（材料加工工程专业论文）纸叠层快速原型制造系统的工艺规划与间接制模技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ， t ( 随着计算机在制造企业中的深入应用，计算机辅助工艺规划( 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 ) 成为可能。计算机辅助工艺规划在现代制造业中具有重要的 理论意义和广泛、迫切的实际需求。c a p p 系统的使用，可以大大提高工艺规划的 效率和质量。在h r p 系统的生产实践中，为了实现零件的高效快速制造，提高零件 的强度与性能，降低制作的成本，对h r p 系统进行计算机辅助工艺规划( c a p p ) 是非常有必要的。 在h r p 系统上进行原型的加工时，为达到高效率的生产，传送到h r p 系统的 s t l 文件在z 轴加工方向( 高度) 上尺寸应该是最小，而客户提供的三维c a d 数 据经常不会考虑到这样的问题，这就需要对零件进行旋转等处理，以寻找到z 轴加 工方向上的最优化加工尺寸。同时，l o m 技术发展至今，在零件的制造质量、表面 精度方面已经取得了很大的进展。而由于设备自身的限制，对于大尺寸、薄壁零件 的高效率快速制造等问题不能很好地解决。这就需要我们对大尺i j _ 、薄壁零件进行 副分，对一些小尺、，零件进行集合成形等操作。当然，客户希望在原型制造之前知 道比较准确的原型制作时间及加工成本。而往往从客户提供的三维c a d 数据是不能 够准确地确定设备的工作时间，只能依靠零件的尺寸进行经验性的估计。因此我们 有必要提供原型的制作时间及加工成本的计算方法。 、。h r p 系统工艺规划的主要任务就集中在利用计算机自动优化搜索z 轴方向最小 。 加工尺寸和计算制作时间及成本两个方面。对于大尺寸、薄壁零件等比较复杂的情 况，目前直接由计算机实现零件的剖分、集合成形等具有一定的难度，仍然采用人 机交互的方式进行控制。论文提出了采用软件的方法实现自动优化搜索最小加工尺 寸达到经济快速制造的目的，对零件进行剖分、以改进l o m 技术的加工工艺，对 零件制造时间及成本进行预算三个方面的内容。 对h r p 系统的加工工艺进行规划，有利于l o m 技术在各行各业的推广应用， 可以为客户提供更为准确的信息，以便客户做出最好的生产决策。同时，我们也将 l o m 技术拓展到其下游的快速模具制造技术。 近年来工业产品开发力度不断加大，为减少投资风险，通常在大批量生产工业 华中科技大学硕士学位论文 塑胶产品之前，需要先做出成品的样件来决定成品的设计，评估其外观形状，并进 行功能性安装实验等。 利用p r 技术制造的原型通常是使用特殊的材料和特殊的工艺制作而成，所以 原型和产品的材料往往是不一样的，使得原型不能完全用于性能测试，只能作外形 结构检查和在实验室内使用，进行部分性能测试。为使原型更能反映最终产品的性 能，实现零件的功能性测试和小批量生产，改进制件的强度与精度，快速制模技术 应运而生。论文结合快速成型中心的实际情况，着重讨论利用l o m 技术快速制造 模具的工艺方案，即使用h r p 系统生产的纸质制件作为母样来制作硅橡胶模具，短 时间内做出多个样品。本文总结实践经验，详细介绍了利用l o m 原型制作硅橡胶 模具、浇注品的步骤及注意事项。 采用l o m 技术与下游的快速模具技术真空注型技术相结合的硅橡胶模具 及浇注品制造技术，在快速成形中心对外服务的生产实践中已经得到了广泛应用。 可以为企业提供快速小批量地制造可供功能性试验的浇注品的服务，大大缩短了零 件的制作时间和加工周期，为企业的决策经营提供很大的帮助。 关键词：分层实体制造计算机辅助工艺规划间接制模硅橡胶模具浇注品 h 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no f c o m p u t e ri nt h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，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 ( c a p p ) h a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n de x i g e n ta c t u a l r e q u i r e m e n t t h eu s eo fc a p ps y s t e mc a na c c e l e r a t e t h ed e s i g no fn e w p r o d u c t sa n d q u a l i t yo f t e c h n i c a lr e g u l a t i o n s i nt h ep r a c t i c eo fh r p s y s t e m i ti sn e c e s s a r yt ou t i l i z e c a p pt e c h n o l o g yt om a k ep a t t e r n sr a p i d l ya n de f f i c i e n t l y ，i m p r o v et h es t r e n g t ha n d p e r f o r m a n c eo f p a t t e m s a n dr e d u c et h ec o s to f p r o d u c t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fp r o t o t y p i n g o nt h eh r ps y s t e m ，t h e p a r t s h e i g h t i nt h e d i r e c t i o no fa x i s z ”s h o u l db em i n i m u m ，b u tw h e n c l i e n t s p r o v i d e d t h e t h r e e d i m e n s i o n a lc a d d a t a ，t h e yh a r d l yt h o u g h to fi t s ow en e e dt o r o t a t et h ep a r tt o s e a r c ht h eb e s tf a b r i c a t i n gd i m e n s i o ni nt h ed i r e c t i o no fa x i s z a tt h es a n l et i m e ，l o m t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e du p t ot h e p r e s e n t ，h a sg o ta l o n gw i t hm a n u f a c t u r i n g q u a l i t ya n d s u r f a c ep r e c i s i o no f p a t t e r n s w h e r e a sb e c a u s e o ft h el i m i to f p r o c e s s i n gs i z e ， t h e r ei ss o m ed i f f i c u l t yt or a p i d l ym a n u f a c t u r es o m eb i g s i z ep a r t sa n dt h i n w a l lp a r t s t h u su s i n gs o f t w a r et od i v i d et h ep a r to p e na n dc o m b i n es o m es m a l ld i m e n s i o np a r t sh a s b e e np u tf o r w a r dt o o fc o u r s e ，c l i e n t sw a n tt ok n o wt h et i m ea n dp r i c eo fp r o t o t y p e b e f o r ef a b r i c a t i n g b u tf r o mt h et h r e e - d i m e n s i o n a lc a dd a t ap r o v i d e db yc l i e n t s ，w e o f t e nc a n n o tm a k es u r eh o w l o n gt h ep a t t e r nm a n u f a c t u r ee x a c t l y w ec a no n l ye s t i m a t e i t e x p e r i e n t i a l l ya c c o r d i n gt ot h ed i m e n s i o no ft h ep a r t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yf o ru st o p r o v i d ec a l c u l a t i n gm e t h o d o ft h et i m ea n dp r i c e t h e p r i m a r yt a s ko fp r o c e s sp l a n n i n gi nh r ps y s t e m i st os e a r c ht h eb e s tm a c h i n i n g d i m e n s i o ni nt h ed i r e c t i o no fa x i s “z ”a n dc a l c u l a t i n gt h et i m ea n dp r i c e i t i s i n c o n v e n i e n tt or e a l i z ei fd i v i d et h ep a r ta n dc o m b i n e p a r t sf i n i s h e db yc o m p u t e rd i r e c t l y f o rs o m ec o m p l i c a t e ds t a t u ss u c ha s b i g , s i z ep a r t s a n dt h i n w a l l p a r t s t h ew a yo f m a n - m a c h i n ea l t e r n a t i o ni sa d o p t e da l lt h es a n l e t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h r e ea s p e c t c o n t e n t sa b o u t u s i n gc o m p u t e r t os e a r c ht h eb e s tm a c h i n i n gd i m e n s i o ni nt h ed i r e c t i o no f a x i s z ，c u t t i n gt h ep a r to p e n a n d s p e l l i n gp a r t sa n dc a l c u l a t i n gt h e t i m ea n d p r i c e a p p l y i n gc a p pt e c h n o l o g yi n t oh r ps y s t e m ，i sp r o p i t i o u st op o p u l a r i z ea p p l i c a t i o n o fl o m t e c h n o l o g yi ne v e r yw a l ko f l i f e t h em o r ee x a c t l yi n f o r m a t i o nc a nb ea f f o r d e d t oc l i e n t s ，s ot h a tt h e yc a nm a k et h eb e s tc h o i c e a tt h es a m et i m e ，l o mt e c h n o l o g yi s i i i 华中科技大学硕士学位论文 a l s oe x p a n d e dt oi t sd o w n r i v e r t e c h n o l o g y r a p i dt o o l i n g i nr e c e n ty e a r s ，i n d u s t r yp r o d u c t s d e v e l o p m e n th a si n c r e a s e dd e e p l yi no r d e rt o r e d u c et h er i s ko ft h ei n v e s t m e n t ，e n t e r p r i s e ro f t e n r e q u i r e dm a k et h ep a t t e mo ft h e f i n i s h e d p r o d u c t t oc o n f i r mt h e d e s i g n ，b e f o r ev o l u m e p r o d u c e t h e yc a nu s et h e s e p a t t e m s t oe v a l u a t et h es h a p ea n dt ot e s tt h ea s s e m b l ya n ds oo n u s u a l l yp a r t sa r em a d eb ys p e c i a lm a t e r i a la n ds p e c i a lt e c h n o l o g yi nr et h e r ei s s o m ed i f f e r e n c eb e t w e e nr a p i dp r o t o t y p ea n df i n i s h e dp r o d u c t t h er a p i dp r o t o t y p eo n l y c a nb eu s e dt oe x a m i n et h ec o n f i g u r a t i o na n dp a r t l yt e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c ti n l a b t h e t e c h n o l o g y o fr a p i dt o o l i n g e m e r g e s a st h et i m e s r e q u i r eu s i n gt h i s n e w t e c h n o l o g y , s e v e r a lr a p i dp r o t o t y p e s t h a tc a nr e f l e c tf i n i s h e d p r o d u c t w e l lc a nb e f a b r i c a t e da n dt e s t e d t h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c tc o m p l e t e l y a n dw ea l s oc a n i m p r o v et h es t r e n g t ha n dp r e c i s i o no ft h ep a r t t h ep a p e rm o s t l yd i s c u s s e sh o wl o m t e c h n o l o g yi s u t i l i z e dt o r a p i dt o o l i n g u s i n gl o mp r o t o t y p e ，t h ew r i t e rr e s e a r c ht h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fs o f tt o o l i n g t h i sp a t t e mi sm a n u f a c t u r e dw i t ht h e p a p e r y p r o d u c ti nh r ps y s t e ma n di su s e da st h em a s t e rm o l di ns i l i c o n er u b b e rd i e s os e v e r a l p a r t sc a nb em a d ei ns h o r tt i m e t h ep a p e rd e s c r i b e sh o w t om a k et h es i l i c o n er u b b e rd i e a n dp l a s t i c p a r t si nd e t a i l ，a n dt h ep r o c e e d i n gw es h o u l dn o t i c ed u r i n gt h ep r o c e s so f p r o d u c t c o m b i n i n gl o mt e c h n o l o g ya n dt h er a p i dt o o l i n gt e c h n o l o g y ，t h es i l i c o n er u b b e r d i ea n dp l a s t i cp a r t sc a nb em a d er a p i d l yf o re n t e r p r i s e s ，w h i c hc a ns a v ep a r t s p r o d u c t t i m ec o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm a c h i n i n gm e t h o d t h e r e f o r ec o r p o r a t i o n sc a nr a p i d m a k et h ed e c i s i o nw h e t h e rt h e p r o d u c tt ol a u n c hi n t ot h em a r k e t k e y w o r d s ：l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g c a p pi n d i r e c t i o n t o o l i n g s i l i c o n er u b b e rd i er e s i np a r t 1 v 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先介绍了阐述了c a p p 的概念、发展现状和存在的问题，综述了基于快 速原型制造技术的模具制造研究现状，然后介绍了本研究工作的目的与意义及作者 的主要研究工作。 1 1 计算机辅助工艺规划简介 随着计算机在制造企业中的深入应用，计算机辅助工艺规划成为可能。计算机 辅助工艺规划( c a p p 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 ) 在现代制造业中具有重要的 理论意义和广泛、迫切的实际需求。c a p p 系统的使用，不仅可以大大提高工艺规 程设计效率和质量，而且保证了工艺设计的一致性、规范化。然而，在国内c a p p 的发展和应用远远跟不上c a d 、c a m 发展的步伐。 1 1 1c a p p 的基本概念及基本原理 计算机辅助工艺规划( c a p p ) 指的是产品制造工艺过程的计算机辅助设计与文 档编制。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，进而缩短整个产品的开发 周期。c a p p 可以从根本上改变传统的用手 工完成工艺过程设计的状况，提高工艺设计 质量，并为制定先进合理的工时定额，改善 企业管理提供科学依据；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。 传统意义上的c a p p 是狭义的，它只面 向零件，主要是机械加工工艺的设计，而且 常常是车间一级的。进入九十年代以来，随 着网络、数据库、面向对象方法、分布计算、 系统集成等计算机相关技术的飞速发展，使 c a p p 与其它系统( 如c a d c a m 、p d m 、 图1 1c a p p 的集成应用 华中科技大学硕士学位论文 m r p i i 等) 之间实现在产品信息上的集成成为一种需求和可能。这里的产品信息包 括产品从概念设计、计算分析、详细设计、工艺设计、加工制造、销售维护直至产 品消亡的整个生命周期内及其各个阶段的相关数据。 c a p p 是p d m 、m i s 等系统的重要数据来源，是c a d c a m 集成、产品设计制 造和生产经营管理信息集成的关键性环节。图1 1 是以p d m 为集成平台的c a p p 集 成应用的结构示意图。其中包含了三个层次的信息集成：第一层是面向产品信息的 c a p p 集成，目标首先是实现工艺部门内部的信息共享及工艺设计与管理的一体化， 工艺数据必须做到一次输入、互相关联、全程共享，并具有统一的数据结构。第二 层是c a p p 与c a d 的集成，c a p p 必须能读取c a d 产生的产品结构信息与图形信 息，避免重复输入。第三层是与m r p i i e r p 等管理信息系统的集成，为这些系统提 供产品结构树、产品零部件工艺路线表、工时定额表、材料定额表、工装汇总表、 工艺明细表等工艺信息。第二层和第三层的集成应用以p d m 系统为集成平台。由 p d m 负责电子文档的管理，保证电子文档的完整性、一致性和正确性，在p d m 的 管理下，b o m 工具自动生成设计b o m ，并由p d m 为c a p p 系统提供完整、一致、 正确的设计b o m 信息和图纸信息。c a p p 系统产生的工艺数据也交给p d m 系统管 理，并由p d m 系统提供给m r p i i e r p 等管理信息系统。 工艺过程设计是连接产品设计与制造的桥梁，是整个制造系统中的重要环节， 对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。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，改善企业管理提供科学依据：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。 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 础之一。目前，伴随全球市场的形成，以及计算机集成制造系统( c i m s ) 、并行工程 ( c e ) 、智能制造系统( i m s ) 、虚拟制造系统( v m s ) 、敏捷制造( a m ) 等先进制造技术的 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。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2c a p p 的发展历史 c a p p 是伴随着c a d c a m 的发展孕育而生的，其早期意图是建立包括报表生 成、存贮及工艺规程检索在内的计算机辅助系统。c a p p 的开发、研制是从6 0 年代 末开始的，在制造自动化领域，c a p p 的发展是最迟的部分。世界上最早研究c a p p 的国家是挪威，始于1 9 6 9 年，并于同年n a k k 公司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。在c a p p 发展史上 具有罩程碑意义的是于1 9 7 6 年设在美国的国际性组织推出的c a m 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。取其字首的第一个字母，称为c a p p 系统，它是c a p p 发展 史上的一个里程碑。目前对c a p p 这个缩写法虽然还有不同的解释，但把c a p p 称 为计算机辅助工艺设计已经成为公认的释义。 我国对c a p p 的研究起步较晚，国内最早开发的c a p p 系统是同济大学的派生 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。进入9 0 年代后，伴随着c a d c a m 集成系统及c i m s 工程的研究与应用，c a p p 成为一个热门的研究课题。国内最早开展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) 和 西北工业大学( 用于国家c i m s 实验工程的回转体零件，1 9 8 7 1 9 9 3 年) ，而第一个 有重要实用价值、并取得突出社会和经济效益的智能集成化f a c a d c a p p c a m 系 统则是由西北工业大学、航空部6 2 5 所在成都飞机工业公司开发的( 1 9 9 1 1 9 9 4 年) ， 其中由西北工业大学开发的f a c a p p 分系统是完全自动决策的创成式专家系统，该 智能集成系统己从原来的工作站平台移植到微机w i n d o w s 平台( 1 9 9 8 2 0 0 0 年) 。 迄今为止，在国内学术会议、刊物上发表的c a p p 系统已有5 0 多个，但被工厂、企 业正式应用的系统只是少数，真正形成商品化的c a p p 系统还不多。手工进行工艺 设计时，通常要经过如下过程： 1 ) 根据产品图纸，分析产品零件的结构特点以及技术要求： 2 ) 了解产品生产的纲领及批量； 3 ) 进行工艺决策，确定加工方法和工艺路线； 4 ) 按企业的实际情况，具体确定机床设备、切削用量、工艺装备以及工时定额； 华中科技大学硕士学位论文 5 1 按规定格式生成正式工艺规程。 计算机辅助工艺设计的基本原理正是基于人工设计的过程及需要解决的问题而 提出的。首先，产品零件的数据信息应能利用，并建立零件信息的数据库；其次， 工艺人员的工艺经验、工艺知识能够得到充分的利用和共享；第三，制造资源、工 艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库；第四，充分利用标准( 典型) 工艺生成新的工艺文件。 1 1 3 c a p p 系统的分类 自从第一个c a p p 系统诞生以来，各国对使用计算机进行工艺的辅助设计进行 了大量的研究，并取得了一定的成果。通常，依据工艺决策方式可将c a p p 系统划 分为以下三类：派生式( v a r i a n t ) 、创成式( g e n e r a t i v e ) 和综合式( s y n t h e t i c a l ) 。目 前按照传统的设计方式c a p p 可分为以下三类： 1 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 系统出现于6 0 年代末，建立在成组技术( g t ) 的基础上，其基 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，与常规工艺设计的类比设 计相同，即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，在己有工艺文件的基础上 修改编制生成新的工艺文件。 派生式系统结构简单，易于实现，但柔性很差，适应性不强，而且归纳整理主 样件及其标准工艺也是一项十分繁琐和困难的工作。因而比较适合于生产的零件相 似程度较高而种类不多的企业。 典型的派生式系统有c a m i 组织的c a m i sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 、美国 洛克希德公司的g e n p l a n 和英国u m i s t 的i c a p p 等。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 创成式c a p p 系统 出现于7 0 年代中期，其关键是系统内部的工艺决策逻辑。刨成式系统的工艺规 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 关各种加工方法的加工能力和对象，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，系统能结合制造工程数据信息推理自动生成各 种工艺规程文件，用户不需或略加修改即可。常用的决策逻辑主要有过程逻辑、决 策树( 表) 和专家系统。过程逻辑实际上是一系列分析判断的过程，适合于逻辑关 系确定或不很复杂的、较小的系统。决策树( 表) 可以作为数据库的部分，用户 可以自行修改和补充，因而得到较多的应用。专家系统一般由数据库、知识库和推 理机组成。知识库中存有求解问题所需的知识，系统可通过推理机的控制程序实现 知识的应用，因而计算机能像人类专家一样，运用逻辑推理去完成判断和决策工作。 创成式系统不需要派生法中的样板工艺文件，在创成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。 基于知识的c a p p 专家系统和基于神经网络的c a p p 系统都属于创成式系统， 典型代表有美国普渡大学的a p p a s 、德国阿亨工业大学的a u t a p 、法国的g a e a ， 日本的t o m 和英国的e x c a p 等。 创成式c a p p 系统由于是基于工艺设计中的知识进行推理，因而具有较大的灵 活性，并易于扩展，然而由于工艺设计的复杂性，工艺知识难以准确表达，推理机 制也不易实现，因而构造完全创成的c a p p 系统是非常困难的 1 l 。事实上，随着技 术发展及开发的实际需求，综合派生式、创成式和人工智能的混合式c a p p 系统越 来越受到人们的重视。 经过三十多年的研究，c a p p 技术无论在的深度上和广度上都取得了进展：设 计对象从回转体零件、箱体类零件、支架类零件到复杂的飞机结构件等；涉及的上 艺范围从普通的机加工工艺到装配工艺、钣金工艺、热处理工艺、数控测量机检测 过程设计等；系统功能从独立的计算机辅助技术”孤岛”到满足集成系统环境需求的 集成化系统。近年来，除集成化、智能化继续受到重视外，系统化、分布式、网络 华中科技大学硕士学位论文 化已成为c a p p 技术发展的新趋势。 3 综合式c a p p 系统 综合式系统是将派生式、创成式与人工智能结合在一起，综合而成的。 从以上三种c a p p 系统中工艺文件产生的方式我们可以看出，派生式系统必须 有样板文件，因此它的适用范围局限性很大，它只能针对某些具有相似性的零件产 生工艺文件。在一个企业中这种零件只是一部分，那么其它零件的工艺文件派生式 系统就无法解决。创成式系统虽然基于专家系统，自动生成工艺文件，但需输入全 面的零件信息，包括工艺加工的信息。信息需求量极大，极全面，系统要确定零件 的加工路线、定位基准、装夹方式等，从工艺设计的特殊性及其个性化分析，这些 知识的表达和推理无法很好地实现；订三是由于知识表达的”瓶颈”与理论推理的”匹配 冲突”至今无法很好地解决，自优化和自完善功能差，c a p p 的专家系统方法仍停留 在理论研究和简单应用的阶段。 1 1 4 c a p p 系统的商品化 从1 9 9 4 1 9 9 5 年以来，国内相继出现了一些商品化c a p p 系统，主要包括c a p p f r a m e w o r k 框架系统、开目c a p p 系统、t h c a p p 系统等。这些商品化c a p p 系统 的共同特点是以实用为本，面向所有机械制造企业，致力于帮助工艺编制人员”甩钢 笔”、”甩手册”，帮助企业实现工艺信息的多系统共享与集成化。 此类系统的出现，有些是由于研究开发者在多年的实践中深深感受到上述问题 的严重性和企业现代化需求的迫切性，才下决心在一定的时期重点开发以交互式为 主的工程化、商品化软件，同时也继续将其在创成式和智能化方向上取得的成果与 交互式软件平台相结合( 如c a p p f r a m e w o r k 系统) 。更多一些则是从市场需求出发 而开发的交互式系统。但无论如何，这类c a p p 系统在国内越来越多的企业得到应 用，短短几年已取得相当显著的效果。 国内商品化c a p p 系统的开发模式有的是基于微机c a d 平台和文件管理系统， 而有的则基于各种计算机平台和知识库、数据库系统，更有利向集成化、智能化、 网络化方向发展。 华中科技大学硕士学位论文 目前，国内商品化的c a p p 系统可分为以下几种： 1 ) 使用w o r d 、e x c e l 、a u t o c a d 或再开发的c a p p 系统。 2 1 此类c a p p 系统所生成的工艺文件是以文本文件的形式存在的，无法生成工 艺数据，更谈不上工艺数据的管理。 3 ) 常规的数据库管理系统，工艺卡片使用f o r m 、r e p o r t 或在a u t o c a d 上绘制 卡片的c a p p 系统。此类c a p p 系统所生成的工艺卡片是由程序设计生成的，工艺 卡片的填写无法实现所见所得，如果企业的卡片形式需要更新的话就需要更改原程 序。 4 ) 注重卡片的生成，但工艺数据的管理功能较弱的c a p p 系统。此类c a p p 系 统的工艺数据是分散在各个工艺卡片当中的，很难做到对工艺数据的集中管理。 5 ) 采用”所见所得”的交互式填表方式+ 工艺数据管理、集成的综合式c a p p 系 统。此类系统的填表方式更符合工艺设计人员的工作习惯，便于与企业的p d m 系 统集成，管理产品的工艺数据，并为m r p i i 、m i s 等系统提供有效的生产和管理用 的工艺数据。 1 1 5c a p p 技术的发展趋势 先进制造技术( c i m s 、c e 、i m s 、a m 、v m s 等) 及计算机相关技术( 网络、数 据库、分布计算等) 的发展，为研究c a p p 提出了许多新思路、提供了许多新技术。 为了更具实用性和灵活性，c a p p 技术也不断向前发展，它的发展趋势如下： 1 并行c a p p 1 1c a p p 与c a d 的并行。主要体现在c a p p 能在产品设计的过程中，提供产 品工艺性反馈信息，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，根据零件信息、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、加工工艺性等进行分析评价。 2 ) c a p p 与车间作业计划的并行集成非线性工艺设计。通过产生被加工零 件的多个具有不同优先级的可供选择的工艺方案，为车间调度提供一定程度的柔性： 华中科技大学硕士学位论文 闭环工艺设计。通过接收车间资源信息的动态反馈，产生实时优化的工艺方案； 分布式工艺设计。通过划分阶段，如预设计阶段、详细设计阶段等，在不同的阶 段分别实现c a p p 与车间作业计划之间交互、协调、合作的工作方式，两者之间并 行集成。所采用的阶段划分、分布、并行的方法，被认为是一种理想的集成方法。 2 智能c a p p ” 从8 0 年代初期人工智能技术的兴起，智能c a p p 也随之产生，比较典型的有法 国的g a r i 系统，日本东京大学的t o m ，美国马里兰大学的s i p p 。智能c a p p 系 统结构如图1 2 所示，其关键是推理机制，它将零件的基本信息按一定的顺序与知 识库中的有关规则进行匹配，激活对应知识，产生新的工艺。 图1 2 智能c a p p 系统结构 在智能c a p p 中，专家系统和人工神经网络是两种常用的技术。其中，专家系 统反映智能技术中的符号主义，通过符号处理和推理机制实现人类的逻辑推理能力。 c a p p 专家系统主要研究知识表达及处理技术，工艺决策过程模型及算法。人工神 经网络则反映智能技术中的连接主义，模拟人的大脑结构，构造人工神经元和神经 元连接网络，通过训练获取知识，适合于用来实现人类的形象思维能力。人工神经 网络c a p p 主要研究神经元网络的结构形式、设计学习算法和训练样本等。近来， 还兴起了复合智能系统的研究，即将专家系统和人工神经网络技术结合起来，发挥 各自的优势，以获得更高的智能；以及多智能体技术的应用等。此外，遗传算法、 模糊推理技术也在若干原型系统中得到采用。 但是，如何获取知识是智能系统实现中遇到的“瓶颈”问题。一方面，它要求 华中科技大学硕士学位论文 知识工程师从多个不同的领域专家处获取领域事实和推理规则，这些专家虽然来自 同一领域，但由于他们的资历、思维结构、工作准则的不同，可能导致获取的知识 有不一致的地方，甚至有冲突的可能：另一方面，如何表达这些知识也存在很多困 难，有些在人类看来是显而易见的知识，系统却很难识别和处理。 基于实例的推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 起源于7 0 年代，是人工智能发展 过程中出现的区别于基于规则推理( r u l e - b a s e dr e a s o n i n g ，r b r ) 和基于模型推理 ( m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ，m b r ) 的一种推理方法，其基本思想是利用相似实例的 解来求解当前问题。它只需知道问题的求解结果，而不需要如何求解的知识，一定 程度上克服了知识获取这一瓶颈问题。8 0 年代，c b r 得到迅速发展，其框架基本形 成，同时构建c b r 的技术也已相对成熟。进入9 0 年代，c b r 工具及c b r 与其他 技术集成技术开始出现，并已被广泛应用到各个领域的计算机辅助智能系统中。如 用于解决风景设计和规划的c y c l o p s ：用于建筑工程设计的a r c h i e ，s t r u p l e ， d d i s ；基于实例的纳税系统t a x o p s 等。 3 分布式c a p p 1 ) 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 能模块可组成分布式系统，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。这种情况下的工艺设计过程是动态的，可以提供反馈功能；系统结构具有柔性， 对于不同复杂程度或不同特点的生产环境可以采用不同形式的设计系统。 2 ) 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。 3 ) 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。 基于目前c a p p 系统的不足和新技术的应用，c a p p 技术的发展方向存在两种 趋势：一是在原有c a p p 的开发模式和体系结构框架内，结合现代计算机、信息等 华中科技大学硕士学位论文 相关技术的进展，采用新的决策算法、发展新的功能，并已在并行、智能、分布、 面向对象等方面进行着有益的尝试，这是一种技术趋势。二是跳出几十年来延续下 来的c a p p 传统模式，面向具体生产环境，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，意在通过广泛的实际应用促进其发展，这是一种实用化趋势。 长期以来，c a p p 的研究开发忽视了对工艺准备活动所涉及的基础任务、方法 和数据的深入研究和探索，缺乏一种对工艺业务活动的整体把握，过多的局限于某 些局部环节，从而造成开发、实施具体应用系统的困难，也使新概念、新技术、新 方法的采用一直缺乏应用和理论基础。因而，从现代制造业整个产品生命周期对工 艺工作的需求出发，以未来虚拟企业和网络化全球制造为背景，加强对工艺基础理 论、工艺流程和基础数据分析，以及软件系统结构和方法的研究，才能使上述两种 趋势结合起来，迈出更为降实的步伐。 同时为了能使c a p p 系统在企业中更好地推广应用，c a p p 系统应提供更好的 开发模式。传统专用型c a p p 系统虽然针对性强，但由于开发周期长，缺乏商品化 的标准模块，适应性差，已经很难适应企业的产品类型、工艺方法和制造环境的发 展和变化了。而应用面广、适应性强的平台型( 工具式) c a p p 系统，也已经成为 开发和应用的趋势。 平台型c a p p 系统把系统的功能分解成一个个相对独立的工具，用户可以通过 友好的用户界面根据本企业的情况输入数据和知识，针对不同的应用环境，形成面 向特定的制造环境和工艺习惯的具体的c a p p 系统，也可以将开发平台提供给用户， 使用户可以进行c a p p 系统的二次开发，在开发平台上构造符合用户需要的c a p p 系统。从理论上讲，它可以适应各种应用环境，具有较好通用性和柔性，而且由于 还具有二次开发能力，能适应企业内部发生的较大的变化。 1 2 快速模具制造技术简介 近十年发展起来的快速原型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i