（机械制造及其自动化专业论文）基于customcapp系统的智能化综合工艺系统研究.pdf

基于c u s t o m c a p p 系统的智能化综合工艺系统研究 摘要 基于c u s t o m c a p p 系统和p d m 的计算机辅助工艺系统( c a p p ) 是在产品集成制造理 念指导下产生的一种新的工艺设计模式，是产品数据管理方法与工程制造技术的有机结 合。它的正确实施需要科学的管理策略和推理技术为理论依据，目的是在统一的产品信 息模型下实现工艺设计及工艺资源的共享。 本文结合冯裕强博士的计算机辅助工艺设计开发系统( c u s t o m c a p p ) 、产品数据管 理( p d m ) 和某单位小轴类零件计算机辅助工艺设计，系统地研究了基于c u s t o m c a p p 系 统和p d m 的智能化综合工艺系统的理论及其集成技术。该成果已在某类型小轴类零件上 得到验证。主要研究内容和成果如下： 1 提出了基于p d m 的c a p p 系统的概念模型及其体系结构，阐明了集成制造环境下 c a p p 系统的总体结构、功能模型、工作流程、基于p d m 的统一信息模型开发模式和动态 工艺创成的面向对象的c a p p 软件设计方法。 2 设计了基于p d m 的智能化综合工艺系统，介绍了定方位分层规划工艺自动生成理 论和工艺特征映射模型，特征加工路线定方位三层排序原理，把人工智能技术引入工艺 路线排序中，采用特征分层规划、分层处理，建立工艺自动生成专家系统的原理，把工 艺生成模块、制造资源选择模块、切削参数的确定模块和工艺过程参数计算模块有机的 集成在一起，动态地实现工艺文件的自动生成方法。 3 设计了基于c u s t o m c a p p 系统和p d m 的智能化综合工艺系统 在c u s t o m c a p p 系统提供的开发平台上，将c u s t o m c a p p 系统与基于p d m 的智能 化综合工艺系统有机结合起来，在c u s t o m c a p p 系统上实现集成智能化综合工艺系统并 能实现工艺的自动生成。 关键词：p d m ，c a p p ，智能化 s t u d y o n i n t e l l i g e n ts y n t h e s i z e dp r o c e s ss y s t e m b a s e do n c u s t o m c a p p a b s t r a c t c o m p u t e ra id e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) b a s e do nc u s t o m c a p ps y s t e ma n d p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ( p d m ) i san e wf o r mo fp r o c e s sd e s i g nm e t h o dg r o u n d e d o nt h ec o n c e p t i o no f p r o d u c ti n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g i ti n t e g r a t e sp u r e l yb o t h p r o d u c td a t am a n a g e m e n tm e t h o da n de n g i n e e r i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y i n o r d e rt op u ti ti n t o p r a c t i c er i g h t l y ，m a n a g e m e n ts t r a t e g yo fs c i e n c ea n d r e a s o n i n gt e c h n o l o g yi sn e e d e da st h et h e o r yf o u n d a t i o n t h eg o a li st os h a r e p r o c e s sd e s i g na n dp r o c e s sr e s o u r c e su t i l i z i n gac o m m o np r o d u c ti n f o r m a t i o n p a t t e r n ， t h i sp a p e ri s i n t e g r a t e dw i t hd o c t o rf e n gy u q i a n g sc u s t o m c a p p 、p d ma n d t h ec o m p u t e ra i d e dp r o c e s sd e s i g no fac e r t a i nu n it s m a l la x i sa c c e s s o r y ，t h e t h e o r ya n di t si n t e g r a t e dt e c h n i q u eo fi n t e l l i g e n ts y n t h e s i z e dp r o c e s ss y s t e m b a s e do nc u s t o m c a p ps y s t e ma n dp d ma r es t u d i e ds y s t e m i c a l l y t h ep r o d u c t i o nh a s b e e nv a l i d a t e do nac e r t a i nk i n do fs m a l1 a x is a c c e s s o r y p r i n c i p a lr e s e a r c h c o n t e n ta n dp r o d u c t i o na r ea s f o l l o w s 1 ac o n c e p t u a lm o d e la n das y s t e ms t r u c t u r eb a s e do np d m a r ep r o p o s e d r h e i n t e g r a t e ds t r u c t u r e ，f u n c t i o n a lm o d e l ，w o r k f l o w ，d e v e l o p i n gp a t t e r no fu n i f i e d i n f o r m a t i o nm o d e lb a s e do np d ma n do b j e c to r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p i n gm e t h o d u t i i i z e dt od y n a m i cc r e a t e dp r o c e s s p l a n n i n ga r ei i l u s t r a t e di nt h ee n v i r o n m e n t o fi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n go fc a p ps y s t e m 2 d e s i g nt h ei n t e l l i g e n ts y n t h e s i z e dp r o c e s ss y s t e mb a s e do np d m i n t r o d u c e p r o c e s sa u t o m a t i cc r e a t e dt h e o r yo fo r i e n t a t i o n h i e r a r c h i c a ll a y o u t ，a n dp r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c m a p p i n g m o d e l ， a n d t h r e e l a y e rc o m p o s i t o rt h e o r yo f c h a r a c t e r is t i cp r o c e s s i n gp a t ho r i e n t a t i o n ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e c h n j a u e i s jn t r o d u c e dt o p r o c e s sp a t hc o m p o s i t o r ， a d o p tc h a r a c t e r i s t i cb i e r a r c h i c a j l a y o u t 、m e r a r c h i c a ld i s p o s a l ，s e tu pt h et h e o r yo fw h i c h p r o c e s sc r e a t e s 。x d e r t s y s t e ma u t o m a t i c a l l y ， i n t e g r a t ew i t hp r o c e s sc r e a t i n g m o d u l e 、m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c ec h o o s i n gm o d u l o 、t h ea s s u r e dm o d u l e o fc u t t i n gp a r a m e t e r c o m p u t i n gm o d u l eo fp r o c e s sc o u r s ep a r a m e t e rt o g e t h e r ，r e a l i z et h e c r e a t e dm e t h o do fp r o c e s s d o c u m e n t a r yd y n a m ic a ll y a u t o m a t i c 3 - ，d e s i g nt h ei n t e lli g e n ts y n t h e siz e dp r o c e s ss y s t e mb a s e do nc u s t o m c a p p s y s t e ma n dp d m o nt h e d e v e l o p i n gp l a t f o r mo f f e r e db yc u s t o m c a p ps y s t e m ，i n t e g r a t ew it h c u s t o m c a p ps y s t e ma n dt h e i n t e l l i g e n ts y n t h e s i z e dp r o c e s ss y s t e mb a s e do np d m o r g a n i c a l l y ，d e p e n d o nc u s t o m c a p p s y s t e m ，r e a l i z e i n t e g r a t e di n t e l l i g e n t s y n t h e s i z e dp r o c e s s s y s t e m ， a n d m o r e o v e rr e a l i z e t h e c r e a t e dd r o c e s s a u t o m a t i c a l l y k e yw o r d s ：p d m ，c a p p , i n t e l l i g e n t 关于学位论文使用权的说明 y 6 9 7 8 4 9 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：勿嗄汔 日期：9 咿、，三、口 导师签名：、灵式暂， 日期：z 。“弓” 本人声明 我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成沦文时所 利用的一切资料均已在参考文献巾列出。 本人姓名：邹灵浩 签字：勿馁毖 门期：2 0 0 5 2 2 0 中北大学学位论文 1 引言 近年来，随着企业信息化工程的推广应用，传统的制造概念和方法已经不能适应现 代商品化市场对制造业的要求，我国企业在工业生产中采用了许多先进的产品设计和产 品制造手段，特别是应用计算机技术和c a x ( c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 等) 技术“1 ，大大 地提高了企业的产品开发能力和市场竞争力，使企业取得了明显的效益”1 。企业信息化 工程的关键是企业生产过程的信息集成，c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp f o c e s sp l a n n i n g ) 系 统成了生产过程信息集成的关键环节“川。工艺设计工作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，甚至还受到工艺人员的实际经验和生产管理体 制的制约，使得目前的c a p p 系统的发展仍落后于企业的需求，成为制约企业信息化、 集成化和网络化的瓶颈”1 。 1 1 基于c u s t o m c a p p 系统的智能化综合工艺系统产生的背景 1 1 1c a p p 系统产生的背景 随着人类进入知识经济和网络经济时代，以信息技术为主导，综合先进制造技术和 现代管理模式的高新技术是现代企业发展的方向“”“1 。在这巨大的技术变革和管理革 新之中，把技术创新与组织创新、管理创新结合起来，使我国的众多企业，特别是大中 型企业摆脱当前的生存困境、提高市场竞争能力，是摆在科技工作者和管理工作者面前 的重要课题。在过去的几年里，科技部大力推广计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术，实施c a d 应用工程，使我国的c a d c a m 技术得到了快速的发展，对加速我国 企业的技术进步、提高企业的市场竞争力具有至关重要的作用。但c a d 技术的全面推 广却给数据管理带来了更多的困难，数据管理落后的问题更为明显，主要表现在 【9 】1 0 】【1 2 】： 1 ) 信息共享程度低。目前，企业应用的计算机辅助工具和信息系统，如：c a d 、 c a m 、c a p p 、m i s 等都是局部的单元系统，面向企业的某个部门，产生的数据涉及产 品的不同方面。 中北大学学位论文 2 ) 信息传递速度慢。在大部分企业中，信息传递主要是通过书面文件、报表及电 话等方式，无法及时收集工艺和制造过程中的反馈信息，不能实时反映设计和制造过程 中的变化，随时跟踪整个产品设计和制造的进展情况。 4 ) 支撑技术不配套。在数据管理方面，企业仍然停留在使用大型商用关系数据库 的层次上，由于这些数据库不能有效地管理图形、图象等非结构数据，不能在异构与分 靠式计算机环境中实现企业内各类应用的信息集成、功能集成和过程集成。 这些问题更加剧了先进设计和制造技术与落后的管理手段之间的矛盾。为了解决这 种矛盾和适应企业信息化的需要，制造业领域的科技工作者和企业工艺技术人员逐步认 识到，生产制造过程中的信息是企业信息化工作的核心和纽带，要实现生产过程的信息 化，必须开展基于p d m 的c a p p 系统的研究，在p d m 平台上建立统一的产品信息模型， 只有这样_ 才能真正实现设计和制造过程的紧密集成。产品数据管理正是在这样的一种背 景下应运而生的，它是以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品的数据、过程和 资源的集成化管理。 i 1 2c a p p 的发展综述 工艺设计是现代制造业的重要基础工作，是连接产品设计与产品制造的桥梁。工艺 设计的质量和效率直接影响企业制造资源的配置与优化、产品质量、生产组织效率、产 品成本与生产周期等方方面面。其具体内容主要包括；毛坯设计、装夹方案设计、加工 方法决策、加工顺序决策、设备与工装选择、工序工步设计、工艺规程设计等。 1 1 2 1c a p p 国内外研究状况 2 0 世纪6 0 年代后期，n i b e l 首先提出了c a p p 的概念，而真正具有通用意义的c a p p 系统是1 9 6 9 年以挪威开发的a u t o p r o s 系统，其后很多的c a p p 系统都受到这个系统的 影响。将计算机辅助工艺设计正式命名为c a p p 则是在计算机辅助工艺设计发展史上具 有晕程碑意义的美国计算机辅助制造国际组织c a m i ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g i n t e r n a t i o n a l ) 于1 9 7 6 年所推出的c 从一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“”“。随后c a p p 在世界范围内受到了广泛的重视，美、德、法、英、r 、 中北大学学位论文 瑞- l 、荷兰、意大利等国的研究机构又先后推出了几百个c a p p 系统，如美国的c a m 一1 c a p p 系统，适用于所有零件；日本神户大学的c i m s p r o 系统，适用于棱柱体类零件的加工； 英国曼彻斯特大学的a u t o c a p 和德国柏林工业大学的c a p s y 系统用于解决回转体类零件 的加工。这些系统把成组技术和专家系统应用到了c a p p 系统中。有些系统已开始应用 于企业，有些系统的功能正在不断扩大与完善。 8 0 年代初期起，我国一些高校和工厂在推广成组技术的基础上，开始了在c a p p 方 面的研究和应用。椐初步统计，迄今为止，在国内学术会议和刊物上正式发表的c a p p 系统已有5 0 多个，少数系统己正式在工厂使用。 近二十年时问里，c a p p 系统经历了四个阶段产品的演变和发展：即基于智能化和专 家系统思想丌发的c a p p 系统；基于低端数据库( f o x p r o 等) 开发的c a p p 系统；基于 a u t o c a d 或自主图形平台开发的c a p p 系统：完全基于数据库，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c a p p 系统。 c a p p 系统的智能化研究是c a p p 发展到一定阶段的必然产物，也是为了适应企业的 具体需求所提出的客观要求。 目前c a p p 系统研究和开发的类型主要有”“： 交互式c a p p 系统。这种以填写方式为主的人机交互型c a p p 系统，其工艺规程 的设计质量主要依赖于工艺设计人员的经验和水平，难以保证工艺信息的准确性、一致 性和可靠性。 派生式c a p p 系统( 亦称变异式c a p p 系统) 。利用成组技术将工艺设计对象按 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。 创成式c a p p 系统。根据工艺决策逻辑和制造工程数据信息自动进行工艺过程设 计，能够综合工艺设计对象的生产要求，依据实际生产条件自动创建份有效工艺规程 的系统。它能根据工艺设计对象的信息模型，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 中北大学学位论文 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。 综合式c a p p 系统。它是将交互式、派生式和创成式c a p p 的优点集为一体的系 统。目前，国内很多c a p p 系统采用这种模式。 智能型c a p p 系统。它是一种基于人工智能技术的c a p p 系统，也称c a p p 专家系 统。与创成式c a p p 系统一样，智能型c a p p 系统也是以自动方式生成工艺规程。创成式 c a p p 系统是以逻辑算法加决策表为特征的，而智能型c a p p 系统则以知识库加推理机为 特征的。智能型c a p p 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，开发智能型c a p p 专家系统 前景广阔。 c a p p 软件在c a d 软件领域是研究和发展较早的软件技术之一。但与同类的c a d 、c a m 的软件技术相比，c a p p 软件的发展却大大落后于c a b 、c a m 软件。在许多企业里，加工 部门早已用上了c a m 软件，产品的设计部门早己甩掉了图板，甚至用上了三维的设计和 分析软件，而工艺设计部门却迟迟扔不了钢笔，仍然重复着几十年来的工作习惯和方法。 9 0 年代中后期，企业信息化成为大家关注的热门话题，在一些企业采用了企业级的p d m 、 m r pi l 和e r p 软件后，才发现c a p p 成为阻碍企业信息化建设的瓶颈。 9 0 年代末，各种实用化的c a p p 系统开始走向市场，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。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。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 软件研究开发的重点“”“7 ”“”1 。 1 1 2 2b a p p 的发展趋势 近年来，由于制造技术的发展，人工智能、神经网络、专家系统等耨技术在c a p p 中的应用，尤其是先进制造技术的基础技术，从建立企业工艺标准化体系到计算机软硬 件及网络通信技术的发展，以及企业应用计算机从单一系统向集成化系统发展，加j 二企 中北大学学位论文 业币面对新经济时代的市场竞争，在这样的新基础、新形势下，为进一步探索提供了新 的思路，其中最主要的观点有以下几种”。“”2 ”2 ： 集成化计算机集成制造是现代制造业的发展趋势，作为集成系统中的一个单元技术， c f i p p 系统集成化也是必然的发展方向。主要包括三个方面： 1 c a d c a p p c a m 的全面集成，这种集成主要是系统信息的集成。它是克服c a p p 系统信息输入困难的根本途径，也是c a d c a p p c a m 集成成败的关键。 2 c a p p f p s 的集成。这种集成主要是系统功能的集成。其实现方法主要有非线性工 艺规划、动态工艺规划和准进工艺规划等，其实质是根据制造系统底层的状态以及提供 的信息生成适应性的最优工艺规程。 3 基于p d m 的c a p p 系统开发是一种新的模式，在传统c a p p 系统研究的基础上，进 一步探索p d m 框架上的集成化、工具化c f i p p 系统是当前c a p p 研究和开发的前沿领域， 能够适应企业规划的要求，工艺人员可以实时的获取工艺设计所需的设计信息，从而保 证了数据的完整、统一及流畅。 智能化智能化c a p p 系统着重强调的是c a p p 发展的深度，即将人类思维的方法和过程 引入到c a p p 系统中去，使之具有学习、推理、联想、判断以及视觉、听觉和语言功能， 从而使计算机能在更大范围内、更高水平上模拟实际的设计环境，适时地提供相关的理 论和设计经验，以启发设计者的创造性思维、辅助或代替设计者分析、给定、推断相关 的数据、信息和知识，做也各种设计决策，大幅度提高设计水平，使c a p p 系统更上一 个台阶。因此，实现智能化的关键取决于对人类思维的模拟水平。但必须清醒地认识到： c a p p 中的a 是a i d 而不是a u t o m a t i o n 。根据智能代价学说，智能系统的智能越高，系 统开发代价就越大，所以智能化c a p p 系统的研究应立足于当前智能技术和信息科学等 领域的已有科研成果，综合人与计算机的各自特点，使人机之间成为一种协作关系，从 而构成一种新型的人机智能系统。 并行化并行c a p p 是以并行设计理论为指导、在集成化和智能化的基础之上进一步发展 起来的，并行设计是并行工程的核心内容。在传统的串行模式中，工艺设计按照一个固 定的串行次序来进行。而并行模式中，工艺设计的各个子过程是并行工作的，即各个予 过程的次序是可变的。它强调在产品设计的同时，考虑与错4 造有关的各种因素，尽早发 现设计中存在的与制造相关的问题，一旦发现，及时反馈，以保证产品的可制造性。 中北大学学位论文 网络化基于w e b 的c a p p 是在i n t e r n e t i n t r a n e t 环境下，利用w e b 服务器提供的功能， 使c a p p 系统具有自学习、自适应功能，与企业信息化工程相适配。 人机一体化所谓人机一体化是在人与计算机组成的系统中，采取以人为中心、人机一 体的技术路线，人与计算机平等合作，各自完成自己最擅长的工作。基于“以人为中心 的人机一体”的思想，根据思维科学、信息科学和机械科学的最新进展，将人工智能与 人类智能结合起来研究人与计算机在工艺规划中人机相互感知、人机综合推理、人机协 同决策的实现机制，建立面向人的人机智能耦合工艺规划系统模型和体系结构，从而突 破传统的智能c a p p 系统的框架，使工艺规划系统从面向计算机为中心转向面向人为中 心，由此开发的c a p p 系统必将在制造企业获得广泛应用，并取得最佳的经济效益。 2 们 2 5 】【筋】【2 力【2 棚 1 1 3 本文主要研究内容 c u s t o m c a p p 系统是我校冯裕强博士自主开发的通用性c a p p 系统，它针对c a p p 系统的开发提供了一个平台，在此基础上可以迅速的开发出所需要的c a p p 系统。结合 本人的硕士研究生课题“智能化综合工艺设计”，在c u s t o m c a p p 的基础上，开发了“基 于c u s t o m c a p p 系统的智能化综合工艺系统”。 本论文的研究工作是以某类型小轴类零件为产品对象，通过相似实例，得到其工序 及自动机床的主要工作参数，研究内容包括： ( 1 ) 基于p d m 的c a p p 系统的概念模型和体系结构研究 c a p p 系统体系结构的研究是结合计算机技术的特点对产品的制造过程的共性进行 组织和抽象，以计算机为辅助工具，设计出适合企业生产实际的产品工艺，建立能够适 应大多数应用环境的系统框架。本文提出了基于p d m 的c a p p 体系结构，可以解决目 前c a p p 系统自身无法解决的困难，实现产品设计开发和制造过程的有序与统一，真f 实现企业制造资源信息的交换与共享，发挥c a p p 系统在企业信息化工程中的桥梁作用。 ( 2 ) 基于p d m 的智能c a p p 系统设计与研究本章介绍了定方位分层规划工艺自 动生成理论和工艺特征映射模型，特征加工路线定方位三层排序原理，把人工智能技术 引入工艺路线排序中，采用特征分层规划、分层处理，建立工艺自动生成专家系统的原 理，把工艺生成模块、制造资源选择模块、切削参数的确定模块和工艺过程参数计算模 中北大学学位论文 块有机的集成在一起，动态地实现工艺文件的自动生成方法。 ( 3 ) 基于c u s t o m c a p p 系统的二次开发 在c u s t o m c a p p 系统提供的开发平台基础上，将c u s t o m c a p p 系统与基于p d m 的 智能化综合工艺系统有机结合起来，在c u s t o m c a p p 系统上实现调用智能化综合工艺系 统并能实现工艺参数的自动生成。 ( 4 ) 系统的工程应用 介绍了利用该系统进行工艺设计的过程与工程应用实例。 1 2 论文结构 全文共分六章： 1 绪论论述了与课题相关技术的研究与发展现状，包括p d m 、c a p p 技术等，对 本文的研究工作意义和研究成果及论文的组织结构进行了简要的介绍。 2 基于p d m 的c a p p 概念模型和体系结构研究应用系统论提出了基于p d m 的 c a p p 系统概念模型、体系结构、总体结构、功能模型和工作流程，实现了p d m 与c a p p 系统的信息集成、功能集成和过程集成，能够解决工艺设计中的复杂问题，为c a p p 系 统的实现提供了完整的解决方案。 3 基于p d m 的智能c a p p 系统设计与研究本章介绍了定方位分层规划工艺自动生成 理论和工艺特征映射模型，特征加工路线定方位三层排序原理，把人工智能技术引入工 艺路线排序中，采用特征分层规划、分层处理，建立工艺自动生成专家系统的原理，把 工艺生成模块、制造资源选择模块、切削参数的确定模块和工艺过程参数计算模块有机 的集成在一起，动态地实现工艺文件的自动生成方法。 4 基于c u s t o m c a p p 系统和p d m 的智能化综合工艺系统研究本章介绍了基于p d b t 的 a i c a p p 与c u s t o m c a p p 系统的衔接，使c u s t o m c a p p 系统能够直接调用a i c a p p ，完成 基于c u s t o m c a p p 系统的智能化综合工艺系统开发。 5 系统的工程应用以某类型小轴类零件的自动车床加工为实例，对已开发的基于 c u s t o m c a p p 的智能化综合工艺系统的功能进行了验证。 6 结论与展望对论文工作的总结和对未来工作的展望。 中北大学学位论文 2 基于p d m 的c a p p 概念模型和体系结构研究 目前常见的c a p p 系统工艺生成模式主要有：基于智能化和专家系统思想而开发的 c a p p 系统、基于低端数据库的c a p p 系统、基于a u t o c a d 或自主图形开发的c a p p 系统、完全基于数据库，采用交互式设计方式的综合式平台类c a p p 系统 2 9 】【3 0 1 川。本 章以系统论为理论基础，进行了基于p d m 的c a p p 系统概念模型和体系结构研究，提 出了a 1 c a p p 系统的体系结构、总体结构、功能模型、工作流程，对提高c a p p 系统 的适应性及与其它子系统的集成特性具有重要的作用。 2 1 基于p d m 的c a p p 系统概念模型的构造原理 任何事物都是由一些基本元素或单元，通过特定的方式连接而成的。不同功能的产 品看成是由一组相同的单元或零件，或者重新设计少数新的零件或单元，通过不同的方 式组合而成的。这里单元、零件、组合都是广义的概念p “。单元指的是具体的零件或由 它们组成的部件。组合指的是工艺方案与工具。构造c a p p 软件系统，单元是指实现工 艺生成和工艺管理的抽象软件模块。组合是指连接这些模块的方法和工具。 c a p p 系统可以抽象成输入信息经过系统处理而输出所需要的信息的过程，如图2 1 所示。 输入数据e 二二： 处理模型e 二二： | 输出信息| 一刁匕l 一 (数据库) 系统可以表示为： s c 。，i i ， 图2 1c a p p 信息模型 ( 2 - 1 ) 中北大学学位论文 式中：o 表示系统中的各种抽象的软件模块，如c a d 特征建模模块、加工类型决策模 块、实例推理模块、工艺推理模块、工艺文件输出模块等。 零件的加工工艺过程是从原材料到成品的一系列加工过程的总和，它与企业的生产 模式、生产管理及制造资源密切相关。因此，在构造c a p p 系统模型时，必须用系统论 的观点全面地考虑系统应具备的功能。c a p p 概念模型是对计算机辅助工艺设计运转过 程高度概括的描述，如图2 2 所示。 图2 2c a p p 的概念模型 同一般系统的构造原理一样，图2 2 所示的c a p p 系统概念模型也有输入、处理和 输出三大部分。输入包括：物料( 零件毛坯) 、加工对象信息，加工对象信息通过预处 理子系统分为两部分，一部分用于工艺决策模型判断加工对象的加工类型决策，另 一部分存储到产品数据管理模型中，以备制造模型生成加工工艺获取所需的参数。输出 包括：加工对象的加工工艺及其相关制造资源的确定结果。 c a p p 包括四大功能模型：工艺评价模型、工艺决策模型、制造模型和产品数据管理 模型。各个功能模型的功能如下： 中北大学学位论文 ( 1 ) 制造模型。该模型的功能是将零件的毛坯通过制造模型变换成产品。它是由零 件信息、制造资源信息等实体组成，这些实体间的相互作用构成了c a p p 系统中的物流 部分。 ( 2 ) 产品数据管理模型。该模型的功能是将来自加工对象和制造模型的有关信息， 经过合理的处理变换成相应的产品数据，将产品数据处理变换成加工工艺的数据( 信 息) ，生成符合生产实际的零件加工工艺。 ( 3 ) 工艺决策模型。一个企业的加工对象是千变万化的，同一种零件的生产模式也 是多样化的，零件的加工类型决定了制造资源的选择，因而存在各种各样的冲突需要决 策。工艺决策模型就是根据零件的加工信息来决定零件的加工方法，从而确定相应的生 产模式和制造资源。 ( 4 ) 工艺评价模型。工艺评价模型就是对零件的多种可行的工艺方案从生产周期、 生产成本和产品质量等方面进行综合评价，为工艺决策模型提供可行的工艺方案决策依 据。 2 2 基于p 渊的c l p p 原型系统m - b a p p 的体系结构 系统是由一组要素为完成特定功能，通过相互间的有机联系而组成的整体。系统的 体系结构通常包括通用的体系结构和专用的体系结构，这里根据上节中的c a p p 系统概 念模型的构造原理，主要研究a i c a p p 系统的专用体系结构。它主要由支撑环境层、核 心层、功能层和用户层组成，如图2 3 所示。 ( 1 ) 支撑环境层：为系统提供必要的软硬件环境支撑平台，主要包括计算机网络系 统、用户计算机、操作系统和数据库系统等。 ( 2 ) 核心层：由p d m 集成框架组成。p d m 集成框架在c a p p 体系结构中处于核心 地位，为c a p p 系统提供统一的零件信息模型和工艺生成信息模型。 ( 3 ) 功能层：它主要说明了c a p p 主要功能。c a d 特征建模系统将零件信息以特定 的特征分类方法和一定的数据格式建立特征信息模型，存储到p d m 数据库中，实现了 c a d c a p p 的信息集成。c a p p 系统通过提取p d m 系统中的零件特征信息，进行工艺 推理，生成符合生产实际的零件加工工艺，包括零件加工类型决策模块、工艺方案评价 模块、最相似实例推理模块、实例的修改模块、实例的存储模块、工序工步排序模块、 中北大学学位论文 自动机工艺自动生成模块、工艺结果输出模块等。 l统一的用户工作界面 用 白 】【i 董 。_ 。 4 ：1 1 1 ”c 抑智藏聋艺谶许系缱i 一：i ：”j ；7r ：4 【- 一c 柏一 i=；i01 o 。般 。 i 疆。- “_ 9 j ：每：。0 t 一 陲嚣 iiiiiii h 壤，q ； 南离嘲窜窜嘲茸i i l 。 w 。 ? l雏一的数据库嚣耐接口 ) 6。 囊。 1 。 + “ ， i 核。 1p d 集成框架 心 扉、 1蠢。 一 环 i操作系统、计算机网络、数据库等 境 屡 图2 3a i c a p p 体系结构 ( 4 ) 用户层：提供集成框架下统一的用户界面。 该体系结构的主要特点是： ( 1 ) 基于p d m 集成框架的统一信息模型的开发模式 该c a p p 系统的信息模型均以p d m 作为集成框架，使得与工艺设计过程相关的各 种数据都建立和存储在p d m 的数据库中，达到了信息共享，数据得到了安全、有效地 管理。 ( 2 ) 模块化的软件设计结构 系统采用面向对象的软件设计方法，根据系统功能结构关系，把功能相对独立的实 体设计成功能模块，通过功能模块的合理组合，实现了c a p p 系统的开发，缩短了c a p p 系统的开发周期，便于软件的维护和升级。 ( 3 ) 实现了c a d c a p p 的信息集成 c a d c a p p 的信息集成是c a p p 系统能否实用的关键技术，该系统体系结构通过基 于p d m 平台的集成框架，开发了零件特征建模系统，将零件的特征信息和加工信息转 中北大学学位论文 化成c a p p 所需要的工艺信息，以符合p d m 系统规范的数据格式，存储到p d m 系统 数据库中，实现了c a d c a p p 信息的有效集成。 ( 4 1 动态工艺设计 通过对零件特征建模和工序工步的自动排序，实现了基于实例的工艺设计和基于特 征的创成式工艺设计，系统采用任务驱动的设计方式，允许多个事件处于激活状态，可 以支持工艺设计过程的并发处理。 ( 5 ) 支持企业动态制造资源的工艺设计 目前大部分c a p p 系统处理的是预先设定的静态的企业资源信息，而工艺设计中的 工序工步的设计与制造资源密切相关。企业的制造资源规划是随着生产计划变化的动态 的规划过程，本体系结构建立了动态资源规划模型，适应工艺的动态设计。 ( 6 ) 实现了工序工步排列的的优化 自动机床工序工步的排列是影响自动机床加工质量和生产率的关键技术，还影响刀 具的选用和排列。同一零件的工序工步的排列有多种方案，系统采用对工艺路线优选的 方法，在满足加工质量的前提下，以生产周期和生产成本为评价指标进行评价，优选出 一种可行的工艺方案。 2 3c a p p 原型系统a i - c a p p 的总体结构 根据图2 2 所示的c a p p 系统概念模型，将各个功能模块细化，并将各功能模块按 照相互关联关系进行组合，就可以导出原型系统a i c a p p 的总体结构，如图2 4 所示。 a i c a p p 系统由c a d 特征建模和c a p p 工艺设计两个子系统组成，在p d m 框架 上集成。c a d 特征建模子系统为基于p r o e 平台上开发的特征信息输入系统，通过预先 定义的零件特征类型和交互式特征参数输入方法，将零件的几何特征信息和工艺特征信 息存入到p d m 的零件特征信息库中。c a p p 子系统分成三个层次完成零件工艺的生成： 零件的加工工艺路线通过最相似实例的推理，将最相似实例零件的工艺路线进行适当地 修改后生成：自动机床加工工序工步设计采用创成式工艺生成方法完成；需要普通机械 加工的部分工艺，采用最相似实例工艺修改方法获得。通过建立切削用量模型和制造资 源模型，实现自动机加工工艺过程参数的自动计算。 中北大学学位论文 图2 4a i c a p p 总体结构 2 4c u o p 原型系统h i c a p p 的功能模型 c a p p 原型系统a i c a p p 的功能模型由i d e f 0 建模方法进行描述，如图2 5 所示。 图2 5a i c a p p 的功能模型 中北大学学位论文 2 5c a p p 原型系统a i - c a p p 的工作流程 c a p p 原型系统a i c a p p 的工作流程，如图2 6 所示。 2 6 本章小结 图2 6a i c a p p 的：丁= 作流程 本章根据系统理论设计方法，提出了基于p d m 框架的c a p p 系统的概念模型和体 系结构，并对c a p p 系统的总体结构、功能模型和工作流程分别进行了描述，其完成的 中北大学学位论文 内容有： ( 1 ) 提出了基于p d m 的c a p p 集成系统的概念模型。 ( 2 ) 提出了基于p d m 的c a p p 系统的体系结构，详细阐述了其总体结构、功能模型、 工作流程，给出了c a p p 系统工艺设计的解决方案。 中北大学学位论文 3 基于p d m 的智能c a p p 系统设计与研究 随着企业信息化工程的实施与先进制造技术的推广应用，企业不同部门使用的各个 应用系统之间的异构数据缺乏有效的信息转换和传递，使得c a p p 系统的研究和发展困 难重重【3 3 1 1 3 ”。p d m 正是在这一背景下产生的一种新的管理思想和技术，成为现代企业 信息化管理与集成的理想平台，基于p d m 平台的c a p p 系统的开发成为工艺设计领域 研究的热点。本章进行了基于p d m 的c a p p 系统体系结构研究，既能满足p d m 的规 范，又能满足企业工艺人员设计的要求和习惯，实现了信息与功能的集成。提出了定方 位分层规划工艺自动生成理论和工艺特征信息映射模型，研制出了自动机床工序工步自 动排序专家系统，实现了自动机床工序中工步排列路线的自动生成，切削用量的自动确 定，工艺资源的自动选择，刀具行程、工作行程、刀具控制凸轮参数的自动计算，凸轮 工程图的自动输出，工艺表格的自动输出与打印。有效地利用了p d m 的系统资源，力 求系统的实用化和智能化。 3 ，1 基于p d m 的智能c a p p 系统体系结构 图3 1 所示为基于p d m 的智能c a p p 系统的集成框架体系结构图。c a p p 系统通过数 据库接口和数据库中的数据进行交换，获取工艺设计所需要的零件特征信息。系统首先 将主特征及其所依附的辅助特征在同一方位上按加工顺序进行第一次排序，就确定了同 一方位的主特征与对应的辅助特征的加工顺序关系；然后将零件的主特征按加工顺序进 行第二次排序，