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锅炉压力容器CAPP系统开发平台的研究 |
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作者：祝勇仁 邹金桥 曹焕亚 |
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前言
锅炉压力容器的工艺设计是为企业的生产管理提供技术服务的，系统是否实用是系统成败的一个重要标志。因此必须紧密结合行业生产特点来设计系统的功能，压力容器的质量保证可以从设计、材料、制造与制造过程中的检验、在役检验与监控四个方面提出质量保证措施，而良好的工艺设计是制造过程中的重要保证，企业希望能引进计算机辅助工艺设计来减少生产成本、提高生产率和产品质量，增加企业收入，适应瞬息万变的地市场需要。
当前应用在锅炉压力容器行业的CAPP系统还不多，现有的系统大多只是简单的检索工艺或进行工艺的简单派生，这些CAPP系统采用的开发方法单一，运用成组技术进行工艺派生的少，即使工艺创成的达到实用化的也不多。其开发方向仍偏向于结合具体的企业进行开发。这些专用型的CAPP系统在解决不同企业的相同问题时(例如工艺文档的输出，工艺图形的编辑等等)没有为不同的企业提供一个通用的工具，导致了软件开发的重复建设，每次都要根据不同的企业特点来解决相同的问题，二次开发的工作量大。这种开发模式已经与当前CAPP系统的发展方向不相适应，必须采用新的开发模式来解决这个问题。
炉压力容器CAPP系统开发平台的需求分析
因为锅炉压力容器的工艺设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的各种功能要求，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量相当庞大，又与具体的生产环境及个人经验水平密切相关；生产环境不同(不同的工厂，甚至同一工厂内的不同车间)、产品对象不同、生产批量不同，生产设备、工艺方法和工艺习惯都不一样，使得产品工艺差别很大 。因此，必须针对工艺设计的不同环节加以解决。而CAPP系统开发平台能把系统的功能分解成一个个相对独立的工具，针对不同的应用环境，在开发平台上构造符合用户需要的CAPP系统，也可以将开发平台提供给用户，使用户可以进行CAPP系统的二次开发，CAPP系统开发平台可以适应企业内部发生的较大的变化，具有较好的通用性和柔性。因此，本文决定采用CAPP系统开发平台作为开发模式。在解决了开发方向之后，我们就可以根据需求分析得出其功能模块的组成和系统的总统结构设计。
锅炉压力容器对可靠性要求非常高，为此，国家专门制定了一套锅炉压力容器质量保证体系来提高锅炉的质量管理，它由由法规体系、组织体系和控制体系三部分组成 。从锅炉压力容器的质保体系看，工艺质量控制是一个很重要的方面，如果没有严格的工艺质量控制，锅炉压力容器的质量不能得到充分的保证，从工艺质量控制的流程图中可以看出，工艺设计是一个涉及多方面的问题，需求分析的目的就是要更好地弄清客户的需求，在符合锅炉压力容器制造法规的前提下，搞清楚锅炉压力容器计算机辅助工艺设计需要实现的各个模块，以便更好地为生产和社会服务。由于各锅炉制造厂的水平参差不齐，制造情况差别很大，对不同工厂工艺设计中的个性可根据自己的实际情况开发自己的工艺知识库来解决特定的问题，把各工厂工艺设计有共性的东西提取出来作为一个个工具加以实现，这个系统工具集构成了一个CAPP系统开发平台。这些系统工具包括了零件信息输入工具、工艺设计工具、工艺文档输出工具图形的编辑工具以及知识和数据的输入工具等等，编码表是进行成组工艺的设计的依据，因此，企业必须结合自身的实际情况编制适合于本企业的零件分类编码系统，虽然影响锅炉压力容器零件的制造工艺的因素众多，但可以从对制造工艺有重要影响的几个环节进行分类编码，即根据名称类别类（即从封头、筒体、管件和法兰等等类去区分不同的零件）、运行参数（包括工作压力、温度和介质等）、外部结构形状（长度、宽度、开孔和拼接等）、材料、毛坯原始形状以及生产批量等进行编码。关于锅炉压力容器零件的详细编码可以参考本人的另一篇论文 。运用编码表，可以制定出零件的成组工艺，工艺设计工具根据编码的匹配可以判断是成组工艺还是新工艺，因此能根据不同的工艺生成方法设计工艺。工艺的创成是由推理机根据工序工步词典推理而成，由于推理的策略不与企业的具体实例相结合也不偏于某个具体问题的求解领域，因此能保证该CAPP系统开发平台的实用性。同时注重信息的管理和集成，实现工艺设计的规范化和标准化，实现工艺管理的计算机化。本CAPP系统开发平台应力求达到上述要求。经过广泛的调查和研究，确定本CAPP系统开发平台应具备以下功能：
1) 工艺图形的存储管理和检索，可以通过自动调用AutoCAD进行图形的编辑和更新；
2) 工艺数据库中各基础数据的存储管理，包括工艺表头信息、典型工艺和成组工艺的存储管理及其他标准信息的存储管理；
3) 工艺知识库中工序工步词典的生成，工艺决策规则的编辑存储和管理；
4) 一套独立于问题求解领域的推理控制策略和解释机制；
5) 各种查询和检索功能，包括工艺信息和标准信息的查询和检索；
6) 工艺知识库和数据库的管理功能；
7) 多种输出功能，包括工艺图形和报表的输出。
开发平台的子系统及总体结构设计
根据前面的需求分析并结合锅炉压力容器的质保体系，将锅炉压力容器计算机辅助工艺设计系统开发平台分成四大功能子系统。分别是工艺知识构造子系统、工艺设计子系统、工艺管理子系统、工艺设计辅助支持子系统，每个子系统由数个模块组成，如图1所示：
图1 锅炉压力容器CAPP系统开发平台的子系统和模块图
其总体结构设计如下图2所示(其中工艺设计辅助支持子系统为其他三个子系统提供服务)：
图2总体结构设计图
功能设计
(1) 工艺知识构造子系统
工艺知识构造子系统为用户提供方便的典型工艺和成组工艺的编辑手段，提供工艺表头信息的编辑工具以建立工艺数据库，通过知识库编辑器可以建立用于工艺创成的工艺知识库，并具有导入和编辑工艺图形功能。
1) 工艺数据库和工艺知识库的建立
① 根据本厂的实际情况，输入常用的典型工艺，增加现成工艺库文件；
② 根据锅炉压力容器零件编码系统，输入相应的零件成组工艺；
③ 提供可视化的工艺表头信息的编辑功能；
④ 通过提供的知识库编辑器可以建立工艺知识库，通过编辑工序工步的决策规则，用户可以控制推理工艺的生成，加强了工艺设计的人机交互能力。
2) 工艺图形的编辑
对于用AutoCAD生成的工艺图形文件，能自动调用AutoCAD进行工艺图形的编辑和更新并保存至数据库；
(2)工艺设计子系统
工艺设计子系统，根据用户输入的信息，能进行工艺的检索、派生和创成，能进行工艺图形的输出和工艺报表的生成。
通过对锅炉工艺设计的特点的研究。把锅炉工艺设计分成三个方面，也就是前面提到的三个方面，即：零件工艺设计、组件工艺设计和产品工艺设计。对它们的实现方法各有不同。对于零件组辅助工艺设计，可以采取检索式、派生式和创成式相结合的综合式系统；即先通过输入零件的表头信息（包括零件的名称，结构特征等信息）可以生成该零件的编码，然后，系统首先检索是否有该类零件的典型工艺，有则都有，否则通过该零件编码匹配成组编码表，看是否有存在该零件成组工艺，有则调用，并可进行适当的人机交互编辑该工艺以备以后使用，并保存为典型工艺零件，以后可以直接调用，这样可以不断的丰富工艺库，使系统不断得到完善，如果没有成组工艺，则补充输入该零件的其他信息进行工艺创成，
对于组件工艺设计和产品工艺设计，本论文采取的策略是检索式和创成式相结合，这样做的原因是由于组件和产品都是由多个不同的零件组成，如果要求输入每个零件的信息和相互关系，会导致信息输入量大，而且极易出错。这种做法割裂了组件或产品工艺设计的完整性。以工序工步词典为索引的工艺设计方法，重点在于以成组技术为指导、从总体结构出发，按组制定工艺集，以工序工步词典为索引建立工艺决策规则。建立的工序工步词典是工序工步的有序排列。这样做既可以大大减少信息的输入量同时也提高了工艺设计的针对性和实用性。每个工序工步都带有一定的规则（也可以没有，此时该工序工步自动满足），规则实际上是一些条件的组合，每个条件有唯一的条件码，此时规则表现为条件码和逻辑运算符的集合，假设条件码可表示为C0001, C0002, C0003。如果该类的某一工序或工步(比如是否要求热处理)可以用这三个条件来确定，如表示为(C0001且(C0002或C0003))，若用“，”表示“且”，用“/”表示“或”，则上述条件可表示为(C0001，(C0002/C0003))，实际上这个条件等价于两个条件，即：①(C0001,C0002)或②(C0001,C0003)。也就是(C0001,C0002)/(C0001,C0003)，每个括号中表示了一个完整的取舍该工序或工步的决策规则。实际上每个工序工步的决策规则可以表现为这种形式，即：“(Ci1,Ci2,…,Cin)/…/(Cj1,Cj2,…,Cjm)”(i
(3)工艺管理子系统
工艺管理子系统是通过一些有效的方法快速对目前的工艺信息进行全面的了解和详细分析，从而能够指导管理人员高效率、正确地进行管理和抉择，管理工艺数据库和知识库，另外通过提供的查询方法能方便地得到需要的资料和信息。
(4) 工艺设计辅助支持子系统
工艺设计辅助支持子系统的目的是为了提供工艺设计人员一个辅助支持的系统，以减少工艺设计人员查询资料的时间。标准信息查询应包含锅炉压力容器工艺设计中常用到辅助设计信息查询，包括GB150－1998的关于钢板和锻件的许用应力查询、GB985－88和GB986－88 关于焊缝和埋弧焊缝的坡口的基本形式和尺寸查询，以及JB4730－94 压力容器的无损检测查询等等。通过料单管理模块和焊工管理模块，可以使工艺设计人员及时了解本厂的实际情况，做到工艺设计和工艺实施的调度合理。
结论
本文通过分析研究锅炉压力容器的工艺特点，提出了一个应用于锅炉压力容器的CAPP系统开发平台，该开发平台既可以检索现有的工艺，也能根据典型工艺，通过成组技术进行工艺的派生，如果没有可检索的工艺，同时也不能通过现有的工艺进行派生，则能根据已有的信息进行工艺的创成并通过适当的人机交互设计出符合用户需要的工艺。从实用的角度较好的解决了锅炉压力容器CAPP系统的适应性问题。
参考文献a
1．黄乃康，张振明，许建新，贾晓亮，樊其瑾 CAPP技术发展的新阶段与智能化的工艺信息系统构想(IPIS)，西北工业大学CAPP与制造工程软件研究所，2002年8月
2．王信义，陈庆林 主编 ,压力容器制造安全技术及质量管理，1993年2月中国劳动出版社 P55
3. 祝勇仁 基于成组技术的锅炉压力容器CAPP系统开发平台的研究 浙江工业大学硕士学位论文 2003年6月
4．压力容器安全监察规程 国家质量技术监督局编，中国劳动社会保障出版社 1999年
5．CAPP集成框架系统的设计与实现 魏志强 王先逵 吴丹 杨志刚 机械设计工艺师 2001年第1期
6．面向产品的CAPP工具系统的研究与实践 邱浩波 李从心 叶文华 王宁生 机械科学与技术 2001年11月 第20卷第6期
作者简介：祝勇仁（1976－ ）硕士研究生，研究方向：智能信息技术，通信地址：浙江省杭州市滨江区浙江机电职业技术学院 机械工程系 邮编 310053
邹金桥 硕士研究生，曹焕亚 副教授(end)
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(6/17/2005) |
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