基于C/S结构的模具CAPP系统的开发

刘宝聚

【摘要】根据模具加工工艺的特点，设计了模具CAPP系统的总体结构、系统功能模块，介绍了基于实例推理的工艺决策方法，同时将模具报价功能模块引入模具CAPP系统中，使得模具CAPP系统更加完善。

【关键词】模具CAPP;CBP;模具报价

1.引言

工艺设计是机械制造过程的技术准备工作中一项重要内容，是联系产品设计和产品制造的桥梁和纽带。它不仅是制造企业生产准备的重要环节，而且是企业各个部门产品信息的交汇中心，对于保证产品质量、缩短生产周期、降低产品成本和提高经济效益都起着十分重要的在作用。

计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning CAPP）是运用计算机协助工艺设计人员进行工艺规划设计的一种技术，是在人和计算机组成的系统中，以人为中心，根据产品设计数据，人机交换的或由计算机自动的生成产品加工方法和工艺规程，也即将产品实际信息与制造环境提供的所有可能的加工能力信息进行匹配与优化的过程，是以计算机技术为支撑的信息时代环境下的产物。随着制造业信息化建设的发展，CAD/CAPP/CAM系统集成在计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System CIMS）中的地位愈发重要，而CAPP系统又是CAD/CAPP/CAM系统集成的重要组成部分，是连接CAD/CAM的桥梁。

2.CAPP系统的开发

长期以来，模具的加工的工艺编制主要依靠手工，模具种类多、批量小，工艺设计繁琐，规范性差，成熟的工艺经验难以保存和借鉴，存在工艺设计时间长，工艺文档保存困难等问题。因此需要开发一套适合模具特点的CAPP系统，解决工艺设计的瓶颈问题，实现工艺信息的集成管理，提高设计效率和质量。

2.1 系统的开发环境

本系统采用Visual Basic.net进行程序的编制，采用MS SQL Server 2000建立数据库。

Visual Basic.net是在以往版本基础上不断改进而成，具有强大的程序设计和数据库开发功能，而且提供了非常丰富的编程接口，使开发者能快速的构建企业级应用系统，同时采用VB.net进行程序编制，便于进行可视化设计，实现“所见即所得”的交互式操作方法。MS SQL Server 2000 是在MS SQL Server 7.0的基础上产生的，它在易用性、可收缩性、可靠性以及数据仓库等方面都有很大的增强，同时，与VB.net 之间具有良好的通用性和兼容性。

2.2 系统的结构框架

根据模具的加工工艺的特点，模具制造车间的实际生产情况和具体要求，在设计中融合检索式、派生式、创成式的工艺生成方法。图1为模具CAPP系统的功能模块图：

图1 模具CAPP系统功能模块图

（1）总控模块：负责系统的总体调度，协调各部分之间的工作。

（2）典型工艺管理模块：在进行工艺设计时，先在典型工艺实例库中检索，检索到相似的零件加工工艺，在此基础上进行修改、编辑后应用，最后将编辑后的加工工艺存入数据库，以备以后检索。

（3）工艺设计模块：在检索不到相似的零件加工工艺的情况下，在相关的工艺数据库的支持下，在人机交互的基础上，创成出所需的加工工艺。

（4）工艺资源管理模块：对各种工艺资源数据库进行管理，查询工艺资源、新增工艺资源、删除工艺资源和编辑工艺资源。

（5）用户管理模块：对用户的权限进行分类，并进行管理。

（6）模具报价模块：把模具报价的数据资源存入相关的数据库，并在设计完成加工工艺的基础上，由计算机自动生成模具生产的价格，以供用户询价时使用。

（7）工艺文件输出模块：生成加工工艺文件并输出。

（8）帮助模块：对本软件的使用、功能等方面的问题进行说明和解释。

2.3 数据库的建立

CAPP系统作为连接产品设计与制造的桥梁，需要與产品设计与制造的各个环节交换大量的数据，同时CAPP系统内部各模块之间也存在大量的数据交换，没有很好的数据管理技术就会使某些算法变得复杂，效率不高，甚至难以实现既定的任务。为了提高数据交换的速度和效率，保证数据交换的完整性和可靠性，必须采用有效的数据管理技术。数据库技术在数据管理、维护、查询、汇总等方面具有无可比拟的优越性，是CAPP系统集成化应用的支撑环境。根据模具加工工艺的特点，需要建立的数据库：

（1）工艺装备数据库：主要包括机床、刀具、夹具、材料等资料，实现对工艺装备资料的存储和管理。

（2）工艺知识库：主要有典型工艺实例库、工艺模板库、标准工艺库等。实现典型工艺的检索、编辑和存储以及对模具加工的创成式工艺设计。

（3）工艺规则库：主要包括机床的选择、刀具的选择、夹具的选择、加工参数的选择等工艺决策规则。

（4）图形库：主要包括典型零件的工程图，使工艺设计过程更形象。

（5）报价知识库：主要包括基点工时库、单位工时平均含金额库、制件报价信息库、各种报价系数修正库等资源。

3.系统开发中的主要问题

3.1 基于实例的工艺决策方法

通常在工艺设计中，工艺设计人员的工艺经验和工艺知识难以被计算机利用，基于实例的工艺决策能够克服这方面的困难。基于实例的决策是应用基于实例推理（Case-based Reasoning，CBR）技术进行工艺决策。

基于实例推理的工艺决策基本原理是在CAPP系统中数据库中存有典型的工艺设计实例库，在工艺设计时根据一定的相似标准，检索一个相似的实例，并对该实例的加工工艺作适当的修改，使之符合待加工零件的实际情况，从而生成新的工艺规程。对于新零件的加工工艺也可以存储到实例库中，以备以后检索。图2是CBR决策的基本过程。

图2 CBR决策过程

人们将基于实例的推理（Case-based Reasoning，

简称CBR）技术用于变异式工艺决策，从而构造出基于实例的工艺决策方法（Case-based Planning，简称CBP）。这种工艺决策方法的知识是以实例的形式存储的，而实例的获取过程比规则的获取要方便得多，并且基于实例的工艺设计可以使设计工作不必从零开始，从而提高了系统解决问题的效率，所以CBP的知识的获取容易且效率高。再有由于实例所包含的工艺决策结果一般是经过审校和实际检验的正确的工艺规程，所以从实例变异出来的工艺路线一般与生产实际更为接近，同时这种工艺决策方法还可以使CAPP系统能不断积累和更新工艺设计实例，随着实例的增加，系统解决问题的能力将逐渐增强。

图3 CBP的模块功能图

CBP的基本思想是典型的变异式设计思想，基于实例的变异式工艺决策方法主要归结为六个方面的问题，分别由六个模块完成，他们是实例获取、实例表达、实例管理、实例匹配与抽取、实例工艺信息筛选、实例工艺路线修正等（见图3）。

（1）实例表达：即如何对实例进行描述和表达，这是CBP的基础。

（2）实例获取：如果新问题的解可能用于以后与之相似的问题的求解，则可将该新问题的有关信息、求解结果和求解过程中的有关知识等作为一个实例存入实例库中，这就是所谓的实例获取与学习过程。

（3）实例管理：其任务是如何创建实例库，并对实例库进行扩充、更新、修改，以及删除无用实例等，而且实例的抽取方式与实例的管理方式有关。

（4）实例匹配与抽取  根据新问题的相关信息和特点，从实例库中搜索出于新问题最相似的实例。

（5）实例工艺信息筛选：将所抽取实例中对过去问题的求解结果应用于新问题的求解，保留对新问题的求解有用的信息，去掉无用信息。

（6）实例工艺路线修正：对实例工艺信息筛选的结果进行检查和修正，使筛选结果更接近新问题的解。

3.2 人工智能技术

人工智能AI（Artificial  Intellegence）是20世纪50年代在美国首先兴起的一门综合性很强的边缘学科，它的出现引起了世界各国众多科学家和学者的重视，今年来，它最引人注目的成就是专家系统的研究走向实用化。

工艺设计时经验性很强的工作，长期以来依靠有经验的工艺设计人员来完成，随着计算机技术、信息技术、人工智能技术等多学科先进技术在机械制造过程中的综合应用，使制造业适应以多品种、小批量生产为特征的瞬息多变的市场需求，工艺设计专家系统也就应运而生了。

专家系统是把有关人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的 符号形式，采用专家的推理方法和控制策略，解决该领域内只有专家才能处理的问题，并到达专家级水平。

图4 专家系统基本结构

专家系统的基本结构是围绕知识库和推理机来组织的，简单的说：知识+推理=专家系统。一个实用的专家系统主要包括知识库、推理机、解释系统、知识获取系统和人机接口等模块。专家系统的基本结构示意图如图4所示。

（1）知识库：在专家系统中存放以一定形式表示的专家知识、经验的集合称为知识库。知识库的组织和结构形式对于提高专家系统效率至关重要。建立某一专业领域的知识库是一个复杂的过程，一般说来，总是先建立一个子集，然后利用知识库开放系统来修改和扩充知识库，并对其中的知识进行检验和排错。

（2）推理机：推理机是控制、协调整个系统工作的机构。它根据系统当前接受到的信息，利用知识库中的知识，按一定的推理策略去解决当前的问题。推理策略主要有：正向推理、反向推理以及综合运用前两种方式的混合推理。

（3）解釋系统：以用户易于接受的形式说明必要的推理过程，回答产生结论的理由，只有系统能解释自己的行为、推理和结论。用户才能信赖系统。解释功能可以对系统的推理行为作出解释，解释不仅使结论易于为用户所理解、接受，帮助用户建立系统、调试系统，而且还可以对缺乏领域知识的用户起到传授知识的作用。

（4）知识获取系统：专家系统的专门知识和推理能力源于人类专家的头脑中，知识获取的任务是把这些知识提取出来，转化为计算机内部能识别的符号，经检测后装入知识库，知识获取系统也可修改和扩充知识库中原有的知识。

（5）人机接口：人机接口是将专家和用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式，同时把系统向专家或用户的输出信息转换为人类易于理解的形式。

所以，专家系统是一个计算机程序，它对某一领域的问题提供具有领域专家水平的解答。

4.结语

本文使用Window作为开发平台，使用Microsoft的Visual Basic.net 与SQL Server 2000作为开发工具，基于先进的客户机/服务器（Client/Server）的三层体系结构即用户层、业务规则层和数据库层，并从企业的实际情况出发，以方便易用为指导准则，将基于实例的推理（CBR）技术和数据库技术、人工智能技术等应用于CAPP系统中，实现综合式的模具CAPP系统。

参考文献

[1]肖伟跃.CAPP中的智能信息处理技术[M].国防科技大学出版社，2002.

[2]赵汝嘉，孙波.计算机辅助工艺设计（CAPP）[M].机械工业出版社，2003.

[3]邵新宇，蔡力钢.现代CAPP技术与应用[M].机械工业出版社，2004.