（材料加工工程专业论文）气门产品capp原型系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 撼要 l 媾经济全璩他的今天，企业竞争鲍形态也i e 在发生深亥g 变纯。出予审场器求变 化多端，当蘸割遣业嚣燎蓦加速新产品好发周麓静追切任务。热骜，必须改变老的 金业管理模式，提寒应变能力。最鸯效豹途径之一就是采焉计算枫辘韵_ 工艺管壤。 工艺管臻是企监管理牵鹃重要缀成都分，涵盖鞍联系着企数各个部门，它惫括对产 晶图纸避行互艺性分析与睾瓷、簌定工艺方案、编帮l 零件缀分工舀漾、编制工艺规 程和工艺装备豹设计、箭定材料消耗定额和工辩定额等系列工艺准备工作。工艺 管理的质羹赢按影响蓟生产发展。因此，开展计算机辅助互艺管理，对提商工麓工 作和企监管瓒的水平，键进企监技术迸步有着很重要的意义。1 ， 文中阐述了c a p p 系统的概念，介绍了c a p p 系统发展现状、存在问题以及采来 的发展趋势，介绍了课题的来源、目的、意义及主要研究内容。 分别从气门的工艺特点，制造流程以及气门产晶的生产技术瓶颈三个方面论述 了气门产品及制造的特点，通过几种c a p p 系统的工作原理及特点的比较，提出了基 于典型零件的工艺实例库的工艺设计方案，详述了典型零件工芑实例库的建立，探 讨了基于知识的工艺设计，并运用面向对象的方法，通过u m 乙的建模分析了气门产 品c a p p 系统的工艺信息模型。 论述了气门产品c a p p 系统的开发方式，提出了熬于摸板的开发技术。论述了开 发模板的必要性，并运用u m l 的静态模裂和动态模裂分孛厅7 模扳的总体设计、模块 缀成、模块的设计。进蕊提堪了模扳的结构，并详缎论述了摸投的结构，最蜃论述 了模援的工掺原理 遴过慰企业麓调查和硬究结会c a p p 理论提出了气f 产品c a p p 系统豹功能模块， 并根据这些功能模块勰划系统匏体系续构，然蜃论述了搬稼在攫叛豹基锻上建立气 f l 产黼c a p p 系绞，并给蹬了部分豹运孬实铡。 最后，全文苍结和工作最望，论述7 取褥豹成绩绫及完善系统的方惫。 。 关键嗣：计算梳辅助z 艺过禚设计 统一建模语富 正艺信蕊矮氢7客户菔9 螽蘸擒 华申科技失学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t he c o n o m i c a lg l o b a l i z a t i o n ，t h em o d eo f e n t e r p r i s ec o m p e t i t i o na l s oi sc h a n g i n g p r o f o u n d l y , b e c a u s et h el e v i t yo f m a r k e td e m a n d ，t h ec u r r e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y f a c e st h e u r g e n td u t yo fa c c e l e r a t i n gt h e n e wp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，t h e r e f o r e ， e n t e r p r i s e m u s tc h a n g et h eo l dp a r e mo fb u s i n e s sm a n a g e m e n t ，s h a r p e n st h es t r a i n c a p a c i t y o n eo f t n o s te f f e c t i v ew a y su s e sc o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g 。t h ep r o c e s s m a n a g e m e n t i st h e i m p o r t a n tc o n s t i t u e n t o ft h eb u s i n e s sm a n a g e m e n t ，c o v e r se a c h d 獬, a r t m e n to fe n t e r p r i s i n g ，i ti n c l u d e sc a r r y i n go n t h ec r a f ta n a l y s i sa n d e x a m i n g t ot h e p r o d u c tb l u e p r i n t ，d r a w su pt h ec r a f tp l a n ，t h ee s t a b l i s h m e n tc a r r yp r o c e s sa n dt h ec r a f t e q u i p m e n td e s i g n i n g ，d e t e r m i n i n gt h em a t e r i a lc o n s u m p t i o n r a t ea n dam a n - h o u ro ff i x e d q u a n t i t ya n ds oo nas e r i e sp r e p a r a t o r yw o r ko fc r a f t s t h ec r a f tm a n a g e m e n tq u a l i t y d i r e c t l y a f f e c t st h ep r o d u c t i o n 。t h e r e f o r e , e a r r i e 堍o u tt h ec o m p u t e ra i d e dp r o c e s s p l a n n i n gt oe n h a n c e i n gt h ec r a f tw o r ka n dt h eb u s i n e s sm a n a g e m e n tl e v e l ，p r o m o t i n g e n t e r p r i s et e c h n o l o g ya d v a n c e m e n th a s v i t a ls i g n i f i c a n c e t h ea r t i c l e e x p l a i n e dt h ec o n c e p to f t h ec o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m ， i n t r o d u c e d c u r r e n ts i t u a t i o no fc a p p t e c h n o l o g y , t h ee x i s t i n gp r o b l e ma n dd e v e l o p m e n t t r e n di nt h ef u t u r e ，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 ，m e a n i n ga n dm a i nr e s e a r c hc o n t e 弱l so f t h e s u b j e c t 。 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ev a l v e p r o d u c t i o ni sd e s c r i b e dt h r o u g ht h r e er e s p e c t s ，w h i c h i n c l u d i n gv a l v em a n u f a c t u r i n gc r a f tc h a r a c t e r i s t i c ，p r o d u c i n gf l o wa n dv a l v ep r o d u c t i o n t e c h n o l o g y t h r o u g hc o m p a r i s o n o fs e v e r a lk i n d so f o p e r a t i o n p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i co fc a p p s y s t e m ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r dt h ed e s i g n p r o j e c to f t h ec r a f tb a s e d o nc r a ri n s t a n c el i b r a r yo ft h et y p i c a lp a r t s ，e x p a t i a t e dt h ef o u n d a t i o no f t h et y p i c a lp a r t e 糟鑫i n s t a n c el 谗r a r y , d i s c u s s e dt h ec 缘建d e s i g nb a s e do n k n o w l e d g e i n a d d i t i o n u s i n gt h e o b j e c to r i e n t e dm e t h o d ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ec r a f ti n f o r m a t i o nm o d e l so ft h ev a l v e n 华中科技大学项士学位论文 p r o d u c t c a p p s y s t e mt h r o u g h t h e m o d e l i n go f u m l t h ea u t h o rd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n tm o d eo ft h ev a l v ep r o d u c tc a p p s y s t e m ，p u t f o r w a r dt h ed e v e l o p i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt e m p l a t e ，d i s c u s s e dt h en e c e s s i t y o ft h e d e v e l o p m e n tt e m p l a t e u s i n gs t a t i ca n dd y n a m i c m o d e lo fu m l ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h e o v e r a l ld e s i g n , m o d u l em a k e u pa n dd e s i g no f t h em o d u l e t h ea r t i c l ea l s op u tf o r w a r dt h e s y s t e ms t r u c t u r eo f t h et e m p l a t e ，d e s c r i b e dt h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h et e m p l a t ei nd e t a i l ， a n dd i s c u s s e dt h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo f t h et e m p l a t e t h r o u g h t h es t u d yo f e n t e r p r i s e sa n dc o m b i n i n g t h em e t h o o l o g yo f c a p p , t h ea r t i c l e p u tf o r w a r d t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h ev a l v e p r o d u c tc a p ps y s t e m a c c o r d i n gt ot h e s e f u n c t i o n a lm o d u l e s ，t h ea u t h o rc o m p l e t e dt h el a y o u to ft h e s y s t e ms t r u c t u r e ，e x p o u n d e d h o wt os e tu pav a l v ep r o d u c tc a p ps y s t e mo nt h eb a s i so ft e m p l a t e ，a n dg a v es o m e o p e r a t i o n i n s t a n c e s f i n a l l y , t h e a u t h o r g a v e t h ef i n a ls u m m a r i z a t i o na n dt h e w o r k i n ge x p e c t a t i o n ， e x p o u n d c d t h ea c h i e v e m e n t sa n d p e r f e c t i o nd i r e c t i o no f t h e v a l v e p r o d u c t c a p p s y s t e m + k e y w o r d s ：c o m p u t e r a i d e d p r o c e s sp l a n n i n gp r o c e s s i n f o r m a t i o nm o d e l c l i e n t s e l - g e rs t r u c t u r eu n i f i e dm o d e ll a n g u a g e h i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 “经济竞争”已成为当今世界各国竞争的主要内容。其中，占各国生产总值5 0 以上的制造业的竟争尤为激烈。在经济全球化的今天，企业竞争的形态也正在发生 深刻变化。由于市场需求变化多端，当前制造业面临着加速新产品开发周期的迫切 任务。为此，必须改变老的企业管理模式，提高应变能力。最有效的途径之一就是 采用计算机辅助工艺管理。工艺管理是企业管理中的重要组成部分，涵盖和联系着 企业各个部门，它包括对产品图纸进行工艺性分析与审查、拟定工艺方案、编制零 组件分工目录、编制工艺规程和工艺装备的设计、制定材料消耗定额和工时定额等 一系列工艺准备工作。工艺管理的质量直接影响到生产发展。因此，开展计算机辅 助工艺管理，对提高工艺工作和企业管理的水平，促进企业技术进步有着很重要的 意义。 1 1c a p p 的概念【1 1 c a p p ( 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 ，计算机辅助工艺过程设计) 的开发、研 制是从6 0 年代末开始的，在制造自动化领域，c a p p 的发展是最迟的部分。世界上 最早研究c a p p 的国家是挪威，始于1 9 6 9 年，并于1 9 6 9 年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 0 s 系统。在c a p p 发 展史上具有里程碑意义的是c a m i 于1 9 7 6 年推出的c a m 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。取其字首的第一个字母，称为c a p p 系统。目前对c a p p 这个缩写法 虽然还有不同的解释，但把c a p p 称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释 义。 c a p p 的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程 图纸上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息( 形状、尺寸 等) 和工艺信息( 材料、热处理、批量等) ，由计算机自动输出零件的工艺路线和工 序内容等工艺文件的过程。 计算机辅助工艺过程设计也常被译为计算机辅助工艺规划。国际生产工程研究 华中科技大学硕士学位论文 过程设计( c a p p c o m p u t e ra u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 等名称，c a p p 一词强调了工 艺过程自动设计。实际上国外常用的一些，如制造规划( m a n u f a c t u r i n gp l a n n i n g ) 、材 料处理( m a t e r i a lp r o c e s s i n g ) 、工艺工程( p r o c e s se n g i n e e r i n g ) 以及加工路线安排( m a c h i n e r o u t i n g ) 等在很大程度上都是指工艺过程设计。计算机辅助工艺规划属于工程分析与 设计范畴，是重要的生产准备工作之一。 由于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 gs y s t e m ) 的出 现，计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计( c a d c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 相接，下 与计算机辅助制造( c a m c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 相连，是连接设计与制造 之间的桥梁，设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息，设计只能通过工艺设 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。 1 2c a p p 系统的发展现状、存在问题及发展趋势 1 2 1c a p p 系统的发展现状、存在问题【2 5 l c a p p 技术从二十世纪6 0 年代诞生开始，就一直得到广泛的重视，并取得了很 大的进展，但仍存在着一些问题。 8 0 年代我国开始了在c a p p 方面的研究和应用，到现在的二十多年的时间里，c a p p 系统经历了如下几代产品的演变和发展： ( 1 ) 第一代产品：1 9 8 2 1 9 9 5 年期间一基于智能化和专家系统思想开发的 c a p p 系统。此类c a p p 系统强调工艺设计的自动化，但因工艺设计的特点决定了自 动化的c a p p 系统存在很大的局限性，无法满足企业对通用c a p p 系统平台的需求。 近年来，以自动化为唯一目标的c a p p 研究开发状况已经使人们对c a p p 研究与开发 现状产生怀疑。到目前为止国内尚没有真正商品化的c a p p 专家系统问世，很多研究 机构已停止了此种模式的开发。 ( 2 ) 第二代产品：1 9 9 5 年至至今一一基于低端数据库( f o x p r o 等) 开发的c a p p 系统。这一类c a p p 软件已经注意到c a p p 需要以工艺数据为对象解决企业的工艺 华中科技大学硕士学位论文 设计问题，而不应该以卡片( 一般的解决途径是采用c a d 技术，是一个文件系统) 为 基础。基于f o x p r o 等低端数据库的c a p p 系统所处理的数据和生成的数据都是基于 数据库的，但因为开发技术所限很难做到“所见所得”，系统的实用性很差。因此工 艺卡片的生成是由程序来完成或是在c a d 中生成。其优点具备了数据库系统的特点， 符合工艺数据管理的特点，但因为不是交互式设计方式，不能作为平台类软件，实 用性不强，推广和使用受到了很大的限制。作为商品软件，大部分商业软件公司已 放弃了此种开发模式。另外，近几年以中高端数据库为平台开发了一些c a p p 系统， 但因开发技术和实力所限一直未实用化j ( 3 ) 第三代产品：1 9 9 6 年至至今一一基于a u t o c a d 或自主图形平台开发的 c a p p 系统。为了解决基于f o x p r o 等低端数据库的c a p p 系统实用性差的缺点，一 些c a d 软件公司采用c a d 技术开发了一些c a p p 系统，它解决了实用性问题，但 却忽视了最根本的问题：工艺是以相关的数据为对象的，而不是以卡片( 图形数据1 为对象的。此类c a p p 是基于文件系统的c a d 技术开发的，特别是自主c a d 平台 软件，文件格式采用了非标准的自定义格式，信息的交换存在严重的问题。工艺文 件作为图形信息保存，描述的是工艺文件的图形拓扑关系，其数据是分散在各个卡 片中的，很难集中管理，且它的集成和= 次开发必须依赖自身的系统。 ( 4 ) 第四代产品：1 9 9 8 年至至今一一综合式平台类c a p p 系统。此类系统完全 基于数据库，采用交互式设计方式满足实用化要求，同时注重数据的管理与集成， 它集中了第2 、第3 两代系统的优点，是国内外c a p p 学者公认的最佳开发模式，开 放的体系结构同时满足了特定企业特定专业的智能化专家系统的二次开发的需要。 虽然c a p p 系统在近二十年的研究中取得较快的发展，但仍然存在不少问题， 表现在以下方面： ( 1 ) c a p p 研究与开发的目标具有很大的片面性。 长期以来，c a p p 的目标一直是开发代替工艺人员的自动化系统，而不是辅助系 统，即过份强调了工艺决策的自动化。致使： 1 ) 系统开发周期长，开发费用高，开发难度大，使用人员很难参与，适用性差， 华中科技大学硕士学位论文 难以推广应用； 2 ) 工艺人员难以掌握系统的使用，而且在使用中仍需交互输入大量的信息，麻 烦而又容易出错； 3 ) 工艺设计与管理不能集成，不仅工作效率低，而且很难保证工艺信息和文件 的准确性、一致性； 4 ) c a p p 的研究与开发只能以零件为主体对象，常常针对特定制造对象、特定 制造环境( 特定企业、特定车间甚至特定设备) 进行。开发出的系统功能和应用范围有 限( 局限性大) ，缺乏适应生产环境变化的灵活性和适用性。 为了解决上述问题，国内外不断地在开发工具( 包括专家系统开发工具) 的开 发及面向对象( o - o ) 技术的应用上进行探索，但未能有效推进c a p p 的实用化。 ( 2 ) c a p p 系统的应用范围过于狭窄。 由于c a p p 系统涉及问题的复杂性和对应用企业具体环境的依赖性，更由于对 决策自动化的目标定得过高，c a p p 的研究与开发基本以零件为主体对象，且主要集 中在机械加工工艺设计领域，每一种系统只适用于少数几种零件。普遍认为难以、 甚至不可能开发通用化系统，并未认识到工艺基本数据结构及基本功能的普遍性、 通用性。 这种做法没有从整个产品的角度研究c a p p 的应用和集成问题，而且忽视工艺 管理功能的研究与开发，难以适用于企业中的大多数零件，更难以满足先进制造系 统对c a p p 的应用和发展需求，甚至在计算机应用比较广泛一些的企业中也会失去 应有的重要价值。 ( 3 ) 对c a p p 的系统化、实用化、工程化研究重视不够 尽管各种新概念、新方法、新技术在c a p p 中不断获得应用，但主要是针对各 种决策功能，而始终缺乏对c a p p 的系统化、实用化、工程化的研究，缺乏各种技 术之间及技术与管理、与人之间的集成，使得新技术、新概念、新方法的采用对c a p p 的发展所起作用甚小，也使得c a p p 的整体发展缺乏坚实的实践基础和动力。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2c a p p 系统的发展趋势【妯】 国内外制造业有一个共同的趋势：熟练的、有经验的工艺设计人员越来越少， 而机械制造业的市场上多品种小批量订货方式的主导地位越来越突出。企业为适应 市场瞬息多变的要求，缩短产品设计和生产准备周期是极其关键的环节。计算机辅 助工艺过程设计就是在这种情况下应运而生的。c a p p 技术在国外起源于6 0 年代末 期，而在我国也有2 0 多年历史了，这些研究都是孤岛式的c a p p 。由于制造技术的 发展，先进制造技术的深入应用，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，加上企业正面对新经济时代的市场竞争，在这样的新基础、 新形势下，c a p p 的发展趋势将是： ( 1 ) 为适应企业进入新经济时代，解决t 、q 、c 、s 问题，在优化产品设计的 同时，必须优化工艺设计，才能为优化管理打好基础。因此，c a p p 不能是简单的在 卡片填写方式上用计算机代替手工，而必须通过应用c a p p 系统提高工艺设计的优 化、标准化水平( 标准化不仅仅是文件格式的标准化，而是内容的标准化) ，以指导 生产过程与生产管理，获得良好的效果，包括实施e r p 、j i t 、c i m s 等的应用效果， 使企业经营进入良性循环的轨道。 ( 2 ) 应用相似性原理、成组技术、标准化技术开展工艺标准化工作，建立工艺 标准化体系，解决工艺设计的多样性，为开发c a p p 应用软件及其系统的通用化、 商品化打下牢固的基础，使企业工艺工作适应市场经济的发展。绝对不能牺牲开发 应用c a p p 的根本目的优化生产管理与优化操作解决t 、q 、c 、s ，来开发所谓 的“商品化”系统。 ( 3 ) 一个企业的实用的、可行的c a p p 系统，必须首先以企业中占7 0 以上的 可以实现工艺标准化的零件及产品工艺信息为主体，形成多种c a p p 技术方式的应 用系统，包括目前条件下可能实现的专家系统、半自动生成系统、派生式系统、样 件系统等。对于那些暂时不能用以上方式解决的，可采用一些较为基础的方式。 ( 4 ) 在应用c a p p 工艺设计系统的同时，开展工艺信息管理系统的开发与应用。 华中科技大学硕士学位论文 用系统工程的原理与方法对企业工艺系统的全部工作进行系统分析、设计，形成完 整的工艺信息系统，不但使工艺工作实现信息化，同时为企业工作的信息化提供坚 实的基础，明确c a p p 与c a d 、p d m 、e r p 的关系。 为了实现以上的目的，c a p p 系统必须在以下几个方向进一步发展： ( 1 ) 集成化【4 9 】 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 a p p 系统集成化也是必然的发展方向。在并行工程思想的指导下实现 c a d c a p p c a m 的全面集成，进一步发挥c a p p 在整个生产活动中的信息中枢和功 能调节作用，这包括：与产品设计实现双向的信息交换与传送；与生产计划调度系 统实现有效集成；与质量控制系统建立内在联系。详细地说主要表现在以下几个方 面： 1 ) 工艺设计全过程的集成，包括工艺设计和工艺审核两个阶段。实现工艺部门 内部各种信息的共享和统一管理。确保设计和审核过程中各种工艺信息的一致性和 完整性。 2 ) 与c a d 系统的集成，c a p p 的零件描述信息直接来自c a d 系统的图形文件 和电子文档，减少了c a d 到c a p p 的信息转换和输入操作。c a p p 具有读取标准图 形文件的能力，同时也具有进行零件结构信息和工艺信息识别的能力。c a d 系统为 c a p p 系统提供产品b o m 文件。c a p p 能够实现零件文档信息和图形信息的版本控 制管理和相应的权限管理。c a p p 与c a d 的集成，使得c a p p 系统能够对提交的部 分零件设计信息进行工艺可行性分析，及时提供设计可行评价的信息反馈；使产品 设计和工艺设计并行进行，加快产品开发速度，减少产品开发过程中出现“产品原 型”的次数。 3 ) e r p m r p i i 的集成，c a p p 系统应能具有柔性的工艺路线决策能力。对于一 定的零件信息和一定的设备资源可以制定出多工艺方案，并根据设备资源状况和生 产调度信息，可及时调整零件的工艺设计路线，响应生产紧急事件的处理。 4 ) 以p d m 平台为基础的c a d c a p p 及e r p m r p i i 的集成系统。如图1 1 所示。 华中科技大学硕士学位论文 利用p d m 强大的电子文档管理功能，确保文档的完整性、一致性和正确性。c a d 系统提供的b o m 工具自动生成产品b o m 文件和图形文件，由p d m 进行管理。c a p p 系统的产品零件信息由p d m 系统提供，并把生产的产品工艺信息提交给p d m 系统， 由p d m 系统跟e r p m r p 系统进行通讯，整个集成系统服务于产品设计、生产的全 过程。 嗍i ic a p p 构燕戚成用辅构苯寇嘲 ( 2 ) 工具化 为了能使c a p p 系统在企业中更好的推广应用，c a p p 系统应提供更好的开发模 式。传统专用型c a p p 系统虽然针对性强，但由于开发周期长，缺乏商品化的标准 模块，适应性差，很难适应企业的产品类型、工艺方法和制造环境的发展和变化。 而应用面广、适应性强的平台型( 3 2 具式) c a p p 系统，已经成为开发和应用的趋势。 平台型c a p p 系统把系统的功能分解成一个个相对独立的工具，用户可以通过 友好的用户界面根据本企业的情况输入数据和知识，针对不同的应用环境，形成面 向特定的制造环境和工艺习惯的具体的c a p p 系统。也可以将开发平台提供给用户， 使用户可以进行c a p p 系统的二次开发，在开发平台上构造符合用户需要的c a p p 系统。从理论上讲，它可以适应各种应用环境，具有较好通用性和柔性；而且由于 还具有二次开发能力，能适应企业内部发生的较大的变化。 ( 3 ) 智能化 c a p p 系统必将在获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性上有进一步的发展。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题的来源、目的、意义及主要研究内容 本课题来源于华中科技大学材料工程与计算机应用系与湖北三环气门有限公司 的合作项目一一“气门产品c a p p 系统的开发”。 随着信息化社会的来临，尤其是全球信息网的出现，整个社会的生产方式发生 了深刻的变化，特别是中国加入w t o 以后，这给企业带来了新的机遇和挑战，企业 为了提高竞争力，在市场上占据有利位置，对企业信息化有了深刻的认识。湖北三 环气门有限公司( 原湖北气门厂) ，是国家定点专业生产内燃机进、排气门的上市公 司，它有年产1 3 0 0 万支的生产能力，是国内最大的气门生产基地之一。其产品同一 汽集团、二汽集团、东安微发、长安汽车、玉柴、锡柴、江铃汽车、神龙公司、宁 波美日、北京福田等主机厂配套，同时出口欧美及台湾市场。该公司的信息化建设 虽然有一定的规模，但相对来说其技术还是较为落后的。其的利用方式也只是做文 档，进行二维图形的设计，工艺设计大部分还是靠人工来完成，工艺设计的方式较 为落后，设计过程中有许多重复性的劳动，信息的共享程度低，这大大束缚企业开 发新产品、新工艺的步伐，因而也束缚了企业的进一步的发展，该企业迫切需要一 套适合它的计算机辅助设计系统( c a p p ) ，以提高企业的工艺设计效率。 本文结合c a p p 理论，针对气门产品的特点，通过对该公司的调研与分析，设 计了比较适合实际情况的气门产品c a p p 系统。作者主要研究内容如下： ( 1 ) 通过过调查和研究，从三个方面分析气门产品的特点，即气门产品的工艺特点、 制造流程以及气门生产的技术瓶颈。 ( 2 ) 论述c a p p 系统的工作原理，通过分析提出基于典型零件的派生式工艺设计方 案，并研究基于典型零件的工艺实例库的建立。此外还对基于知识库的工艺设计进 行探讨，最后采用面向对象的方法建立气门产品工艺信息模型。 ( 3 ) 提出可复用的系统框架，并实现该框架的设计。 ( 4 ) 设计并完成基于该框架的气门产品c a p p 系统的部分模块。 华中科技大学硕士学位论文 2 气门产品c a p p 系统实现方法的研究 2 。1 气门产品的特点 l 、生产工艺 ( 1 ) 气门产品的种类 湖北气门厂的气门产品有5 种系列，具体如下所示： 1 ) 微车系列 j l 3 6 8 q 、d a 4 6 5 q ，j l 4 6 2 q ，d a 4 6 2 q ，d a 4 6 8 q 、j l 4 7 2 q ，j l 4 7 4 q ，t j 3 7 0 、 t j 3 7 6 2 ) 玉柴系列 y c 6 1 0 5 q c 、y c 6 1 0 8 q 、y c 6 1 0 8 z q b 、y c 6 1 0 8 z q 、y c 6 1 1 2 z l q 、y c 4 1 l o q 3 ) 东风系列 e q 6 1 0 0 、e q 6 1 0 2 、康明斯b 系列、e q 6 1 0 5 、e q 6 1 1 0 a 、e q 6 1 0 5 a 4 ) 锡柴、大柴系列 6 1 l o a 、6 1 1 3 a 、6 1 1 3 b 、a k z 、c k 、4 8 5 s 、d 9 8 1 、d c 6 1 1 3 5 ) 轻轿系列 j x 4 9 3 q ，j m 4 9 1 ，e q 4 9 1 ，t u 3 、t u 5 ，4 8 3 ，4 1 0 0 q b ( 2 ) 产品规格 气门产品形状图如图2 1 所示： 图2 1 气门产品形状图 ( 3 ) 气门产品的类型 气门产品共分8 种类型：整体气门、u 形淬火气门、焊接气门、锥面淬火气门、 9 华中科技大学硕士学位论文 堆焊气门、小端焊片气门、镀铬气门、氮化气门，如表2 1 所示。 袭2 1 气门类曩| ( 4 ) 生产工艺流程 湖北气门厂的气门产品现有8 种类型，每一种气门都有自身的一套工艺流程。 下面只选择其中的两类气门( 整体气门和焊接气门) 进行介绍。 1 ) 整体气门： 整体气门的工艺流程如图2 2 所示： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 两2 2 接伴气n t 岂渡程嘲 2 ) 焊接气门 焊接气门的工艺流程图如图2 3 所示： 华中科技大学硕士学位论文 圈2 3 焊接气门下岂流程圈 从接体气门和焊接气门这两种气门的工艺流程图可知，这两种气门产品的工艺 流程图存在很多相似之处，从电镦预成形开始以后的工艺流程都是相同的，有差别 的地方是：在焊接气门的工艺中分大头下料和杆部下料，而整体气门也有下料这道 工序但不分大头和杆部下料，同时焊接气门比整体气门又多了一道工序。而其他类 型的气门产品和整体类气门产品相比，其工艺流程也是存在很多的相似之处。整体 类气门的工艺流程是最基本的，其他类型的产品的工艺流程均可由整体类气门派生， 但是这8 种气门产品的工艺都很稳定、很成熟了。气门产品又是一种系列化的产品， 在每一种类型下都有多种系列产品，在这些系列产品中其工艺流程更相似。 2 、制造流程 华中科技大学硕士学位论文 气门产品的制造流程可用图2 4 表示 弼2 4 产：品制造溉程 从广义来讲，一个产品的制造过程，一般可分为四个阶段：即产品设计、性能 分析、生产规划和加工制造，如图2 4 所示，气门产品也不例外。 产品设计包括概念设计和详细设计，概念设计研究产品应该达到的设计功能、 产品整体形状和结构，并初步进行性能预测、强度、刚度和结构分析以及仿真。在 概念设计大致确定产品特征后，详细设计阶段确定产品各部分的详细形状、尺寸和 材料等参数，同时确定构成产品各个零件之间的装配关系和装配精度要求3 3 l 。 为确保所设计的产品性能，对有些产品还要进行性能分析，这些分析或是针对 产品表面的材料形状，或是针对制件内部的材质特性，通常与产品的体积信息和材 质信息有关。 生产规划阶段的主要任务是工艺设计，决定工艺设计最主要的因素是形面特征， 另外零件的材质和精度也影响加工方法、切削用量等的设计。此外，还应包括原材 料的采购。 c a m 包括加工、装配和检测等工作。n c 机床加工零件首先要根据工艺规划编 制的数控加工指令，生成刀具轨迹，这就必须知道构成零件轮廓上的每一基点的坐 标和基点之间的拓扑关系与插补类型。在采用装配机器人的场合中，同样要编制装 华中科技大学硕士学位论文 配指令，它是零件上装配部位结构及精度的体现。检测是零件或产品制造过程的最 后阶段，全面测试质量和性能，它与形状、精度、材料等几乎所有的信息有关。 气门厂的气门生产是由订单来驱动的，企业接到订单后先进行可行性分析，分 析后做概念设计以及工艺设计，工艺设计完成后，与其他相关资料一起派发到车间 指导生产，完工后形成成品，最后完成订单。 3 、生产技术瓶颈 三环气门厂原有一套c a p p 系统，但在使用过程中发现该系统并没到达预期效 果，主要原因该系统着眼于通用型，因而难以顾及具体企业的制造现状，从而使其 的应用效果并不理想。由于这些原因造成了企业仍然采用传统的方式编制工艺，这 给企业造成了以下的一些问题： 1 ) 设计效率低下，存在大量的重复劳动。大部分工艺卡都需靠手工填写，浪费 了设计人员的很多时间，对企业进行产品新工艺的研究和开发造成了很大的影响； 2 ) 不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护： 3 ) 不便于将工艺专家的经验和知识集中起来加以充分地利用。 根据以上原因，三环气门厂提出了适合该企业的c a p p 系统的要求： 1 ) 建立c a d 与c a p p 及其他分系统相互集成的系统； 2 ) 以交互式为基础，结合设计人员的经验和智慧，利用计算机快速检索，选择 合理的设计参数及设备、工装等，提高效率，并可在工艺知识库支持下实现部分工 艺设计的自动化； 3 ) 用典型工艺检索功能快速检索成熟的典型工艺，通过适当的修改即可。 根据它们的要求作者主要完成了以下工作： 1 ) 完成了基于典型零件的工艺实例库的派生式工艺设计； 2 ) 对基于工艺知识库的工艺设计进行了探讨； 3 ) 建立工艺信息模型，以便工艺的合理管理以及为以后的工艺知识库的建立打 下一定的基础： 华中科技大学硕士学位论文 2 2c a p p 技术原理及其方案比较 计算机辅助工艺设计( c a p p ) p 是指采用计算机技术辅助进行零件加工规程设 计。按照美国学者按照美国学者t c c h a n g 等的定义，工艺过程设计是为了生产一个 零件而准备详尽指令的工作过程。为了实现工艺规程设计的自动化，人们对c a p p 技术展开了一系列的研究，提出了众多的设计理论，取得了较大的成果。 c a p p 的关键技术是产品工艺路线的拟定方法和工艺方案的决策规则，按照其工 作原理可以分为以下五大类：交互式c a p p 系统、派生式c a p p 系统、刨成式c a p p 系统、综合式c a p p 系统和c a p p 专家系统【2 1 。 ( 1 ) 交互式c a p p 系统 交互式c a p p 系统采用人机对话的方式基于标准工步、典型工序进行工艺设计， 工艺规程的设计质量对人的依赖性很大。 ( 2 ) 派生式c a p p 系统 派生式c a p p 系统亦称变异型c a p p 系统。它是利用成组技术将工艺设计对象 按其相似性( 例如，零件按其几何形状及工艺过程相似性；部件按其结构功能和装 配工艺相似性等) 分类成组( 簇) ，为每一组( 簇) 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 系统按零件( 部件或产品) 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，直至 满足实际生产的需要。 华中科技大学硕士学位论文 罔2 5 派生式c a p p 系统1 1 臼堆本原理鞠 ( 3 ) 创成型c a p p 系统 创成式c a p p 系统是c a p p 系统发展史上的一次飞跃。它不是对标准工艺规程 的检索和修改，而是利用工艺设计知识和各种工艺数据，由决策逻辑和算法进行工 艺决策，自动设计出零件的工艺规程。能满足不同零件对工艺设计提出的要求。这 种c a p p 系统是把技术人员的推理逻辑和决策方法转变成计算机可以处理的决策模 型和算法代码。工艺设计时，通过图形输入系统向计算机输入零件的几何信息和工 艺信息，由建立在计算机系统内部的决策逻辑和算法进行工艺决策，形成零件的工 艺方案。图2 6 是创成式c a p p 系统的基本原理图。 创成式c a p p 系统的关键在于系统决策逻辑的建立，现有的决策逻辑有以下几 种：过程逻辑、决策树、决策表等【4 0 1 。 过程逻辑是对工艺设计进行一系列分析判断的过程。实现简单，使用于逻辑过 程比较确定而且过程逻辑不复杂的情况下。这种创成式c a p p 系统不易于维护。因 此，过程逻辑的应用受到一定的限制。 在决策树和决策表逻辑中，根据零件工艺的变化，用户可以自己修改、补充零 件的工艺设计。因此，这类c a p p 系统受到了较多的应用。 但是对于结构复杂、多样的零件，实现创成式c a p p 系统非常困难。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图2 6 刨成式c a p p 系统基本原理 ( 4 ) 综合式c a p p 系统 综合式c a p p 是将派生式、创成式和交互式c a p p 的优点集为一体的系统。 ( 5 ) c a p p 专家系统 c a p p 专家系统是一种基于人工智能技术的c a p p 系统，也称智能型c a p p 系统。 专家系统和创成式c a p p 系统都以自动方式生成工艺规程，其中创成式c a p p 系统 是以逻辑算法加决策表为特征的，而专家系统则以知识库加推理机为特征的。但是， 由于工艺决策随制造环境变化的多变性及复杂性等因素，对于结构复杂、多样的零 件，实现c a p p 专家系统也同样是非常困难的。 通过以上对c a p p 系统原理论述和对气门生产的特点分析，本c a p p 系统的设 计方案采用基于典型零件工艺实例库的派生式为主的设计方案。其主要原因是湖北 气门厂是一家有几十年历史的老厂，产品种类比较固定，并在多年的生产中积累了 一定数量的切实可行的、稳定的产品工艺，在此基础上，通过整理和完善，可制定 出派生式c a p p 系统需要的产品典型工艺和确定各工艺要素的规则知识。而一开始 就追求创成或专家系统的方法，在系统的开发技术、开发费用及系统开发的耗费时 间等诸方面将会出现极大的困难。 1 7 华申科