交互式CAPP系统的研究与开发

　　机械制造业是国民经济的支柱产业。随着制造业现代化的需要，正向高质量、高效率、低成本、柔性化和自动化方向发展。CAPP在计算机辅助设计与制造以及企业信息化建设中，起着重要作用。CAPP系统的应用，更是实现CAD/CAPP/CAM集成的关键。传统的CAPP系统以零件为主要对象，强调对零部件几何与工艺信息的获取，和对零部件制造信息的输出，但难以覆盖产品的全部零件。交互式CAPP系统，根据工艺过程没计的特点和工艺人员编制工艺时的思维模式，采取“以人为中心，人机结合”的原则，建立起人机结合的交互式CAPP系统。

　　1 交互式CAPP系统分析

　　1.1 系统特点分析

　　交互型系统是按照不同类型零件的加工工艺需求，以人机对话的方式，完成工艺规程设计的系统。工艺设计人员根据屏幕上的提示，进行人机交互操作，形成所需的工艺规程。它比综合式CAPP系统更灵活方便，将一些经验性强、模糊的、难确定的问题留给用户，简化了系统的开发难度，有可能开发出较通用的系统。

　　交互式CAPP系统与其他传统CAPP系统相比，具有如下特点：

　　(1)开放性。软件的结构开放，工艺人员可以根据不同的需要定义不同的工艺信息，建立工艺知识库、工艺规则库等。

　　(2)智能性。交互式工艺设计不应是单纯的工艺表格填写，而应是在数据库技术支持下，以工艺知识库，工艺规程库为基础，实现工艺设计的智能化、规范化和标准化。

　　(3)交互性。采用交互式技术，充分利用各种典型工艺知识和工艺数据库，既可方便工艺设计，又能便于知识获取。实现经验的继承应用，采用人机交互，把工艺人员综合到整个系统中去，充分利用、发挥工艺人员的智能优势。

　　1.2系统模型分析

　　交互式CAPP系统(又称检索式CAPP系统)。采用以人机交互为主的工作方式，操作人员在系统的提示引导下，回答工艺设计中的问题，对工艺过程进行决策。因此这种CAPP系统工艺过程设计的质量对人的依赖性很大。

　　(1)零件信息模型的建立。零件信息模型是计算机内部对零件信息的描述与表达方式，是计算机进行零件设计、工艺决策、工序尺寸链计算、工序图生成、道具路径规划、NC程序生成以及加工过程仿真等的依据和核心。在这个模型中，要求能对零件信息进行输入以及维护。

　　(2)工艺数据库的建立。CAPP系统需要调用大量相关联的工艺数据，工艺数据库是CAPP系统的基础平台。交互式CAPP系统，又可以将传统的零件工艺设计经验保留下来，再根据具体的应用场所，对工艺进行编辑，从而形成零件实用的工艺。这就要求工艺数据库的合理建立，工艺数据库作为CAPP系统的支撑工具，它包含了工艺设计所需求的所有工艺数据和规则，从某种意义上说，生成工艺过程，可以看作是对工艺数据进行操作与管理的过程。

　　(3)工艺决策信息模型。工艺决策信息模型是工艺决策知识的一种表达结构。通过大量零件工艺规程的知识经验建立一个工艺知识库，通过成组技术把零件编码分类，建立一个典型零件工艺规则库，给出相应的工艺规则数据，建立一个计算机辅助工艺规则的决策系统。

　　(4)零件工艺信息模型。工艺信息模型是对CAPP系统各个设计阶段的中间结果和最后的结果的描述与表达，是工艺文件的计算机内部表达形式，也是上述各个设计阶段之间信息交换的依据。

　　在工艺信息模型中，可对不同的零件信息进行检索，根据检索出的标准工艺进行交互工艺的编辑，如添加、删除、插入和移动某些工序等，从而形成的最终的实用工艺。

　　形成工艺文件后，能够对工艺文件进行审核、批准等流程方面的规范化，以及最终输出由工艺过程卡和工序卡相结合的工艺文件。

　　(5)工具集管理。对交互式CAPP系统中所需的工具进行统一的管理，如刀具、工夹具、量具等。

　　图1 各种模型在工艺决策中的作用

　　1.3工作流程分析

　　(1)通过系统权限的建立，进行用户和角色的设计。

　　(2)通过工艺知识库的建立，综合工艺标准库和实例库，最终形成工艺数据库体系。

　　(3)通过零件信息多种匹配规则，检索出符合的工艺信息。

　　(4)对零件工艺信息进行编辑，方式有删除、添加、插人和移动工序或工步信息等，并保存编辑的零件工艺结果。

　　(5)对零件的最终工艺信息进行审核、标准化、会签、批准，并最终输出工艺文件用于指导生产加工。

　　图2 交互式CAPP系统工作流程图

　　2交互式CAPP系统设计

　　2.1 系统结构设计

　　根据交互式CAPP系统的功能需求，可将系统分为6大模块，分别为：系统用户管理模块;零件编码管理模块;工艺数据库模块;零件信息管理模块;零件工艺管理模块以及工具集管理模块。系统总体结构如图3所示。

　　图3 交互式CAPP系统结构图

　　2.2系统功能模块设计

　　2.2.1系统用户管理模块

　　主要管理交互式CAPP系统的操作用户极其权限，这是系统能够有效、稳定运行的保证。

　　2.2.2零件编码管理模块

　　根据成组技术，对零件进行分类编码，形成零件的分类编码管理系统。零件的分类编码系统就是用数字、字母或符号对零件各有关特征进行描述和标识的—套特定的法则和规定。

　　2.2.3工艺数据库模块

　　工艺数据库要能实现数据共享，即作为按不同性质建立起来的各个数据库文件，必须能被任一决策规则访问。

　　(1)标准工艺库。存放典型零件的工艺。在零件编码管理模块中，对相似零件进行了分类编码，则根据分类编码，对某类典型零件进行工艺设计，并将其存放在标准工艺库中。典型零件的工艺管理是整个CAPP系统的重要环节。而该环节中最主要的工作是文件的更新和补充。

　　(2)实例工艺库。在输出某个零件的工艺过程卡后，可对该零件的工艺保存入到实例工艺库。当形成了实例工艺库后，对于将来形成某个具体零件的工艺时，则可先到标准工艺库中查找，若没有，则可以到实例子工艺库中查找，从而形成更精确的工艺。

　　2.2.4零件信息管理模块

　　对零件信息进行管理，包括如下子模块：

　　(1)零件信息输入。零件信息属性包括零件图号、零件名称、工艺路线号、产品和部件编号、毛皮类型、零件编码等。

　　(2)零件信息维护。主要是实现对零件信息的删除以及修改功能，以达到零件信息及时更新。

　　2.2.5零件工艺管理模块

　　零件工艺管理模块，主要是形成零件的具体工艺以及最终输出工艺文件，主要包括如下子模块：

　　(1)零件信息检索。根据输入的零件编码信息，在工艺数据库中检索出该类零件的标准工艺。同时可实现对零件信息查询等功能，其中包括模糊匹配、精确匹配以及复合式匹配。

　　(2)交互工艺编辑。在上个子模块中，通过零件信息检索出零件的标准工艺，则在该子模块中，根据具体的零件应用，对标准工艺进行编辑，包括添加、删除、插入和移动工序，从而形成该零件的加工工艺。

　　(3)工艺流程管理。对加工工艺过程卡进行审核、标准化、会签以及批准等。

　　(4)工艺文件输出。输出工艺过程卡、工序卡以及工步卡等。

　　2.2.6工具集模块

　　工艺数据及管理系统，工艺尺寸链的计算。包含了加工中要用到的各种工艺装备(简称工装)，主要设计包括如下子模块：

　　(1)设备管理。主要实现对设备信息的管理，包括设备信息的增删改等功能。

　　(2)刀具管理。主要实现对刀具信息的管理，包括刀具信息的增删改等功能。

　　(3)工夹具管理。主要实现对工夹具信息的管理。包括工夹具信息的增删改等功能。

　　(4)量具管理。主要实现对量具信息的管理，包括量具信息的增删改等功能。

　　2.3概念模型设计

　　概念模型是现实世界的抽象反映。不依赖于具体的计算机系统，是现实世界的机器到机器世界的一个中间层次。最常用的概念模型是实体一联系方法(Entity—Relationship Approach)。该方法用E—R图来描述。因此，也称实体一联系模型，简称为E—R模型。

　　交互式CAPP系统中工艺设计的E—R图如图4所示。

　　图4 交互式CAPP工艺设计E—R图

　　2.4开发工具的选择

　　本系统设计为客户端/服务器端的结构应用程序。客户端采用Microsoft Visual Studio.NET 2008作为前端开发工具，采用ADO数据库访问接口，后台采用Microsoft SQL Server2005数据库。系统运行环境为Windows XP。

　　(1)采用VS2008的优势，在于拥有强大的集成开发环境，如可视化、交互式的开发环境，方便的程序跟踪和调试环境。

　　(2)SQL Server2005数据库具有完善的关系数据库管理机制，支持大规模的数据运算，完全能够满足的数据处理要求。

　　(3)ADO(Active Data Object)对象模型是微软公司提供的数据库访问接口，易于学习和编程，ADO具有大多数通用应用程序的功能集，使程序员能够快速生成功能强健的应用程序。

　　3关键模块的设计

　　3.1 编辑模块的设计

　　交互式CAPP系统编辑模块数据流程图如图5所示。

　　图5 编辑模块数据流程图

　　根据零件信息，在工艺数据库中检索出工艺信息，其界面截图如图6。

　　图6 工艺信息检索界面

　　由图6可知，对予交互式CAPP系统，其交互式工艺编辑模块设计如下。

　　3.1.1添加工序

　　针对零件的具体加工极其应用，增加某些工序，以及相应的工步信息，同时确定相应的加工设备、加工车间以及工装信息，比如刀具信息(切削参数、切削速度等)、盒具信息以及工夹具信息等。在此注意的是，若对于某道工序，不需要添加工步，只有工序信息即可满足加工要求，则其工装信息等匹配在相应的工序条件下。

　　(1)仅对工序添加工步信息。对于标准工艺，各个工序均基本满足要求，而此时只要对某道或多道工序添加工步信息，即可满足要求。此时改动也较小，同时可提高制作加工工艺的效率，其界面截图如图7。

　　图7 仅添加工步信息界面

　　(2)添加完整工序。完全添加工序信息，同时添加对应的工步信息。界面如图8。

　　图8 同时添加工序和工步信息界面

　　3.1.2删除工序信息

　　对于某些不必要的工序信息进行删除，与此同时删除对应的工步信息。

　　(1)仅删除工序中的工步。对于有些工序信息，仅需要删除对应的某几道或多道工步即可满足加工要求。

　　(2)完全删除工序信息。完全删除工艺路线信息中的某道或多道工序信息，同时车间、设备以及工装信息(刀具、工夹具以及量具信息)等都会被删除。

　　删除工序信息界面截图如图9。

　　图9 删除工序信息界面

　　3.1.3插入工序信息

　　在某两个工序之间插入认为必要的工序。在插人工序信息尤其要注意加工顺序，适当的位置插人工序，能使加工顺序更完善。同时可提高加工的效率，比如两次相近的加工工序，则可建加工换刀或量尺寸的次数。

　　3.1.4移动工序

　　通过界面上的上移和下移，按钮图标可以移动工序。移动工序时，更应注重设备以及工装等的安排，合理的安排移动加工顺序，也可提高工艺加工的效率。

　　交互式工艺的编辑模块的设计中，采用人机交互的方法，在标准工艺的基础上，有人为的来决定如何更改当前的工序，从添加工序、删除工序、插入工序以及移动工序等多种编辑方式中选择，从而形成加工工艺。其工作的程序流程图如图10。

　　图10 编辑模块程序流程图

　　3.2工艺文件设计

　　由以上交互式工艺设计零件的标准工艺，再通过添加、删除工序或工步，以及插入及移动工序等方法，由工艺编辑模块设计出零件的加工工艺。对于生成的加工工艺，进行工艺文件的流程管理，即通过审核、标准化、会签以及批准等项的设置后，即可输出工艺文件，其界面截图如图11。

　　图11 工艺文件设计界面

　　4结束语

　　交互式CAPP系统广泛应用于国内各大中小型企业中。在实际应用中体现出了操作简单、交互性强以及稳定性好等优势，同时提高了工艺的设计质量和生产加工效率。利用基于ASP.NET的C﹟语言进行程序模块开发，有较友好的工艺设计和交互界面，可方便地对零件的工艺信息进行编辑或保存。