《機(jī)械CADCAM》課件第7章

第7章計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)7.1概述7.2CAPP系統(tǒng)零件信息的描述及輸入7.3變異式CAPP系統(tǒng)7.4創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)7.5智能型CAPP系統(tǒng)7.6其他類型的CAPP系統(tǒng)習(xí)題與思考題7.1概述7.1.1CAPP技術(shù)及其發(fā)展

1．CAPP技術(shù)的意義工藝設(shè)計(jì)是生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作的第一步。在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，必須分析和處理大量信息，既要考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖上有關(guān)結(jié)構(gòu)形狀、尺寸公差、材料及熱處理以及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有關(guān)加工方法、加工設(shè)備、生產(chǎn)條件、加工成本及工時(shí)定額，甚至傳統(tǒng)習(xí)慣等方面的信息。傳統(tǒng)的手工工藝設(shè)計(jì)包括查閱資料和手冊(cè)，確定零件的加工方法，安排加工路線，選擇設(shè)備、工裝(必要時(shí)還要設(shè)計(jì)工裝)、切削參數(shù)，計(jì)算工序尺寸，繪制工序圖，填寫工藝卡片和表格文件等工作，內(nèi)容繁雜，并存在一系列問題。例如：人工設(shè)計(jì)的工藝規(guī)程一致性差，質(zhì)量不穩(wěn)定，難以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)和不便于工藝規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)化；設(shè)計(jì)效率低下，存在大量的重復(fù)勞動(dòng)；手工設(shè)計(jì)的工藝規(guī)程不便于計(jì)算機(jī)對(duì)工藝技術(shù)文件進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)；另外，手工設(shè)計(jì)工藝規(guī)程不便于將工藝專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)集中起來(lái)加以充分利用。因此，手工工藝設(shè)計(jì)方法已不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。于是，計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(CAPP)應(yīng)運(yùn)而生。

CAPP系統(tǒng)的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和加工過程的自動(dòng)化提供了有效的手段。在CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)中，CAPP是連接CAD與CAM之間的橋梁和紐帶，CAPP系統(tǒng)能夠直接從CAD模型中提取零件信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，生成有關(guān)工藝文件，并以工藝設(shè)計(jì)結(jié)果和零件信息為依據(jù)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮笾锰幚?，生成NC程序，從而實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的集成。

2．CAPP的發(fā)展及類型從20世紀(jì)50年代起，CAD和CAM的發(fā)展十分迅速，并在生產(chǎn)實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。但作為連接CAD與CAM的橋梁——CAPP卻發(fā)展緩慢，成為設(shè)計(jì)制造自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)展最慢的部分。其原因在于工藝設(shè)計(jì)的涉及面非常廣泛，隨機(jī)性大，很難用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析和決策，使得CAPP成為現(xiàn)代制造業(yè)中急需解決的公認(rèn)難題。世界上最早研究CAPP的國(guó)家是挪威，其于1966年正式推出世界上第一個(gè)CAPP系統(tǒng)AUTOPROS，1973年正式推出商品化AUTOPROS系統(tǒng)。美國(guó)于20世紀(jì)60年代末、70代初開始研究CAPP，并于1976年由CAM-I公司推出頗具影響力的CAM-IAutomatedProcessPlanning系統(tǒng)。從20世紀(jì)60年代末到目前的幾十年間，先后出現(xiàn)了不同類型的CAPP系統(tǒng)，主要有以下三類：

(1)變異式(Variant)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是最早出現(xiàn)的CAPP系統(tǒng)，目前已從單純的檢索式發(fā)展成為具有不同程度的修改、編輯和自動(dòng)篩選功能的系統(tǒng)。

(2)創(chuàng)成式(Generative)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代中期，而且很快得到普遍重視。

(3)智能型CAPP專家系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，開始了將人工智能(AI)、專家系統(tǒng)等技術(shù)應(yīng)用于CAPP系統(tǒng)的研究和開發(fā)，并研制開發(fā)了智能型CAPP或CAPP專家系統(tǒng)。智能型CAPP被認(rèn)為是一種非常有前途的方法。近些年來(lái)，有人將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊推理以及基于實(shí)例的推理等用于CAPP之中，進(jìn)行了卓有成效的實(shí)踐。還有人將傳統(tǒng)變異法、傳統(tǒng)創(chuàng)成法與人工智能結(jié)合在一起，綜合它們的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)造了所謂的綜合式CAPP系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外已有許多上述各類系統(tǒng)的實(shí)例，但一般是針對(duì)某類零件的專用CAPP系統(tǒng)。迄今為止，已得到實(shí)際考驗(yàn)和令人滿意的系統(tǒng)還不多。7.1.2CAPP系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)盡管CAPP系統(tǒng)的種類很多，它們面向不同應(yīng)用、采用不同方式、基于不同制造環(huán)境，但是綜合比較和分析結(jié)果表明，這些類型眾多的CAPP系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)是相同的。CAPP系統(tǒng)一般包括零件信息輸入、工藝決策、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)/知識(shí)庫(kù)、編輯修改、人機(jī)界面及工藝文件管理與輸出等幾大部分，如圖7.1所示。圖7.1CAPP基本結(jié)構(gòu)

1．零件信息輸入零件信息是系統(tǒng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的對(duì)象和依據(jù)。計(jì)算機(jī)目前還不能像人一樣識(shí)別零件圖上的所有信息，所以在計(jì)算機(jī)內(nèi)部必須有一個(gè)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)零件信息進(jìn)行描述，并建立起相應(yīng)的輸入模塊以完成零件信息的描述和輸入。

2．工藝決策工藝決策是系統(tǒng)的核心。它的作用是：以零件信息為依據(jù)，按預(yù)先規(guī)定的順序或邏輯，調(diào)用有關(guān)工藝數(shù)據(jù)或規(guī)則，進(jìn)行必要的比較、計(jì)算和決策，生成零件的工藝規(guī)程。工藝決策模塊包括工藝路線設(shè)計(jì)、工序決策、工步?jīng)Q策等子模塊。

3．工藝數(shù)據(jù)庫(kù)/知識(shí)庫(kù)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)/知識(shí)庫(kù)是系統(tǒng)的支撐工具。它包含了工藝設(shè)計(jì)所需要的所有工藝數(shù)據(jù)(如加工方法、余量、切削用量、機(jī)床、刀具、夾具、量具、輔具以及材料、工時(shí)、成本核算等多方面的信息)和規(guī)則(包括工藝決策邏輯、決策習(xí)慣、經(jīng)驗(yàn)等眾多內(nèi)容，如加工方法的選擇規(guī)則與排序規(guī)則等)。如何組織和管理這些信息，使之適用于各種不同的企業(yè)和產(chǎn)品，是當(dāng)今CAPP系統(tǒng)需要迫切解決的問題。

4．人機(jī)界面人機(jī)界面是用戶的工作平臺(tái)，包括系統(tǒng)菜單、工藝設(shè)計(jì)的界面、工藝數(shù)據(jù)/知識(shí)的輸入和管理界面，以及工藝文件的顯示、編輯與管理界面等。

5．編輯修改編輯修改模塊用來(lái)對(duì)生成的工藝規(guī)程進(jìn)行編輯和修改。

6．工藝文件管理與輸出一個(gè)系統(tǒng)可能有成百上千個(gè)工藝文件，如何管理和維護(hù)這些文件是CAPP系統(tǒng)的重要內(nèi)容，也是整個(gè)CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的重要組成部分。輸出部分包括工藝文件的格式化顯示、存盤、打印等。目前CAPP系統(tǒng)一般能輸出各種格式的工藝文件，有些系統(tǒng)還允許用戶自定義輸出格式。有的系統(tǒng)還具有一個(gè)NC加工程序生成模塊，依據(jù)工步?jīng)Q策模塊所提供的刀位文件，調(diào)用NC代碼庫(kù)中適用于具體機(jī)床的NC指令系統(tǒng)代碼，產(chǎn)生并直接輸出零件NC加工程序。7.2CAPP系統(tǒng)零件信息的描述及輸入7.2.1零件信息描述的內(nèi)容及要求零件信息包括總體信息(如零件名稱、圖號(hào)、材料等)、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、公差、表面粗糙度、熱處理及其他技術(shù)要求等方面的信息。工藝設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)這些信息，制定出零件優(yōu)化的制造過程和制造方法。

1．零件信息描述的內(nèi)容零件信息描述的內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面：零件的幾何信息與工藝信息。零件的幾何信息包括零件的幾何形狀和尺寸，如表面形狀、表面間的相互位置、尺寸及公差；零件的工藝信息包括毛坯特征、零件材料、加工精度、表面粗糙度、熱處理、表面處理等技術(shù)要求。此外，還有零件的件數(shù)、生產(chǎn)批量、生產(chǎn)節(jié)拍等生產(chǎn)管理信息。

2．零件信息描述的要求

(1)信息描述要準(zhǔn)確、完整。完整的含義是指能夠滿足CAPP的要求。

(2)描述的信息要簡(jiǎn)潔，容易被工程技術(shù)人員所理解和掌握，便于輸入操作。

(3)零件信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要合理，以利于計(jì)算機(jī)處理效率的提高，便于信息的集成和并行處理。7.2.2零件信息的描述方法

CAPP零件信息的描述方法已開發(fā)出多種，目前所采用的主要方法有：零件分類編碼法、零件表面元素描述法、零件特征描述法等。同時(shí)，人們?cè)谥苯訌腃AD輸入零件信息方面做了大量的嘗試研究，但就目前的進(jìn)展看，尚有一些根本性的困難無(wú)法解決。

1．零件分類編碼法零件分類編碼法是用順序排列的字符對(duì)零件的信息進(jìn)行標(biāo)識(shí)描述，可以借助成組技術(shù)中的零件分類編碼系統(tǒng)來(lái)得到。零件分類編碼可以在宏觀上描述零件而不涉及這個(gè)零件的細(xì)節(jié)，采用分類編碼法，即使采用較長(zhǎng)碼位的分類編碼系統(tǒng)，也只能達(dá)到“區(qū)分”的目的。對(duì)于一個(gè)零件究竟由多少形狀要素組成，各個(gè)形狀要素的本身尺寸及相互間的位置尺寸是多大，它們的精度要求如何，分類編碼法都無(wú)法解決。因此，如果需要對(duì)零件進(jìn)行詳細(xì)描述，則必須采用其他描述方法。

2．零件表面元素描述法零件表面元素描述法是可以對(duì)零件進(jìn)行詳細(xì)描述的一種方法，早期的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)都采用這種方法。在這種方法中，任何一個(gè)零件都被看成是由一個(gè)或若干個(gè)表面元素所組成，每一個(gè)表面元素可用一組特征參數(shù)來(lái)描述，并對(duì)應(yīng)一組加工方法。這些表面元素可以是圓柱面、圓錐面、螺紋面等。例如，單臺(tái)階軸套由兩個(gè)外圓表面、一個(gè)內(nèi)圓表面和3個(gè)端面組成，如圖7.2所示。圖7.2單臺(tái)階軸套的表面元素示例零件表面元素描述法將所要描述的表面元素特征分為4類：零件的總體信息、零件的毛坯和材料信息、主表面元素信息及輔助表面元素信息。

(1)零件的總體信息?？傮w信息包括產(chǎn)品代號(hào)、圖號(hào)、車間、批量、質(zhì)量、技術(shù)要求、熱處理、外表面數(shù)量、內(nèi)表面數(shù)量等。

(2)零件的毛坯和材料信息。毛坯信息包括形狀、尺寸(長(zhǎng)度、截面參數(shù))、精度等；材料信息包括產(chǎn)品的品種(鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬等)、牌號(hào)、力學(xué)性能、可加工性等。

(3)主表面元素信息。主表面元素是指一些常常出現(xiàn)的主要表面元素，如圓柱面、平面等。

(4)輔助表面元素信息。輔助表面元素是附加在主表面元素上構(gòu)成零件的表面，如倒角、倒圓等。在對(duì)具體零件進(jìn)行描述時(shí)，不僅要描述各表面元素本身的尺寸及其公差、形狀公差、粗糙度等信息，而且需要描述各表面元素之間位置關(guān)系、尺寸關(guān)系、位置公差要求等信息，以滿足CAPP系統(tǒng)對(duì)零件信息的需要。

3．零件特征描述法作為零件表面元素描述法的進(jìn)一步發(fā)展，零件特征描述法引起了更多的關(guān)注。正如第3章所述，特征是具有一定幾何形狀、工程意義和加工要求的一組信息的集合，是構(gòu)造零件幾何形狀和零件信息模型的基本信息單元。盡管對(duì)于特征的定義由于應(yīng)用和著眼點(diǎn)的不同而有差異，但都與某個(gè)應(yīng)用的局部信息相關(guān)聯(lián)。在CAPP應(yīng)用中，常常把單個(gè)特征表示為以形狀特征為核心，由尺寸、公差和其他非幾何屬性共同構(gòu)成的信息實(shí)體。針對(duì)機(jī)械加工工藝過程設(shè)計(jì)，機(jī)械零件上具有的特定結(jié)構(gòu)形狀和特定工藝屬性都可定義為特征信息。比如對(duì)于回轉(zhuǎn)體零件，可將其信息分成3個(gè)層次，即總體特征層、形狀特征層和屬性特征層，其信息模型的總體結(jié)構(gòu)如圖7.3所示。圖7.3回轉(zhuǎn)體零件的信息模型上述幾種方法都存在一定的局限性。要想從根本上解決CAPP零件信息的描述與輸入問題，最理想的方法是真正實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的集成，為產(chǎn)品建立一個(gè)完整的、語(yǔ)義一致的產(chǎn)品信息模型，以滿足產(chǎn)品生命期各階段(產(chǎn)品需求分析、工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、裝配、測(cè)試、銷售和售后服務(wù))對(duì)產(chǎn)品信息的不同需求和保證對(duì)產(chǎn)品信息理解的一致性，使得各應(yīng)用領(lǐng)域(如CAD、CAPP、CAM、CNC、MIS等)可以直接從該模型抽取所需信息。顯然，這個(gè)模型的建立尚在研究之中，因此解決CAPP的信息輸入問題還需要一個(gè)很長(zhǎng)的過程。7.3變異式CAPP系統(tǒng)7.3.1成組技術(shù)的概念成組技術(shù)(GroupTechnology，GT)是一種生產(chǎn)組織和管理的技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是相似性。成組技術(shù)是指將生產(chǎn)過程中許多各不相同但又具有相似信息的事物按照一定的準(zhǔn)則分類成組，對(duì)成組后的事物采用同一解決方法，以達(dá)到節(jié)省人力、時(shí)間和費(fèi)用的目的。成組技術(shù)是為了解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中多品種、小批量生產(chǎn)所面臨的困難而發(fā)展起來(lái)的。長(zhǎng)期以來(lái)，在單件小批量生產(chǎn)中，由于批量小而不宜采用高效率的生產(chǎn)工藝與設(shè)備，因而使這種類型的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低、成本高和管理難。應(yīng)用成組技術(shù)則可以克服這些弊病。成組技術(shù)將相似的零件進(jìn)行識(shí)別和分組，并在零件設(shè)計(jì)和制造過程中將相似的零件組成一個(gè)零件族(組)，每個(gè)零件族具有相似的設(shè)計(jì)和加工特點(diǎn)。此時(shí)，就可以按零件族統(tǒng)一制定工藝規(guī)程進(jìn)行制造，這樣就擴(kuò)大了批量(也稱成組批量)，便于采用高效率的生產(chǎn)方法，從而大大提高了生產(chǎn)效率。零件的相似性是指零件所具有的各種特征的相似，一般包括結(jié)構(gòu)相似性、材料相似性及工藝相似性。工藝相似性指零件的加工方法與所采用的設(shè)備相似，工藝順序相似，所使用的刀具、夾具、量具相似。成組技術(shù)不僅用于零件加工、裝配等制造工藝方面，而且還應(yīng)用于產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工廠設(shè)計(jì)、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、生產(chǎn)管理等各個(gè)領(lǐng)域，成為企業(yè)生產(chǎn)全過程的綜合性技術(shù)。

1．零件分類編碼系統(tǒng)零件分類編碼系統(tǒng)(PartClassificationandCodingSystem)是指用字符對(duì)零件各有關(guān)特征進(jìn)行描述和標(biāo)識(shí)的一套特定規(guī)則和依據(jù)。按照分類編碼系統(tǒng)的規(guī)則，用字符描述和標(biāo)識(shí)零件特征的過程就是對(duì)零件進(jìn)行編碼，產(chǎn)生分類碼。因此，分類碼用于描述零件的固有功能和屬性，是反映相似性的標(biāo)志，例如零件名稱、結(jié)構(gòu)形狀、形狀參數(shù)和工藝參數(shù)等。許多國(guó)家都十分重視零件分類編碼系統(tǒng)的開發(fā)與研究，從20世紀(jì)50年代到現(xiàn)在，國(guó)外有名的分類編碼系統(tǒng)就有50余種。比較著名的有德國(guó)的Opitz系統(tǒng)、捷克的VUOSO系統(tǒng)、日本的KK-3系統(tǒng)等，它們廣泛應(yīng)用于零件統(tǒng)計(jì)、成組加工和生產(chǎn)管理。

1)?Opitz系統(tǒng)

Opitz系統(tǒng)是業(yè)界最著名的系統(tǒng)，它是由原西德阿亨大學(xué)Opitz教授提出的，在成組編碼方面具有開創(chuàng)性的成就。世界上許多編碼系統(tǒng)都是以O(shè)pitz系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的。Opitz分類編碼系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖7.4所示。圖7.4Opitz編碼系統(tǒng)

Opitz碼由9位數(shù)字組成：前1～5位數(shù)字用于描述零件的形狀，稱為主碼；6～9位用于描述零件的尺寸、材料和毛坯原始形式、精度等，稱為輔碼。每個(gè)碼位內(nèi)的10個(gè)特征碼分別描述10種零件特征。

Opitz分類編碼系統(tǒng)的第一位是零件類別碼，用于描述零件的總體類型。對(duì)于回轉(zhuǎn)類零件，第一位數(shù)的代碼為0、1、2、3、4、5，用于將回轉(zhuǎn)類零件按其長(zhǎng)徑比進(jìn)行分類。如L表示零件的最大長(zhǎng)度，D表示零件的最大直徑，則上述各代碼的含義如下：

0：L/D＜0.5(用于表示盤形件)

1：0.5＜L/D＜3(用于表示短軸件)

2：L/D≥3(用于表示長(zhǎng)軸件)

3：L/D＜2(用于表示短形變異回轉(zhuǎn)體)

4：L/D＞2(用于表示長(zhǎng)形變異回轉(zhuǎn)體)

5：備用對(duì)于非回轉(zhuǎn)體類零件，第一位的代碼是6、7、8、9，它們是按零件長(zhǎng)、寬、高的不同比例加以區(qū)分的。

Opitz編碼系統(tǒng)的第一位代碼只是對(duì)零件進(jìn)行了粗略的分類，第二至第五位代碼用于對(duì)零件各主要形狀特征作進(jìn)一步的描述?；剞D(zhuǎn)體類零件的第二位代碼用于描述零件外部的主要形狀，如零件外表面是否帶有臺(tái)階，是一端有臺(tái)階還是兩端都有臺(tái)階，是否帶有圓錐臺(tái)階面，是否還有其他形狀要素等。第三位代碼表示零件的內(nèi)表面形狀，其內(nèi)容與外表面的內(nèi)容大致相似，即是否有臺(tái)階孔、臺(tái)階孔的方向以及是否有圓錐孔等。第四位代碼表示零件是否有平面和槽。第五位代碼表示零件上是否有輔助孔和齒形等。至于非回轉(zhuǎn)體類零件的第二、三、四、五位代碼，分別用來(lái)表示零件的外形、主要孔及其他回轉(zhuǎn)表面、平面加工、輔助孔及齒形加工等特征。

Opitz編碼系統(tǒng)的第六位至第九位代碼是輔助碼。第六位代碼用來(lái)表示零件的基本尺寸，它有10個(gè)代碼(0～9)，分別代表10個(gè)由小到大排列的尺寸間隔。第七位代碼表示零件的材料，也分成10類，分別為鑄鐵、碳鋼、合金鋼、非鐵合金……。第八位代碼表示零件毛坯的形狀，分別為棒料、管材、鑄鍛件、焊接件等10類。最后一位代碼表示零件上高精度加工要求(IT7和Ra0.8以上)所在的形狀碼位，用0～9十個(gè)代碼表示。下面舉例說(shuō)明如何用Opitz分類編碼系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行分類編碼。圖7.5(a)是一個(gè)回轉(zhuǎn)體類零件，圖7.5(b)是一個(gè)非回轉(zhuǎn)體類零件。圖7.6是圖7.5所示零件的Opitz編碼結(jié)果。圖7.5編程示例零件圖(a)回轉(zhuǎn)體類零件；(b)非回轉(zhuǎn)體類零件圖7.6零件的Opitz編碼

2)?JLBM-1系統(tǒng)

JLBM-1系統(tǒng)是我國(guó)原機(jī)械工業(yè)部頒發(fā)的機(jī)械零件分類編碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)有15個(gè)碼位，每一碼位由0～9共10個(gè)數(shù)碼表示不同的特征項(xiàng)號(hào)。第1、2碼位為名稱類別矩陣；第3～第9碼位為形狀與加工碼位；第10～第15碼位為輔助碼位。其基本結(jié)構(gòu)如圖7.7所示。圖7.7JLBM-1編碼系統(tǒng)由圖可見，JLBM-1系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和Opitz系統(tǒng)基本相似，但彌補(bǔ)了Opitz系統(tǒng)的不足，比如把Opitz系統(tǒng)的零件類別改為零件功能名稱碼，把熱處理從Opitz系統(tǒng)中的材料、熱處理碼中獨(dú)立出來(lái)，主要尺寸碼也由一個(gè)環(huán)節(jié)擴(kuò)大到兩個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)JLBM-1系統(tǒng)還增加了形狀加工的環(huán)節(jié)。因此，系統(tǒng)除了比Opitz系統(tǒng)可容納較多的分類標(biāo)志外，JLBM-1系統(tǒng)總體上要比Opitz簡(jiǎn)單，更容易使用。

3)柔性編碼系統(tǒng)傳統(tǒng)的零件分類編碼系統(tǒng)主要適用于劃分結(jié)構(gòu)、工藝相似的零件組，其體系表達(dá)形式是固定的，只能對(duì)零件進(jìn)行總體的概括，無(wú)法詳細(xì)地描述零件的幾何結(jié)構(gòu)和工藝信息，因此其難以滿足集成化生產(chǎn)發(fā)展的需要。于是，人們提出了面向企業(yè)生產(chǎn)過程的柔性編碼系統(tǒng)，它具有面向形狀特征、多段式、多層次、柔性化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。零件的柔性編碼結(jié)構(gòu)模型為柔性編碼=固定碼+柔性碼固定碼吸收了傳統(tǒng)零件編碼系統(tǒng)的特點(diǎn)，用來(lái)描述零件的綜合信息，如總體尺寸、材料等；柔性碼則為具體目的而設(shè)計(jì)，用來(lái)描述零件各部分的詳細(xì)信息，如型面的尺寸、精度、形位公差等。編碼系統(tǒng)的碼位長(zhǎng)度及層次按實(shí)際需求而定，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是柔性的而不是固定的。由于柔性碼詳細(xì)地描述了零件的信息，因而可直接作為CAPP系統(tǒng)的零件信息輸入，生成工藝。柔性碼也可由基于特征造型的CAD系統(tǒng)自動(dòng)生成，便于實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP的集成。目前，柔性編碼系統(tǒng)尚在研究之中。

2．零件的編碼分類與成組成組技術(shù)的基本原理是充分利用和認(rèn)識(shí)生產(chǎn)活動(dòng)中有關(guān)事物客觀存在著的相似性，提高生產(chǎn)的效益。零件的分類與成組是實(shí)施成組技術(shù)的關(guān)鍵?！敖M”一般理解為具有某些共同屬性的事物的集合。成組技術(shù)在研究零件分類時(shí)，常采用“零件族”的概念。零件分組后，按相似性形成零件族。零件族是具有某些共同屬性的零件組合。零件的編碼標(biāo)識(shí)了零件的特征信息。編碼相似的零件具有某些特征的相似性。編碼分類法包括特征位法、特征碼域法和特征位碼域法。

(1)特征位法。該法是在分類編碼系統(tǒng)的各碼位中，選取一些特征性強(qiáng)并對(duì)劃分零件組影響較大的碼位作為分組的依據(jù)。

(2)特征碼域法。該法是對(duì)編碼系統(tǒng)中各碼位的特征項(xiàng)規(guī)定一定的允許范圍作為分組的依據(jù)。

(3)特征位碼域法。該法既選取某些特征性強(qiáng)的碼位，又對(duì)所選取的碼位規(guī)定特征項(xiàng)的允許范圍，以此作為分組的依據(jù)。這里主要介紹特征位碼域法。采用特征位碼域法時(shí)，零件的編碼狀態(tài)可通過一個(gè)特征矩陣(編碼矩陣)來(lái)表示，該矩陣即作為該零件的分類依據(jù)。比如一個(gè)零件的編碼為130213411(按Opitz系統(tǒng)編碼)，則該零件的編碼矩陣如圖7.8所示。而某零件族的特征矩陣如圖7.9所示，顯然，零件族的特征矩陣是由一定數(shù)量的零件編碼矩陣組合而成的。零件族的特征矩陣是按照一定的相似性標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)的實(shí)際情況來(lái)確定的。圖7.8一個(gè)零件的特征矩陣圖7.9一組零件的特征族矩陣分類時(shí)，將某個(gè)零件的編碼矩陣與各零件族的特征矩陣逐個(gè)進(jìn)行匹配比較，若匹配，就屬于該零件族，若不匹配，則不屬于此零件族，再與其他的零件族矩陣進(jìn)行匹配，直到待分類零件的編碼矩陣與所有的零件族特征矩陣都進(jìn)行過匹配為止。?由圖7.8和圖7.9可見，前者所代表的零件是屬于后者所代表的零件族的。由此可歸納出編碼分類法的主要步驟如下：

(1)零件編碼：按確定的零件編碼系統(tǒng)，對(duì)待分類零件進(jìn)行零件編碼。

(2)零件編碼排序：對(duì)零件的編碼從小到大進(jìn)行排序。

(3)確定零件族的相似性標(biāo)準(zhǔn)：了解產(chǎn)品或零件的結(jié)構(gòu)、形狀信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，制定相似性標(biāo)準(zhǔn)，確定出零件族的特征矩陣。

(4)分類成組：將零件的編碼矩陣與各零件族的特征矩陣逐個(gè)進(jìn)行匹配比較，確定某零件所歸屬的零件族，完成分類。7.3.2變異式CAPP系統(tǒng)的原理

根據(jù)零件信息的描述與輸入方法不同，變異式CAPP系統(tǒng)又分為基于成組技術(shù)(GT)的變異式CAPP系統(tǒng)與基于特征的變異式CAPP系統(tǒng)兩種。前者用GT碼描述零件信息，后者用特征描述零件信息，后者是在前者的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

1．基于GT的變異式CAPP系統(tǒng)

1)工作原理基于GT的變異式CAPP系統(tǒng)利用成組技術(shù)的原理將零件按一定的相似性準(zhǔn)則進(jìn)行分類、歸族，每一零件族可得一個(gè)典型樣件或主樣件，并為該主樣件設(shè)計(jì)出典型的工藝規(guī)程文件，存入工藝文件庫(kù)，作為該零件族的通用的制造過程。同時(shí)，變異式系統(tǒng)需要存儲(chǔ)零件族矩陣和相關(guān)信息文件及各種加工工程數(shù)據(jù)文件(如切削用量、設(shè)備、刀具、量具、輔具等資料)。對(duì)一個(gè)新零件進(jìn)行工藝過程設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)將以被設(shè)計(jì)零件GT碼為依據(jù)，首先搜索到該零件所屬的零件族矩陣，找出該零件族對(duì)應(yīng)的典型工藝規(guī)程文件，再通過系統(tǒng)預(yù)先制定的篩選邏輯從典型工藝規(guī)程中篩選變異出當(dāng)前零件的工藝規(guī)程，然后調(diào)用有關(guān)工藝數(shù)據(jù)，對(duì)工藝規(guī)程文件進(jìn)行必要的修改與補(bǔ)充，最后得到當(dāng)前零件的工藝規(guī)程，如圖7.10所示。由此過程可以體會(huì)到“變異”這個(gè)名詞的含義。圖7.10變異式CAPP系統(tǒng)的工作過程

2)系統(tǒng)的開發(fā)過程變異式CAPP系統(tǒng)的開發(fā)過程如下所述：

(1)制定零件分類編碼系統(tǒng)。首先要選擇或制定合適的零件分類編碼系統(tǒng)(即GT碼)。其目的是用GT碼來(lái)對(duì)零件信息進(jìn)行描述與輸入和對(duì)零件進(jìn)行分組。

(2)零件分組。按照一定的相似性準(zhǔn)則對(duì)零件進(jìn)行分組，產(chǎn)生相似零件組，一個(gè)相似零件組就是一個(gè)零件族。如何合理地劃分零件組是一個(gè)非常重要的問題，它直接影響零件工藝規(guī)程中篩選的生成效率和補(bǔ)充、修改工作量的大小。

(3)主樣件設(shè)計(jì)。主樣件是一個(gè)零件組或零件族的抽象，是組內(nèi)所有零件的復(fù)合零件。設(shè)計(jì)主樣件的目的是為了制定典型工藝和便于對(duì)典型工藝的檢索。對(duì)于簡(jiǎn)單零件組，可以用形狀復(fù)雜的零件作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件，把其他零件上不同的形狀特征加到基礎(chǔ)件上，從而得到主樣件。對(duì)于比較大的零件組，可先將其分成幾個(gè)小的零件組，合成一個(gè)組合件，然后再由若干個(gè)組合件合成整個(gè)零件組的主樣件。圖7.11為主樣件的例子。圖7.11主樣件

(4)典型工藝過程的制定。主樣件的工藝過程應(yīng)能滿足該零件組所有零件的加工，并能反映工廠的實(shí)際加工水平。一般是選擇其中一個(gè)工序最多、加工過程安排合理的零件工藝路線作為基本路線，然后把其他零件特有的、尚未包括在基本路線之內(nèi)的工序，按合理順序加到基本路線中，以此為基礎(chǔ)制定出主樣件的典型工藝過程。

(5)建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。建立必要的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，用以存儲(chǔ)各種工藝數(shù)據(jù)和工藝規(guī)范。

(6)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。變異式CAPP系統(tǒng)一般由若干模塊組成，如零件信息輸入模塊，典型工藝規(guī)程篩選模塊，設(shè)備與工裝選擇模塊，工時(shí)、切削用量、工序尺寸計(jì)算模塊，工藝文件編輯與管理模塊，打印輸出模塊等。變異式CAPP系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖7.12所示。圖7.12變異式CAPP系統(tǒng)

2．基于特征的變異式CAPP系統(tǒng)基于特征的變異式CAPP系統(tǒng)與基于GT的變異式系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：

(1)用基于特征的零件信息模型來(lái)取代GT碼，可以對(duì)零件信息進(jìn)行準(zhǔn)確完備的描述。用一定的模型來(lái)描述零件的工藝規(guī)程，為高質(zhì)量的工藝設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2)在樣件的基礎(chǔ)上增加了實(shí)例的概念。實(shí)例是系統(tǒng)中已有的工藝規(guī)程及其相應(yīng)的零件信息的集合。實(shí)例可以是系統(tǒng)中新產(chǎn)生的工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，也可以就是一個(gè)樣件。實(shí)例是一種豐富的資源，從實(shí)例也可以變異出當(dāng)前零件的工藝規(guī)程。

(3)用基于特征的推理代替基于零件族矩陣的工藝過程篩選策略，即對(duì)典型工藝規(guī)程進(jìn)行自動(dòng)篩選不再基于零件族矩陣，而是以基于特征的零件信息模型為依據(jù)，在基于特征的典型工藝規(guī)程中自動(dòng)匹配和篩選出當(dāng)前零件的工藝規(guī)程。

3．變異式CAPP的特點(diǎn)變異式CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用不僅可以減少工藝人員編制工藝規(guī)程的工作，而且相似零件的工藝過程可以達(dá)到一定程度上的一致性。從技術(shù)上講，變異式CAPP系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，因此，目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用的CAPP系統(tǒng)大都屬于變異式CAPP系統(tǒng)。但變異式CAPP系統(tǒng)的使用者仍需具有經(jīng)驗(yàn)的工藝人員，且典型工藝規(guī)程未考慮生產(chǎn)批量、生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)手段等因素，當(dāng)生產(chǎn)批量改變及生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)手段發(fā)展后，系統(tǒng)不易修改。因此，變異式CAPP系統(tǒng)主要適用于零件相似性較強(qiáng)，零件族數(shù)較少，每族內(nèi)零件項(xiàng)數(shù)較多，生產(chǎn)零件種類和批量相對(duì)穩(wěn)定的制造企業(yè)。7.4創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)7.4.1創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)原理

1．創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的原理創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的基本原理是：將人們?cè)O(shè)計(jì)工藝過程時(shí)用的推理和決策方法轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的決策模型、算法及程序代碼，從而依靠系統(tǒng)決策來(lái)自動(dòng)生成零件的工藝規(guī)程。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)可以克服變異式CAPP系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)。但由于工藝過程設(shè)計(jì)問題的復(fù)雜性，目前尚沒有系統(tǒng)能做到所有的工藝決策都完全自動(dòng)化，一些自動(dòng)化程度較高的系統(tǒng)的某些工藝決策仍需有一定程度的人工干預(yù)。從技術(shù)發(fā)展看，短期內(nèi)也不一定能開發(fā)出功能完備、自動(dòng)化程度很高的創(chuàng)成式系統(tǒng)。

2．創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的輸入信息應(yīng)是全面而準(zhǔn)確的零件設(shè)計(jì)信息，輸出信息是零件的工藝規(guī)程。它需要在制造工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝知識(shí)庫(kù)的支持下，經(jīng)過建立在系統(tǒng)內(nèi)部的一系列邏輯決策模型及計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行工藝過程決策。系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的主要是各種加工方法的加工能力、各種機(jī)床的適用范圍以及切削用量等。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖7.13所示。圖7.13創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工作過程如下：

(1)預(yù)先將與零件工藝設(shè)計(jì)有關(guān)的工藝決策規(guī)則存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)或知識(shí)庫(kù)中。

(2)輸入零件圖形及其加工要求等信息。

(3)計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯判斷，自動(dòng)生成零件工藝。

(4)根據(jù)有關(guān)輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算工序尺寸、加工余量、切削用量、時(shí)間定額等。7.4.2創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工藝決策

1．創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工藝決策過程創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)工藝決策的目的是生成零件的工藝過程。其基本決策過程如圖7.14所示。圖7.14創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)工藝的決策過程

1)選擇加工方法在輸入零件信息以后，首先要根據(jù)零件各種幾何形狀特征的加工要求，確定各種表面特征的加工方法，這是生成工藝路線的基礎(chǔ)。每一種表面特征一般要經(jīng)過不同的加工工序來(lái)達(dá)到其各方面的要求，對(duì)此，可用查表法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)零件各表面元素的最低要求，在工藝數(shù)據(jù)庫(kù)或規(guī)則庫(kù)中可直接查出各表面元素的加工方法。查表法中數(shù)據(jù)庫(kù)或知識(shí)庫(kù)的建立比較方便，只須將各種表面特征的加工方法按一定的格式存入即可；同樣，數(shù)據(jù)或規(guī)則的維護(hù)也很方便。

2)工藝規(guī)程主干的生成按照一定的工藝路線安排原則，將已選擇好的零件各表面要素的加工方法按一定的先后順序排序，以確定零件的工藝路線，這是工藝過程設(shè)計(jì)的最重要和最困難的環(huán)節(jié)。因?yàn)榘才殴に嚶肪€需要考慮各種可能的因素和約束，同時(shí)安排工藝路線的方法在生產(chǎn)實(shí)踐中非常靈活。例如，即使是對(duì)普通的軸類零件，若零件的長(zhǎng)徑比不同，零件的大小不同，組成零件各軸段的幾何形狀要素不同、個(gè)數(shù)不同、尺寸不同、精度要求不同，零件的熱處理不同，等等，則其裝夾方式和工藝路線都不一樣。這種復(fù)雜的決策過程需要分級(jí)、分階段約束驅(qū)動(dòng)過程，使之能排出合理的工藝路線。另外，按照工藝學(xué)的理論，工藝路線一般要?jiǎng)澐譃榇?、精等不同的加工階段，而且整個(gè)加工過程要符合基準(zhǔn)優(yōu)先加工的原則。表7.1是一組部分加工工序安排原則示例。表7.1加工順序安排原則情況原則1．根據(jù)加工精度粗加工→精加工→超精加工2.根據(jù)加工表面(1)軸、圓柱類回轉(zhuǎn)面加工→→平面加工→→槽加工→鏜孔加工→鉆孔加工→曲面加工→成形加工(2)箱、板類平面加工→→回轉(zhuǎn)面加工→→槽加工→鏜孔加工→鉆孔加工→曲面加工→成形加工通過分析大量的工藝過程可以發(fā)現(xiàn)，不管零件多么復(fù)雜，其加工工藝都可以分解成主要工序和輔助工序兩類。主要工序一般是針對(duì)零件上各主要形狀特征的，如回轉(zhuǎn)體類零件的圓柱表面、圓錐面與內(nèi)圓柱表面等。輔助工序包括輔助表面的機(jī)加工工序、熱處理工序和鉗工工序等。輔助表面的加工(如倒角、銑槽、鉆孔與攻絲等)一般安排在主要表面的加工之后進(jìn)行，如倒角一般在車圓柱面之后；又如銑鍵槽與鉆孔攻絲等工序一般是安排在各主要表面的粗精加工工序后、淬火工序之前進(jìn)行；調(diào)質(zhì)工序一般安排在主要表面的粗加工工序之后，等等。排序時(shí)，可以按上述工藝過程排序的約束與加工順序排序原則，首先安排零件各主要表面要素(或主形狀特征)的加工方法，初步生成工藝規(guī)程的主干，再按照上述工藝規(guī)程的規(guī)律性，在工藝規(guī)程主干中插入輔助表面的加工方法及其他輔助工序。在工藝規(guī)程主干初步生成與工序設(shè)計(jì)之前，可以顯示中間排序結(jié)果供工藝設(shè)計(jì)者確認(rèn)，不滿意時(shí)可對(duì)其進(jìn)行必要的編輯修改，最后形成滿意的工藝規(guī)程主干，為工序設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

2．表達(dá)工藝決策邏輯的主要形式創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，其核心內(nèi)容是各種決策邏輯的表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。盡管工藝過程設(shè)計(jì)決策邏輯很復(fù)雜，包括各種性質(zhì)的決策，但表達(dá)方式卻有許多共同之處，可以用一定形式來(lái)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)，最常用的是決策表和決策樹。決策表和決策樹是傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，用它們來(lái)表達(dá)按一定條件選擇方案或規(guī)定相關(guān)聯(lián)的動(dòng)作十分有效、直觀。這兩種方法已經(jīng)長(zhǎng)期應(yīng)用于許多需要決策的場(chǎng)合，它們同樣也適合工藝決策。

1)決策表決策表是將一組用語(yǔ)言表達(dá)的決策邏輯關(guān)系用一個(gè)表格來(lái)表達(dá)，從而可以方便地用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)該決策邏輯的方法。例如選擇孔加工方法的決策可以表述為：①如果待加工孔的精度要求(包括本身精度和位置精度)低，則可選擇鉆孔的方法加工；②如果待加工孔的本身要求高，而且位置精度要求也高，則可選擇鉆—鏜兩步加工；③如果待加工孔的精度要求高，但位置精度要求不高，則可選擇鉆—鉸加工。上述文字?jǐn)⑹鲂问奖磉_(dá)的孔加工方法選擇決策邏輯，如果采用決策表的形式來(lái)表達(dá)，則決策邏輯如表7.2和表7.3所示。在決策表中，若某特定條件得到滿足，則取值為T(真)或Y(是)；不滿足時(shí)，取值為F(假)或N(否)。決策行動(dòng)可以是無(wú)序的決策動(dòng)作，用X表示，也可以是有序的決策動(dòng)作，并給予一定的序號(hào)。表的一列算作一條決策規(guī)則。條件項(xiàng)目的值可以不填(用空格表示)，代表這一條件是否滿足對(duì)于該規(guī)則無(wú)關(guān)(不在乎)，即既可以是T，也可以是F。表7.2選擇孔加工方法決策表尺寸精度高FTT位置精度高FT鉆孔×鉆鉸×鉆鏜×注：×表示不存在序號(hào)的決策動(dòng)作；數(shù)字表示帶序號(hào)的決策動(dòng)作。表7.3選擇孔加工方法決策表尺寸精度≥0.1T尺寸精度＜0.1TT位置精度≥0.1TT位置精度＜0.1T鉆孔×11鉸孔2鏜孔2從表7.2可以看出，決策表由四部分構(gòu)成：粗橫線的上半部代表?xiàng)l件和狀態(tài)，粗橫線的下半部代表動(dòng)作(或結(jié)果)，右半部為項(xiàng)目值的集合，每列就是一條決策規(guī)則。當(dāng)建立一個(gè)決策表來(lái)表達(dá)復(fù)雜決策邏輯時(shí)，必須仔細(xì)檢查決策表的正確性、完整性和無(wú)歧義性等內(nèi)容。完整性是指決策邏輯各條件項(xiàng)目的所有可能的組合都應(yīng)考慮到。無(wú)歧義性是指一個(gè)決策表的不同規(guī)則之間不能出現(xiàn)矛盾或冗余的規(guī)則。圖7.4為某系統(tǒng)中機(jī)床選擇的決策表。表7.4機(jī)床選擇的決策表?xiàng)l件300?mm＜工件長(zhǎng)度＜500?mmTTT工件直徑＜200?mmTT最大轉(zhuǎn)速＜3000?r/minTT公差＜0.01?mmT批量＞100TT夾具123TT夾具125T動(dòng)作機(jī)床1001×機(jī)床1002×機(jī)床1003×

2)決策樹決策樹是一種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將它用于工藝決策時(shí)，也是一種常用的與決策表功能相似的工藝邏輯設(shè)計(jì)工具。同時(shí)，它很容易和“如果(IF)…，則(THEN)…”這種直觀的決策邏輯相對(duì)應(yīng)，很容易直接轉(zhuǎn)換成邏輯流程圖(框圖)和程序代碼。決策樹由各種結(jié)點(diǎn)和分支(邊)構(gòu)成。結(jié)點(diǎn)中有根結(jié)點(diǎn)、葉結(jié)點(diǎn)和其他結(jié)點(diǎn)。根結(jié)點(diǎn)沒有前趨結(jié)點(diǎn)，葉結(jié)點(diǎn)沒有后繼結(jié)點(diǎn)，其他結(jié)點(diǎn)則都具有單一的前趨結(jié)點(diǎn)和一個(gè)以上的后繼結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)表示一次測(cè)試或一個(gè)動(dòng)作。擬采取的動(dòng)作一般放在葉結(jié)點(diǎn)上。分支(邊)連接兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一般用來(lái)連接兩次測(cè)試或動(dòng)作，并表達(dá)一個(gè)條件是否滿足：滿足時(shí)，測(cè)試沿分支向前傳送，以實(shí)現(xiàn)邏輯與(AND)的關(guān)系；不滿足時(shí)，則轉(zhuǎn)向出發(fā)結(jié)點(diǎn)的另一分支，以實(shí)現(xiàn)邏輯或(OR)的關(guān)系。所以，由根結(jié)點(diǎn)到葉結(jié)點(diǎn)的一條路徑可以表示一條決策規(guī)則。例如：孔加工方法選擇決策樹，如圖7.15所示；圖7.16所示為裝夾方法選擇決策樹。圖7.15孔加工方法選擇決策樹圖7.16裝夾方法選擇決策樹決策樹有如下優(yōu)點(diǎn)：①容易建立和維護(hù)，可直觀、緊湊地表達(dá)復(fù)雜的邏輯關(guān)系，而且決策表可以轉(zhuǎn)換成決策樹。②便于程序?qū)崿F(xiàn)，其結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)的流程圖很相似。決策樹是表示“IF…，THEN…”類型的決策邏輯的很自然的方法，條件(IF)可放在樹的分支上，而預(yù)定的動(dòng)作(THEN)則放在結(jié)點(diǎn)上，因此很容易轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)程序。③便于擴(kuò)充和修改，適于工藝過程設(shè)計(jì)。另外，選擇特征的加工方法及選擇機(jī)床、刀具、夾具、量具以及切削用量等都可以采用決策樹的形式。

7.5智能型CAPP系統(tǒng)7.5.1智能型CAPP專家系統(tǒng)概述

AI(人工智能技術(shù)，ArtificialIntelligence)的發(fā)展為CAPP的進(jìn)一步發(fā)展開辟了新的道路。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，以應(yīng)用AI技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化CAPP系統(tǒng)(也稱CAPP專家系統(tǒng))已成為世界范圍內(nèi)制造業(yè)中最引人注目的課題之一。

1．CAPP專家系統(tǒng)的原理

CAPP專家系統(tǒng)與創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)一樣，都可自動(dòng)生成工藝規(guī)程，但它們的工作原理并不相同，結(jié)構(gòu)上也有很大的差別。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是以“邏輯算法＋決策表”為特征，而CAPP專家系統(tǒng)是以“推理＋知識(shí)”為特征。

CAPP專家系統(tǒng)以知識(shí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以推理機(jī)為控制中心，按數(shù)據(jù)、知識(shí)、控制三級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)組織系統(tǒng)，其知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)是相互分離的，知識(shí)庫(kù)由零件設(shè)計(jì)信息和表達(dá)工藝決策的規(guī)則集組成，而推理機(jī)是根據(jù)當(dāng)前的事實(shí)通過激活知識(shí)庫(kù)的規(guī)則集而得到工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果。這種知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)相互分離的結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的靈活性。當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境變化時(shí)，只需修改知識(shí)庫(kù)或不斷加入新的知識(shí)，使之適應(yīng)新的要求，因而，其解決問題的能力大大增強(qiáng)了。

2．CAPP專家系統(tǒng)的工作過程

CAPP專家系統(tǒng)的工作過程是根據(jù)輸入的零件信息去頻繁地訪問知識(shí)庫(kù)，并通過推理機(jī)中的控制策略，從知識(shí)庫(kù)中搜索能夠處理零件當(dāng)前狀態(tài)的規(guī)則，然后執(zhí)行這條規(guī)則，并把每一次執(zhí)行規(guī)則得到的結(jié)論部分按照先后次序記錄下來(lái)，直到零件加工到終結(jié)狀態(tài)，這個(gè)記錄就是零件加工所要求的工藝規(guī)程。

3．CAPP專家系統(tǒng)的組成

CAPP專家系統(tǒng)的主要組成如圖7.17所示。該系統(tǒng)主要由零件信息輸入/輸出模塊(人機(jī)接口)、推理機(jī)與知識(shí)庫(kù)三部分組成，其中推理機(jī)與知識(shí)庫(kù)是相互獨(dú)立的。此外，還包括知識(shí)獲取和管理模塊以及解釋機(jī)制的處理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)。圖7.17CAPP專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAPP專家系統(tǒng)有處理多義性和不確定性的能力，并且可以在一定程度上模擬人腦進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，解決工藝設(shè)計(jì)中許多模糊的不確定的問題。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，加工工序多，工藝流程長(zhǎng)的零件的工藝設(shè)計(jì)，由于存在多種加工方案，工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)劣主要取決于人的經(jīng)驗(yàn)和智慧，因而一般的CAPP系統(tǒng)難以滿足這類復(fù)雜零件的工藝設(shè)計(jì)要求。而CAPP系統(tǒng)可以匯集眾多工藝專家的經(jīng)驗(yàn)和智慧，并充分利用這些知識(shí)，進(jìn)行智能推理，探索解決問題的途徑與方法，最終給出合理的甚至是最佳的工藝決策。7.5.2CAPP專家系統(tǒng)的主要技術(shù)

1．知識(shí)的表達(dá)如何獲取、表達(dá)CAPP專家系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)與知識(shí)，使之既便于計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)它們的描述和管理，又便于CAPP專家系統(tǒng)的工藝決策，是CAPP專家系統(tǒng)的重要課題。工藝知識(shí)主要分為選擇性規(guī)則和決策性規(guī)則兩大類。前者如加工方法選擇規(guī)則、基準(zhǔn)選擇規(guī)則、設(shè)備與工裝選擇規(guī)則、切削用量選擇規(guī)則、余量選擇規(guī)則、毛坯選擇規(guī)則等；后者如加工方法排序規(guī)則(包括工序排序和工步排序規(guī)則)、實(shí)例或樣件篩選(推理)規(guī)則、工藝規(guī)程修正規(guī)則、工序圖生成規(guī)則、工序尺寸標(biāo)注規(guī)則等。工藝知識(shí)的表達(dá)通常采用謂詞邏輯、產(chǎn)生式規(guī)則、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)及框架等方法。近幾年，新的知識(shí)表達(dá)方法得到了較快的發(fā)展，如面向?qū)ο蟮姆椒?、模糊知識(shí)表示及混合知識(shí)表示等。工藝經(jīng)驗(yàn)知識(shí)常用框架或產(chǎn)生式系統(tǒng)表示。

1)產(chǎn)生式規(guī)則(ProductiveRule)產(chǎn)生式規(guī)則是指將領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)表達(dá)成一組或多組規(guī)則的集合，每條規(guī)則由一組條件部分和一組結(jié)論部分組成。產(chǎn)生式規(guī)則以“如果某些條件被滿足，就采取某種動(dòng)作”形式的語(yǔ)句表示。產(chǎn)生式規(guī)則的一般表達(dá)式為：

IF

<條件1>AND/OR

<條件2>AND/OR

<條件n>AND/OR

THEN

<結(jié)論1>AND

<結(jié)論2>AND

<結(jié)論m>產(chǎn)生式規(guī)則主要描述那些如何應(yīng)用其他知識(shí)的知識(shí)。由于產(chǎn)生式規(guī)則和人的思維方式很接近，為人們所熟悉，也比較直觀，容易收集和組織工藝專家的知識(shí)，因此是目前專家系統(tǒng)中用得最多的一種過程性知識(shí)表示方法。例如，有一加工方法選擇的規(guī)則(IF-THEN格式)為：

IF{外圓柱面；材料：45鋼；熱處理：淬火；最高精度等級(jí)：6，最低精度等級(jí)8；最高粗糙度0.8，最低粗糙度1.6；普通機(jī)床加工；

}

THEN{加工方法為：粗車，半精車，淬火，粗磨，精磨}又如：工藝路線中加工的先后關(guān)系都可用產(chǎn)生式規(guī)則描述：

IF{加工表面為平面，面積較大；要求較高的平面度和表面粗糙度；與其他表面之間有尺寸關(guān)系；

}

THEN{采用端銑刀精銑，且經(jīng)粗銑一、二次}

IF{加工表面為平面和平面上的孔；平面和孔的精度要求一般；平面和孔有一定垂直度要求；

}

THEN{先加工平面，以平面為基準(zhǔn)再加工孔}另外，其他包括毛坯選擇、刀具選擇、切削用量選擇和毛坯余量選擇等均可采用產(chǎn)生式規(guī)則表示。

2)框架(Frame)框架是一個(gè)表示某些結(jié)點(diǎn)及相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)?？蚣艿捻攲邮枪潭ǖ?，它代表給定情況下總是確定的事實(shí)；下層有很多槽(Slot)，槽內(nèi)可以填充特定的參數(shù)、文字或數(shù)據(jù)，也可以是其他框架的內(nèi)容。此外，框架上還帶有另外一些信息，如怎樣使用這個(gè)框架，預(yù)計(jì)下一步將發(fā)生什么事情，以及當(dāng)情況與預(yù)計(jì)不符時(shí)應(yīng)做些什么等，這樣形成了一層層嵌套的聯(lián)接表?？蚣艿男问綖椋?/p>

(<框架名>?(<槽名1>……)

(<槽名2>……)

(<槽名n>……))(<槽名i>(<側(cè)面名1>……)

(<側(cè)面名2>……)

(<側(cè)面名m>...…))

(<側(cè)面名j>(<值1>……)

(<值2>……)

(<值k>……))(1≤i≤n，l≤j≤m)機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)中，框架常常用于描述零件的特征信息、幾何信息和工藝信息等。圖7.18為刀具信息的框架表示。圖7.18銑刀信息的框架表示

3)框架的特點(diǎn)框架的特點(diǎn)如下所述：

(1)框架適于描述格式固定的事物、動(dòng)作和事件。

(2)有關(guān)框架可以聚集起來(lái)組成框架系統(tǒng)，以便從不同角度描述物體和復(fù)雜的事物。

(3)框架包含了它所描述的物體或事物的多方面信息，包含了物體或事物必須具有的屬性，描述了所代表概念的典型事例等途徑，由此可推出未被觀察到的事實(shí)。

2．工藝知識(shí)庫(kù)的建立工藝知識(shí)的獲取只能針對(duì)各企業(yè)自身狀況制定符合廠情的工藝決策規(guī)則。不同的企業(yè)制定的工藝決策規(guī)則不同，導(dǎo)致由此制定的知識(shí)庫(kù)不能通用。但是，知識(shí)的描述是可以規(guī)范化的。

1)工藝知識(shí)的獲取智能型CAPP系統(tǒng)的知識(shí)的獲取是CAPP系統(tǒng)開發(fā)過程中的關(guān)鍵步驟，已成為系統(tǒng)開發(fā)的“瓶頸”，到目前為止，還沒有一個(gè)智能型CAPP系統(tǒng)可以直接從工藝專家那里獲取知識(shí)。目前知識(shí)的獲取主要是由知識(shí)工程師完成的。知識(shí)工程師是一個(gè)計(jì)算機(jī)方面的工程師，他從專家那里獲取知識(shí)，并將知識(shí)以正確的形式儲(chǔ)存到知識(shí)庫(kù)中。由于專家所掌握的知識(shí)和能存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的知識(shí)形式之間存在著較大差別，因而要成功建立知識(shí)庫(kù)，知識(shí)工程師與專家之間須密切合作，不斷交換意見，以使知識(shí)庫(kù)能正確反映專家的知識(shí)。工藝知識(shí)的獲取一般分兩步：第一步是收集、整理、歸納、總結(jié)和分類，并用系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)文本格式記錄下來(lái)，這一步由領(lǐng)域工程師完成。第二步是輸入、維護(hù)和管理，這是在系統(tǒng)提供的知識(shí)獲取和管理界面的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)的。前者關(guān)系到數(shù)據(jù)與知識(shí)的準(zhǔn)確性和完備性，后者關(guān)系到數(shù)據(jù)與知識(shí)是否便于輸入和管理。圖7.19所示為一般CAPP系統(tǒng)工藝知識(shí)的獲取過程。圖7.19CAPP系統(tǒng)工藝知識(shí)的獲取

2)知識(shí)庫(kù)的建立工藝知識(shí)庫(kù)的建立主要利用開發(fā)工具完成。開發(fā)工具給用戶提供了二次開發(fā)環(huán)境，用戶通過該工具可創(chuàng)建工藝知識(shí)庫(kù)，并可對(duì)工藝知識(shí)庫(kù)進(jìn)行調(diào)試及維護(hù)。開發(fā)工具使系統(tǒng)的靈活性、可移植性和可重構(gòu)性有了保證。知識(shí)的組織方式依賴于知識(shí)的表示模式。一般說(shuō)來(lái)，在確定知識(shí)的組織方式時(shí)，應(yīng)考慮一些基本原則，例如保證知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)相分離，以便于知識(shí)的搜索、知識(shí)的管理、內(nèi)外存交換、減少存儲(chǔ)空間等。

3．基于知識(shí)的推理推理是指從已有事實(shí)推出新的事實(shí)(或結(jié)論)的過程。人類專家能夠高效求解復(fù)雜的問題，除了因?yàn)樗麄儞碛写罅康膶ｉT知識(shí)外，還體現(xiàn)在他們選擇知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的能力。推理過程要解決的問題就是：在問題求解的每個(gè)狀態(tài)(包括初始狀態(tài))下，如何控制知識(shí)的選擇和運(yùn)用。知識(shí)的運(yùn)用就是推理方式，知識(shí)的選擇過程就是推理策略。推理方式和搜索方式體現(xiàn)了一個(gè)具體專家系統(tǒng)的特色。推理方式有以下幾種：

1)正向推理正向推理是從一組事實(shí)出發(fā)，一遍遍嘗試所有可執(zhí)行的規(guī)則，并不斷加入新事實(shí)，直到問題解決。正向推理適用于初始狀態(tài)明確而目標(biāo)狀態(tài)未知的場(chǎng)合。圖7.20說(shuō)明了正向推理過程，圖中已知事實(shí)是A，B，C，E，G，H，已知規(guī)則有3條，即F&B→Z，C&D→F，A→D，要證明的事實(shí)是Z。圖7.20正向推理過程

2)反向推理反向推理是從假設(shè)的目標(biāo)出發(fā)，尋找支持假設(shè)的依據(jù)，它提供一組規(guī)則，嘗試支持假設(shè)的各個(gè)事實(shí)是否成立，直到目標(biāo)被證明為止。反向推理適用于目標(biāo)狀態(tài)明確而初始狀態(tài)不甚明確的場(chǎng)合。圖7.21說(shuō)明了反向推理過程，圖中已知事實(shí)是A，B，C，E，G，H，要證明的事實(shí)是Z，可采用的規(guī)則有3條，即F&B→Z，C&D→F，A→D。圖7.21反向推理過程

3)正反向混合推理正反向混合推理分別從初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)出發(fā)，由正向推理提出某一假設(shè)，由反向推理證明假設(shè)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確哪些規(guī)則處理事實(shí)，哪些規(guī)則處理目標(biāo)，從而使系統(tǒng)在推理中根據(jù)不同情況，選用合適的規(guī)則進(jìn)行推理。正反向推理的結(jié)束條件是正向推理和反向推理的結(jié)果能夠匹配。

4)不精確推理處理不精確推理的方法有概率法、可信度法、模糊集法和證據(jù)法等。工藝規(guī)程設(shè)計(jì)過程中的推理一般都采用分階段或分級(jí)推理的方法，也就是把工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)劃分為若干個(gè)子任務(wù)，如毛坯選擇、加工方法選擇、工藝路線制定、工序設(shè)計(jì)、工序尺寸計(jì)算、切削用量計(jì)算、加工費(fèi)用計(jì)算等，有些子任務(wù)下面還可以分成更小的子任務(wù)。知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則可以按照它們所適用的子任務(wù)進(jìn)行分組，按類存儲(chǔ)。如加工方法選擇的規(guī)則，還可以進(jìn)一步分成內(nèi)、外表面加工，內(nèi)、外螺紋加工，內(nèi)、外花鍵加工，內(nèi)、外圓柱齒輪加工等規(guī)則子集。要執(zhí)行哪個(gè)子任務(wù)，則調(diào)用適合這個(gè)子任務(wù)的規(guī)則子集。在分級(jí)推理的工程中，可綜合應(yīng)用上述的不同推理方法，完成任務(wù)求解。

4．推理機(jī)的總體結(jié)構(gòu)推理機(jī)是專家系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)，它規(guī)定了如何從知識(shí)庫(kù)中選用適當(dāng)?shù)囊?guī)則，來(lái)進(jìn)行工藝規(guī)程設(shè)計(jì)。推理機(jī)主要由四部分組成：推理器(translate)，運(yùn)行庫(kù)(上下文)，生成庫(kù)(工序圖，工藝文件)，解釋(explain)裝置。

(1)推理器：在一定的控制和選取知積庫(kù)中對(duì)當(dāng)前問題的可用知識(shí)進(jìn)行推理，以修改上下文直至最終得到問題求解結(jié)果。

(2)運(yùn)行庫(kù)：反映具體問題在當(dāng)前求解狀態(tài)下的符號(hào)或事實(shí)的集合，它由零件的原始信息數(shù)據(jù)和系統(tǒng)求解期間所產(chǎn)生的所有中間信息組成。

(3)生成庫(kù)：由系統(tǒng)求解過程所產(chǎn)生的結(jié)論信息數(shù)據(jù)組成，主要是工藝規(guī)程信息和工序圖圖形數(shù)據(jù)。

(4)解釋裝置：通過重新顯示系統(tǒng)問題求解過程的推理路徑、知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的使用情況來(lái)解釋系統(tǒng)是怎么求解問題并不斷得出結(jié)論的。7.5.3智能型CAPP系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)人工智能為CA