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基于成组技术分类代码与特征的汽车零什c a p p 系统研究 y 2 5 7 _ 9 摘要 c a e e 是联系c a d 和c a m 的桥梁，正目益受到人们的关注，是目前的一 个研究热点。由于c a p p 本身的一些关键问题还没有完全解决，其在实际生产 中的应用却不尽人意。 本文叙述了课题的来源、目的和意义，分析了c a p p 技术的现状，提出了 一种构建实用型综合式c a p p 系统的方法。文中详细论述了基于成组技术分类 代码和基于特征的零件信息输入法，特征组合与排序的工艺决策方法，工艺卡 片的编辑和工序图的输出以及数据库的维护。在系统的具体实现上，采用关系 数据库m ss q l s e r v e r 为数据库平台，前端开发语言为面向对象的语言- - v i s u a l b a s i c ，图形平台为a u t o c a d 。 ， 帙键词：c a p p ，特镊，数据库，t 艺 、 南京理 ：人学硕士学位论文第1 页 ，一、 - 基r 成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 a b s t r a c t c a p pb r i d g e st h ec a da n dc a ma n di t i s g i v e ni n c r e a s i n g l y c o n c e m i t b e c o m e so n eo ft h er e s e a r c h i n gf o c u s e sn o w a d a y s b u ti t sa p p l i c a t i o ni np r a c t i c ei s n o tv e r yg o o d ，b e c a u s es o m eo fi t si n t r i n s i cp r o b l e m sa r en o ts o l v e dy e t t h i s p a p e r i n t r o d u c e dt h e s o u r c e ，p u r p o s e a n ds i g n i f i c a n c eo ft h i s p r o j e c t ， a n a l y z e dt h ec u r r e n ts t a t e o ft h ec a p p t e c h n o l o g y , a n dp u tf o r w a r dam e t h o dt o c o n s t r u c tau s e f u lc a p p s y s t e m t h eg r o u pt e c h n o l o g yc o d i n ga n df e a t u r eb a s e dp a r ti n f o r m a t i o ni n p u t t i n g m e t h o di sd e t a i l e ds t a t e di nt h i sp a p e r a sw e l la st h ef e a t u r ec o m b i n i n ga n ds o r t i n g p r o c e s s d e c i s i o nm e t h o dw a ss t a t e d a n dt h ee d i t i n g o ft h e p r o c e s s c a r da n d e x p o r t i n go f t h ep r o c e s sg r a p ht h ed a t a b a s em a i n t a i n i n gm e t h o dw a sp r o v i d e di nt h e c a p p s y s t e m t h er e l a t i o nd a t a b a s e - - - m ss q ls e r v e ri su s e da st h ed a t a b a s ep l a t f o r ma n dt h e f r o m - e n dd e v e l o p i n gl a n g u a g ei st h eo b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e - - v i s u a lb a s i ca n d t h e g r a p hp l a t f o r m i sa u t o c a d k e y w o r d ：c a p p ，f e a t u r e ，d a t a b a s e ，p r o c e s s 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 1 绪论 j l ，课题的提出 t i 1 制造业是基础工业，它在国民经济中占着举足轻重的地位并且和人民的生 活息息相关。制造业的发展将极大地推动整个社会经济的发展，提高人民的生 活水平。历史的车轮己把我们带入了二十一世纪，中国已经加入了世界贸易组 织，市场全球化，经济全球化的特征愈加明显，市场竞争变得更加激烈。 在这样的背景下，企业所面对的生产环境的特点是：生产周期缩短，产品 的结构趋于复杂，品种增多，批量变小，用户需求个性化和生产日益集成化。 因此，企业必须从产品设计的开始，就考虑到产品生命周期的各个过程，即产 品的制造、管理、销售、使用。而工艺设计工作贯穿在产品的整个生产过程中， 工艺设计不仅涉及到企业的生产类型、产品结构、工艺装备、生产技术水平等， 还受到工艺人员实际经验等因素的影响，如果其中的一个因素发生改变，工艺 的结果也会相应的调整和改变，可以说工艺设计是企业生产活动中最活跃的因 素。随着信息技术的发展和计算机辅助技术在工业部门中的日益广泛深入的应 用，使用计算机进行工艺的辅助设计已成为可能。而另一方面，敏捷制造似g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 、智能制造( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 等先进制造生产模式的顺利实 施，要求得到实用、先进的c a p p 系统的充分支持。 c a p p ( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ) 即计算机辅助工艺过程设计，它是 根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计，通常指 产品零件制造工艺过程的计算机辅助设计与文档编制。它不仅仅是产品工艺设 计自动化的重要手段，而且是计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 之间的桥梁和纽带，是计算机集成制造系统( c i m s ) 的关键和核心，还是制造 企业各部门产品信息交汇的重要环节，企业生产管理和计划调度等部门也必须 南京理工人学硕士学位论文第1 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 依赖c a p p 系统输出信息。产品的设计信息只有通过工艺设计才能生成制造信 息，产品设计只有通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。由此可见 c a p p 在实现生产自动化中的重要地位，是实现其它先进制造技术的基础。因此， 对c a p p 研究有重要意义。 1 1 1 开展c a p p 研究的意义 工艺设计是优化配置工艺资源，合理编排工艺过程的一门学问。它是生产 技术准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造的桥梁。以文件形式确 定下来的工艺规程是进行零件加工和工装制造的主要依据，它对组织生产、保 证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有直 接的影响，因此工艺设计是生产中的关键性工作。 工艺设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以 便能按照设计要求生产出合格的零件。工艺设计处于产品设计和加工制造的中 间，进行工艺设计必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图样上有关零 件结构形状、尺寸公差、材料及批量等方面的信息，又需要加工制造中有关加 工方法、加工设备、生产条件、加工成本及时问定额，甚至传统习惯等方面的 信息。由于各种信息之间的关系极为复杂，工艺设计时必须全面而周密地对这 些信息加以分析和处理。可以说工艺过程的设计是技术、经济、社会诸方面因 素的整体过程。工艺设计过程中需要大量的决策，这些决策是由工艺设计人员 根据制造对象的结构和工艺信息、生产环境和条件，科学技术的现状和发展、 社会经济的需求等多方面因素，采用多种决策方法来实现【2 j 。 长期以来，工艺过程设计都是依靠工艺人员的个人经验来编制的。同一个 零件的工艺如由不同的工艺人员来编制，会得出不同方案：甚至同一个工艺人 员在不同时期编出的工艺文件也不尽相同。由于个人经验的局限性，不能顾及 多方面的因素来优化工艺过程，所以一般都不易给出最佳的工艺方案。 我国机械工业中的工艺过程设计，目前多用传统的手工方式准备各种工艺文 南京理工大学硕士学位论文 第2 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 件。广大工艺人员的工作主要是做、查手册，计算数据和编写报表等繁琐和重 复的事务工作。设计效率低，生产准备周期长，从而影响了产品的更新换代速 度，难于适应市场需求急剧变化的趋势。 计算机辅助工艺过程设计即c a p p 能迅速编制出完整而详尽的工艺文件，工 艺人员无需重复查阅各种手册和规范，不再用手工计算数据和编抄各种表格， 极大地提高了工艺人员的工作效率。由于制订工艺准备时间缩短，加快了新产 品的投产。c a p p 可以获得符合企业实际条件的优化工艺方案、给出合理的工时 定额和材料消耗。c a p p 产生的各项数据是企业管理的基本依据。c a p p 对改革 我国工艺过程设计现状及其现代化起着重要作用。用c a p p 代替传统的工艺设 计对于机械制造业具有重要意义，其主要表现如下： ( 1 ) 可以将工艺人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中解放出来，使他 们能从事新产品的开发、工艺装备的改进及新工艺研究等创造的工作； ( 2 ) 可以广泛地应用专家的知识和经验，从而降低对工艺人员技能的要求； ( 3 ) 可以显著减少工艺设计的时间，缩短工艺准备周期，保证工艺设计质 量，提高产品在市场上的竞争力： ( 4 ) 能继承有经验的工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性，特别 是在当前国内外机械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况下，它具 有特殊意义； ( 5 ) 可以提高企业工艺设计的标准化，有利于工艺设计的最优化工作； ( 6 ) 为实现计算机集成制造系统( c i m s - c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 创造必要的技术基础。 采用c a p p 能为企业带来直接和间接的经济效益。如表1 1 1 1 所示【3 】： 南京理工人学硕士学位论文第3 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 表l1 1 1 采用计算机辅助工艺过程设计的效益 采用c a p p 后采用c a p p 后占 费用组成占总费用的比例 减少的比例数总费用的比例数 工艺过程设计 8 5 8 3 3 6 材料2 3 4 2 2 0 8 工时2 8 1 0 2 5 2 0 刀具 7 1 2 6 1 6 返修品和废品 4 1 0 3 6 0 管理、利润等 3 0 3 9 6 0 上表表示了在一个零件的成本中各项费用所占的比例，当采用了计算机辅助 工艺过程设计后，各项费用都得到不同程度的减少，其中工艺过程设计费用减 少了5 8 ，从表中可以看出，由于采用了c a p p 使零件生产成本降低了9 6 ， 该数字尚未包括其全部效益。而且有很多效益是不能直接用货币表达的，例如 减少工艺文件的抄写和描校工作；避免人工计算和抄写的错误：从数据库能及 时获得信息；信息的一致性( 包括工艺规程的一致性) ：迅速编制工艺以快速响 应产品的更新；编制的工艺规程详细完整( 小批量生产时也能给出完善的工艺 规程) ；更有效地利用刀夹量具和促进标准化等。因此，c a p p 的研究和应用， 可以改变我国工艺设计的现状、促进企业的发展，提高企业的适应能力与竞争 力。 另一方面，c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 一计算机集 成制造系统) 已被认为是制造业未来的生产模式，作为一种在新的生产组织原理 和概念指导下形成的新型生产模式，它把各个分散独立的自动化孤岛，通过相 关技术集成为一个优化的整体。而c a d c a p p c a m 的集成正是c i m s 的关键。集 成对原来各个孤立的自动化单元提出了新的要求，就c a p p 而言，其内涵扩大了， 它的功能不仅仅局限于工艺规程的编制，它的目标也不仅仅是从工艺设计的全 部功能上尽可能地取消工艺设计人员，它是更广意义上的c a p p 系统，即c i m s 环境下的c a p p 系统。在c i m s 环境下，c a p p 是将产品设计信息转换为各种加工、 南京理工人学硕士学位论文第4 页 董王盛丝垫查坌耋垡旦量堑堡塑塑兰量竺! ! ! 墨竺竺窒 管理信息的关键环节。图1 1 1 1 表示了c a p p 与c i m s 其它系统的信息流向。 图1 1 1 1c i m s 环境下c a p p 信息流向 由图可见，c a p p 对于保证c i m s 中信息流的畅通，实现集成是至关重要的。 即没有一个完善、可靠的c a p p 系统，就不可能有一个成功的计算机集成制造系 统。 1 1 2c a p p 的历史、现状及发展 c a p p 的开发、研制是从6 0 年代后期开始的【4 】。在制造自动化领域内，它 是发展最迟的部分，世界上最早研究c a p p 的国家是挪威，始于1 9 6 6 年。在1 9 6 9 年挪威工业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。而在c a p p 发展史上具有里程碑意义的是美 国国际计算机辅助制造公司( c a m i ) 于1 9 7 6 年推出的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。我国从7 0 年 代末、8 0 年代初才开始研究c a p p 。同济大学在1 9 8 2 年开发出国内第一个c a p p 系统，即t o j i c a p 系统。至今国内己开发出上百个c a p p 系统，其中有检索式、 南京理工人学硕士学位论文 第5 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 派生式、创成式，也有的是在人工智能技术基础上开发的专家系统。 尽管c a p p 系统技术经过3 0 余年的研究，已取得了重大的发展，在理论体 系及生产过程实际应用方面都取得了重大的成果。但是，到目前为止，能被工 厂、企业正式应用的c a p p 系统还只是极少数，真正商品化的c a p p 系统几乎 没有。同c a d c a p p c a m 集成制造系统中的c a d ，c a m 两个子系统相比，处于中 间环节的c a p p 技术发展还是比较缓慢，成为系统中的“短腿”1 5 1 。图1 1 2 1 表示了c a p p 与c a d 和c a m 之间的关系。图中向右的箭头表示信息传递，向左的 箭头表示信息反馈【6 j 。c a p p 是一个将产品数据转换成面向制造的指令性数据的 重要环节，起到了承上( 产品设计) 启下( 加工制造与管理) 、连接c a d 与c a m 等应用系统的桥梁作用7 ，8 1 。 图1 1 2 1c a p p 与c a d 、c a m 之间的关系 美国机械工程师协会( s m e ) 曾统计，自8 0 年代后期到9 0 年代，美国的制 造业有9 0 需要使用c a p p ，但是直到今天，仍只有5 的企业使用c a p p ，而且很 少成功。而据1 9 9 3 年统计，c a p p 系统已开发了数百个，但应用效果并不理想， 几乎8 5 的工艺仍靠手工设计【9 】。尤其是当今和c a d 、c a m 向集成化、智能化方 面发展，追求并行工程模式，这样都对c a p p 技术提出新的要求，也赋予它新的 涵义。由于c a p p 对生产环境的依赖性及本身的复杂性，现有的c a p p 系统存在 着“实用的不先进，先进的不实用”的状况【l0 1 ，从技术的角度来看，c a p p 仍是 一个复杂和困难的问题【1 1 】，具体表现在下面的一些问题： ( 1 ) 柔性差。传统的c a p p 系统大多数是针对特定产品零件和特定制造环境 进行开发的，因而它不具备一定的柔性。 ( 2 ) 集成性差。c a d 、c a p p 、c a m 没有统一的产品信息模型。不同的c a d 与 南京理工人学硕士学位论文第6 页 基1 ：成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 c a p p 系统使用不同的数据模式，不能实现c a d 、c a p p 、c a m 之间数据的顺畅传递、 交换与共享，因而c a p p 不能真正担负起在c i m s 中的桥梁作用。 ( 3 ) 智能化低。系统没有学习功能。知识库中的知识不能随着新技术、新工 艺的出现而更新，更不能自组织、自学习、自优化，从而限制了c a p p 系统的求 解能力和应用范圈。 ( 4 ) 自动化程度低。系统功能弱，导致系统需人为干预来获得启发式信息， 并需人为干预把某些工艺计划信息反馈给c a d 系统。系统质量定程度上依赖 用户经验和】水平，从而影响了c a p p 系统的功能和自动化程度。 ( 5 ) 由于基于符号的知识表达方法和知识推理方法的局限性，存在工艺知识 获取的“瓶颈”问题与推理过程中出现的“匹配冲突”或“组合爆炸”等问题。 ( 6 ) 传统的c a p p 系统丌发多以手工、小生产方式进行，丌发周期长、效率 低。系统丌发从基本功能模块出发，起点低，软件研制中存在着大量的重复性 劳动，周期长，使c a p p 系统很难迅速发挥效益。 ( 7 ) 传统的c a p p 系统大多是封闭式系统，它不支持一般用户对系统功能的 扩充和修改，很难再丌发，难以达到实用化。 目前，虽然c a p p 的应用面还不广，而且主要应用在零件的机械加工方面， 但已逐渐向其他工艺领域扩展，如热处理、锻造、冲压和装配等，其应用前景 是广阔的。 综观世界3 0 余年来和我国2 0 年来的c a p p 发展情况，可以对c a p p 研究发 展情况归纳如下几点i ”1 ： ( 1 ) 出派生式系统向创成式系统发展。 ( 2 ) 从传统的c a p p 系统向智能化c a p p 系统发展。 ( 3 ) 出回转类零件c a p p 系统向复杂的非回转类零件c a p p 系统发展。 ( 4 ) 从孤立的c a p p 系统向c a p p n c 和c a d c a p p c a m 一体化方向发展。 ( 5 ) 从开发专用c a p p 系统进展到c a p p 开发系统和专家系统工具的丌发， 南京理r 人学硕十学位论文 第7 页 基j 成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统u f 究 使c a p p 系统开发应用逐步普及并提高到一个新的水平。 由于工艺设计中的多样性和复杂性，工艺设计是一个极为复杂的智能过程， 是特征识别、逻辑决策、组合最优化等多种过程复合体，不可能只采用单一的 数学模型，使c a p p 的研究今后主要向以下几个方向发展： 1 并行化 并行工程是一种新型生产和管理模式，强调在产品的设计阶段时就考虑下 游各过程，尽早暴露并修改设计中存在的问题，从而缩短产品的开发周期，提 高产品质量和降低成本。这包括c a d 与c a p p 的并行、c a p p 和p p s ( 生产计划与 调度) 的并行，c a p p 与c a f p ( 计算机辅助夹具设计) 的并行，c a p p 与c a t p ( 计 算机辅助刀具设计) 的并行以及c a p p 和n c 的并行等。 2 工具化 通用性是c a p p 面临的最主要的难点之一，也是制约c a p p 系统实用化和商 品化的重要因素。c a p p 开发工具的主要思想是：工艺设计的共性与个性分开处 理：工艺决策方式多样化具有功能强大的数据与知识库管理平台。 3 分布式 分布式c a p p 系统是一些相对分散的c a p p 子系统的集合，其中每个子系 统都具有有限的功能和应用范围，这些子系统用全局管理程序有机地连接起来， 形成一个分布式的计算机系统。这种全局管理程序能够协调这些子系统之间的 交互及其它们之间的控制和数据流动。 4 智能化 c a p p 专家系统的进一步深入研究已经成为人工智能技术应用研究中的一个 相当活跃的领域。如北京航空航天大学的董家骧”1 ，将a n n ( 人工神经网络) 应用于c a p p ，为人工智能和专家系统的研究注入了新的活力。 南京理工大学硕士学位论文 第8 页 茎壁垒垫查坌耋垡堡皇堑堡塑监主重壁! 竺! 墨丝塑壅 1 2 课题背景 本论文是基于与某汽车部件生产厂家的合作进行的“离合器关键零部件设 计制造技术”项目进行研究的。长期以来，该厂的工艺制订全靠工艺人员手工 进行，设计效率低，修改困难。所以，他们希望尽快地实现c a p p ，以提高工艺 设计的效率。正是在这样的背景下，作者结合工厂实际，进行了一个实用型的 c a p p 系统的研究与开发的研究工作。 奎童生坚型整垦坌茎羔鲨芏堑童! 里堕姿圭雯堡! ! 坚墨竺堕窒 2 系统分析和结构框架 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 系统分析和结构框架 2 1 零件特点 该厂的关键零部件有几个，主要有离合器压盘，离合器压盘盖，膜片弹簧 等。企业的生产纲领为中等批量。这些零件中，离合器压盘盖和膜片弹簧以及 离合器压盘都属于回转体类或轴对称类零件，而且，除了离合器压盘，都属于 薄壁壳体类零件，主要采用冲压加工，因此在工艺设计时要充分注意到冲压加 工的特点。 2 2 系统的设计目标和设计原则 该系统的设计目标是：建立零件信息的数据库，使零件的数据信息能够被 利用和共享；充分利用工艺人员的工艺经验、工艺知识，实现工艺设计和管理 的计算机化，提高工作效率和管理水平；建立制造资源和工艺参数及工艺决策 规则的数据库，使工艺数据能共享查询、修改和输出：充分利用标准或典型工 艺生成新的工艺，建立实例工艺库存放新生成的工艺；提供友好的人机界面和 操作方式。 开发该系统的原则： ( 1 ) 满足用户需求，实用性和先进性相结合，提高工作效率和管理水平。 ( 2 ) 操作简便，界面友好，便于使用。 ( 3 ) 考虑到产品的变化和工艺文件的修订，在保证系统实用性的基础上， 充分考虑系统的可维护性、可扩展性。 ( 4 ) 数据库要有良好的安全性和完整性，可靠性。 南京理工人学硕士学位论文第1 0 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 2 3c a p p 系统的基本构成和类型 从狭义的观点来看，c a p p 是完成工艺过程设计并输出工艺规程，但是为了 满足与c a d 、c a m 集成及c i m s 发展的需要，对c a p p 认识已经有了进一步的扩展， “p p ”不再单纯理解为“p r o c e s sp l a n n i n g ”，而含有“p r o d u c lp j a n n i n g ”的 涵义。c a p p 所包含的内容是在原有的基础上，向两端发展，向上扩展为生产规 划最佳化及作业计划最佳化，作为m r pi i 的一个重要组成部分，并为m r pi i 提供 所需的技术资料；向下扩展为形成n c 控制指令，即将c a p p 系统技术前镶后嵌 于m i s ( 管理信息系统) 、c a d 和c a m 之中。一般认为，一个完整的c a p p 系统基 本构成模块有： ( 1 ) 控制模块，其主要任务是协调各模块的运行，是人机交互窗口，实现人 机之间的信息交流，控制零件信息获取方式： ( 2 ) 零件信息输入模块，获取零件的信息以便能生成工艺，可以由c a d 系统 直接输入或由其它方式输入： ( 3 ) 工艺过程设计模块，进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加 工及生产管理部门使用； ( 4 ) 工序决策模块，其主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生 成工序图： ( 5 ) 工步决策模块，对工步内容进行设计，确定切削用量和其它工艺参数； ( 6 ) 工序图与工艺卡片的编辑和输出模块，绘制工序图和输出工艺卡片。 目前已有的c a p p 系统基本上多是在派生式和创成式两种原理上开发的， 划分的原则是根据其工艺决策的方式。具体存在形式有六种，即检索式，派生 式，创成式，综合式，交互式和智能式。 1 检索式c a p p 系统 这种系统属于派生式c a p p 系统的一种，常应用于工件的种类少，零件变 南京理工大学硕士学位论文第1 1 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 化不大且相似程度较高的情况。这是最简单的c a p p 系统，但因其实用、方便， 所以受到t 厂的欢迎。 2 派生式c a p p 系统 这种c a p p 系统也叫变异式c a p p 系统，它是建立在成组技术的基础上， 将零件按几何形状及工艺相似性分类、归族，每一族有一个典型样件，并为此 样件设计出相应的典型工艺文件。派生式c a p p 系统原理简单，针对性和实用 性强，可以大幅度地提高工艺编制速度，避免人的重复劳动，能在一定程度上 保持工艺设计的一致性。 3 创成式c a p p 系统 创成式c a p p 系统是由系统中的工艺决策逻辑与算法对加工工艺进行一系 列的决策，从无到有自动地生成零件的工艺规程。创成式c a p p 系统基本上排 除了人的干预，从而使工艺规程的编制不会因人而异，容易保证零件工艺规程的 一致性，它还具有设计过程自动化程度高、易实现工艺过程的优化等优点。但 由于零件结构多样性，工艺决策随环境变化的多变性及复杂性等诸多因素，设 计这样的系统技术难度大，开发费用高，并且还有一些技术上的问题尚待解决。 到目前为止，还没有一个成功的商业化的创成式c a p p 系统，其主要原因是大 部分系统只涉及某一类零件或一个具体的生产环境，在决策时采用了固定的 逻辑机制，所以这些系统在应用中缺乏柔性 1 5 。因此，真正的纯创成式c a p p 系统用于生产实际尚有一段艰苦的路要走。 4 综合式c a p p 系统 综合式c a p p 系统又称为半创成式c a p p 系统，它介于派生式c a p p 系统和 创成式c a p p 系统之间，将派生和创成结合起来，利用两者的优点，避开各自 的缺点。在系统开发的过程中，将工艺设计过程中一些成熟的、变化少的内容 用派生式的原理进行设计，将经验性强，变化大的内容用创成的原理进行决策。 避免了派生式系统的局限性和创成式系统的高难度。我国发展的c a p p 系统多 为这类系统。 5 交互式c a p p 系统 南京理工大学硕士学位论文第1 2 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 交互式c a p p 系统以人机对话的方式完成工艺规程的设计，实际l 是按派生 式+ 创成式+ 人工干预的方式开发的一种c a p p 系统。它比综合式c a p p 系统更 灵活、方便，将一些经验性强、模糊的、难确定的问题留给用户，简化了系统 的开发难度，有可能开发出较通用的c a p p 系统。但系统的运行效率低，工艺 规程设计的质量对用户的工艺知识依赖性大，对用户界面的要求较高。考虑到 我国各企业工艺设计的现状，目前它仍是一种受广大工艺设计人员欢迎的c a p p 系统。 6 智能式c a p p 系统 智能式c a p p 系统是将人工智能技术用来解决工艺设计中的问题，即用专家 系统技术来解决工艺设计中经验性强、模糊的、难确定的问题，它是c a p p 发 展的一个方向。但它与创成式c a p p 系统是有一定区别的。虽然创成式c a p p 系统和c a p p 专家系统都可自动地生成工艺规程，但创成式c a p p 系统是以逻 辑算法加决策表为其特征：而智能式c a p p 系统则以推理加知识为其特征。智 能式c a p p 系统无论是在理论上还是在实际应用上，都还有许多工作要做，但 智能式c a p p 系统是c a p p 系统发展的方向。 2 4 系统类型的选择 c a p p 系统是面向实际生产的，应根据企业的类别、产品的类型，零件类别 生产组织状况，工艺基础，工人技术水平及企业的工艺资源等各种因素，选择 合适的系统类型和方法。评价c a p p 系统性能的第一要素就是实用性，同时在 减轻工艺人员劳动强度，提高工艺设计质量的基础上，融合先进的计算机技术 和管理思想，减少丌发工作量，提高软件生命力，是c a p p 系统设训、的目标， 也是符合我国企业实际情况，满足企业需求的可行之道【1 6 】。 d l i u ，q d u a n ，n l e i 和j 一s w a n g 7j 认为派生式c a p p 中，目标零件被限 制在和先前零件相似的范围内：而创成式c a p p 系统中对于具体的零件，仍需 要有经验的工艺设计人员对标准工艺进行修改；在综合式c a p p 系统中，如果 南京理工人学硕士学位论文第1 3 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 没有附加的工艺设计，不能用于全自动化制造系统。为了提高工艺设计的效率， 扩展c a p p 在工业中的应用范围，以及避免巨大的系统开发工作，许多研究者 开始试图开发通用的c a p p 系统，其中一个方向是c a p p 开发工具，它提供了 不同用户建立其自己具体的c a p p 系统的手段。如董家骧开发的一个基于s t e p 的非回转体零件集成化c a p p 开发工具系统- - b h p p t t ”】。虽然c a p p 开发工具 能避免一些低水平、重复性的工作：但对一个具体的企业来说，目前的状况是， 即使采用了c a p p 开发工具，仍需要对其进行二次开发才能应用于生产实际， 这是因为还没有商品化的c a p p 开发工具，因此不如直接开发实用的c a p p 系 统。所以，这里是进行的一个具体的c a p p 系统的丌发，而非c a p p 丌发工具。 创成式c a p p 系统的功能最强大，但是开发难度大，目前还有许多关键问 题未解决。大部分创成式c a p p 系统还只是处于研究阶段，用于实际的很少， 而且局限于轴类和其它的一些回转类零件。根据所给零件的几何特点和企业的 生产规模，加工能力与实际情况，如果完全采用创成式，系统的开发成本会很 高，而且与生产实际的联系会不太紧密。由于综合式c a p p 系统具有创成式和 派生式的优点，同时又避开了各自的缺点，而且丌发难度和开发成本都比较低， 容易实现。 一些c a p p 开发人员过分追求自动化，要让没有任何工艺知识的人也能使 用。虽然拥有通过最少的人的介入而自动生成制造零件的工艺过程的能力是自 动工艺造成的梦想【1 引。但现阶段还不可能实现而且目前每个企业都有自己的工 艺人员，所以应该好好地利用现有工艺人员的才能，让他们参与到c a p p 的过 程中去，使工艺人员作为c a p p 系统中的一个部分，充分发挥人的智能优势， 弥补计算机在创造性思维上的不足，可以以合理的代价实现较高的智能，这样 还能降低c a p p 系统的开发成本。a m l u s c o m b e 和d j t o n c i c h 在针对c n c 机 床进行的c a p p 研究中，强调c a p p 中的“a ”是“辅助( a i d ) ”而不是“自 动化( a u t o m a t i c ) ”1 1 9 】，因此，现阶段开发综合式c a p p 系统是比较符合现阶段 情况的。综合前述，决定采用综合式c a p p 系统。 南京理t 人学硕十学位论文 第1 4 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 幽2 4 1 系统各功能模块 由于采用综合式c a p p 系统，v n c a p p ( 取合作单直与学校名称的拼音首 字母，本系统命名为v n - - c a p p ) j 暮有检索式、派生式和创成式的特点，因此系 统相应地分为三个子系统，由以下几个功能模块组成，包括控制模块、零件信 息输入模块、工艺设计模块、工艺卡片编辑输出模块、工序图编辑和输出模块 和系统维护模块。系统的总体结构如图2 4 _ 2 所示。 图2 4 2 系统结构功能框图 南京理工火学硕士学位论文 第1 5 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 3 v n c a p p 的零件信息描述和输入 3 1c a p p 中常用的零件信息描述方法 零件信息输入是实现c a p p 的前提，这个模块是整个c a p p 系统的关键模 块之一，也是c a p p 系统开发的重要内容之一，难度较大，而且工作量也大。 它是对零件的几何信息和工艺信息进行描述，以便让计算机识别所给零件，只 有这样，爿+ 能进行工艺生成等功能。长期以来，许多专家学者致力于这方面的 研究，也提出了不少方法，常见的零件信息描述的方式有如下几种： 1 ) 零件分类编码描述法 这种方法适合于检索式，派生式系统，其方法简单易行。它是建立在成组 技术的基础上的，是成组技术原理的重要组成部分，也是有效实施成组技术的 重要手段，利用零件的相似性对零件进行分组，从而能够采用成组工艺设计方 法完成工艺路线的设计。但这种方法对零件的具体形状、尺寸及精度等信息无 法比较精确地描述。 2 ) 形面要素描述法 这种方法是把一个零件看作是由若干个基本的几何要素所组成，将这些几 何要素分为主要形面要素、次要形面要素和辅助形面要素。将各种形面要素任 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、精度及粗糙度等工艺信息。这种方法虽然可以较完善、准确地 输入零件的信息，但是比较繁琐、费时。 3 ) 图论描述法 这种方法是利用图论的基本原理来描述零件的结构形状。其缺点也是输入 太繁琐、费时。 4 ) 面向零件特征要素法 南京理工人学硕士学位论文 第1 6 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 这种方法可以用来描述比较复杂的非回转类零件。 5 ) 拓扑描述法 根据拓扑学的观点，三维的零件包括有限数量的元素，如点、线、面、体， 这些元素可以看成是一些单元，因此一个零件可以用一组单元柬表示。这种方 法描述时很不方便，描述的信息太过详细，很多信息是c a p p 不需要的，因此 主要用于c a d 系统。 6 ) 知识表示描述法 随着知识工程( k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ) 的发展，零件信息描述采用了知识 表示方法，如框架表示法、产生式规则表示法、谓词逻辑表示法等。零件信息 描述采用知识表示为整个系统的智能化提供了良好的前提和基础。知识表示描 述法主要用于c a p p 专家系统。 7 ) 直接与c a d 系统相连 通过与c a d 系统相连，c a p p 系统所需的各种信息可直接来源于c a d 系 统，避免了繁琐的手工输入。直接与c a d 系统集成的方法是解决零件信息输入 问题的主要途径【2 0 】。 8 ) 基于零件特征的方位兀素描述法，例如柔性编码系统办是基于零件特征 的方位元素描述法【2 l 】； 在集成制造系统环境下，从c a d 系统中提取零件工艺信息是最直接的方 式，也是符合系统集成的本义的，也体现c a p p 的桥梁作用。但是，由于c a d 与c a p p 是各自独立发展起来的两个系统，在c a d 系统发展时未考虑到与c a p p 系统的集成，c a d 偏重于产品的几何和拓扑信息，c a p p 则偏重于产品的工艺 信息，所以二者间不一定有对应的映射关系，c a d 的信息中不一定有零件的工 艺信息，所以不能直接被c a p p 所利用。因此要实现二者的集成，还有许多工 作要做。随着s t e p ( s t a n d a r df o re x c h a n g eo f p r o d u c td a t a 一产品数据交换规范) 标准的发展成熟和广泛应用，大部分c a d 产品都支持s t e p 标准。以s t e p 为 代表的第二代产品数据交换技术，其目标是建立一种不依赖于人工解释的、能 被产品生命期各阶段的计算机辅助系统自动理解的完整的产品模型。在此基础 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 上实现产品数据自动交换现有的c a d c a p p 集成系统基本上都是基于p d e s ( p r o d u c td a t ae x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 或s t e p 开发的。如东南大学的开发了 一个基于s t e p 的装配c a d c a p p 集成系统，浙江大学在这方面也做了很多工 作，刘乃若、李善平、董金祥【2 2 】，开发了一个比较通用的具有“即插即用”特 点的c a d c a p p 的集成工具一a p i t o o l 。e k j a i n 和s h a r v a nk u m a r l 2 3 】提出了 s l s a ( s i z e l o c a t i o n - s h a p ea l g o r i t h m ) 算法，通过a u t o c a d 生成的d x f 文件 从a u t o c a d 的线框模型中提取特征信息。 由于合作企业还不具备与c a p p 系统集成的条件，因此不能从c a d 直接提 取信息，只能选择其它的零件信息输入法。各种方法都是从某些侧面对零件加 以描述，适用范围有一定的局限性，但若适当选择两种不同的方法，将其结合 起来使用，将会更好地解决零件信息输入问题。根据零件的几何特点以及企业 的现状和实际情况，v n - - c a p p 系统采用了基于成组技术的分类编码和基于特 征的方位描述法结合的零件信息输入法。 3 1 1 成组技术简介 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 是一门生产技术科学和管理科学，它是5 0 年代 初由前苏联的c n 米特洛凡诺夫( m nrp0 出ah 0b ) 首先提出来的l ”】，当时称 为“成组加工”( fpy n1 70baaobpab0rka ) 。成组技术的基本原理是依 靠设计标准化而有效地保持不同产品之间的结构一工艺继承性：通过工艺标准 化而充分利用零部件之间的结构一工艺相似性。结构一工艺的继承性是设计标 准化的前提，结构一工艺的相似性则是工艺标准化的基础。成组技术通过分类 编码系统把设计标准化和工艺标准化联系起来。分类编码系统为设计标准化提 供了设计信息检索和反馈的手段，从而保证不同产品之间具有良好的继承性。 分类编码系统也为工艺标准化提供了将零部件分类成组的工具，因而能充分利 用零部件之间的相似性。而且在实施成组技术的步骤中，建立符合企业生产特 点的零件分类是第一步。利用分类编码可以对零件进行分组分类，还能搜集和 南京理工火学硕士学位论文 第18 页 基丁成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 检索有关零件从设计、工艺到生产的各种信息。零件分类编码的作用主要有 ( 1 ) n 用零件分类编码结果，可以得出企业的零件频谱。 ( 2 ) 零件分类编码的结果是实现设计一工艺标准化的基础。 ( 3 ) 零件分类编码的结果，提供了有效的检索手段。 ( 4 ) 零件分类编码系统的推广应用，有利于实现专业化生产。 ( 5 ) 零件分类编码系统的应用，有助于生产信息管理和使用的合理化。 3 1 2 零件分类编码系统的结构 零件分类编码系统是由代表零件的设计和制造的特征符号所组成，在成组 技术的实际应用中，有三种基本编码结构。 ( 1 ) 层次结构 在层次结构中，系统的相邻横向分类环节之间在从属关系而互相关联，通 常是每一个后级符号的意义取决于前级符号的值。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。也称为树状结构或 单码结构。 ( 2 ) 链式结构 在链式结构中，在系统内各横向分类环节之间彼此完全独立而互不相干， 所以这些有序符号的意义是固定的，而与前级符号无关：这种结构也称为多码 结构。它比层次结构要复杂些，因而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 混合结构是兼有层次结构和链式结构的一种结构，它具有单码结构和多码 结构的优点。典型的混合结构是由一系列较小的多码结构构成的。这些结构链 中的数字都是独立的，但整个混合代码中，需要有一个或几个数字用来表示零 件的类别，如同层次结构一样。混合结构能较好地满足设计和制造的需要，工 业上大多数商业零件编码系统部是混合结构。 南京理工人学硕士学位论文第1 9 页 基于成组技术分类代码与特征的汽车零件c a p p 系统研究 第1 佗第1 i 位第1 i i 位第1 位第1 i 伉第1 1 1 4 市第1 何第1 i 何第i 1 1 4 i 7 ： a ) 层次结构 b ) 链式结构c ) 混合结构 图3 i 1 1 三种基本码位结构 3 1 3 特征技术简介 特征是零件工艺模型的核心部分。自7 0 年代末提出特征概念以来，虽然对 于特征至今还没有一个统一的、严格的定义，但一般认为，特征是具有某种公 认形状与功能特点