CAPP系统开发工具的设计方法.doc

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1、CAPP系统开发工具的设计方法.txt什么叫神话？请听男人向你表达爱意；什么叫传说？请听男人对你的承诺；什么叫梦境？请看你自己听到前两者时的反应。 本文由zdsx1104贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 计算机辅助设计与图形学学报 计算机辅助设计与图 形学学报 JOURNAL OF COMPUTERAIDED DESIGN & COMPUTER GRAPHICS 1999年第1期 No.11999 CAPP系统开发工具的设计方法 王细洋万在红汪叔淳 摘要在深入分析了CAPP系统开发工具的特点与设计要求后，提出一种“工艺功 能配置型”CA

2、PP系统开发工具实现模式，它吸取了外壳型、模块组合型以及语言型专 家系统工具的合理特性.简要介绍了以此为基础开发的BHPPT工具系统. 关键词计算机辅助零件工艺过程设计（CAPP），专家系统，专家系统开发工 具，计算机集成制造系统（CIMS） 中图法分类号TH166; TH162.0 RESEARCH ON THE DESIGN OF EXPERT SYSTEM TOOL FOR COMPUTER-AIDED PROCESS PLANNING WANG Xi-Yang WAN Zai-Hong （Department of Mechanical Engineering, Nanchang In

3、stitute of Aeronautic Technology, Nanchang ） WANG Shu-Chun （Department of Manufacturing Engineering, Beijing University of Aeronautics & Astronautics, Beijing ） AbstractThe characteristics and requirements of CAPP system tools are analyzed, and a kind of expert system tool model named “Technology Fu

4、nction Deployment (TFD) CAPP system tool is proposed. The TFD model absorbs the rational features of expert system tools and provides shell, module-combination and language functionalities. A CAPP system tool-BHPPT based on the TFD model is introduced briefly in the paper. Key words Computer-Aided P

5、rocess Planning (CAPP) , expert system, expert system tool, CIMS 1引言 CAPP系统的研究已有30余年的历史1，取得了一些成就，但在工厂中能够真正 file:/E|/qk/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 18 页）2010-3-23 1:05:48 计算机辅助设计与图形学学报 发挥作用的系统还比较少.研制周期长、适应性差、开放性差、低水平重复是CAPP研 究面临的主要困难2-4.这与CAPP在CIMS及机械制造企业实现自动化中的重要作用 是不相称的. 研制CAPP专家系统开发工具是解决上

6、述问题的有效途径.其思想基础是，很多系 统看似多种多样，实质却是大同（具有很多共性）与小异（一定的个性）并存.我们可 以抽取CAPP系统的实现机制，提取其共性，为不同企业、不同产品的CAPP系统开发 提供一个设计环境.CAPP系统开发工具是专家系统开发工具在工艺过程设计领域中的 应用和推广.虽然人工智能领域中专家系统开发工具的研究成果启发了这方面的思路， 但由于工艺设计领域的特殊性， CAPP系统开发工具的理想实现模式和合理设计方法 仍是目前CAPP研究中亟待解决的问题. 2“工艺功能配置型”CAPP系统开发工具 一般认为，专家系统开发工具有3种实现方法5：外壳型、通用知识语言型和模 块组合型

7、.将这3种实现方法应用于CAPP领域，则可以构造3种类型的实现模式：（1） 外壳型工具系统：用户按规定格式输入工艺知识和数据，即可构成面向特定加工对 象、制造环境和工艺习惯的CAPP系统.在外壳型系统中，知识表达方式、工艺推理过 程和策略都已基本固定，因而也具有很强的针对性和局限性，实际上没有脱离传统的 CAPP系统模式.（2）模块组合式工具系统：提供工艺过程设计的通用功能组件，开发 者根据自己的需要进行有效、方便的组合，以实现领域CAPP系统.这种开发工具的设 计难度和开发规模较大.（3）语言型工具系统：设计者根据自己的需要，利用开发工 具设计具体的推理过程和知识表示模式.相当于更专门、更高

8、级的程序设计语言.优点是 开发者具有较大的自由度，缺点是开发工作量和难度较大，要求系统开发者既是经验 丰富的工艺师，又是训练有素的软件工程师. 机械零件工艺过程设计问题域复杂，单一的实现模式难以满足实际需要.具体 CAPP系统的实现，与零件类型、制造环境和工艺习惯3个主要因素有关，当一个因素 变更时，就可能需要重新设计CAPP系统的推理框架和知识表示方式.例如，应用领域 较窄时，一般只是零件类型发生变化，从使用的简单方便考虑，外壳型工具构造模式 无疑是最适合的.但当应用领域较宽，制造环境和工艺人员习惯有较大变动时，则要求 开发者重新设计推理机或重组功能模块，此时工具系统就必须具有语言型或模块组

9、合 型的功能特性. 所以，本文认为，成功的CAPP专家系统开发工具应是上述3种构造模式的优点组 合.首先，CAPP系统开发工具应具有基本的推理机、控制策略和知识表示框架，以此3 部分构成所谓通用外壳（shell）.在通用外壳的功能支持下，通过知识库构造工具中的 知识发生器获取动态工艺知识，以支持开发领域CAPP系统.其次，工具系统提供足够 多的推理机功能构件，以通用外壳为基础，将功能构件进行配置和组装，以达到通用 外壳不能满足的设计要求.最后，工具系统提供设计推理机功能构件的简易可行方法， 以满足某些特殊需要.本文将CAPP专家系统开发工具的这种构造方式，称为“工艺功 能配置型”CAPP系统开

10、发工具，如图1所示. file:/E|/qk/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 28 页）2010-3-23 1:05:48 计算机辅助设计与图形学学报 图1“工艺功能配置型”CAPP系统开发工具 3外壳功能的实现 所谓外壳功能，是指工具系统在基本的推理策略、控制结构和知识表示框架（通 用外壳）的支持下，单纯通过改变工艺决策知识和工艺决策数据，不变动推理机，以 设计领域CAPP系统.外壳型方法是借助工具系统设计领域CAPP的最简单、最理想的方 法.主要从下述2个方面来实现： （1）规范统一的工艺知识表达方式、直观方便的知识获取管理功能. 以知识单元的统一

11、形式表达工艺知识，并作为属性封装于相应的对象类中.知识单 元内部，工艺知识有4种表现形式：产生式规则、框架、规则-框架体系、元知识.工艺 决策知识用产生式规则或规则-框架体系表达，工艺决策数据用框架结构表达.元知识有 2类：一类是关于如何选择和运用工艺知识的元知识，以及关于如何选择工艺决策过程 的元知识，其表现形式是产生式规则；另一类是关于工艺知识内容和结构特征的元知 识，如工艺知识的产生背景、格式说明、应用范围等，它附属于其它类型的工艺知识 单元，是一种文字说明，不参加推理匹配. 我们提出一种分类层次模型，以存储和管理工艺知识.工艺设计过程可以分解为几 类子任务，如加工方法选择、工艺路线排序

12、等.每一类子任务所用到的知识，既与其它 部分的知识有一定程度的关联，又表现出很大的独立性.各子任务所用到的工艺知识在 内容和表现形式上也有较大的不同.所谓分类，是指将工艺知识按子任务分类；所谓分 层，是指将每一类子任务的工艺知识按特征类、零件类别或加工方法和设备的不同分 为许多细类，构成一种层次结构模型.分类层次组织模型的底部，即具体的知识记录单 元，其形式和内容是标准一致的.对于每一类知识都设置了基本固定的句法结构和表达 内容，以实现知识表达形式的规范化要求. 以分类层次模型为基础，设立了独立的工艺知识库管理系统. （2）柔性化的工艺路线决策过程、独立的工艺路线决策知识. 工艺路线决策（包括

13、定位面决策、装夹方案设计和工序的排序）是机械零件工艺 过程设计的主要方面.现有的CAPP系统中，工艺路线决策过程依赖于零件类型、加工 环境以及工艺习惯，难以设计成独立的推理机，决策知识也难以离开推理机独立提取. CAPP系统开发工具的提出，在很大程度上也正是因为这个棘手问题的存在，所以，抽 file:/E|/qk/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 38 页）2010-3-23 1:05:48 计算机辅助设计与图形学学报 取独立的工艺路线决策知识、设置柔性的工艺路线决策推理机是本文实现工具系统外 壳型功能的重点.以下是工具系统中工艺路线决策的指导思想： (

14、a)决策逻辑在强调针对性（某类零件）的基础上，又具有一定的普遍性（可适合 该类中的所有零件）.既能提供各类零件普遍适用的决策推理机制，又能针对各零件类 的实际情况（如箱体、支座类），构造具有个性的决策推理机的功能构件. (b)工艺路线决策知识以零件类为基础，从工艺过程的全局进行表达和抽取，而不 是分级分阶段地进行提取.工艺知识的结构形式应尽可能标准化，至少在同一大类零件 里的表现形式是一致的，以便于建立基于知识的通用决策模块. 为此，我们设计了2种工艺路线决策推理策略：考虑工艺约束的基因遗传算法 将工艺路线决策知识表达为统一的适用度函数，适用于无成熟工艺参考、工序多、差 异大的零件种类；工艺主

15、干约束匹配法以先验的工艺路线为基础，抽取其主干作 为工艺决策知识，适用于零件类型单一、工艺成熟的情况. 4模块组合功能的实现 机械零件工艺过程设计是一个复杂的过程，其推理策略、工艺知识的种类和形式 会随零件类别和加工环境以及工艺经验的不同而产生很大的差异.工具系统单纯依靠工 艺知识的变更来完成特定CAPP系统的设计（即外壳型功能），在有些情况下较难实 现.因为，特定于具体零件和具体生产环境的推理决策是很难单纯以工艺知识的改变来 实现的，必须对推理过程作适当的改动.模块组合功能是指工具系统提供足够多的功能 预构件，用户按规定方式组装功能构件以实现领域CAPP系统.本文从下述2个方面实现 工具系统

16、的模块组合功能. （1）建立功能构件库 机械零件工艺过程设计可以分解为2类子任务：一类对于不同的零件类、不同的制 造环境，其实现方法和决策过程是相同的，这类子任务包括加工方法选择、机床工装 选取、刀具选择、切削参数决策；另一类子任务对于不同类的零件而言，虽然其完成 的功能相同，但其决策过程却有很大差别，难以构造统一的决策模块.这类子任务有定 位面选择、夹紧方案设计、工序排序、工序尺寸计算、工序图绘制等. 对于前一类子任务，本文提供了共同的功能模块.对于后一类子任务，考虑到实际 情况，以零件大类和制造环境为基础，提供了大量的功能构件. 所谓功能构件，也就是功能相同、实现过程不同的操作.在结构化程

17、序设计中，功 能构件的表现形式是能完成特定任务的函数或子程序，一定数量的功能构件组成功能 构件库(函数库).对于人工智能程序设计，由于程序(推理机)要经常地和外部文件(知识 库、原始数据)发生联系，单独的程序难以构成完整的功能构件. 本文用面向对象方法进行系统分析和系统设计，以对象类为中心来组织系统.每一 对象类中不仅封装了方法，还封装了完成该方法所需的有关数据和知识.工艺过程设计 的各个子任务封装于相应的对象类中，例如加工方法决策封装于零件特征类中，工艺 路线决策封装于零件类别类中.各个子任务的不同实现过程可以通过调用不同的对象或 者通过对象类中的不同方法来实现.因此，CAPP系统开发工具的

18、功能构件有2种表现形 式：一是对象类，一是同一对象类中的不同方法. 以对象类形式表现的功能构件主要适用于具有分类层次结构的对象类，这种分类 层次结构体现超类/子类关系，子类通过对父类函数的重载来完成名称相同、实现过程 不同的功能.零件特征类和零件类别类具有明确的分类层次结构，可以预设计多个功能 构件.例如工艺路线决策，对于箱体类零件和壳体类零件而言，其决策过程是不同的， file:/E|/qk/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 48 页）2010-3-23 1:05:48 计算机辅助设计与图形学学报 因此可以定义2种零件对象类，分别对应于箱体类零件和壳体

19、类零件.零件类中封装了 工艺路线决策的不同实现方法，可以作为工具系统的功能预构件.机床主轴箱体零件可 以看作箱体类零件的子类，其工艺路线决策当然可以继承其父类的方法，但为使决策 过程更准确合理，可以在其中重新定义（重载）工艺路线决策函数，函数名可以相同. 以对象类中的不同方法表现的功能构件适用于2种情况：一是工艺路线决策，当零 件类别相同、制造环境不同时，其实现方法和过程也有所不同.例如用镗铣类加工中心 加工箱体零件和用普通机床设备群加工箱体零件，工艺路线有很大差异，其决策过程 封装在同一零件类别类中.另外一种情况是，不存在分类层次结构关系的对象类（例如 工艺规程类）中封装的子任务（如工序尺寸

20、计算），可以在同一对象类中通过定义不 同的方法来实现. （2）建立框架控制文件 工具系统功能构件的组装需要一个总控程序来实现.结构化程序设计中的总控程序 就是主程序.主程序的修改是异常困难的，要涉及程序内部细节，要求用户对内部程序 结构有相当程度的了解.本文采用框架控制文件完成功能构件的组装. 工艺设计可以按子任务依序执行.实现一个子任务的路径有多种，可以通过选取不 同实现过程的功能构件来实现.究竟选用哪些功能构件需根据环境条件而定.框架控制文 件实际上是一种“元知识”，即关于如何选取功能构件的知识.框架由子任务槽（slot） 组成，每个子任务槽又有4个侧面（facet），其数据结构如下： (

21、Subtask Slot : 子任务说明零件类 (Facet1指针：V11(上层子任务) V12(下层子任务集合) (Facet2 知识单元：V21(知识文件名) V22(规则集) V23(框架集) V24(规则-框架集) V25(元知识集) (Facet3 决策动态信息) ( Facet4 功能构件：V41(对象类) V42(类中的方法) Facet1是子任务在工艺设计过程中执行次序的描述信息，有2个值.Facet2是子任务 决策所需工艺知识的描述信息，包括5个值：V21为工艺知识文件名（包括文件路 径）；V22V25为工艺知识文件中，该子任务用到的各类型知识记录单元（规则、框 架、规则-框

22、架体系、元知识）.Facet3是决策动态信息文件名，用于记录推理所用到的 决策知识和数据，为工具系统的跟踪解释机制服务.Facet4是完成子任务的功能构件 名，有2个值：对象类名和对象类中的方法名. 5语言功能的实现 作为工具系统功能的补充和未来工作的探索，本文也考虑了CAPP系统开发工具语 言型功能的实现途径.工具系统对于生产实际中的大量问题难以面面俱到，扩充和修改 工艺知识不能达到要求，系统提供的推理机预构件也满足不了具体问题的需要.此时， 需要用户设计自己的控制和推理机制. 面向对象方法所具有的软件重用和增量型设计特性，为这种功能的实现提供了方 file:/E|/qk/jsjfzsjyt

23、xxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 58 页）2010-3-23 1:05:48 计算机辅助设计与图形学学报 便.本文以对象类为中心来组织工具系统，并提供了较多的C+对象类.对象类的内部结 构和外部接口模仿高级C+编译器（Visual C+，Borland C+）中的窗口类、对话框 等对象类.用户在系统提供的对象类库的全面支持下，在Borland C+的OWL语言环境 中，通过对象继承、重载和重编译，完成自己的功能构件设计，设计出特定的CAPP系 统.这是一种更高层次的开发机制，相当于专家系统开发语言. 另外，对典型问题(例如，在加工中心上加工箱壳支架等非回转体类零件)设计

24、了 固定的工艺决策、零件信息输入、工艺规程格式输出等模块.对于变化不大的类似问 题，求解机制不变.这使CAPP系统在强调普遍性的同时，又有较强的针对性. 6BHPPT工具系统 依据上述理论，设计了CAPP系统开发工具（或称工具化的CAPP系统）BHPPT系 统.BHPPT系统用面向对象方法进行设计，围绕特征对象类、零件对象类和工艺规程类 来组织各项功能.系统开发工具包括3个独立的子系统，如图2所示. 图2BHPPT 其中，支援设施预构件是关于工艺规程自定义格式、手工输入结果、以及界面设 计等的相关功能模块.决策推理系统是主体，其他2个子系统均是为它服务的.工具系统 具有2种运行状态：开发状态和

25、使用状态，如图3所示.开发状态面向设计并完成特定 CAPP系统的人们（或称为知识工程师），其目的是利用CAPP系统开发工具生成具有 针对性的CAPP系统.由CAPP系统生成零件工艺规程的过程为工具系统的使用状态，它 面向具体的用户，解决用户的实际问题. 图3开发工具的开发状态与使用状态 file:/E|/qk/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 68 页）2010-3-23 1:05:48 计算机辅助设计与图形学学报 利用BHPPT工具系统开发领域CAPP的过程，包括5个步骤，如图4所示. 图4开发领域CAPP系统的流程 目前，用3个实例对BHPPT工具系

26、统进行了考证：北京卫星制造厂各型号卫星体非 回转类零件、北京天纬油泵油嘴股份有限公司的喷油泵壳类零件、以及某FMS生产线 上的箱壳类零件.应用结果显示，能在较短的时间里开发出实用CAPP系统. 7结论 CAPP系统开发工具被称为“第2代CAPP系统”，代表了CAPP的发展方向.本文提 出的“工艺功能配置型”CAPP系统开发工具实现模式，为CAPP系统开发工具的功能 设计与系统实现提供了可靠的理论基础，并将为CAPP研究走出目前缺乏通用性和实用 性的尴尬困境带来一线曙光. 本文得到国家自然科学基金(No.).航空基础科学基金(No.98H56001)和江西省自 然科学基金(No.)资助. 作者简

27、介：王细洋，男，1967年10月出生，博士，主要研究方向为CAD/CAPP/CAM， 人工智能，并行工程. 作者单位：王细洋万在红（南昌航空工业学院机械工程系南昌） 汪叔淳（北京航空航天大学制造工程系北京） 参考文献 1Niebel B W. Mechanized process selection for planning new designs. ASTME Paper 737, 1965 2Hoda A E. Evolution and future perspectives of CAPP. Annals of the CIRP, 1993，42 （2）：739-751 3Alting

28、 L，Zhang H. Computer-aided process planning: A survey of a decade. Int J of Prod file:/E|/qk/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 78 页）2010-3-23 1:05:48 计算机辅助设计与图形学学报 Res，1989，27（4）：654-659 4Chans Tien-Chien. Expert Process Planning for Manufacturing. NJ:Addison-Wesley Publishing Company, 1990 5Yin

29、GuoFu.Technology & Applications of Engineering Expert Systems.Chengdu: Chengdu University of Science & Technology Press,1993 (殷国富.工程专家系统技术及其应用.成都：成都科技大学出版社，1993) 原稿收到日期：1997-10-16；修改稿收到日期：19980112. file:/E|/qk/jsjfzsjytxxxb/jsjf99/jsjf9901/.htm（第 88 页）2010-3-23 1:05:48 CAPP系统开发工具的设计方法 作者： 作者单位： 刊名：

30、英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 王细洋， 万在红， 汪叔淳， WANG Xi-Yang， WAN Zai-Hong， WANG Shu-Chun 王细洋,万在红,WANG Xi-Yang,WAN Zai-Hong(南昌航空工业学院机械工程系,南昌,)， 汪叔淳,WANG Shu-Chun(北京航空航天大学制造工程系,北京,) 计算机辅助设计与图形学学报 JOURNAL OF COMPUTER-AIDED DESIGN & COMPUTER GRAPHICS 1999，(1) 15次 参考文献(5条) 1.Niebel B W Mechanized process selection

31、for planning new designs 1965 2.Hoda A E Evolution and future perspectives of CAPP 1993(02) 3.Alting L.Zhang H Computer-aided process planning: A survey of a decade 1989(04) 4.Chans Tien-Chien Expert Process Planning for Manufacturing 1990 5.殷国富 工程专家系统技术及其应用 1993 相似文献(2条) 1.期刊论文 王细洋.张晓荣.WANG Xiyang.

32、ZHANG Xiaorong 多元化决策的CAPP系统研究 -南昌航空工业学院学报(自然科学版)2001,15(1) 先进制造模式的发展对CAPP的实用化和自动化提出了更高的要求。本文将检索式、辅助表格填充式、派生式和专家系统等多种实现方法有机集成于一个多元化决策模式的CAPP系统中 ，既能满足工厂实用要求，又能最大限度地实现决策自动化。各种功能模块在实现原理上均有别于传统方法。介绍了多元化决策的AMCAPP系统。 2.期刊论文 王细洋.姜俊华.杨卫平.Wang XiYang.Jiang Junhua.Yang Weiping 零件工艺路线决策的GA方法 -南昌航空工业学院学报（自然 科学版）

33、2000,14(1) 将基因算法应用于CAPP系统中的工艺路线排序.首先,将工艺路线决策的约束工艺知识表达为四种适用度函数,用自然数字链对零件特征加工单元进行基因编码,然后,通过选种、基因重 组和基因变异,对群体进行多次计算和搜索,可以寻找到合理的工艺路线,该工艺路线同时也是较优的. 引证文献(15条) 1.熊建武.周进 模具制造工艺设计及CAPP系统的研究期刊论文-科技信息（科学教研） 2007(2) 2.胡亚辉 基于PDM/PLM的平台式CAPP系统若干关键技术研究学位论文博士 2005 3.张广辉 大冷工艺设计成组技术研究学位论文硕士 2005 4.雷利平.姜寿山 基于SolidWork

34、s特征模型的导入式CAPP系统期刊论文-西安工业学院学报 2004(4) 5.陈慧军 基于Web的模具CAPP研究与实现学位论文硕士 2004 6.张剑 基于PDM的工艺信息管理的研究与应用学位论文硕士 2004 7.谭豫之.李伟.齐建东 基于图论技术的工序尺寸自动求解方法期刊论文-农业机械学报 2003(4) 8.郝秀清.陈海真 实用型CAPP开发工具系统的实现期刊论文-农机化研究 2003(4) 9.彭梨花.樊瑜瑾.李浙昆.李志军 CAPP技术发展状况与趋势期刊论文-昆明理工大学学报（理工版） 2003(5) 10.贾义 家具制造企业信息集成技术的研究与应用学位论文硕士 2003 11.曹

35、扬.宁汝新.左昕.温小龙.姚珺 基于PDM的多模式集成CAPP系统期刊论文-北京理工大学学报 2002(4) 12.王旭初 基于COM+原理的可重用CAPP系统的研究和开发学位论文硕士 2002 13.王细洋.张晓荣 多元化决策的CAPP系统研究期刊论文-南昌航空工业学院学报(自然科学版) 2001(1) 14.葛友华.廖文和.周儒荣 通用CAPP系统结构及其实现方法期刊论文-南京航空航天大学学报 2000(4) 15.王细洋.姜俊华.杨卫平 零件工艺路线决策的GA方法期刊论文-南昌航空工业学院学报（自然科学版） 2000(1) 本文链接： 授权使用：广东工业大学图书馆(gdgydxtsg)，授权号：4e2f997e-1dc4-47f0-bb83-9e5a00bdfe57 下载时间：2010年12月28日