CAPP系统的体系结构研究

 引　言

　　目前，CAPP系统按其工作原理来分主要有四种基本的应用模式，即交互式、检索式、派生式和创成式。此外尚有介于派生式或检索式与创成式之间的系统，通常称为半创成式系统。其中，检索式系统只能在新零件能找到相似性很好的零件时发挥作用；派生式系统也依赖于零件的相似性，同时，由于零件的复杂性，要建立有效的且覆盖面大的标准工艺是极为困难的，使用时，人工修改的工作量往往很大；交互式系统则主要为打印提供方便。这几种方式都依赖于人工决策，自动化程度低，效率和适用面往往都不理想，尤其是它们都难以与CAD和数控编程系统集成。创成式或半创成式系统目前一般都采用特征技术描述零件，实现与CAD及数控编程系统的集成，大大提高了工作效率。但是由于零件的复杂性及工艺设计的经验性，一方面使工艺知识规则化很困难；另一方面对单个特征而言是正确的工艺决策，但对整个零件全局来说不一定是合适的。因此，创成式或半创成式系统目前尚待解决实用性的问题。
 
　　所以，怎样综合地利用各种工作原理并使得它们能有机地结合起来，怎样建立起良好的CAPP的体系结构，使得CAPP系统能满足当前及未来发展在功能上、集成化、自动化、实用性和通用性的更高的要求，寻求一种功能强大，实用性好的和有着特殊机理的CAPP系统便自然成了需要迫切解决的问题。

    1　基于范例的综合式CAPP系统的工作原理

　　本文的基于范例的综合式CAPP系统综合利用不同工作原理的CAPP系统，同时在CAPP专家系统中嵌入基于范例的推理方法，利用特征技术完成零件信息的统一描述以实现集成，建立了已有零件的基于关系数据库的工艺文件库，建立了特征编码矩阵、知识库和推理机。

　　需要指出的是，所提出的基于范例的综合式CAPP系统是将交互式CAPP、检索式CAPP、派生式CAPP、创成式CAPP系统四种工作原理的有机结合，是利用原理，由系统直接针对已有零件的工艺文件和标准工艺文件进行操作。而不是四种工作原理的单纯相加，系统结合后，可以划分为两个大的部分，即基于范例的系统和基于知识规则的系统。基于范例的系统中贮存的是经实践验证的标准工艺，采用基于范例的设计方法，可以很好地利用以前的经验，而基于知识规则的专家系统完全是一种创造性的决策过程，能解决复杂程度较高的，基于范例的系统所不能解决的一些问题。系统组成的两大部分优缺点互补，相辅相承，组成了功能强大、实用性好和适应能力强的综合式CAPP系统。

　　复杂形状零件工艺过程设计的多样性，工艺决策知识的多样性以及生产环境约束的多样性，要求CAPP系统必须寻求一种有机的结合体来适应各种条件的多样化，要求系统在适应工件类型的基础上，采用多种决策方法，采用多层次的分布式系统结构。因此，再综合式CAPP系统中，针对零件的具体情况，以零件的相似性为依据，选择最有利于提高设计过程自动化程度和设计结果实用性的工作原理。为此，设计了如图1所示的基于范例的综合式CAPP系统的工作流程。

　　如图1所示， 系统首先根据零件信息确定零件种类， 然后根据特征层信息建立与已有零件的特征编码关联矩阵， 计算相似系数， 通过判断后， 进行范例检索， 检索成功后则进行范例的调用， 修正； 若检索失败或者相似性太差， 系统则采用基于知识规则的方法进行工艺设计。详细的步骤如下：
 
　　(1) 首先从动态信息库中提取零件的CAD几何描述信息、工艺信息和其它必要的信息，以满足综合式CAPP系统的功能需求，完成工艺设计的任务；

　　(2) 通过信息转换和建模功能形成基于特征的CAPP零件模型后，计算零件特征编码关联矩阵的各个元素的值，即相似系数的计算，其中相似性的判断和相似系数的计算是后续流程中采取什么样的决策方式的关键。

　　(3) 通过相似性的判断后， 若新旧零件的相似性好， 则把与新零件相似性好的原有零件相应的工艺文件或零件族的标准工艺文件取出， 同时确定新零件的正负差异特征；

　　(4) 在零件的工艺文件或标准工艺文件中删去负差异特征相应的那部分工序或工步，正差异特征部分的工艺可由专家系统中的推理机进行推理。推理的工艺结果与前面自动修改后的范例相结合，经过工步的组合、排序和优化后形成新的工艺文件，同时生成NCP接口文件，按需要修改后存入信息库，最后，经过修改后的工艺文件或标准工艺文件作为新零件工艺设计的范例；

　　(5) 通过相似性的判断后，若新旧零件的相似性极差，零件信息形成复合特征后，完全利用专家系统进行工艺创成，经过工步序列优化，生成工艺文件，同时还生成刀位接口文件供NCP产生刀位轨迹及数控指令。其中，复合特征包括工艺复合特征和功能复合特征，复合特征的引入，同样有利于提高设计结果的一致性和实用性，以及简化系统的工作过程；

　　(6) 若创成失败或对结果不满意，可以采取人机交互方式进行修改，修改后保存结果；

　　(7) 在完成了全部设计的任务以后，由信息库按各外部系统所要求的格式，整理并输出设计结果；

　　(8) 最终新零件产生的工艺文件经过范例库的修改、维护并经过实际生产的检验以后，又可作为以后新零件工艺设计的范例，使得设计经验能够得以重复利用，提高了系统的自学习能力。

图1　基于范例的综合式CAPP系统工作流程图

　　以上几个方面是基于范例的综合式CAPP系统的工作流程。其中工艺设计范例的选择如下所述：一般来说，不可能存在完全相同的零件。因此，范例的选择只能是尽可能地相似，而相似程度的高低，将直接影响到范例的调用和修改。在CAPP专家系统中采用基于范例推理-CBR的目的，就是最大限度地减少工艺设计工作量，提高工作效率。系统中有两种范例选择的方式：一种是系统通过相似系数的大小来判断并作出自动选择；另一种是用于补充的人机交互选择方法。前者由系统自动选择，即挑出相似性最好的范例，后者可以由系统操作者来执行，根据经验，从系统检索出的范例中，选择合适的范例，以弥补系统自动检索范例过程中存在模糊性的缺点。

     2　基于范例的综合式CAPP系统的体系结构

　　根据上面所描述的系统的工作原理的需要，设计了如图2所示的基于范例的综合式CAPP的体系结构。该体系结构综合了多种CAPP的工作原理，将基于范例推理的思想成功地嵌入基于知识规则的CAPP的专家系统中，能很好地利用前人工艺设计的经验，在系统执行过程中，若不能成功地挑选出新零件工艺设计的范例，则可充分利用基于规则的专家系统的优点来进行工艺创成。

图2　基于范例的综合式CAPP系统的体系结构

      (1) 零件的建模

　　零件的模型包括零件定义模型、制造资源描述模型和工艺决策模型。其中，零件定义模型的描述是关键，所建立的零件特征定义模型必须包括零件层的信息、特征层信息和底层的几何信息。这些信息除了从CAD系统中获取之外，还可以通过人机交互修改和增加；制造资源描述模型包括制造资源数据和制造资源知识描述；工艺决策模型则是描述工艺过程规划采取怎样的策略来进行工艺文件生成的模型。

　　(2) 零件的相似性

　　零件相似性的描述主要是通过零件特征编码关联矩阵中的各元素的相似系数的计算来实现的。若相似性较好，则新旧零件的特征编码相同的数目较多，即新旧零件的结构等等很相似。零件的相似性判断是系统实现的关键。

　　(3) 基于范例的推理

　　通过利用基于范例的推理思想，可以使系统更好地利用以前的工艺设计经验。其中，范例的检索采用的是检索式和派生式CAPP系统的思想，将范例的检索和调用结合在一起，提高了系统总的工作效率；范例的修改以原知识基系统的知识表达形式表达，能够利用原来的系统中的推理机制进行处理，因此也便于系统的开发、维护和扩充。

　　(4) 基于规则的推理

　　基于规则的推理思想是利用各类知识库，通过调用推理机来实现新零件的工艺创成。其中，推理过程中，必需调入各类知识库、数据库和描述模型，通过创造性的决策来解决新零件的工艺设计过程中所没有遇到过的新问题和新情况。

　　(5) 其它功能

　　知识获取功能是通过管理知识的输入、修改以及人机对话方式将推理的中间结果变成新的知识；推理解释机制通过图示的方式显示推理过程，可以显示推理过程所用到的设计内容，帮助使用者了解工艺设计结果的产生过程；用户界面交互功能通过人机交互修改各设计内容，以达到设计结果合理的目的。

    2.2　知识库

　　系统的知识库根据应实现功能的需要设计了如下子库：

　　?特征加工链生成知识库：用于存放针对特征的加工链产生的规则库；

　　?机床选择知识库：用于存放选择机床的规则库；

　　?刀具选择知识库：用于存放选择刀具的规则库；

　　?公差转换知识库：用于存放将数值方式表示的各种公差转换为精度符号的规则库；

　　?切削策略和切削参数选择知识库：用于存放选择切削策略和切削参数的规则库；

　　?工艺排序知识库：用于存放工步序列优化准则的规则库。

    2.3　动态信息库

　　系统的动态信息库包括：工程数据库、工艺文件库、工艺范例库、输入输出接口、描述模型库、特定CAPP数据库。动态信息库用于存放和设计过程有关的所有数据，存放CAPP系统所需的刀具、机床、夹具等工艺装备数据以及其它工程数据，用于存放工艺文件，用于存放当前处理的零件信息等等。

      通过对基于范例的综合式CAPP系统体系结构的剖析，可以看到：

　　首先，系统有一个统一的零件描述方法。该描述用于后续的相似性的判断，使得在同一零件的工艺设计中能利用不同的工作原理。基于规则的创成式CAPP专家系统应用特征技术已很成熟，其最终结果是零件的工艺文件，这与基于范例的系统所需的工艺文件无本质区别。基于范例的系统中零件族的形成在利用成组技术的同时附以对零件族进行附加特征描述，在此意义上，也可将零件族看成是某个更为“全面”的零件。

　　其次，采用了基于范例的设计方法。通过研究新零件与范例之间的差异特征，利用创成的方式解决差异特征的工艺设计，既解决了人工修改问题的弊端，又减少了需要创成的内容，易实现零件工艺的实用性及进行全局优化的可能性。同时也利用基于规则的系统解决了不具有相似性部分的设计问题。最后用交互的方式进行编辑修改，使得新生成的工艺文件又可作为一个新的范例，这样保证了系统的开放性，以便在生产实际的使用中能不断扩充和维护。

　　最后，该类型系统是由不同种工作原理的CAPP系统，根据企业的实际应用情况，综合利用不同系统的优点，并在作了全局的规划设计以后，有机地结合在一起的。各分系统互相补充，互相渗透、融合，并以特征作为判断相似性和选择范例的依据，其应用与最终结果有利于综合式CAPP与CAD系统，CAPP与CAM系统的友好集成。

　　综上所述，基于范例的综合式CAPP系统的模式结构复杂但又不失其灵活的一面，是一种开放性很好的系统，其中特征技术和专家系统技术交叉地应用于不同工作原理的子系统中，更好地利用了各子系统的优点，并良好地实现了集成，具有良好的通用性和实用性。

    3　基于范例的综合式HC-CAPP系统

　　HC-CAPP系统是一个基于范例的综合式CAPP系统，并且是CIMS环境中的一个子系统。该系统以非回转体类零件，特别是箱体类、转向桥体类零件为加工对象，面向加工中心的数控加工设备，自动进行工艺过程设计，并通过数据接口与公用信息库的联系，实现CAPP系统分别与CAD和NCP的集成。

　　根据上述的体系结构的研究和设计，本系统首先对特征建立编码系统，利用特征编码组表示零件，然后对零件进行相似性分析与计算。当新旧零件的相似性很好时，则选择原有零件工艺文件或选择零件族标准工艺为范例，利用创成方式对正差异特征进行处理，针对负差异特征自动修改范例，两者组合后经过排序和优化得到新零件的工艺；当新旧零件相似性很差时，则完全用创成的方式生成新零件的工艺，最后用交互的方式对结果检查或作必要的修改。

　　其中，针对CAPP的需要，系统建立了面向零件的加工特征库和零件定义模型框架。为了从二维参数化CAD系统中获得所需的信息，在二维CAD系统的工作环境下开发了系统的集成接口，通过该接口可半自动地从CAD图形中提取有关信息，按一定的格式存入数据库。最后由CAPP中的零件信息输入与规整处理模块获取这些信息，构成零件定义模型。如果特征库有所变动，则知识库要作相应的改动。用户可通过人机对话，利用带有标准工艺编辑工具输入非机加工工艺，同时利用交互的方式可以对前面各子系统产生的最终工艺文件进行编辑修改。

　　综合式CAPP系统在产生工艺文件的同时，它还具有为数控加工零件产生初步的刀位文件的功能，以提供给NCP子系统作进一步处理。为此，可以看出系统具有如下诸多特点：

　　(1) 综合了多种CAPP的工作原理，针对不同的零件、工艺，采用不同的手段，解决了目前存在的很多问题；

　　(2) 以特征作为判断相似性和选择范例的依据，保证各部分有机地结合；

　　(3) 具有开放式体系结构，可以进一步开发与制造资源计划的接口；

　　(4) 采用特征技术作为产品模型描述的核心技术，并通过数据库的共享，数据交换和中性文件等接口的处理，来实现CAD/CAPP/NCP的一体化集成；

　　(5) 在软件实现方面，本系统具有良好的模块化的结构，并很好地体现和发挥了作为综合式CAPP的优势；

　　(6) 采用标准化Visual C++,POWERBUILDER,ODBC,Windows95等标准化支撑环境，对目前主流型的硬件平台具有可移植性。

    4　结论

　　体系结构的研究促进了CAPP应用系统的研究和开发，并可以为工艺设计的自动化提供了系统和科学的基础。HC-CAPP系统是应用体系结构理论研究成果，利用已有的商品化CAD资源，针对典型箱体类零件，实现集成化的综合式CAPP系统开发的一次成功的实践。