集成制造环境下的计算机辅助工艺设计框架工具系统

　　随着计算机集成制造技术在企业中的推广和应用，CAPP作为CIMS的一个关键环节，对其实用性和适用性提出了越来越高的要求。在市场况争的压力下，产品的生产方式已有少品种、大批量演变为多品种、变批量的生产模式，同时，由于企业产品的复杂性，原有的专用和单一类型的CAPP系统已不能满足企业制造环境复杂化和动态性的要求。因此，这里对CAPP集成框架工具系统进行了研究，该框架工具系统克服了专用CAPP系统开发中存在的重复劳动、开发周期长、成本高、后续开发和维护困难等缺点，较好地满足了企业实际生产的需要。

    1　系统的基本特点

　　本系统是一个实用化的框架工具系统，在系统的设计过程中，突出了CIMS 环境中人因的作用，强调在企业信息集成化、计算机化的过程中，人是关键因素，而计算机技术、自动化技术只是一种辅助工具。因此，这里设计的框架工具系统具有集成化、框架化、工具化、实用化、通用化、用户化、可扩展性和人机协同机制等特点。
　　(1) 集成化：CAD、CAPP、CAM等CAX技术孤立性是信息集成要解决的关键问题，系统通过STEP接口实现了 同PRO/E等可以输出STEP中性文件的CAD系统的集成；通过NC接口实现了同CAM系统的集成；通过ERP接口数据库实现了CAPP同ERP系统的集成。
　　(2) 框架化：由于企业产品、制造资源和生产环境的复杂性，这里提供的是一种集成框架系统，通过功能模型、决策逻辑、企业资源的可重配置，该框架系统可以方便、快速地实例化为一个实用的、适应特定企业的功能需求和特定制造资源环境的CAPP应用系统。
　　(3) 工具化：CAPP工具系统是计算机辅助工艺设计的重要发展方向之一。多年来，CAP P的理论研究和实际应用之间存在着非常大的脱节，其研究领域多集中于创成式CAPP的动态工艺规划和各种决策支持系统。过分强调工艺设计的智能化、高度自动化和理论的创新性和先进性，忽视了应当起关键因素的人因作用，造成了创成CAPP系统在企业中的实际应用效果并不理想。因此，这里以CAPP集成框架为基础，设计了工艺检索、工艺派生、工艺创成等多种工具模块，强调这些计算机应用技术只是工艺人员提高工艺设计效率的必要的辅助工具。
　　(4) 实用性：实用性是系统的重要特点之一，类似于手工工艺表格的用户界面可以直观、方便地实现产品信息、工艺信息及制造资源信息的输入与维护。F1功能键可以实现机床、刀具、量具、工装、材料等信息的快速选择输入。工艺检索和工艺派生工具可以快速完成新产品的工艺设计。通用报表工具快捷方便地实现各种工艺报表的用户自定义。
　　(5) 通用性：由于企业产品、制造资源和制造环境的复杂性和多样性，系统设计了通用的框架数据库，用于存储各种数据信息。在信息输入与维护、工艺过程设计、系统集成接口等基本功能模块不变的前提下，提供了通用报表模板、系统资源配置等功能模块，实现了用户可重配置和CAPP系统的柔性化、通用化。
　　(6) 可扩展性：系统提供了开放式的和可扩展的系统接口，并将数据结构公开化，用户可以将自行开发的功能模块挂接到系统中，并共享系统资源。
　　(7) 人机协同机制：系统设计中强调科技以人为本。在工艺设计过程中，利用人机协同机制，在系统操作指导和用户的完全参与下完成工艺设计。

    2　系统的功能模型

　　系统功能结构图如图1所示，整个系统运行于企业内部局域网络环境下，采用客户机/服务器(CLIENT/SERVER)的体系结构，服务器端的网络数据库采用SQL SERVER，操作系统选用W INDOWSNT，客户端操作系统采用WIN95/WIN98。客户端由产品数据输入及维护(主要是产品的总体特征信息和产品BOM表数据信息)，工艺数据输入及维护、工艺设计、工艺输出、工艺明细表自动生成、制造资源维护、系统集成化(主要包括同CAD的集成、同NC的集成和同ERP的集成)、通用报表定义等功能模块组成。由于系统运行于网络环境下，因此，允许多个用户同时进行工艺设计。服务器端主要实现网络数据库的管理和SQL查询，系统设计了5类数据库，主要包括：(1)产品数据库，主要用于存储产品的总体信息(如产品代号、产品名称、零部件代号、零部件名称、材料等信息)、产品BOM表信息；(2)工艺数据库，用于存储零部件加工工艺过程、加工工序/工步、装配工艺、焊接工艺等工艺数据；(3)工艺资源库，用于存储机床、工艺装备、刀具、量具、材料等制造资源数据；(4)系统资源库，存储企业名称、用户自定义工艺字典、系统运行参数等信息；ERP接口数据库用于输出库存、生产、采购、外协、固定资产等ERP功能模块用到的数据信息，通过ERP接口数据库可以实现同ERP内部子系统的集成。

图1　系统功能结构图

    3　系统框架工具的设计与实现

    3.1　集成化设计
　　系统的集成化设计主要实现CAPP/CAD、CAPP/NC、CAPP/ERP等子系统之间的信息集成。( 1)CAPP/CAD的集成：CAPP工艺设计的三个关键技术是零部件信息描述及输入、工艺设计决策支持系统和工序图的自动生成。解决零部件信息描述及输入的一个重要途径就是实现同CAD 的集成，这里通过STEP接口对CAD输出STEP中性文件进行萃取和过滤，并将其转换为CAPP所需要的信息格式。由于STEP文件的复杂性，系统在信息的提取转换过程中需要采用人机交互的方式完成；(2)CAPP/NC的集成：通过该集成接口，系统可以输出数控加工程序，该接口由数控自动编程和数控程序仿真两个模块组成；(3)CAPP/ERP的集成：企业资源信息管理系统经历了从MRP(物料需求计划)、MRPII(制造资源计划)发展到ERP系统(企业资源计划)，这些系统已成为企业计算机应用的重要领域。为了避免出现信息自动化独立单元，CAPP将CRP系统需要的加工工艺路线、材料消耗定额、工时定额等信息输出到开放的中间数据库中，通过该接口数据库实现同ERP内部子系统的信息集成。

    3.2　信息输入及维护
　　信息输入及维护包括产品信息输入及维护和工艺信息输入及维护两部分。 产品信息输入通过卡片式输入接口输入产品零部件的主要信息和产品BOM表构成信息；输入的零部件信息主要包括：(1)零部件基本信息，如产品代号、产品名称、零部件代号、零部件名称、材料、毛坯尺寸等，这些信息是工艺文件的总控信息，也是该零部件的标识信息；(2)零部件分类信息：主要用于零部件的分类编码，该分类编码可以实现在工艺检索查询和工艺派生时快速查询到与新零件具有相似工艺的原型零部件；(3)零部件特征信息：通过零件的分层特征描述，实现对零部件的特征信息的描述和存储；(4)产品BOM表主要用于产品零部件的管理和零部件的快速检索查询，采用树形结构的输入方法进行BOM表的结构信息的输入操作。产品零部件信息维护模块实现零部件数据的查询、修改、删除等操作。工艺信息输入模块主要实现零部件加工艺过程、加工工序/工步、装配工艺、焊接工艺、冲压工艺、铸造工艺等工艺信息的输入 操作。工艺信息维护模块主要实现零部件加工工艺、加工工序/工步、装配工艺等工艺信息的查询、修改、删除、添加等编辑维护操作。工艺信息的输入及维护操作均以符合工艺人员习惯的工艺表格的形式同用户进行交互，操作方便，输入快捷。

    3.3　工艺生成子系统
　　工艺生成子系统由检索式CAPP、派生式CAPP和创成式CAPP三种工具组成。( 1)检索式CAP P工具子系统：该工具主要实现产品零部件的各种加工工艺的快速检索查询、浏览打印等操作，其主要的功能模块包括下料工艺检索查询、零部件加工工艺过程检索查询、零部件工序工步检索查询、以及装配工艺、冷冲压工艺、焊接工艺、铸造工艺等各类工艺文件的快速检 索查询、此外还包括工艺文件目录、工艺路线、关键工序、专用工装、工时定额、材料消耗定额、外协工件等工艺明细表及工艺汇总表的查询打印。系统设计了通用的零部件工艺检索查询窗口进行产品工艺信息的检索查询。工艺人员可以在此窗口中设置各种复杂的检索查询条件。例如工艺人员需要查询工艺库中零部件代号包含“DD”，工序内容包含“数控加工”，工艺编制日期是1998年5月以前的零部件加工工艺。通过对检索查询窗口中的关键字、关系运算符、条件值、逻辑运算符等进行操作，可生成如下检索条件：“［零部件代号］包含‘DD ’并且［工序内容］包含‘数控加工’并且［工艺编制日期］〈=1998.05”，上述检索条件 项中，“［］”里的内容表示关键字。根据设定的检索条件，系统对工艺库进行检索和查询，并将检索查询结果以相应工艺表格的方式进行显示输出或打印输出。(2)工艺派生工具子系统：派生工艺设计子系统主要实现根据已有的原型零件工艺派生出新零件的相似加工工艺。在派生工艺设计时，应首先查询派生工艺所依据的原型零部件的加工工艺。系统设计了两种快速检索查询方法和一种复杂检索查询方法进行产品零部件原型工艺的检索查询。第一种方法是通过零部件信息库和零部件分类码，首先在零部件信息库中查询到该零部件的工艺。第二种方法是通过零部件选择窗口浏览全部产品信息及其零部件工艺信息，从中选择出原型零部件工艺。第三种方法是通过与工艺检索查询模块相似的方法，由工艺人员设置复杂查询条件，进行原型工艺的检索查询。系统检索查询到相似的原型工艺后，即可依据原型工艺对新零件进行工艺派生。(3)工艺创成子系统：创成工艺设计子系统实现零部件工艺的创成，创成的工艺可直接作为新的工艺或作为工艺原型存储在系统的工艺库中供用检索和派生法生成相似零件的工艺。创成工艺设计子系统接收信息输入及信息集成子系统输入的零件信息，采用基于信息元法的专家系统决策方法创成工艺。子系统采用两种创成模式来创成工艺，一种为自动创成模式，另一种为分步创成模式。采用自动创成模式创成零件加工工艺时，创成过程不需操作干预，一旦选择了一个零件，系统将自动生成零件的加工工艺。分步创成模式将创成过程分成加工方法选择、机床选择、刀具选择、量具选择、定位方案选择、资源库查询、制造资源确定、工序工步顺序排序、加工参数确定等步骤，每一创成步骤首先由系统自动完成，然后将创成结果显示在修改编辑界面上，操作者可通过人机交互方式修改每一步的创成结果，修改后的结果作为下一步创成的基础。创成形成的零件工艺存储在零部件工艺库中，供打印输出或作为工艺原型。

    3.4　工艺资源管理子系统
　　工艺资源管理数据库包括设备库、刀具库、量具库、工装库、零部件材料库、系统参数库和知识库。设备库用于存储机床的型号、技术参数、管理和使用状态等，工艺人员在进行设备选择时可以直接查询设备数据库，设备维护模块可以对工艺资源库中的加工设备进行插入、删除、修改和打印等操作。系统参数库维护模块主要实现系统全局信息的输入、存储和维护等操作。例如单位名称和WMF路径信息是两个系统级的全局信息。单位名称信息用于各类工艺报表打印时，表头中的单位名称的提取，WMF路径是工艺人员指定的存储WMF格式工序图的位置。工艺字典用于定义工序名称-工序对应的设备类别-工序对应的刀具类型三者之间的关系。系统维护子系统主要完成数据整理、数据备份等操作。数据整理实现数据库中数据碎片的整理，数据备份实现产品信息、零部件基本信息库、零部件工艺数据库、工艺资源数据库等数据信息的备份工作。

    3.5　基于人机协同的工艺规划
　　系统设计过程中，充分强调了人的因素，不片面追求工艺设计过程的高度自动化和智能化。在派生工艺设计过程中，原型零部件的搜寻和相似零部件的匹配都是在工艺人员的参与下进行的。创成工艺设计中，采用分步式设计方法进行工艺过程设计(如加工面表面加工链的形成(如粗车-精车-磨)、加工余量的选择、加工尺寸链的形成及计算等工艺设计过程)，按照系统提供的流程，在工艺人员的分步的决策指导下协同完成。

    3.6　工艺信息输出子系统
　　工艺输出系统是CAPP框架工具系统的又一项关键使能技术。工艺输出子系统的主要输出内容包括下料工艺卡、机械加工工艺卡、机械加工工序卡、装配工艺卡、铸造工艺卡、焊接工艺卡、工艺文件目录、工艺路线表以及其它工艺表格。其中，工序图的输出是工艺输出的难点所在，国内外对工序图的输出进行了大量的研究，但应用效果并不明显，本系统提供了一种基于人机协同机制的工序图输出方法。由于企业已有的CAD应用中，AUTOCAD系统占有较大的比重，并可输出WMF中间图形格式文件，系统可以自动对该类型的文件进行识别，并填充于工序卡中，实 现工序卡的图文合并输出。具体方法是工艺人员首先使AUTOCAD处于激活状态，然后在AUTOC AD环境中绘制工序图，绘制完成后使用EXPORT菜单将工序图转换为WMF格式文件并存储于系统指定目录中。返回到CAPP集成框架系统后工序图即可自动刷新，并将工序图融合到工序卡中。系统还提供了通用报表子系统，工艺人员可以对工艺报表进行自定义。

    4　结论

　　这里设计的CAPP框架工具系统将检索式工艺设计、派生式工艺设计和创成式工艺设计融合到一个集成环境中，实现了CAPP的系统信息模型、功能模型及决策逻辑的柔性化和可重配置、合理适度的人机决策支持机制，较好地解决了创成CAPP系统的适用性问题，框架系统提供了模块式可重组的集成框架平台结构。工具化的系统结构实现了CAPP的通用性和实用性，克服了CAPP系统开发中存在的重复劳动、开发周期长、成本高、后续开发和维护困难等缺点，满足企业实际生产的需要，系统已应用于某航天设计院和水泵、电机等多个行业，取得了较好效果。