（机械设计及理论专业论文）发动机气缸套capp系统的研究与开发.pdf

发动机气缸会c a p p 系统的研究与开发 摘要 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 ) 是计算机辅助工艺设计的简称。 工艺设计是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计和制造的桥梁。c a p p 不但能利用工艺人员的经验知识和和各种工艺数据进行科学的决策、自动生成工 艺规程，而且还能自动计算工序尺寸、绘制工序图、选择切削参数和对工艺设计 结果进行优化等，从而设计出一致性良好的、高质量的工艺规程，也使工艺设计 与c a d 、c a m 、乃至m i s 等系统的集成成为可能。 气缸套是发动机的重要零件，其生产通常是采用流水线批量进行的，气缸套 零件的加工精度高，工艺过程复杂，在生产过程中通常采用专用的设备，夹具和 刀具，因此气缸套c a p p 系统必须考虑生产过程中采用的设备、夹具和刀具。 气缸套品种繁多，通常有水冷和风冷两大类型，而水冷式气缸套有根据在发 动机中是否直接与冷却水接触分为干式和湿式气缸套，作为同一类型的气缸套来 说，他们的结构具有相似性，因此可以采用相似或相同工艺路线，只是在加工过 程采用的设备型号，夹具和刀具的规格不同，这为我们采用成组技术开发实用化 的c a p p 系统创造了条件。 本发动机气缸套c a p p 系统采用半创成式原理，以系统的实用化为设计目 标，在实用化的基础上追求自动化、柔性化和系统的集成化。针对发动机气缸套 的结构特点，采用成组技术，以工厂的实际生产状况为基础，建立设备、夹具和 刀具数据库，采用形面特征的零件信息输入方法和人机交互的工艺编写方法，按 照逆向工艺编写原则，逐一确定零件的工序，自动生成零件的工序图和零件的工 艺卡片，然后对零件的工艺进行排序，得到一种零件的工艺模板，对于其他结构 相似或相似的气缸套，则只需在输入零件信息以后，由系统自动查找其类似零件 的工艺模板，对模板中工艺数据进行修改，由系统自动生成该品种气缸套的工艺 卡片。 关键词：发动机气缸套；c a p p ；成组技术；工艺规程 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 a b s t r a c t t h ec a p pi st h es h o r t e n e df o r mo fc o m p u t e ra i d e dp r o c e s s p l a n n i n g t h ep r o c e s s p l a n n i n gi st h ei n - s ts t a g eo fp r e p a r a t i o nf o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n i c a ld o c u m e n t a n di t i st h eb r i d g eb e t w e e nd e s i g na n d p r o d u c tm a n u f a c t u r i n g t h es y s t e mo fc a p pc a nn o t o n l y m a k ed e c i s i o n s c i e n t i f i c a l l y ，a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i e n c ek n o w l e d g eo f t e c h n o l o g i s ta n dt h ep r o c e s sd a t a ，b u ta l s oh e l pp e o p l ed e s i g nap r o p e rp r o c e s s p l a n n i n g ，f u r t h e r m o r e ，a n da l s oc a l c u l a t i n gt h ep r o c e s sd i m e n s i o n ，p r o t r a c t i n gt h ef i go f w o r k i n gp r o c e d u r ec h o o s i n gt h ec u t t i n gp a r a m e t e ra n dt h eo p t i m i z i n gt h er e s u l to f d e s i g n i n go ft e c h n i q u e sa u t o m a t i c a l l y , a sar e s u l tab e t t e ra n dh i g hq u a l i t yt e c h n i c a l r u l e sc a nb ed e s i g n e d i tm a k ei tp o s s i b l et oi n t e g r a t et h ec a d ，c a m m i se t c t h ea i rc y l i n d e rj a c k e ti sa ni m p o r t a n ts p a r ep a r to ft h ee n g i n e ，i ti s u s u a l l y p r o d u c e db yt h ef l o w i n gw a t e rl i n ei nb a t c h e s ，t h ep r e c i s eo fi t sp r o d u c t i o ni sv e r y h i g h g e n e r a l l ys p e c i f i e de q u i p m e n t s ，t o n g sa n dc u t t i n gt o o l sa r e a d o p t e di n i t ，s p r o d u c t i o n ，s oi nt h ec o u r s eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h ea i rc y l i n d e ri a c k e t sc a p p , s p e c i f i e de q u i p m e n t s ，t o n g sa n dc u t t i n gt o o l sm u s tb ec o n s i d e r e d t h e r ea r em a n yk i n d so ft h ea i rc y l i n d e r , b u ti tc a nb ed i v i d e di n t ot w oc l a s s e so f t h ec o o l e db yt h ew a t e ra n dt h ew i n d ，a n dt h ea i rc y l i n d e ro fc o o l e db yw a t e r c a na l s o b ed i v i d e di n t ot h ed r ya i r c y l i n d e ra n dt h ew e t t e s ta i rc y l i n d e rt h e r ei sa c o m p a r a b i l i t yo fs t r u c t u r ef o rt h ea i rc y l i n d e ro ft h ek i n d r e d ，s oai d e n t i c a lt e c h n i c a l l i n ec a nb eu s e df o ri t ，t h ed i s t i n c t n e s si st h ed i m e n s i o no ft h ee q u i p m e n t ，t h et o n g s a n dt h ek n i f e s ，t h i so f f e r st h ec o n d i t i o nf o ru st od e v e l o pt h ec a p p s y s t e ma c c o r d i n g t t ot h et e c h n o l o g yo fg r o u p t h ea u t o m o b i l ea b s o r b e rc a p p s y s t e ma d o p th a l f - c r e a t i o nm o d e t h ea i rc y l i n d e r a i m sa tt h ep r a c t i c a l i t y , t h ea u t o m a t i o na n df l e x i b i l i t ya n di n t e g r a t i o nb a s e do nt h e p r a c t i c a l i t y t h ea i rc y l i n d e rb a s e do nt h ep r o d u c t i o no ff a c t o r y , a d o p t e dt h eg r o u p c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e s t a b l i s hh ed a t a o fe q u i p m e n t s ，t o n g sa n dc u t t i n gt o o l s t h em e t h o do f i n p u t o ff o r m s u r f a c e ，a n d t h em e t h o do f m a n m a c h i n e c o n v e r s a t i o n - a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc o n v e r s et e c h n o l o g y , e v e r yw o r k i n g p r o c e d u r ec a nb ed e c i d e d ，a n dt h ef i g u r e so ft e c h n o l o g ya n dt h ec a r d so ft e c h n o l o g y c a nb ec r e a t e da u t o m a t i c a l l y , i nt h ee n dt h ec a r d sc a nb e a r r a n g e db yo r d e ro f p r o c e s s ，a n dat e m p l a t eo fak i n do fa i rc y l i n d e rt e c h n i q u e sc a nb ec r e a t e d i fak i n do f a i rc y l i n d e ri sr e s e m b l e di nt h es t r u c t u r e ，t h e t e m p l a t ef o ri tc a nb ef o u n df o ri t a u t o m a t i c a l l yb yt h es y s t e m a n dt h ep a r a m e t e ro ft h i sk i n do fa i rc y l i n d e rc a nb e i i 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 m o d i f i e d ，a n dt h et e c h n i c a lc a r df o rt h i sa i rc y l i n d e rc a nb ec r e a t e da u t o m a t i c a l l yb y t h es y s t e m k e y w o r d s ：t h ea i rc y l i n d e r o f e n g i n e ；c a p p ，g r o u pt e c h n o l o g y ；p r o c e s s p l a n n i n g i i i 留嵛囊槲然乞甾 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独 立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写的成果作品，也不包含为获得中南林业科技大学或其他教 育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：衣5 i i 蚁 。d 年6 月2 之日 幸招舟委耐歌乞荡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 业科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请您在以上相应方框打“”) 作者签名： 导师签名：乏主詈扔 锣乡年 惕目 中南林业科技大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 1 绪言 c a p p 是机械c a d 和c a m 的桥梁，是使制造业迅速发展的关键技术。气 缸套c a p p 系统是气缸套生产过程的重要组成部分，能够实现工艺过程的有效管 理。 1 1c a p p 概述 c a p p ( 计算机辅助工艺设计，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 ) 是指根据 产品设计所给的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计【l 司。 ， 随着信息技术的发展和全球化统一市场的形成，制造业市场竞争日趋激烈， 产品需求呈现出多样化、个性化趋势，从而使得生产规模从少品种大批量朝着多 品种变批量方向发展。制造企业要在竞争中取胜，则必须要改变原有的产品设计 及制造模式，迅速响应市场需求。适应极具不确定性的市场环境。在此背景下， 源于2 0 世纪8 0 年代c a d c a m 技术已发展成为一种高新技术产业，并得到了 迅速发展。随着制造业向c i m s 或i m s 的发展，c a d c a m 集成化的要求越来 越强烈，c a p p 在c a d 、c a m 中起到了桥梁和作用。不仅如此，随着敏捷制造 ) 、虚拟制造( 、r m ) 、智能制造d ) 、并行制造( c e ) 、精益生产( l p ) 、及时生 产( a p ) 1 4 j 等先进生产模式的概念提出与逐步实施，c a p p 已是制造企业各部门产 品信息交汇的重要枢纽，企业生产管理和计划调度等部门也必须依赖c a p p 系统 输出的信息，可以认为c a p p 是制造企业生产现代化的必由之路。当前，c a p p 己成为先讲制造与自动化技术领域的研究热点。从狭义的观点来看，c a p p 是完 成工艺过程设计，输出工艺规程。从广义的观点来看，c a p p 系统已成为产品设 计与制造过程的信息枢纽，它的功能在不断扩展。在现代先进制造业中，c a p p 的纽带作用日益增强，尤其在并行集成化生产模式中，c a p p 与c a d 、c a m 、 p d m 、p m e 、c a q 、m r p i i 等联系日趋紧密【习，涉及到了人工智能技术、虚拟 现实技术、优化技术、神经网络、人机工程学等删信息技术领域，其内涵在不 断的延伸。 当前，科学技术飞速发展，产品更新换代频繁，多品种、小批量的生产模式 已占主导地位，传统的工艺设计方法已不能适应制造业的发展需要。主要体现在： 采用人工设计方式，设计任务繁琐、重复工作量大、工作效率低；设计周期比较 长，难以满足产品开发周期越来越短的需求；受工艺人员的经验和技术水平限制， 工艺设计质量难以保证；设计手段落后难以实现工艺设计的继承性、规范性、标 准化和最优化1 0 】【1 1 埘。c a p p 系统的随着机械制造生产技术的发展和当今市场对 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 多品种、小批量生产的要求，特别是c a d c a m 系统向集成化、智能化、网络 化、可视化方向发展，计算机辅助工艺设计也就日益为人们所重视【1 3 1 。用c a p p 技术代替传统的工艺设计方法具有重要的意义，主要表现在如下： ( 1 ) 能够使工艺设计人员摆脱大量、繁琐的重复劳动，将主要精力转向新产 品、新工艺、新装备和新技术的研究与开发。 ( 2 ) 可以显著缩短工艺设计周期，保证工艺设计质量，提高产品的市场竞争 能力。 ( 3 ) 可以提高产品工艺的继承性，最大限度地利用现有资源，降低生产成本。 ( 4 ) 可以使没有丰富经验的工艺师设计出高质量的工艺规程，以缓解当前机 械制造业工艺设计任务繁重，但缺少有经验工艺设计人员的矛盾。 ， ( 5 ) 推动企业开展工艺设计标准化和最优化工作。 1 2c a p p 的基础技术 ， jo ( 1 ) 成组技术( g r o u pt e d m o l o g ) 卜_ 电t ) ，c a p p 系统的研究与开发是与成组 技术密切相关的。早期开发的c a p p 系统般多为以g t 为基础的变异型c a p p 系统嗍。 ； 。 ( 2 ) 零件信息的描述与获取，c a p p 与c a d 和c a m 一样，其单元技术都是 按照自己的特点而各自发展的。零件信息( 几何拓扑及工艺信息) 的输入是首当 其冲的，即使在集成化、智能化、网络化、可视化的c a d c a p p 肥a m 系统中， 零件信息的产生与获取同样是一项关键技术【1 6 1 。 。( 3 ) 工艺设计决策机n t l 7 1 ，其核心为特征形面加工方法的选择、零件加工工 序决策及工序的安排及组合。其主要决策内容如下： 幸工艺流程的决策；。， ，, - r 序决策； 一 宰工步决策； n $ 工艺参数决策。 为保证工艺设计达到全局最优化，系统需要把这些内容集成在一起，进行综 合分析、动态优化及交叉设计1 哪! 19 1 0 2 0 。 ( 4 ) 工艺知识的获取及表示，工艺设计是随设计人员、资源条件、技术水平、 。工艺习惯不同而变化f 2 ”，要使c a p p 在企业内得到广泛有效的应用，必须总结出 适应于本企业所生产零件的典型加工工艺及工艺决策方法。按c a p p 系统的开发 要求，用不同的知识表示形式和推理策略来描述这些经验及决策逻辑 2 2 1 。 ，。 ( 5 ) 工序图及其它文档的自动生成。 一 ( 6 ) n c 加工指令的自动生成及加工过程动态仿真阎。 ? 2 中南林业科技大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 ( 7 ) 工艺数据库的建立。 1 3c a p p 的类型 世界上最早将计算机技术应用于工艺设计的是挪威人n i l ) c l ，他于1 9 6 5 年首 先提出了c a p p 的概念，并于1 9 6 9 年正式推出了世界上第一个c a p p 系统 a u t o p r o s 2 2 i 此后三十多年来，各个国家尤其是工业发达国家对c a p p 的发 展给予了极大关注，并进行了大量的研究，先后出现了如下几类在设计方法上不 同的c a p p 系统 ( 1 ) 交互型c a p p 系统 交互型c a p p 系统是按照不同类型零件的加工工艺需求，编制一个人机交互 软件系统。工艺设计人员根据屏幕上的提示，进行人机交互操作，操作人员在系 统的提示引导下。回答工艺设计中的问题，对工艺过程进行决策及输入相应的回 答，形成所需的工艺规程【硼，因此，这种c a p p 系统工艺过程设计的质量对人的 依赖性很大，且因人而异。， ( 2 ) 变异型c a p p 系统 变异型c a p p 系统是利用成组技术原理将零件按几何形状及工艺相似性分 类、归族，每一族有一个主样件，根据此样件建立加工工艺文件，即典型工艺规 程，存入典型工艺规程库中网。当需要设计一个新的零件工艺规程时，根据其成 组编码，确定其所属零件族，由计算机检索出相应零件族的典型工艺规程，再根 据当前零件的具体要求，对典型工艺进行修改，最后得到所需的工艺规程【2 6 ，。变 异型c a p p 系统又可称为派生型、修订型c a p p 系统。 ( 3 ) 创成型c a p p 系统 创成型c a p p 系统可以定义为一个能综合加工信息，自动地为一个新零件制 订出工艺规程的系统。即根据零件信息。系统能自动提取制造知识，产生零件所 需要的各个工序和工步的加工内容；自动地完成机床、工具的选择和加工过程的 最优化；通过应用决策逻辑，可以模拟工艺设计人员的决策过程嘞，在创成型 c a p p 系统中，工艺规程是根据工艺数据库的信息在没有人为干预的条件下从无 到有创造出来的。 “) 综合型c a p p 系统 综合型c a p p 系统也称为半创成型c a p p 系统，它将变异型与创成型结合起 来，即采取变异与自动决策相结合的工作方式l 研。如需对一个新零件进行工艺设 计时，先通过计算机检索它所属零件族的典型工艺，然后根据零件的具体情况， 对典型工艺进行修改工序设计则采用自动决策产生，这样较好地体现了变异型 与创成型相结合的优点。 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 ( 5 ) 智能型c a p p 系统 智能型c a p p 系统是将人工智能技术应用在c a p p 系统中而形成c a p p 专家 系统。与创成型c a p p 系统相比，虽然两者都可以自动生成工艺规程，但刨成型 c a p p 系统是以逻辑算法加决策表为特征；而智能型c a p p 系统是以推理加知识 为特征。作为工艺设计专家系统的特征是知识库及推理机，其知识库由零件设计 信息和表示工艺决策的规则集所组成，而推理机是根据当前的事实，通过激活知 识库的规则集，而得到工艺设计结果，专家系统中所具备的特征在智能c a p p 系 统中都应得到体现【明脚】嗍。 ( 6 ) 智能型工艺设计系统( 专家系统) 开发工具 工艺设计专家系统不同于一般的诊断型专家系统，它是一个复杂的设计型专 家系统【捌。它要求除具有一般专家系统所具备的知识获取及表示和推理求解策略 外，尚需具有解决在工艺设计及决策中特殊知识的获取和描述，如零件信息( 几 何拓扑信息、工艺信息、检测信息、表面质量信息等等) 的获取和表示、加工资 源信息( 设备及工具、人员及技术水平等等) 的获取和表示，以及图形、n c 加 工指令、加工过程动态模拟的表示与生成等。如果不借助专用工具，要想建立一 个实用的工艺设计专家系统是需要花费大量的人力、物力及较长的开发周期。随 着专家系统在机械制造生产过程中的广泛应用，c a p p 专家系统需求日益加大 3 1 3 2 1 。为了缩短专家系统开发周期，国内外研制了多种类型的专家系统开发工 具，从不同的层次、不同角度来解决专家系统中的共性问题，如知识表示方式、 知识获取、知识检验、知识求解和推理解释等等p 3 - 3 6 1 。以便使开发者把主要精力 集中在知识选取和整理方面，建立相应的知识库，较少地考虑甚至不考虑专家系 统中的其他问题，这样，就可以集中精力考虑工艺设计中的有关问题，发挥工艺 设计人员之所长，避其所短，缩短开发时间，在质量及速度上都得到充分保证 0 9 - 4 0 l 。 一 二 1 4c a p p 技术研究现状 当前，c a p p 技术研究过程中，人工智能( a 1 ) 、专家系统( e s ) 以及神经网 络( g n ) 等相关理论的应用，使其朝着智能化、集成化、工具化和实用化方向发 展。随着新技术、新概念如：并行工程( c e ) 、敏捷制造( a m ) 、动态联盟公司 ( v o ) 、精益生产( l ，p ) 、及时生产( a p ) 等的不断出现 4 1 - 4 2 1 ，c a p p 技术的研究又 提出了新的、更广的要求，包括功能扩充、分布制造、并行制造等，系统研制 也在不断的适应新技术变化，与此同时，一些早期的系统仍然在企业中发挥着 重要作用，可以将c a p p 的研究状况归纳如下几个方面： 4 中南林业科技大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 1 4 1 变异式c a p p 系统仍在企业中发挥其作用 变异式c a p p 系统目前在很多企业中仍在发挥着重要作用。对变异式c a p p 系统来说，其关键技术是零件分类编码系统的研制。目前已研究出好几类编码系 统，即由德国a a c h e n 工业大学h o p 血教授提出的结构简单、便于记忆和手工 分类、偏重结构的o p t i z 编码系统；源于日本通产省机械技术研究所提出的结构、 工艺并重的k k - 3 系统；由我国原机械工业部开发的优于o p t i z 系统和k k 3 系 统的l bm l 系统1 4 3 j 脚l 这些都属于刚性编码系统，存在着不能完整、详尽的描 述零件结构特征和工艺特征的缺点，因此，柔性编码系统概念和理论就应运而生 了，但尚在研究之中，还没形成标准。 1 4 2 创成式系统发展迅速 当前，创成式c a p p 系统已发展成智能化c a p p ，也称c a p p 专家系统，它 以“推理+ 知识”为特征嘲【12 】嗍。是将工艺实践经验以生产式规则或其他知识表达 形式纳入知识库中，成为系统推理机的依据，系统推理机和知识库实现了分离， 便于系统开发人员和工艺人员的合作，工艺过程设计的主要问题不是数值计算， 而是对工艺信息和工艺知识的处理，这正是专家系统的特长所在。 1 4 3 分布式c a p 产1 】m 分布式c a p p 系统有纵向和横向分布式两种。 纵向分布式，c a p p 系统的工作具有明显的层次性，不同层次的子系统或功 能模块可组分布式系统，称为纵向分布。在这种系统中，工艺路线设计及原材料、 毛坯计划由厂级计算机完成，而工序设计、特别是n c 编程由车间级计算机系统 完成各级计算机系统是通过网络互连的，且工程数据库及工艺知识库是分布式共 享的。 横向分布式，实际生产环境中，零件类别是多种多样的，不同类别的零件所 适用的c a p p 设计方法也是不同的，可以采用一种由检索式、派生式、生成式等 各种子系统组成的分布式c a p p 系统。系统通过测定零件类别，选择最合适的设 计方法，各子系统可以通过公用数据库相互联系，共同完成设计任务。纵向分布 式系统基本上还处于有意义的设想阶段，而横向分布式已在国内外的一些系统中 得到不同程度的体现。 1 a 4 先进制造模式下c a p p 系统的研究 ( 1 ) c i m s 环境下c a p p 技术的研究嗍 5 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 由于c a d 、c a p p 和c a m 各自的研究侧重点不同并且是独立发展的，它们 的数据模型彼此不相容，所以，c i m s 集成的关键技术就是实现各独立系统间信 息的顺畅传递，数据交换双方必须遵循统一的产品数据模型和数据交换机制，因 而，产品数据管理和产品交换标准是实现c i m s 的关键技术 3 7 - 3 9 。目前，面向对 象数据库管理系统被认为是适合于c i m s 中最有希望的新型数据库管理系统。异 构分布式数据库系统也得到一定的研究和开发【4 1 删，从而使c a p p 技术得到了进 一步的发展。基于特征的、支持统一产品信息模型( p d e s i g e s s t e p ) 的c a p p 系统是目前的重要研究方向。 ( 2 ) 并行工程环境下的c a p p 研究 4 0 l 传统设计与制造环境下，信息与决策的传递是按先后顺序进行的。随着设计 与制造概念的转变及市场需求的变化，并行工程的概念应运而生，并日益为人们 所接受。当前，实现并行设计与制造过程已成为企业实现盈利，快速占领市场的 关键环节。并行工程( c e ) 环境下的c a p p 系统不仅是信息集成的中枢，同时也 是各子系统间功能协调的纽带。c a p p 必须面向设计、面向制造、面向产品进行 设计。它既能接收来自c a d 的设计信息，并对设计结果进行可制造性评价，同 时对不合理的设计提出修改建议，它还能提供给c 舢垤工艺信息，并接收c a m 反馈回来的信息，进行工艺设计，数控编程及加工动态仿真。其核心是在设计阶 段就考虑到产品生命周期中的所有因素，对各个环节功能进行协调，缩短产品开 发与制造周期。目前，国内外开发出了一些并行工程下的c a p p 系统，但离 人们预期目标还有较大的差距，主要是缺乏有效的基于计算机的、能够支持并行 决策活动的工具。在我国，以p d m 为集成框架的c a p p 正在研究之中。 ( 3 ) 联盟制造环境下c a p p 的研制 i n t e r n e t 和w e b 技术的发展使敏捷制造成为可能。联盟制造是敏捷制造的最 高形式。在联盟制造环境下，快速重组技术是一个关键的技术问题。因此，此环 境下的c a p p 系统应具备适应动态变化的能力。各个设计与制造单元所使用的标 准执行的功能不同，要求c a p p 系统能做到协调作用 t s 4 i 铝- s g 。因而在开发时 要考虑到变化与柔性对c a p p 系统体系结构和功能模型的影响，所开发的系统应 具有充分的灵活性、开放性、重构性和兼容性，工艺过程设计标准化和通用信息 接口成为开发柔性c a p p 系统的技术难点和研究热点 4 7 - 4 8 1 。 。 ( 4 ) 装配c a p p 的产生和研究i 蜘 在c a p p 的应用取得了效益，同时产品开发的各个环节都逐步采用了计算机 技术以后，作为其中的一个重要环节，产品装配工艺的制定也急切地要求采用计 算机辅助技术，装配c a p p 的研究开始提上日程。相对于加工c a p p 来说即使在 传统制造模式下，对于装配c a p p 的研究也十分有限，以往装c a p p 系统对于产 6 _t#t4$女z ； ， p*： #*。；。；i，n#，卜r#，；r_ ， ， 中南林业科技大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 品对象和生产类型有很强的依赖性。加工类的c a p p 到在为止已经研究得相当多 了，并且已经有商品化产品，但是对于装配类c a p p 的研究仍处于探索阶段，国 内外均没有十分成熟的产品。国内有上海交大的s i p 和中国纺织大学的r z b j c a p p ，只适用于单独应用的情况1 4 9 - 5 ”。 1 4 5c a p p 有待解决的关键技术问题 与c a d 、c a m 相比，c a p p 技术的研究进展要缓慢得多，现已成为制约制 造业进一步发展的“瓶颈” 5 2 5 1 5 3 1 。客观上主要是因为c a p p 系统受使用单位的 制造技术、制造资源、产品结构等因素的限制，c a p p 存在的主要关键技术问题 可归纳如下： ( 1 ) c a p p 系统开发工具的研究 c a p p 系统针对性强，因而其通用性、实用性、兼容性差立足c a p p 系统 的实现机制，提取其共性，为不同企业、不同产品的c a p p 系统开发提供一个良 好的设计环境。在此环境下，用户经过较为简单的二次开发，较为方便的开发出 具有针对性符合特定企业生产实际的c a p p 系统嗍 ( 2 ) 专家系统的研究 ? c a p p 专家系统不同于一般的诊断型专家系统，是一个复杂的设计型专家系 统。它要求除具有一般专家系统所具备的知识获取、表示推理求解策略外，尚需 具有解决在工艺设计及决策中特殊知识的获取和描述。目前的研究仍处于初级阶 段，函待解决的技术问题包括工艺知识的获取和表示、工艺模糊知识的处理、工 艺推理过程中自行解决冲突问题的最佳途径、自学习功能的实现等嗍唧【t 5 1 3 2 1 。 ( 3 ) 接口技术的研究1 5 5 1 自c a p p 系统开始研究以来，在很长一段时间内是以“孤岛”形式存在的， 这在很大程度上制约了企业实现自动化制造模式，从而影响企业的生存与发展。 为了解决这个问题，适应敏捷制造、智能制造、虚拟制造、并行工作嘲f l s 5 6 1 等先 进制造模式，c a p p 系统应具有多输入输出的通用信息接口，因此，接口技术的 研究至关重要。特征技术，产品数据管理和产品交换标准是要解决的关键技术问 题阳 、 。 ( 4 ) 人机交互技术的研究 工艺过程设计是一个典型的复杂问题，目前仍具有较强的经验性和技巧性。 但是，由于人们对c a p p 系统的期望太大，过分追求工艺决策自动化，从而在一 定程度上忽略了人的因素，导致很多已研制出的系统实用性差，效果不尽人意。 因此，在开发c a p p 系统的过程中，应注重工艺专家在系统设计和管理中的作用， 把人的智能( 知识) 和计算机智能( 工具) 有效的结合起来，研究出具有实用化、系 7 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 统化、多元化特点的c a p p 系统2 2 】嘲【5 s 】。 1 5c a p p 的发展趋势 随着国家对制造业信息化政策的制订和落实，制造技术的进展，近年来商 品化c a p p 系统的普及应用，对c a p p 系统提出了更高的要求。在这样的形势下， c a p p 技术和系统的发展趋势将是： ( 1 ) 知识化、智能化 ， c a p p 系统不会停留在以解决事务性、管理性工作为主的阶段。基于知识的 c a p p 系统除了作为工艺设计辅助工具，而且还有将工艺专家的经验和知识积累 起来并加以充分利用的任务。在知识化的基础上，c a p p 系统应从实际出发，从 工艺设计在工序、特征形体层面或在全过程提供备选的工艺方案，并根据操作者 的工作记录进行各种层次的自学习、自适应冈f 聊刚习。 ( 2 ) i 具化、工程化i “6 町。 各企业的工艺环境、管理模式千差万别，c a p p 既要适应各企业的具体情况， 又要控制针对具体企业的实施工作量、提高通用性，就需要加强c a p p 系统的工 具化和工程化。将c a p p 系统的功能分解成一个个相对独立的工具，用户或软件 公司的实施服务人员根据企业具体情况输入数据和知识，形成面向特定的制造和 管理环境c a p p 系统；用户可以在实施服务人员指导下进行二次开剔3 5 】l 【7 3 1 。 在工程化方面，不加考虑地完全服从用户原有的环境和模式，去构建具体的c a p p 系统并不完全合理，有必要根据对国家、国际标准和先进制造技术的分析，结合 各类企业工艺的根本需求，引导企业的工艺活动，促进工艺活动的规范化，从而 规范c a p p 系统的实施过程，使大部分企业使用的c a p p 系统是主体相似的工程 产品而不是个性独特的艺术品。 ( 3 ) 集成化、网络化f 嘲嗍 c a p p 是c a d 与c a m 之间的桥梁，是c a q 、p d m 及e r p 的重要产品信 息来源，同时也需要由c a d 提供产品设计模型的特征信息。这些系统的发展可 以相对不平衡，但必须在并行工程思想的指导下实现c a p p 与c a d 、c a m 等系 统的全面集成即j ，发挥c a p p 在整个生产活动中的信息中枢和功能调节作用，这 包括：与产品设计实现双向的信息交换与传送；与生产计划调度系统实现有效集 成；与质量控制系统建立内在联系嘲i 叫。 ， 网络化是现代系统集成应用的必然要求，c a p p 对内各种角色、工种的并行 工艺设计，对外与c a d 的双向数据交换，与c a q 、c a m 、p d m 等的集成应用 都需要网络技术支撑，才能实现企业级乃至更大范围的信息化1 7 q 7 “。 ( 4 ) 交互式、渐进式p 习 8 n h # g p，_，。 中南林业科技大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 c e d p 系统用来帮助而不是取代工艺设计人员，实用、通用的c a 巾p 工具系 统不宜追求完全的自动化，操作者要有足够的工艺知识和判断能力，关键决策要 由操作者做出，决策，判断对具备足够工艺判断能力的工艺人员不是很困难很繁 琐的工作；但对计算机而言可能难以胜任。知识库及其使用法则需要逐步建立、 验证、完善，商品化的、基于知识的c a , p p 工具系统需要有目标、有计划的渐进 式发展 4 c ) ( 5 4 7 3 - 7 4 ) 。 1 6 选题背景、意义及主要研究内容 1 6 1 选题背景及意义 气缸套是发动机的重要零件，通常其生产都是要按流水线批量进行的。工艺过 程复杂，零件加工精度高，在加工过程中常常采用专用的设备夹具和刀具，目前随 着科技的进步，许多新型的发动机采用了一些新的材料来生产气缸套，同时随着发 动机设计技术的提高，出现了许多新型的气缸套品种，并对气缸套的产品的质量和 加工精度也提出了更高的要求，因此对气缸套生产工艺过程的管理也提出了新的 挑战，设备型号，夹具和刀具的种类也越来越复杂，开发气缸套c a p p 系统有助于对 气缸套加工过程的全面管理，这对于提高产品质量，有效利用设备、夹具和刀具都 有重要的意义。 目前我国大部分气缸套生产厂家，仍然采用传统的工艺管理方法 i 艺管理方 法落后，对工艺过程的确定和工艺规程的编制仍然主要依靠工艺人员的经验，使得 c a p p 技术的应用受到限制，而且在理论上c a p p 系统理论还不完善，特别是零件 信息描述工艺知识的机内表达、系统的体系结构方面还没有规范的方法；另一方 面随着c i v l 和c e 等新的制造思想的产生和越来越被广泛的认同，对c a p p 的 发展又提出了新的要求，c , e d ，p 系统的研究设计在考虑其发展趋势的基础上，必 须面对技术的发展现状，以企业在生产中的需求为出发点，解决系统适应性差的 问题，开发企业能接受的c a p p 系统。我国c a p p 的研究起步于二十世纪八十年 代初期，但是国内c a p p 技术还处于推广阶段，尤其在生产过程中c a , , p p 的应用 还刚刚起步，现阶段c a p p 系统还难以与c a d 系统集成。实现集成的难度很大， 理论上的研究很多，令人信服的成果还不多 7 6 - r 7 1 。 本文针对气缸套零件的特点和常用的工艺规程，结合作者在企业的长期工作 经验，同时借鉴专家系统中问题求解的方法，对气缸套c a p p 系统从概念形成到 实现方法进行探讨和研究，旨在设计出一个具有一定柔性的实用化的c a p p 系 统，并能为企业的工艺文件管理作出指导。这对于将c a p p 研究从理论研究到实 用推广具有重要的意义。 9 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 1 6 2 主要研究内容 本文以发动机气缸套零件为研究对象，对c a p p 系统在智能化的基础上实现 柔性化和实用化进行研究，开发了一个基于零件特征的实用化的气缸套c a p p 原 型系统。主要研究内容包括以下方面：、 ( 1 ) 系统的总体设计及功能模块的划分。 ( 2 ) 研究分析气缸套零件的型面构成特性，实现零件信息的描述与输入 ( 3 ) 根据工厂的实际情况建立设备工装数据库。 ( 4 ) 研究决定系统的工艺决策模型，进行工艺知识与数据的分析、整理， 设计适于工艺决策实现的工艺知识数据库及维护机制，实现工艺数据 与决策推理的相对分离。 ( 5 ) 研究决定系统工艺推理的实现方法，实现工艺决策推理模块的设计。 ( 6 ) 开发一个具有一定实用价值的气缸套c a p p 系统，并对系统的可行性 进行评价。 本章小结：本章论述了c a p p 的发展和研究情况，阐明了c a p p 的发展趋势，并 说明选题背景及研究意义与方法。 。 中南林业科技大学2 0 0 6 届工学硕士学位论文 2 系统体系结构 2 1 系统总体设计思想 系统的总体设计思想是针对气缸套零件的品种及结构特点，采用成组技术， 使气缸套c a p p 系统的工艺知识数据与工艺决策推理实现相对分离，在实用化的 目标下实现智能化和柔性化。系统主要完成的任务包括零件信息的描述与输入、 加工方法的选择、加工阶段的划分，定位基准的选择，设备、夹具和刀具的选择 及设计，加工顺序的安排，毛坯的制造，数据库的更新及维护等内容。 系统采用v b 6 0 作为主开发语言，v b 内嵌的商品化数据库管理系统a c c e s s 作为系统工艺数据库，设备工装数据库的支撑系统，数据库与系统之间采用 o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i n g 开放式数据库互联) 来实现。 我们并且根据工厂的实际创建出这种气缸套零件的一个工艺路线模版，这样 当输入任何一个品种的气缸套信息时系统自动找到相应的模块，在编写该品种气 缸套零件的工艺路线是只需对对模块中的工艺数据进行修改，然后自动生成相应 的工艺过程卡片，并在此目标下建立人机交互界面。基于这一设计思想，系统的 总体设计如图l 所示。 ， 图2 1 系统的总体结构 f i g 2 1t h eo v c r a u 鲥玎k 嘲l o f t i ms y s t o m 2 2 系统的功能模块设计 系统的功能模块如图2 2 所示 系统的主要功能模块有： ( 1 ) 系统的总控模块，该模块用于协调和控制整个系统的运行，在总控模块下 进行各个功能模块的选择和调用。 ( 2 ) 零件信息输入模块，这一模块的功能是引导用户按系统规定的输入准则 输入完整的零件信息，并按系统零件信息模型实现零件信息的存储 发动机气缸套c a p p 系统的研究与开发 ( 3 ) 工艺数据库的创建及维护模块，该模块是用来实现系统工艺知识和数据 在不同加工环境下的更新和维护，以构成系统在不同环境下的工艺决策基础在此 系统中包括零件信息库，和工艺设计数据库。 图2 2 系统工艺模块图 f i g , 2 2 t h e c r a f t m o d u l e o f t h e s y s t e m ( 4 ) 工装数据库的创建及维护，发动机气缸套c a p p 系统作为一个实用化的 系统，它是建立在一个具体生产加工条件下的，同时因为发动机气缸套是按流水 线批量生产的，因此在交互式的工艺决策过程中，要求反复的调用设备工