（机械设计及理论专业论文）压力容器参数式capp系统的研究和实现.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本文在研究压力容器制造工艺参数化的基础上，采用c a p p 的工作原理和专家系统 的设计方法，综合检索式、派生式和创成式c a p p 的特点，以实用为研究目标，按照软 件工程的设计思想，设计实现了一个压力容器参数式c a p p 系统。 本文主要的研究内容如下： f 1 ) 研究压力容器工艺信息的参数化表示方法，分析工艺参数的获取途径，实现工 艺内容的参数化设计；同时研究并实现工时定额的自动生成。 f 2 ) 研究压力容器的展开算法，实现由设计参数驱动的工艺规格参数的自动生成。 f 3 1 研究压力容器的编码，分析基于事例的知识表达及推理，实现基于编码和推理 的工艺内容的自动生成；设计基于焊接规则的计算机摧定模型，实现焊接工艺 的自动生成。 ( 4 ) 研究信息集成与数据集成，实现系统的全自动化的信息和数据的处理。 ( 5 ) 研究关系数据库技术在压力容器制造工艺中的应用，建立一个实用的包含压力 容器设计信息和制造工艺信息的关系数据库系统。 系统通过编码模块和推理模块实现零件的工艺内容的推理和决策，通过设计参数驱 动获得工艺规格参数，在创建产品工艺的时候既可以提高工艺编制效率又能避免人工输 入出现的差错，有效地优化了数据库资源，缩短了产品生产的周期，提高了产品的质量， 实现了在整个设计过程中数据的完整性、统一性，为企业整个信息系统的统一优化管理 提供了有利保证。 系统具有参数化设计、智能化推理、全自动的信息和数据集成的特点。系统研究并 采用的参数化设计和设计参数驱动工艺规格参数的自动获取的方法、以及实现数据的集 成，为企业未来定制c a p p 系统的开发提供一个可扩展性平台，对结构上具有很大的相 似性、设计参数作为整个系统核心的产品的c a p p 系统设计均具有一定的适用性和参考 价值。目前，该系统已经成功应用于浙江菲达科技环保有限公司压力容器的工艺设计中， 并取得了较为满意的效果。 关键词：压力容器；c a p p ；数据库；参数式：知识推理；集成 浙江火学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ep a r a m e t r i cm a n u f a c t u r et e c h n i c so ft h ep r e s s u r e v e s s e l t h ew o k i n gp r i n c i p l eo fc a p pa n dd e s i g nm e t h o do ft h ee x p e r ts y s t e ma r e a ls o a p p i e d i n t ot h es y s t e md e s i g n w h i c hs y n t h e s i z et h ec h a r a c t e r is t i co f s e a r c h e sc a p p 、d e r i v ec a p pa n dc r e s t i v ec a p p a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to ft h e s o f t w a r ep r o j e c td e s i g n ap a r a m e t r i cc a p ps y s t e mo fp r e s s u r ev e s s e li np r a c t i c e i sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h isp a p e ri n c l u d e sf i v es e c t i o n s ，a sf 0 1 i o w ： ( 1 ) s t u d yt h ee x p r e s s i o nm e t h o do ft h et e c h n i c si n f o r m a t i o no ft h ep r e s s u r e v e s s e l ，a n a l y s et h eo b t a i n i n gw a yo ft h et e c h n i c sp a r a m e t e r ，r e a l i z et h e p a r a m e t r i cd e s i g no ft e c h n i c sc o n t e n ta n dt h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no f t h eh o u rn o r m ( 2 ) s t u d y t h e e x p a n s i o na i g o r i t h mo f t h ep r e s s u r ev e s s e l ，r e a i i z et h e a u t o m a t i c a lg e n e r a t i o no ft h et e c h n o l o g ys p e c i f i c a t i o np a r a m e t e rd r i y e n b yt h ed e s i g np a r a m e t e r ( 3 ) t or e a l i z et h ea u t o m a t i c a lg e n e r a t i o no ft e c h n o l o g yc q n t e n t sb a s e do n c o d ea n dr e a s o n i n g ，r e s e a r c ht h ec o d eo ft h ep r e s s u r ev e s s e la n da n a l y s e t h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o na n dr e a s o n i n gb a s e do np a t t e r n t or e a l i z et h e a u t o m a t i c a lg e n e r a t i o no ft h ew e l d st e c h n o l o g y ，d e s i g nt h ec o m p u t e r i n f e rm o d e l sb a s e do nt h ew e l dr e g u l a r - ( 4 ) r e s e a r c ht h ei n t e g r a t i o no fd a t aa n ds y s t e m ，t or e a l i z ea u t o m a t i c a l p r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o na n dd a t ao ft h es y s t e m ( 5 ) m a k ear e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no ft h er e l a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hi s a p p l i e di nt h em a n u f a c t u r et e c h n i c so ft h ep r e s s u r ev e s s e l ，a n db u i l d a na p p l i e dr e l a t i o nd a t a b a s e ，w h i c hi n c l u d e s d e s i g n i n f o r m a t i o na n d m a n u f a c t u r et e c h n i c si n f o r m a t i o no ft h ep r e s s u r ev e s s e l t h e s y s t e mr e a l i z e s t h er e a s o n i n ga n d d e c i s i o n m a k i n g o ft h e t e c h n o l o g y c o n t e n t u s i n gc e d e m o d u l ea n d r e a s o n i n gm o d u l e t a k i n g o ft h e t e c h n o l o g y s p e c i f i c a t i o np a r a m e t e rd r i v e nb yt h ed e s i g np a r a m e t e r ，p r e v e n tf r o mt h em i s t a k e o fa r t i f i e i a li n p u t ，i m p r o v et h et e c h n o l o g yw o r k o u te f f i c i e n c ya sw e l la sw h i l e e s t a b l i s h i n gp r o d u c t st e c h n o l o g y h a v eo p t i m i z e dr e s o u r c e so ft h ed a t ab a s e ， s h o r t e n n e dt h e c y c l e f o r p r o d u c t i o n ，a n di m p r o v e d t h e q u a li t y o ft h e p r o d u c t s h a v er e a l i z e dt h ei n t e g r a l i t ya n du n i t yo ft h ed a t ai nt h ew h o l ed e s i g n 塑垩查兰! ! 主兰垡堡兰 垒! ! ! 坠! ! p r o c e s s ，h a v eo f f e r e dt h ef a v o r a b l ea s s u r a n c ef o ru n i t yo p t i m u mm a n a g e m e n to f t h ew h o l ei n f o r m a t i o ns y s t e m so f e n t e r p r i s e s t h es y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i co fi n t e l l i g e n tr e a s o n i n g ，p a r a m e t e rd e s i g n i n g ， a u t o m a t i c a ljn f o r m a t i o na n dd a t a i n t e g r a t i o n ，r e s e a r c h jn ga n d a d o p t i n g t h e m e t h o do f p a r a m e t e rd e s i g n m e t h o da n da u t o m a t i c a l t a k i n g t e c h n o l o g y s p e c i f l c a t i o np a r a m e t e rd r i y e nb yt h ed e s i g np a r a m e t e ri nt h i ss y s t e m t h ew h o l e d e s i g nt h o u g h t w a yo f t h e s y s t e mh a v ec e r t a i ns u i t a b i l i t ya n dr e f e r e n c ev a l u e f o rt h ed e s i g no fc a p ps y s t e m so f p r o d u c t st h a ta r es i m if a ri nt h es t r u c t u r e a n dt h ed e s i g np a r a m e t e ri sr e g a r d e da st h ek e r n e lo ft h ew h o l e s y s t e m a tp r e s e n t t h es y s t e mis s u c c e s s f u l l yu s e di nt h ep r e s s u r ev e s s e lt e c h n o l o g yd e s i g no fa e n t e r p r i s e ，a n dh a sg a i n e dt h ec o m p a r a t i v e l ys a t i s f i e dr e s u l t ， k e y w o r d s ：p r e s s u r ev e s s e l ：c a p p ：d a t a b a s e ：p a r a m e t e r ：k n o w l e d g er e a s o n i n g i n t e g r a t e 浙江大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 引言 第一章综述 6 0 年代末，人们就开始了c a p p 的研究与开发，最早研究c a p p 技术的国家有挪 威及前苏联等。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 s a u t o m a t c dp r o c e s sp 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 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”j 。 经过2 0 多年的探讨与研究，c a p p 技术无论在研究的深度上和广度上都不断取得 进展。但是，同c a d 、c a m 等计算机辅助技术相比，c a p p 在应用方面仍是薄弱环节。 一方面，这是由工艺设计问题的复杂性和特性所决定的：另一方面，也受c a p p 发展的 大背景和指导思想影响。因此，尽管在国内外c a p p 研究中，各种新概念、新方法不断 涌现，但c a p p 的发展缺乏坚实的实践基础是公认的事实。 从我国先进制造技术发展战略和国情出发，c a p p 的发展应在符合新技术发展趋势 的前提下，从系统化角度对面向产品( 以整个产品为对象) 的c a p p 集成化( 包含工艺信息 管理) 、智能化、工程化技术进行深入研究；并应更加强调市场需求，在工程化、商品 化软件开发方面投入足够的力量，把c a p p 技术的研究、开发推向新阶段p 。 1 2c a p p 系统概述 计算机辅助工艺过程设计即c a p p ，通常指机械产品零件制造工艺过程的计算机辅 助设计与文档编制。传统上的c a p p 是狭义的，它主要面向零件的机械加工工艺的设计， 而且常常是车间一级的。后来逐步扩充到各种专业的工艺过程设计乃至工艺信息管理。 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。 近年来，随着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 ) 等先进制造系统的发展、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】。迄今为止，国内外在c a p p 技术的研究与 系统的开发上已投入大量的资金与力量，己开发出为数众多的c a p p 系统。在所开发的 c a p p 系统中、有些系统己得到实际应用，少数已商品化，但总的来看，c a p p 的研究、 开发方向存在严重的偏差。从应用角度看，已取得的实际效益和投入的力量很不相称， 国内外的重点研究方向和当前的实际需求相去甚远。表现在：开发多，应用少：开发投 入多，应用维护几乎无投入；原型系统多，得到实际生产应用的系统较少：商品系统很 少，而且功能不足；同c a d 、c a m 、m i s 、p d m 等相关计算机辅助技术相比，差距相 浙江大学碗士学位论文 第章综述 当大【5 】。c a p p 系统的研究可以分为四个阶段： 第一阶段始于2 0 世纪6 0 年代末期的派生式c a p p 系统( 类似有变异式、检索式和 修订式) 。利用成组技术将工艺设计对象按其相似性分类成组，为每组对象设计典型 工艺，并建立典型工艺库。当为具体对象设计工艺时，c a p p 系统按零部件信息和分类 编码检索相应的典型工艺，并根据具体对象的结构和工艺要求，修改典型工艺，直到满 足实际生产的需要。系统要求有一定量的样板工艺文件，并能在已有工艺文件的基础上 修改编制生成新的工艺文件。其特点是：“成组技术+ 数据库”。 第二阶段始于2 0 世纪7 0 年代中期的创成式和半创成式c a p p 系统。它是采用决策 树或决策表来表达工艺知识，实质上是把工艺决策知识用是非判断的决策形式固化在程 序中，而零件的工艺规程则是由系统的逻辑算法根据零件信息自动的或半自动的创成出 来的，其特点是“逻辑算法+ 决策树( 表) ”。模拟工艺设计人员的思维和决策过程，自 动产生零部件加工和装配过程中所需的各个工序和加工顺序，自动提取制造知识，完成 设备选择、工具选择和加工装配过程的优化。系统在工艺决策时不需人工干预，易于保 证工艺规程的一致性，但由于工艺决策受制造环境的多变性及复杂性等因素的影响，使 得对于结构复杂、多样的零件实现刨成式c a p p 系统非常困难。 第三阶段始于2 0 世纪8 0 年代初期的c a p p 专家系统。该类系统与上述两类系统的 显著差别在于它们具有一个将工艺知识与经验知识以产生式规则、框架或其他方法所表 达的知识库和一个模拟工艺设计专家进行工艺决策的推理机，系统可以按照用户所选定 的推理方式和控制策略并根据零件的输入信息生成具有专家级水平的零件工艺规程，其 特点是“知识+ 推理”。专家系统求解问题的过程是逻辑判断和决策的过程，非常适合工 艺过程设计中需要依靠专家经验和优化策略等解决的问题，因此，开发c a p p 专家系统 前景广阔。 第四阶段始于2 0 世纪9 0 年代中期的c a p p 人机智能综合系统，其特点是“人机协 作+ 智能综合”。 一般，一个新型c a p p 系统需具备如下的特点1 6 】： ( 1 ) 为用户提供工艺卡编制工具，让用户可方便的编辑个性工艺卡片格式： ( 2 ) 采用关系型数据库，各种格式的工艺卡都保存在数据库中，用户可以方便地进 行添加、删除、检索、浏览、打印工艺文件等操作； ( 3 ) 在用户设计工艺参数对，可以为用户提供参考数据和提示信息，这些数据和信 息来源于国标、企标或经验，而且用户可以修改这些数据： ( 4 ) 为与c a d 、c a m 的集成提供接口； ( 5 ) 基于局域网，并具有完善的权限管理功能： ( 6 ) 可运行于w i n d o w s 或u n i x 。 随着计算机在制造型企业中的应用，通过计算机进行工艺的辅助设计己成为可能， c a p p 的应用将为提高工艺文件的质量，缩短生产准备周期并为广大工艺人员从繁琐、 浙江大学硕士学位论文第一章综述 重复的劳动中解放出来提供一条切实可行的途径。应用计算机辅助工艺设计的必要性已 被越来越多的企业所认识，开发本企业生产及管理环境的c a p p 系统不但能充分发挥计 算机辅助工艺设计的优越性，更能为企业数据信息的集成及管理打下良好的基础。 1 3c a p p 系统的研究现状及在压力容器行业的应用 1 3 1c a p p 系统国外研究现状 目前，已有很多有关计算机辅助工艺设计方面的应用软件问世，其功能涉及机械制 造及其它行业的各个方面。 美国的l e v i nj b 和d u m a d 对并行制造的c a p p 系统进行了研究1 7 j ，他们开发的这 个系统能够提高在过去的计算机辅助工艺过程设计中出现事故等问题的处理能力，减少 故障的出现频率。 w a n gh p 和w y s kr a 开发研制的智能推理的工艺设计系统【8 】，能够做以下的工作 内容：( 1 ) 解释从二维c a d 系统获取的几何形状的数据；( 2 ) 获取c a d 数据库中的表面 特征；( 3 ) 检查设计的几何尺寸和公差的连贯性；( 4 ) 管理大量的制造知识数据；( 5 ) 通过 有经验的设计者更新知识数据：( 6 ) 根据已经获取的表匠特征与已经加工完成的表面、几 何尺寸和公差、现有设备的配置和可用的工具设备进行智能推理，最后产生出工艺计划。 他们还对微型计算机在自动工艺过程设计上的应用进行了研究。 w a n g m t ，w a l d r o nm b 和m i l l e rr a 对面向回转体零件的计算机辅助设计和辅助 工艺过程设计的集成原型【7 】进行了研究。这个集成的系统由两个独立的部分组成：一个 是基于c a d 的交互式的设计系统；另一个是二维的计算机辅助工艺过程设计系统 ( 2 d c a p p ) 。这个2 d c a p p 专家系统允许用户建立适应自己生产的新的规则。 另外，p r a b h up ，b l h e n c es ，w a n gs 和w y s kr 对基于网络的计算机辅助工艺过程 设计的操作进行了研究；r h oh m ，g e e l i n kr 等人对切削工具的选择和加工次序模式的 综合进行了探讨；m e ij 和z h a n g h o n gc 对c a p p 中的自动设置选择公差问题进行了分 析研究，在这里就不一一作介绍。 1 3 2 c a p p 系统国内研究现状 和英、德、日、美国等发达国家相比，我国在这方面的研究起步较晚，到8 0 年代 才开始进行这方面的研究工作。从国内发表的论文来看，国内虽然在计算机辅助工艺设 计方面起步较晚，但也作了很多工作。到目前，其研究的各种计算机辅助工艺软件的内 容也很广泛，质量也在不断的提高。 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 p 系统和西北工业大学的 创成式c a o s 系统，其完成时间都在8 0 年代初。国内最早开展c a d c a p p c a m 智能 浙江大学硕士学位论文第一章综述 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) 与西北工业大学( 用于国家c i m s 实验工程的回转体零件，1 9 8 7 一1 9 9 3 年) 。 而第一个有重要实用价值，并取得突出社会效益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 l 1 9 9 4 年1 。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。该智能集成系统已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1 3 。 9 0 年代末，各种实用化的c a p p 开始走向市场，其开发方法和重点也各不相同， 有的c a p p 系统在c a d 图形平台的基础上开发，然后将生成的工艺数据传送到其他的 数据库系统中；有的c a p p 系统在某种特定的数据库系统上生成工艺数据，然后在c a d 平台上生成工艺卡片；甚至有的c a p p 系统是纯粹的工艺卡片的填写工具，其生成的工 艺卡片是某种特定的文件。这些c a p p 软件能为工艺人员提供一定的服务川。 以上c a p p 系统都不能满足企业工艺设计的全过程要求，也不能满足现代企业对信 息化建设的需求。现代c a p p ，即面向企业信息化建设的网络化集成工艺设计平台将成 为目前和今后c a p p 研究开发的重点。 1 3 3c a p p 系统在压力容器行业的应用 焊接是压力容器制造中的一种主要加工方法之一，如平板拼按、筒节与筒节、筒节 与封头、人孔与篱节、接管与壳体及法兰的连接，内件的组焊、以及支座与壳体的连接， 等等，大多由焊接的方法完成。通过分析大量的质量事故，使人们认识到压力容器的安 全性与材料选择、焊接工艺过程和焊接质量管理有很大的关系。因而压力容器c a p p 系 统发展的过程同焊接有着密不可分的关系。 焊接工艺的设计是很复杂的，对于不同的焊件和焊接要求必须编制相应的焊接工 艺。生产中对焊接工艺的要求是十分严格的，特别是在锅炉、造船等行业。但是很长一 段时间以来，焊接工艺的编制与管理主要靠传统的手工方式完成。因而，在管理、检索、 编制和保存焊接工艺等工作上，不但造成了大量的重复性劳动，浪费了焊接工艺人员的 精力，而且时常造成不必要的人为失误，影响了生产质量和制造成本。因此，焊接工作 者早在20 世纪8 0 年代后期就在焊接工艺设计与管理中引进了c a p p 技术。 1 9 9 0 年前后，可以认为是国内焊接领域c a p p 发展的起步时期。从1 9 8 8 年开始， 太原重机厂在长城o w 系统机上自行开发了人机交互式计算机辅助焊接工艺规程设计 软件系统t z w c a p p 。该系统以成组技术为基础，以专家系统思想为指导，采用检索法 与创成法相结合，可以认为是一种综合式c a p p 系统。该系统还应用集成概念，实现了 c a d w c a p p 心假p 一体化1 2 0 】。唐山锅炉厂于1 9 9 0 年开始研究计算机辅助工艺过程设计， 并采用汉字d b a s e 开发了一套适合该厂的c a p p 系统，可以完成工艺文件的建立、修 浙江大学硕士学位论文第一章综述 改、打印等功能l l 。同期，金州重型机器厂等单位也进行了类似的研究。这- t , ：t 期的系 统一般用d b a s e 、f o x b a s e 或b a s i c 开发，运行在d o s 平台上。 1 9 9 4 年左右，为数众多的企业开始研究焊接工艺c a p p 系统。清华大学与大连起 重机器厂合作开发了c s c a m p 系统1 22 】：哈尔滨工业大学开发了焊接工艺设计专家系统 2 1 】；第一重型机械集团公司开发了基于网络的w t p m i s 系统【2 4 】；此外，南京化学工业 集团公司、天津大学、兰州石油化工机械厂等单位也进行了焊接工艺c a p p 系统的研发。 这一时期的系统一般使用b a s i c 或v b 、f o x p r o 开发，运行在w i n d o w s 上。少数系 统具备一定的工艺设计自动化功能，绝大多数系统主要进行焊接工艺的管理，但是提供 的功能比以前的系统要强很多，界面也更加友好。 在压力容器行业，各个企业根据本厂的实际情况开发了为数众多的c a p p 系统，包 括西安交通大学焊接研究所研制的焊接压力容器c a p p 系统( 2 0 0 1 年) 、中石油第二建 设公司开发的压力容器计算机辅助工艺设计与管理系统( 2 0 0 0 年) 、湘潭大学开发的基 于模块化参数设计的压力容器c a d c a p p 集成等。最具代表性的是哈尔滨工业大学与 哈尔滨锅炉厂合作开发了p q r d b m s 系统 2 ”。该软件主要包括焊接工艺评定( p q r ) 数据管理，焊接工艺规程( w p s ) 数据库管理，焊接工艺设计专家系统。该系统可根据 工艺评定标准自动判断数据库中是否已经有能够覆盖该工艺的p q r ：系统可以根据用户 输入的条件依据其知识库进行推理，得到完整的焊接工艺卡，并依据此工艺进行工艺评 定试验。 1 4c a p p 系统的发展趋势 1 参数化 近年来，随着计算机应用的发展，在工程实际中的许多重复性的工作已经可以用计 算机来完成：从根本上说，其基本原理就是参数化方法。目前许多参数化软件实现的仍 然只是尺寸的参数化，严格地讲，这种参数化只具有几何学和图形学上的意义，作为 c a d c a p p 集成的手段却远远不能满足要求口”。能有效地作为c a d c a p p 集成的参数 化概念应该是一个全新的，摆脱纯几何意义的，具有功能要素、能灵活地定义和携带工 艺信息的参数化，特征参数化设计所使用的对象不再是简单的几何因素，利用特征参数 化进行机械加工工艺设计，是目前c a p p 系统研究的重要方向【3 ”。 2 智能化 20 世纪8 0 年代以来，以专家系统技术为代表的人工智能技术在c a p p 系统中得到 了一定的应用，提高了系统的适应性和通用性。但由于专家系统技术存在一些缺陷，比 如知识获取的“瓶颈”问题，推理方法单调及其产生的“匹配冲突”、“组合爆炸”与“无 穷递归”问题等，不能充分地满足实现c a p p 智能化的需要。目前广泛研究的神经 元网络、模糊理论和遗传算法为c a p p 系统的进一步智能化提供了理论基础| l 。但是， 浙江大学硕士学位论文第一章综述 要实现真正的智能化系统还需要大量的人力、物力和时间的投入。 3 ，集成化 随着c a d 、c a p p 及c a m 系统应用的不断增多，企业迫切需要将这些孤立的系统 整合成一个整体，以提供对产品生命周期中包括产品设计、工艺设计、产品仿真、产品 制造、产品测试等各个阶段的全面支持。由于c a p p 是联系c a d 与c a m 的纽带， 因而c a p p 的集成化研究得到了广泛重视【1 。c a p p 系统集成的关键是信息的交换与共 享。根据信息交换方式和共享程度的不同，c a p p 的集成可选取多种方案。 最简单的方案是采用专用数据接口实现集成。比如，美国、法国及德国等国家开发 了自己的数据交换标准，如i g e s 、p d e s 、s e t 、v d a f s 等。1 9 8 4 年1 1 月国际标准化 委员会下设的组织i s p t c l 8 4 s c 4 在法兰克福召开的会议上确定了s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) ，为c a d c a p p c a m 的集成提供了国际标准。 较好的方案是基于产品数据管理( p d m ) 实现3 c 集成。p d m 技术是以产品数据的 管理为核心，通过计算机网络和数据库技术，把企业生产过程中所有与产品相关的信 息和过程集成管理的技术。与产品相关的信息包括开发计划、产品模型、工程图样、技 术规范、工艺文件，与产品相关的过程包括设计、仿真、加工制造、计划调度、装配、 检测等过程。在这种集成方案中，c a d 、c a p p 、c a m 分别与底层的p d m 通信，从 而输出或获取相应的信息，这就在更大程度上实现企业内部信息共享1 1 ”。 4 通用化 随着c a d 、c a m 在企业中的广泛应用，发展相对滞后的c a p p 日益成为企业应用 计算机的瓶颈。因而许多单位尤其是商业软件公司研究并开发了通用化的c a p p 系统。 自2 0 世纪9 0 年代以来逐渐兴起的c a p p 框架系统是实现c a p p 通用化的一种方式。所 谓的c a p p 框架系统实际上是一种c a p p 开发工具，可以由用户自己定义适合特定系统 的c a p p 。c a p p 框架系统技术目前尚处在理论研究和开发实验阶段，清华大学等研究 机构对此作了较多的研究，但是很少有满足用户实际需要的商品软件发行】。 通用c a p p 系统注重的是工艺文件的编制与管理，一般不具有自动设计工艺的功 能。目前，国内已开发出许多这样的系统，如西北工业大学的c a p p f r a m e w o r k ，武汉 开目公司的1 0 m c a p p 以及清华天河的t h c a p p 等。 5 ，分布式网络化 信息传输是企业实现c i m s 的先决条件。通过网络可以将企业内部相互分离的各个 部门集成为一个统一的整体，从而实现生产信息与资源的统一管理与调度。作为c i m s 中重要组成部分之一的c a p p 系统也必须实现网络化。 c a p p 系统的网络化的原因之一是实现工艺文件共享的需要，也就是分布在车间等 子部门的网络终端可以以不同权限访问工艺部门的工艺数据文件。原因之二是c a p p 系 统本身实现工艺设计这复杂功能的需要。具体地说，c a p p 系统的工作具有明显的层 浙江大学硕士学位论文 第一章综述 次性，不同层次的子系统、功能模块、相关的工程数据库及工艺知识库可组成分布式系 统。在这种系统中，各级计算机系统是通过网络互连的，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；另外，在实际生产环境中，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、创成式等各种子系统 组成的分布式c a p p 系统，并通过测定零件类别，选择最合适的设计方法，备子系统可 以通过公用数据库相互联系，共同完成设计任务。 1 5 本文的主要工作 1 5 1 课题研究的背景 在机械制造领域，自7 0 年代中期以来，计算机的应用日益广泛，几乎深入到了生 产过程中的所有领域，并形成了很多计算机辅助的“孤立方案”瞄副( i s l a n ds c h e m a ) 。如 果不考虑企业行政管理方面的因素，仅集中在生产过程中的这些孤立方案是：( 1 ) 计算机 辅助生产计划控制：( 2 ) 计算机辅助产品设计研究开发( c a d ) ；( 3 ) 计算机辅助工艺规程 设计制定( c a p p ) ；( 4 ) 计算机辅助加工制造及监控( c a m ) ；( 5 ) 计算机辅助质量管理( c a q ) 。 随着机械加工行业的生产模式日益向小批量多品种方向转变，开发面向多种零件适于小 批量生产的计算机辅助工艺过程设计系统，己成为工艺设计标准化和生产管理标准化的 迫切要求。 压力容器是石油化工、冶金、轻工、城建、能源等部门广泛使用的一种机械产品。 随着国民经济的迅速发展，压力容器的数量不断增加，有很多压力容器是在极其苛刻的 条件下运行的，存在着发生恶性事故的危险。所以，在压力容器制造领域，确保产品的 制造质量是至关重要的，压力容器质量的好坏直接关系到人民生命和财产的安全。正因 如此，国家对压力容器的制造也特别重视，在压力容器的制造过程中进行层层把关，以 确保压力容器在使用过程中安全可靠。尽管这样，在国内外，压力容器的爆炸、泄漏等 事故还是时有发生，给国家和人民的生命、财产造成重大的损失。作为企业，为了市场 经济和企业形象，应尽可能的提高产品的质量、缩短产品的制造周期。因此，企业应该 并且有必要采取行之有效的措施来提高产品的质量、缩短产品的制造周期。而要实现这 一目标的行之有效的途径一是提高企业自身的管理水平，二是实现自动化生产。要实现 这两个目标，其必然离不开计算机应用技术。 在压力容器的制造过程中，制造工艺的编制是必不可少的环节，也是技术准备的关 键之所在，它决定着压力容器的制造质量，一个好的制造工艺能够指导工人制造出高质 量的产品。压力容器制造不同于其他机械产品的制造，有其特殊性，其特点是： a ) 为焊接结构。压力容器由于是承压密封容器，所以其可拆连接并不多，大部分 结构都焊接为一体。焊接不仅表现在各连接的部件之间，也表现在一些单元件 浙江大学硕士学位论文 第一章综述 之上，如筒体、封头等，因此，压力容器被人们看作为焊接设备。 b ) 压力容器形式的多样性。由于不同的压力容器其用途也不尽相同所以该产品基 本上不存在批量生产形式，即使有其批量也很小，般均为先定货后生产。 c ) 零件的同性。虽然随着产品的不同，每台产品上的零件都不尽相同，但是每 台压力容器上都有着相似的零件，比如：简体、接管、法兰等。 d ) 压力容器所用材料的多样性。由于不同的压力容器其用途、地点、环境等不同， 所以其选用的材料也不尽相同。 e ) 制造质量要求高。压力容器在运行过程中，有很多都承受高温、高压，并且有 些内装的是有毒物质，一旦出现爆炸、泄漏等事故，其后果不堪设想，而且由 于其为焊接结构所以对质量的要求很高。 由于压力容器制造具有以上特点，所以，国内外对压力容器的制造都提出了严格的 要求，在我国由“全国压力容器标准化委员会”制定了g b i f i 0 钢制压力容器1 2 9 、 g b l 5 1 钢制管壳式换热器t 3 0 等标准，国家劳动部也颁发了压力容器安全技术监 察规程 3 1 以及国务院颁发的压力容器产品安全质量监督检验规则 3 2 、锅炉压力 容器安全监察暂行条例d 3 等文件，并发放压力容器的“制造许可证”，以强化压力容 器制造的管理。这对提高压力容器的制造质量，保证压力容器的安全和可靠性起到了积 极的作用。 由于压力容器制造专业性很强，没有一定的经验和理论水平，是无法胜任该工作的。 因此，常常出现同一产品由不同工艺人员所编制的工艺文件存在着交大的差异。在进行 新产品的工艺文件准备时，工艺文件的编制都是由人工进行的，工艺人员在事先准备好 的表格中，根据相关的标准和自身的经验，逐项填写。每台产品的工艺文件方案所涉及 的数据多达几百项，劳动量相当大，而且这种传统的工艺设计方法在实际应用过程中受 个人经验和知识背景的影响较大。从而造成产品的工艺文件质量参差不齐，技术准备周 期长，严重影响到产品的制造质量和生产进度，进而造成难以适应快速变化的市场经济 的需要。 随着计算机技术的广泛应用，已给机械、电子、航空、汽车、建筑等领域带来了巨 大的经济效益。它使许多行业摆脱了繁杂而费时的产品制造前期的技术准备工作，缩短 了产品的设计周期，减少了技术准备的成本，从而大大提高了生产的效率和效益，使工 程师们能有更多的精力致力于开拓新的领域。压力容器作为工业生产过程中所必须的一 种产品，其制造过程也正经受着计算机技术的巨大冲击，在该领域内广泛应用计算机技 术，已迫在眉睫，势在必行。 浙江菲达环保科技股份有限公司作为国家重大技术装备国产化基地必然也受到了 计算机技术的冲击，在生产、经营方面遇到了前所未有的挑战，加大了工厂组织生产、 承揽任务的难度。鉴于此，菲达公司已经于1 9 9 8 年和浙江大学蓉杭模具高技术研究所 浙江火学硕士学位论文 第章综述 共同开发了z f ，c a p p 系统，在电除尘器上率先实现了工艺编制的计算机化。但是在压 力容器的工艺设计方面，计算机的应用还相当薄弱，耳前仍沿用传统的借助于w o r d 和 e x c e l 的手工编制工艺加工文件和管理的方法，远不能满足工厂的实际需要。但是纵观 国内已成熟的和正在进行研究的c a p p 系统均不能够完全适合本厂的工艺设计需要，主 要体现在以下几个方面： 1 】虽然目前国内已开发出许多通用c a p p 系统，如西北工业大学的c a p pf r a m e w o r k ，武汉开目公司的k m c a p p 以及清华天河的t h c a p p 等，但是这些通用 主要是针对机械切削加工的产品，注重的是工艺文件的编制与管理，一般不具 有自动设计工艺的功能。 2 1 p q r d b m s 系统，该系统是一套针对锅炉的焊接c a p p 系统，不是以压力容器 制造整体工艺为主线的工艺设计，不能保证设计数据与工艺数据的一致性和完 备性，并且该系统还不能够实现有效的数据集成。 3 1 随着产品数据管理( p d m ) 技术的发展和应用的深入，使在p d m 平台上开发 c a p p 、实现面向整个产品的工艺设计和工艺文件的管理成为一种趋势，采用现 有的商品化的c a p p 系统将不能够和企业原有的产品数据以及电除尘器 z f c a p p 系统相一致，在数据的管理上必将带来很大的麻烦。 4 ) 定制化是c a p p 系统发展的趋势，也是c a p p 系统真正实现商品化的关键。目 前，菲达公司正在申请浙江省“十五”制造业信息化工程一“快速响应客 户需求的大批量定制技术研究”这一课题，作为公司工艺数据的主要来源之一的 压力容器c a p p 系统，必将要考虑到企业未来的发展。 基于以上原因，公司决定开发一套适合压力容器工艺设计的智能化的z f yc a p p 软件系统。该系统具有以下特征：与原有的电除尘器z fc a p p 系统风格统一；能方便、 准确、快捷的完成工艺的设计；具有一定智能化：保证设计数据与工艺数据的一致性和 完备性，全自动化的数据集成；为企业未来的c a p p 系统的发展提供一个可扩展性平台。 本课题也就是在这种前提下产生的。 1 5 2 课题研究的主要工作内容 本文总结了国内外计算机辅助工艺过程设计的研究成果，以实用为研究目标，在研 究压力容器制造工艺参数化方法的基础上，按照软件工程的设计思想，设计实现了一个 参数式c a p p 系统。该系统采用了c a p p 的工作原理和专家系统的设计方法，综合了检 索式、派生式和创成式c a p p 的特点。 本文主要的工作内容如下： ( 1 ) 根据压力容器的尺寸规格变化频于工艺信息描述的特点，将工艺内容分解为工 艺文件内容和工艺规格参数两部分分别对其进行研究： 浙江大学硕士学位论文第一章综述 a 对压力容器的展开算法进行研究，实现由设计参数驱动的工艺规格参数的自 动生成，实现工艺尺寸规格的参数化。 b 研究压力容器工艺描述信息的参数式表达和处理，分析信息的获取途径，按 照零件间的结构和工艺方面的相似性，将零件分类成组，建立相似零件族或 加工组，并给每一个零件族制定一个能加工族中全部零件的优化工艺方案， 然后将已知条件及其它所有随着产品规格而变化的基本参数进行变量提取， 实现工艺内容的参数化。 c 采用了基于基元化的变异式和图表式分析相结合的方法实现工时定额的自 动计算，形成统一的工时定额计算标准，设计相应的工时自动计算子模块。 ( 2 ) 在分析压力容器的设计和制造特点的基础上，结合g t 技术，根据零件的结构 特征和制造工艺，实现系统编码的设计。 (