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塑料异型材挤出模具计算机辅助工艺设计 摘要 塑料异型材挤出模具产品的需求不同与一般的产品，它要求的是小批量，多 品种。而且，随着市场的要求，其个性化非常强烈。这些都要求我们在设计与制 造塑料异型材挤出模具时，尽可能地提高自动化程度，利用计算机等先进的设备 与手段去提高产品的质量，缩短产品的开发周期，从而适应市场的需求与竞争。 因此其c a p p 系统的开发具有重要的应用价值。 本文根据塑料异型材挤出模具企业的生产现状和c a p p 系统的发展趋 势，采用综合式c a p p 系统开发了塑料异型材挤出模具计算机辅助工艺设 计系统。系统具有检索、派生、创成等多种决策功能。根据挤出模具零件 不同的结构特点而采用不同的工艺实现方法。综合应用了特征建模技术， 数据库技术，成组技术，o l e 技术，工序优先级方法等完成了系统的开发。 系统初步实现了塑料异型材挤出模具零件工艺的计算机辅助设计，有利于 提高塑料异型材挤出模具零件工艺规程设计效率和质量、缩短产品的制造 周期。 关键词：塑料异型材挤出模具计算机辅助工艺设计 c o m p u t e r a i d e dp r o c e s s p l a n n i n gs y s t e m f o rp l a s t i c p r o m ee x t r u s i o nd i e a b s t r a c t t h ep r o d u c i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i ep r o d u c t sa r e d i f f e r e n tf r o mt h a to fg e n e r a lp r o d u c t s ，w h i c ha r es m a l l l o ta n dv a r i e t i e s ，i e t h e p r o d u c t sh a v et h e i ro w n i n d i v i d u a t i o na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fc o n s u m e r s i no m e rt om e e tt h en e e d so f a s p e c t sa b o v e - m e n t i o n e d ，t oe n h a n c ea u t o m a t i o nd e g r e e a sp o s s i b l e ，t oi m p r o v ei t sq u a l i t y , t os h o r t e ni t sd e v e l o p i n gc y c l em u s t b er e a c h e db y u s i n ga d v a n c e dd e v i c e sa n dm e a n s ( e ，g c o m p u t e r ) a sw ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e p l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e c o n s e q u e n t l y , p l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i ep r o d u c t sc a r l a d a p t t ot h er e q u i r e m e n t so fm a r k e ta n dc o m p e t i t i o n t h e r e f o r e , t h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) s y s t e mf o rp l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e i sv e r yn e c e s s a r ya n d i m p o r t a n t a c c o r d i n g t ot h ec u r r e n t m a n u f a c t u r i n g s i t u a t i o no fp l a s t i c p r o f i l e e x t r u s i o nd i e e n t e r p r i s e s a n dt h e d e v e l o p i n g t r e n do fc a p p s y s t e m ，a c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e mf o rt h ep r o c e s sd e s i g no fp l a s t i c p r o f i l ee x t r u s i o nd i ew a sd e v e l o p e db yu s i n gh y b r i dc a p ps y s t e m ，i nw h i c h t h e r ea r ed i f f e r e n td e c i s i o n m a k i n gf u n c t i o n so f s e a r c h ，v a r i a n ta n dg e n e r a t i v e i te m p l o y e dd i f f e r e n tp r o c e s sp l a n n i n gm e t h o d si nt e r m so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e s o fp l a s t i cp r o f i l ee x t r u s i o nd i e s e v e r a lt e c h n i q u e s ，s u c ha sf e a t u r em o d e l i n g ， d a t a b a s e ，g r o u pt e c h n o l o g y ，o l e ，p r o c e s sp r i ，w e r eu s e dt ob u i l dt h es y s t e m t h e s y s t e m c a n p a r t i a l l y r e a l i z et h e p r o c e s sp l a n n i n g o fp l a s t i c p r o f i l e e x t r u s i o nd i ep a r t s ，t h e r e f o r e ，t h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f p r o c e s sp l a n n i n g c a nb ei m p r o v e d ，m a n u f a c t u r i n g c y c l ec a nb ed e c r e a s e d k e y w o r d s ：p l a s t i cp r o f i l e ，e x t r u s i o nd i e ，c o m p u t e r a i d e dp r o c e s s p l a n n i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知。除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒日b 工些盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：、f 毒签字日期：枷y 年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒日b 工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 胆王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索。可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：五f 弦名 签字日期：1 加。年r 月刁日 i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 一矽勘司 签字日期啪丫 月少 电话： 邮编： 致谢 衷心感谢我的导师尹延国高工和实验室的朱元吉副研究员、解挺副研究员。 在学习上，导师严谨的工作态度、丰富的学识和诲人不倦的教育情怀时时激励着 我，必将使我终身受益，并激励我勇往直前；在生活上，导师同样给予我热情的 关怀、指导和帮助。在次谨向导师致以最真诚的感谢和敬意。 特别感谢摩擦所的领导和老师在学业和生活上的指导和帮助。 感谢胡善刚、王芳、詹松和万金培等同学对我的关心和帮助。 我成长的时时刻刻都凝聚着家人对我的关心和爱护，在此向他们表示我诚挚 的谢意。同时谨向所有帮助和支持我的人们致以衷心的感谢。 作者：刘付春 2 0 0 4 5 第一章绪论 世界范围内科学技术的突飞猛进，特别是计算机技术和网络技术的飞速发 展和普遍应用，人类社会进入了一个崭新的以知识经济为主体的信息时代。在 机械制造业中，传统制造业的生产和管理方式与新的市场环境已越来越不适应， 技术创新成为争夺市场的主要手段i i 】。随着机械制造生产技术的发展及多品种 小批量生产的要求，特别c a d c a m 系统向集成化、智能化方向发展，传统的 工艺设计的方法，己远远不能满足要求，计算机辅助工艺设计( c o m p e e r a i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 也就应运而生。用c a p p 代替传统的工艺设计对于机 械制造业具有重要的意义。 1 1c a p p 技术及其发展 1 1 1c a p p 的基本概念 c a p p 是利用计算机来制订零件加工工艺的过程，把毛坯加工成工程图纸 上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息和工艺信息， 由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程【2 1 。从本质上 来说就是模拟人编制工艺的方式，代替入完成编制工艺的工作。 二十世纪六十年代末，世界上第一个c a p p 系统a u t o p r o s 在挪威诞生， 1 9 7 3 年，商品化的a u t o p r o s 系统正式推出。1 9 7 6 年，由设在美国的国际计 算机辅助制造公司( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g - - i n t e r n a t i o n a l ) 推出的自动 工艺设计系统( a u t o m a t i o np r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m ) ，即c a m i a p p 系统 在c a p p 发展史上具有里程碑意义川。自二十世纪八十年代，c a p p 的研究受到 了各国工业界的广泛重视。国内外在c a p p 技术的研究与系统的开发上已投入 了大量的人力和物力，已开发出了为数众多的c a p p 系统。迄今为止，在国内 学术会议、刊物上发表的c a p p 系统已超过5 0 个p j 。 c a p p 涉及的是典型的跨领域的复杂问题的求解，它需要综合运用多方面 的技术和知识，主要包括： 1 成组技术g t ( g r o u pt e c h n o l o g y ) 我国c a p p 系统的研究与开发可以说是与成组技术密切相关，早期的c a p p 系统多是以g t 为基础的派生式c a p p 系统。 2 产品建模技术 是一种描述、定义、表达产品信息的技术。在c a p p 中主要用于解决零件 信息的描述与输入，是c a p p 推理计算的基础，也是实现c a d 与c a p p 集成的 主要手段。目前，在产品建模技术研究与开发中最有代表性的是国际s t e p 标 准的开发。 3 人工智能技术 推理加知识是人工智能的基本特征。工艺规程中大量的专家知识与经验， 以计算机编码的形式存放在知识库里，进行工艺设计时，首先检索知识库，再 通过推理机进行逻辑推理来实现。要使工艺设计在企业内得到广泛有效的应用， 必须总结出使用本企业的零件加工的典型工艺及工艺决策的方法，按照所开发 的c a p p 系统要求，用不同的形式表示这些经验与决策逻辑。 4 数据库技术 提供有关数据的存储、管理等技术，在c a p p 中主要用来建立和管理工艺 数据库，为c a p p 推理和计算提供基本数据。 5 图形技术 包括几何建模和特征建模技术等，图形信息中的几何拓扑及工序图信息支 持c a p p 系统。 6 优化技术 为保证工艺设计达到全局最优化，利用各种优化技术，进行设计方案的综 合分析和动态优化。 随着各种新技术的不断出现和发展，将不断丰富着c a p p 的内容和方法。 1 1 2c a p p 研究现状 分析国外近3 0 年和我国1 0 余年c a p p 的发展情况，就其研究方法而言，基本 经过了检索式、派生式、半创成式、创成式的过程。目前正在广泛进行智能化、 集成化、柔性化和并行化方面的研究。 1 智能化 智能化是8 0 年代以来c a p p 系统研究的重要发展方向之一。过去研究最多 的是各种各样的c a p p 专家系统1 4 6 】，至今已有多种c a p p 专家系统在实际中 应用。但是专家系统在知识获取、推理方法、求解空间等方面还存在一些问题， 目前正在广泛研究的神经网络【7 】【8 1 、模糊理论9 1 和遗传算法等技术为c a p p 系统 的进一步智能化提供了理论基础。 2 集成化 集成化是c a p p 系统发展的必然。随着制造技术和自动化程度的不断提高， 集成的内涵也随之发生变化。就目前的研究来看，主要包括以下两个方面： ( 1 1c a d c a p p 的集成这种集成主要是信息的集成，它是克服c a p p 系统信息输入困难的根本途径，也是c a d c a p p c a m 集成的关键。目前，这 方面的研究非常活跃。我国也开发了一些专用系统，主要有钣金零件【i 、减震 器零件 i i 】、轴类零件【。2 1 以及基于p l o - - e 平台的齿轮精密c a d c a p p 系统f 。 ( 2 1c a p p p p s 的集成这种集成主要是系统功能的集成，它是目前 国内外研究的热点。如刘敏研究了基于分布式工艺设计的c a p p 和p p s 集成化 2 过程模型，王风歧、郭伟等研究了面向c a p p p p s 集成的多工艺方案创成方法， 田文生研究了实现c a p p p p s 集成的动态c a p p 系统 1 4 - 1 6 。目前，针对 c a p p p p s 的集成，已提出了许多先进可靠的研究方法，如非线性工艺规划、 动态工艺规划、准时工艺规划等，但真正实用的系统极少。 3 柔性化 为了适应不同企业和产品不断变化的要求，柔性化也是近年来c a p p 研究 的方向之一。它的研究主要有两种途径： ( 1 )研究和开发c a p p 工具系统和c a p p 专家系统工具4 3j 【4 4 1 ，给不同生 产条件的企业提供更大的柔性； ( 2 ) 研究和开发非线性工艺规划系统，生成多个可选工艺规程，给车间调 度提供更大的柔性。 4 并行化 并行化c a p p 是在集成化和智能化基础上的进一步发展，充分体现了并行 工程【1 7 】的思想。并行工程是目前国际机械工程领域研究的热门课题。并行c a p p 作为实现并行工程目标的重要支持工具，国内外还都处于探索阶段，主要局限 在原型系统开发和理论研究上【j 【1 9 1 。 1 1 3c a p p 技术发展趋势 为使c a p p 系统实用性、适应性更强，c a p p 除继续沿着智能化、集成化、 柔性化、并行化的方向发展外，还必须进行数学模型、非传统规划等方面的研 究，概括如下m u j ： 1 由传统的c a p p 系统向智能化的c a p p 系统发展 传统的c a p p 系统在设计上主要采取单一的派生式、检索式或创成式系统。 但是c a p p 技术本身的复杂性以及制造业生产环境的差别，这些都要求c a p p 系统必须具有很强的适应性和灵活性。早期的创成式c a p p 系统将决策逻辑植 入程序代码中，依靠决策树和决策表进行设计，这种创成方法难以随零件类型 和生产环境的变化自动生成合理的工艺规程。而专家系统技术以及其它人工智 能技术获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性给c a p p 的发展带来了生 机，它将工艺实践经验以产生式规则或其它知识表达形式纳入知识库中，成为 系统推理的依据。然而受到应用领域、推理能力等诸方面因素的制约，专家系 统的效果并不尽如人意，且过于追求自动化的专家系统并不一定就是最优的、 综合指数最高的系统。因此，具有检索、修订、创成等多种决策功能的多元化 的综合智能化系统模式设计思想日益得到重视。 2 由孤立的c a p p 系统向集成化的c a p p 系统发展【4 0 】【4 1 】 c a p p 首先要求位于上游的c a d 系统为其提供必要的产品零件信息和各 种工艺加工要求，然后还必须对下游的c a m 提供正确的工艺加工信息和指令。 在此过程中，都要求能够实现各个独立系统之间信息的顺畅传递，为此所有的 交换资料必须遵循统一的产品数据模型和交换机制。随着产品资料的表达与交 换标准s t e p 等的不断完善和实施，将来的c a p p 系统将是建立在统一的工程 数据库上，同时与c a d 、c a m 、m i s 、c a q 等的集成。 3 由开发研究性质和专用c a p p 系统向企业化c a p p 系统和c a p p 开发系 统和专家系统工具的方向发展【3 圳 通用性问题是c a p p 面临的最主要难点之一，也是制约c a p p 系统实用化 与商品化的一个重要因素。c a p p 工具化思想主要体现在以下几个方面： ( 1 )工艺设计的共性与个性分开处理使c a p p 系统各工艺设计模块与 系统所需的工艺数据与知识或规则完全独立。工艺设计的共性主要包括：推理 控制策略和一些公共算法以及通用的、标准化的工艺数据与工艺决策知识； 个性主要包括：与特定加工环境相关的工艺数据与工艺决策知识等。前者有系 统开发者完成，即开发者将推理控制策略和一些公用的算法固定于源程序之中， 并建立通用工艺数据库与知识库；后者由用户根据实际需要进行扩充或修改。 这事实上是一个用户二次开发系统的过程，从而使系统成为解决待定问题的 c a p p 系统。 ( 2 ) 工艺决策方式多样化应用实际证明，单一的推理控制策略不能满足 用户的需要，所以系统应能给用户提供多种工艺设计方法。 ( 3 )具有功能强大、使用方便和统一标准的数据与知识库管理平台。 ( 4 )智能化输出工艺文件格式可由用户定制。 4 由线性规划系统向非线性的、动态的、准时的工艺规划系统发展 ( 1 )非线性工艺规划是在零件毛坯进入车间制造之前，产生制造该零件所 有可能的( 也叫可选的) 工艺规程。由于有多种可选的工艺规程，给车间调度提 供更大的柔性，有助于资源出现故障时进行再调度【2 1 。 ( 2 )动态工艺规划是借助于来自车间的实时动态反馈，根据可利用的资源 动态生成工艺规程，使工艺规划和生产调度与控制形成一个闭环系统。这种工 艺规划根据生产现场的实时情况生成工艺规程，切实可行m j e “】。 ( 3 )准时工艺规划同时完成工艺规划和生产调度任务。它把工艺规划和生 产调度分成两个阶段：预规划阶段和终规划阶段。在预规划阶段，工艺规划根 据产品数据信息分析所要做的工作，识别特征和特征之间的关系，确定相应的 制造过程，估计所需机床的能力。在终规划阶段，用可用资源的加工能力匹配 所需要的加工作业。当资源可用且该作业需要时，就产生了集成一一工艺规划 和生产调度同时完成。这种方法是工艺规划和生产调度集成的理想方法【2 3 】。 5 从独立的c a p p 系统向c a d 、c a m 同时考虑的并行化c a p p 系统方向 发展【4 2 】 4 5 1 并行工程是并行进行产品及其相关过程一体化设计的系统方法。面向并行 4 工程的工艺过程设计系统，必须根据自动化制造系统的制造环境、生产调度、 质量检测、毛坯设计制造等下层功能模块的反馈信息生成适应性加工工艺，并 及时对产品设计过程提供咨询信息，就产品可加工性、可装配性、可检测性、 加工经济性等制造因素为产品设计的优劣提供可评估性指导，对上满足c a d 并行设计产品的要求，对下满足制造过程诸环节的信息要求，从而进一步发挥 c a p p 在整个生产活动中的信息中枢和功能调节作用。 6 由传统的c a p p 系统向非传统的c a p p 系统发展，如检测c a p p 、装配 c a p p 、板材加工c a p p 、焊接c a p p 、机器人任务规划等【2 4 l 【25 1 。 1 2 塑料异型材挤出模具c a p p 系统研究开发的现状与意义 塑料异型材是通过挤出成型来加工的，挤出成型是一个连续的动态过程， 从挤出机出口流出的熔融塑化的塑料熔体流经挤出模具，在模具中经过进一步 熔融塑化以及稳流、分流、成型和冷却定型一系列过程，从而成为连续的型材 产品。 圈1 1c a p p 在c i m s 中的作用 可见，塑料异型材挤出模具是挤出生产线的核心部分，其技术状态直接关 系到挤出生产的稳定性、挤出制品的质量、挤出生产效率以及模具本身的使用 寿命。塑钢门窗优异的密封、保温、防腐等性能，正日益被人们所认识并得 以大力推广应用。作为这一产业的技术支撑，国内塑料异型材挤出模具工业十 几年来从无到有、从小到大、从弱到强，走过了“进口仿制一自行设计制造 一赶超国外先进水平”的艰难创业之路1 3 。挤出模具是异型材挤出生产中的关 键设备之一，是塑料异型材生产能够适应建筑门窗市场要求的基础。为提高挤 出模具设计制造水平，国内塑料异型材挤出模具c a d 系统在几年前就已研究 成功并得到应用 2 6 2 8 ，而作为连接c a d 与c a m 桥梁，同时也是实现塑料异 型材挤出模具c i m s 系统不可或缺的重要一环的挤出模具c a p p 的开发与应用 却不多见，c a p p 在c i m s 中的作用如图1 1 所示。挤出模具c a p p 技术的研 究开发，可以提高挤出模具零件工艺规程设计效率和质量，保证工艺设计的一 致性、规范化，更重要的是工艺设计数据是指导企业物资采购、生产计划调度、 组织生产、资源平衡、成本核算等重要的依据。 1 3 本论文的主要内容与方法 本文的主要目的是在现有的条件下对塑料异型材挤出模具关键零部件的工 艺设计实现计算机辅助设计与管理。本文主要分六个章节来进行描述，其主要 内容有： 第一章论述了c a p p 技术的基本概念、研究现状和发展趋势，以及塑料异 型材挤出模具c a p p 系统开发的意义和目的。 第二章分析了面向企业工艺设计的特点，根据c a p p 技术的原理和结合塑 料异型材挤出模具的结构特点，提出了系统的总体设计方案，即采用综合式 c a p p 系统对系统进行开发，并构建了系统的框架结构。 第三章论述了c a p p 系统对零件信息描述的基本要求及其各种描述方法， 提出了对塑料异型材挤出模具信息用基于特征描述方法，并详细论述了其特征 的分类和信息模型的建立过程以及零件信息的管理和组织。 第四章详细论述了系统的工艺规程设计过程。根据塑料异型村挤出模具的 结构特点，对其进行分类，提出了以产品类码和零件相结合的工艺流程过程的 实现模式。根据成组技术原理总结出了塑料异型材挤出模具模头模板部分零件 的标准化系列，以及其标准工艺过程。对定型模模板零件根据其零件的特点和 加工要求，从特征的角度出发，详细分析了特征加工工艺知识的数据库描述， 讨论了加工工艺自动生成中的工艺排序和工艺合并问题，提出了针对挤出模具 定型模板零件工艺规程生成采用工序优先级解决方法。 第五章论述了系统的各构成部分的结构以及各相关功能的实现过程。 第六章对前面的整个工作进行简要的归纳总结。 6 第二章系统的总体规划 根据目前塑料异型材挤出模具生产企业的现状和塑料异型材挤出模具工 艺设计的特点，并结合c a p p 系统的原理和发展趋势，我们对塑料异型材挤出 模具计算机辅助工艺设计系统进行了系统规划，本章着重论述了系统的设计思 路和总体规划方案。 2 1 面向企业工艺设计的特点 零件的工艺设计是一项繁杂的工作，工艺人员除了必须考虑零件的结构、 尺寸和精度要求、生产批量、毛坯种类和尺寸、加工方法、工装配备、热处理 要求等众多因素外，还要兼顾企业生产条件、传统工艺习惯，以及各类行业标 准等，所以是一项涉及面广、经验性强的综合性技术工作。工艺设计的特点 2 9 】 如下： 1 经验性工艺设计中所用到的一些经验性知识是靠设计人员在生产 实践中不断摸索获得的。有些经验知识可以通过图表、公式等形式表达出来， 供设计人员参考，但大部分经验知识则无法用数学模型表示出来，而是保存在 设计人员的头脑中。 2 综合性 工艺设计是数值计算、数据检索、图形处理、符号处理、 优化设计、综合评判性的集合。在工艺设计中，毛坯重量、工艺尺寸链、时间 定额等都是通过数值计算完成的。同时在设计中需要查阅和检索大量设计数据， 如公差余量、工序加工余量、机床参数等。工序图形则是以图形方式表达。工 艺设计是在技术上可行、经济上合理条件下的优化设计，存在设计方案的评价、 选择的问题。 3 环境性工艺设计是在特定企业环境下特定工艺设计人员的行为。 工艺设计必须考虑企业的技术水平、机床装备、工人的能力等，同时必须兼顾 企业的配套厂家的技术水平和客户的要求。工艺设计是为企业的发展服务的， 不能存在有意或无意只顾埋头设计而不考虑制造成本的思想。 4 多解性工艺设计是“单输入、多输出”问题，而且设计任务具有 多层次、多目标性。不同的生产条件下，不同的设计人员对同一零件可以设计 出多种方案。 5 创造性产品类型多种多样、形状各异、变化复杂。在设计中，设 计人员不仅要掌握丰富的设计知识，熟悉企业的标准、规范和工艺制度，而且 要求充分发挥自己的创造力，突破常规，大胆创新，不断开发新工艺。 2 2c a p p 系统的分类 根据多年来c a p p 的研究开发成果可用图2 1 所示的五维概念框架【3 0 1 来 刻画c a p p 系统。五个尺度坐标反映了c a p p 技术的不同侧面和研究发展方向， 体现c a p p 的发展踪迹。 规 划 关 联 程 度 规划方法 规划水平 划深度 规划期 圈2 1c a p p 的五维概念模型 按规划方法可将c a p p 系统分成检索式、派生式、创成式、综合智能式。 其中检索式是最早出现的规划方法，其规划能力取决于系统储存工艺的多少。 派生式是按规划对象的相似性进行规划的，它的理论基础是成组技术。其规划 能力取决于相似族的合理划分和相似族的覆盖能力。早期的创成式系统是按决 策树和决策表方法进行工艺决策的，随着专家系统技术的发展和完善，专家系 统决策方法成为大多数刨成式系统所采用的决策方法，其规划能力取决于系统 的知识获取能力、知识库的丰富程度和推理机的推理能力。综合智能式系统除 了综合采用检索、派生方法和各种智能技术进行工艺决策外，强调人在决策中 的作用，它是一种人机协同决策系统，所以可以充分发挥人的作用，弥补各种 智能技术的不足，因此它的决策和规划能力是无限的。 按规划水平可分成宏观、详细和微观规划。不同的工艺规划水平是与企业 生产规划的水平相协调一致的。企业生产规划可分为战略规划、战术规划( 生产 计划) 和作业规划，战略规划是企业级的，战术规划是生产部门级，作业规划是 车间级的。工艺规划的宏观规划、详细规划和微观规划分别与战略规划、战术 规划和作业规划相对应。由于战略规划包括产品发展方向、生产规模、技术发 展水平、新生产设施的兴建等，所以与之对应的工艺宏观规划的重点在工艺能 力规划，工艺宏观规划不需产生详细的加工工艺，只需根据待发展的产品和制 造能力要求制订粗略的工艺路线和制造资源需求计划，给出工艺评价结果。因 此工艺宏观规划是工艺路线级的规划。工艺详细规划与战术规划相对应，企业 战术规划形成的是企业生产计划，此时规划的对象和目标是具体的。战术规划 建立在现有的资源( 人、物、财) 基础上。因此与之对应的工艺规划针对明确的 产品对象，有明确的规划目标，受确定的规划约束条件约束。此时工艺规划应 产生能够指导车间生产的工艺计划，因此工艺详细规划是工序级的。工艺微观 规划与车间作业计划相对应，其规划程度取决于作业计划详细程度，此时往往 需要制订详细的加工参数和技术要求，因此工艺微观规划是工步级的规划。 按规划深度工艺规划分为静态、柔性和动态规划。静态规划基于静态资源， 不考虑制造资源的负荷和变化，产生后一般不进行修改。柔性规划则先不考虑 制造资源的负荷、状态，离线进行粗规划，然后在生产中根据制造资源的变化 情况再调整粗规划，形成适应当前生产状态和生产要求的工艺计划。动态规划 则是在零件制造过程中，完全根据制造系统动态状态进行规划。动态c a p p 规 划系统要求实时地获取制造系统的状态和生产要求，以便其快速地生成工艺计 划。因此动态规划要求制造系统有较高的自动化程度，系统的信息流必须顺畅、 合理。 按规划期工艺规划分为短期规划、中期规划和长期规划。由于企业不同层 次的生产规划有明显的规划期要求，因此工艺规划期与工艺规划水平有着必然 的联系。长期规划与工艺宏观规划相对应，中期规划与工艺详细规划相对应， 而短期规划必然是作业层次的规划，与工艺微观规划相对应。 按规划关联程度工艺规划分为独立、集成和并行规划。规划关联程度从信 息流通与交互角度反映了工艺规划与制造系统中相关生产活动之间的关系。独 立规划就是不采用信息集成技术与其它生产活动系统( 如c a d 、p p s 、m i s 系统 等) 进行信息集成而进行的规划。集成规划则是采用信息集成技术，使c a p p 系 统与c a d 、c a m 、m i s 等系统进行信息集成，它强调了整个生产系统中各个 信息枢纽、站点之间的信息联系与流通，使信息流在不同的区段具有基本相同 的流动速度，使各个信息枢纽和站点具有相匹配的处理速度与处理能力，同时 建立了枢纽与站点之间相互访问的机制。并行规划强调工艺规戈4 与企业中相关 规划与生产活动的协同。它建立在并行工程概念与技术基础上。并行工艺规划 要求在正确的时间向正确的地点发送规划结果信息，在正确的时间从正确的地 点提取所需要的信息，同时建立在整个企业( 系统) 生产协同规划的机制上。 我们平时所说的c a p p 系统就是按规划方法划分的，即检索式、派生式、 创成式、综合智能式c a p p 系统。在企业的实际生产过程中，不管是用什么方 式进行工艺过程设计，其最终目的都只有一个，就是要真正满足企业的需要， 解决企业的实际问题。 9 2 3 挤出模具零件机械加工工艺计算机辅助设计规划 2 3 1 工艺设计中的基本概念 机械加工工艺过程是指通过切削加工，使零件达到设计所要求的形状、尺 寸和表面粗糙度。它一般可递阶地分解为工序、装夹、工位、工步等步骤。工 序是工艺过程最重要的一种步骤划分的结果，它是指同一个操作者在同一台设 备上，对同一个工件连续完成的那一部分加工过程。这意味着只要操作者、加 工设备、工件这三者中改变了任个或者虽然这三者都无改变，但加工过程却 是不连续的，则均将成为另一道工序。有时，一道工序需要通过对工件进行几 次装夹，甚至每次装夹下还要通过变换几个位置才能完成。这里，装夹是表示 在对工件一次定位装夹下所完成的加工。用工位表示工件在某一个位置上所完 成的加工。每一次装夹又可进一步分为若干个工步。工步是指对同一个切削表 面，采用同一把切削刀具，选择同一组切削用量所进行的那部分加工。图2 2 表示了工艺过程、工序、装夹、工位、工步之间的递阶关系。 图2 2机械加工工艺过程的组成 显然，制定机械加工工艺过程的核心内容便是工序设计。一般，工艺过程 制定的结果是用表格的形式来表达，称为工艺卡片。常用的工艺卡片有；工艺 过程卡和工序卡。工艺过程卡用于表示零件机械加工的全貌和大致加工流程， 1 0 它只反映工序序号、工序名称和各工序的概要内容以及完成该道工序的车间、 设备，有的还可能标出工序时间，工序卡片则要表示每一道加工工序的情况， 内容比较详细。 2 3 2 挤出模具结构工艺特点 模具零件在结构上有这样的特点：关键部位一模腔部分的结构复杂多变， 而除去模腔以外的其它部分的结构基本上已经实现了标准化和系列化。挤出模 具零件除了和其他许多模具零件一样，其标准规格有明显的工艺特征以外，还 有其自身的一些特点： 1 挤出模具与其他许多模具零件不同，它不是组装成一个整体，而是由 结构和制造工艺完全不同的两部分( 模头和定型模) ，分成多个相分离的部件( 模 头和多级定型模) 组成。 2 挤出模具两部分零件基本工艺过程各自相似，如作为挤出模具关键部 件的模头，其各模块零件的模腔加工，主要采用电脉冲或数控线切割机床完成； 而定型模各模板零件的型腔加工，则主要采用刨床、铣床、磨床等通用的机械 加工设备进行加工。 3 模腔复杂的结构，对各模板零件的加工方法影响较大，对定型模模板 的影响尤为突出。 2 3 3 挤出模具零件机械加工工艺计算机辅助设计规划 仔细分析前面的几种类型的c a p p 系统，从系统中工艺文件产生的方式可 以看出：检索式系统针对的是零件变化不大且相似程度很高，可以将其工艺规 程输入计算机，在需要时直接从计算机中调出即可，而在挤出模具零件中的一 些常规零件如发兰盘、多孔板等属于这类零件，它们的工艺规程可以用检索式 系统来实现：派生式系统建立在成组技术的基础上，必须有样板工艺文件，只 能针对某些具有相似性的零件产生工艺文件，而在挤出模具零件中，模头部分 零件通过成组技术原理进行分类归纳，可以建立样板工艺文件，再结合模腔部 分的特殊加工要求从而可形成其工艺规程，而对于受型腔影响特别大的定型模 模板零件其工艺过程的制定却不易用派生式系统解决。而创成式c a p p 系统虽 然基于专家系统，自动生成工艺文件，但需要输入全面的零件信息，系统要确 定零件的加工路线、定位基准、装夹方式等，从工艺设计的特殊性及其个性化 分析，这些知识的表达和推理无法很好的实现，正是由于知识表达的“瓶颈” 与理论推理的“匹配冲突”至今无法很好的解决，自优化和自完善功能差，c a p p 的专家系统方法仍停留在理论研究和简单应用阶段。因此，针对挤出模具定型 模板零件，为了避免系统推理上匹配冲突，在特征工艺知识库描述时，结合塑 料异型材挤出模具生产企业比较成熟的工艺路线和常规特征加工方法，尽量避 免具有相同特征参数的同一特征对应多种加工方案的出现。同时特征加工工艺 知识库以数据库的形式完全开放，随时可以随着加工方法和环境的变化来增删 和修改特征加工工艺知识库中的内容，以适应各种新的加工方法和加工环境的 变化。 综合考虑挤出模具零件的结构特点和各种c a p p 系统的优缺点，我们采用 综合式c a p p 系统的指导思想与方法，进行塑料挤出模具c a p p 系统的研究与 开发。它根据挤出模具零件的不同的结构特点而采用不同的工艺实现方法。这 种系统既有检索式和派生式可靠成熟、结构简单、便于使用和维护的优点，又 有创成式系统能够储存、积累、应用工艺专家知识的优点。同时便于结合塑料 异型材挤出模具生产企业的现状进行开发，是一种实用性很强c a p p 模式。 2 4 系统开发设计思想 1 尽量采用挤出模具生产企业现有通用的软硬件环境及先进的管理系统 开发方案，从而达到充分利用挤出模具企业现有资源。 2 系统应符合企业有关工艺设计和管理的规定，满足企业正常的加工制 造需要，并达到操作过程中的直观、方便、实用、安全等要求。 3 系统采用模块化程序设计方法，既便于系统功能的各种组合和修改， 又便于未参与开发的技术维护人员补充、维护。 4 系统应具备数据库维护功能，及时根据用户需求进行数据的添加、删 除、备份等操作。 2 5 系统功能模块设计 挤出模具c a p p 系统的总体框架结构如图2 3 所示。 系统主要由七大模块组成，分别是系统总控模块，零件信息输入模块，工 艺设计模块，工艺编辑修改模块，工艺查询模块，工艺输出模块，系统维护模 块。 系统总控模块：是整个c a p p 系统的基础，用来协调、控制其他各模块的 作用。其主要功能是完成每个模块调用时，保存当前的系统环境并对调用模块 的新环境进行设置；在模块调用后进行数据处理，并恢复调用之前保存的系统 环境。它能协调各模块之间的信息传递，使各模块连接成一个有机的整体并保 证系统可靠运行。 零件信息输入模块：负责输入零件管理信息、材料类别以及从c a d 系统 中提取出的零件造型特征及其特征属性，并需要体现出零件工艺过程。 工艺设计模块：是系统的核心，在此进行工艺决策，形成的工艺文件可直 接存入工艺文件库，或经过编辑修改模块后，形成工艺文件存入工艺文件库， 若需要，可通过打印输出模块实现工艺文件的打印输出，也可通过工艺查询模 1 2 块浏览工艺文件库中的文件或作修改。 系统维护模块主要用于对工艺知识库中各特征的加工工艺知识和决策的维 护管理，同时对工艺资源库中的加工设备、工装夹具及刀具、量具以及工艺参 数等进行维护和管理，它是实现系统可扩充性必然要求。 图2 3挤出模具c a p p 系统的总体框架结构图 第三章基于特征的挤出模具零件信息建模 计算机辅助工艺规划系统的核心主要包括两大部分：信息模型层面和功能 单元层面。其中信息模型族主要包括三个模型：零件信息模型、工艺规程模型 和制造资源模型【3 ”。零件信息是c a p p 系统进行工艺决策的基础和依据。零件 信息的描述方法和组织结构将直接影响到c a p p 进行工艺决策的方式、效率。 零件信息的多样化和复杂性是c a p p 系统对其进行描述和组织管理的困难所 在。针对这种情况，本文提出了基于特征的挤出模具零件信息的描述与组织方 法，并在此基础上建立了一个基于特征的挤出模具零件信息模型，以实现对工 艺决策过程的支持。 3 1c a p p 系统对零件信息描述技术的要求 零件的工艺设计是一项繁杂的工作，工艺人员除了必须考虑零件的结构、 尺寸和精度要求、生产批量、毛坯种类和尺寸、加工方法、工装配备、热处理 要求等众多因素外，还要兼顾企业生产条件、传统工艺习惯，以及各类行业标 准等，所以是一项涉及面广、经验性强的综合性技术工作。进行工艺设计所需 处理的信息不仅是大量的，而且信息之间的关系错综复杂，这就使得信息输入 成为c a p p 系统中的关键技术。一般认为，零件的信息从制造的观点来看通常 包括以下几个部分： 1 总体信息 零件的总体信息是对零件全面而概括的描述，它包括零件批量、毛坯类型 及名称等管理信息，材料类型、性质和热处理状态等材料信息以及未注表面粗 糙度、圆角、未注公差的自由尺寸等技术信息，零件的总体信息对于加工、管 理和使用都是十分重要的，也是特征描述的重要信息来源。 2 几何信息 零件的几何信息是指与描述零件的几何形状相关的信息集合，包括形状、 尺寸、坐标等信息。 3 精度信息 零件的精度信息是指描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合， 包括表面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等信息。 4 位置信息 零件的位置信息是指零件上的各类特征在零件中所处的位置的信息集合， 包括特征的位置尺寸和方向等信息。 总的来说，零件信息描述系统必须满足下列要求： ( 1 ) 信息的描述要简明、准确、完整： ( 2 ) 信息的描述方法易于掌握和理解： 1 4 ( 3 ) 应与工艺决策过程中的信息处理方法相适应，支持工艺决策的进行； ( 4 ) 信息的描述应便于c a p p 系统识别和方便用户操作。 目前在开发c a p p 系统时，针对不同的零件和应用环境，提出了很多的零 件信息描述与输入方法，下面介绍一些主要的方法【32 1 。 1 零件分类编码描述法 在早期的c a p p 系统中，一般采用零件分类编码系统，输入零件的编码以 及一些补充信息，用零件编码来粗略描述零件的形状、尺寸、精度等信息。这 种方法简单易行，但它对零件的描述过粗，对零件的具体形状、尺寸及精度等 无法描述得十分清楚，使得c a p p 系统不能得到足够的信息来详细、合理地进 行工艺决策。在所研制的c a p p 系统中，一般很少单独采用此方法来描述零件， 这种输入方法适用于检索式c a p p 系统。 2 形面要素描述法 为了达到详细描述零件的目的，把一个零件看作是由若干个基本的几何要 素所组成，将这些几何要素分为主要形面要素、次要形面要素和辅助形面要素。 主要形面要素是指外表面的主要要素( 外圆面、外锥面、外螺纹、外花键等外 形特征) 和内表面主要要素( 主要孔、锥孔、内螺纹、花键孔等内部特征) ，由 它们构造出零件的主要整体形状。主要形面要素必须按它们在零件上出现的位 置依次进行描述。次要和辅助形面要素则包括退刀槽、直槽、径向孔、轴向孔、 倒角、圆角等，一般它们都依附于某一个主要形面要素，完成某种特定功能或 改善零件的加工工艺性能。 对零件的各个形面要素进行编号，并对零件按其特点划分成若干个单独的 区段，以便能正确地输入零件各形面要素的尺寸、位置、精度、租糙度等信息。 利用这种输入方法虽然比较繁琐、费时，但是它可以比较完善、准确地输入零 件的图形信息。这种方法比较适合于描述回转体零件，对于非回转体零件的形 面描述有一定难度。 3 拓扑描述法 拓扑学的观点认为，三维零件包括有限数量的元素，如点、线、面、体， 这些元素可以看成是一些单元，因此一个零件可以用一组单元来表示，这种方 法可以详尽地描述零件的结构，但对于c a p p 系统来说，用于工艺决策的信息 不需要如此详细，况且这种方法缺少c a p p 所需要的工艺信息，因此主要适用 于c a d 系统。 4 面向零件