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FMS环境下CAPP系统设计研究 |
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作者：北京航空工艺研究所 王师雨 |
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[摘要]：本文剖析了FMS环境下CAPP系统设计开发时的几项关键技术，并结合实际详细阐述了这些关键技术的解决途径和方法。
[关键词]：FMS、CAPP、结构化、特征
1. 引言
FMS作为一种现代化工业生产的科学“哲理”和工厂自动化的先进模式已为国际上所公认，是制造业向现代化自动化发展（计算机集成制造系统、智能制造系统、无人工厂）的基础。
在FMS（柔性制造系统）中，CAPP(计算机辅助工艺过程设计)一方面是向各分系统提供必要信息和数据的重要信息源，如：生产管理系统、运控调度系统、物料需求系统、刀具工装准备系统等都要依靠CAPP系统提供的信息，作出相应的决策，另一方面又是CAD与CAM连接的纽带，只有建立完善的CAPP系统，并解决CAPP与CAD、CAPP与CAM的连接问题，才能真正实现CAD/CAPP/CAM的集成。因此CAPP一直FMS的关键技术之一。
2. FMS对CAPP的需求
l 共享性：要实现FMS自动化调度控制，就必须在生产管理、运控调度、物料需求、刀具工装准备等系统间共享CAPP系统提供的信息。
l 集成性：CAPP仅仅作为独立的工具软件是不能满足FMS的运行需求的，必须实现CAD/CAPP/CAM的真正集成才能确保FMS信息流的畅通。
l 高效性：CAPP必须能在最短的时间内给出零件的工艺过程、加工周期等信息，才能达到FMS快速响应市场需求的目的。
l 精确性：FMS无人干预的特点要求CAPP在生成工艺过程信息的同时，还必须给出零件加工过程中各个环节确切、细致的操作信息。
l 柔性：FMS适用于多品种小批量的零件生产，因此要求CAPP系统必须同样具有适应不同零件的柔性才能保证FMS的高效运行。
3. 系统的设计与实现
下面就以我们与某单位联合研制开发的面向FMS的CAPP系统为例，简要介绍系统的设计和实现方法。
3.1 共享性--基于分布式数据库的结构化信息模型
在整个FMS中信息的交换和共享基于分布式数据库系统。因此要实现CAPP系统信息的共享，就必须建立基于分布式数据库的结构化工艺信息模型，也可以说是将工艺卡片上的信息结构化后存入数据库。
针对系统选定的加工对象，我们设计建立了图1所示的结构化工艺信息模型，零件的工艺过程信息在数据库中以数据表的形式存储，各表的关系通过数据库的“主键”和“外部键”建立。 
图1 基于采用分布式数据库系统的结构化工艺信息模型
图 2 基于分布式数据库的工艺信息共享方式
3.2 集成性—基于特征的信息集成方案
要实现CAD/CAPP/CAM的信息集成首先要解决的问题是：CAD与CAPP与CAM的信息交换途径。
这一问题简单地说，就是如何将CAD的几何信息转换成CAPP能够理解的形式，CAPP进行工艺决策后在将其传递给CAM，并能为CAM所理解而最后生成NC加工程序。对于这一问题目前采用较多和较成功的途径就是基于特征。
基于特征的CAD/CAPP/CAM信息集需要解决如下两个技术问题：
※特征如何提取和定义的问题？
就是将零件分解成哪些特征？各特征都具有怎样的结构包含哪些信息？
※特征的拓朴结构问题？
就是如何用特征来描述零件的问题。
通过对选定零件的分析，从零件总体信息和零件结构信息两个方面考虑工艺特征的形式，零件总体信息划分为：管理特征、毛坯特征、材料热处理特征、技术特征、精度特征；零件结构信息从前端、后端、外圆、内圆四个方向描述，它们包括：孔、封严齿、工艺槽、型腔、辐板、端面等形状特征，通过工艺特征的不同组合、叠加来表示零件的几何结构。其关系如下图所示： 
图 3 零件特征信息模型
3.3 高效性--综合智能式决策方案
计算机自动推理决策是提高工艺编制效率的最有效途径，CAPP决策方法可以分为检索式、派生式、创成式、综合智能式。
检索式：是最早出现的决策方法，其能力取决于系统存储工艺的多少；
派生式：是按处理对象的相似性划分的，它的理论基础式成组技术。其能力取决于相似族的合理划分和相似族的覆盖能力；
创成式：早期创成式系统是按决策树和决策表方法进行工艺决策的，随着专家系统技术的发展和完善，专家系统决策方法成为大多数创成式系统所采用的决策方法，其能力取决于系统的知识获取能力、知识库的丰富程度和推理机的推理能力；
综合智能式：除了综合采用检索、派生方法和各种智能技术进行工艺决策外，强调人在决策中的作用，它是一种人机协同决策系统，可以充分发挥人的作用，弥补各种智能技术的不足，其决策和规划能力是无限的。
经过多年的研究和发展，业内人士已经充分认识到人在计算机决策中的作用，尤其在工艺过程设计中，工艺人员的经验起着巨大的作用。工艺设计决策中包含了很多非确定性的逻辑决策，工艺设计人员对于信息的判断和决策，经常需要从事件的概率出发，且具有一定的模糊性。因此，采用综合智能式工艺决策方法是今后的发展方向。
因此CAPP系统的工艺决策方式采用了：综合智能式。
Ø 计算机决策采用推理树结构，从树顶到树根按照工艺规则和特征信息搜索决策出一条工艺路线，同时，在决策过程中随时提示可能的决策结果，工艺员可以随时进行干预。
Ø 建立工艺决策知识库，将提炼出的包含了对工艺路线有影响的参数的工艺规则保存在外部数据库中，工艺师可根据环境的发展或工艺方法的改变随时调整这些参数。
3.4 精确性—详尽的工艺及操作过程信息
FMS无人干预的特点要求CAPP在生成工艺过程信息的同时，还必须给出零件加工过程中各个环节确切、细致的操作信息，具体如下：
Ø CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、加工特征、加工性质（粗、精等）、切削参数（转速、进给）、余量、装夹参数、切削方式、刀具（铣刀：直径、刀尖角等；车刀：主偏角、刀杆方向等）、安装角、对刀方式等信息。
Ø CAPP向管理信息系统(MIS)提供工艺路线、工序、工步、工时、设备、工装、刀具、量具、材料、NC程序等信息。
Ø CAPP向制造车间提供工艺规程文件，包括：工艺过程信息、工序草图、检验要求、技术条件、工序要求、装夹运输要求、NC程序轨迹图、NC程序说明（名称、刀具、切削参数等）、NC程序操作说明（装刀、对刀等要求）、夹具、量具、设备等信息。
Ø CAPP向计算机辅助质量管理系统(CAQ)提供工序、设备、工装等工艺数据，以生成质量控制计划和质量检验程序。
3.5 柔性—以人为中心的管理机制
3.5.1 可自行维护的数据库、知识库系统
Ø 工艺数据库系统
数据库由若干个参数库组成的,其主要功能是支持和保证CAPP系统在正常状态下的数据交换、查询及传递以满足工艺设计的最终需求。由于工艺数据的庞杂性和各数据之间的相关性，数据库的设计和管理充分利用最先进的数据库技术。
工艺员可以对数据库中的数据进行日常维护和管理以适应生产环境的变化。
Ø 工艺知识库
对于一个智能系统，知识库是其核心所在，CAPP的工艺知识围绕工艺特征进行总结和归纳。工艺规则及推理参数存放于数据库中，工艺员可以根据需要自行修改维护，使系统具有适应不同零件（FMS可处理的零件范围内）的柔性。
Ø 标准语句词典库
标准语句词典库主要用于规范工艺设计中的工艺术语和语句，同时减少工艺员的键盘操作，工艺员同样可以对其进行日常维护和管理以适应不同零件的需求。
3.5.2 基于工艺路线导航树的工艺编辑平台
工艺过程自动决策后需要工艺员进行核查确认，为此我们设计了基于工艺路线导航树的工艺编辑平台，如下图所示：
l 可视化的工艺路线导航树
系统将存放于数据库中的零件工艺过程信息按树形结构组织、显示，使工艺员对整个零件的工艺过程了然于胸。对工艺过程的修改通过对工序树节点的插入、删除、复制、剪切等简便快捷的操作便可完成。
l 工艺过程信息的编辑
工艺过程中用到工艺数据库和工艺知识库中的数据时均可以通过导航按钮进入相应的数据库或知识库，然后可以利用数据库或知识库提供的各项功能找到需要的数据确认返回，即可以得到该项数据，无须任何键盘操作。
4. 结论
CAPP不是简单地用计算机人机交互代替工艺文件的打印，在FMS中则更是如此，CAPP必须为FMS整个系统提供结构化的工艺过程信息，并通过应用CAPP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，为企业信息化奠定基础。基于本文设计思想开发的CAPP系统已在实际生产中投入使用。
(end)
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(7/2/2004) |
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