三维CAPP工艺资源管理模块的设计与实现

　　在基于三维环境CAPP系统中，制造资源作为系统的重要物质基础，是企业完成产品整个生产周期中所有生产活动的物理元素的总称，为企业产品的设计及其工艺设计提供基础信息，为绿色制造提供对环境负面影响最小的加工方法、设备和材料等资源的选择。制造资源还为制造过程仿真提供数据和信息。要建立集成度更高的基于三维环境的系统，就必须用良好的描述方法，来描述制造资源，只有这样才可以提高系统的运行效率，建立一个管理高效的制造资源管理系统。制造资源贯穿产品生产全过程。

　　1 三维CAPP系统对制造资源数据库的需求分析

　　1.1需求分析

　　工艺规程的制定是CAPP系统的主要任务，工艺规程制定过程中所需要的资源是面向工艺设计的制造资源模型的重点和关键。分析CAPP系统对制造资源的需求，首先从分析工艺规程制定的内容开始。工艺规程制定的内容和顺序为：(1)分析生产纲领，确定生产类型;(2)分析加工零件的工艺性，主要包括对零件的各项技术要求的了解，明确被加工零件在生产中的位置和作用，对技术要求的合理性和材料选择是否恰当提出意见;(3)确定毛坯的种类、形状、制造方法和尺寸偏差;(4)拟订工艺过程，包括划分工艺过程的组成、选择定位基准、选择零件表面的加工方法、安排加工顺序和组合工序等;(5)工序设计，包括选择机床和工艺设备、确定加工余量、计算工序尺寸及其公差、确定切削用量及计算工时定额等;(6)按照标准格式和要求编制工艺文件。

　　在了解工艺规程指定的内容和顺序后，分析CAPP系统的主要功能。CAPP系统应具有如下功能：(1)检索标准工艺文件;(2)选择加工方法;(3)安排加工路线;(4)选择机床、刀具、量具、夹具等;(5)选择装夹方式和装夹表面;(6)优化选择切削用量;(7)计算加工时间和加工费用;(8)确定工序尺寸、公差及毛坯;(9)绘制工序图及工序卡;(10)进行刀具轨迹、NC程序和加工过程模拟等。

　　在分析和了解工艺规程指定的内容和顺序以及CAPP系统功能的基础上，充分收集同行业各种工艺规程的特征和工程技术人员在工艺规程制定中的习惯和顺序，确定CAPP系统对制造资源的需求，建立了CAPP系统对制造资源的需求模型，如图l所示。

　　图1 CAPP系统对制造资源需求

　　在零件信息输入过程中，首先要确立零件信息表，主要是完成零件序号和零件名称的填写，以及该零件的三维模型;系统根据零件的三维模型特征对零件进行合理的分类，以便简明的描述零件，方便进行典型工艺的提取和工艺方法的确定;在毛坯信息认定步骤中，需要对毛坯和材料的属性进行描述，并根据毛坯选择和制造的规则进行选择和设计;在加工路线和工序内容拟订是工艺设计和规划的重点，根据装夹定位方法、加工工艺规则和加工路线规则对加工方法和加工顺序进行合理的规划;加工设备和工艺装备的确定步骤中，通过对机床、刀具、夹具、量具和辅助器具选择确定加工设备和工艺装备，由于基本工艺分为机加工(冷加工)、热处理加工、铸造、冲锻压、焊接、电加工和特种加工，因此加工设备包括机加工设备、热处理设备、铸造设备、冲锻压设备、焊接设备、电加工设备和特种加工设备;最后形成工艺卡片输出，每个企业的习惯不同，但工艺卡片的格式和内容几乎是完全相同，因此，工艺卡片作为资源提供输出形式。

　　1.2工艺资源数据的特点

　　工艺资源数据作为一种工程数据，必然有其自身的特点，其数据类型复杂并且是动态的数据模式。工艺资源数据不仅包含一般关系数据库所能表达的数据类型，还涉及到变长数据、非结构化的数据、具有复杂关联关系的数据、过程类数据和图形类数据。

　　用一般的关系型数据库较难实现这种复杂数据的管理，并且在工艺设计过程中各个问题求解行为必然产生中间及最终的设计结果，这些都是动态工艺数据，必须有相应的动态数据模式支持其处理。因此，导致它的数据结构的复杂性以及实现上的高难度。全局的工艺数据必须要涉及到树、图以及复杂的树状、网状及图状结构。工艺资源数据具有以下的特点：

　　(1)数据量大，且数据类型及数据关系复杂;

　　(2)静态和动态数据相结合;

　　(3)数据结构复杂实现较难。

　　2工艺资源数据的组成及结构

　　2.1 工艺资源数据组成及分类

　　在CAPP系统中，工艺数据是指设计过程中使用和产生的数据，在三维环境下CAPP系统中，应包括在整个产品的生产工艺流程中使用和产生的数据。从数据性质、工艺规划和系统运行中的数据信息的变化情况，可将工艺资源数据分为两大类：静态数据和动态数据。

　　(1)静态工艺数据主要涉及到支持工艺设计过程中所需的相关数据，在CAPP系统中这类数据常由《机械加工工艺手册》中相关的加工材料数据、加工工艺数据、机床数据、工夹量具数据、工时定额数据、成组分类特征数据、已规范化的工艺规程及工艺术语等数据所组成，其数据库中包含的表有零件总体信息表、标准工艺库、典型工艺库、实例工艺库、典型工艺示意表、实例工艺示意表、图形库、典型工序表、零件类别表、设备表、生产类型表、车间表、材料表、刀具表、加工方法表、工序名称表、通用工装表和专用工装表等组成。

　　(2)动态数据是指在工艺设计的中间过程所产生的数据、工序图或中间工艺规程和加工环境密切相关的一切工艺数据和决策知识，如制造设备数据、专用刀具数据、与特定工艺习惯相对应的数据或工艺规范等。

　　进行工艺设计的实质是把待加工的工件信息与制造资源所提供的制造能力进行匹配的过程。因此，只有全面表示各种不同的资源信息，才能在实际生产中发挥作用。

　　2.2工艺资源数据结构

　　制造工艺资源主要是用于为三维CAPP各个模块提供具体的数据信息，包括加工设备资源(机加工设备、铸造设备、特种加工设备等)、工艺装备资源(刀具、夹具、量具等)、检测设备资源等，如图2所示。从广义上讲各种资源的选择规则有时会变化，并随技术的发展而改变，因此也是制造工艺资源。

　　图2加工资源结构图

　　3基于关系数据库的工艺资源管理模块设计

　　3.1工艺数据表的设计

　　工艺数据本身很复杂，因此在工艺数据的组织上需认真考虑如何通过现有的数据源获取数据，以转化为企业所需求的相关工艺文件，这也就是数据库的用户模式。而在分析如何将数据组织成表的时候，可以通过观察工艺文件的内容分析结果。如在产品零(部)件工艺路线表中包括如下数据项：产品型号、产品名称、零件图号、零件名称、每台件数、加工方法、零件外协、工序外协和备注等，在加工工艺过程卡中含有产品名称、零件名称、零件图号、文件编号、工序号、车间及工序名称、工序卡片编号、设备名称、设备编号、工装名称和备注等，而在加工工序卡片中含有产品名称、零件图号、零件名称和工序名称等数据项，三张表中同样都含有产品名称、零件图号和零件名称等。这样，在建立工艺数据库时，就应该考虑哪些数据源应该组织在一张表中，如果完全按照用户模式建立表的话，将会有很大的数据冗余。例如：可以在零件总体信息表中存放产品名称、零件图号和零件名称等基本信息，将零件图号用作唯一确定一个零件的主键，而在与该零件有关的表中加入这个数据项，以建立起表与表之间的关系。同时，也可以把车间名称、材料牌号、工艺装备和刀具等数据建立成一张张单独的表，在表中存放资源名称、编号、规格型号和单位等相关属性。属性和名称放在一个表中，这样，就会减少一部分数据冗余，从而提高计算机存储空间的利用和检索速度。

　　3.2关系型数据库的建立

　　CAPP系统的工艺数据库由若干个数据库组成，包括零件信息库、零件加工特征库、毛坯信息库、刀具信息库、机床信息库、夹具信息库、量具信息库等。

　　利用三维特征，把三维特征与刀具联系起来，同时刀具对应着相应的机床，那么，就可以建立特征、工艺、刀具与机床间的有机联系，即一个三维特征对应着相应的工艺、刀具和机床。这不仅有利于知识的表示，更便于这些知识的查询和利用。当过程特征逐步从零件特征设计的最终要求走向毛坯状态时，可以碍到相应的加工方法和刀具机床。这样，就有利于工艺决策时综合考虑，优化选择。从这个角度分析，加工资源之间存在着复杂的关系。下面以机械加工工艺过程卡的生成为例，建立相关表的关系模型，如图3所示。

　　图3关系型数据库模型

　　根据成组原理生成某一零件的加工工艺过程卡时，该工艺过程的编制是以零件序号为关键字对零件进行唯一标识。这个标识就是通常所说的关键字。工作过程简述如下：先通过零件图号检索零件总体信息表，将零件的相关信息调入该卡片的表头，再根据零件的总体信息中的零件类型分类编码查找工艺库，然后将相匹配的工艺调入卡片中进行编辑修改。在修改的过程中，系统可根据欲修改的内容检索相关数据库，然后向用户提供检索结果，这样可以提高修改速度。例如，用户要修改设备，则系统会根据被加工零件的特征和精度等级要求检索刀具数据库，然后再根据零件的精度等级以及加工方法在机床数据库中选择该刀具所对应的最合适的机床，之后将机床名称和编号填入卡片。另外，若要生成工序卡片这类工艺卡片的文件时，也需根据零件图号检索零件总体信息库，得到相关的参数信息。

　　3.3管理功能及实现

　　三维CAPP系统在运行时需要加工工艺资源的支持，加工工艺管理模块的功能就是在一定约束的条件下，根据系统运行的需要完成加工工艺资源的调度和分配问题。所以要求该系统除了有数据库的最基本操作外，如：添加、删除、保存、插入等，还必须有以下功能：

　　(1)支持用户自定义工艺卡片。工艺卡片是工艺数据的表现形式。工艺数据相对来说是具有一定共性，而工艺卡片是企业个性化的集中体现。支持用户自定义工艺卡片是实现CAPP系统的前提。

　　(2)提供辅助工艺设计工具提高工艺设计速度与质量。

　　(3)工艺资源的利用和调度。

　　在工艺设计的过程中，常常需要用到工艺资源即在工艺设计的过程中所用到常用标准及手册等数据资源。各个企业的资源是不同的，并且使用资源的方式也是不同的。CAPP系统应广泛而灵活地提供资源内容和资源使用方式。

　　对三维CAPP的系统工艺资源关系数据库进行分析后，作者在开发集成工艺管理系统时提出了以下工艺管理功能模型：在基础库、工艺库和典型工艺库的支持下，在完成工厂资源和工艺知识的基础数据整理及用户组和用户权限的初始化之后，基于对产品设计项目与工厂制造资源的分析，对产品工艺过程进行任务管理、工艺设计、工艺签审管理、工艺版本管理、工程数据管理，进而达到对整个工艺过程的管理。

　　工作任务管理主要是负责制订工艺设计人员的任务、每个零部件的签审过程制订、项目进度分析与统计和通知发放工作，进行此工作任务管理的应是总工或工艺总工。

　　工艺设计主要是完成基于工艺任务分配的零部件的工艺路线设计、工艺过程设计、工序设计、工步设计，它是后续的工艺签审管理、工艺版本管理、工艺过程管理的基础。

　　工艺签审管理是指零部件工艺设计完且提交以后，工艺签审人员对己提交的工艺设计及图纸方案的签审管理。工艺设计方案一旦提交，除非被打回，工艺设计人员再无权修改自己的工艺设计方案，此种签审方式加强了签审的科学性。

　　工艺版本管理是指对某一零件进行多个工艺方案设计时，每一新设计方案都不覆盖以前的设计方案，而是以高版本的形式存储于系统中，以便于工艺设计的评价与优化。

　　工程数据管理主要完成工程数据统计、查询、打印工作。

　　工艺过程管理主要指基于以上各设计和管理模块，任务分配下达以后，工艺总工可以随时查询每个工艺人员的工作情况、进度及整个产品的工艺编制进度，大大提高了工艺设计过程对上级的透明度。

　　整个工艺管理功能模型均是在数据库技术支持下的，这样就使工厂所有的工艺师能共享所有的工艺技术资料，统一调配技术资源，随时了解工厂工装、设备情况，查询已有工艺设计情况，为提高工艺设计质量提供了技术基础。

　　图4产品工艺管理功能模型框架图

　　4系统运行

　　打开系统后，如果以工艺设计师的身份登陆，能打开工艺编辑界面(图5)和加工资源查询界面(图6);若资源维护员的身份登陆，可以打开资源查询界面和资源管理界面(图7)。

　　图5工艺编辑界面

　　图6资源查询界面

　　图7资源管理界面

　　5结论

　　加工工艺资源数据库在CAPP系统中起着举足轻重的作用，作者通过对三维CAPP系统中加工工艺资源数据结构和组成的研究，得出了三维CAPP系统加工工艺资源数据之间的关系，以及三维CAPP系统对加工工艺资源库的需求关系;以机械加工工艺过程卡的生成为例，完成了关系型数据库的建模，使CAPP系统的制造资源在一定的约束下活动，对企业的制造起到正确的指导作用，并且可以提高系统的运作效率。