建立包括产品工艺信息在内的完 整的企业产品信息，提高自身快速反应市场的能力和竞争力。作为设计和制造的中间环节， c a p p 系统的研制和开发工作则并不顺利。尽管在研究和开发方面进行了各种努力，在理 论、方法和技术上有不少研究进展，但是其系统开发和推广应用一直非常困难，至今并没 有出现在世界范围内广为普及的商品化软件，这一点和系统相比有相当大的差距。究其原 因，c a p p 系统面临的困难与工艺设计的特点是分不开的。 当前制造业中产品设计开始更多地采用三维技术，往往建立在统一的信息平台的基础 上。这对c a p p 提出了更高的要求，它担负着沟通和链接的任务，需要能够直接从三维 中获取零件的几何信息、材料信息、工艺信息等输出所需要的工艺规划、刀具清单等各种 信息的能力。所以，开发及研制三维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。但是目前的 c a p p 系统绝大多数都是在二维环境下进行工艺设计工作，并且它又面临着计算机集成制 造系统，并行工程，虚拟制造，敏捷制造，企业工艺设计业务重组等先进制造技术的种 种高新需求，有很多的不足与缺陷，这成为很多制造企业信息化工作的瓶颈，可以说它已 进入一个既有大量机遇又有严峻挑战的新的发展阶段 1 1 1 2 1 。 1 1c a p p 的发展及研究现状 我国的c a p p 技术的探讨时间应该是同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 技术在我国已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、实用化的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，有效地起到了联系 设计和生产中间环节的作用，为企业解决“信息孤岛”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、智能制造等制造业自动化新技术的发展，对c a p p 系统提出了新 西安t 业大学硕士研究生论文 的要求。目前c a p p 的研究主要集中在以下几个方面：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1 3 1 1 4 】。 下面来简单介绍一下整个c a p p 的研究现况。 1 1 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。美国于1 9 7 6 年由c a m i 公司推出颇具影响力的c a m is 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，成为c a p p 发展史的里程碑。随即出现的系统有美国i r 的m i p l a n ( 1 9 8 0 ) ，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 t c u t 的 a u t o p l a n ( 1 9 8 0 ) 。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 ”、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 ”，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。派生式系统己从 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，被认为是最有前途的方法。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 系统一a p p a s 。理想的创成式c a p p 系统，通过逻辑决策效仿人的思维，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l 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，成功研制了所谓基于知识( k n o w l e d g e b a s e d ) 的创成式 c a p p 系统和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c a p p 智能化概念体系及用面向产品的 方法对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 1 绪论 c a p p 系 统 创 成 式 系 统 派 生 式 系 统 混 a 口 式 系 统 基于传统过程性结构与决燕过程的系统 图1 ic a p p 系统的分类 近年来，以自动化为唯一目标的c a p p 发展状况己经使人们对c a p p 研究与开发现 状产生怀疑。a m l u s c o m b c 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 辅助( a i d ) 而不是自动化( a u t o m a t i c ) 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；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 nz 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，并开 发了基于交互式的c a p p 原型系统。e 1 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。la l 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 系统的发展中舢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；产品集成设计、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 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 m r a n i a k 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 系统难以成为企业解决现实问题的有效工具p j 。 3 西安工业大学硕士研究生论文 1 1 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 的应用需求日益迫 切。1 9 9 6 年4 月，针对国家8 6 3 c i m 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 o ) 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( a 0 ，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，标志着我国开始了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 ec 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。 c a p p 的研究和开发，综合我国c a p p 系统的发展历程，二十余年时间内经历了如下 演变和发展： ( 1 ) 第一类c a p p 系统 。 1 9 8 2 年至今，目标为工艺设计自动化，即自动工艺设计问题的c a p p 系统。在相当 长时间内，c a p p 系统一直以代替工艺人员的自动化系统为目标，强调工艺决策的自动化， 开发了若干派生式( v a r i a n o 、创成式( g e n e r a t i v e ) 以及综合式( h y b r i d ) 的c a p p 系统。早期 c a p p 系统中，无论是派生式还是创成式，都以利用智能化和专家系统方法，自动或半自 动编制工艺规程为主要目标。 至今国内外还没有兼具实用性和通用性、真正商品化的、自动工艺设计的c a p p 系 统。2 0 世纪9 0 年代中期以来，主流的c a p p 系统开发者已基本停止了这类系统的研制， 但多年来积累的研究成果、经验和教训仍然值得重视。 ( 2 ) 第二类c a p p 系统 1 9 9 5 年至今，基于服务顾客、优先解决事务性、管理性工作为理念开发的c a p p 工 具系统，这类系统以解决工艺管理问题为主要目标。 2 0 世纪9 0 年代中后期，c a p p 工具系统在实用性、通用性和商品化等方面取得了突 破性进展。这类c a p p 工具系统在认真分析顾客需求的基础上，以解决工艺设计中的事 务性、管理性工作为首要目标，首先解决工艺设计中资料查找、表格填写、数据计算与分 类汇总等繁琐、重复而又适合使用计算机辅助方法的工作。 第二类c a p p 系统对企业需求进行了认真分析：第一，企业的工艺部门的个性很强， 4 1绪论 随企业的产品不同、生产模式不同，工艺方面差异很大，要求c a p p 软件必须是一种工 具化的产品，能够通过定制或配置，满足企业的需求。第二，工艺设计企业的加工设备、 工艺装备、工艺手段、典型工艺等工艺资源；目前大部分企业对工艺资源缺乏管理，因此， 工艺部门要求c a p p 软件必须提供一种工具，将企业的工艺资源有效地管理起来。第三， 工艺设计由许多不同性质的子任务组成，涉及到多个部门和人员，这就要求工艺软件提供 一种角色和权限机制，提供产品级的工艺编制功能和零件级的工艺编制功能。这类系统的 实用性和通用性较好，对推动企业信息化进程、培养企业的c a p p 人才起到了良好作用， 是c a p p 系统发展阶段中的一个必由阶段。但第二类c a p p 系统在将工艺专家的经验、 知识集中起来指导工艺设计、为工艺设计人员提供合理的参考工艺方案、与c a d ，c a m ， p d m ，e r p 等系统共享信息等方面都有所局限。 ( 3 ) 第三类c a p p 系统 1 9 9 9 年至今，直接由二维或三维c a d 设计模型获取工艺输入信息，基于知识库和数 据库、关键环节采用交互式设计方式并提供参考工艺方案的c a p p 工具系统。此类系统 在保持解决事务性、管理性工作优点的同时，在更高的层次上致力于加强c a p p 系统的 智能化工具能力；将c a p p 技术与系统视为企业信息化集成软件中的一环，为 c a d c a e c a p p c a m p d m 集成提供全面基础。现有的c a p p 系统在解决事务性、管理 性任务的同时，在自动工艺设计和信息化软件系统集成方面也已经开展了一些工作。如兼 容某些典型零件的派生式工艺设计、基于设计模型可视化工艺尺寸链分析等工作。在各种 c a x 系统集成方面，c a p p 系统需要与其他系统协同发展。如基于特征的工艺设计要求 c a d 系统基于特征的造型，随着国内三维c a d 的发展和成熟，基于三维特征造型的c a p p 系统将是一个重要的发展方向。 目前，各高校、研究所、软件商都试图开发更适合制造企业应用的c a p p 系统，其 主要研究热点在以下几个方面： ( 1 ) 研究和开发基于三维c a d 、p d m 的c a p p 系统，解决c a p p 系统与其他信息软 件系统的集成问题。 ( 2 ) 研究和开发可重组的、基于软构件的、平台型的c a p p 系统，解决c a p p 系统的 通用性、个性化适应性问题。 ( 3 ) 用面向对象的方法研究和开发全生命周期的c a p p 系统，解决c a p p 系统的深化 应用问题。 总的来说，c a p p 系统向着集成化、通用化、实用化、综合智能化、构件化、网络化 方向发展，基于三维平台的可重构c a p p 系统代表着系统研究和开发的发展方向【6 儿。 1 2c 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 5 西安工业大学硕士研究生论文 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： ( a ) 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 a d c a p p c a m 集成的关键。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 i m 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。 ( b ) 基于p d m 的集成技术 p d m 即产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，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。 ( 2 ) 智能化 2 0 世纪8 0 年代以来，智能化己成为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，人们设想出能模拟工艺设计专家设计工艺过程，这样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 d 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，减少反复设计。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 6 1 绪论 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 理机自学功能等。它的研究途径主要有： ( a ) 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： ( b ) 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： ( c ) 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 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【8 】。 1 3 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n 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【l o 】： ( 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，用户难于了解软件 7 西安下业大学硕士研究生论文 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： ( 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 4 三维环境下c a p p 系统的优越性 三维c a d 系统为产品设计创造了一个新的空间，它可以进行结构设计、强度设计以 及优化设计，同时大大缩短设计周期降低开发成本，三维造型系统具有相对丰富的属性， 能方便的将设计与分析、工艺和制造相联系，并成为设计系统间集成的基础。 传统c a p p 系统往往建立在二维c a d 的基础上，或者基于二维的图形信息进行工艺 设计。二维环境下的c a p p 有很多缺点，包括【l i j ： ( 1 ) 难以从二维视图中获取加工信息，尤其是对于非回转体零件； ( 2 ) 对于二维视图的工艺设计知识的表达、获取、组织与管理比较困难； ( 3 ) 不能有效的总结设计经验和设计方法； ( 4 ) 复杂的产品以及零部件只能以二维视图显示，但是零件的关键特征属性难以在二 维视图中表现，这使得工艺性评价以及审查流于形式； ( 5 ) 使用数控加工的零件，一般只能凭经验完成该零件的工艺规划与设计，然后在 c a m 中编写n c 代码驱动数控完成加工。这很难保证加工零件符合工艺要求。 基于三维环境的c a p p 系统能够很好地解决上述问题并且具有很多优越性【1 1 j 【1 2 】： ( 1 ) 由于三维造型系统建立的三维零件模型能够附加很多属性信息，包括加工工艺信 息、零部件属性信息等等，为c a p p 系统提供了完备的信息来源。 ( 2 ) 基于三维模型的特征技术能够准确的记录几何特征和非几何特征，记录了相关要 素的数据，具有参数化、智能化和全关联特点，能够准确的描述相关要素的生成、修改和 关联。 ( 3 ) 三维零件建模技术能够协助c a p p 系统进行工艺设计工作，选择正确的建模方式 会大大降低c a p p 的工作难度和复杂程度。 ( 4 ) 通过对零件特征的分析以及提取，按照不同特征的加工方法进行分类和整理，有 助于总结设计经验和设计方法。 1 5 论文研究的目的和意义 计算机世界资讯发布的2 0 0 5 年中国行业信息化建设及应用趋势研究成果，调查显示， 虽然中国制造行业的信息化高速增长，但制造行业信息化处于非成熟阶段，整体应用水平 偏低，大部分制造企业实施信息化比较成功的是财务管理、管理信息系统( m i s ) 、办公自 1 绪论 动化系统( o a ) 等初级应用方面，使用基于三维产品模型的c a p p 技术的企业还不多，且 刚起步，实现了c a d c a p p c a m 一体化应用的企业更少，远未达到与生产融合的高度， 仅有不足1 的企业体现出信息化成熟的特征。 因此，中国c a p p 软件市场作为一个有待成熟的领域，将重新成为中国信息化软件 产业发展的一个热点。计算机世界资讯预计：到2 0 0 8 年中国制造行业信息化投资总额将 达到4 3 7 亿元。中国制造行业在2 0 0 1 2 0 0 4 年进行了大规模的信息化基础普及之后，自 2 0 0 5 年开始，制造业信息化应用及投资将进入新一轮的高峰，并将逐步转向企业各种应 用系统一体化的实施。针对c a d 与c a m 连接纽带的c a p p 系统，从全球市场的产值增 长和分布判断，目前正是进入这一全新c a p p 软件业的最佳时机和导入拐点阶段【1 3 j l l 4 儿”j 。 其实，c a p p 软件作为一个热点软件重新受到关注是近几年的事，c a p p 软件的应用 在我国也由来己久。自2 0 世纪8 0 年代初c a p p 技术开始受到工艺界的重视以来，目前 在国内学术会议、刊物上发表的c a p p 系统已超过5 0 个，但真正被工厂、企业正式应用 的只是少数，形成商品化的c a p p 更是寥寥无几通过对国内企业的调研，目前在市场上 流行的几种类型的c a p p 技术在功能上区别不大，但在体系结构上的差别较大。大部分 c a p p 在体系结构上存在明显的问题，尽管可以满足工艺人员的要求，但却很难满足企业 对c a p p 的整体要求。究其原因，在于目前c a p p 系统所存在的一些问题【1 6 】【1 7 】【1 8 】： ( 1 ) 几乎所有的c a p p 系统都难以实现对产品工艺流程变化的良好支持，其表现在： 无法对零件工艺变化做出充分的反应、无法适时地响应客户的需求。现有的c a p p 软件 是把工艺设计制定等的流程固定在程序中，按照程序的流程来执行，这使得系统二次开发 和维护很困难。而且，即使有些模块的关键地方需要根据人员来操作，但这些地方依靠人 的比重太大，往往需要工艺人员经过长期经验积累才能胜任，而且此岗位人员_ 旦离开， 设计新的良好工艺就会变得非常困难。 ( 2 ) c a p p 软件大多是根据某一领域管理思想来定制的，这导致了软件的通用性差， 重复开发工作量增加，不适应企业产品快速变化所带来的体系变化的要求，存在着软件生 命周期缩短等问题。 ( 3 ) 企业生产工艺是一个共性与个性并存的领域，传统、固化的软件产品难以满足不 同业务模式和领域的所有需求，更难以跟上企业的迅速发展。干扰c a p p 软件商的核心 问题依然是实施、开发和营销的矛盾，如何满足企业的个性化需求而又能够及时完成项目， 如何提高客户的应用效果，根本的出路还是在于软件技术本身的创新，即实现c a p p 系 统软构件化、平台化。科技部在“十五”8 6 3 现代集成制造系统的技术主题中，将“基于三 维c a d 的c a p p ”专门立项研究和推广，可以预见，3 d c a p p 系统将为今后研究的热点。 鉴于上述原因，基于三维平台的c a p p 软构件库研究与系统开发，不仅要开发适应 制造企业特点的c a p p 系统( 支持工艺卡片绘制、工艺资源与工艺信息管理等功能) ，更重 要的是构造三维c a d 平台下c a p p 的基础软构件库，能够在对基础软构件进行增、删、 改、查的基础上增加系统建模和软构件集成部署的功能，可根据制造对象、制造资源和企 9 两安t 业大学硕十研究生论文 业的工艺需求，通过选择功能模块和设置重构参数，快速组成满足企业特定工艺设计要求 的c a p p 系统，具有对不同制造企业的通用性和对生产环境变化的灵活性和适应性；同 时也致力于解决一些长期存在且迫切需要处理的c a p p 问题，如支持c a p p 与3 d c a d 的同步可视化、三维模型的参数化双向驱动等c a p p 技术难题。 目前大多数产品化的c a p p 系统，仍然运行在二维c a d 平台上，由于二维c a d 系 统在许多方面存在不足，如：零件模型是线框模型，缺乏特征信息、拓扑信息和精度信息 等c a p p 所需要的工艺信息，难以对零件信息进行详尽地描述或描述程序繁琐，而且对 于结构复杂的零件信息描述非常困难，这使得众多基于二维c a d 平台的c a p p 系统“先 天发育不足”，只能成为企业工艺人员的一个功能简单的电子化书写、绘图和工艺文件管 理工具。因此，新的c a p p 系统首先应当是建立在三维c a d 平台下，同时应当能实现产 品计算机辅助工艺设计过程的3 d c a d c a p p 同步可视化表达，保持三维c a d 模型的可 见性，让用户在工艺设计过程中，能方便、直观地查看并获取产品的三维模型属性和各种 工艺资源信息【2 0 】【2 l j 。 另外，现有的c a p p 系统，在生成工序卡片方面，虽然可以做到提取工序图的功能， 但是工序图与c a d 是非关联的，当c a d 模型更改时，难以自动更新工序图形。因此， 新的c a p p 系统应当是基于配置的三维参数化工艺设计，对产品模型采用三维模型的参 数化双向驱动模式，实现工艺过程( 零件特征与工序内容间) 双向参数化驱动、工艺间简图 ( 工序简图( 尺寸等属性) 与零件模型关联) 双向参数化驱动、零件明细表自动生成，对相同、 相似零件，工艺人员不必重新设计工艺路线，只需要改变零件的相关参数( 比如零件的尺 寸、粗糙度等) ，工艺流程图、工序图将利用检索、创成自动生成相关工艺文件【2 1 1 。 正是基于上述思想，本项目“u g 环境下基于制造特征的三维c a p p 系统开发”体现了 制造业信息化发展的需要和我国制造业生产实际的需要，同时该项目也代表了现代c a p p 技术和系统研究的发展方向。因此，本项目的工作对于提高我国c a p p 系统的技术