计算机辅助工艺设计——人工智能技术

1、计算机辅助工艺设计计算机辅助工艺设计134目录目录一、计算机辅助工艺设计概念及发展简介一、计算机辅助工艺设计概念及发展简介1.1 1.1 基本概念基本概念 CAPP：Computer Aided Process Planning计算机辅助工艺过程设计（规划）计算机辅助工艺过程设计（规划） 是指借助计算机软硬件技术和支撑环境，利是指借助计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定来制定零件机械加工工艺零件机械加工工艺过程。过程。1.21.2发展简介发展简介 CAPP系统的研究和发展经历了较为漫长曲折的过程。系统的研究和发

2、展经历了较为漫长曲折的过程。1.在1965年Niebel首次提出首次提出CAPP思想。2.早期的CAPP系统称为检索式检索式系统。 特点：易建立，简单实用；自动决策能力差。3.随着成组技术成组技术的推广，变异式或派生式变异式或派生式得到发展。 特点：有利于实现工艺的标准化和规格化，开发，维护方便，此思想与实际手工工艺设计思路比较接近。4.70年代，wysk首次提出基于“逻辑算法逻辑算法+决策表决策表”的创成式创成式系统。 特点：能完全自动生成工艺。5.基于变异式和创成式提出了混合式混合式。 特点：目前应用较广泛。6.进入80年代后，研究人员探讨将人工智能技术人工智能技术，专家系统技术专家系统技

3、术应用于CAPP系统。专家系统CAPP以“逻辑推理逻辑推理+知识知识”为核心。7.进入90年代，CAPP系统结构，功能，领域适应性，扩充维护性，实用性等方面成为热点。人工神经网络技术人工神经网络技术，模糊综合评判方法模糊综合评判方法，基因基因算法算法等理论也应用于此系统。（1 1）毛坯的选择及毛坯图生成）毛坯的选择及毛坯图生成根据零件的尺寸、形状、技术要求、生产批量等选择铸件、锻件、棒料及型材等。根据工序余量绘制毛坯图。（2 2）定位夹紧方案选择）定位夹紧方案选择选择零件加工时的定位基准（粗基准、精基准），确定夹紧方案。（3 3）表面加工方案的选择）表面加工方案的选择从零件尺寸、形状、精度等角

4、度，结合企业实际加工设备负载情况，确定各表面加工方法。二、二、计算机辅助工艺计算机辅助工艺设计内容设计内容2.1 CAPP2.1 CAPP系统设计的基本思路系统设计的基本思路（4 4）加工顺序安排）加工顺序安排应用加工顺序安排原则，合理安排加工顺序。（5 5）通用机床与工装的选择）通用机床与工装的选择从制造资源库中（机床库、刀具库、夹具库、量具库和辅具库）选择公共徐所需的设备和工装。（6 6）工艺参数的计算）工艺参数的计算切削用量、加工余量和时间定额等。（7 7）专用机床和工装设计需求的提出）专用机床和工装设计需求的提出改、造、买、协（8 8）工艺文件的输出）工艺文件的输出工艺过程卡、工序卡、

5、调整卡、检验卡等，汇总材料定额、时间定额、设备和工装信息输入到ERP。2.2 2.2 CAPPCAPP的结构组成的结构组成CAD系统系统系统控制系统控制与人机界面与人机界面零件信息零件信息描述与读取描述与读取工艺决策工艺决策工艺文件工艺文件管理与输出管理与输出零件零件信息库信息库工艺数据库工艺数据库与知识库与知识库工艺工艺文件库文件库2.3 2.3 CAPPCAPP的基础技术的基础技术（1 1）成组技术（）成组技术（GroupTechnologyGroupTechnology，GTGT） CAPPCAPP系统的研究与开发是与成组技术密切相关的，早期的系统的研究与开发是与成组技术密切相关的，早期

6、的CAPPCAPP系统系统的开发一般多为以的开发一般多为以GTGT为基础的变异式为基础的变异式CAPPCAPP系统。系统。（2 2）零件信息的描述与获取）零件信息的描述与获取CAPPCAPP与与CADCAD、CAMCAM一样，其单元技术都是按照自己的特点而各自发展一样，其单元技术都是按照自己的特点而各自发展的。零件信息（几何拓扑及工艺信息）的输入都是首当其冲的，即使的。零件信息（几何拓扑及工艺信息）的输入都是首当其冲的，即使在集成化，智能化、网络化、可视化的在集成化，智能化、网络化、可视化的CAD/CAPP/CAMCAD/CAPP/CAM系统，零件信息系统，零件信息的生成与获取也是一项关键技术

7、。的生成与获取也是一项关键技术。（3 3）工艺设计决策机制）工艺设计决策机制其中核心为特征型面加工方法的选择，零件加工工序及工步的安排其中核心为特征型面加工方法的选择，零件加工工序及工步的安排及组合及组合，主要，主要决策内容如下：决策内容如下：1 1）工艺流程的决策。）工艺流程的决策。2 2）工序决策。）工序决策。3 3）工步决策。）工步决策。4 4）工艺参数决策。）工艺参数决策。为保证工艺设计达到全局最优化，系统把这些内容集成在一起，进为保证工艺设计达到全局最优化，系统把这些内容集成在一起，进行综合分析、动态优化、交叉设计。行综合分析、动态优化、交叉设计。（4 4）工艺知识的获取及表示）工艺

8、知识的获取及表示工艺设计是随设计人员、资源条件、技术水平、工艺习惯不同而变工艺设计是随设计人员、资源条件、技术水平、工艺习惯不同而变化。要使工艺设计在企业内得到广泛有效应用，必须总结出适应于本化。要使工艺设计在企业内得到广泛有效应用，必须总结出适应于本企业所生产的零件加工的典型工艺及工艺决策的方法，按企业所生产的零件加工的典型工艺及工艺决策的方法，按CAPPCAPP系统的系统的开发要求，用不同的知识表示形式和推理策略来描述这些经验及决策开发要求，用不同的知识表示形式和推理策略来描述这些经验及决策逻辑。逻辑。（5 5）工序图及其他文档的自动生成）工序图及其他文档的自动生成（6 6）NCNC加工指

9、令的自动生成及加工过程动态仿真加工指令的自动生成及加工过程动态仿真（7 7）工艺数据库的建立）工艺数据库的建立2.42.4 CAPPCAPP类型类型1. 1.交互型交互型CAPPCAPP系统系统按照不同类型零件的加工工艺设计需求，编制一个人机交互软件系按照不同类型零件的加工工艺设计需求，编制一个人机交互软件系统。工艺人员在系统的提示引导下，回答工艺设计过程中的问题，对统。工艺人员在系统的提示引导下，回答工艺设计过程中的问题，对工艺过程进行决策及输入相应的内容，形成所需的工艺规程工艺过程进行决策及输入相应的内容，形成所需的工艺规程。交互型交互型CAPP系统系统演示模块演示模块工艺工艺数据库数据库

10、工艺工艺设计模块设计模块工具集工具集零件零件信息输入信息输入零件零件信息检索信息检索交互交互工艺编辑工艺编辑工艺流程工艺流程管理管理工艺文件工艺文件输出输出2 2、变异型、变异型CAPPCAPP系统系统利用利用成组技术原理将零件按结构和工艺相似性分类、归族，每族成组技术原理将零件按结构和工艺相似性分类、归族，每族设计一个主样件，建立主样件的工艺规程（典型工艺规程）。设计新设计一个主样件，建立主样件的工艺规程（典型工艺规程）。设计新零件的工艺规程时，根据其成组编码，确定所属族，检索相应的典型零件的工艺规程时，根据其成组编码，确定所属族，检索相应的典型工艺修改后生成新的工艺过程。工艺修改后生成新的

11、工艺过程。3 3、创成型、创成型CAPPCAPP系统系统根据零件信息，自动提取制造知识，产生零件的个工序和工步，根据零件信息，自动提取制造知识，产生零件的个工序和工步，自动完成机床和工装选择和加工过程的最优化，通过应用决策逻辑，自动完成机床和工装选择和加工过程的最优化，通过应用决策逻辑，可以模拟工艺审计人员的决策过程。可以模拟工艺审计人员的决策过程。4 4、综合型、综合型CAPPCAPP系统系统将变异型将变异型CAPPCAPP与创成型与创成型CAPPCAPP相结合，工艺路线设计采用变异，工序相结合，工艺路线设计采用变异，工序设计采用创成式。设计采用创成式。零件零件GT代码代码创成式工艺创成式工

12、艺文件生成器文件生成器工艺文件工艺文件管理器管理器查找查找零件族零件族人机交互编人机交互编制工艺文件制工艺文件工艺文件工艺文件检索检索编辑生成编辑生成工艺文件工艺文件工艺文件工艺文件输出输出工艺文件工艺文件零件族零件族矩阵文件矩阵文件工艺工艺文件库文件库工艺文件工艺文件输出格式库输出格式库工艺，工工艺，工布词典布词典工艺参工艺参数库数库制造制造资源库资源库变异式工艺变异式工艺文件生成器文件生成器生产环境的定义生产环境的定义工艺参数的定义工艺词典的定义企业制造资源描述工艺文件格式定义零件族定义零件设计信息5 5、智能型、智能型CAPPCAPP系统系统将人工智能技术应用在将人工智能技术应用在CAP

13、PCAPP系统中来完成工艺过程设计。创成型系统中来完成工艺过程设计。创成型CAPPCAPP以逻辑算法以逻辑算法+ +决策表为特征，智能型以知识库决策表为特征，智能型以知识库+ +推理机为特征。推理机为特征。CAPP人机接口人机接口知识获取与知识获取与知识库管理知识库管理交互式工艺设计交互式工艺设计工艺工艺管理管理应用应用工具工具CAPP知识库知识库人工智能人工智能决策单元决策单元交互式交互式动态知识动态知识获取获取工艺知识工艺知识自动获取自动获取产品工艺产品工艺数据库数据库相似相似工艺工艺自动自动检索检索2.52.5 市场上常见的市场上常见的CAPPCAPP系统系统（1 1）开目）开目CAPP

14、CAPP特点：特点： 提供完备的系统工具，企业可以提供完备的系统工具，企业可以自定义、自扩充自定义、自扩充，充分满足工艺个，充分满足工艺个性化的需求；性化的需求； 支持文件、数据库等支持文件、数据库等多种工艺信息存储形式多种工艺信息存储形式，提供，提供XMLXML国际通用标准国际通用标准格式，支持基于格式，支持基于WEBWEB的应用；的应用； 提出并实现提出并实现基于知识的工艺设计思想基于知识的工艺设计思想，提供独特的工艺参数化设计，提供独特的工艺参数化设计模块，通过可视化的工艺知识库建立工具，有效总结企业工艺和经模块，通过可视化的工艺知识库建立工具，有效总结企业工艺和经验，显著提高工艺设计的

15、效率和水平；验，显著提高工艺设计的效率和水平； 与各种主流的与各种主流的CADCAD、PDMPDM、ERPERP软件具有软件具有良好的集成性良好的集成性； 最先最先提出提出CAPPCAPP工具化思想，也有形成了国内工具化思想，也有形成了国内CAPPCAPP应用的行业标准。应用的行业标准。（2 2）CAPPWorksCAPPWorks 直接和上游直接和上游CADCAD软件关联，工艺师是面向产品三维模型进行零件工艺软件关联，工艺师是面向产品三维模型进行零件工艺设计、装配工艺设计；设计、装配工艺设计； 运用产品三维设计模型建立工序模型，并自动生成每道的工艺附图；运用产品三维设计模型建立工序模型，并自

16、动生成每道的工艺附图； 加工尺寸及公差是直接面向产品三维设计模型进行选择，同时还可加工尺寸及公差是直接面向产品三维设计模型进行选择，同时还可以根据工艺的要求进行必要的修改，这些加工尺寸及公差会驱动工以根据工艺的要求进行必要的修改，这些加工尺寸及公差会驱动工艺模型，并自动带入到工序卡片上。艺模型，并自动带入到工序卡片上。 对于数控加工则可以直接从工艺模型上获取需要加工编程的毛坯及对于数控加工则可以直接从工艺模型上获取需要加工编程的毛坯及成品。成品。（3 3）金叶）金叶CAPPCAPP工艺工艺资源资源/ /知识管理和应用知识管理和应用：满足企业对工艺经验知识、工艺规：满足企业对工艺经验知识、工艺规

17、范、制造资源等不断积累、优化、共享应用的需求，提高工艺标范、制造资源等不断积累、优化、共享应用的需求，提高工艺标准化、规范化，提高工艺设计与工艺管理的质量和效率；准化、规范化，提高工艺设计与工艺管理的质量和效率；BOMBOM管理、工艺配置管理管理、工艺配置管理：集成共享：集成共享PDM/CADPDM/CAD系统的产品数据系统的产品数据（BOMBOM、产品设计模型），基于、产品设计模型），基于EBOMEBOM，构建，构建PBOM/MBOMPBOM/MBOM，围绕，围绕PBOMPBOM组织、管理、配置产品工艺信息，满足企业系列化产品和批次组组织、管理、配置产品工艺信息，满足企业系列化产品和批次组织

18、生产的快速工艺设计需要织生产的快速工艺设计需要三、三、人工智能人工智能技术及其在技术及其在CAPPCAPP中的应用中的应用3.13.1基本概念基本概念 人工智能人工智能AIAI（Artificial IntelligenceArtificial Intelligence）是）是2020世纪世纪5050年代在美国兴起的一门年代在美国兴起的一门综合性边缘学科综合性边缘学科，它和，它和“能源技术能源技术”、“空间技术空间技术”一起被誉为一起被誉为2020世纪三大科学技术成就。研究世纪三大科学技术成就。研究领域包括问题求解、定理证明、语音识别、图像处理和专家领域包括问题求解、定理证明、语音识别、图像处

19、理和专家系统等分支，其中专家系统的研究已经走向实用化。系统等分支，其中专家系统的研究已经走向实用化。 专家系统专家系统是一种求解问题的智能软件，在某一专业领域是一种求解问题的智能软件，在某一专业领域内，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处内，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理方法和控制策略，解决该领理的符号形式，采用专家的推理方法和控制策略，解决该领域内问题，并域内问题，并达到专家级水平达到专家级水平，也称知识基系统，也称知识基系统（Knowledge Based SystemKnowledge Based System）。）。3.2 3.

20、2 专家系统的特点专家系统的特点 专家系统用于处理现实世界中需要专家来分析、解决的问题；专家系统用于处理现实世界中需要专家来分析、解决的问题； 专家系统通过推理的方法来解决问题，且得到的结论与专家专家系统通过推理的方法来解决问题，且得到的结论与专家决策相同决策相同。 知识知识 + + 推理推理 = = 专家系统专家系统 数据数据 + + 算法算法 = = 一般软件一般软件 一般的数据库系统只是简单的存储答案，用户可以在机器中检索答案；而专家系统中存储的是推理的能力和知识。 3.3 3.3 专家系统结构专家系统结构3.4 3.4 智能型智能型CAPPCAPP实例实例图示为用于滚珠丝杠副工艺设计的

21、CAPP系统组成框图CAD信息处理模块信息处理模块系统初始化模块系统初始化模块工艺方案决策模块工艺方案决策模块工艺文件形成模块工艺文件形成模块输出模块输出模块工艺文件工艺文件工序作业工序作业工艺决策工艺决策工序图工序图刀具夹具选择刀具夹具选择机床选择机床选择数据库数据库工艺规则库工艺规则库工艺知识库工艺知识库下图为推理过程结构图下图为推理过程结构图3.4.13.4.1系统推理机系统推理机3.4.33.4.3工艺规则库工艺规则库IFIFTHENTHEN 由于滚珠丝杠副工艺复杂，工序多。在此我们仅以半精车工序的部分由于滚珠丝杠副工艺复杂，工序多。在此我们仅以半精车工序的部分决策逻辑列举如下：决策逻辑列举如下：规则规