（机械制造及其自动化专业论文）基于三维实体模型的capp系统研究与开发.pdf

abstract abstract computer aided process planning (capp) is the bridge of cad database layer and interface layer include the data base management system and other support system, in order to offer the support of the environment 湘潭大学硕士学位论文 systematically; function layer system core layer, divide into information processing module, craft make policy with craft file turning into module. the main function of the part information-processing module is to deal with the information of the part, offer the necessary information source for the fact that capp systematic craft makes policy. to facilitate organization of information and manage, according to products- part- hierarchical structure of characteristic, design this module as three pieces of sub module of product information, information of the part and characteristic information, used for dealing with the affiliated product information of the part, overall information of the part and characteristic information of the part separately. craft make policy with craft file turning into functioning of module according to part information processing part message that module input, use the knowledge base of the craft and make the resources bank to design and design with the process the craft course, and output the decision result of the craft as the craft file. 湘潭大学硕士学位论文 the 3rd chapter parts information the information of the part is divided into information of geometry and craft information. the information of geometry includes form information, size information and topological information of the part, etc. this kind of information is set up automatically by cad system in the course of formulation of the part model, can utilize ug/open api function to be drawn out directly. such contents as craft information including roughness of public errand, surface, heat treatment, production type , name of product , part name , material ,etc., having project meaning on the senior level, this kind of information only lacks some contents, can be drawn from the three-dimensional model such as the part name, part weight, the majority needs to supplement introduction in mutual way. in order to make it convenient for the fact that make information describe to operate with the part information process system interface simply, easy to be understood and mastered by people, divide the information of the part into product information, overall information of the part and characteristic information according to the hierarchical structure of the products - the part - the characteristic . the product information is used for describing the affiliated products of part, including the name of product, type of the products, factory name , production type , designing unit , manufacture unit , applying unit. these some information processing is finished by products informofer module. the overall information of the part includes the type of the part, part picture symbol, part weight, part name, maos of embryo type, material name , material trade mark , heat treatment, production lot , each piece grade content, its information processing is finished by part informofer module . 湘潭大学硕士学位论文 characteristic information include characteristic name, characteristic size, roughness, form public errand, position public errand, its information processing is finished by characteristic informofer module. for the memory and exchange of the information of the part, all part information is stored in access database with certain data structure, utilize ado technology to visit, inquire about. manage information to some at the same time, in order to meet different demands of using (such as used in the drawing title board of the project and formulation of the detail fence), still give to the part entity in the form of attribute of the part. according to the information classification of the part, keep among products information table, part information table , form , form public errand form and position public errand form , form of dimensional tolerance and roughness of surface separately different information of part. 湘潭大学硕士学位论文 the 4th chapter systematic database systematic database make by part information storehouse, craft information storehouse , craft knowledge base resources bank make up. part information storehouse, craft knowledge base make data of resources bank the static data among them, they offer the sufficient information source for making policy in craft ; the data of the information storehouse of the craft are the dynamic data, they are some craft schemes formed after making policy in craft . part information storehouse store relevant information that part describe, they come from cad system and human-computer interaction input, it is a foundation of capp systematic craft decision. part information storehouse include products information table, part information table, form, form public errand form and position public errand form, form of dimensional tolerance and roughness of surface having kept the craft result of all parts in the information storehouse of the craft, is very important database in capp system, it and part information , information of storehouse form message source , craft of file with product information. craft information storehouse made up of process form and workers step form, process form write down the process result datum among them, worker step form record finish every all engineer step message of process. it is the foundation of producing the organization and technological design actually to make resources. make with what enterprise have now resource is it is it meet craft, part of specification requirement scheme capp a principle that system must be followed to turn into to make policy. manufacture resources used in the craft makes policy are mainly as follows, resource of the lathe, resource of the cutter, resources of the measuring tool, resource of the jig and processing resources of the workshop ,etc. 湘潭大学硕士学位论文 craft knowledge base is it process regular form, basic data list collect with craft method form collecting etc. to include mainly, it is a foundation of capp with intelligent system. among them process the regular form and store some rules needing using in craft design process mainly. basic data list is it store some standard basic data mainly to collect, including public errand form, form of dimensional tolerance and location of shape, cut parameter form, process surplus form, etc., one that is in database concrete to change corresponding data list of form into existing craft design manual or national standard data chart of the manual only when realizing. craft method form collect mainly including process name form, mechanical processing method form, method of inspection form, level process chain form, center bore process the chain form. 湘潭大学硕士学位论文 the 5th chapter process decision and files creating considering the complexity of technological design, under the existing technology condition, it is almost impossible to want the computer to totally produce the craft rules of the part automatically. so capp system that this text developed, proceeds from practical angle of factory mainly, regarding offering a handling tool as the goal, its craft decision-making process is finished by human-computer interaction mainly. the system, according to geometry information drawn from cad system and craft information which users supplement while information describes at first, use the knowledge base of the craft and make the resources bank to design and design with the process the craft course. then editors craft content, after the editor finishes, keep the technological design result to the information storehouse of the craft on the craft structure tree, and export in the form of craft file. to facilitate the decision craft course of human-computer interaction, the system adopts the tree-like structure to express the processing technology course of the part. there are a lot of types of the craft file, this system only studies the course card of the craft and formulation technology of the process card. system utilize ug drafting (project picture ) platform offer module is it realize craft formulation , course of card to come mainly. first of all, drafting in ug newly build one drawing target among the module, and turn on it, as the carrier of course card of craft; then, write from keeping the file of the card template of the craft into the card template; transfer tree , attribute of part and structure of craft fill in form , utilize drafting module finish craft form, course of card deal with and the file is managed finally, all above-mentioned course are finished automatically by the procedure . 湘潭大学硕士学位论文 to the process card, besides using the technology of the manufacturing engineering course card of machinery to turn into the information of the chart and craft content, still need to add the process picture. because of processing the variety of the position, produce the process picture automatically on the process card, still it is difficult to realize through the procedure. system this after turning into process card, utilize ug drafting module add view function is it realize process picture add to come. after adding various kinds of views needed on the card, utilize strong two-dimensional treatment ability of drafting module, carry on various kinds of editors to the view. 湘潭大学硕士学位论文 the 6th chapter summary by analyzing the basic principle, design method, development mode , research dynamic status of capp, the idea of capp based on system of three-dimensional cad platform is provided in the text. the concrete working content is summed up as follows: （1）using ug future develop tools , vc +6. 0, access, ado database access technology and the technology of dynamic link library, structure the overall frame of ug-capp, and has designed the part information processing module and the process decision and process file module in detail. this system runs in the ug platform, takes up a little memory, help cad/capp/cam to integrate. （2）have studied the description of part information in the capp system, and divide the information of the part into two parts of geometry information and process information. to the information of geometry, utilize feature technology to draw from three-dimensional cad system directly. to process information, input through human-computer interaction. the part information models structured are kept in access database, input as capp information of system, thus solved the information integration problem among cad and capp system, establish the foundation that capp and pdm are integrated. （3）have analyzed the access method in database structure and database of capp system, have set up information data model of the part , process data model and the manufacture resources database ,such as lathe , cutter , measuring tool ,etc. have exchanged information and realized the information sharing between different module of capp system and between different systems through the unified and open database structure. （4）according to the process designers work habit, express the process route of the products with the tree type structure, reflect of the 湘潭大学硕士学位论文 process structure tree by craft processing method , craft person who equip information turned into to make policy, the structure is clear , well arranged, uses course finding namely income, this has not found the relevant report in existing documents. （5）have studied the method to the card template, creating the process file and deal with process figure among ug environment. have realized the relation of the process figure and three-dimensional model in the process card, file turn into and process graph processing. have offered a method to solve some key problems in the capp system such as creating the process file and dealing with process figure at the same time. 湘潭大学硕士学位论文 第一章 绪论 capp 即计算机辅助工艺设计，是英文 computer aided process planning 的缩写。 它是运用计算机技术辅助工艺设计人员进行工艺 规划的一种技术，是以计算机技术为支撑的信息时代环境下的产 物。与传统的工艺设计方法相比，capp 在设计方法、设计过程、设 计质量和设计效率等方面都发生了质的变化。 随着制造业信息化建设的发展，cadcapp/ cam 系统集成在 cims 中的地位愈发重要，而 capp 系统又是 cadcapp/ cam 系统集 成的重要组成部分，是连接 cad/cam 的桥梁。不仅如此，随着敏捷 制造（am） 、虚拟制造（vm） 、智能制造(im)、并行制造（ce） 、精 益生产（lp） 、及时生产(ap) 1-5等先进生产模式的提出与逐步实施， capp 己成为制造企业各部门产品信息交汇的重要枢纽， 是制造企业 实现生产现代化的必由之路。 然而， 在 cax 的发展过程中， 尽管 cad、 cam、cae 和 pdm 等单元技术发展迅速，但作为 cad/cam 连接桥梁的 capp 却发展较慢，已成为企业信息集成的技术瓶颈。因而，capp 己成为当今国内外先进制造与自动化技术领域的研究热点。 1.1 capp 的基本原理 在传统的手工工艺设计中，工艺人员进行工艺设计通常要经过 以下几个过程 6： （1）根据产品图样，分析产品零件的结构特点以及技术要求。 （2）了解产品的纲领及批量。 （3）进行工艺决策，确定加工方法和工艺路线。 （4）根据企业的实际情况，选择机床设备和工艺装备，确定 切削用量和工时定额。 （5）按规定格式生成工艺规程。 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，利用产品零件的数据信息建立零 件信息数据库；第二，建立工艺决策所需要的各种工艺知识库，包 湘潭大学硕士学位论文 括工艺人员的工艺经验和工艺知识；第三，根据工艺知识库进行工 艺决策，第四，生成工艺文件。 通常，一个完整的 capp 系统包括零件信息的输入、工艺决策、 知识库的建立以及工艺文件的生成四大部分。其中，零件信息的输 入、工艺决策、知识库的建立被称作是 capp 系统的三大任务 7。 1.2 capp 的设计方法 capp 自诞生以来，国内外学者一直在探求其设计方法，以满 足工艺设计的需要。目前，计算机辅助工艺设计在工作原理上可分 为派生法(variant)、创成法(generative)和人工智能(artificial intelligent)三种方法 8。 1.2.1 派生式方法 派生式方法是利用成组技术(gt)原理，将零件按几何形状及工 艺相似性分类成族。每一族有一个典型样件，根据此样件建立典型 工艺文件，存入工艺文件库中。当需要设计一个新零件的工艺规程 时，按其成组编码，确定其所属零件族，由计算机检索相应的零件 族的典型工艺，再根据零件的具体要求，对典型工艺进行修改，最 后得到此零件的工艺规程。其系统工艺流程如图 1-1 所示 9。 输 入 零 件 编 码 搜 索 零 件 族 检 索 标 准 工 艺 编 辑 、 修 改 满 意 工 艺 文 件 输 出 零 件 族 矩 阵 库 标 准 工 艺 库 工 艺 数 据 库 图 1-1 派 生 式 c app系 统 流 程 图 否 输 入 零 件 编 码 搜 索 零 件 族 检 索 标 准 工 艺 编 辑 、 修 改 满 意 工 艺 文 件 输 出 零 件 族 矩 阵 库 标 准 工 艺 库 工 艺 数 据 库 图 1-1 派 生 式 c app系 统 流 程 图 否 湘潭大学硕士学位论文 派生式 capp 有如下特点： （1）派生式系统是利用零件间的相似性，检索已存储的零件 族的标准工艺。因此，计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准 工序，而不是工艺决策逻辑。 （2）从设计角度看，与常规工艺设计的类比设计相同，也就 是用计算机模拟人工设计的方式，所继承和应用的是标准工艺。这 种系统知识源的划分比较粗大，不利于工艺设计知识源的开发，而 且系统柔性和移植性差，自动化水平不高。 （3）系统原理简单，容易开发，而且发展较早，在应用方面， 目前还有一定的优势，但暴露出很多难以克服的缺点： 首先，零件的形状千变万化，存贮于系统的标准工艺不可能包 罗万象，遇到形状怪异的零件，系统很有可能得不出结果。 第二，科学技术突飞猛进，机械加工的设备和工艺水平也在不 断地更新和改进，因此标准工艺文件不久便显得陈旧、落后，不能 适应现代化生产的要求。 第三，修订具体零件的工艺规程受人的经验思维与判断的影响 较大。 1.2.2 创成式方法 为克服派生式 capp 系统的缺点，国外学者从 70 年代开始进行 创成式 capp（generative capp）系统的研究，它的问世是 capp 发 展史上的一次飞跃。图 1-2 是这类 capp 系统的一般流程 9。 由图可以看出，这种方法不需要存储任何标准工艺，完全根据 输入的零件信息，依靠知识规则，按逻辑算法程序自动创建新零件 的工艺规程。 在创成式方法中，工艺决策的各种决策逻辑存入相对独立的工 艺知识库中，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。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，再在此基础上按照程序所规定的逻辑规则自动生成工艺文 湘潭大学硕士学位论文 件。 创成式 capp 系统的核心是工艺决策规则的制定和有关加工制造 知识的合理描述。如果用过程计算机语言描述决策规则和加工知识 会使得程序复杂且修改困难，因此，创成式 capp 系统的开发必须 用智能性语言(如 lisp 语言和 prolog 语言)把知识库和控制程序独 立起来。 创成式 capp 方法，接近人类解决问题的思维方式，但是工艺 环境的动态性、工艺因素的复杂性、工艺知识的经验模糊性给创成 式 capp 的开发造成了重重困难。目前问世的大多数创成式 capp 系 统仍属于研究阶段的原型系统，而且主要针对回转体零件。从发展 的趋势来看，创成式 capp 必将取代派生式 capp 而广泛应用于企业 生产中，只是其实现还需经历一段艰苦的过程。 1.2.3 专家系统方法 八十年代中期，人工智能技术被引入到创成式 capp 系统的研 究开发中，出现了专家系统方法。 专家系统方法主要由知识库和推理机构成，其知识库由零件设 计信息和表达工艺决策的规则集组成，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。在知识表达 方式上以产生式规则使用最广。近来，框架、面向对象等知识表示 工 艺 数 据 库 工 艺 创 成零 件 输 入工 艺 文 件 输 出 动 态 数 据 库 规 则 库事 实 库 图 1-2 创 成 式 c a p p 系 统 流 程 图 工 艺 数 据 库 工 艺 创 成零 件 输 入工 艺 文 件 输 出 动 态 数 据 库 规 则 库事 实 库 工 艺 数 据 库 工 艺 创 成零 件 输 入工 艺 文 件 输 出 动 态 数 据 库 规 则 库事 实 库 图 1-2 创 成 式 c a p p 系 统 流 程 图 湘潭大学硕士学位论文 方法也渐渐被采用。除了专家系统方法，一些在 ai 领域最新研究 成果也已在工艺规划中得到局部应用(如模糊逻辑和神经元网络 等)。capp 专家系统工作原理如图 1-3 所示 81： 系统各模块的功能如下 10： （1）建立零件模型模块 采用人机对话方式收集和整理零件的设计信息，并以框架形式 表示。 （2）框架信息处理模块 处理所有用框架描述的工艺知识，起到推理机与外部数据信息 接口的作用。 （3）工艺决策模块 即系统的推理机。用于记忆所采用的规则和控制策略的程序， 使整个专家系统能够以逻辑方式协调地进行推理和决策。 （4）知识库 用“产生式规则”表示的工艺决策知识集。 （5）解释模块 系统与用户的接口，解释各决策过程。 （6）知识获取模块 建立零件模型 框架信息处理 数据库 解释模块 工艺决策 （推理机） 工艺文件 知识库 知识获取 知识收集 图1-3 capp专家系统工作原理 建立零件模型 框架信息处理 数据库 解释模块 工艺决策 （推理机） 工艺文件 知识库 知识获取 知识收集 建立零件模型 框架信息处理 数据库 解释模块 工艺决策 （推理机） 工艺文件 知识库 知识获取 知识收集 图1-3 capp专家系统工作原理 湘潭大学硕士学位论文 通过向用户提问或通过系统不断应用，来不断地扩充和完善知 识库。 基于人工智能技术的专家系统，代表一种新的发展趋势，具有 较强的生命力，但由于知识表达的“瓶颈”与推理的“匹配冲突” 至今还没有很好的解决，因此，capp 专家系统方法仍停留在理论研 究和简单应用阶段。 1.3 capp 系统的开发模式 目前，capp 系统的开发模式可归纳为两种 8： 专用型 capp 系统 工具型 capp 系统 1.3.1 专用型 capp 系统 专用型 capp 系统是专门为特定企业开发的 capp 系统。较早开 发的专用型 capp 系统由于没有采用新的 capp 系统设计理论，从体 系结构上看，其程序、数据和知识是固化在一起的，针对性强、可 移植性差。因此很难适应企业产品类型、工艺方法和制造环境的发 展和变化，目前很少再采用这样的开发模式。当前的 capp 系统大 都采用了数据建模、知识抽象和功能分析等新的 capp 系统设计理 论，其程序与数据、知识是分离的。专用型 capp 系统的特点是： （1）针对性强，与企业的实际情况结合的比较好，工艺决策 的质量比较高。 （2）有一定的局限性，更新和扩充困难。 （3）开发周期长。 1.3.2 工具型 capp 系统 与专用型相比，工具型 capp 系统的基本特征是其工艺决策方 法和其它系统功能是通用的，因此它必须采用新的 capp 系统设计 理论。从体系结构上看，工具型 capp 系统可以分为框架型 capp 系 统和开发平台(开发工具)型 capp 系统。 湘潭大学硕士学位论文 框架型 capp 系统提供给用户一个固定的 capp 系统框架，用户 可以通过友好的用户界面根据本企业的实际情况输入数据和知识， 这样就形成了一个面向特定的制造环境和工艺习惯的具体的 capp 系统。 开发平台型 capp 系统并不提供一个固定的系统，而是把 capp 系统的功能分解成一个个相对独立的工具，针对不同的应用环境， 在开发平台上构造符合用户需要的 capp 系统，也可以将开发平台 提供给用户，使用户可以进行 capp 系统的二次开发。这些工具主 要包括零件信息描述(输入)工具、工艺决策工具、工艺文档输出工 具、 知识和数据的输入工具、 用户界面构造工具等。 开发平台型 capp 系统可以适应各种应用环境，具有较好的通用性和柔性，而且由于 具有二次开发能力，可以适应企业的发展和变化。 1.4 capp 研究的国内外动态 1.4.1 国外动态 由于 capp 系统是连接 cad/cam 的桥梁，是企业信息集成的技 术关键，同时其具有巨大的商业价值和应用前景，国外从 20 世纪 60 年代就开始进行 capp 技术研究。 世界上最早研究 capp 的国家是挪威。 1965 年 niebel 首次提出 计算机辅助工艺设计（capp）这一概念 9、11。1969 年挪威工业公司 开发出历史上最早的 capp 系统autopros自动工艺设计系 统 12。 1976 年国际计算机辅助制造组织（cam-i）推出了称之为 “automated process planning ”的系统，这是世界上第一例较 成功的派生式 capp 系统，这一系统的问世充分证明了开发 capp 系 统的可行性。从那时起，工艺过程的自动化设计，成为制造领域内 一个重要的研究方向。1980 年 cam-i 推出针对回转体和棱行体的 xps-1 系统，同年英国曼切斯特理工学院（umist）开发出适合回转 体的 autoplan 系统。 国外早期开发的 capp 系统大都属于派生式系统，为了克服派 湘潭大学硕士学位论文 生式系统的缺点，国外学者从 70 年代开始进行创成式 capp （generative capp）系统的研究。1980 年德国阿亨工业大学开发 的 autap 系统和 1982 年柏林工业大学开发的 capsy 系统是比较成 功的创成式 capp。它们能自动制定工艺路线，自动选择机车、刀具 和自动确定切削参数、刀具路径。不过它们并未实现工艺规程设计 的完全自动化，部分工作还需经人机交互完成。 随着人工智能技术被引入到创成式 capp 系统的研究开发中， 八十年代中期，国外出现了专家系统 capp(intelligent capp)。如 1982 年日本东京大学开发的一个针对钣金零件上孔加工的 tom 专 家系统和1986年英国umist推出的适用于简单回转体零件进行工 艺规划的 excap-p 专家系统。虽然专家系统面临众多难题，但可 以肯定，智能 capp 是今后 capp 研究的一个主要方向。 国外部分 capp 系统如表 1-1 所示13： 表 1-1 国外部分 capp 系统 适合对象类型 信息输入方式工艺设计方法 系 统 名 称 回 转 体 非回 转体 装 配 体 基于 cad 交 互 编 码 派 生 式 创 成 式 专 家 系 统 交 互 式 开 发 单 位 日 期 autopros 挪威nakk 1969 capp 美国cam-i 公司 1976 xps-1 棱形体 美国cam-i 公司 1980 autocap 英国umist 1980 autap 扳金件 西德阿亨工业大学 1980 gari 孔、槽