基于C/S結(jié)構(gòu)的模具CAPP系統(tǒng)的開發(fā)

劉寶聚

【摘要】根據(jù)模具加工工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模具CAPP系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能模塊，介紹了基于實(shí)例推理的工藝決策方法，同時(shí)將模具報(bào)價(jià)功能模塊引入模具CAPP系統(tǒng)中，使得模具CAPP系統(tǒng)更加完善。

【關(guān)鍵詞】模具CAPP;CBP;模具報(bào)價(jià)

1.引言

工藝設(shè)計(jì)是機(jī)械制造過程的技術(shù)準(zhǔn)備工作中一項(xiàng)重要內(nèi)容，是聯(lián)系產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的橋梁和紐帶。它不僅是制造企業(yè)生產(chǎn)準(zhǔn)備的重要環(huán)節(jié)，而且是企業(yè)各個(gè)部門產(chǎn)品信息的交匯中心，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、降低產(chǎn)品成本和提高經(jīng)濟(jì)效益都起著十分重要的在作用。

計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（Computer Aided Process Planning CAPP）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)協(xié)助工藝設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的一種技術(shù)，是在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，以人為中心，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，人機(jī)交換的或由計(jì)算機(jī)自動(dòng)的生成產(chǎn)品加工方法和工藝規(guī)程，也即將產(chǎn)品實(shí)際信息與制造環(huán)境提供的所有可能的加工能力信息進(jìn)行匹配與優(yōu)化的過程，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐的信息時(shí)代環(huán)境下的產(chǎn)物。隨著制造業(yè)信息化建設(shè)的發(fā)展，CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成在計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System CIMS）中的地位愈發(fā)重要，而CAPP系統(tǒng)又是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成的重要組成部分，是連接CAD/CAM的橋梁。

2.CAPP系統(tǒng)的開發(fā)

長期以來，模具的加工的工藝編制主要依靠手工，模具種類多、批量小，工藝設(shè)計(jì)繁瑣，規(guī)范性差，成熟的工藝經(jīng)驗(yàn)難以保存和借鑒，存在工藝設(shè)計(jì)時(shí)間長，工藝文檔保存困難等問題。因此需要開發(fā)一套適合模具特點(diǎn)的CAPP系統(tǒng)，解決工藝設(shè)計(jì)的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)工藝信息的集成管理，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

2.1 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用Visual Basic.net進(jìn)行程序的編制，采用MS SQL Server 2000建立數(shù)據(jù)庫。

Visual Basic.net是在以往版本基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)而成，具有強(qiáng)大的程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫開發(fā)功能，而且提供了非常豐富的編程接口，使開發(fā)者能快速的構(gòu)建企業(yè)級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)采用VB.net進(jìn)行程序編制，便于進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“所見即所得”的交互式操作方法。MS SQL Server 2000 是在MS SQL Server 7.0的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它在易用性、可收縮性、可靠性以及數(shù)據(jù)倉庫等方面都有很大的增強(qiáng)，同時(shí)，與VB.net 之間具有良好的通用性和兼容性。

2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)模具的加工工藝的特點(diǎn)，模具制造車間的實(shí)際生產(chǎn)情況和具體要求，在設(shè)計(jì)中融合檢索式、派生式、創(chuàng)成式的工藝生成方法。圖1為模具CAPP系統(tǒng)的功能模塊圖：

圖1 模具CAPP系統(tǒng)功能模塊圖

（1）總控模塊：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體調(diào)度，協(xié)調(diào)各部分之間的工作。

（2）典型工藝管理模塊：在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，先在典型工藝實(shí)例庫中檢索，檢索到相似的零件加工工藝，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改、編輯后應(yīng)用，最后將編輯后的加工工藝存入數(shù)據(jù)庫，以備以后檢索。

（3）工藝設(shè)計(jì)模塊：在檢索不到相似的零件加工工藝的情況下，在相關(guān)的工藝數(shù)據(jù)庫的支持下，在人機(jī)交互的基礎(chǔ)上，創(chuàng)成出所需的加工工藝。

（4）工藝資源管理模塊：對(duì)各種工藝資源數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，查詢工藝資源、新增工藝資源、刪除工藝資源和編輯工藝資源。

（5）用戶管理模塊：對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行分類，并進(jìn)行管理。

（6）模具報(bào)價(jià)模塊：把模具報(bào)價(jià)的數(shù)據(jù)資源存入相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，并在設(shè)計(jì)完成加工工藝的基礎(chǔ)上，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成模具生產(chǎn)的價(jià)格，以供用戶詢價(jià)時(shí)使用。

（7）工藝文件輸出模塊：生成加工工藝文件并輸出。

（8）幫助模塊：對(duì)本軟件的使用、功能等方面的問題進(jìn)行說明和解釋。

2.3 數(shù)據(jù)庫的建立

CAPP系統(tǒng)作為連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的橋梁，需要與產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的各個(gè)環(huán)節(jié)交換大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)CAPP系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間也存在大量的數(shù)據(jù)交換，沒有很好的數(shù)據(jù)管理技術(shù)就會(huì)使某些算法變得復(fù)雜，效率不高，甚至難以實(shí)現(xiàn)既定的任務(wù)。為了提高數(shù)據(jù)交換的速度和效率，保證數(shù)據(jù)交換的完整性和可靠性，必須采用有效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)在數(shù)據(jù)管理、維護(hù)、查詢、匯總等方面具有無可比擬的優(yōu)越性，是CAPP系統(tǒng)集成化應(yīng)用的支撐環(huán)境。根據(jù)模具加工工藝的特點(diǎn)，需要建立的數(shù)據(jù)庫：

（1）工藝裝備數(shù)據(jù)庫：主要包括機(jī)床、刀具、夾具、材料等資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝裝備資料的存儲(chǔ)和管理。

（2）工藝知識(shí)庫：主要有典型工藝實(shí)例庫、工藝模板庫、標(biāo)準(zhǔn)工藝庫等。實(shí)現(xiàn)典型工藝的檢索、編輯和存儲(chǔ)以及對(duì)模具加工的創(chuàng)成式工藝設(shè)計(jì)。

（3）工藝規(guī)則庫：主要包括機(jī)床的選擇、刀具的選擇、夾具的選擇、加工參數(shù)的選擇等工藝決策規(guī)則。

（4）圖形庫：主要包括典型零件的工程圖，使工藝設(shè)計(jì)過程更形象。

（5）報(bào)價(jià)知識(shí)庫：主要包括基點(diǎn)工時(shí)庫、單位工時(shí)平均含金額庫、制件報(bào)價(jià)信息庫、各種報(bào)價(jià)系數(shù)修正庫等資源。

3.系統(tǒng)開發(fā)中的主要問題

3.1 基于實(shí)例的工藝決策方法

通常在工藝設(shè)計(jì)中，工藝設(shè)計(jì)人員的工藝經(jīng)驗(yàn)和工藝知識(shí)難以被計(jì)算機(jī)利用，基于實(shí)例的工藝決策能夠克服這方面的困難?；趯?shí)例的決策是應(yīng)用基于實(shí)例推理（Case-based Reasoning，CBR）技術(shù)進(jìn)行工藝決策。

基于實(shí)例推理的工藝決策基本原理是在CAPP系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫中存有典型的工藝設(shè)計(jì)實(shí)例庫，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)一定的相似標(biāo)準(zhǔn)，檢索一個(gè)相似的實(shí)例，并對(duì)該實(shí)例的加工工藝作適當(dāng)?shù)男薷?，使之符合待加工零件的?shí)際情況，從而生成新的工藝規(guī)程。對(duì)于新零件的加工工藝也可以存儲(chǔ)到實(shí)例庫中，以備以后檢索。圖2是CBR決策的基本過程。

圖2 CBR決策過程

人們將基于實(shí)例的推理（Case-based Reasoning，

簡稱CBR）技術(shù)用于變異式工藝決策，從而構(gòu)造出基于實(shí)例的工藝決策方法（Case-based Planning，簡稱CBP）。這種工藝決策方法的知識(shí)是以實(shí)例的形式存儲(chǔ)的，而實(shí)例的獲取過程比規(guī)則的獲取要方便得多，并且基于實(shí)例的工藝設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)工作不必從零開始，從而提高了系統(tǒng)解決問題的效率，所以CBP的知識(shí)的獲取容易且效率高。再有由于實(shí)例所包含的工藝決策結(jié)果一般是經(jīng)過審校和實(shí)際檢驗(yàn)的正確的工藝規(guī)程，所以從實(shí)例變異出來的工藝路線一般與生產(chǎn)實(shí)際更為接近，同時(shí)這種工藝決策方法還可以使CAPP系統(tǒng)能不斷積累和更新工藝設(shè)計(jì)實(shí)例，隨著實(shí)例的增加，系統(tǒng)解決問題的能力將逐漸增強(qiáng)。

圖3 CBP的模塊功能圖

CBP的基本思想是典型的變異式設(shè)計(jì)思想，基于實(shí)例的變異式工藝決策方法主要?dú)w結(jié)為六個(gè)方面的問題，分別由六個(gè)模塊完成，他們是實(shí)例獲取、實(shí)例表達(dá)、實(shí)例管理、實(shí)例匹配與抽取、實(shí)例工藝信息篩選、實(shí)例工藝路線修正等（見圖3）。

（1）實(shí)例表達(dá)：即如何對(duì)實(shí)例進(jìn)行描述和表達(dá)，這是CBP的基礎(chǔ)。

（2）實(shí)例獲?。喝绻聠栴}的解可能用于以后與之相似的問題的求解，則可將該新問題的有關(guān)信息、求解結(jié)果和求解過程中的有關(guān)知識(shí)等作為一個(gè)實(shí)例存入實(shí)例庫中，這就是所謂的實(shí)例獲取與學(xué)習(xí)過程。

（3）實(shí)例管理：其任務(wù)是如何創(chuàng)建實(shí)例庫，并對(duì)實(shí)例庫進(jìn)行擴(kuò)充、更新、修改，以及刪除無用實(shí)例等，而且實(shí)例的抽取方式與實(shí)例的管理方式有關(guān)。

（4）實(shí)例匹配與抽取 ?根據(jù)新問題的相關(guān)信息和特點(diǎn)，從實(shí)例庫中搜索出于新問題最相似的實(shí)例。

（5）實(shí)例工藝信息篩選：將所抽取實(shí)例中對(duì)過去問題的求解結(jié)果應(yīng)用于新問題的求解，保留對(duì)新問題的求解有用的信息，去掉無用信息。

（6）實(shí)例工藝路線修正：對(duì)實(shí)例工藝信息篩選的結(jié)果進(jìn)行檢查和修正，使篩選結(jié)果更接近新問題的解。

3.2 人工智能技術(shù)

人工智能AI（Artificial ?Intellegence）是20世紀(jì)50年代在美國首先興起的一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科，它的出現(xiàn)引起了世界各國眾多科學(xué)家和學(xué)者的重視，今年來，它最引人注目的成就是專家系統(tǒng)的研究走向?qū)嵱没?/p>

工藝設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工作，長期以來依靠有經(jīng)驗(yàn)的工藝設(shè)計(jì)人員來完成，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)在機(jī)械制造過程中的綜合應(yīng)用，使制造業(yè)適應(yīng)以多品種、小批量生產(chǎn)為特征的瞬息多變的市場需求，工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生了。

專家系統(tǒng)是把有關(guān)人類專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成計(jì)算機(jī)能夠接受和處理的 符號(hào)形式，采用專家的推理方法和控制策略，解決該領(lǐng)域內(nèi)只有專家才能處理的問題，并到達(dá)專家級(jí)水平。

圖4 專家系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是圍繞知識(shí)庫和推理機(jī)來組織的，簡單的說：知識(shí)+推理=專家系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)用的專家系統(tǒng)主要包括知識(shí)庫、推理機(jī)、解釋系統(tǒng)、知識(shí)獲取系統(tǒng)和人機(jī)接口等模塊。專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

（1）知識(shí)庫：在專家系統(tǒng)中存放以一定形式表示的專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的集合稱為知識(shí)庫。知識(shí)庫的組織和結(jié)構(gòu)形式對(duì)于提高專家系統(tǒng)效率至關(guān)重要。建立某一專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)庫是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般說來，總是先建立一個(gè)子集，然后利用知識(shí)庫開放系統(tǒng)來修改和擴(kuò)充知識(shí)庫，并對(duì)其中的知識(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)和排錯(cuò)。

（2）推理機(jī)：推理機(jī)是控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作的機(jī)構(gòu)。它根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前接受到的信息，利用知識(shí)庫中的知識(shí)，按一定的推理策略去解決當(dāng)前的問題。推理策略主要有：正向推理、反向推理以及綜合運(yùn)用前兩種方式的混合推理。

（3）解釋系統(tǒng)：以用戶易于接受的形式說明必要的推理過程，回答產(chǎn)生結(jié)論的理由，只有系統(tǒng)能解釋自己的行為、推理和結(jié)論。用戶才能信賴系統(tǒng)。解釋功能可以對(duì)系統(tǒng)的推理行為作出解釋，解釋不僅使結(jié)論易于為用戶所理解、接受，幫助用戶建立系統(tǒng)、調(diào)試系統(tǒng)，而且還可以對(duì)缺乏領(lǐng)域知識(shí)的用戶起到傳授知識(shí)的作用。

（4）知識(shí)獲取系統(tǒng)：專家系統(tǒng)的專門知識(shí)和推理能力源于人類專家的頭腦中，知識(shí)獲取的任務(wù)是把這些知識(shí)提取出來，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)部能識(shí)別的符號(hào)，經(jīng)檢測后裝入知識(shí)庫，知識(shí)獲取系統(tǒng)也可修改和擴(kuò)充知識(shí)庫中原有的知識(shí)。

（5）人機(jī)接口：人機(jī)接口是將專家和用戶的輸入信息翻譯成系統(tǒng)可以接受的內(nèi)部形式，同時(shí)把系統(tǒng)向?qū)＜一蛴脩舻妮敵鲂畔⑥D(zhuǎn)換為人類易于理解的形式。

所以，專家系統(tǒng)是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，它對(duì)某一領(lǐng)域的問題提供具有領(lǐng)域?qū)＜宜降慕獯稹?/p>

4.結(jié)語

本文使用Window作為開發(fā)平臺(tái)，使用Microsoft的Visual Basic.net 與SQL Server 2000作為開發(fā)工具，基于先進(jìn)的客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server）的三層體系結(jié)構(gòu)即用戶層、業(yè)務(wù)規(guī)則層和數(shù)據(jù)庫層，并從企業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，以方便易用為指導(dǎo)準(zhǔn)則，將基于實(shí)例的推理（CBR）技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人工智能技術(shù)等應(yīng)用于CAPP系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)綜合式的模具CAPP系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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