（机械设计及理论专业论文）船体分段装配capp技术的研究.pdf

哈尔滨丁= 程大学硕士学位论文 摘要 进入2 1 世纪，世界造船格局继续演变，中国正在大跨步地追赶，已成为 世界第三大造船国，我国造船业的快速增长，未来有望赶超韩、日成为世界 第一大国。船舶建造企业正面临着由传统的造船模式向现代造船模式过渡的 发展阶段。造船模式的转变在国际造船业已流行了很久，以信息技术为主导 的造船模式在不断地发展。随着c i m s 、并行工程、敏捷制造等技术在船舶 行业中的应用，造船企业对c a p p 系统的需求更加紧迫。本文在这个背景下 研究了船体分段装配的c a p p 技术，具体完成的主要工作有以下一些内容： 1 课题研究了船体分段装配的标准工艺过程和船体的建造方法，总结 并归纳了船体分段装配工艺所需的知识，并采用产生式规则进行知识的表示。 这些知识对于进一步研究船体装配的计算机辅助工艺设计系统具有参考价 值。同时结合c a p p 技术的发展趋势，建立了面向船体分段装配的c a p p 系 统的体系结构。 2 采用基于规则推理的方法来进行分段装配焊接工艺的生成，并建立 了分段信息模型和零件信息模型。考虑了几何、物理和焊接上的规则因素， 实现了装配顺序的工艺自动生成。 3 利用神经网络技术进行焊接工艺参数的确定，同时建立了神经网络 的学习样本。 4 课题建立了自定义的工艺卡片格式。该卡片格式较好表达了工艺规 划的结果，面向数据提取和交换，为将来类似课题的开发打下了良好基础。 关键词：c a p p ；分段装配；b p 神经网络；焊接工艺规程；t r i b o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n2 1 s tc e n t u r y , t h es h i p b u i l d i n gp a t t e r nk e e p se v o l v i n gi nt h ew o r l d c h i n a i sp u r s u i n ga 危e rk o r e aa n dj a p a na n dr a n k sm i r di nt h ew o r l d w i t l lt h er a p i d i n c r e a s eo ft h es h i p b u i l d i n gi n d u s t r yi nc h i n a , i ti sp o s s i b l et h a to u rc o u n t r yw i l l e x e e e dk o r e aa n dj a p a na n db e c o m e st h e l a r g e s tc o u n t r yi nt h ef i e l do f s h i p b u i l d i n g t h es h i p b u i l d i n gc a t p r i s e sa l ef a c i n gt h ep h a s ew h i c ht r a n s i t s f r o mt r a d i t i o n a lp a t t e r nt om o d e r np a t t e r n t h et r a n s i t i o nh a sb e e np r e v a i l e df o ra l o n gt i m ea n ds h i p b u i l d i n gp a t t e r nl e db yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l y d e v e l o p i n g a l o n g 、撕t ht h eu s eo fs o m et e c h n o l o g i e ss u c ha sc i m s ，p a r a l l e l e n g i n e e r i n g ，a g i l em a n u f a c t u r ei n l l i pi n d u s t r y , t h en e e do f c a p pb ys h i p b u i l d i n g e n t e r p d s c si sb e c o m i n gm u c hm o r eu r g e n t l y a b o v ea 1 1 t h e t h e s i ss t u d i e s b l o c k - a s s e m b l ec a p pt e c h n o l o g yi ns h i p b u i l d i n g 。1 1 璩f o l l o w i n gp a r t sa r e i n c l u d e di nt h er e s e a r c h ： 1 t h et h e s i ss t u d i e st h eh u l l - a s s e m b l es t a n d a r dt e c h n o l o g yp r o c e s sa n d a n a l y z e sm o d u l e - s h i p b u i l d i n gb a s i cc h a r a c t e r s ，s u m m a r i z et h ek n o w l e d g en e e d e d i nh u l lb l o c ka s s e m b l yp r o c e s sa n dp r e s e n t st h ek n o w l e d g ew i t hp r o d u c t i o nr u l e a l lt h ek n o w l e d g eh e l p st os t u d yc o m p u t e ra i d e dp r o c e s sd e s i g no ft h e h u l l a s s e m b l ea n dm o d u l e - s h i p b u i l d i n gt o p i c c o m b i n i n gw i t ht h et r e n do fc a p p t e c h n o l o g y , t h es t r i c t u r eo fc a p ps y s t e mw h i c hi s o r i e n t e dt o s h i pb l o c k a s s e m b l yi se s t a b l i s h e d 2 a g e n e r a t i n gm e t h o do fb l o c ka s s e m b l yw e l dp r o c e s sb a s e do nr u l e r e a s o n i n gi si n t r o d u c e d 1 1 1 eb l o c ki n f o r m a t i o nm o d e la n dp a r ti n f o r m a t i o nm o d e l a r eb u i l t t h er u l ef a c t o r si ng e o m e t r y , p h y s i t sa n dw e l da r ec o n s i d e r e di nt h e m o d e l f i n a l l yt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no f a a s e m b l yr u l e sp r o c e s si sa c h i e v e d 3 1 1 l ec o n f i r m a t i o no fw e l dp r o c e s sp a r a m e t e r sb a s e do nb pn e u r a l n e t w o l ki si n t r o d u c e d m e a n w h i l e t h es t u d ys w a t c ho fb pn e u r a ln e t w o l ki s e s t a b l i s h e d 4 i nt h i st h e s i s ，t h eu s e r - d e f i n e df o r m a to fp r o c e s sc a r di sg i v e nt h e 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 4 i nt h i st h e s i s 。t h eu s e r - d e f i n e df o r m a to fp r o c e s sc a r di sg i v e n 1 1 l e f o r m a tc a l le x p r e s st h er e s u l t so f p r o c e s sp l a n n i n gw e l la n di tf a c e sd a t ad i s t i l la n d d a t ae x c h a n g e ，w h i c hb u i l d sg o o df o u n d a t i o nf o rf u t u r ed e v e l o p m e n to fs i m i l a r t h e s i s k e y w o r d s ：c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n u i n g ( c a p p ) ；b l o e ka s s e m b l y ；b p n e u r a ln e t w o r k ；w e l dp r o c e s sr e g u l a t i o n s ；t r i b o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：胀散 日期：伽7 年湖加日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 进入2 l 世纪，世界造船格局继续演变，中国正在大跨步地追赶韩、日， 已成为世界四大造船国之一，我国造船业的快速增长，订单目益增多，全球 市场份额从最初的3 左右，已迅速上升到1 5 以上，而且份额正逐年加大， 未来有望赶超韩、日成为世界第一大国。 中国造船在2 l 世纪迎来了千载难逢的历史机遇。2 0 0 4 年我国船舶工业 继续呈现强劲增长势头，全年造船完工量突破8 5 0 万载重吨，占世界市场份额 达到1 5 以上，比2 0 0 3 年上升约3 个百分点，连续l o 年居世界第三位；另 外在2 0 0 4 年，中国造船业承接的新船订单数量占全球总新订单数的3 0 以 上。2 0 0 5 年，我国船舶工业继续保持快速发展态势，造船产量、船舶出口、 经济效益跃上新台阶，全面超额完成“十五”计划指标，为“十一五”的发展奠 定了坚实基础。2 0 0 5 年全国造船完工量1 2 1 2 万载重吨，新承接船舶订单1 6 9 9 万载重吨，手持船舶订单3 9 6 3 万载重吨，尤其是我国新承接船舶订单首次超 过日本，位居世界第二l l l 。 从十多年中国造船业占世界造船市场份额的变化可以看出，中国造船业 在全球市场上所占的比重正在明显上升趋势，中国已经成为全球重要的造船 中心之一。而国际制造业的产业转移趋势是我国船舶制造业发展面i | 缶的最大 机遇，在“十一五”期间我国造船业将对韩、日的领先地位形成有力地的挑战。 中国船舶工业近年来虽取得了长足的进展，但设计能力落后，配套产业发展 滞后将是制约行业发展的主要瓶颈。 信息化水平落后是影响我国造船技术水平提高的一个重要因素。我国造 船企业信息化建设要有通盘谋划并充分考虑未来发展，选择最能提升船厂技 术水平的环节，按照一定的步骤实施。在工艺技术与整体装备方面，尽管我国 各骨干船厂进行了现代化改造引进了许多先进设备和技术。但在生产的自动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化、高效化方面较国外先进造船企业仍有一定差距，许多高新技术方面基本 上还是空白。对此不能孤立、片面地看待在当前我国造船业具有十分明显的 比较优势的情况下我们没有必要去刻意追求先进、尖端的生产设备。 船舶产品的特点是产品体积大、零部件多、结构复杂、技术难度高：生 产周期长。船舶建造是技术密集型、劳动力密集型和资金密集型行业，因此 决定了企业资源优化配置较一般机械产品的企业( 如汽车，机床等) 困难得 多，通用的c a d c a p p c a m e r p 等软件不适用于船舶产品，截至目前，还 没有针对船舶建造的c a p p 软件商品口i 。 我国造船企业在实施船舶建造信息化过程中，c a p p 技术应用远远落后 于其它行业，工艺设计还靠手工编制，对人的经验和知识依赖性强，效率低， 质量不稳定，而且由于工艺设计是企业各部门信息交叉汇集的重要环节之一， 是生产信息管理系统的数据源泉，因此在实施企业c a d 、p d m 、m r p i i 甚至 e r p 后，发现c a p p 成为制约企业实现系统集成的瓶颈，严重阻碍企业信息 化的发展步伐。所以研制和开发适应造船企业的c a p p 系统意义重大，造船 c a p p 的应用不仅可以提高设计速度达到缩短造船周期的目的，而且还可以 提高工艺文件的质量。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上。 1 1 2 课题研究的意义 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 ) 是联系计算机辅助设计和计算机 辅助制造的纽带，只有提高c a p p 技术才能充分发挥c a d 技术和c a m 技术 的优势。工艺设计是机械制造生产过程技术准备工作的一个重要内容，它是 联系产品设计和车间的实际生产的桥梁。工艺设计强烈依赖于工艺人员的经 验，而且环境的变化很大程度上影响着工艺决策的过程。 工艺设计对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。用c a p p 代替传 统的工艺设计对于机械制造行业意义重大：c a p p 将大量的工艺人员从繁重、 重复的手工劳动中解放出来，使他们能从事新产品的开发、工艺装备的改进 以及新工艺研究等创造性工作，这对于保证企业在当今充满竞争的市场环境 中保持强壮的生命力是非常重要的。c a p p 技术可以大大缩短工艺设计时间， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 保证工艺设计的质量，提高产品在市场上的竞争力。而且应用c a p p 技术可 以充分利用工艺人员的经验，保证企业工艺设计的继承性1 3 l 。 t r i b o n 系统是造船行业中常用的一种c a d 系统，嘲b o n 系统是由瑞 典k c s ( k o c k u m sc o m p u t e rs y s t e ma b ) 公司所设计开发的用于辅助船舶设 计与建造的计算机软件集成制造系统。我国的各大船厂，如广船国际、大连 造船新厂、大连造船厂、沪东造船厂、渤海造船厂等都安装了t r i b o n 系统。 t r i b o n 可以在计算机中建立完整统的船舶数字模型，在船舶设计的各个 阶段实现信息共享，并且可以通过它的网络功能实现并行设计，这降低了专 业之间的协调成本，减少设计制造中的修改工作量，提高设计质量，缩短设 计周期。但是我国的各大船厂对t r i b o n 软件的应用程度都有所不同，并且 由于各国造船习惯不尽相同，我国的造船环境、设备条件、工艺规程及设计 生产管理模式与欧洲模式有很大的不同，而t r i b o n 系统是基于欧洲模式的， 所以，对t r i b o n 的本土化非常有必要，使其适合我国的造船习惯。 船舶是一种体现当代工业和科技水平的综合性产品，集中反殃了生产技 术的各种成果。由于造船是一个极为复杂的生产过程，涉及面广、多品种小 批量，生产过程中任何一个环节均可影响全局。因此怎样实现对这个生产过 程的最佳把握和控制，即实现对生产过程的合理、高效、柔性化、系统化管 理是船舶制造技术研究要解决的关键问题1 7 1 。 综上，本课题的目的，是探索建立基于1 础b o n 系统的船体装配焊接顺 序规划方法。通过从t r i b o n 数据系统提取出的数据，实现分段内装配顺序 的自动生成，获取零件工艺信息以生成装配树，最终输出工艺文件。 本课题所研究的各项技术对于船体装配工艺的提高，工艺设计效率的提 高有重要的意义。c a p p 系统的使用对于船厂缩短技术准备周期很有意义， 它缩短造了船周期，提高了船舶企业的市场竞争力。实现自动从m ；o n 数 据系统提取工艺数据，自动进行工艺决策和输出工艺文件，这能极大提高生 产效率、极大地减少人为的失误造成的物质损失和工期的拖延情况的发生。 本课题致力于这方面的理论探索和实践探索。 本课题以船舶制造工业中的船体分段装配为应用背景，探索和研究在现 代的集成环境下的c a p p 系统，提高船体装配工艺的规范化，使企业具有快 哈尔滨工程大学硕士学位论文 | i i ；= j i 宣mii 1 ；i ； ；j ；i i ；i i ；葛 速改变工艺设计适应不同产品的能力，提高船舶建造质量，降低建造成本。 1 2国内外研究现状 1 。2 1 国内外c a p p 研究现状 c a p p 的研究与开发始于2 0 世纪6 0 年代后期。它是为适应市场多变、 快变及需求多样化而发展起来的一种机械制造企业的应用系统m 。 世界上第一个c a p p 系统是由挪威n a k k 于1 9 6 6 年开始到1 9 7 0 年推出 的c a p p 系统，称为a u t o p r o s ( t l 动工艺设计系统) 。但此后由于重视程度不 够，进展缓慢。直到上个世纪8 0 年代才比较受到工业界的重视，此后研究工 作进展较快。 2 0 世纪8 0 年代，c a p p 的研究与开发受到技术界和工业界的普遍重视成 为国内外研究开发的重点。但是当时c a p p 系统研究以自动化为目标，即开 发具有较高自动化程度和可以较好保证工艺设计一致性的生成式c a p p 系 统。但这类系统在当时的条件下适应性差，难以推广应用。 2 0 世纪9 0 年代中期，提出了“c a p p 工具化”的研究，用原型设计方法 开展。妤p 的应用，促进c a p p 软件的商品化。这是c a p p 发展的一个重大 转折，c a p p 系统研究重点由自动化向实用化、工具化发展。2 0 世纪9 0 年代 中后期，国内外便推出了一些商品化c a p p 系统，国外商品化c a p p 系统如 c i m x 公司的c s c a p p 系统、h m s 软件公司的h m s c a p p , t h ei n s t i t u t eo f a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gs c i e n c e si n e 推出的c a p p 软件产品m e t c a p p 、莫斯 科工业大学研究开发的c a p p 系统t e x h o i i p o 等1 9 i q 。 我国的c a p p 的理论研究和系统开发工作是上个世纪8 0 年代初开始的， 最早开发的系统是同济大学的派生式t o j i c a p p 系统和西北工业大学的创成 式c a o s 系统。最早开展c a d c a p p c a m 智能集成化研究与原型系统开发 的是清华大学( 用于国家c i m s 实验工程的箱体类零件，1 9 8 7 1 9 9 3 年) 。目 前开展这项工作的大学和研究机构有多个，每年都在不同学术期刊、会议上 发表大量的c a p p 研究、开发、应用成果的文章，在大型工具手册、机械制 造工艺文集中都有c a p p 的专门篇章，并于1 9 9 2 年有机械工业部制定并颁布 4 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 了中华人民共和国机械行业标准j b t 7 7 0 1 9 5 计算机辅助工艺设计导则。企 业、院校、研究部门共开发不同类型的c a p p 系统达一百多种，通过了政府、 学会等组织的签定，并获得国家、省部级各种奖励。目前华中科技大学的开 目c a p p 、浙江大学的c s - c a p p 、清华大学的t h c a p p 等形成了商品化的 o ”p 系统并得到一定程度的推广应用。 由于造船工艺十分复杂，涉及面广、多品种小批量，目前国内造船业几 乎都采用手工编制工艺文件，由于手工编制工艺文件存在的一些缺点，因此 迫切需要开发一个有效的计算机辅助工艺设计系统，以满足日趋激烈的竞争 要求。丽对于开发一个c a p p 系统，许多方法可以利用。目前，主要使用的 方法有派生法和创成法。采用这两种方法的非船计算机辅助工艺设计( c a p p ) 系统在国内外已经见到许多报道。然而，由于造船工艺的复杂性，尤其造船 业的装配工艺更具难度，因而，在国际上关于船舶建造c a p p 报道很少，主 要有韩国釜山大学的h y c a p p 系统和日本三菱重ta c i m 计划中的c a p p 模块。真正面向船舶产品的c a p p 商品软件还没有。 国内只有中科院沈阳自动化研究所于1 9 9 7 年与渤海造船厂合作开展了 船体装配c a p p 技术的研究；并作为c d 订s 示范工程通过了$ 6 3 专家验收， 但有关全面的开展舰船c a p p 技术的研究的报道还是一片空白。中国科学院 沈阳自动化研究所，张士杰、王正方和赵春捷在一个c i m s 环境下的基于 范例的船体装配c a p p 系统中介绍了基于范例的船体装配c a p p 系统在 c l m s 中的地位、基于范例的推理机制、工艺定额与材料定额的制定和与 c i m s ( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y e t e m ) 环境下与其他分系统的 信息集成。目前该系统已经在渤海造船厂工艺部门联网运行。该系统具有如 下特点：1 采用基于范例的方法生成工艺文件、工艺定额、材料定额满足了 生产要求；2 采用c a p p 系统和信息服务实现了n u b o n 软件和e r pb a a n 软件之间的信息集成；3 提供了友好的可视化人机界面j 。 在文献【1 2 】中作者阐述了从t r i b o n 中提取数据，包括管子特征信息和 图形信息，采用成组技术原理以及柔性编码方法对管子进行编码，用b p 神 经网络技术开发了创成式管系加工工艺生成系统。 在文献 1 3 】中作者阐述了采用成组技术原理，以派生式方法开发了管系 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 加工工艺生成系统，以工作流管理方式对工艺文件生成过程进行管理。 在文献【1 4 】中作者阐述了从t p j b o n 系统中提取数据，生成板材和型材 零件的o m 代码，同时根据分段的位置坐标来判断分段的类型，进行分段间 的装配焊接，从而生成分段的装配工艺路线并生成工艺文件。 华东船舶工业学院的杨爱民在基于动态联盟的船舶建造系统中的 c a p p 与p p c 集成研究中阐述了基于并行工程概念的工艺计划和生产计划 的集成问题，以提高在动态联盟环境下c a p p 的动态性和生产计划的稳定性， 主要进行的是船台吊装流程的确定与吊装计划的编制”，l 。 现代c a p p 系统开发的基础是实用化，以企业全面集成应用为目标，综 合考虑包括工艺设计自动化等问题在内的各种技术问题的研究与开发。从技 术发展的角度看，现代c a p p 在新的开发模式、体系结构框架内，结合现代 计算机、信息等相关技术的进展，采用新的决策算法、发展新的功能，在并 行、智能、分布、面向对象等方面进行着有益的尝试。从工程应用的角度看， 现代c a p p 的发展正在逐步体现现代先进制造思想，向基于网络化和数字化 环境、以信息集成和工艺知识为主体、实现工艺设计与信息管理一体化的制 造工艺信息系统发展。 c a p p 在“面向企业信息化从工艺设计、工艺管理、工艺数据挖掘利用、 工艺数据集成应用、面向特定专业的智能化应用等多个方面解决企业的工艺 信息化问题”的发展思路引导下，c a p p 技术和系统的研究及发展趋势是“9 1 ； 1 面向行业的c a p p 应用解决方案与开发技术 尽管不同企业c a p p 应用需求差别较大，但同一行业内的产品工艺设计 及管理模式具有较大的相似性。因此有必要建立面向行业的c a p p 应用参考 模型，具体包括：工艺信息模型、功能模型、资源模型、组织模型、过程模 型等，并以此为基础，提供面向行业的c a p pi 艺解决方案。 2 。c a p p 标准化技术 建立c a p p 系统的功能定义集合和标准，解决c a p p 系统的功能定义标 准化及系统体系框架描述标准化问题。基于c a p p 基本功能定义及系统体系 框架，对企业c a p p 、的需求进行分析，形成标准化和规范化的描述，包括工 艺设计与管理以及工艺信息集成等需求，解决企业在c a p p 系统开发中对需 6 哈尔滨下程大学硕士学位论文 求定义的完整性和一致性差的问题。 3 c a p p 快速开发应用技术及工具 尽管目前商品化c a p p 系统已得到较好应用，但为了满足企业的深层次 需求，c a p p 系统开发和实施周期长的问题依然存在，为了使c a p p 在企业 能够快速实施、开发和应用，需研究c a p p 快速开发应用技术及提供快速定 制与开发工具。 4 基于知识的新型智能化工艺设计技术 目前，以交互式为基础，建立丰富的工艺知识库，应用各种人工智能技 术，充分应用工艺设计资源、工艺知识、经验，实现各阶段各种有效的智能 化在线辅助，仍是c a p p 发展的重要目标之一。 5 基于网络和数据库环境的工艺、制造资源、管理信息共享和集成技术 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。网络化是现 代系统集成应用的必然要求，c a p p 对内各神角色、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 o m p u t e r a i d i e dq u a l i t y 计算机辅助 质量管理) 、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。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，发挥c 越 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。 6 基于协同工作和工艺数据管理、集成利用技术 工艺设计工作的实际需求是协同工作、知识积累、信息共享。工艺设计 协同工作的研究包括对工艺设计的协同工作模式、工艺设计的协同工作技术 ( 包括异构信息与资源集成、工作流管理与集成、协同设计与制造等) 和工艺 设计的协同应用开发环境的研究，对工艺设计协同工作的深入研究将进一步 推动c i m s ，c a e ，c a m 的发展，并对未来制造业的发展产生深刻的、变革性 的影响作用。 7 c a p p p d i v 傀r p 集成技术 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 c a p p 与p d m ，e r p 的集成是企业应用集成的核心部分之一。与p d m 的 集成主要体现在图纸资源的利用，e b o m 的共享利用、e b o m 到m b o m 的 转换等方面，与e r p 系统的集成，要及时、准确的提供e r p 等管理系统必 须需要的工艺数据，使c a p p 真正成为企业生产经营的数据枢纽。c a p p 作 为企业工艺信息化的基础平台，应在各层次上满足对工艺信息的集成与共享 需求。 8 开放的工艺资源集成模式及技术 在工艺设计中，所涉及的工艺资源包括：工艺方法、机床设备、原材料、 工艺装备、工艺参数等。上述工艺资源不仅是指定工艺计划的重要依据，更 是企业其它技术和管理决策的基础。因此，企业必须建立开发的、可重构的 工艺资源管理模式。 9 支持三维c a d 的c a p p 系统及应用 三维c a d 技术正在成为企业产品创新设计和数字化设计制造的基础平 台，三维c a d 的应用对工艺设计方式、工艺资源及制造数据管理模式等产 生了重大影响，基于三维c a d 的数控工艺设计、工装设计、工艺资源管理 等成为企业工艺信息化新的应用需求，因此迫切需要研发支持三维c a d 的 c a p p 系统及应用。 从总体来看，以交互式设计和数据化、模型化、集成化为基础，并集成 数据库技术、网络技术等是这些商品化c a p p 软件的共同特点。 1 2 2 c a p p 系统中人工智能发展现状 近年来在计算机辅助工艺系统的实现中人工智能技术被广泛使用尤其是 在计算机软硬件技术的迅速发展，许多新技术在计算机辅助设计中得到应用。 在c a p p 系统中。由于问题的求解是极其复杂的，常常没有算法可循， 或者即使有算法也是n p ( n o n d e t e r m i n i s t i ep o l y n o m i a l b o 瑚d e d ) 问题。因此 人们用非人工的方法和技术来模拟人类解决复杂问题的思维方式和过程，实 现某些“机器思维”，从而解决需要专家才能处理的工艺问题，这样就导致了 人工智能的产生并在c a p p 系统中的广泛应用 人工智能a i ( a r t i f i c i a li n t e l l g e n c e ) 是计算机学科的一个重要分支，在当 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 前与空间技术、能源技术被人们称为世界三大尖端技术，近几十年来它获得 了迅速的发展，在很多领域都获得了广泛应用并取得了丰硕的成果。人工智 能的研究领域包括：自然语言处理、自动定理证明、自动程序设计、数据库 智能检索、问题求解和路径规划、视觉系统、机器入学习、专家咨询系统、 知识处理等。 c a p p 系统就其决策知识的应用形式来分，其实现有常规程序和采用人 工智能技术两种。前者就是把工艺设计决策知识用决策表、决策树或公理模 型等技术来实现，实际上是把这两种工艺决策知识用是非判断的决策形式固 化在系统中，用这种固化的是非逻辑代替人的判断，它在处理工艺设计时存 在一定缺陷。这是因为； ( 1 ) 工艺设计受生产环境的影响很大，甚至同一零件、相同的加工要求、 相同的加工设备但在不同的工厂可能产生不同的工艺路线； ( 2 ) 工艺决策中不确定因素很多，人的经验和知识常起主导作用。 这样，常规刨成型的c a p p 系统就有一定的局限性。而后者就是用专家 系统来解决创成式工艺设计问题，从而形成所谓的工艺设计专家系统。 目前，国内外已经出现一些以专家系统为核心的智能型c a p p 系统。但 是由于它们未能很好地解决工艺知识的获取、计算机表示与处理、工艺决策 算法等方面的闯题，缺乏自学习、解释与联想等功能，因此无论是实用化还 是智能化水平均不能满足要求。另外，大多数现有系统的知识表达方一法单 一，推理方法简单，只使用通用推理方式，而很少考虑工艺决策中一些自然 的层次结构和特点，推理策略欠灵活，不能发挥联想记忆与直观判断能力， 因此解决问题能力差，也无法在系统运行中实现自我优化与创新，而且现有 系统受生产环境与零件对象的约束很大，通用性比较差。 针对上述问题，c a p pm 艺推理系统的进一步深入研究已经成为人工智 能技术应用研究中的一个相当活跃的领域。近年来加强了新知识表达方法或 原有方法综合应用的研究，混合式知识表示模型方法以及各种模糊知识表示 等，在推理方面，不精确推理有所发展，在系统结构方面，出现知识系统、 分布式系统、多层次结构系统等，并考虑工艺设计过程中出现的一些自然层 次结构及特点，使其与工艺决策相一致。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目前，由于工艺设计是一个十分复杂的多层次、多任务、多约束的规划 过程，且工艺知识又具有多样性、离散性和经验性的特点，要真正实现c a p p 智能信息处理单纯只靠一两种处理系统是很难做到的，因此符号智能与计算 智能的有机结合必将成为今后c a p p 智能信息处理的个重要研究内容和主 要发展方向。目前c a p p 系统所采用的人工智能技术主要包括：专家系统、 神经网络、模糊数学等j 。 神经网络理论是近年来得到迅速发展的一个国际前沿研究领域。它具有 信息的分布式存储、并行处理、自组织和自学习及联想记忆等特性。应用神 经网络理论建立c a p p 系统开发工具，不需要组织大量产生式规则，也不需 要重复搜索，机器通过人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 模型的推理机制，实现计算推理代替系统的符号推理，通过学习机制可以自 学习、自组织，这为解决现有c a p p 系统存在的问题开辟了新径。 a n n 是一门发展十分迅速的交叉学科，它涉及到生物、计算机、数学、 电子、物理、心理学、认识科学等许多学科。它的发展可追溯到1 9 世纪，从 时间进程来看，可把这一历史大致划分为以下四个时期：第一时期为发展初 始期。从1 8 9 0 4 1 9 6 9 年；第二时期为发展低潮时期，从1 9 6 9 年1 9 8 2 年； 第三时期为复兴时期，从1 9 8 2 年1 9 8 6 年；第四时期为发展高峰期，自1 9 8 6 年至今阎。 迄今为止，人类提出了几十种甚至上百种不同类别的人工神经网络模型， 这些人工神经网络模型在不同的条件下使用，显示其独特的性能。在工程中 应用较多的几类人工神经网络模型是：单层感知器模型，b p 网络模型， 径向基函数模型，样条函数模型，e l m a n 模型， h o p f f i e l d 模型， 自组织映射模型，自适应双向联想记忆模型，随机神经网络模型，模 糊神经网络模型等唧。 人工神经网络特有的非线性适应性信息处理能力，克服了传统人工智能 方法对于直觉，如模式、语音识别、非结构化信息处理方面的缺陷，使之在 神经专家系统、模式识别、智能控制、组合优化、预测等领域得到成功应用。 人工神经网络与其它传统方法相结合，将推动人工智能和信息处理技术不断 发展。近年来，人工神经网络正向模拟人类认知的道路上更加深入发展，与 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模糊系统、遗传算法，进化机制等结合，形成计算智能，成为人工智能的一 个重要方向，将在实际应用中得到发展。将信息几何应用于人工神经网络的 研究，为人工神经网络的理论研究开辟了新的途径。神经计算机的研究发展 很快，已有产品进入市场。光电结合的神经计算机为人工神经网络的发展提 供了良好条件。 1 3课题所做的主要工作 本课题在综合借鉴前人研究成果的基础上，主要做了以下工作： 1 研究t r i b o n 系统w e l dp l a n n i n g 模块和a s s e m b l yp l a n n i n g 模块的报 表生成器提取数据的方法及原理以及板材接口文件g e n 的结构，获 取分段工艺信息和分段内零件工艺信息，并在数据库中进行组织存 储。 2 以提取的数据为依据，通过规则推理确定分段内的装配焊接工序、并 对每一工序中的工步进行详细的设计。 3 利用神经网络技术，实现焊接工艺参数的确定。 4 建立分段装焊的工艺卡片的模板，把已经生成的分段装配焊接工艺数 据自动填入到工艺卡片中。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章船体分段装配焊接工艺 随着造船工业与科学技术的飞速发展，先进造船方法、造船技术得到越 来越广泛的应用。本章主要介绍船体分段装配工艺的现状和主要内容以及焊 接变形和焊接应力的影响因素这些是进行船体分段装配c a p p 系统设计的基 础。 2 1船体装配工艺路线 船舶为了满足性能和使用上的要求，其外形和船体结构是非常复杂的。 如何将这样复杂的结构通过若干工艺阶段建成一个完整的船体，是一个复杂 的问题，上个世纪4 0 年代初期，船舶建造由铆接转变为焊接。焊接技术在我 国造船事业中全面采用，促进了船体建造工艺的发展。由于焊接接头强度一 般不低于母材强度，且焊接结构具有完整性，从而使船体具备了采用分段建 造的可能性，在现代船体采用了分段、总段的建造方法，并且模块化建造方 法已经展开了研究，这些技术的运用扩大了船体建造的作业面积，并在建造 中大量采用自动焊机、半自动焊机，同时使用了专用的工艺装备和胎架设备， t 型梁自动焊机等。电子技术和数控技术在造船中的应用更加广泛，因而加 快了船舶建造的进度，提高了船舶产品的质量嘲。 现代造船方法已经发展为以区域为基础，将船体建造、舾装和涂装三种 不同类型的作业互相协调有机结合地组织生产，形成壳、舾、涂一体化建造 技术，及区域造船法。以此建立的造船生产工艺流程，按工艺特征归纳起来 大致为：放样、号料、零部件加工、部件装配焊接、分段装配焊接、总段装 配焊接和船台装配焊接等，其工艺流程如图2 1 所示。 2 2船体装配各阶段的划分 从现代船体建造技术的特点来看，船体装配基本上可划分为以下四个过 程：鲫 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 船体建造工艺流程瞵l 1 由数量不多的板材和型材组合成部件，例如：t 型梁、框架、板列等， 这些都属于部件装配； 2 由零部件与板材型材装配焊接组合成较复杂的零部件，这属于组件装 配； 3 由组件，部件、板材型材装配焊接组合成分段，例如：甲板分段、舷 侧分段等，这些属于分段装配； 4 由分段、板材和型材组合成船体，这属于船台装配。 2 3船体分段装配工艺 分段船体装配焊接工作是指在船体零部件制作完成后，将板材和各种型 材装配焊接在一起，形成一个分段的装配过程，是船体装配的重要的组成部 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 分。正确选择工艺装备、合理安排安装焊接顺序是保证分段质量的重要环节， 直接影响了装焊作业的难易程度、辅助材料的消耗量以及分段制造的周期。 上个世纪4 0 年代初期，船舶建造由铆接转变为焊接。焊接技术的采用使 船体具备了采用分段建造的可能性，在现代船体采用了分段、总段的建造方 法，并且模块化建造方法已经展开了研究。因此在总结船体分段装配工艺的 基础上，参照相应的焊接c a p p 系统进行对船体焊接工艺规划方法进行相应 的研究工作。 2 3 1 分段的类型 分段是由零、部件组装而成的船体局部结构。它的类型很多，按其外形 特征大致可分为以下几类阁； 1 平面分段平直板列上装有骨材的单层平面板架。如舱壁分段、舱口 围壁分段、平台甲板分段、平行中体处的舷侧分段等。 2 曲面分段曲面板列上装有骨材的单层平面板架。如单底分段、甲板 分段、舷侧分段等。 3 半立体分段两层或两层以上的板架所组成的非封闭分段，或者是单 层板架带有一列与其成交角的板架所构成的分段。如带舱壁的甲板分段、带 舷侧的甲板槽形分段、甲板室分段等。 4 立体分段两层或两层以上的板架所组成的封闭分段，或者是由平面 或曲面板架所组成的非环形立体分段。如双层底分段、边水舱分段、首立体 分段、尾立体分段等。 5 总段主船体沿船长方向划分，其深度和宽度等于划分处型深合型宽 的环形立体分段，如首、尾尖舱总段、上层建筑总段等。 分段的建造法根据安装构件的先后顺序可以分为下列几种：放射法、插 入法、框架法、分离法。其中分离法是一种安装与焊接交替进行的装焊方法， 有利于扩大自动焊、半自动焊的范围。这样有利于提高生产效率、降低成本、 缩短造船周期。所以本课题主要研究的是分离法的建造工艺。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 分段的装焊工艺 分段装焊工艺的基本内容包括【2 i 】； 1 选择分段装配基准面和工艺设备； 2 决定合理的装焊顺序； 3 决定合理的装焊程序； 4 提出施工技术要求。 在以上的四项内容中，分段装焊顺序的合理与否，直接影响分段制造的 质量、装焊作业的难易程度、辅助材料的消耗量以及分段制造的周期等。由 于同一分段可有不同的制造方法和装焊顺序，不同的分段更有各自不同的制 造方法和装焊顺序，因此，决定适合于某一分段的最佳制造方法和装焊顺序 是此工艺阶段的重要工艺内容。 分段装配工艺的制定依赖于分段的性质，经过对船体的分段的分类研究 发现，船体平行中段的分段大致可分为以下五种，甲板分段、中底分段、边 底分段、侧壁分段以及隔舱壁分段。可以根据这些分段的安装特点进行相应 的分段工艺设计。 同时由于各个分段具有相似性，因此分段的装配过程大体相同。 双层底分段是典型的平面分段。所以本文以一个典型分段作为实例来进行分 析和设计。一个双层底分段包括上下两层底板，板上装焊纵骨，板间装焊纵 桁和肋板。内场加工提供成型的平板板列、肋板、纵桁、纵骨。在选择装配 方式中，对于不同开口形式的肋板，在装配时精度控制的要求不同或者是对 生产时间有要求，则会选择不同的装配方式。对于大型的双层底分段，纵桁 和肋板由单元纵桁和单元肋板组成，在组装时具有更大的灵活性。由于影响 双层底分段装配顺序优劣的因素还有很多，因此评判双层底分段装配顺序优 劣是一件复杂的事情，本文只是考虑装配精度和生产时间方面来进行工序的 安排。 由于船体装焊作业基本上仍是使用手工操作，使它成为船体建造中劳动 强度大、生产效率低的作业。同时，船体装焊工时一般占船体建造总工时的 一半以上。据日本船厂对一万至九万吨级油轮和货轮的工时统计，船体装焊 哈尔滨工程大学硕七学位论文 工时占船体建造总工时竟高达7 7 7 9 。所以，开发先进的造船方法，选 用合理的装焊工艺，对提高生产效率、降低成本、缩短造船周期和改善劳动 条件起着及其重要的