（机械制造及其自动化专业论文）基于三维cad的商品化capp系统研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 三维c a d 技术在企业的应用已经有了一定的舰模，但是基于三维c a d 的c a p p 系 统的研制才刚刚起步。本文对基于三维c a d 的商品化c a p p 系统进行了一系列的理论研 究，并结合企业的需求，开发了原型系统，实现了系统的主要功能。 本文的主要内容如下： 根据企业应用c a p p 的状况对企业的需求作了分析，描述了系统的总体目标：提 出适合中国制造业的工艺设计模式和基于c a p p 工具平台的数字化工艺解决方案，开发 基于三维c a d 的集成化的工艺系统；建立面向成套装备、汽车、数控装备行业推广应 用的基于三维c a d 的专用c a p p 工具平台。并对系统的主要技术指标进行了描述。 提出了基于c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 技术的多层系统结构，并对支撑这 一结构的关键技术的应用进行了介绍。该架构，分为核心基础层、平台框架层、应用 层。整个系统基于c o m 技术，各子系统之间通过c o m 接l 7 进行信息交流， x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) 文件作为信息传递的载体，数据库系统对数据进 行存储和管理。 对整个系统设计过程中涉及到的主要技术问题的解决方案进行了详细的探讨和 研究。涉及到的主要技术问题包括工艺信息在x m l 文件中的存储方式，在基于三维c a d 的工艺设计中需要解决的问题等等。 开发了原型系统，对基于三维c a d 的c a p p 系统原型系统的工艺设计过程进行了 描述。对原型系统具体的工艺实现过程，从加工工艺设计以及装配工艺设计两个方面 展开了介绍。 关键词：三维c a d )c a p p特征特征参数化 商品化 华中科技大学硕士学位论文 = ! ! = = = = = = = _ = = = = = = = = 目= = = # = = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o no f3 d c a dt oe n t e r p r i s er e a c h e sah i g hl e v e lt o d a y , b u tt h es t u d yo f c a p p s y s t e m b a s e do n3 dc a d j u s ts t a r t s t h i st h e s i sm a k e s s e r i a lf u n d a m e n t a lr e s e a r c h e s o nc o m m e r c i a lc a p ps y s t e mb a s e do n3 dc a d ，a n di ta l s op r o v i d e sap r o t o t y p es y s t e m w i t hm a i nf u n c t i o n sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s e t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i sa r es h o w na sf b l l o w s ： a n a l y s e st h er e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s eb a s e do f f t h es t a t et h a tt h e ya p p l yc a p pt o m a n u f a c t u r i n g , a n dd e s c r i b e st h ei n t e g r a lg o a lo ft h es y s t e m ：p u t t i n gf o r w a r dt h ep r o c e s s d e s i g nm o d ea d a p t e dt om a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi nc h i n aa n d t h eb l u ep r i n to fd i g i t a lc a p p b a s e do ut o o l p l a t f o r m ，d e v e l o p i n gi n t e g r a t e d c a p ps y s t e mb a s e do n3 dc a da n d f o u n d i n gs p e c i a lc a p p t o o ls y s t e mb a s e do n3 dc a do r i e n t e dt ow h o l es e te q u i p m e n t ， a u t o m o b i l ea n dn u m e r i c a lc o n t r o li n d u s t r y i ta l s od e s c r i b e st h em a i nt e c h n o l o g yt a r g e t so f t h es y s t e m b r i n g sf o r w a r dm u l t i l a y e rs y s t e m s t r u c t u r eb a s e do nc o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ) a n di n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c hs u p p o r tt h i ss t r u c t u r e t h i s s t r u c t u r ei sc l a s s i f i e da sc o r el a y e r , p l a t f o r mf r a m el a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r t h ew h o l e s y s t e mi s b a s e do nc o m t e c h n o l o g ya n dd a t ao fc h i l ds y s t e mi st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h e i n t e r f a c eo fc o m o b j e c t i nt h i sp r o c e s s ，x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) f i l ei st h e c a r r i e rt h a tc a r r i e si n f o r m a t i o na n dd a t a b a s es y s t e ms t o r e sa n dm a n a g e sd a t a d i s c u s s e st h er e s o l v e n t st ot h em a i nt e c h n o l o g yp r o b l e m st h a tn e e dt ob es o l v e d d u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so fs y s t e md e s i g n t h em a i np r o b l e m si n c l u d eh o wi n f o r m a t i o n s t o r ei nx m lf i l ea n ds o m e p r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e dd u r i n gt h ep r o c e s so ft e c h n i c s d e s i g n d e v e l o p st h ep r o t o t y p es y s t e ma n dd e s c r i b e st h ep r o c e s so ft e c h n i c sd e s i g no ft h i s c a p pp r o t o t y p e s y s t e mb a s e do n3 dc a d t ot h ep r o c e s so ft e c h n i c sd e s i g no ft h e p r o t o t y p es y s t e m ，i n t r o d u c e st h ed e s i g no fm a c h i n i n gp r o c e s sa n dt h ed e s i g no fa s s e m b l y p r o c e s s k e yw o r d s ：3 dc a dc a p p f e a t u r e p a r a m e t e r i z e df e a t u r e c o m m e r c i a l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：维修 日期：2 口口牟年乒月_ 三乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分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和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：强俊 e t 期：加雌年年月2 多日 指导教师繇辫勿 日期：o d 啤年口月2 8 日 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = 口= = 。= = = = = = = ；= = = = = = ；= = = # = = = = ； 1 1 课题的来源、目的和意义 1 绪论 本课题的来源是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“装备与汽车制造业 c a p p 系统开发及应用”( b 一卜2 ) 。 自科技部“c a d 应用工程”实施以来，我国在c a d 产业化方面取得了突破性进展， 数十万企业成功地甩掉了图板，二维c a d 在企业得到了广泛应用，改善了传统手工设 计的落后现状，为后续的企业信息化建设打下了基础。近年来，随着我国制造业信息 化步伐的加快，为了进一步提高设计能力和产品创新能力，有些企业开始逐步引入三 维c a d 系统。用于重点产品关键零部件的三维建模。例如在中国东方集团、成都飞 机制造公司等应用了p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、u g 等三维软件进行产品设计，在江铃汽 车、东风汽车股份有限公司采用了p r o e n g i n e e r 、u g 等三维软件进行产品设计。据国 家c a d 应用办公室对全国2 3 7 家c a d 应用工程示范企业做了调查后发现，c a d 技术应 用发展的趋势之一，已从二维绘图逐渐向三维设计过渡【1 i 。我国在“十五”8 6 3 汁划中， 把三维c a d 软件的开发和应用也作为了重中之重的一项课题。 但与此同时，作为企业信息化集成系统中重要一环的c a p p ，目前很多还停留在解 决工艺设计中的事务性、管理性工作的阶段，即主要解决工艺设计中资料查找、表格 填写、数据计算与分类汇总等繁琐、重复而又适合使用计算机辅助方法的工作。虽然 有一些企业开发的c a p p 系统在自动工艺设计和信息化软件系统集成方面也已经开展 了一些工作，如兼窖某些典型零件的派生式工艺设计、基于设计模型可视化工艺尺寸 链分析等工作，也有些c a p p 软件投入到企业的实际使用中去，但与同类的c a d 、c a m 的软件技术相比，c a p p 软件的发展却大大落后伪，c a p p 在应用方面仍是薄弱环节， 离真正的商品化还有很大的距离，尤其是在和三维c a d 的集成上。目前通用c a p p 系统 与三维c a d 系统集成的深度还很不够，还无法实现基于三维c a d 的装配关系检查与仿 真、装配工艺爆炸图的编辑、产品工艺性评价与审核等功能。随着国内三维c a d 的发 展和成熟，c a p p 能否与三维c a d 很好的集成成为c a p p 推广应用的关键。 为了让c a p p 能够跟上三维c a d 的发展，进一步地发挥c a p p 在整个生产活动中的 信息中枢和功能调节作用，推动中国企业信息化建设的步伐，国家“十五”8 6 3 计划 中设立了“装备与汽车制造业c a p p 系统开发及应用”课题，最终选择了武汉开目信息 技术有限责任公司等几家公司，对这个课题进行研究，并提供先进的技术方案。 华中科技大学硕士学位论又 ! ! = = = ；2 。口= = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = 目= = 通过本项目的研究和开发，拟实现基于三维c a d 的c a p p 系统相关关键技术的突破， 带动三维c a d 系统在企业的普及推广和应用深化，完成基于三维c a d 的c a p p 系统软件 平台的开发，使系统具有良好的柔性、开放性，支持行业二次开发，充分满足企业工 艺变化和发展的要求；完成针对成套装备、汽车、数控等典型行业的专题应用开发， 提供这些行业应用专用工具集，提升工艺设计的效率、质量和水平。项目将实现和若 干国家8 6 3 计划资助的三维c a d 软件的集成，带动国产三维c a d 系统在成套装备、汽 车、数控等典型行业的推广应用工作。 研究开发面向成套装备、汽车、数控装备业的基于三维c a d 的集成化c a p p 系统， 将有力地促进c a p p 系统的智能化、工具化、集成化和网络化，对制造业信息化具有积 极的促进意义，对打破外国对我国信息技术及产品市场的垄断、发展我国民族工业、 推动国内高技术产品参与国际市场竞争也具有较为重要的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1三维c a d ) 的研究和产业化历程 自从2 0 世纪5 0 年代c a d 技术发展以来，三维设计技术到今天经历了几次大的 技术革命：( 3 l ( 1 ) 基于馥面模型基础上的三维设计。曲面模型主要研究在计算机图像系统的环 境下对曲面的表示、设计、显示、和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外 形放样工艺，由c o o n s 、b e z i e r 等大师于2 0 世纪6 0 年代奠定其理论基础。进入2 0 世纪7 0 年代，法国人提出贝赛尔算法，法国达索飞机制造公司基于此算法，开发出以 表面模型为特点的三维造型系统c a t i a 。 ( 2 ) 基于实体模型基础上的三维设计。实体造型技术就是用计算机系统来建造、 表示、分析和输出实体模型，是c a d c a m 系统的核心技术，也是实现计算机辅助三维 设计的基本手段。与曲面模型不同，实体模型规定了表面完整的拓朴关系，从形体的 任意一个面都可以遍历它所有的面、边和点，并规定了面的哪一侧是实体。实体模型 能够反映外部模型比较完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。它既能消除隐藏 线，产生有明显效应的立体图像，又可以计算物体质量特性，进行装配体或运动系统 的空间干涉检查、有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等。s d r c 公司于 1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。 实体造型技术的普及应用标志着三维设计发展史上的第二次技术革命。 ( 3 ) 基于参数化技术基础上的三维设计。参数化实体造型方法是一种基于特征、 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = # = = j = # = = = = = = = = = = = = = = ； 全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的造型方法，设计者只需要更改尺寸参 数，几何及图形立即依照尺寸变更。参数化技术大致可分为基于几何约束的数学方法、 基于几何原理的人工智能方法、基于特征模型的造型方法三种。参数化实体造型的方 法最早在2 0 世纪8 0 年代中期由c v 公司副总裁为首的一批人提出，最终由他们脱离 c v 公司后成立的p t c 公司开发出基于参数化实体造型的三维设计软件p r o e n g i n e e r 。 参数化技术的应用主导了三维设计发展史上的第三次技术革命。 ( 4 ) 基于变量化技术基础上的三维设计。变量化技术由s d r c 公司在2 0 世纪9 0 年代初提出，这一被业界称为2 1 世纪c a d 领域具有革命性突破的新技术就是v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) ，即超变量化几何。v g x 扩展了变量化产品结构， 允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征到设计约束都可以 进行实时直接操作。s d r c 公司于1 9 9 3 年推出了基于这种技术的全新体系结构的i d e a s m a s t e rs e r i e s 软件。变量化技术的应用，驱动了三维设计发展史上的第四次技术革 命。 ( 5 ) 基于行为建模基础上的三维设计。行为建模技术是这样一种技术：它通过综 合所需的功能行为、设计内容和几何要求来达到设计的完美。通过知识捕捉和交互求 解的智能过程，行为建模使工程师追求新颖的设计，并能在需要改动时演示设计功能 和设计稳定性。行为建模工具能捕捉用户的设计意图，且能自动地建立虚拟模型来满 足多个优化目标。行为建模使设计者更为有效地、用更适合的方法解决工程问题。行 为建模技术是p t c 公司p r o e n g i n e e r 的核心，被称为第五代c a d 技术。 在中国，三维c a d 产业的发展相对落后，主要经历了三个阶段： 第一阶段，2 0 世纪8 0 年代，我国三维c a d 软件产业处于学术研究，主要是结合 典型需求方面的学术研究阶段。这个阶段尚未形成三维c a d 系统产品。 第二阶段是2 0 世纪8 0 年代末至“九五”，这一阶段是三维c a d 理论、技术研究和 成果转化阶段，相应地出现了一些三维c a d 系统软件。如北航的p a n d a 系统、清华的 g e m s 系统、浙大的“大天”等等。这些原型系统还不是很好的商品化软件产品。这一 阶段，也出现了些用国外三维c a d 软件内核如a c i s 、p a r a s o l i d 开发的应用软件， 如北航的红地、华中的天喻等等。 第三阶段，进入“十五”计划中期，以8 6 3 计划为主导，以实现自主知识产权三 维c a d 软件产品开发为目标的产业化发展阶段。这一阶段，既有自主知识产权的三维 c a d 软件内核的开发，也有将原来基于国外内核开发的应用系统做成新的、面向行业 应用的三维c a d 。 3 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = ! = = = = = = = = ；= = = ；= = = = 目= = = 日一 1 2 2c a p p 的研发历程与现状 c a p p 软件是研究和发展较早的软件技术之一。国外从6 0 年代末开始研究c a p p 技 术。第一个c a p p 系统是挪威于1 9 6 9 年发表的a u t o p r o s 系统。它是根据成组技术原理。 利用零件的相似性去检索和修改标准工艺来制定相应的零件规程。美国的c a m i 公司 于1 9 7 6 年推出的c a m ia u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统具有里程碑意义，它属于 派生式系统，是一种可在微机上运行的结构简单的小型程序系统，其工作原理也是基 于成组技术原理嘲。图卜1 为该系统的流程框图。 = = 二二：= ：! i 应用程序i ：型! 一； ，一 ：工作处 理摆虎一 图卜1c a m ia u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统流程框图 7 0 年代中期开始了创成式系统的研究与开发。很快被认为是理想的发展模式，但 其技术至今仍不完善，因此人们又提出了半刨成式系统。进入8 0 年代以来，随着人工 智能与专家系统技术在c a p p 领域中的应用，产生了所谓c a p p 专家系统【l 。但这种系 统还不够完善，实用性较差。从9 0 年代至今，先后出现了基于低端数据库( f o x p r o 等) 开发的c a p p 系统，基于a u t o c a d 或自主图形平台丌发的c a p p 系统，完全基于数据库， 采用交互式设计方式、注重数据的管理与集成的综合式平台类c a p p 系统等系统。随着 三维c a d 软件的快速发展，在二维c a d 和c a p p 集成的基础上，目前基于三维c a d 的 c a p p 系统逐渐成为研究的热点之。 我国研究c a p p 系统是始于7 0 年代末，从1 9 8 2 年上海同济大学正式发表了我国第 一个c a p p 系统t o j i c a p p ，至今已开发各类c a p p 有近百种，几乎遍及所有行业的机械 制造部门1 7 1 。经过3 0 多年的历程，国内对c a p p 技术已进行了大量的探讨与研究，无 华中科技大学硕士学位论文 论在研究的深度上和广度上都不断取得进展，但是，在很多方面尤其是在基于三维c a d 的c a p p 技术上才刚刚起步。同c a d 、c a m 等计算机辅助技术相比，c a p p 在应用方面仍 是薄弱环节。 在国内，许多企业里，加工部门早已用上了c a m 软件，产品的设计部门也早已甩 掉了图板，甚至用上了三维的设计和分析软件，而c a p p 软件在企业的应用却相当有限， 众多工艺设计部门迟迟扔不了钢笔，仍然重复着几十年来的工作习惯和方法，个别企 业为了追求计算机应用的普及，使用一些通用的办公软件，或者二维c a d 软件来代替 c a p p 工作。9 0 年代中后期，制造业的企业信息集成成为大家关注的热门话题，在一些 企业实施了企业级的p d m 或m r p i i 甚至e r p 软件后，才发现c a p p 成为企业信息化建设 的瓶颈。 回顾我国c a p p 系统的发展历程，二十余年时间内经历了如下几类产品的演变和发 展： ( 1 ) 1 9 8 2 1 9 9 5 ，基于智能化和专家系统思想开发的c a p p 系统。强调工艺设计的 自动化，忽略人在工艺决策中的作用嘲。 在相当长时间内，c a p p 系统一直以代替工艺人员的自动化系统为目标，强调工艺 决策的自动化，开发了若干派生式( v a r i a n t ) 、创成式( g e n e r a t i v e ) 以及综合式( h y b r i d ) 的c a p p 系统。这些c a p p 系统中，无论是派生式或色成式，都以利用智能化和专家系 统方法，自动或半自动编制工艺规程为主要目标。 派生式c a p p 系统主要利用零件工艺过程的相似性，通过搜索相似典型零件的工艺 过程，加以增删或编辑而派生出一个新零件的工艺过程。派生式工艺过程以成组技术 为理论基础，利用其相似性原理和零件分类编码系统，因此有系统理论指导，比较成 熟，有较好的实用价值，是目前应用最广泛的一类系统，一般实用于结构简单且具有 较强相似性的零件。但是，在零件相似性较差以及生产环境变化较快的情况下，这些 系统则难以胜任嗍。派生式c a p p 系统的系统功能框图如图卜2 ： 5 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 2 派生砖c a p p 系统的系统功能框图 创成式c a p p 系统不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中收集大量的工 艺数据、加工知识，在此基础上建立一系列的决策逻辑，形成工艺数掘库和加工数据 库，在基本不用人工干预的情形下，自动生成零件的工艺规程。这种系统不满足于宏 观层次的模拟，而是深入到工艺设计过程的内部。对其各个决策环节进行分析和计算 机模拟，从而揭开了对工艺设计决策内在规律和本质研究的序幕，因而必然具有更高 的柔性和更宽的实用范围。但是，由于工艺决策随制造环境变化的多变性及复杂性等 因素，对于结构复杂、多样的零件实现创成式c a p p 系统非常困难嗍。创成式c a p p 系统的系统功能框图如图卜3 ： 图1 _ 3 创成式c p p 系统的系统功能框图 6 华中科技大学硕士学位论文 ：= ：= = = = = = = = ! ! ! = = = = = = = = = = ；= = = = = # = = = = ； 迄今为止国内外还没有兼具实用性和通用性，真正商品化的自动工艺设舌f c a p p 系统。2 0 世纪9 0 年代中期以来，主流的c a p p 系统丌发者已基本停止了这类系统的研 制，但多年来积累的研究成果、经验和教训仍然值得重视。 ( 2 ) 1 9 9 5 年至今，基于服务顾客、优先解决事务性、管理性工作的理念开发的 c a p p 工具系统。这类系统以解决第二类，即工艺管理问题为主要目标。相对第一类问 题，第二类问题更便于用计算机解决。 2 0 世纪9 0 年代中后期，c a p p 工具系统在实用性、通用性和商品化等方面取得了 突破性进展。这类c a p p 工具系统在认真分析顾客需求的基础上，以解决工艺设计中的 事务性、管理性工作为首要目标，首先解决工艺设计中资料查找、表格填写、数据计 算与分类汇总等既繁琐、重复而又适合使用计算机辅助方法的工作。 这类c a p p 系统对企业需求进行了认真分析：第一。企业的工艺部门的个性很强， 随企业的产品不同、生产模式不同，工艺方面差异很大，要求c a p p 软件必须是一种工 具化的产品，能够通过定制或配置，满足企业的需求。第二，工艺设计企业的加工设 备、工艺装备、工艺手段、典型工艺等工艺资源。目前大部分企业对工艺资源缺乏管 理。因此，工艺部门要求c a p p 软件必须提供一种工具，将企业的工艺资源有效地管理 起来。第三，工艺设计由许多不同性质的予任务组成，涉及到多个部门和人员。这就 要求工艺软件提供一种角色和权限机制，提供产品级的工艺编制功能和零件级的工艺 编制功能。 基于以上分析，说明c a p p 系统的应用，并不是一个简单的选择软件的问题，不是 买来现成的商品化系统直接使用，而是选择一个包含需求分析、总体规划、软件实施 与培训、定制开发等方面的一个解决方案。 这类c a p p 工具系统在实施时一般遵循以下步骤：第一，需求分析。包括调查企业 工艺部门的组织结构、工艺类型、工艺编制的流程、相应的工艺卡片，分析企业的工 艺资源和工艺汇总要求等内容。第二，总体规划。软件公司进行需求分析后，应该向 企业提交需求分析报告、软件实施方案和培训计划等。再由企业的有关领导和有经验 的技术人员确认。第三，软件实施与培训。在软件实施的总体方案确定以后，软件公 司的项目实施人员就应该和企业的技术人员一起，建立网络化的工艺资源库。第四， 定制开发。对一些特殊的技术问题，进行适当的定制开发。 c a p p 工具系统在市场上取得了很大的成功，顾客群既有大中型国有企业，国家 c i m s 示范工程企业，也有小型私营企业。覆盖的行业包括汽车、工程机械、空调、机 床、电机等行业。 这类系统的实用性和通用性较好，对推动企业信息化进程、培养企业的c a p p 人才 7 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 目= i = = # = _ = = 口 起到了良好作用，是c a p p 系统发展阶段中的一个必由阶段。但第二类c a p p 系统在将 工艺专家的经验、知识集中起来指导工艺设计、为工艺设计人员提供合理的参考工艺 方案、与c a d 、c a m 、p d m 、e r p 等系统麸享信息等方面都有所局限。 ( 3 ) 1 9 9 9 年至今，直接由二维或三维c a d 设计模型获取工艺输入信息，基于知 识库和数据库、关键环节采用交互式设计方式并提供参考工艺方案的c a p p 工具系统。 此类系统在保持解决事务性、管理性： 作优点的同时，在更高的层次上致力于加强 c a p p 系统的智能化工具能力，将c a p p 技术与系统视为企业信息化集成软件中的一环， 为c a d c a e c a p p c a m p d m 集成提供全面基础。 现有的c a p p 系统在解决事务性、管理性任务的同时，在自动工艺设计和信息化软 件系统集成方面也已经开展了一些工作。如兼容某些典型零件的派生式工艺设计、基 于设计模型可视化工艺尺寸链分析等工作。 在各种c a x 系统集成方面，c a p p 系统需要与其他系统协同发展。如基于特征的工 艺设计要求c a d 系统基于特征的造型，随着国内三维c a d 的发展和成熟，基于三维特 征造型的c a p p 系统将是一个重要的发展方向。 第三类c a p p 系统，目前还未形成商品化。这主要是因为c a d 系统通常仅对零件 的几何信息进行描述，并不能为c a p p 系统提供所需的工艺信息，而且c a d 系统以 什么方式和c a p p 系统集成，基于三维c a d 的工艺知识库怎样表达、获取和应用， 工艺信息以怎样的方式存储、传递等等问题都还未很好地解决。本文正是针对这些问 题对基于三维c a d 的c a p p 系统进行了研究，对这一类系统的研究正成为c a p p 研究的 热点之一。 1 2 3a 谨p 的发展趋势 纵观先进制造技术与先迸制造系统的发展，我们可以看到，未来的制造是基于集 成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“网络化”制造。未来的产品是基于信息和知 识的产品，而c a p p 的智能化、集成化和广泛应用是实现产品工艺过程信息化的前提， 是实现产品设计与产品制造全过程集成的关键性环节之一。从我国先进制造技术发展 战略和国情出发，c a p p 的发展应在符合新技术发展趋势的前提下，从系统化角度对面 向产品( 以整个产品为对象) 的c a p p 集成化( 包含工艺信息管理) 、智能化、工程化技术 进行深入研究，并应更加强调市场需求，在工程化、商品化软件开发方面投入足够的 力量，把c a p p 技术的研究、开发推向新阶段i i 。 随着国家对制造业信息化政策的制订和落实，制造技术的进展。近年来商品化 8 华中科技大学硕士学位论文 一- = = = = = = = = = = # ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = c a p p 系统的普及应用，c a p p 技术和系统的发展趋势将是： ( 1 ) 知识化、智能化。c a p p 系统不会停留在以解决事务性、管理性工作为主的 阶段。随着计算机集成制造系统( c i m s ) 、并行工程( c e ) 、智能制造系统( i m s ) 等先进生 产模式的提出和应用，c a p p 所要处理问题的广度、深度增加，处理的知识量也急剧增 加，工艺知识的系统化处理技术逐步受到重视【l 姐。基于知识的c a p p 系统除了作为工 艺设计辅助工具，而且还有将工艺专家的经验和知识积累起来并加以充分利用的任务。 在知识化的基础上，c a p p 系统应从实际出发，从工艺设计在工序、特征形体层面或在 全过程提供备选的工艺方案，并根据操作者的工作记录进行各种层次的自学习、自适 应： ( 2 ) 工具化、工程化。尽管国内外已丌发出为数众多的c a p p 系统，但大多是原 型系统，从应用范围的角度讲存在一定的局限性【1 3 1 。这主要是因为各企业的工艺环境、 管理模式千差万别，c a p p 既要适应各企业的具体情况，又要控制针对具体企业的实施 工作量、提高通用性，就需要加强c a p p 系统的工具化和工程化。工具化应体现在有一 组工艺工具，这组工具在功能上能达到辅助工艺人员编制工艺的作用，另一方面这组 工具可以针对不同企业类型而有所不同应便于软件开发者或用户选用和增减。用户 或软件公司的实施服务人员可根据企业具体情况输入数据和知识形成面向特定的制 造和管理环境的c a p p 工具系统，企业用户也可以在实施服务人员指导下根据企业的需 求进行二次开发，形成针对企业的专用工具系统。在实用化c a p p 开发工具系统的开发 方面，已有一些成果可以应用于企业【l 卅。 在工程化方面，不加考虑地完全服从用户原有的环境和模式，去构建具体的c a p p 系统并不完全合理，有必要根据对国家、国际标准和先进制造技术的分析，结合各类 企业工艺的根本需求，引导企业的工艺活动，促进工艺活动的规范化，从而规范c a p p 系统的实施过程，使大部分企业使用的c a p p 系统是主体相似的工程产品而不是个性独 特的艺术品。 ( 3 ) 集成化、网络化。在企业应用实践中，设计与制造“孤岛”现象仍然存在， 大量的工程设计和制造信息无法共享与传递。而以工程数据库和网络通信技术为主要 技术内容的集成化技术研究，把散布于各种独立设备中的资源和计算机设备集成起来， 达到共享硬件和软件资源，使集成系统内部的信息按需要自动流动”射。因此c a p p 系 统的研究与开发应面向企业多样性的产品对象，结合使用各种工艺设计方法，以制造 资源为背景，充分发挥并行设计的作用，走集成化c a p p 发展的道路1 1 1 。 作为联结c a d 与c a m 桥梁和纽带的c a p p 系统不仅是p d m 、b l i s 等系统的重要数掘 来源之一，也是c i & i 系统中产品设计制造和生产经营管理实现信息集成的关键环节h 刀。 9 华中科技大学硕士学位论文 c a p p 由c a d 提供产品设计模型的特征信息，向p d m 及e r p 系统提供重要产品信息来源， 在并行工程思想的指导下实现与c a d 、c a m 等系统的全面集成，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。 网络化是信息时代的重要标志，随着i n t e r n e t 技术和w e b 技术的发展，出现了许 多面向i n t e r n e t 的先进制造技术和制造模式，如敏捷制造和虚拟制造等【l 硼。网络的 优势在于数据资源的共享，c a p p 对内各种角色、工种的并行工艺设计，对外与c a d 的 双向数据交换，与c a m 、p d m 等的集成应用都需要网络技术支撑，才能实现企业级乃至 更大范围的信息化。网络化是现代系统集成应用的必然要求。 ( 4 ) 三维化、可视化。二维c a d 系统和c a p p 的集成已经有了一定的基础，但三 维c a d 系统在企业的应用越来越广，企业非常需要直接把三维系统的数据传递给c a p p 系统，在c a p p 中实现基于三维的工艺设计，因此，c a p p 势必要走三维化的道路。 在进行工艺设计的过程中，具体的工艺加工及装配过程在目前的各类c a p p 系统中 仅限于文字表述，具体正确与否要靠工艺人员把握。如果能在c a p p 加工工艺设计的过 程中在三维c a d 系统中看到加工的过程，在装配工艺设计时实现在三维c a d 中可视的 装配过程仿真、装配工艺爆炸图的编辑等功能，将使工艺设计的过程更加简单明了， 减少工艺设计的错误量。 ( 5 ) 交互式、渐进式。c a p p 系统是用来帮助而不是取代工艺设计人员，期望能 够开发出完全替代工艺入员来完成零件工艺设计的c a p p 系统是不现实的。实用、通用 的c a p p 工具系统不宜追求完全的自动化，因为这要求c a p p 系统自身具有高度自动化 的工艺决策能力，具有很强的人工智能。研制这样的系统不但要投入大量的人力、物 力，而且，其实用性能否为广大企业所接受仍然是一个问题。因此，对计算机而言可 能难以胜任的关键决策要由具有足够的工艺知识和判断能力的操作者做出，通过这样 个人机交互的过程实现工艺设计。 对于知识库及其使用法则需要逐步建立、验证、完善，商品化的、基于知识的c a p p 工具系统需要有目标、有计划的渐进式发展。 1 3 课题的主要任务和实现方法 本课题的主要任务可以概况如下： ( 1 ) 了解当前三维c a d 技术的研究及其应用状况，分析主流三维c a d 软件尤其是 国内三维c a d 软件的技术基础及发展趋势。 ( 2 ) 分析当前c a p p 系统尤其是基于三维c a d 的c a p p 系统研究的相关概况，包括 国内外相关技术和相关产品的概况，不同实现技术的特点，技术发展趋势等，研究c p p 1 0 华中科技大学硕士学位论文 通用工具平台结构、总体功能以及支撑技术。 ( 3 ) 结合对现状的分析，对基于三维c a d 的商品化c a p p 系统进行整体的需求分 析和总体描述。 ( 4 ) 分析成套装备、汽车、数控等典型行业的工艺设计、制造资源管理要求，包 括对使用三维c a d 信息的要求，提出基于c a p p 工具平台的面向这些行业的数字化专用 工艺解决方案，开发典型产品工艺设计工具集。 ( 5 ) 研究基于网络和数据库环境的工艺、制造资源、管理信息共享和集成技术， 包括c a d c a p p 集成技术、c a p p c a m 集成技术，c a p p p 嘣e r p 的集成技术，实现基于 三维c a d 的c a p p 系统集成。 ( 6 ) 开发基于三维c a d 的c a p p 系统原型，结合制造业信息化典型企业示范，进 行系统的集成应用。 为了实现上述目标，近一年来，作者依托开目软件中心已有的技术积累和人力资 源，对课题的开展做了如下的工作： ( 1 ) 研究并使用当前主流三维c a d 软件、c a p p 软件，着重研究开目三维c a d 和 c a p p ，分析其关键技术、组织架构、运作流程； ( 2 ) 了解相关领域国内外研究状况，掌握同领域研究的发展趋势，关键技术的采 用情况： ( 3 ) 调查分析国内典型行业对基于三维c a d 的工艺设计软件的需求，研究 c a d c a p p 的集成技术； ( 4 ) 提出基于组件的多层系统结构，对如何利用c o m 技术、x m l 技术和数据库技 术实现该结构进行了研究和实际的应用； ( 5 ) 对系统开发涉及到的几个主要技术问题，包括工艺信息在x m l 文件的存储格 式，三维c a d 特征信息描述以及传递方式等，提出了解决方案或研发路线； ( 6 ) 在原开目c a p p 的基础上，开发了基于三维c a d 的特征工艺设计模块，通过 c o m 接口把c a p p 和三维c a d 集成起来，实现了两系统的动态集成。 l i 华中科技大学硕士学位论文 2 系统总体需求描述与解决方案 2 1 企业对g a p p 的总体需求 2 1 1企业应用三维c a d 现状与问题 自全面实施“甩图扳”工程以来，二维c a d 已经在成套装备、汽车和数控装备行 业得到了广泛应用，改善了传统手工设计的落后现状，为后续的企业信息化建设打下 了基础。为了进一步提高设计能力和产品创新能力，行业中的有些企业开始逐步引入 三维c a d 系统，用于重点产品关键零部件的三维建模。从应用效果看，行业对三维c a d 需求比较强烈，企业已经实际应用，但总体上应用的普及面和深度有限，存在的问题 具体表现在：( 1 ) 由于企业在不同时期使用了不同的软件系统，产生了大量的不同文 件格式的c a d 模型文件，普遍存在文件转换、管理、维护等现实技术问题。( 2 ) 现有 三维c a d 软件厂商大多是国外软件公司，例如美国e d s 、p t c 公司等，它们大多不能针 对中国企业标准和行业需求进行专门开发，使得这些软件在行业中的应用受限。( 3 ) 这些三维c a d 软件不能很好地与c a p p 集成，多数不能很好地被现有p i ) i 系统有效管理， 例如现有国产p d m 软件对i d e a s 软件的管理等等。 对于三维c a d 软件和c a p p 集成的问题是本文需要重点讨论的，这将在后面章节里 讨论。 2 1 2企业应用c a p p 的现状、问题及趋势 在实现“甩图板”工程以后，部分企业信息化基础比较好的成套装备、汽车和数 控装备企业开始逐步引进c a p p 系统，进行工艺设计和工艺管理，以提高自身工艺设计 的效率和质量。时至今| = ；l ，c a p p 在企业中的应用已经有了一定的规模，在很大程度上 解决了部分企业完全用手工设计或用w o r d 、e x c e l 等工具软件设计的落后局面，但由 于c a p p 系统本身的局限性，加上企业对c a p p 的认识还存在一些误区，c a p p 的应用 还不尽如人意。 由于本系统主要针对成套装备、汽车和数控装备行业，所以主要对这些行业应用 c a p p 的现状提出下列问题： ( 1 ) 缺乏面向行业工艺设计、支持二次开发的c a p p 平台软件。目前通用c a p p 系统仅支持有限的二次开发，但没有针对这些行业提供专用的二次开发环境。未能提 t 2 华中科技大学硕士学位论文 供一个柔性的、开放性好的c a p p 平台软件系统，使得缺乏软件人才的大部分企业难以 将通用c a p p 软件作为基础平台，实现二次丌发。 ( 2 ) 缺乏面向行业工艺设计的专用c a p p 工具集。在基于三维c a d 设计模型的变 形工艺设计，基于产品结构比较的变形产品装配工艺设计等行业专用工艺设计方面， 通用c a p p 支持的力度非常有限，极大地影响了c a p p 应用的深度。 ( 3 ) 不能有效地总结行业工艺“设计经验”和“设计方法”。在长期的工程实践 中，已经逐步形成了行业