（机械工程专业论文）计算机辅助工艺过程设计系统的研究与应用.pdf

青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 机械制造生产过程中技术准备工作的一个重要内容就是工艺设计，它是车间 的实际生产与产品设计的纽带，同时也是一项决策过程，对经验性要求较高，而 且随环境变化而多变。目前，小批量、多品种生产在机械产品市场中起主导作用， 仅仅依靠传统的工艺设计方法已经不能适应现今机械制造行业发展的要求了。 由于多品种、小批量生产的要求和机械制造生产技术的发展，特别是c a d c a m 系统智能化、集成化的发展，使传统的工艺设计方法已经不能满足上述要求了。 在这种情况下，产生了计算机辅助工艺设计。计算机辅助工艺设计( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s s d e s i g n ) 简称c a p p 。c a p p 是一种制造方法，它利用计算机技术辅助工艺人 员将零件从毛坯制造成成品；c a p p 同时又是一种技术，它将企业产品的设计数据 转换为产品的制造数据。 本文通过对当前c a p p 系统的存在现状和发展趋势及其广泛存在的问题进行 了分析，提出“基于n x 的计算机辅助工艺过程设计系统的研究与应用”这一课 题。对c a p p 系统的总体架构、功能进行了探讨，划分了功能模块，并对c a p p 系统各功能模块的关键技术进行了研究，继而建立c a p p 车间工艺文档。通过实 例对整个系统的应用验证说明，本系统以n x 6 0 和v s n e t 为开发平台，内嵌于 n x 系统，实现3 d c a p p 与c a d c a m 的集成。系统用户界面友好，操作方便， 运行稳定。 关键词c a p p ；n x ；二次开发；集成；工艺设计 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t p r o c e s sd e s i g ni st h em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s st e c h n i c a lp r e p a r a t i o n ，a n i m p o r t a n tc o n t e n to ft h ep r o d u c td e s i g na n d t h ew o r k s h o pi st h ea c t u a lp r o d u c t i o nl i n k , i se m p i r i c a ls t r o n ga n dc h a n g e 、析t l lt h ee n v i r o n m e n ta n dc h a n g e f u ld e c i s i o n m a k i n g p r o c e s s c u r r e n t l y , m e c h a n i c a lp r o d u c tm a r k e ti sm u c h v a r i e t i e ss m a l lb a t c hp r o d u c t i o n p l a y sal e a d i n gr o l e ，t h et r a d i t i o n a lp r o c e s sd e s i g nm e t h o di sf a rc a n n o ta d a p tt h ec u r r e n t m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yd e v e l o p m e n tr e q u e s t a sm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to fm a n y v a r i e t i e ss m a l lb a t c hp r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s ，e s p e c i a l l yc a d c a ms y s t e mi n t e g r a t i o n , i n t e l l i g e n c ed i r e c t i o nt od e v e l o p m e n t ，t h et r a d i t i o n a lp r o c e s sd e s i g nm e t h o dh a sb e e n f a rf r o mm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s ，c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p pa p p l i c a n t s t h e m s e l v e sp r o c e s si sa l s ow a sb o r n c a p pn a m e l yu s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya i d e d p r o c e s sp e r s o n n e ld e s i g np a r t sf r o mb l a n k t of i n i s h e dp r o d u c t sm a n u f a c t u r i n gm e t h o d s ， i ti se n t e r p r i s ep r o d u c td e s i g nf o rp r o d u c tm a n u f a c t u r i n gd a t ad a t ac o n v e r s i o no fak i n d o ft e c h n o l o g y c a p pd e v e l o p m e n t ，t h ed e v e l o p m e n tf r o mt h eb e g i n n i n ga tt h ee n do f t h e19 6 0 s ，i nm a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o nf i e l d ，t h el a t e s td e v e l o p m e n to fc a p pi st h e p a r t t h ef i r s ti st h en a t i o n a lr e s e a r c hc a p pn o r w a y , b e g a ni n 19 6 9 ，a n di n19 6 9 o f f i c i a l l yl a u n c h e dt h ew o r l d sf i r s tc a p ps y s t e ma u t o p r o s ；i n19 7 3a u t o p r o s s y s t e mo f f i c i a l l yl a u n c h e dt h ec o m m e r c i a l i z a t i o n i nc a p ph i s t o r ym i l e s t o n ei sc a mi n19 7 6 - il a u n c h e dt h ec a m - i sp r o c e s s p l a n n i n gs y s t e m0 t a k ei t st h ef i r s tl e t t e ro fap r e f i x ，c a l l e dt h ec a p ps y s t e m c u r r e n t l y t h i sa b b r e v i a t i o nm e t h o do fc a p pa l t h o u g ht h e r ea r ed i f f e r e n ti n t e r p r e t a t i o n s ，b u tt h e c a p pc a l l e dc o m p u t e r - a s s i s t e dp r o c e s sd e s i g nh a sb e c o m ea c c e p t e dd e f i n i t i o n b a s e do nt h ec u r r e n te x i s t e n c eo fc a p ps y s t e mp r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t f i e n da n dt h ew i d e s p r e a dp r o b l e m sa n dp u t sf o r w a r d ”b a s e do nc o m p u t e ra i d e dp r o c e s s n x p r o c e s sd e s i g ns y s t e mo fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f t h es u b j e c t t h i ss y s t e mt o n x 6 0a n dv s n e tf o rd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，e m b e d d e di nt h en xs y s t e mt or e a l i z e3 d c a p pa n dc a d c a mi n t e g r a t i o n s y s t e mu s e rf r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n , s t a b l ep e r f o r m a n c e 青岛理工大学工程硕士学位论文 t h i ss u b j e c ti st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t oi n t r o d u c et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n ts u r v e y , c a p p c h a r a c t e r i s t i c i n t r o d u c e se m p h a t i c a l l yt h ec a p pr e l a t e dc o n t e n t ( 2 ) t h eg e n e r a lf r a m e w o r ko fc a p ps y s t e ma n df u n c t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n d d i v i d e st h ef u n c t i o nm o d u l e s ( 3 ) t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so fc a p ps y s t e mi st h ek e yt e c h n o l o g ya l ei l l u s t r a t e d ( 4 ) t h ei n t e g r a t i o no fs y s t e mw e r ed i s c u s s e d ( 5 ) t h r o u g ht h ee x a m p l e so fw h o l es y s t e ma p p l i c a t i o nv e r i f i c a t i o n e v e r ya s p e c to f c a p pi n t oc o n s i d e r a t i o n ，b a s e do n3 d c a p p s y s t e mh a v eb e e ns t u d i e d ( 6 ) o f t h i sp a p e rm a k e sas u m m a r yo ff u t u r ej o bp r o s p e c t sa n dg e tt h ej o bd o n e k e y w o r d s ：c a p p ；n xs e c o n dd e v e l o p m e n t ；i n t e g r a t i o n ；c n cp r o c e s s i n g ； i v 青岛理工大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外c a p p 的发展过程、现状及趋势 c a p p _ 计算机辅助工艺设计( 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 ) 。工艺设计是 连接产品设计和产品制造的桥梁，是制造系统的重要环节，对产品质量和制造成 本具有重要影响。工艺设计的任务就是要根据已经设计好的零件所包含的结构形 状、尺寸、公差、粗糙度、热处理及其他技术要求等方面的信息，制定零件的加 工过程。传统的手工工艺设计方法，重复劳动量大，效率低，对小批量、多类型 的零件生产，就更显出手工工艺设计的缺点。 计算机辅助工艺设计作为一个新的技术领域，从上世纪6 0 年代后期出现发展 至今天，已成为世界范围内机械制造领域的研究热点。c a p p 的工作原理是：首先 由工艺设计人员向计算机输入被加工零件的几何信息( 图形) 、加工工艺信息( 包 括批量、热处理、材料等信息) ，然后由计算机自动输出工艺文件( 包括零件的工 艺路线、工序内容等) 的过程。c a p p 是一种重要的生产准备工作，属于工程设计 与分析的范畴。c a p p 是设计与制造之间的桥梁，一方面它与计算机辅助设计相接， 一方面又与计算机辅助制造相连。设计信息必须通过工艺过程设计才能生成制造 信息，才能实现制造信息与功能的集成。随着计算机技术及其应用技术的不断发 展，人们越来越意识到c a p p 在机械制造领域的重要性。 1 1 1 国外c a p p 的发展过程 上世纪6 0 年代，n i e b e l 第一次提出了c a p p 思想。4 0 多年间，c a p p 领域的 研究发展极为迅速。这期间涌现了一大批c a p p 的原型系统和商品化系统。c a p p 的发展经历了不同的发展阶段，如图1 1 。 图1 1c a p p 系统经历的发展阶段 青岛理工大学工程硕士学位论文 检索式系统就是将已经设计好的零件标准工艺进行编号，然后存储在计算机 中。制定零件的工艺过程时，通过搜索输入的零件信息，查找到合适的标准工艺。 派生式系统是通过检索相似的典型零件的工艺过程，增删或编辑而派生一个 新零件的工艺过程。派生式系统融合了部分创成式的原则和方法。 创成式系统与派生式系统的不同之处在于：创成式根据输入的零件信息，依 靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程，被认为是有前途的方 法。理想的创成式系统是不需要人工干预，通过效仿入的思维来决策逻辑，计算 机自动生成工艺。然而由于工艺设计的多变性、复杂性，虽然经过多年的努力， 工艺设计理论仍然只是停留在一些原则、经验和技巧的指导上。实践和研究证明， 让计算机完全替代工艺人员进行工艺设计的美好愿望，还是非常困难的。现今也 只是针对一些特定行业、企业甚至是特定零件开发的专用c a p p 系统，大规模的 实用的c a j p 系统还没有得到推广应用，所以至今仍然没有一个真正意义上的创 成式c a p p 系统。一般情况下，使用派生法，如果没有相应的典型工艺时，使用 创成法。 在国外，一些西方制造厂商，特别是美国、法国等国家的一些著名公司( 比如 b o e i n g 、a i r b u s 等) 开发和集成了大量的工艺与过程管理集成及优化方面的c a p p 工程应用软件和制造数据管理软件，并建立了各类典型零件库、材料库、典型工 艺库、工程数据库、设计和制造特征数据库等，初步解决了产品技术准备阶段的 信息集成与共享问题。同时制定了相应的企业标准规范，并在型号技术改造和新 型飞机的研制中应用成功。使设计质量得到较大的提高、研发周期得到大幅的缩 短、开发成本得到较大的降低。 1 1 2 国内c a p p 的发展过程 上世纪八十年代初期我国开始了对c a p p 系统的研究，国内最早开发的c a p p 系统是同济大学于1 9 8 2 年推出了派生式系统t o ji c a p p 和西北工业大学的创成式 c a o s 系统，由此掀起了国内多所大学和研究机构研究c a p p 系统的热潮。清华大 学与西北工业大学对c a d c a m c a p p 智能集成化研究与原型系统开发都比较早， 1 9 8 7 年 一1 9 9 3 年间，清华大学开发了用于国家c i m s 实验工程的箱体类零件；西北 工业大学开发了用于国家c i m s 实验工程的回转体零件。但是被工厂、企业正式应 用的系统还只是少数，真正形成商品化的c a p p 系统还不多。 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 经过多年的应用普及，随着电子信息技术在传统产业技术改造中的大力推广， 我国制造业企业在c a d 技术的应用方面已经取得了良好的效果，大部分企业甩掉 了图板，一定比例的企业使用了三维设计软件，企业对c a p p 的应用需求日益迫 切。较早有重要实用价值、并取得突出社会和经济效益的是由西北工业大学、航 空部6 2 5 所开发的智能集成化f a c a d c a p p c a m 系统( 1 9 9 1 1 9 9 4 年) 。近几年， 则有许多面向应用的实用化c a p p 系统出现，如北航海尔公司的c a x a 工艺图表等。 但是，绝大多数企业虽然通过与高校、科研单位合作，开发了专用的c a p p ，或者 是创成式的c a p p ，但由于各种图形处理、与数据库结合，以及实用性等原因， c a p p 并未被很好的应用。 近年来c a p p 技术取得了很大的成绩，总结以往的经验教训，华中理工大学 的开目公司在国内率先提出了c a p p 工具化的思想：c a p p 只是一种工具，它的目 的是将工艺人员从繁杂的工艺设计工作中解脱出来；自动化也不是c a p p 唯一的 目标：c a p p 系统研究和推广应用的主要目标应该是为了实现c a p p 系统的以人为 本的宜人化的操作，是为了实现高效的工艺编制手段，是为了实现工艺信息自动 统计的汇总，是为了实现与c a d e r p p d m 系统的信息集成。 c a p p 工具化的思想使c a p p 真正地从实验室走向了企业，走向了市场，在商 业上获得了很大的成功。上千家的企业得益于工具化的c a p p 系统，工艺设计效 率得到很大提升，工艺标准化建设得到改进，与企业其它应用系统的集成得以实 现，有力地促进了企业信息化建设。 1 1 3c a p p 的发展现状及发展趋势 c a p p 所涉及的设计对象：从开始的箱体类零件、回转体零件、支架类零件到 现在的复杂的飞机、汽车等结构件； c a p p 所涉及的工艺范围：从简单的普通加工工艺到复杂的数控加工工艺，从 机加工工艺到装配工艺、热处理工艺、钣金工艺以及数控测量机检测过程设计等； c a p p 的系统设计：从单一的派生式或创成式模式，到应用专家系统和基于知 识工程等理念； c a p p 的系统功能：从独立的计算机辅助技术，到满足集成化系统： c a p p 的系统开发：从单纯的学术性探索和开发技术驱动的原型系统，逐步过 渡到商品化和实用化系统的开发。 3 从上世纪八十年代以来，作为先进制造技术领域研究的热点和难点，c a p p 技 术在技术水平上、应用程度上都得了很大的发展。由于c a p p 系统所涉及的问题复 杂多变，而且不同应用企业的具体环境不同，所要求的c a p p 系统也不同。所以c a p p 系统不能像c a d 、c a m 等软件那样，直接使用国外的成熟产品。而需要根据我国国 情开发出满足我国企业对工艺设计与管理需求的系统。现代c a p p 系统开发的基础 是实用化，目标是企业全面集成应用，研究与开发包括工艺决策自动化等问题在 内的各种技术问题的。 上世纪九十年代中后期，国内c a p p 系统的研究、开发与应用是以交互式为基 础的。由于这类c a p p 系统符合现代制造系统的需求，因而在越来越多的国内企业 中得到应用，短短几年时间里己取得非常显著的效果，并且已经形成一些具有市 场影响力的商品化c a p p 系统。实践证明，要想使c a p p 系统得到普及与提高，要 想满足c a p p 系统先进性与实用性等各方面的关系，就必须以交互式为基础。这样 才能满足企业对c a p p 广泛应用的需求。 从工程应用的角度来看，现代c a p p 的发展趋势是以信息集成和工艺知识为主 体，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方向发展，向 实现信息管理一体化和工艺设计与制造工艺信息系统化方向发展。 从技术发展的角度来看，在新的体系结构框架内，在新的开发模式下，结合 计算机技术、信息技术等相关技术的进展，现代c a p p 采用新的决策算法、发展新 的功能，在智能、并行、分布和面向对象等方面进行着有益的尝试。 如今制造业信息化技术和现代集成制造技术得到迅速发展，并在制造业中得 到了推广和应用，三维c a d 技术在产品创新设计和制造中的应用也越来越普及。 这严重地影响了对工艺资源、工艺设计方式以及制造数据的管理模式，也为c a p p 在企业中的实际应用提出了新的挑战。 现在，国内外c a p p 技术的研究大体上可以归纳为如下几点： ( 1 ) 建立面向行业的c a p p 应用参考模型 虽然不同企业的c a p p 应用需求差别比较大，使用的解决方案和开发技术也不 完全相同。但是同一行业的产品工艺设计以及管理模式存在着很大的相似性。所 以，建立面向行业的c a p p 应用参考模型是非常有必要的。具体的参考模型包括以 下几方面：功能模型工艺信息模型资源模型过程模型组织模型等，并 以此参考模型为基础，提供面向行业的c a p p 工艺解决方案。 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 2 ) c a p p 快速开发应用技术及工具 虽然目前商品化c a p p 系统已得到较好应用，但是开发和实施周期长依然制约 着c a p p 系统的发展。为了满足企业的短周期高效率的需求，使c a p p 能够快速实 施、开发和应用，需要研究c a p p 快速定制开发技术与工具。 ( 3 ) 新型智能化工艺设计技术 现在c a p p 发展的重要目标仍然是以交互式为基础，应用各种人工智能技术， 建立丰富的工艺知识库，并实现有效的智能化在线辅助。 ( 4 ) c a p p 标准化技术研究 c a p p 标准化技术研究是指通过分析企业对c a p p 的需求，包括工艺设计、工艺 信息集成以及管理等需求，然后进行标准化和规范化的描述，进而解决企业在c a p p 系统开发中对需求定义的完整性和一致性差的问题。 ( 5 ) 工艺数据、制造资源、管理信息的共享和集成技术 工艺数据、生产计划和过程数据等共同组成了制造企业中的制造过程数据， 而工艺数据是制造过程数据的基础和源头。目前，对制造过程数据的管理和集成 研究远远不能满足企业的需求，成为制约企业信息化、网络化、集成化建设的“瓶 颈”。 ( 6 ) 建立开放的工艺资源管理模式及技术 企业工艺计划的制定，管理的决策都是依据工艺资源来制定的。所以，企业 有必要建立开放的工艺资源管理模式。 然而现在，缺少熟练的、有经验的工艺设计人员是国内外制造业面临的共同 问题，而多品种、小批量的生产方式在机械制造业的市场中的主导地位越来越明 显。于是缩短产品设计周期和生产准备周期成为企业能否适应瞬息多变的市场的 关键环节。 为了实现上述目标，总结出c a p p 今后必须向以下方向发展： 1 ) 集成化、网络化 作为集成系统中的一个单元技术，c a p p 系统集成化也是必然的发展方向。c a p p 的信息集成是c a p p 集成化的基础，而集成化应用的支撑环境是开放式结构、分布 式网络和数据库系统。c a p p 在整个生产活动中起着信息中枢和功能调节作用。集 成化c a p p 的研究主要包括两个方面：c a d c a p p 的集成和c a p p p p s 的集成。前者 主要是系统信息的集成。后者主要是系统功能的集成。系统克服信息输入困难的 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 根本途径和集成成败的关键是c a d c a p p 的集成。 网络化着重强调的是数据交换和资源共享，它是现代系统集成应用的必然要 求。c a p p 对工艺的设计，与c a d 的双向数据交换，与c a q 、c a m 、p d m 等的集成应 用都需要网络技术支撑。所以，建立开放、分布的c a p p 系统体系结构、支持开发 工具功能和信息的抽象方法、支持动态工艺设计的数据模型、统一数据结构以及 协同决策机制和评价体系等方面的研究已成为c a p p 技术发展的主要趋势。 2 ) 工具化、工程化 所谓工具化就是应用面广、适应性强的平台型( 工具式) c a p p 系统。它把系 统的功能分解成若干相对独立的工具，用户通过友好的界面根据实际情况输入数 据和知识，也可以进行二次开发，构造出符合需要的c a p p 系统。从理论上讲，平 台型c a p p 系统可以适应各种应用环境，具有较好通用性和柔性。 所谓工程化就是根据对国家、国际标准和先进制造技术的分析，结合各类企 业工艺的根本需求，促进工艺活动的规范化，使大部分企业使用的c a p p 系统是大 体相似，从而规范c a p p 系统的实施过程。 3 ) 智能化、知识化 c a p p 发展的另一个方向是智能化。也就是人工智能技术( a i ) 和专家系统技 术( e s ) 在c a p p 中的应用。将工艺专家的经验和知识积累起来并加以充分利用。人 工智能技术( a i ) 与专家系统有机结合，使得c a p p 系统更具柔性，能处理更为复 杂的工艺过程设计问题。 4 ) 人机一体化 所谓人机一体化就是在人与计算机组成的系统中，采取c a p p 系统用来帮助而 不是取代工艺设计人员，本着以人为中心、人机一体的技术路线，由操作者做出 关键决策，人机各自完成自己最擅长的工作。将人工智能和人类智能结合起来， 由此开发c a p p 系统。 c a p p 经过多年的发展历程，积累了大量经验。工艺设计方式、工艺资源及制 造数据管理模式等对三维cad 的应用产生了重大影响。现在，c a p p 作为c i m s 工 程中的一个重要模块，应朝集成化、知识化、智能化、网络化、工具化、工程化、 交互式、渐进式等方面进一步发展，为企业信息化建设打下更坚实、更牢靠的基 础。 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 2 现有c a p p 存在的问题 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，已开 发出为数众多的c a p p 系统，也有一定的市场，但是一直没有进入市场爆发期，也 没有得到普遍的推广和应用。c a p p 应用中存在的不足和问题使其不能普遍应用和 推广，现总结几点问题如下： 1 c a p p 研究与开发目标较为片面，应用范围比较狭窄 目前绝大多数企业，c a p p 的应用集中在机械加工工艺的设计，目标过分强调 工艺决策的自动化。这导致了系统开发费用高、周期长、难度大，效率低、准确 度低，难以推广。实际上，产品在整个生命周期内的工艺设计常涉及到产品锻造、 焊接、热表处理、装配、机械加工和毛坯制造等各类工艺设计。c a p p 应从以零件 为主体对象，针对特定制造对象、环境甚至特定设备进行的局部应用走向以整个 产品为对象的全生命周期的应用，实现产品工艺设计与管理的一体化，适应生产 环境变化的灵活性和适用性。 2 c a p p 系统的应用水平偏浅 目前，绝大部分企业对c a p p 的应用仅仅停留在对c a p p 基础功能的应用上。 虽然一定程度上有效地提高了工艺设计的效率和标准化水平，但是c a p p 应用的深 度还不够，还不能有效地从根本上解决企业有经验的工艺师匮乏的问题。目前对 工艺知识的总结、积累和应用在通用的c a p p 系统中还无法实现。所以c a p p 软件 厂商目前需要首先考虑的问题就是如何提高c a p p 系统的知识水平，通过有限智能 帮助企业总结工艺知识和经验，从而解决工艺设计效率、标准化、集成的问题。 3 缺乏对工艺资源、权限的管理 大部分企业由于对工艺资源缺乏管理，经常会发生重复制造工艺装备的问题。 工艺设计又涉及到多个部门和人员。因此，企业需要c a p p 软件提供一种能够将企 业的工艺资源有效地管理起来的工具。同时要求工艺软件提供一种角色和权限机 制，提供产品级的工艺编制功能和零件级的工艺编制功能。 4 对系统化、实用化、工程化研究重视不够 虽然c a p p 不断获得各种新概念、新方法和新技术，但主要是针对各种决策功 能。c a p p 系统不能实现与c a d 系统的集成，需要重复输入设计零件信息，工艺人 员在短时间内也很难掌握这些新技术，所以收效甚微，c a p p 的整体发展也缺乏 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 坚实的实践基础和动力。 为了解决目前存在的困难，使c a p p 系统符合企业需求，需要在以下几方面进 行深入研究： ( 1 ) 通用性 通用的工艺设计平台，适应先进生产模式的c a p p 系统的体系结构、关键技术 及系统的功能扩展。为企业提供工艺设计工具，满足任何企业、任何专业的工艺 设计要求。 ( 2 ) 人工智能技术的应用 采用先进的数据库技术，实时更新企业卡片标准。将卡片与工艺数据分开存 储。 ( 3 ) 综合智能化开发 方便的二次开发手段，采用先进的开发工具( v c + + ) 和面向对象的编程技术。 c a p p 系统的全部数据都存储在开放的数据库中，利用系统提供的二次开发工具， 可以方便地进行扩充，迅速开发出适合本企业的专用c a p p 系统。 1 3c a p p 系统的认识误区 虽然c a p p 技术应用的必要性在大部分企业已经得到认可，但是在选择和应 用上还存在较多的误区和较大的盲目性。主要表现在以下几方面： 误区一：c a p p 不必基于产品结构，只需基于零件即可。 生产实际中，所有生产活动都是围绕着产品结构而展开的。工艺文件也应在 工艺设计计划的指导下，围绕着产品结构展开。这样就可以清晰地描述产品的装 配关系，并可直接读取产品的明细表数据文件，将c a d 中的产品设计数据自动带 入到c a p p 系统中。因此，基于产品结构的c a p p 系统更适应企业的生产环境。 误区二：c a p p 就是由计算机自动生成工艺规程。 工艺设计是一个典型的复杂问题，涉及大量的、错综复杂的问题。因此，c a p p 系统的核心和难点都是数据的处理。另外，由于工艺设计对使用环境有着极大的 依赖性，许多因素都是不确定的，这就导致工艺设计的动态性和经验性。目前， 计算机自动生成的c a p p 系统只能针对某种特定零件，如回转体；通用的自动化的 c a p p 系统还只处于研究阶段，在实际当中还无法应用。 误区三：c a p p 不注重工艺数据的利用和管理，只是解决工艺卡片的填写和生 8 青岛理工大学工程硕士学位论文 成。 c a p p 系统首先要解决的问题是工艺卡片的填写和生成，但集成化的c a p p 系统 是计算机集成制造系统中连接c a d 与c a m 的桥梁与纽带。它要能够直接接收c a d 的零件信息，进行工艺规划并生成相关的工艺文件，并以此为基础，经过适当的 后置处理，生成数控程序。因此，c a p p 系统不仅要完成工艺卡片的填写，还必须 能够生成工艺数据并进行管理。 1 4 课题研究的目的、意义和研究任务 1 4 1 课题研究的目的、意义 随着企业三维c a d 的普及应用，工艺如何支持基于三维c a d 的应用，特别是基 于三维c a d 的装配工艺设计正成为企业需求的热点。可以预见，基于三维c a d 的c a p p 系统将成为研究的热点。当前，随着现代集成制造技术、制造业信息化技术的发 展及其在我国制造业的推广和应用，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，这对工艺设计方式、工艺资源及制造数据的管理模式 等产生了重大影响，也为c a p p 应用提出了新的课题。 基于平台技术、可重构式的c a p p 系统。开放性是衡量c a p p 的一个重要的因素。 工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，c a p p 必须能够持续满足客 户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的c a p p 系 统将是重要的发展方向。 学习是智能的重要特征。机器学习是c a p p 智能化的重要方面，国内外在应用 a n n 等人工智能技术进行工艺知识自动获取方面作了许多的研究工作，但受训练样 本等的限制，存在一定的局限性。随着c a p p 的广泛应用，企业将积累丰富的产品 工艺数据库，数据挖掘与知识发现技术将为充分利用这些企业的宝贵财富提高 c a p p 系统的智能化程度提供新的方法。显然，面向产品的c a p p 应用为开发各阶段 各种有效的智能化在线辅助决策功能提供了坚实的实践基础，也必将c a p p 的智能 化推向一个新的阶段。 工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性 质的各种功能要求，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量相当庞大，又与具体 的生产环境及个人经验水平密切相关。而长期以来，c a p p 的研究开发忽视了对工 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 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，以c a p p 的全面应用为基础，建立工艺设计与管理一体 化的制造工艺信息系统，是制造企业信息化的重要基础。 近年来，虽然中国制造行业的信息化高速增长，但制造行业信息化处于非熟阶 段，整体应用水平偏低，大部分制造企业实施信息化比较成功的是财务理、管理 信息系统、办公自动化系统等初级应用方面，使用基于三产品模型的c a p p 技术的 企业还不多，且刚起步，实现了c a d c a p p c a m 一体化应用的企业更少，远未达到 与生产融合的高度，仅有不足1 的企业体现出息化成熟的特征。因此，中国c a p p 软件市场作为一个有待成熟的领域将重新成为中国信息化软件产业发展的一个 热点。 目前大多数产品化的c a p p 系统，仍然运行在二维c a d 平台上，由于二维系统在 许多方面存在不足，因此，新的c a p p 系统首先应当是建立在三维c a d 平台下，同时 应当能实现产品计算机辅助工艺设计过程的3 d c a d c a p p c a m 同步可视化表达，让 用户在工艺设计过程中，能方便、直观地查看并获取产品的三维模型属性和各种 工艺资源信息。为数不多的三维c a p p 系统主要考虑了c a d 的集成，很少考虑到与c a m 的集成，而c a p p 更多的是与c a m 信息的交互。 正是基于上述思想，本课题“计算机辅助工艺过程设计的研究与应用 体现 了制造业信息化发展的需要和我国制造业的生产实际的需要。因此，本课题的工 作对于提高我国c a p p 系统的技术和应用水平，对于推进制造业信息化的发展，对 于提高制造企业市场竞争能力具有重要的意义。 1 4 2 课题研究的任务 纵观c a p p 发展的历程，可以看至u c a p p 的研究和应用始终围绕着两方面的需要 而展开：一是不断完善自身在应用中出现的不足；二是不断满足新的技术、制造 模式对其提出的新的要求。因此，未来c a p p 的发展，将在应用的范围、应用的深 度和水平等方面进行拓展，表现为以下的发展趋势：面向产品全生命周期的c a p p 系统。c a p p 的数据是产品数据的重要组成部分，c a p p 与p d m p l m 的集成是关键。基 1 0 青岛理工大学工程硕士学位论文 于此点，支持产品生命周期的c a p p 系统将是重要的发展方向。基于知识的c a p p 系 统。c a p p 目前已经很好的解决了工艺设计效率和标准化的问题，下一步如何有效 地总结、沉淀企业的工艺设计知识，提高c a p p 的知识水平，将会是c a p p 应用和发 展的重要方向。 针对上述问题，本文以n x 5 o 为系统开发平台，v i s u a lc # n e t 和n x o p e na p i 为开发工具来实现c a d c a p p c a m 的集成。 本文主要研究内容有： 1 把常用的工艺信息集成到n x 环境中，以方便用户在n x 环境下对模型进行工 艺规划，例如刀具材料库、零件材料库、虚拟机床、刀柄、夹具等信息集成n n x 环境中。 2 c a p p 工艺文档的定制。 n x c a m 环境下工艺参数的提取和汇总。把n x c a m 环境下的工艺信息提取出来， 例如刀具信息、切削参数、加工深度等。 3 实现零部件信息的自动提取。例如设计者、零件名称、零部件材料、重量 等信息自动捕捉。产品结构b o m 表的自动提取。 4 在n x 环境下，开发夹具标准件库。 5 通过实例验证c a p p 系统在工程中的实际应用。 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章三维c a p p 系统的框架结构及系统功能模块 的实现 2 1 3 d c a p p 总体框架 u g c a d c a p p 模块功能 图2 - 13 d - c a p p 总体框架 因面向对象、工作原理以及规模不同，c a p p 系统的组成虽有较大的差别。但 是其基本的组成部分包括如下几个方面： 1 控制模组 主要工作目标是保证各组成部分协调工作，实现人机互动，控制零件信息的 获取方式； 2 零件信息输入模组 零件是系统进行工艺设计的对象，而信息是系统进行工艺设计的依据。c a d 系 统无法直接读取零件的信息的时候，就必须使用零件信息输入模组来输入信息； 但是有时候图纸上的一些信息不能被计算机辨识，因此我们需要采用一些专门的 数据结构来形容零件的信息。而怎样才能够输入和描述出能被计算机辨识的零件 信息成了我们亟待解决的问题之一。 3 工艺过程设计模组 1 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 根据零件信息模组输入的信息，按照一定的逻辑顺序和标准规定，进行加工 工艺流程的决策，生成工艺过程卡以及工艺规程，提供给生产加工车间或者管理 部门。 4 工步决策模组 确定工步内容、切削用量等并设计出供加工模组使用的文件。 5 n c ；t 3 1 3 工指令生成模块 根据工步决策模组设计的刀位文件，调用加工代码，生成n c 3 工控制指令。 6 工序决策模组 计算工序间的尺寸，生成工序卡、工序图。 7 输出模组 直接从已有的工艺文件库中调用、编辑文件并输出，或者将生成工步卡、工 序卡、工序图、流程卡以及其他文件输出。 8 加工过程动态仿真 通过模拟零件的加工过程，以检查生成的工艺是否正确。 图2 2c a p p 系统基本构成框图 1 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 2 各系统功能模块的实现 2 2 1 零件信息输入模块 零件信息输入技术是c a p p 系统的关键技术，是工艺设计的对象和依据，是使 用计算机辅助制造的第一步。对零件信息的描述方法决定了输入的效率和决策的 模式。零件信息输入技术难度、工作量都较大，对整个工艺设计的效率产生重要 影响。我们采用了零件层，特征层，几何层的三层结构表达零件信息。如图2 3 所 示。 零件层 零件名称 零件图号 材_ 树牌号 毛坯类型 热处理 特征表 【壁堡垦卜-特伍名称 特征代码 形状特征参数 尺寸及公差 形位公差 表丽粗糙度 定位尺寸 圆一匝圃 图2 3 零件信息 工艺设计质量的好坏、工作效率的高低、工作的可靠性都取决于零件信息的 描述。所以，零件信息的描述要满足下面几个要求： ( 1 ) 准确的描述零件信息。 ( 2 ) 科学的描述零件信息。既要满足容易被计算机识别和处理，又要满足容易 被工作人员理解和掌握。 ( 3 ) 完整的描述零件信息。此处的完整并非是要求描述所有的信息，而是要求 能满足进行计算机辅助工艺设计的需要。 1 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 操作界面友好，方便工作人员使用，满足高效的要求。 ( 5 ) 满足c a d c a m c a p p 信息集成的需要。 现在，人机交互的方式输入在国内外成熟的c a p p 系统中被广泛采用。这种方 式的缺点是输入的信息不完全，不够充分，以致使输入的信息不能充分满足c a p p c a m 集成的需要。另外，人机交互方式的输入方法输入的c a p p 信息，大部分都是 来自图纸信息，从而造成c a d c a p p 的脱节，阻碍了c i m s 系统的发展。因此，作为 基础工作的c a p p 零件信息输入方法的解决，为最终实现c a d c a p p c a m 集成开辟 了广阔的道路。 目前零件信息输入采用的方法主要有：采用g t 编码方案；按零件结构的特征 要素逐项描述：直接从c a d 系统中获取。 c a p p 所需零件信息输入的最理想方式是直接从c a d 系统中提取，它也是 c a d c a p p 集成的关键技术。随着c a d 应用的普及许多工厂都应用c a d 技术进行零 件设计，有关零件形状、结构、尺寸等方面的大量的零件信息已经以计算机数据 形式存储起来，对这些信息进行分析、识别、转换进而提取c a p p 系统所需要的 工艺信息。n x 软件采用参数化的特征建模功能，设计的三维模型都存储在带有内 嵌特征库的c