（机械工程专业论文）铁路货车qrrscapp系统若干关键技术研究.pdf

摘要 摘要 工艺设计是机械制造过程中生产技术准备工作中一项重要内容，是产品设计与车间 生产的纽带，工艺设计所生成的工艺文件是指导生产过程的重要文件及制订生产计划与 调度的依据，其质量的高低直接影响产品质量。 本论文针对铁路货车加工件的特点开发出齐车公司q r r s c a p p 系统，重点在工艺设 计的快速方便和工艺管理规范全面，实现数据的有效共享，避免工艺人员工艺设计过程 中重复和繁重的劳动，并提高工艺设计的质量，进而提高了产品生产制造的质量。 本文对计算机辅助工艺设计( c a p p ) 的历史、理论、方法、基础技术、发展方向、 典型产品进行了详细的描述，并按照齐车公司工艺设计的规范和程序，针对齐车公司产 品的特征和生产的特点，进行需求分析，制定实施方案，开发c a p p 系统，将工艺所需 求的各部分有机结合，开发了适合齐车公司的q r r s c a p p 系统。齐车公司q r r s c a p p 系统 功能全面，涵盖各工艺设计过程中的b o m 管理、工艺路线划分、建立工艺分工、工艺规 程设计、工艺消耗定额编制、工艺文件审签、工艺文件管理、更改管理、典型工艺管理 等所有的工艺工作。 关键词：工艺设计；b o m 管理；系统集成；制造业信息化技术 人迮交通人学l ：稃硕十学位论文 a b s t r a c t t e c h n i c a ld e s i g ni sa ni m p o r t a n tc o n t e n to ft e c h n i c a lp r e p a r a t i o no fm a n u f a c t u r i n g e n g i n e e r i n g ，w h i c hi sal i g a m e n tb e t w e e np r o d u c td e s i g na n ds h o pm a n u f a c t u r i n g t e c h n i c a l d o c u m e n t st h a tg e n e r a t e df r o mt e c h n i c a ld e s i g na r ec r i t i c a ld o c u m e n t sf o rg u i d i n gp r o d u c t i o n p r o c e s sa n db a s i so fp r o d u c t i o np l a n n i n ga n dd i s p a t c h i n g ，a n di t sq u a l i t yc a na f f e c tq u a l i t yo f p r o d u c t i o nd i r e c t l y t h em a j o rp o i n t so fq r r sc a p ps y s t e ma r ef a s t ，c o n v e n i e n ta n dc o m p r e h e n s i v eo n t e c h n i c a lm a n a g e m e n t c a p ps y s t e mw h i c hc a nr e a l i z ee f f e c t i v ed a t as h a r i n ga n dp r e v e n t t e c h n i c a lp e r s o n n e lf r o mr e p e a ta n dh e a v yw o r kd u r i n gd e s i g n i n g ，a n da l s oc a ni m p r o v e q u a l i t yo fd e s i g na n dt h e ni m p r o v e dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo fp r o d u c t s t h i sp a p e rd e s c r i b e sh i s t o r y ，t h e o r y ，m e t h o d ，b a s i st e c h n i q u e ，d i r e c t i o no fd e v e l o p i n g a n d t y p i c a lp r o d u c t so fc a p p ，a n dm a k i n gd e m a n da n a l y s i st od e v e l o ps t r a t e g i e so nt h eb a s e o ft e c h n i c a ld e s i g ns p e c i f i c a t i o na n dp r o c e s so fq r r s ，a n dd e v e l o p e dc a p ps y s t e mb y i n t e g r a t i n ge v e r yp a r t sn e e d e db yt e c h n i q u e sa n de s t a b l i s h e saq r r s c a p p s y s t e mt h a tf i t s f o rq r r s q r r s c a p ps y s t e mi sf u l l f e a t u r e da n dc o v e r sa l lt e c h n i c a lw o r k sd u r i n g p r o d u c t i o nd e s i g ns u c ha sb o mm a n a g e m e n t ，r o u t i n gl a yo f f , t e c h n i c a ls c h e d u l ed e s i g n i n g ， r a t eo fc o n s u m p t i o n d r a f t i n g , t e c h n i c a ld o c u m e n tr e v i e w i n ga n da p p r o v i n g ，t e c h n i c a l d o c u m e n tm a n a g i n g ，r e v i s i o nm a n a g i n g ja n dt y p i c a lt e c h n i q u em a n a g i n ge t c k e yw o r d s ：p r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g ；b o mm a n a g e m e n t ；s y s t e mi n t e g r a t i o n ； i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作考签名：鞯 日期砷年月f r 口日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整交通盘堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将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、 汇编学位论文。 ( 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：秘 日期：伽夕年多月o 日 导师签名砌动缈 日期：冲年舌月l o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：齐齐哈尔轨道交通装备公司冷工艺部 通讯地址：齐齐哈尔市铁锋区中华东路1 0 号 电子信箱：g y x l 6 8 8 8 t o m c o r n 电话：1 3 1 9 9 6 2 5 9 4 7 邮编：1 6 1 0 0 2 第一章绪沦 第一章绪论 1 1c a p p 定义 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 ，计算机辅助工艺过程设计) 是指利用计算 机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它是通过 向计算机输入被加工零件的几何信息( 形状、尺寸等) 和工艺信息( 材料、热处理、批 量等) ，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程n 1 。 c a p p 又可译为计算机辅助工艺过程规划。 1 9 7 6 年，美国计算机辅助制造国际组织( c a m i ) 推出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。取其字首的第一个字母，称为c a p p 系统。 国际生产工程研究会( c i r p ) 提出了计算机辅助规划( c a p ，c o m p u t e ra i d e d p l a n n i n g ) 、计算机自动工艺过程设计( c a p p ，c o m p u t e ra u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 等名 称，强调了工艺过程自动设计。 实际上国外常用的一些，如制造规划( m a n u f a c t u r i n gp l a n n i n g ) 、材料处理( m a t e r i a l p r o c e s s i n g ) 、工艺工程( p r o c e s se n 百n e e 血酚以及加工路线安排( m a c h i n er o u t i n g ) 等在很大 程度上都是指工艺过程设计乜儿3 1 。 计算机辅助工艺过程设计属于工程分析与设计范畴，是重要的生产准备工作之一。 是连接c a d 和c a m 、e r p 的桥梁。 1 2c a p p 技术的产生、发展及趋势分析 1 2 1c a p p 技术的产生 c a p p 技术的研究和发展源于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 5 年n i e b e l 首次提出c a p p 思想， 1 9 6 9 年挪威推出了世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s ，并于1 9 7 3 年商品化。美国于2 0 世纪6 0 年代术7 0 年代初着手于c a p p 系统研究。在其4 0 多年的发展历程中，c a p p 经历 了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系统、集成式等不同的发展阶段，并涌现了 一大批c a p p 原型系统和商品化的c a p p 系统。 早期的c a p p 系统为检索式( r e t r i e v a l ) 系统。它事先将没计好的零件加工工艺规 程存储在计算机中，在编制零件：1 ：岂规程时，根掘零件图号或名称等检索出存有的工艺 规程，获得工艺设计内容。这类c a p p 系统自动决策能力差，但最易建立，简袍实用， 对于现行- 艺规程比较稳定的仑业比较实用。检索式c a p p 系统主要用于已经标准化的 工艺过程设计。 人连交通人学i ：稃硕十学位论文 随着成组技术( g t ) 的推广应用，变异式或派生式c a p p ( v a r i a n tc a p p ) 系统得到 了开发和应用。派生式c a p p 系统以成组技术为基础，按零件结构和工艺的相似性，将 零件划分为零件族，并给每一族的零件制定优化的加工方案和典型工艺过程掣。挪威早 期推出的a u t o p r o s 系统，美国麦克唐纳道格拉斯自动化公司与c a m i 开发的 c a p p c a m i 系统，英国曼彻斯特大学开发的a u t o c a p 系统等都是典型的派生式c a p p 系 统。派生式c a p p 系统实质上是根据零件编码检索出标准工艺，并在此基础上进行编辑 修改，系统构建容易，有利于实现工艺设计的标准化和规格化，而且有较为成熟的理论 基础( 如成组技术等) ，故开发、维护方便。变异设计的思想与实际手工工艺设计的思 路比较接近，故此类系统比较实用，发展较快，取得了一定的经济效益。 7 0 年代中后期，美国普渡大学的w y s k 博士在其博士论文中首次提出了基于工艺决 策逻辑与算法的创成式c a p p ( g e n e r a t i v ec a p p ) 的概念，并开发出第一个创成式c a p p 系 统原型一a p p a s ( a u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n ga n ds e l e c t i o n ) 系统，c a p p 的研究进入了 一个新的阶段。创成式c a p p 系统能根据输入的零件信息，通过逻辑推理、公式和算法 等，做出工艺决策而自动地生成零件的工艺规程。创成式c a p p 系统是较为理想的系统 模型，但由于制造过程的离散性、产品的多样性、复杂性、制造环境的差异性、系统状 态的模糊性、工艺设计本身的经验性等因素，使得工艺过程的设计成为相当复杂的决策 过程，实现有一定适应面的、工艺完全自动生成的创成式c a p p 系统具有相当的难度， 已有的系统多是针对特定的零件类型( 以回转体为主) 、特定的制造环境的专用系统饰1 。 鉴于创成式c a p p 系统设计开发中的困难，随后研究人员提出了混合式c a p p ( h y b r i d c a p p ) 系统，它融合了派生式和创成式两类c a p p 系统的特点。混合式c a p p 系统常采 用派生的方法首先生成零件的典型加工顺序，然后再根据零件信息，采用逻辑推理决策 的方法生成零件的工序内容，最后再人机交互式地编辑修改工艺规程。目前混合式的 c a p p 系统应用较为广泛。 进入8 0 年代，研究人员探讨将人工智能( a i ) 技术、专家系统技术应用于c a p p 系 统中，促进了以知识基( k n o w l e d g e b a s e d ) 和智能化为特征的c a p p 专家系统的研制。 专家系统c a p p 与创成式c a p p 系统主要区别在于工艺设计过程的决策方式不同：创成 式c a p p 足基于“逻辑算法+ 决策表”进行决策，专家系统c a p p 则以“逻辑推理+ 知识” 为核心，更强调工艺设计系统叶1 工艺知识的表达、处理机制以及决策过程的自动化。1 9 8 1 年法的d e s c o t t e 等人丌发的g a r i 系统是第一个利用人：l ：智能技术开发的c a p p 系统 原犁，该系统采用产牛式规则束存储加：( 知识并可完成加l ：疗法选择和工序排序作。 i q 自仃已有数百套专家系统c a p p 问世，其中较为著名的足f | 奉东京大学开发的t o m 系统， 英幽0 m l s t 大学开发的x c u t 系统以及扩充后的x p l a n 系统等。 2 第一章绪论 8 0 年代中后期，随着c i m 概念的提出和c l t d s 在制造领域的推广应用，面向新的制 造环境的集成化、智能化以及功能更完备的c a p p 系统成为新的研究热点，涌现出了集 成化的c a p p 系统，如德国阿亨工业大学e v e r s h e i m 教授等开发的a u t o t a p 系统；美国普 渡大学的h p w a n g 与w y s k 在c a d c a m 和a p p a s 系统的基础上，经扩充推出的 t i p p s ( t o t a l l yi n t e g r a t e dp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m ) 系统就是早期集成化c a p p 系统的典 范。 进入9 0 年代，随着产品设计方式的改进、企业生产环境的变化以及计算机技术的 进步与发展，c a p p 系统体系结构、功能、领域适应性、扩充维护性、实用性等方面成为 新的研究热点。例如基于并行环境的c a p p 、可重构式c a p p 系统、c a p p 系统开发工具、 面向对象的c a p p 系统、c a p p 与p p s 集成均成为c a p p 体系结构研究的热点。人工神经网 络( a n n ) 技术、模糊综合评判方法、基因算法等理论和方法也已应用于c a p p 的知识表 达和工艺决策中。与此同时，c a p p 系统的研究对象也从传统的回转体、箱体类零件扩大 到焊接、铸造、冲压等领域中，极大地丰富了c a p p 的研究内涵。 1 2 2c a p p 技术在国内的发展 我国c a p p 技术的研究和应用起于二十世纪八十年代初，国内高校和企业先后开发 了上百种c a p p 产品。 c a p p 技术在国内2 0 多年的历史发展中，出现了四代产品。 第一代产品：1 9 8 2 - - 1 9 8 5 年期间，基于智能化和专家系统开发的c a p p 系统n 3 。此类 c a p p 系统片面强调工艺设计的自动化，但因工艺设计的特点决定了自动化的c a p p 系统 存在很大的局限性，无法满足企业对通用c a p p 系统平台的需求。近年来，以自动化为 唯一目标的c a p p 研究开发状况已经使人们对c a p p 研究与开发现状产生怀疑。到目前为 止国内尚没有真正商品化的c a p p 专家系统问世，很多研究机构已停止了此种模式的丌 发。 第二代产品：1 9 9 5 - 目前，鉴于低端数据库( f o x p r o 等) 开发的c a p p 系统。这一类 c a p p 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，而不应该 以卡片为基础。基于f o x p r o 等低端数据库的c a p p 系统所处理的数据和生成的数据都是 基二r 数据库的，但凶为丌发技术所限很难做到“所见所得”，系统的实用性很差。凶此 1 艺卡片的生成是由程序来完成或足在c a d 中生成。其优点具备了数据库系统的特点， 符合工艺数据管理的特点，但| 犬| 为不是交互式设计方式，不能作为平台类软件，实片j 性 不强，推广和使用受到了很人f 勺限制。作为商品化软件，大部分商业软件公司已放弃了 此种丌发模式。 3 人迩交通人学lw 硕十学位论文 第三代产品：1 9 9 6 - 目前，基于a u t o c a d 或自主图形平台丌发的c a p p 系统，采用c a d 技术开发了一些c a p p ，它解决了实用性问题，但却忽视了最根本的问题：工艺是以相关 的数据为对象的，而不是以卡片( 图形数据 为对象的。此类c a p p 是基于文件系统c a d 技术开发的，特别自主c a d 平台软件，文件格式采用了非标准的自定义格式，信息的交 换存在严重的问题。工艺文件作为图形信息保存，描述的是工艺文件的图形拓扑关系， 其数据是分散在各个卡片中的，很难集中管理，且它的集成和开发必须依赖自身的系统。 实际上己成为企业信息化建设的障碍。 第四代产品：1 9 9 8 - 目前，安全基于数据库，采用交互式设计方式、注重数据的管 理与集成的综合式平台类c a p p 系统。此类系统集中了第二、第三两代系统的优点，是 国内外c a p p 学者公认的的最佳开发模式，同时满足了特定企业、特定专业的智能化专 家系统的二次_ 歼发的需要。c a p p 系统的全部数据都是存储在数据库中；所有的数据库的 结构都是开放的；可以与其他系统进行数据和文档级的集成；可多层次使用和管理工艺 数据1 ；可满足不同用户不同专业的特殊要求；可输出满足用户要求的各种工艺b o m ， 供企业的生产、计划、调度、财务等部门使用；“所见所得 的操作界面，更符合工艺 设计人员工作习惯。 1 2 3c a p p 研究发展的趋势 伴随着对制造业的国民经济基石地位和作用的重新认识，制造业受到了前所未有的 重视，正经历着巨大的变革。一些新的制造技术、产品设计制造模式以及生产组织形式 相继提出并得到了不同程度的应用实施。这些不断发展的新的制造技术、制造模式以及 生产组织形式对c a p p 提出了更高的要求，赋予了它新的内涵。 ( 1 ) c i m s 环境下的c a p p c i m s 作为一种新的生产组织原理和概念指导下形成的新型制造模式，把各个分散 的独立的自动化孤岛，通过相关技术集成为一个优化的整体。c i m s 的集成包括物理集 成、功能、信息集成，其中最重要的是信息集成。c i m s 的核心思想是通过各单元的信 息集成、信息共享实现系统整体的高效率、高质量。c i m s 环境下的c a p p 系统不仅具 备工艺规划的能力，还提供了良好的接口，以实现与c a d 、c a m 、m i s 肌r p l l 、c a q 等子系统的信息集成。它能在工艺设计过程中根据其它系统的各种反馈信息，如生产计 划情况、设备负荷率、制造资源变动情况、加工现场出现的质量问题等，实现动念设计。 从系统的、全局的角度进行工艺设计和调整，实现整体的优化，不再局限于工艺设计的 局部。 ( 2 ) 并行。t ：程( c e ) 环境下的c a p p 4 第一章绪论 并行工程是指集成地、并行地进行产品及其相关的各种过程( 包括制造过程和支持 过程) 一体化设计的系统方法，以达到提高产品开发全过程( 设计工艺制造服务) 的质量，降低产品整个生命周期的成本和缩短产品开发周期的目的。 并行环境下的c a p p 系统具有如下主要的特点： 为产品设计提供反馈信息，支持面向制造的设计( d f m ) 、面向装配的设计( d f a ) 。 c a p p 系统提供的反馈信息主要包括产品设计的合理性、产品的可制造性、可装配性评 价、加工经济性分析、产品制造时间估算等，要充分考虑到质量、成本、效率等。 能对车间制造资源能力的变化做出及时反应，以满足车间作业计划与生产调度的要 求。传统的c a p p 系统一般只考虑静态的制造资源，没有考虑制造资源的动态变化性。 在安排生产作业计划时，由于设备故障或工艺规程中指定的设备负荷过大，c a p p 系统 中制定的工艺规程就不再是优化的，甚至是不合理的。因此，在并行工程环境下，c a p p 必须考虑车间底层实时的制造资源信息，集成c a p p 与生产作业计划系统。 c a p p 在信息集成的基础上，实现与其它相关过程的功能集成。与c a d 、c a m 、c a q 、 m r p i i 等协同工作，动态进行信息的双向交互，协同决策，即c a p p 是面向产品开发的 全过程，实现全局的优化。 ( 3 ) 敏捷制造( a m ) 环境下的c a p p 敏捷制造是指在一种持续变化和不可预测的市场竞争环境中，通过集成企业组织、 技术和信息资源，构造一种能够对市场需求做出快速响应的柔性生产组织方式和虚拟制 造环境，以共同盈利( w i n w i n ) 为原则，通过协作生产方式组成敏捷虚拟企业( a v e a g i l e v i r t u a le n t e r p r i s e ) ，以实现在日趋激烈的全球化市场竞争中求得生存和发展。敏捷 制造是基于各种先进制造技术支持的未来制造企业的发展战略，被称为2 1 世纪企业的 主要模式。 敏捷制造环境下的c a p p 系统具有如下的特点和要求： 面向多样化产品类型的工艺过程设计。敏捷制造环境下，要求c a p p 系统必须突破 传统工艺设计中对特定零件类型的设t t - j l ：发模式，满足市场对多元化、个性化、定制化 产品的需求。 快速适应产品需求变化和相心更新工艺过程没计。敏捷制造环境下，快速多变的用 户产品需求和对产品质量、成本、交货期等的满意程度是其显著特点。凶此，要求c a p p 系统具有快速、柔性地适应产品需求变化和基于产品设计需求快速更新工艺设计的能 力。 具有了下放式的系统结构和支持氽、i 匕协作化生产。敏捷制造环境卜，产品设计和制造 通常足由分布在d l 亓l 区域的多个氽、i p 力作完成，生产组织结构出静念转向动态、由封闭 5 人_ 迕交通人学i ：稃硕十学何论文 型发展为丌放型。因此要求与之相适应的c a p p 系统结构必须由传统的集中式向分布式、 多元化、协同化的方向发展。工艺设计过程也由传统的线形工艺设计向柔性工艺设计、 动态工艺设计、实时工艺设计方式转变，以适应敏捷环境中多企业或部门间协同化生产 的需求。 基于广域制造资源进行工艺过程设计。敏捷制造环境下，支持工艺过程设计的制造 资源可以基于多个企业来完成，使工艺设计过程由传统的单一企业中局部寻优转向联盟 企业中的全局优化，有利于生成多种可选工艺设计方案，c a p p 系统具有根据不同企业 对“顾客定制化产品”的工艺设计反馈结果进行综合评价的能力，以获得最佳的满意解。 ( 4 ) 先进制造技术( a m t ) 环境下的c a p p 先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理 等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的 制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，并取得理想技术经济效果的 制造技术的总称。先进制造技术是传统的制造技术与现代高新技术结合而产生的一个完 整的技术群，是面向2 l 世纪的新的技术体系。 先进制造技术下的c a p p 除了一般的工艺规划、与其它系统的信息集成的功能以外， 还具有以下的主要特点和要求： 支持并行工程。为产品设计提供反馈信息，支持面向制造的设计( d f m ) 、面向装 配的设计( d f a ) 等。 支持绿色制造。先进制造技术特别强调环境保护，实施绿色制造，使产品从设计、 制造、包装、运输、实用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响最小，资源 消耗最少。c a p p 支持绿色制造，必须进行绿色工艺规划，即根据制造系统的实际，尽 量研究和采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。除 了考虑可制造性原则和经济性原则外，还需要考虑绿色工艺设计原则，包括：资源消耗 最少原则，通过合理选择工艺方案，尽可能减少加工过程的原材料消耗；能源消耗最少 原则，尽量减少整个加工过程中的能源消耗，尤其是不可再生能源的消耗；环境污染最 小原则，合理选川切削液、润滑液等，减少加工过程对自然环境的污染；劳动保护原则， 尽量选用对劳动者身心健康损害较小的加工方法原则。 支持人机l 二程。先进制造技术特别强凋人的主体作用，以人为主体，以计算机技术 为支柱，实现人、技术、管理的有机结合。对其中的单元技术c a p p 也不例外，要求c a p p 具有良好的人机界嘶，使制造技术肇础没施群的j 作人员培训和教育简单化、宜人化。 6 第一章绪论 1 3c a p p 系统的意义 计算机辅助工艺过程设计无论是对单件小批生产还是大批量生产都有重要意义n 1 。 ( 1 ) 提高工艺过程设计工作效率 计算机辅助工艺过程设计可以减少工艺工程师大量繁重的重复劳动，利用成组技 术、人工智能、专家系统等技术，减少工艺过程设计上所需的某些人工决策，降低对工 艺人员的技能要求。通过与c a d 、e r p 等系统的集成，实现数据共享，减少数据的重复 录入。 ( 2 ) 提高工艺过程设计质量 计算机辅助工艺过程设计可以保证工艺师编制出一致、合理的工艺过程，减少设计 过程中认为因素的影响，能够有效的减少工艺师在设计过程中出现的错误，提高了工艺 过程的设计质量，进而为提高产品的质量提供有效的保证手段。 ( 3 ) 缩短生产准备周期 产品的开发周期包括设计、生产准备、加工制造、报废处理等四大阶段，其中生产 准备阶段包括工艺过程设计和工装设计。人工设计工艺过程速度较慢，不能满足当前产 品更新换代、市场变化的要求。使用计算机辅助工艺过程设计能大大地缩减生产准备周 期，从而缩短了产品的开发周期，提高了对市场变化的响应速度和竞争能力。 ( 4 ) 减少工艺过程设计费用和制造费用 应用计算机辅助工艺过程设计，企业可以有效地提高工作效率，缩短产品开发周期， 提高工艺设计质量，减少存在的错误，提高产品的成品率，使生产费用、产品成本大为 减少。 7 人_ 迕交通人学l j 利硕十学何论文 第二章c a p p 技术研究 2 1c a p p 系统的支撑技术 2 1 1 零件信息描述与输入 各类c a p p 系统其工作过程可用如图1 1 所示的框图抽象地表示，在计算机硬件、 软件系统支持下和在资源及标准约束控制下，将输入信息通过不同机制转变成所需的文 档。简明、准确描述零件信息是实现c a p p 系统的前提条件和c a p p 系统进行工艺决策分 析的可靠保证，也是c a p p 系统运行的基础和依据，同时对于c a p p 系统的输出质量和运 行效率也具有决定性的影响阳1 。 资源标准规范 零件信息v 一一丫 磊磊日_ 转变吱- - 堡箩 设也墅一 鞭义 ! 一p l 一一 计算机软硬件支撑 图2 1c a p p 系统上作过程 f i g 2 1t h ew o r kp r o c e s s i n go fc a p ps y s t e m 上图中的零件信息包括几何信息和工艺信息，几何信息就是零件的图形信息，其包 括零件的几何形状、尺寸等；工艺信息包含零件各表面的精度、粗糙度、热处理要求、 材料和毛坯类型等多种信息。 ( 1 ) 零件描述的基本方法 在开发c a p p 系统时，针对不同的零件和应用环境，采取各不相同的零件信息描述 与输入方法。 零件分类编码描述法 一般采用零件分类编码系统，输入零件的编码以及一些补充信息，用零件编码束粗 略捕述零件的形状、尺寸、精度等信息。 形面要素描述法 把一个零件看作是由若t 个基本的几何要素所组成的，几何要素分为主要形面、次 要形面干n 4 i t i 助形面要素，把上述各种形面要素任意组合，对零件的各个形面要素进行编 号，以便能正确地输入零件各形面要素的尺寸、位置、精度、粗糙度等信息，适合描述 和输入l l j j 转体零件的要素，对于非【l j j 转体零件的形面要素描述有一定难度。 8 第一：章c a p p 技术研究 图论描述法 利用图论的基本原理来描述零件的结构形状，即用节点表示零件的形状要素，并赋 以固定代码；用边表示两个相邻表面的连接情况，边上赋值表示两个相邻表面的夹角， 若两表面完全无关时则无边，适用于结构形状较简单、较规则的回转类零件。 面向零件特征要素法 用来描述比较复杂的非旋转体零件，对于这类零件，只要描述零件由哪些特征组成， 以及这些特征的组织关系，就可作出相应的工艺决策。 拓扑描述法 一个零件可以用如点、线、面、体等一组单元来表示，能详尽地描述零件的结构形 状，对于c a p p 系统来说，用于工艺决策的信息不需要如此详细，这种方法描述时很不 方便，并缺少c a p p 所需的工艺信息，主要适用于c a d 系统。 知识表示描述法 采用如框架表示法、产生式规则表示法、谓词逻辑表示法等知识表示法来描述零件 信息，这为整个系统的智能化提供了良好的前提和基础。 直接与c a d 系统相连 基于加工特征的建模系统不但提供了几何拓扑信息，还提供了工艺信息作为工艺决 策的依据，实现了c a d c a p p 二者之间的信息共享o 综上所述，在众多的零件信息描述与输入方法中，适合于轴类零件的较多，适用于 箱体类零件的较少。 ( 2 ) 零件图形输入方法 回转体零件通常是指轴类、盘类、套类、环类、垫类等旋转类零件，它们的共 同特点是形状比较简单，整个零件可以看成若干个形体要素的组合，其零件图形的输入 方法有基于形面要素法、基于信息树的零件描述与输入法。 非回转体零件主要是指箱体类及板、杆类零件，这些零件结构复杂，形面参数 繁多。目前，箱体类零件信息描述应用较多的是多层次多方位特征描述法。其主要的思 想是：箱体类零件有符干方佗而组成，零件的各形面都分布在各方位面忙，以零件各个 方位面作为基本描述单元，采用面向零件特征的方法完成对零件形面的描述。 2 1 2 成组技术 成组技术是一一门尘产技术科学。利用事物的相似性，把相似问题归类成组，寻求解 决这一类问题相埘统一的最优方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益1 。 零件分类编码系统是代表零件的设计和制造的特征符号所组成的，在成组技术的 实际应用中，有二三种基本编码结构： 9 人迮交通人学i ：群硕卜学位论文 ( 1 ) 层次结构 在层次结构中，每一个后级符号的意义取决于前级符号的值，这种结构亦称为单码 结构或树状结构。由层次代码组成的层次结构具有相对密实性，能以有限个位数传递大 量有关零件信息。 ( 2 ) 链式结构 在链式结构中，那些有序号的意义是固定的，与前级符号无关，这种结构亦称为多 码结构。它可以方便地处理具有特殊属性的零件，有助于识别具有工艺相似要求的零件。 ( 3 ) 混合结构 工业上大多数商业零件编码系统都是由上述两种编码系统组合而形成的混合结构。 混合结构具有单码结构和多码结构共同的优点。由德国a a c h e n 工业大学提出的0 p i t z 编码系统、日本通产省机械技术研究所提出的k k 一3 编码系统以及我国原机械工业部为 在机械加工中推行成组技术而开发的j l b m - 1 编码系统都是混合结构的编码系统。 c a p p 系统的成组工艺设计是建立在零件分组的基础上的，零件分组是推行成组技术 过程中的一项重要工作，它是多品种小批量生产企业实现生产合理化的基础。零件的分 组可归纳为4 种，即结构相似零件组、工艺相似零件组、统一调整零件组以及同期投产 零件组。实施c a p p 系统的成组工艺设计就是要根据分类编码系统划分工艺相似零件组， 利用分类编码原理进行工艺相似零件的分组方法有2 种：特征数位法和分类码域矩阵法。 而用生产流程分析原理划分工艺相似零件组又有多种方法，包括卡片法、核心机床法， 聚类分析法。 零件分组后便可以实施成组工艺设计。基于成组技术的capp 工艺设计包括工艺 设计的标准化和自动化。成组工艺设计是实现工艺标准化的主要方法，是以结构相近的 若干零件组成的零件加工族为工艺对象。基本做法有复合零件法和复合工艺路线法。 复合零件法。在结构相似的零件加工族中，产生一个虚拟零件，这个虚拟零件必须 拥有同族零件的全部待加工的表面要素，然后按这个虚拟的零件进行工艺设计。 复合工艺路线法。这一方法是复合零件法的变通。对于非回转体结构的零件加工族， 要想产生一个虚拟零件，有一定的难度，这时可用复合工艺路线法，从族内找出一个 结构最复杂，工艺路线最长的零件作为代表，然后，将族内其他零件有的而代表零件 没有的工序也加入，获得。条满足全族零件加j i ：要求的复合工艺路线。 ( 4 ) 应用成组技术丌发ca pp 系统的基本过程 选择编码系统对企业生产产品零件进行编码。选择零件分类编码系统，最好需用 已有的比较成熟的系统，如果选择不到比较适合本企业生产零件的结构特点和要求的编 码系统，可以选用一个编码系统作基础，作局部修改。 1 0 第：章c a p p 技术研究 建立相似零件族。用成组技术分组方法划分零件族，划分零件族的依据和标准是 零件的功能、结构形状相似性，工艺过程相似性等。 确定相似零件族的复合零件。根据所划分的零件族，绘制出包括族内所有零件结 构和加工表面要素的复合零件。 建立相似零件族成组工艺卡片。依据所建立的相似零件族，制定包括全族零件所 有零件加工工艺过程的工艺路线，得到满足全族零件的成组工艺，在此基础上，编制 工艺过程工序卡片，形成标准工艺。 加工件工艺文件的生成。将标准工艺输入计算机系统数据库，被加工工件依据编 码码值，可以从数据库检索出标准工艺，当不存在加工件的工艺时，可以补充输入加工 件的信息进行工艺的创成，并可进行人机交互，对输出工艺进行编辑和修改以符合实际 需要。这样的系统是派生式和创成式相结合的综合系统。然后对有关参数如加工余量、 切削用量、工时定额等进行运算，最后，按一定格式打印输出相应的工艺文件。 2 1 3 工艺决策技术 。 工艺决策指生成零件的工艺路线或工艺过程，即如何生成零件的加工顺序以及工序 与工步的次序，是c a p p 系统的核心和基础。作为c a p p 主要任务之一，工艺决策不但与 产品或零件的类型、几何形状、加工要求、材料类型、毛坯形状、热处理要求等因素有 关，还与零件的加工方式、定位装夹方式、工序集中与分散程度等诸多因素有关8 。 ( 1 ) 工艺决策及推理 工艺决策中的知识包括选择型决策逻辑、规划型决策逻辑以及加工方法知识。选择 型决策逻辑包括毛坯类型及其尺寸的选择，加工方法的选择，机床及工、夹、量具的选 择等：规划型决策逻辑包括工艺路线安排，工序中加工步骤的确定等；加工方法知识包 括加工能力、加工限度、预加工要求等。 工艺过程设计的目标是产生工艺规程，而同一零件可以采取不同的加工方法达到设 计要求，因而同一零件的工艺规程又可以不同。故工艺推理不宜采用目标驱动模式( 方 向推理策略) ，而适宜采用数据驱动模式( 币向推理策略) ，即从零件的毛坯丌始，根 据零件的基本信息调用工艺决策知识逐步形成工艺规程。 ( 2 ) 工序决策 工序决策是t 序设计的重要内容。首先对零件信息进行分析与理解，利用基于特征 的产品建模技术，在特征与零件切削表面之l 日j 建立内在的联系。工序决策是根据特征识 别结果束确认零件切削表面的信息，将确认的零件信息与企业的资源进行匹配，选择典 犁的加工方法；根据定位基准的选择原则，选定粗、精加：i ：基准，合理编h d j u - _ ej j l 页序； 最后调出系统内预先建立的机床数据库和工装数据库，将数据库提供的机床规格及平均 人近交通人学i 仔ii 硕十学1 _ 7 = 论文 经济j h _ q 2 精度信息与所选择的加工方法信息进行比较，作出机床选择决策；再根据零件 信息和选择的加工方法和预先建立在工装数据库中的信息相比较，作出工艺装备选择的 决策。 ( 3 ) 工艺尺寸确定 工艺尺寸确定包含了加工余量的选择、工序间尺寸和公差的确定等内容。从机械制 造工艺学的角度来看，加工余量值及工序间尺寸公差值对于机械加工的质量、生产率、 成本均会产生影响，而且三者问还会互相影响。 加工余量中即有系统误差，也有随机误差，在计算加工余量是可用概率法来综合分 析，但必须有充分的资料及统计数据，计算也复杂。所以除了特别重要关键零件或大批 量生产的少数情况下，目前大多数工厂采用查表与经验相结合的方法。工序间尺寸的计 算一般采用“由后往前 的办法，先按零件图的要求，确定最终工序的尺寸及公差，在 按选定的加工余量推算出前一道工序的尺寸，而公差则是按本工序加工方法的精度确 定。 ( 4 ) 工艺参数决策 在进行工艺参数决策时，要综合考虑多方面因素，努力求的各切削参数的优化组合， 在c a p p 系统中常用的方法是预先建立适应本企业的切削用量数据库以供决策时使用。 2 1 4 工艺数据库 ( 1 ) 工程数据定义 工程数据是指c a d c a p p c a m c a e 应用的数据，包括在产品的整个生命周期中设计、 制造、供销、售后服务等诸进程中要用到的各种类型数据。 集成化、智能化、网络化、可视化c a d c a m 系统中的数据类型包括： 工程设计和分析数据。其中一部分是各种设计规范和标准以及产品的技术参数， 这些数据是供设计过程中选用的静态数据；另一部分是设计过程中生成的数据，如产品 的结构分析、性能分析、图形、尺寸公差、技术要求、材料热处理等数据，这些数据具 有高度的动态性。 产品模型数据。包括基本体素，产品零、部件的几何拓扑信息，零部件的整体几 何特征信息，几何变换信息和其他特征信息，这类数据量大，数据结构复杂。 产品图形数据。零件图、部件图、装配图和工序图的数掘。 专家知识和推理规则。主要包括智能c a d 、c a p p 系统中专家的经验知识和推理规 则。 产 的加工数据。在计算机辅助制造中，需要查找一系列的标准和工艺数据，同 时还，卜成人量的加j 【数据，这些数掘具有动态性。 1 2 第二章c a p p 技术研究 ( 2 ) 工程数据特点 集成化、智能化、网络化、可视化c a d c a m 系统中的工程数据具有下列特点： 数据结构复杂。机械产品设计的数据，除结构化数据外，还有图形、文字、n c 加工指令等非结构化数据。 数据联系复杂。在数据元素之问存在复杂的联系，如l 对l 、1 对多、多对多的 联系等。 数据一致性的实时检验。工程数据中存在着从产品的初始模型推导出的二次数 据，一旦初始模型被修改，导出数据也就失败，需要重新计算，用新的数据取代失效的 数据，以保持数据库中数据的一致性。 数据的使用和管理复杂。数据库即要处理设计过程中的图形数据和非图形数据， 还要便于查找、调用、存储和组织这两类数据。 ( 3 ) 工艺数据 工艺数据是指在工艺设计过程中所使用及产生的数据，从数据性质来看，它包括静 态和动态两类数据。静态工艺数据主要涉及到支持工艺设计过程中所需的相关数据，常 由加工材料数据、加工工艺数据、机床数据、工、夹、量具数据、工时定额数据、成组 分类特征数据及已规范化的工艺规程及工艺术语数据等数据组成，并形成相应的工艺数 据库的子库：动态工艺数据主要是指在工艺设计过程中产生的相关信息，其中大量的是 工艺设计中问过程的数据，零件图形数据、工序图数据、最终的工艺规程以及n c 代码 等。工艺数据是工程数据的一个子集，具有工程数据的数据类型复杂、动态数据模式和 数据结构复杂等独特的特点。 ( 4 ) 工程数据库 c a d c a p p c a m 集成系统由于其工程背景