（机械电子工程专业论文）特征技术在capp中的应用研究.pdf

硕士论文 y5 7 1 8 6 2 特征技术在c a p p 中的应用研究 摘要 特征技术理论在计算机辅助工艺设计( c a p p ) 中展示出独特的优点，推动了c a p p 向前发展，本文着重于研究探讨特征技术在c a p p 系统中的具体应用。 本文首先对现有c a p p 系统的发展状况以及所采用的支撑技术进行分析，阐述 了各支撑技术的特点。随后在分析借鉴现有系统机理的基础上，提出了f s c a p p 系 统的体系结构，并有针对性地对特征技术进行了深入的分析研究，构建了零件的信 息模型，为系统的实现打下良好的基础。本文从特征的角度出发对轴类零件的加工 工艺知识进行了分析分解，以人机交互的形式解决加工工艺知识中难以程序化的部 分，在取得了预期效果的同时，降低了系统的开发难度。工艺数据库是c a p p 系统 决策分析必不可少的支撑技术，本文在对加工工艺知识进行规范化的整理加工的基 础上，构建了相应的工艺数据库系统。最后，利用本文提出的模型和方法，结合研 究实例，进行了软件系统的开发，整个系统通过试验验证，取得了良好效果。 关键词：计算机辅助工艺设计，特征技术，轴类零件 第1 页 硕上论文特征技术在c a p p 中的应用研究 a b s t r a c t t h e o r yo ff e a t u r et e c h n o l o g ys h o w sg r e a ta d v a n t a g e si nc 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 ( c a p p ) a n dp r o p e l st h ed e v e l o p m e n t o fc a p p i t sv e r yv a l u a b l et or e s e a r c ht h e a p p l i c a t i o n o ff e a t u r et e c h n o l o g yi nc a p p s y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e d t h e e x i s t i n g c a p ps y s t e m sa n dt h e i r s u p p o r t i n g t e c h n o l o g i e s ，a n d d e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s es u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e s ，t h e n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ef o r m i n gm e c h a n i c so fe x i s t i n gs y s t e m s ，t h ea r c h i t e c t u r eo f f s c a p ps y s t e mh a db e e nb u i l tu p w i t had e t a i lr e s e a r c ho nf e a t u r et e c h n o l o g y , a n i n f o r m a t i o nm o d e lo f p a r t sw a se s t a b l i s h e dt h a tf o r m e d a g o o d f o u n d a t i o no ft h es y s t e m s w o r k i n g a l s ot h i sp a p e ra n a l y z e dt h em a c h i n ep r o c e s sk n o w l e d g e o fs h a f tf r o mt h ev i e w o ff e a t u r et e c h n o l o g y , a n du s e dt h em a l n l e ro fh u m a n m a c h i n ei n t e r a c t i v i t yt or e s o l v et h e k n o w l e d g ed i f f i c u l tt o b ep r o g r a m m e d ，w h i c hs i m p l i f i e dt h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e m a n dr e a c h e dt h ee x p e c t i n gg o a l p r o c e s sd a t a b a s ei st h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo ft h e d e c i s i o na n a l y s i si nc a p p a n dt h i sp a p e rf o r m a l i z e dt h ep r o c e s sk n o w l e d g ea n db u i l tu pa c o r r e s p o n d i n gp r o c e s sd a t a b a s e f i n a l l y , u s i n gt h e m o d e l sa n dm e t h o d si s s u e di nt h i s p a p e r , a s o f t w a r ep r o t o t y p es y s t e mw a sd e v e l o p e d , w h i c hg o tag o o dr e s u l ti ne x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：c o m p u t e r a i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ，f e a t u r et e c h n o l o g y , s h a f t 第2 页 硕l 论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 1 绪论 1 1现代制造业与c a p p 系统 1 1 1 现代制造业特征 在制造业的发展过程中，经历了手工作坊式的生产、大批量生产、柔性自动化 生产等阶段，制造的概念和组织形式得到了一次又一次的拓展。而相互影响、相互 渗透的国际经济使得整个世界变成了一个巨大的市场，对于一个企业来说，这是一 个难得的进一步发展的好机会，但是同时也对企业的竞争力提出了新的要求。快速、 灵活地响应不断变化的市场需求成了企业生存和发展的决定性因素。企业为了在产 品上市时间、成本和质量等方面战胜竞争对手，必须从产品的开发和设计过程中挖 掘潜力。计算机的出现和发展，实现了将人类从繁琐的脑力劳动中解放出来的愿望， 使人们的思维方式和生活随之改变：计算机的速度和巨大的信息存储量等优势，成 为制造企业不断地提高生产率和增强竞争力的重要手段【l l 【”。 1 1 2c a p p 系统在现代生产和设计中的作用 早在3 0 , 4 0 年前，计算机就已经作为重要的工具，辅助人类承担一些单调重复 的劳动，如数控编程、工程图样绘制等。在此基础上逐渐出现了计算机辅助设计 ( c a d ) 、计算机辅助工艺设计( c a p p ) 和计算机辅助制造( c a m ) 等技术。这些 技术的应用，大大促进企业生产的发展，特别是c a p p 系统，对现代生产和工艺设 计具有不可或缺的作用【3 】。 计算机辅助工艺过程设计的基本概念1 4 是指：c a p p 系统从c a d 系统或者通过 人机交互方式获取零件的各种数据，借助c a p p 系统中的车间模型、工件模型以及 工艺逻辑规则，生成工艺路线、工时定额以及成本核算数据等，从而借助于计算机 帮助工艺人员迅速地编制出完整而详细的工艺文件。c a p p 对现代生产的作用主要体 现如下【5 _ 8 】： 可以大大缩短工艺设计周期，保证工艺质量，提高产品在市场上的竞争力， 提高企业竞争力。 在竞争激烈的市场经济体制下，现代企业为了求生存与发展，都把提高产品质 量、降低制造成本、缩短生产周期、加强售后服务，作为提高市场竞争力的关键因 素。而加强工艺工作，开展工艺创新，不断提高工艺技术水平和管理水平则是企业 第1 页 硕士论文特征技术在c a p p 中的应用研究 增强市场竞争力的重要手段。随着“全球化”、“网络化”制造趋势的发展，企业划 外协作力度的加大，要求工艺设计的反应要和产品的整体设计速度、转型速度及生 产周期短的情况相适应；随着数控机床和加工中心的不断普及对工艺设计也提出 了更高的要求，以往普遍采用的手工编写工艺的方法已经不能适应现代生产的快节 奏。在c a d 二维绘图逐渐为三维制图所取代的情况下，工艺设计中对简图绘制的要 求更高，不但数量大，而且要求精确、快速，要求能在原有的设计图纸上迅速、方 便地进行拆分与完善，以保证产品制造的速度与质量。而信息化时代的管理工作要 求工艺人员放下传统的纸与笔，充分利用信息技术的优势来进行我们的工艺技术工 作和管理t 作，作为生产型企业，管理的一些原始数据、关键资料均来自牛产一线， 特别是工艺部门。工艺技术人员有对生产图纸熟悉的优势，在编制工艺的i 司时，通 过恰当选择加工设备，可以对生产进度的安排和设备的利用率进行统筹兼顾；通过 落料控制及编制工时定额，达到控制生产成本的目的。因此，工艺技术人员工作质 量的优劣、工作效率的高低直接关于一个企业的发展，工艺部门是管理、设计与生 产的统筹策划师。提高了工艺设计的质量与效率，就会突破企业管理及生产之间的 瓶颈，促进企业的飞速发展，在竞争激烈的市场站稳脚跟，取得k 远发展。_ | ；f 进并 建立适合氽业自身特点的c a p p 系统，就可以解决现存的许多问题，在实现工艺设 计、管理信息化的同时，为提高企业的竞争力打下坚实基础。 可以使工艺人员从大量繁琐和重复性工作解放出来，转而从事新产品的开 发一i ：艺设备的改进及新工艺研究等创造性工作【9 ”j 。 工艺过程设计工作涉及范围广泛，需要考虑各种各样的因素，要保证工作质量， 要求遵守规定的工作流程，进行大量的统计归档工作。比如，工艺设备、材料及辅 料、外协件、工时定额等各类统计汇总，各种产品各个阶段不同版本的工艺文件和 工装、工具文件的归档与更改等产品工艺管理工作，都属于工艺设计人员的工作范 围。工艺信息管理也应该是总体工艺的重要组成部分。在现有的工艺设计工作中， 工艺数据的汇总、计算、抄写等重复性劳动要占到总工作量的5 0 - - 6 0 。加上各种 工艺基础数据的生成与文档管理，工艺管理工作占全部工作量的8 0 左右。工艺人 员的很大部分时间用于工艺数据的汇总统计、重复填写等工作上，不仅效率低，而 且很难保证工艺信息及文件的准确性、一致性。随着科学技术的发展和先进制造技 术的应用，传统的明晰的工艺管理范畴变得越来越模糊。在现代企业中，工艺人员 不但是工艺规程的制定者，更是企业利润源泉的创造者。通过从生产流程中改进薄 弱环节而提高效率，建立完善的、功能强大的统计汇总功能，可以使工艺设计人员 成为企业生产过程的总体策划者，对成本控制起到关键作用，有利于现代企业制度 的建立和规范，为企业创造最大效益。从而产品工艺版本更新与控制、t 艺设计过 第2 页 硕士论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 程控制等将在企业工艺管理工作占据着更重要的地位，而这些工作也将更加繁琐， 紧迫性也更高。采用c a p p 系统后，通过工艺信息管理系统的帮助，工艺人员可以 从大量重复性劳动中解放出来，投入更多精力进行先进工艺的研究实施工作。 能继承工艺人员宝贵经验，提高企业工艺的继承性，特别是在当前国内外机 械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况下，就更显出重要性 1 1 - 1 2 】。 工艺人员短缺也是企业界对c a p p 感兴趣的一个重要原因。一个合格的工艺过 程设计人员，不仅应具备广博的知识，而且还必须有丰富的生产实践经验，熟知企 业的各种设备的使用情况，熟知企业内各种生产工艺方法，熟知企业内各种与生产 加工有关的规范，熟知与生产管理有关的各种规章制度等等。具有丰富经验的工艺 工程师，在发达国家常常感到人数不足。在美国，工艺设计人员一般年龄在4 0 岁以 上。而这样的人不仅难得，且年纪较大，一旦退休，数十年积累的知识和经验也将 随之带走，这就极大地限制了工艺水平的提高。发展c a p p 将使这一问题得到较好 的解决，因为c a p p 可将工艺专家的知识和经验储存在计算机中，使工艺过程设计 减少对高水平技术人员的依赖。 为实现c i m s c e 创造条件1 2 】。 在2 0 世纪的制造业，就已经大力提倡并行工程( c e ) 、计算机集成制造( c i m s ) 、 虚拟制造( v m ) 等，并在这些方面取得了巨大的成绩和进步。作为这些理念、理论 的技术基础之一c a p p 系统，在c i m s 中担负着重要角色，如图1 1 2 1 。全世界制 造业对制造系统全面集成化的认识不断深化，一致认为实现c i m s 比孤立地使用计 算机技术能获得更大的效益。在集成系统中由产品设计到生产制造的中间过渡环节 是系统中最适于集成化的部分。c a p p 不仅具有把c a d 和c a m 连接起来的能力， 更在c i m s 系统中起着信息传接作用。 图1 1 2 1c a p p 的信息流向 可以提高企业工艺设计的标准化，有利于工艺设计的最优化工作。 第3 页 硕士论文 特征技术存c a p p 中的应用研究 尽管在机械工艺设计中，人们建立了各种工作规范，约束统一工艺工作。比如 规定工艺卡片的格式，工艺人员按照规定进行数据的填写汇总。但是工艺卡片是工 艺人员日常工作的对象，事实上，工艺卡片只是工艺设计人员要表达的工艺数据的 格式化载体，对企业来说，工艺卡片上反映的工艺数据才是关注的焦点，它关系生 产制造成本优化与物流的畅通。计算机系统的特点之一就是对数据格式致性的要 求以及整个操作的标准化，因此，计算机系统的采用，客观上促进设计工作的标准 化，从而使企业间的交流与协作更加流畅。 当然，还有更多其他的有利因素，都值得人们去探讨研究c a p p 技术。 1 2c a p p 的发展状况 1 2 1 发展历程 上世纪6 0 年代末，人们就开始c a p p 的研究与开发。世界上最早研究c a p p 的 国家是挪威，始于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 正式推出商品化的a u t o p r o s 系统。但在c a p p 发展史上具有里程碑意义的是设在 美国的国际性组织c a m i 于1 9 7 6 年开发的c a p p ( c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s s p l a n n i n g ) 系统。国内最早开发的c a p p 系统是同济大学的修订式t o j i c a p 系统和 西北工业大学的创成式c a o s 系统，其完成的时间都在8 0 年代初【1 2 】【2 0 1 。 我国c a p p 技术的研究和应用起于2 0 世纪8 0 年代，至今已有近2 0 年的历史了。 目前，国内商品化的c a p p 软件已很多，但真正实用、并满足企业各层次应用的c a p p 软件却很少。到目前为止，已研发出四代产a t l 3 】【2 0 】： 第一代产品：1 9 8 2 1 9 9 5 期间基于智能化和专家系统思想开发的c a p p 系 统。此类c a p p 系统片面强调工艺设计的自动化，无法满足企业对通用c a p p 系统 平台的需求。 第二代产品：1 9 9 5 目前基于低端数据库( f o x p r o 等) 开发的c a p p 系统。 这一类软件已经注意到c a p p 需要以工艺数据为对象解决企业的工艺设计问题，但 因为不是交互式设计方式，不能作为平台类软件，实用性不强，推广和使用受到了 很大的限制。 第三代产品：1 9 9 6 - - - 目前基于a u t o c a d 或自主图形平台开发的c a p p 系统。 此类c a p p 是基于文件系统的c a d 技术开发的，工艺文件作为图形信息保存，其数 据是分散在各个卡片中的，很难集中管理，且它的集成和二次开发必须依赖自身的 系统。 第四代产品：1 9 9 8 目前现代c a p p 系统，此类系统完全基于数据库，采 第4 页 硕士沦文 特征技术在c a p p 中的廊用研究 用交互式设计方式向实用化方向发展，同时注重数据的管理与集成，它集中继承了 第二、第三两代系统的优点。 1 2 2 现有系统简介 自从人们首次探讨用计算机来辅助工艺设计以来，对工艺规程的自动设计方法 进行了大量的研究，并取得了一定的成果，研究出了多种系统。从工作原理上主要 有三种类型：派生式( v a r i a n t ) 系统、创成式( g e n e r a t i v e ) 系统和智能( a i ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n t ) 系统j 。 1 ) 派生式系统 建立在成组技术( g t ) 的基础上，它的基本原理是利用零件的相似性即相似零 件有相似工艺规程。一个新零件的工艺规程是通过检索系统中已有的相似零件的工 艺规程并加以筛选或编辑而成的。计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序。 从设计角度看，与常规工艺的类比设计相同，也就是用计算机模拟人工设计的方式， 其继承和应用的是标准工艺。派生式系统必须有一定量的样板( 标准) 工艺文件。 在已有文件的基础上修改编制生成新的文件。 2 ) 创成式系统 创成式系统的工艺规程是根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程数据信息生 成的，这些信息主要是有关各种加工方法的能力和对象、各种设备及刀具的适用范 围等一系列的基本知识。工艺决策中的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库， 供主程序调用。向创成式系统输入待加工零件的信息后，系统能自动生成各种工艺规 程文件，用户不需要或略加修改即可。创成式系统不需要派生式中的样板工艺文件， 在创成式系统中只有决策逻辑与规则，系统必须读取零件的全面信息，在此基础上 按照程序所规定的逻辑规则自动生成工艺文件。 3 ) 智能型系统 智能型系统其实也可以归入创成式系统，与上述系统的区别在于决策知识的应 用形式的不同。人们用常规程序解决c a p p 系统中的工艺设计决策，实际利用的是 决策表、决策树或者公理模型等技术，其实是把工艺决策知识用是非判断的决策形 式固化在系统中。用这种方式使得系统柔性差，难以解决工艺决策中不确定因素。 人工智能技术的兴起，人们就想利用人工智能技术的优点来解决上述问题，由此产 生智能型系统。该类型系统希望在刨成式的基础上，还要实现知识的自动积累。 4 ) 其它系统 由于各个系统各有缺陷，有些问题尚待解决，人们就变通地通过多种途径来设 计c a p p 系统。由此产生综合式系统、交互型系统等。 第5 页 硕士论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 综合式c a p p ：专家认为，c a p p 系统应该是多种决策方式、多种程序结构和多 层次的综合性集成体，些学者提出一种集派生式、检索式和创成式为一体的系统， 称为综合式系统。 交互型系统：交互型系统实际上是在一般系统的基础上将人的智慧引入，他较 综合型系统更为灵活方便，将一些经验性的、难确定的问题留给用户，简化了开发 难度。 1 2 3 相关技术背景分析 c a p p 发展至今，所依赖的技术主要是成组技术、编码技术、特征技术以及人工 智能技术。这些技术的采用极大地促进了c a p p 系统的发展，对这些技术进行研究 分析，有助于我们对c a p p 发展现状的理解。 成组技术 9 - 1 0 l 成组技术在苏联学者斯- 帕米特罗夫在上个世纪5 0 年代提出的“成组工艺”的 基础上发展起来的。 在大量生成中，生产对象单一，可以采用高度自动化的专用设备和工艺设备， 以及自动线生产组织形式进行生产，生产效率高，可以获得很高的技术经济效果。 然而在多品种、小批量以及单件生产中，长期以来，该种生产方式技术经济效益很 差，因为传统方式都是孤立地对待单个品种生产。在批量法则( 生产的自动化程度 取决于生产批量) 的约束下，就不能采用大批量生产中的那些先进工艺、高效设备， 以及生产组织形式。 然而单件、中小批生产的经济地位却十分重要。近三十年来，科学技术飞速发 展，社会需求多样化以及市场竞争的加剧，加快了产品的更新换代，突出和激化了 十分重要的经济地位和极为低劣的经济效益之间的矛盾，转移了各国机械工业技术 进步的主攻方向。尽快改变这些企业的落后面貌，成为各先进国家机械工业技术改 造中头等重要的新课题，成组技术由此有了巨大的推动力。 成组技术是基于对机械零件的相似性的研究。在机械制造企业中，生产着成千 上万种不同的零件，这些零件在外形结构和制造工艺方面各有不同，但每种产品中 各种复杂程度零件的出现都存在一定的规律。德国阿亨工业大学在2 6 个不同企业中 选取了4 5 0 0 种零件进行分析研究。结果表明，任一种机械类产品其组成零件可分为 三大类。a 类为复杂件，在产品中数量少，只占5 1 0 ，但结构复杂、产值高、 不同产品中差别很大、再用性低，如床身、主轴、溜板等。b 类为相似件，在产品中 种类多、数量大约占7 0 ，其特点是零件的复杂性和再用性均为中等，其相似程度 第6 页 硕士论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 高，如轴、套、法兰、支座、盖板、手柄、齿轮。c 类为简单件或标准件，数量占 2 0 2 5 ，其特点是零件结构简单，再用性高，多为低值件，已组织大量生产，如 销、键、螺钉、螺帽、垫圈等。从上面分类表明，在各种机械产品所组成的零件中， 占7 0 左右的是相似件。在这一大类中，虽然每一种类零件间并不相同，但它们在 功能结构和加工工艺等方面都存在着大量的相似特征。这就是推行“成组技术”的 客观物质基础。 成组技术是研究如何识别和发掘生产活动有关事物的相似性，并充分利用它的 生产技术。成组技术的基本原理与分类法则在于把相似的问题归类成组，寻求解决 这一组问题的最佳方案，以取得所期望的经济效益。成组技术是将企业的多种产品、 部件和零件，按一定的相似性准则分类编组，并以这些组为基础，组织生产各个环 节，从而实现多品种中小批量生产的产品设计、制造和管理的合理化。它在机械加 工领域中，就是通过一定的手段( 如零件分类编码系统) ，将零件按形状、尺寸、材 料、加工要求等相似性分类成组，并根据各组零件的工艺要求配以相对应的设备及 工艺装备，采用成组单元的布置形式进行加工。由于将组内各零件较小的生产量汇 集为较大的“成组生产量”，故可采用类似大批量生产的先进生产技术，从而获得与 其接近的经济效益。 编码技术【4 】【9 】 g t 的核心是零件的分组，它的本质在于识别和利用事物的相似性，以达到对事 物处理的系统化、科学化。为了要分析机械零件的相似性，就需对零件的相似性特 征进行描述。若描述凭直观经验进行，其结果将会因人因时而异。必需采用一种科 学的、严格的方法来描述，这就是对机械零件进行分类编码。所谓编码，就是按照 一定的规则选用一定数列的字码来表示所要描述的特征，这种编码规则和方法称为 零件编码法则。运用这些法则构成的系统称为分类编码系统。 分类编码系统是根据零件的几何形状特征、加工尺寸及加工精度等要求对每个 零件赋予字母或数字符号，并用这些简单的字母或数字符号来描述设计特征( 几何 形状、尺寸大小、结构、毛坯等) 和工艺特征( i 艺过程、加工方法、夹具、加工 设备等) 信息，它是标识相似性的重要手段。按一定的分类相似性标准，可将零件 分类组成零件组( 族) 。 目前，零件的分类编码法则在世界上已有一百多种，其中有的着重描述零件的 结构形状特征，主要用于零件设计，以促进设计的标准化：有的着重描述零件的制 造工艺特征，主要用于计算机辅助设计工艺规程，工艺装备及其有关的加工、制造： 有的是综合描述上述两类特征，它综合了前两种类型的功用和优点。有的码位多， 大于9 环的属于此类，有的码位少，少于9 环。 第7 页 硕士论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 较常用的分类编码系统有德国的o p i t z 系统、前苏联的b i i t n 系统、日本的k k 一3 系统及我国的j l b m 1 系统等。 o p i t z 系统采用十进制9 位代码表示。其结构由零件类别码、形状及加工码、辅 助码三部分组成。第一位是零件类别码，第二位至第五位是形状及加工码，这五位 代码又称主码，用来反映零件形状及加工信息。第六位至第九位是辅助码，它反映 零件尺寸、材料、毛坯原始形状和精度。 j l b m 一1 系统采用十进制1 5 位代码表示。其结构形式由零件名称类别码、形状 及加工码、辅助码三部分组成。名称类别码由第一、二位组成，它反映零件的主要 形状和功能。第三至第九位是形状及加工码( 主码) ，用来反映零件的外部形状与加 工、内部形状与加工、平面、端面和辅助加工。由第十位至第十五位组成辅助码， 它反映零件的材料、热处理、毛坯原始形状、主要尺寸和精度。 由于编码系统能用规定的字符来表示复杂的概念以数代形，在机械加工工 厂它已逐渐成为一种与机械制图同样重要的工程语言。人们只要熟悉编码法则，既 可以为已知的零件编码，还可以通过读零件的代码，不用看图纸就知道零件有关材 料、形状、结构及加工等方面的信息。 按编码系统将零件编码后要进行分组，即采用不同的相似性标识，将零件划分 为具有不同属性的零件族。目前应用的零件分类方法主要有：视检法、生产流程分 析法和编码分类法。 视检法是由有生产经验的人员通过仔细读零件团，把具有某些特征用性的一些 零件归结为一类，它的效果取决于个人的生产经验，常带有主观性和片面性；生产 流程分析法( p f a ) 以零件的生产流程为依据，在认真分析零件的工艺规程和生产设 备明细表等技术文件后，招工艺过程相近的，即使用同一组机床加工的零件归结为 一类；编码分类法如前所述需将待分类的请零件进行编码，然后按一定的相似性标 准直接引用编码对零件进行分类。编码分类法是比较科学的方法，特别是使用电子 计算机分类时效果更好。 编码分类法一般可用特征码位法或码域法分组。 特征码位法。按编码分类时，如果把编码完全相同的零件归属为一个零件组， 这就要求同组零件有更多的特征属性相似，即标准太严，使零件组数过多，而每组 零件种数却很少。实际上，根据分类的目的，往往只需若干特征属性相似即可，这 样只需在编码中选用若干特征码位来制定分类的相似性标准，只要特征码位的代码 相同的零件皆可归属于同一零件组，此时可能出现的零件组数可以大大减少，而使 零件组内有较多的零件种数。虽然这些零件仅在某些属性方面有共性，但却满足了 分类目的的要求。 第8 页 硕士论文特征技术枉c a p p 中的应用研究 码域法。适当放宽每一码位相似特征方面的范围，这样就允许编码虽不同，但 具有一定零件特征相似性的零件仍可归属于同一零件组，即适当地扩大了成组的零 件种类。为此，采用相似性特征矩阵，在矩阵内规定了每一码位的码域，当零件编 码的每一码位代码都包括在相应的码城内，则称该零件与此特征矩阵相匹配，符合 相似性标准，归属于一个零件族。 特征位码域法。这是上述两种方法的综合，既抓住零件分类的主要特征方面， 又能适当放宽其相似性要求，必期得到满意的结果，允许有更多的零件种类进入零 件级。 如上所述，编码分类法需要对很多零件编码，然后根据零件的编码与各零件族 特征矩阵逐个匹配。做这些工作时不但要查很多表格而且还要筛选分类，既繁琐又 容易出错，采用计算机辅助编制，则可以收到很好的效果。 人工智能技术 3 4 】【5 l 】 6 1 】 1 人工智能技术是在上世纪5 0 年代在美国首先兴起的一门综合性很强的边缘科 学，在c a p p 发展遇到诸多困难时，人们希望人工智能技术能带来新的解决途径。 主要原因在于传统的程序设计方法解决问题时首先需要建立数学模型，而工艺生产 中积累起来的经验性知识，带有明显的个人技巧和智能性质，难以用数学模型表示， 而专家系统却具有处理这些不确定性和多意性知识的特点。于是研究神经网络技术 ( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，m q n ) 和模糊数学在c a p p 中的应用成为一种趋势。 神经网络理论发展迅速，神经网络具有信息的分布式存储、并行处理、自学习 以及联想记忆等特性。人们希望神经网络的计算推理代替现在的符号推理，实现自 学习、自组织等。模糊数学被引入c a p p 系统主要针对基于产生式的推理知识表达 单一、方法简单、不能发挥联想记忆功能等缺点，人们希望通过对特征等知识进行 模糊化来实现加工工艺的决策。目前人工智能技术在c a p p 系统的应用已经取得了 初步成果。 特征技术 特征技术被誉为c a d c a m 发展的新的里程碑，为解决c a d c a p p c a m 的集 成和发展提供了新的理论和方法，我们将在后面章节重点研究该技术。 1 2 4 未来发展方向 尽管不断地研究并采用了众多技术，但是c a p p 的研究与应用，相对于c a d 、 c a m 的发展来说比较滞后。一方面是因为工艺设计方法迄今缺乏良好的理论和坚实 的科学基础，很难用简单的数学模型进行理论分析与决策。工艺设计本身的复杂性， 第9 页 硕士论文特征技术在c a p p 中的应用研究 导致了c a p p 系统研究开发的困难，所以至今还没有一个像c a d 软件那样的c a p p 工具软件出现。另一方面是因为c a p p 系统的运行与加工环境密切相关，限制了自 身的应用与发展。c a p p 还需要更多的研究探讨 4 5 - 4 6 】 5 0 。 面对制造业的需求，人们从各个方面对计算机辅助工艺设计技术继续进行探讨 研究。目前c a p p 的主要研究热点有【4 】【1 l 】1 1 3 】【2 7 】： 零件信息模型的生成与获取。进行工艺设计所需要的信息不仅量大，而且信息 之间的关系错综复杂，这就使得零件信息的表达方式显得至关重要，关系到系统的 运行质量和效率，甚至于系统的开发难度。 c a p p 体系结构研究及c a p p 工具系统的开发。系统功能的实现与其结构是否合 理有很大关系，并在很大程度上决定着系统的适用范围。由于加工环境的多样性和 动态性，要使系统具有较强的生命力，首先必须解决系统体系结构上的许多问题， 比如修改和添加有关知识数据时怎样才能不必去改变源程序就能满足不同用户的需 要。 ， 基于分布型数据通信的分布型c a p p 系统。工艺设计工作的实际需求是协同工 作，知识积累，信息共享。在实现各个工艺部门内部的工艺信息共享及工艺设计与 管理一体化的基础上，逐步实现与p d m 、e r p 等相关系统对产品工艺信息的全面集 成和与产品设计、工艺设计、生产计划调度的全过程集成，这就涉及到分布型数据 的通信问题。 采用人工智能技术的c a p p 系统以及在c a p p 中对特征技术的深入研究等方面。 c a p p 对人工智能技术( 如人工神经网络与模糊数学) 的应用研究的需要主要希望这 些技术能为其所面临的问题带来新的解决途径。对c a p p 而言，特征技术有着方便 表达各类信息的巨大优势。 1 3 研究的内容和意义 人们提出用特征技术去解决c a p p 系统进一步发展等诸多问题，为c a p p 系统 的研究工作提供了新的解决途径。但是特征技术自身还有待于完善，特征技术具体 应用还需要更多的探讨。因此，继续对特征技术应用的研究具有现实意义。从实用 化角度去思考c a p p 系统的开发理念，探讨实用化c a p p 系统开发应用过程中的目 标与传统目标差异，作者认为也是很有意义的工作。 我们不以复杂的零件为研究对象，避免因此造成的系统复杂性，而选用轴类零 件作为研究对象来检验我们的目标，即从实用角度出发，探讨和研究特征技术在轴 类零件的机加工中所涉及的基本问题和关键技术，探讨a i d e d 思想的应用。 第l o 页 硕士论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 本课题所做的主要研究总结为如下几点： ( j ) 对已有c a p p 系统的支撑技术进行分析研究，在此基础上探讨研究特征技术 对c a p p 的作用及需要解决的问题，实现特征技术在c a p p 中的应用。 ( 2 ) 对已有的机加工c a p p 系统的机理展开研究，吸收借鉴其优点：采用模块化、 基于对象思想，构建f s - c a p p ( f f e a t u r et e c h n o l o g y ，s - s h a f t ) 系统的总体框架以 及数据库模型结构。 ( 3 ) 对工艺知识进行系统的分析研究，从a i d e d 思想出发处理工艺知识中难以程 序化的部分。 ( 4 ) 根据以上研究，进行软件系统的开发。 1 4 论文结构安排 本文共分七章对所做的研究进行介绍。 第一章从现代生产和设计对c a p p 的需求入手，介绍了c a p p 发展历程。对现 有系统进行了介绍，分析了目前所使用的支撑技术的特点。在分析了研究的现状和 方向后，提出本文研究的内容和意义。 第二章在分析现有系统的体系结构的特点后，针对本研究的内容和目标构建了 f s c a p p 系统的体系结构，展示了系统运行的内在机理。 第三章分析研究了特征技术，对特征技术的概念以及类别进行了介绍，着重对 本论文相关的特征结构模型和映射技术进行研究，为系统的开发作了理论的准备。 第四章介绍了f s - c a p p 系统开发所涉及的关键技术，着重通过几个关键技术的 研究设计展示系统的实现方法。 数据库是c a p p 系统重要的支撑技术，第五章全面介绍了数据库中的相关内容， 说明了与系统决策处理的协调一致性。 第六章对系统所使用的实现技术及系统试验运行情况进行了介绍。 第七章对本课题所做的工作进行总结，同时指出今后要继续加以研究的地方和 内容。 第1 i 页 硕士论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 2f s c a p p 系统的体系结构 提出合理的体系结构是构造c a p p 系统的先决条件。本章通过对传统的典型系 统的结构模型特点的分析，借鉴其体系结构、决策机理的优点，提出了基于特征技 术的交互式体系结构框架。 2 1一般系统的结构体系分析 2 1 1 派生式系统 派生式系统基本思想是类比工艺设计，利用零件的相似性来检索现有的工艺规 程。零件按照几何形状或者工艺的相似性归类成族，建立标准工艺规范，标准工艺 规范的内容主要包括该零件族零件加工所需加工方法、加工设备以及加工顺序等。 新的零件的工艺设计，就是按照成组编码规则编码，系统对其标准工艺规程进行检 索、筛选、编辑，最后按一定的格式输出。根据零件的描述和输入方式的不同，派 生式系统可分为基于成组技术和基于特征基础之上的两类【5 】【7 8 】1 2 0 胛】【砌。 我们先对基于成组技术的派生式系统开发过程和工作流程进行具体的分析研 究。开发派生式系统首先需要选择合适的编码系统，这主要视具体情况而定，可以 根据零件自身的特点设计编码，也可以采用标准编码。这一步很关键，影响到零件 信息方便准确地输入以及系统后续的开发工作。推荐的选用原则是找比较成熟的系 统，如果选用不到适合于本企业生产零件结构特点和要求的编码系统，可以选择相 近的系统，作局部修改。为了编码的速度和准确性，最好开发软件，用计算机辅助 编码。设计好了编码系统，就该对零件进行分类归组。一个相似零件组就是一个零 件族，一个零件组又包含若干个相似零件。可以把每个零件族用一个样件作代表， 样件的制造方法代表了所属零件族的制造方法，也就是标准工艺规程。因此显得格 外重要，需要集中专家和工艺人员的集体智慧，并且有生产实践的总结制定出来。 相似零件族的形成的通用规则是阻产品零件的制造特征为基础，这需要对同族零件 的工艺相似性程度掌握的技巧。如果仅仅把那些具有相同的加工工艺顺序的零件归 在同一族中，则进入这一族的零件的工艺生成，只需要对标准工艺规程作很少的修 改就行，但是这样能被归入这一族的零件的数量就会很少：另一方面，如果只把需 要共用同一台机床的零件都归入同一零件族，对于每个零件的工艺规程的生成来说， 需要对标准工艺规程做大量的修改，而且导致系统开发难度的增加，甚至极其复杂。 第1 2 页 坝士论文 特征技术在c a p p 中的应用研究 因此，对零件相似程度的确定，需要反复修订慎重决定。这些因素应该考虑：同族 零件的加工方法相同；工艺路线顺序相似；零件的材料、尺寸大小相近。样件的工 艺规程应该能满足该族零件所有的零件的加工，并能反映工厂实际加工水平。因此 一般要认真集中各种相关人员的意见，选择其中一个工序最多、加工过程安排最合 理的工艺路线作为基本路线，然后把特有的、尚未包括在内的工序，合理地加入进 去，构成样件的工艺路线。然后就可以进入编码阶段，用工序代码和工步代码来表 示标准工艺规程，建立相应工艺数据库。在这里需要说明的是数据之间的对应关系。 不同数据之间存在着联系，派生式系统主要有以下数据内容：零件族特征矩阵、标 准工艺过程、工艺术语编码和工艺参数等。因此我们在建立数据的同时要特别考虑 数据之间的对应关系。主要有四个方面：零件g t 代码与零件族特征矩阵之间的关系； 零件族特征矩阵和标准工艺之间的对应关系；零件的型面精度、粗糙度等工艺信息 与工序编码、工步编码等的逻辑关系；工艺参数、刀夹量具与已经生成的工步代号 和零件材料类型的逻辑关系。系统的设计完成后，需要关注的是使用过程，使用的 方面性主要取决于系统开发质量。使用过程以及系统的运行过程如下。首先按照系 统选定的编码系统，给新零件编码。但系统接收到零件信息后，工艺过程的生成主 要有两种情况。新零件包括在已有的零件族内，这是根据输入代码和已经确定的逻 辑，对标准工艺过程进行删选，然后存储打印输出工艺规程；另一种情况是新零件 不在已有的零件族内，则需要通知用户，根据需要创建新的零件族。 基于特征的派生式系统不同于基于g t 的系统的地方在于设计思路。主要用基于 特征的零件信息模型取代g t 编码，用实例分类取代零件分组，用基于特征的推理取 代基与零件族矩阵的工艺过程筛选，最有在样件的基础上增加了实例的概念。 由此可见，与传统的工艺设计方法相比，派生式c a p p 系统减少了重复劳动， 并在一定程度上保证了相似零件工艺过程的一致性。派生式c a p p 是一种策略比较 简单的系统，优点是针对性强，它的开发设计难度相对较小，适于特定工厂，投资 少，易于取得实际效益。然而该系统存在着这样一些问题： 系统柔性差。系统内部存储的是一些标准工艺过程和标准工序，而不是工艺 决策的逻辑，除特殊应用外，难以保证将标准工艺修改为合适的工艺文件。 不能摆脱对工艺人员经验的依赖。 知识元的划分粗大，不利于工艺设计知识元的继承和开发，相应的可移植性 能差。 生产技术发展后，系统不容易修改。 第1 3 页 硕。论文特征技术在c a p p 中的应用研究 2 1 i2 创成式系统 可以把创成式c a p p 系统看成是一个能综合加工信息，自动地为一个新零件创 造工艺规程的系统。在创成式c a p p 系统中，工艺规程是根据工艺数据库中的信息 在没有人工干预的条件下创造出来的。根据零件信息，系统能自动地产生零件所需 要的各个工序和加工顺序，自动提取制造知识，自动完成机床选择、刀具选择等， 通过决策逻辑，模拟工艺设计人员的决策过程【5 】f 7 1 1 6 0 l 。 创成式系统的开发是一件难度很大的工作，原则上要注意这几个过程。明确开 发设计的对象，零件的种类很多，适用于所有类型的零件的通用型系统的开发是非 常困难的，需要限定系统使用范围。这之后就需要仔细进行零件的工艺分析，这项 工作很重要也很困难。收集加工数据是一项基础性的工作，比如经济加工精度等对 系统的运行是必要的。我们对其一分析。 创成式系统的总体设计开发需要解决这样一些问题。搜集整理工艺专家的知识。 在创成式系统中，工艺决策知识是系统的核心，决定了系统的可使用性。工艺知识 的搜集、整理以及表达成计算机能够识别的形式是系统成功的关键，同时这也是一 件工作量最大、最繁重的工作。国内已经开发的创成式系统主要采用过这几种方式： 形面对应加工链的方法、工序工步词典制定法、基于功能元的方法。形面对应加工 链的方法以形体要素为基础收集整理加工知识，形成工艺决策规则库。这种方法明 显的缺点是割裂零件的整体性，仅仅从各个型面的精度和粗糙度定出加工方案，不 是根据零件的整体性来综合考虑，难以达到实用目的。工序工步词典制定法的重点 在于以成组技术为指导，从零件的整体结构出发，总结工艺设计经验，按零件族制 定工艺集，然后以工序工步词典为索引建立工艺决策规则。探索工艺知识的表达方 法是创成式系统设计开发需要解决另一个问题。从广义上说，知识是人类实践中所 积累的认知和经验的总结。工艺知识是针对工艺设计这一具体领域。工艺设计是一 门经验性很强、技巧很高的科学，还没有成熟的理论和现成的法则，随着生成环境 和生产的发展而变化，设计的内容众多。而且这些知识都是面向实际的，不具有精 确的定义和严格的分析。对于工艺知识的表示有两种典型方法：深化表达和表层表 达。深化表达式关于实体中间结构和功能的表达，其知识的使用严格按照演绎式的 次序依靠上下文的模式。而表层表达是基于经验的结合和对结构功能理解的编译， 知识的前提和结论来源于以往的经验，只关心只是问题的求解的性能。深化表达的 典型模式是框架和语义网络。表层表达的典型模式是产生式规则。在基于表层表达 的系统中，只是以经验的结合为主，系统的解释除了重复这种结合之外，不能解释 问题的结构和功能从而缺乏说服力和完备性，而深化表达方式就较为可靠。但表层 第1 4 页 硕士论文特征技术在c a p p 中的应用研究 表达方式的优点在于形式化的代价比深化表达方式低。在问题的结构不良、不存在 可深化表达的知识或者不便于深化表达问题求解时，能实现高效率求解。鉴于工艺 知识的经验性等，目前c a p p 系统多采用表层表达，也就是采用产生式规则来表