（机械制造及其自动化专业论文）基于相似性原理的工艺装备的可重用性的分析与研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 实现c a d c a p p c a m 的集成对最终实现c i m s 有着重要的意义。现 有资源的合理利用是企业的效益根本，对工艺装备可重用性的要求尤其如 此。通过广泛的调研和深入的研究，笔者认为：利用相似性原理、应用基 于特征的方法，对工装的可重用性的研究是合理利用资源的有效途径，进 而进行相等性分析。 我们引用了相似性原理，因为服务于相似零件族的工装结构必然存在 相似性，进而分析就能演化成其内在的工装相等性，对于以夹具作为特例 来分析的本系统，必然从其相似性出发，应用基于特征的技术找到现有资 源中的相似工装，通过分析找出其相等性，从而解决夹具工装的可重用性 问题。 本文提出了夹具信息模型以及后续的夹具评价问题，并提出了相等性 的计算方法。( 夹具相似信息模型( f s m ) 对夹具工装相似度分析中的信息 进行描述。夹具相似信息模型是夹具以及零、部件相关特征信息的集合。 系统从夹具的定位件特征、夹紧件特征、总体特征以及同机床联系特征来 出发描述夹具工装，并建立了特征库。首先对夹具工装入库时候的特征描 述，然后应用工艺特征从夹具工装库里进行匹配，匹配原则按照特征集的 对应项进行匹配，判断夹具同夹具库里的夹具的相等性，当主要的权重系 数为一的特征相等时，则判断夹具相等性，系统分析这套工装可以借用到 相匹配的工装，解决工装的可重用问题。当找不到相等工装的时候，系统 提示你进行相似性设计。不同类型的零件同样可以进行工装相等性的比 较，只要决定这套工装的关键部分是相等的，同样系统会解决工装可重用 性问题。为此我们建立了特征库，并就特征库的功能进行了分析，并提出 了自己看法。系统从零件的可装夹性、综合评价以及基于语义的模糊评价 第1 页 关键字：可重用性j 基手特征f相似性原理工装相等 夹具相似信息模型 僻) 、 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t i o no fc a d c a p p c a mi sv e r yi m p o r t a n tt of i n a l l yr e a l i z e c i m s t h er e a s o n a b l eu s eo ft h er e s o u r c e si ne x i s t e n ti st h eb e n e f i to fa l l e n t e r p r i s e ，e s p e c i a l l y i n p r o g r e s se q u i p m e n t t h r o u g hb r o a dr e s e a r c h a n d i n v e s t i g a t i o n ，1t h i n kt h a ti t i sr b _ e f f e c t i v ea p p r o a c ht ot h er e a s o n a b l eu s eo f t h er e s o u r c e st h a tw em u d yr e u s a b i l i t yo fp r o g r e s s e q u i p m e n tb yu s i n g s i m i l a r i t yp r i n c i p l ea n da p p l y i n gt h em e t h o do ff e a t u r e b a s e d t h e nw ew i l l a n a l y z e t h eq u a l i t yb e t w e e nt h e m w er e f e r e n c et h es i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，b e c a u s ei tm u s th a v es i m i l a r i t yo n p r o g r e s s e q u i p m e n ts e r v i c i n gt h es i m i l a r i t yp a r t s t h r o u g hf u r t h e rs t u d y ，w e c a l lg e tt h ec o n c l u s i o nt h a ti tm u s th a v et h ee q u a l i t yo np r o g r e s s - e q u i p m e n t e s p e c i a l l y , o u rs y s t e mb a s e do nt h ef i x t u r ea sa l le x a m p l e ，w em u s tg e ts t a r t f r o mi t s s i m i l a r i t y , u s i n gt h ef e a t u r e - b a s e dt e c h n o l o g yw ec a r ls e e kf o rt h e s i m i l a r i t yp r o g r e s s - e q u i p m e n ti nt h er e s o u r c ei ne x i s t e n t t h r o u g ha n a l y z i n g w ec a ng e tt h ee q u a l i t y , t h e nt h er e u s a b i l i t yo fp r o g r e s s - e q u i p m e n tw i l lb e s e a l e d t h ef i x t u r es i m i l a r i t ym o d e l ( f s m ) a n dl a t e rf i x t u r e sv a l u eh a v eb e e n r a i s e di nt h i sp a p e r , a tt h es a m et i m et h ec a l c u l a t i n gm e t h o do fi sa l s or a i s e d t h ef i x t u r e ss i m i l a r i t yd e g r e ei sd e s c r i b e di nt h ef s m t h ef s m i sas e to f s o m ef e a t u r ei n c l u d e di nt h ef i x t u r e ，p a r t si n f o r m a t i o n t h es y s t e ms t a r t sf r o m t h ed e s c r i p t i o no ft h ef e a t u r eo fo r i e n t a t i o nw o r k p i e c e ，c l a m p e dw o r k p i e c e ， a n dm a i nf e a t u r eo ff i x t u r ea sw e l la si i n k e df e a t u r ew i t hl e a t h e r , a f t e rt h i s ，t h e f e a t u r e - d a t a b a s ei sf o u n d e d f i r s t l y , t h es y s t e mw i l ld e s c r i b et h ei n f o r m a t i o n o fp r o g r e s s e q u i p m e n tw h e ni t i s b e i n g a d d e dt ot h ef e a t u r e d a t a b a s e s e c o n d l y ，i t u s e st h e p r o c e s s f e a t u r et om a t c ht h e s i m i l a r i t y 第1 i i 页 山东大学硕士学位论文 p r o g r e s s e q u i p m e n t i ns e n t i e n t p r o g r e s s e q u i p m e n t a tl a s t ，t h em a t c h i n g m e t h o dw i l lc o m p a r ei t e m so ft w of e a t u r es e t s ，t h e n j u d g et h ep r o c e s sf i x t u r e e q u a lt o t h ep r o c e s se q u i p m e n ti nt h ed a t a b a s e ，w h e nf e a t u r eo ft h em a i n m o d u l u sv a l u e d1 e q u a l s ，t h e nt h es y s t e mj u d g et h ep r o c e s s e q u a t i o n w h e ni t r e a c ht h ee q u a l i t yt h es y s t e mw i l l a n a l y z et h i sp r o g r e s s - e q u i p m e n tc a nb e u s e di nt h i sp r o c e s s ，t h e nt h ep r o g r e s s e q u i p m e n t sr e u s a b i l i t yw i l lb es e t t l e d w h e ni tc a n tm a t c ht h ee q u a l i t yp r o g r e s s e q u i p m e n t ，t h es y s t e mw i l lp r o p o s e y o ut og ot os i m u l a t ed e s i g n d i f f e r e n tk i n d so fp a r t sc o u l db ec o m p a r e dt h e p r o g r e s s 。e q u i p m e n te q u a l i t y w h e ni t j u d g e s t h em a i n p a r t o f p r o g r e s s e q u i p m e n t i s e q u a l t h e nt h e s y s t e m c a r ls e t t l et h e r e u s a b i l i t y o f p r o g r e s s - e q u i p m e n te q u a l i t y s ow eb u i l dt h ef e a t u r ed a t a b a s e ，a n da n a l y s e s t h ef u n c t i o no ft h ef e a t u r ed a t a b a s e ，t h e nb r i n gu po u ro w n o p t i o n t h es y s t e m g i v et h ee c o n o m i cv a l u eo ft h el o a d f i xa b i l i t y , s y n t h e s i z ev a l u ea n df u z z y m u l t i p l ed e c i s i o nm a k i n gm e t h o d a t l a s t ，t h e d r a w i n g d o c u m e n t s m a n a g e m e n ts y s t e m o f p r o g r e s s e q u i p m e n ti sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , a sw e l la st h es a f e t yo ft h e d a t a t h em a n a g e m e n to fd a t as a f e t yl o g i ni sr a i s e di nt h i sp a p e r t h ew h o l e s y s t e m sc o n t r o l l a b i l i t y h a v eb e e nt e s t e d b ya l le x a m p l e ，t h el a t t e r i st h e p r o s p e c to f o u rs u b j e c t k e y w o r d s ：r e u s a b i l i t y f e a t u r e b a s e d s i m i l a r i t yp r i n c i p l e p r o c e s se q u i p m e n t e q u a t i o n f i x t u r es i m i l a r i t ym o d e l 第1 v 页 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 实现c a d c a p p 集成的意义 随着世界经济的迅速发展和市场全球化，市场竞争日益激烈。传统的 自动化生产不能适应当今产品多品种、小批量生产发展的需求。如何快速 适应市场，降低产品成本，提高产品质量，缩短产品开发周期成为企业生 存和发展的关键。企业为了增强产品的市场竞争能力，努力寻求新的产品 开发策略、生产模式和先进制造技术【引。从精良生产、计算机集成制造、 并行工程到敏捷制造、虚拟制造，不断地提出了新的制造技术和制造哲理。 计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 是在网络、大型数据库的支持下，由以计算机辅助设计为核心的 工程信息处理系统，计算机辅助制造为中心的加工、装配、检测、储运、 监控自动化工艺系统和经营管理系统所组成的综合体。计算机集成制造系 统是以信息集成和功能集成为特征的技术集成。c i m s 被公认为是未来制 造业的生产模式之一。自从7 0 年代初期提出计算机集成制造的概念以来， 计算机集成制造在世界各国发展起来，同时吸引了各国的研究人员，成为 具有活力的研究课题之一。 在c i m s 中，信息集成的基础是信息的共享、传输和交换1 3 】。而计算 机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 和计算机辅助 制造( c a m ) 之间的集成是c i m s 信息集成的主体和关键技术【l i 。在 c a d c a p p c a m 集成系统中。c a p p 是连接c a d 和c a m 的桥梁和纽 带，这是因为c a d 系统从零件的设计出发，重在表达零件的几何信息，缺 乏零件的加工信息：而c a p p 系统所需的是零件的加工信息；而c a m 需 第1 页 山东大学硕士学位论文 要零件的几何信息和加工信息。这样c a p p 成为c a d c a m 的通讯接口。 如何从c a d 中获取c a p p 所需的信息，成为c a d c a p p 集成的关键环 节。 工艺装备的管理和可重用性是实现c a d c a p p 集成的重要纽带，在 传统的生产中，工艺装备的设计和管理存在着很大的缺陷，具体体现在： 因为工艺装备的借用效率低，工艺装备的设计存在着大量的重复劳动，不 可避免的造成生产资源的浪费；工艺装备的管理、可重用性以及相似性设 计比较落后，同样是造成c a d c a p p 集成的障碍。 1 2c a p p 简介以及信息集成 计算机辅助工艺过程设计( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ) ，即c a p p , 通常指机械产品零件制造工艺过程的计算机辅助设计与文档编制【4 1 。传统 上c a p p 是狭义的，它只是面向零件的c a p p ，主要是机械加工工艺的设 计，而且常常是车间一级的。后来逐步扩充到各种专业的工艺过程设计乃 至工艺信息管理。 1 2 1 c a p p 概述 工艺过程设计是连接产品设计与制造的桥梁，是整个制造系统中的重 要环节，对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。应用c a p p 技术， 可以使工艺人员从繁琐重复的事务性工作中解脱出来，迅速编制出完整而 详尽的工艺文件，缩短生产准备周期，提高产品制造质量，进而缩短整个 产品的开发周期。从发展看，c a p p 可以从根本上改变工艺过程设计的“个 体”劳动与“手工”劳动性质，提高工艺设计质量，并为制定先进合理的 工时定额，改善企业管理提供科学依据；同时还可以逐步实现工艺过程设 计的自动化及工艺过程的规范化、标准化与优化。 第2 页 山东大学硕士学位论文 1 2 2 c a p p 目前存在的问题 c a p p 被公认为是c a d c a m 真正集成的关键，是许多先进制造系统 的技术基础之一。近年来，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( 1 m s ) 、虚拟制造系统( v m s ) 、敏捷制造( a m ) 等先进 制造系统的发展，无论从广度上还是从深度上，都对c a p p 的发展提出了 更新更高的要求。1 5 】 c a p p 远远落后于其它计算机辅助设计技术如c a d 、c a m 等，是由 工艺设计的特点决定的。然而当前c a p p 系统发展的现状及存在的问题： ( 1 ) 工艺设计与各个企业的制造环境、产品类型及工艺习惯有很大 的关系。传统的c a p p 系统都是根据特定的企业和特定的产品开发的，当 制造环境和产品发生变化时，体现在系统的柔性比较差，根本无法满足多 变的用户个性化的需求。 ( 2 ) c a p p 不应仅仅是工艺卡片生成工具，更应是工艺数据的管理 工具，应与企业其它的管理系统如c a d 、e r p 、p d m 等有效地集成，实 现数据交换。 ( 3 ) 工艺设计是一种经验性和很强的技术，如何充分发挥工艺人员 的聪明才智，把工艺人员的工艺经验纳入c a p p 系统，并可随时添加、修 改和删除，这也是c a p p 待解决的问题。 基于以上当前c a p p 系统存在的问题，制约着c a d c a p p c a m 信息 的集成，解决以上的问题是实现c a d c a p p c a m 信息集成的关键。同时 工艺装备的借用存在着很大程度上的缺陷，也是c a p p 系统不完善的重要 体现。应用基于特征的方法，利用相似性技术、人工智能技术以及模式识 别技术对工艺装备的管理、正确处理在实际的工作中的工艺装备的借用问 题和其相似性设计对c a d c a p p 的信息集成问题进行探讨是解决该问题 的探讨。 第3 页 山东大学硕士学位论文 1 2 3 c a d ，c a p p 信息集成 c a d 与c a p p 信息集成是指c a d 与c a p p 之间的信息提取、交换、 共享和处理。过去，人们的注意力一直孤立地致力于c a d 和c a p p 系统 的发展，很少注意它们之间的相互联系与信息交流。c a p p 是连接 c a d c a m 的桥梁，是实现c i m s 的关键技术之一。而要实现c a d c a m 的集成，必须首先实现c a d c a p p 的信息集成。1 6 】 c a d 系统要和c a p p 系统实现集成，其关键是要实现这两个系统之间 的信息交换。根据通信理论，为了使信息传递能够顺利进行，任何一个通 讯系统都必须具有三个要素：一为产生信息的发生源( 信息源) ：二为载 运信息的传输媒介，三为接受信息的接受器。其中一个是信息源，另一个 是接受器。信息传递介质是计算机系统内部的数据传递网络。如图 ( 1 2 3 1 ) 所示： 图( 1 2 3 1 ) 通信系统结构简图 对于c a d 系统或者c a p p 系统来说，各自都存在着信息处理和传输 过程，由于目前已经有很多的c a d 系统和c a p p 系统问世，说明这方面 的研究已经取得了惊人的发展。现在的关键问题是：如何实现c a d c a p p 系统之间的通信，即数据在这两个系统之间的传输。 要实现上述问题，首先必须解决两个问题：一是实现c a d 系统与 c a p p 系统之间的信息传递；二是实现两个系统对信息的共同识别。解决 第一个问题的方法是编码，就是把信息从一个表现形式变换成另一个表现 形式；解决第二个问题的方法是译码，就是把信道传出来的信号或代码变 换成编码前的形式。 为了实现c a d c a p p c a m 信息的集成，在高层次上需要从两方面着 第4 页 山东大学硕士学位论文 手：一是建立统一的产品信息模型，例如以s t e p 为产品数据的交换和共 享；二是开发以特征为基础的产品造型系统，将产品设计中要求高层次信 息以“特征”的形式表示。c a d c a p p c a m c a e 信息集成技术是在现有 商品化c a d 系统下，通过特征技术实现c a d 与下游c a p p 、c a m 等应 用信息集成的有效的方法。这一技术的研究与开发，不仅在c i m s 和并行 工程中具有广泛的应用前景，而且在一般企业应用计算机辅助设计提高 产品生产和生产效率也有广泛的应用前景。国内外学者在上述理论的指导 下，开展了各种各样深入的研究。就其方法归纳起来，主要有三种：数据 交换、特征识别和特征设计。本论文就是利用相似性原理、应用基于特征 的方法对工艺装备的可重用性的研究进行实现c a d c a p p c a m 集成的 尝试。 1 3 课题的提出 在现代化的制造资源中，资源的合理利用程度决定着制造企业的效 益，对于资源的严重浪费以及不合理使用必将阻碍企业的发展：根据当前 c a p p 系统存在的问题以及在现实的企业应用中资源的存在的问题，提出 的c a d c a p p c a m 集成问题是提高产品质量，增强企业应变能力和国际 竞争能力的必备手段。工艺装备的管理和可重用性研究制约着 c a d c a p p c a m 信息的集成，处理好工艺装备的借用、设计和管理对实 现c a d c a p p c a m 信息的集成是一个重要的环节。 应用基于特征的方法，利用人工智能技术和模式识别技术对制造资源 的合理安排是当务之急的任务；c a d c a p p c a m c a e 信息集成技术是解 决在现有商业化c a d 系统下，通过特征技术实现c a d 与下游c a p p 、c a m 等应用系统集成的有效方法。这一技术的研究与开发，不仅在c 1 m s 和并 行工程中具有广泛的应用前景，而且在一般的企业应用计算机辅助设计 第5 页 山东大学硕士学位论文 ( c a d ) 提高产品开发和生产效率也有广泛的应用前景。这也是国内外 c a d c a m 技术的主要研究热点之一，不断有新的研究成果出现。资源的 合理利用制约着c a d c a p p c a m 信息的集成，尤其是工艺装备的管理、 设计和工装借用的处理，本文就是以夹具工装为特例，对夹具工装的管理、 可重用性分析和相似性设计处理进行探讨。北京理工大学的学者们在夹具 工装上做了探讨，并就夹具工装提出夹具相似模型：清华大学的研究者们 提出了夹具设计后的评价问题，对本论文的启发很大。 1 4 课题的内容和意义 服务于相似零件族的工装结构必然存在着相似性，进而分析就能演化 成其内在的工装相等性。对于加工方法、安装方式和轮廓尺寸相似或相同 的一组零件分别设计各个工艺装备，则他们的结构必然存在着“大同小异” 的，即存在着相似性。而对于以夹具作为特例来分析的本系统，工装的管 理、可重用性分析系统必然从其相似性出发，找到相似零件的相等工装， 进而解决工艺装备的借用和相似性设计的问题。通过系统对他们结构的分 析即可断定：一般他们在夹具体，夹紧结构和传动装置等部件大体上是相 同的；而定位元件、加紧元件和导向元件等部件可能存在着很小的差异， 本系统的工装可重用性分析和相似性设计部分f 是建立在相似性分析的 基础之上的。 1 4 1 课题研究的内容 课题将从以下几个方面，利用基于特征的技术探讨课题： 1 、在研究国内外基于特征的研究方法的基础上，对特征进行定义， 形成课题研究的理论基础，在此理论的基础上从而形成本系统的丌发理? | 论前提； 。 2 、对工艺装备的信息详细地进行描述，把各主要特征描述完备后入 一 第6 页 山东大学硕士学位论文 计燃蒜一嚣菁 聃硎弋化的生触，脓兰竺兰三：竺：= 二二一 一 第7 页 、 山东大学硕士学位论文 王袭之间相等性进行相等性设计，完成c a p p 的要求是每一个企业所面临 的问题。工艺装备的图档管理系统更能直观的了解企业现有的工装，使设 计人员以及管理人员能够方便的管理与设计。从而对c a d c a p p c a m 的 信息集成起了很大的促进作用。根据集成的问题，系统应该与c a p p 系统 具有良好的接口。任何系统应具有对产品数据的安全性问题，在考虑人员 权限问题的基础上，应该增加产品数据的访问日志，系统应记录下来人员 访问、修改情况。 第8 页 山东大学硕士学位论文 2 理论工具和系统环境 制造科学是一门古老的学科，但在信息时代又焕发出青春的光芒，它 已具有随着不同对象和事件而改变的功能结构及信息系统，已经发展成为 由机械、计算机、信息、材料、自动化等学科有机结合的一门跨学科的综 合科学。制造科学只有不断地吸收先进的理论和实用技术，及时吸取各学 科的新成就，不断地推陈出新，才能充满生机和活力，不断地向前发展。 c a d c a p p c a m 的集成是一个十分复杂的问题，它也只有不断地吸收新 技术和先进的理论，才能随着时代的发展而不断发展。同样基于特征的工 艺装备的设计和管理系统汲取了先进的理论和实用技术。人工智能技术、 模式识别技术和相似性理论的应用使基于特征的工装设计与管理系统具 有智能性和自学习等功能。 2 1 人工智能技术 人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 简称为a i ，它是计算机科学的一个重 要的研究领域。人工智能研究的主要内容包括搜索技术、推理技术、知识 表示、机器学习和人工智能语言等。特征识别中涉及多种知识的综合运用， 由于知识的特性不同，采用的表达方法各异。应用特征识别中常用的知识 表达方法有产生式系统、谓词逻辑、框架、语义网络等，主要介绍框架和 语义网络。 8 1 ( 1 ) 框架框架是由槽一侧面一值所组成的层次嵌套结构，可以描述格 式固定的事物、行为和事件。框架、槽、侧面均有自己的名称。 框架有一组描述事物各个方面的槽所组成。在零件信息描述中，回转 体类零件就是一个框架，可以由几何特征和工艺特征来描述，这些特征就 第9 页 山东大学硕士学位论文 是槽。对于复杂的事物，可由若干个框架组成一个框架系统来表示。槽由 若干个侧面组成，侧面有不同的类型，每个槽所包含的侧面类型并不是固 定不变的。填入每个槽的值称为填充值。每个槽还可能有一组和它相关的 条件，当填入填充值时，必须满足这些条件。对于结构复杂的槽，还可以 用子槽结构。 根据填入的值有不同的类型，侧面有以下一些类型：“值”侧面：确 切知道有关事物的填充值；“默认”侧面：缺少有关事物的信息，又无反 面证据时，可按惯例或一般情况下的填充值填入；“如果需要”侧面：过 程信息的填入，如一些经验公式：“如果加入”侧面：填入应该做什么的 信息。 框架系统的结构如下： ( ( ( ( ( ) ( ) ) ) ( ( ) ) ) ( ( ( ) ) ) ) ( ( ( ( ) ) ) ) 框架适合于描述格式固定的事物行动和事件，它框架包含了它所描述的事 物的多方面的信息，可推论出未被观察到的事实：框架是一种复杂的语义 网络。 ( 2 ) 语义网络语义网络是知识的图解表示，它由节点和带箭头的弧组 成，节点表示事物、概念和情况，弧表示它们之间的关系，这些关系分为 以下几种： 分类关系把相同类型的事物划归在某种类型之下，构成“事例 ( i n s t a n c eo f ) ”关系。 第1 0 页 山东大学硕士学位论文 聚集关系是基于高层概念的分解。一般高层概念是低层概念的集 合，而低层概念是高层概念的属性，高层概念与低层概念之日j 构成“部分 ( p a r to f ) ”关系。 泛化关系是对相似概念的抽取而形成的共性，表示事物“属”概念 和“种”概念之间的联系。一般高层结点表示共性概念，而低层的结点是 这些概念的具体实例。在高层概念中不考虑低层概念之间的差异，而低层 概念可以有自己的特性。在语义网络中，用“是一个( i s a ) ”联系的泛化 关系。 联合关系是个体概念和整体概念之间的联系。当要强调整体的某些 性质而个体概念并不重要时，用“成员( m e m b e ro f ) ”来表示这种关系。 2 2 模式识别技术 先进的制造和设计系统同样采用了模式识别系统，模式识别技术是建 立在特征的模式之上的。引用模式识别技术重在实现基于特征的工艺装备 的自学习功能，利用系统的智能使工艺装备的可重用性分析以及相似性设 计实现从设备库里查询从而进行自动设计( a u t od e s i g n ) ，实现c a d c a p p 系统的集成。 9 1 2 2 1 模式识别的基本概念和理论 模式，是人们认识事物时对事物的一种抽象概念；一个模式类是由一 些给定的共同属性所决定的一个类别；模式样本则是自然界的具体事物， 具有一定的类别特性，模式样本和模式构成事例关系。模式识别也就是对 未知模式样本的类别进行辨识的过程。它是根据对样本的各种可以观察和 测量的特征量度来进行。对于“简单”的模式，采用以上的方法。而对于 “复杂”模式所要求的并不是分类，而是描述和分析。简单模式与复杂模 式之间存在着自然的过渡，一个模式是否被称为简单模式或者复杂模式， 第1 1 页 山东大学硕士学位论文 依赖于特殊的应用背景、所采用的方法、及使用者的观点。 2 2 2 结构模式识别 在一些模式识别问题中，描述每一具体模式的结构信息是十分重要 的，通常也很困难。常用的方法是把一个复杂模式分化为若干较简单子模 式的组合，而子模式又分为若干基元，通过对基元的识别，进而识别子模 式，最终识别该复杂模式。这个过程就是结构模式的识别过程。对c a d 图形的识别与分类应归属于结构模式识别的范畴。 为了表达结构模式识别的层次结构，我们把模式描述的结构法类比于 语言的语法，由基元、子模式以不同方式构成模式的过程，恰似由字构成 词，由词构成句子的过程。用作模式的结构描述语言包括两部分：即模式 基元和对基元的合成操作规则，这种语言被称为“模式描述语言”，模式 基元应选取易于识别的最简单的子模式。对基元作合成操作以构成模式的 规则，叫做语法。当模式中的每一基元被辨识以后，识别过程就可以通过 执行语法分析来实现，亦即对描述待识模式的“句子”进行分析，看它是 否遵守指定的语法，与此同时，语法分析还产生出该句子的结构描述。结 构模式识别的方法，提供了用小而简单的基元与语法规则来描述大而复杂 的模式的能力，是处理图形识别分类的有效方法。【l 0 j 2 2 3 结构模式识别过程 结构模式识别系统主要由三部分组成，它们分别是：预处理、模式描 述、语言分析。该系统图( 2 2 3 1 l 如图示。每一个经过预处理的模式均 按照预先制定的语法或合成操作规则，分割成子模式，进而，然后将予模 式被分割为基元，同时建立基元与基元之间的关系，完成模式描述，在语 言分析阶段，系统应对已完成的模式描述作语法检查，以判定它是按何种 语法合成的，从而完成待识模式的分类。以上过程实现的前提就是存在模 式类的语法规则，这些规则是在学习阶段，通过对样本模式的语法推理来 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 得到的。在我们这个特定的背景下，整个特征识别过程就被赋予具体的含 义。 输入模式 图( 2 2 3 1 ) 模式识别过程 ( 1 ) 输入模式：机械零件以零件图的方式来表达，因此存储在计算机内 的c a d 图形就成为模式信息源； ( 2 ) 预处理：对所获得的c a d 图形进行初始化，以便滤除干扰和噪声， “去噪”可以规范化图形： ( 3 ) 模式描述：通过对c a d 图形的特征识别，抽取出加工特征的信息， 即模式基元，并建立它们之间的关系，完成待识别的零件加工特征信息描 述。 ( 4 ) 语法分析：通过一定语法分析，将零件归类。 2 3 相似性技术 为了迸一步振兴我国的机械制造工业，大力宣传成组技术( g r o u p t e c h n o l o g y ) ，简称g t ，相似性技术才得以迅速发展。相似论的主要内容 和观点，是要把不同学科间，不同方法论间那种相对单一的相似形论述加 以融会贯通，也就是想通过更深入而广泛的相似性原理加以系统的进行阐 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 述。1 1 1 2 1 8 0 年代成组技术逐步和计算机相结合进入到c a d 、c a p p 、c a m 、 f m c ，成组技术中应用相似性的范畴随之而进一步的扩大。在c a d 中按 照几何的相似、结构的相似进行设计，大大地减少了工、卡、模具和工艺 装备等。在c a p p 、c a m 和f m s 中，按照工艺的相似、结构的相似，以 单元相似最大的可组合性进行生产，大大的缩短了工艺编制时间和制造周 期，同样工艺装备在c a p p 中的设计时间相应的减少了很多，增加了效率， 减少了设备投资，提高了产品适应市场的快速变化的要求。 相似论提出了三点基本规律，从当前推动事物运动的四个基本作用力 为基础，导出相似运动律、相似联系律和相似创造律，再由此进而提出三 个相似关系；想象本质与本质相似关系；静态相似与动态相似；宏观相似 与微观相似的三个关系。想把自然界、科学、技术、思维发展过程中所表 现的相似规律和关系加以系统的论述。 相似论的主要内容和观点，是要想把不同学科间。不同方法论间的那 种相对单一的相似性论述加以融合贯通，即想通过更加深入而广泛的相似 性原理予以系统的进行阐述。1 1 3 1 相似模拟是现代设计的捷径，相似性设计是可能利用已有设计成果快 速高效地进行产品开发和设计，从而提高设计标准化水平，缩短产品开发 周期。 相似性理论是从描述自然现象所应服从的客观规律的数理议程及其 定解条件出发，即从现象发生和发展的内部规律性和外部条件出发，从这 些数理议程所固有的在量纲上的齐次性以及数理议程的形式不受度量单 位制的选择的影响等前提出发，通过线性变换等数学演绎手段而达到自己 的结论。 相似理论的发展趋势是：相似理论与模糊分析结合以解决建模过程某 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 些不确定问题；相似理论与优化设计技术结合以解决模型最优化问题；相 似理论与专家系统结合以解决建模过程中专家知识利用问题等。本文利用 待加工零件的相似性通过公式推定它们的相等性系数，进而决定是否可以 2 4 开发环境简介 基于特征的工艺装备设计与管理系统是在v i s u a lb a s i c6 0 环境下开发 实现的，其背景数据库采用m s s q ls e r v e r 大型数据库，通过开放的数据 管理连接o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i o n ) 实现同大型数据库m s s q l s e r v e r 的连接，用结构化的查询语言s q l 实现数据操作。 1 、 开发工具 图( 2 4 1 ) v i s u a lb a s i c6 , 0 开发界面 第1 5 页 山东大学硕士学位论文 v i s u a lb a s i c6 0 是微软公司( m i c r o s o f t ) 开发的面向对象的开发环境， 下面是v i s u a lb a s i c6 0 的开发环境简介：v i s u a lb a s i c 作为可视化编程语 言支持面向对象的程序设计、o l e ( 对象链接与嵌入) 技术，并提供了灵 活的数据库操作方法，非常适合作为系统开发的工具。下面是其可视化编 程的界面。i t 4 l 2 、结构化的查询语言( s q l ) s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 是操纵数据库的标准语言，s q l 语言是1 9 7 4 年由b o y c e 和c h a m b e r l i n 提出来的。由于它的功能强大、使 用方式灵活、语言简洁灵活易学，在计算机用户中倍受欢迎。s q l 使用关 系型的查询语言为应用语言，由i b m 在7 0 年代开发出来的，作为i b m 关系型数据原型s y s t e m r 原型关系语言，实现了关系型数据库中的信息查 询检索。8 0 年代初，美国国家标准局( a n s i ) 开始着手制定s q l 标准， 最早的a n s i 标准于1 9 8 6 年完成，它被称为s q l 8 6 。标准的出台使s q l 作为标准的关系数据库语言的地位得到加强。s q l 的标准几经修改和完 善，目前新的s q l 标准是1 9 9 2 年制定的s q l - 9 2 。s q l 标准的确定使得 大多数数据库厂家纷纷采用s q l 语言作为其数据库检索语言，这些厂家 又在s q l 标准的基础上进行了部分扩充，形成各自数据库的检索语言。 t r a n s a c t s q l 就是其中一种，它应用于微软公司开发的s q l s e r v e r 数据 库。u s 3 、m s s q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 公司在基于s q l 结构化的查询语言 上开发的数据库系统；m s s q ls e r v e r 数据库系统提供了多种数据分布方 案，包括集中式数据库、分布式数据库和异构式数据库三种不同的数据分 布方案。【”1 本论文系统采用的是集中化数据库，在企业里用单独的数据服务器进 行数据提供，支持多用户，实现数据的唯一性，提供了安全的数据环境。 第1 6 页 山东大学硕士学位论文 其数据结构如图( 2 4 1 ) 2 5 小结 图( 2 4 1 ) 集中式数据库结构 利用关键技术应用于机械制造行业，使古老的制造业来说是一个新的 机遇和挑战。应用人工智能技术、模式识别技术处理特征的结构，用相似 性技术处理相似零件族的工艺装备，从而达到工艺装备的管理、可重用性 分析以及相似性设计，应用模糊的评判方法进行夹具评价，形成的基于特 征的工装的管理与设计，应用数据库m s s q ls e r v e r 的良好的数据管理能 力、权限分配以及它的良好的同前台系统的v i s u a lb a s i c 完美的结合，更 好的完成了c a d c a p p c a m 之间的数据集成。 第1 7 页 山东大学硕士学位论文 3 特征信息 现代设计制造系统的发展趋势是集成化、智能化，最终实现高度的自 动化。在现行计算机集成制造系统( c i m s ) 的实践中，对产品基本要求 在以下几个方面：完整性，包括几何、拓扑信息以及工艺过程决策、安装 方法选择；统一性，信息描述应能灵活地适应形式多变的对象：一致性， 不同工作经验地应用人员，对于同一零件应有一致的信息描述结果，同时 又能按照自身应用的特点去理解零件的构成；简易性，零件信息建模方式 应尽量符合人的思维，易于为所有人所理解和掌握。基于特征技术f 是基 于上述需要而兴起来的。 1 7 l 18 】 实现c a d c a p p c a m 集成的环节中，工艺装备的特征信息的描述占 有及其重要的地位，特征的定义和分类以及分类方法决定着系统在集成方 面的效果。对于零件的信息描述同样占有重要的地位，通过描述工装库罩 的加工零件的特征信息与待加工零件的特征信息进行比较、匹配，从而选 取合适的工装进行加工，实现自动借用，提高设计效率、资源的利用率， 并增长经济效益。 3 1 特征的定义以及分类 由于特征源于设计、分析和制造等生产过程的不同阶段，不同的应用 对特征的认识又各不相同，不同特征问并不存在一一对应关系，因此对特 征的定义尚无统一的认识。目前，特征定义大多是从设计分析、工艺规划 的角度考虑问题，从某一侧面或某一领域的局部应用来着手研究特征技 术，这种现象必然导致认识上的分歧，从而相关地引发对特征模型的构造、 特征表达和特征数据库等诸多分支领域的研究。 第1 8 页 山东大学硕士学位论文 3 1 1 特征的定义 特征概念的首次提出可以追溯到1 9 7 8 年，美国麻省理工学院机械工程 系m 、i 、t 的一篇学士论文c a d 零件的特征表示揭开了特征技术研 究和发展的序幕。然而直到十年之后的8 0 年代，这一概念及其技术才为 人们广泛接受，相继出现多个特征概念的定义，i s o 并颁布p d e s s t e p 标准草案将形状、容差和材料特征列为产品信息模型的构成要素后，基于 特征的建模技术才获得了法定的地位。实质上，无论是传统的结构设计 ( s t r u c t u r a lf u n c t i o n d e s i g n ) 和面向装配设计d f a ( d e s i g n f o r a s s e m b l y ) 等方法，究其本质都是面向生产过程或阶段或不同方面特征技术的具体应 用。 2 0 1 我们可以看出，大多数的特征的定义都是面向几何形状并与应用域有 关，这类特征称为形状特征( 简称特征) 。还有一些定义是面向零件的几 何特征，而且还面向几何形状体的非几何属性，例如精