计算机辅助工艺规程设计系统的体系结构研究
计算机辅助工艺规程设计系统的体系结构研究
摘要： 在现代机械制造业中，计算机辅助工艺规程(computer aided process planning，简称CAPP) 有重要的理论意史和实际需求。本文旨在建立一个适合企业实际需要的、完善的CAPP系统体系结构，重点在CAPP体系结构理论方面的研究，井在此基础上提出适应应用环境变化的工艺规划方法和能够被企业接受的CAPP系统开发的模式。
关键词： 计算机辅助工艺规程设计(CAPP)；面向对象的工艺规划
1 前言
CAPP研究对推动现代机械制造业向自动化、智能化方向发展具有重要的意义_。目前CAPP系统的体系结构还缺乏在应用中所需要的柔性和开放性，而阻碍CAPP发展的本质原因是缺乏完整的理论体系去保证CAPP系统能适应持久变化着的应用环境。鉴于对CAPP研究现状的分析。当前CAPP系统发展趋势主要将体现在以下几个方面：
(1)研究支持全面集成的工艺规划方法，特别是动态的工艺规划方法．提高CAPP系统的柔性和开放性。
(2)对CAPP系统设计理论进行更深人的研究，主要包括：支持动态工艺规划和能够封装知识的数据模型研究；系统的功能抽象方法研究 。为此本文采用面向对象的方法提出一个较为完善的CAPP系统的体系结构．并描述其在钣材FMS中的应用实例。具有重要的理论意义和实用价值。
2 面向对象零件数据建模
CAPP系统体系结构研究的核心就是能够封装知识，将知识抽象与数据抽象结合在一起的零件数据建模。由于知识的表达建立在数据的表达基础上，反映了对数据进行处理的外部条件和选用的处理方法间的内在联系，因此，知识应该由数据的表达和相关的操作来描述。面向对象的CAPP数据模型主要包括三个对象类：
(1)数据对象类．它是系统所处理的数据的抽象表示；
(2)数据表达对象类，它是数据表达方式的抽象表示；
(3)知识对象类．它是系统决策的知识的抽象表示。
图 1
依据上述分析，本文引用了面向对象CAPP数据建模方法，采用了面向对象环境的“对象一关系图”(如图1所示)，作为建立面向对象的概念数据模型的工具。对象一关系圈中包含的对象之间的三种语义关系为：内联关系I、聚合关系A和引用关系R 。其中，内联关系反映对象之阃相互作用相互依存的功能关系；聚合关系反映对象类之间的组成类属关系；引用关系表示 个对象类引用另一个对象类的属性。通过引用特征参数类和特征要素类，提出了可以抽象地描述零件特征的面向信息集成的零件特征类，建立了面向对象的零件定义模型．如图1所示，零件定义模型是按照系统的需求对零件所涉及的完整描述．它包括管理信息．特征信息，工艺处理信息，基准和公差等。
3 系统功能抽象方法
CAPP系统的柔性与动态特性，要求把系统的功能分解成相对独立的功能单元，根据用户的要求，再把相关的功能重新加以组合。功能单元可以被与其交互的信息流完整地描述，这些信息漉包括支持功能决策的知识流、功能涉及的数据流、用户交互信息漉和系统内部的模型数据流。其中．知识漉是知识的输人和输出，它通过知识库来进行存取和管理；数据漉是数据的输人和输出，它表达的是静态的数据流；模型数据流是模型数据的输人和输出．它具有动态的特性；用户交互数据漉是用户交互数据的输人和输出，用于描述用户与功能单元间的交互信息。所有的信息流都是通过数据模型中的数据对象及其相关操作方法来描述，与数据模型有着直接联系。
系统功能单元间的组织构成采用类似于计算机的数据总线方法，把知识、数据、模型和用户的输人输出信息做成四组数据总线，而带有输人输出的一系列功能被挂到四组数据总线上，各功能单元之间通过数
据总线进行信息的传递或共享并相互作用，从而实现某一系统功能，如图2所示。为了正确表达功能单元之间的相互作用关系，定义以下的功能单元之间的语义关系：
(1)顺序关系(Sequence，简称Se)
顺序关系表示一组功能单元按一定的次序关系依次组织起来完成给定的功能。
(2)并行关系(Concurrency，简称Co )
并行关系表示一组功能单元彼此并行地组合起来．完成一个特定的功能。
(3)替代关系(Substitution)
替代关系表示功能单元组两个功能单元在满足相同给定功能前提下，设此可以替换。圈3所示为系统功能的分解圈。在功能单元图中按层次组织功能单元，把一个复杂的系统分解成许多个子功能，直到把系统描述得足够详细为止。
4 动态工艺规划方法
所谓动态工艺规划是指工艺设计中的优化前提条件是随着时间的变化而变化，使得同样的设计方法会产生不同的工艺结果，即设计结果与设计方法之间不再是静态的关系，这样的工艺规划称为动态工艺规
划。动态工艺规划具有非线性结构的特点，它能产生被加工零件所有可能的工艺规划，因而形成可供选择的多种工艺方案。而从建立数据模型的角度来看，采用动态结构描述和处理不同的工艺活动要素，必须形成动态的计算机化的内部表达。本文设计了称为”序～ 或一与”树(SRA)的数据结构来表示动态工艺规划，该树结构有两类节点：
(1)数据节点，用工艺活动要素TE来表示。
(2)关系节点，用于表示数据节点之间的关系。关系节点包括三种基本节点：“序”节点、“或”节点和“与”节点。其中，“序”节点表示与其相关的一系列数据节点是按规定的顺序被执行；“或”节点表示与其相关的一系列数据节点是彼此排斥的，在生成的工艺规划中，只可选择一个数据节点；“与”节点表示相关的数据节点的关系是无序而并列的，所有的数据节点都要构成工艺规划，但它们以任何次序出现。“序一或一与”树可选路径是“序一或一与”树满足目标的一个解，从给定的“序一或一与”树的根开始对所有节点进行遍历，对遍历到的“或”节点只取 个子节点来继续遍历，遍历结束后．由所有遍历到的节点构成的一棵子树就是“序一或一与”树的一个可选路径。“序一或一与”树可选路径的总数，往往表示“序一或一与”树所表达的实际问题的复杂程度，在动态工艺规划中，它表示一共有多少个可供选择的工艺规程。
从系统的外部输出角度，动态的特点体现在系统提供的多选择结果上．它不仅能够提供多选择的工艺规划，而且对于每一个特定的工艺规划，还能提供多选择的可使用制造资源。从系统的内部运行过程角度，动态的特点主要体现在工艺规划设计上，它的所有功能都是建立在统一的通过“序一或一与”树来描
述的工艺规划表示上，因此，各个功能可以并行工作，并且所有的中间设计结果都是动态的。
5 模块化CAPP系统体系结构的设计及其应用
在模块化CAPP系统体系结构的设计过程中，数据抽象采用自下而上的分析、设计方法，从对象一关系图开始，经过对象的规范化过程，直至获得对象的c++类表示，并把对象存人数据库。而对于功能的抽象，则采用了自上而下的分析、设计方法．从功能单元图出发．通过建立功能单元的操作对象以及对功能单元的形式化，最终采用C++类进行功能单元的设计。采用功能单元图建立起动态组织的系统功能模型．清晰地描述了系统的信息流动。功能单元可看作面向对象中的操作对象，可以分析功能单元和功能单元处理的数据对象。建立起功能抽象和数据抽象的直接联系。
5．1 面向对象CAPP系统体系结构的设计
确定系统的体系结构．目的是为复杂系统开发建立一-个管理原则的框架。另一一方面．系统体系结构是对系统各组成部分间关系的高度抽象，也是对系统功能和数据的概括性总体定义。本文提出了层次化和柔性的面向对象CAPP系统体系结构，把系统结构从里及外划分为数据知识存储层、数据／知识表达层、方法层以及应用层。其中．数据／知识存储层涉及应用数据和计算机化的存储格式；在数据／知识表达层这一层次上，表达与CAPP相关的数据和知识．在面向对象数据抽象的基础上建立集成的CAPP数据模型；在方法层上，是按照基于功能单元抽象原理表达的处理事物的方法，功能单元的动态组合方式给用户提供了一条建立工具平台的途径，可以根据不同的功能要求构造CAPP系统；而在应用层上由一个或多个面向应用的CAPP系统组成。
在上述的CAPP系统体系结构中，数据抽象和功能抽象是这个体系结构的关键技术，数据抽象给产品的数据表达和交换提供了?个开发结构．而功能抽象为系统功能的表达提供了一个新的开放结构。
图5所示为面向对象CAPP系统功能单元平台系统功能图，图中将所有的功能单元归类为五个逻辑组：知识的表达／获取、制造资源的获取、零件定义模型数据获取、工艺规程生成和集成化的数据管理。
图 5
5．2 应用
作为部分研究内容的验证，我们在钣金冲裁FMS生产线的系统设计中应用了本文中的研究方法，尤其针对CAPP体系结构研究中的关键部分——数据建模中的知识表达／获取，如图6所示，将系统的知识表达／获取分成以下部分：制造资源表达的定义、特征组的表达／获取、制造资源选择规则表达和获取、制造文本的表达、工艺恬动元素的表达。而上述个功能单元又可按本文的方法再具体细分．由于篇幅原因此处不再累赘列出。
6 结论
本文在分析和研究国内外CAPP的大量研究成果的基础上．采用面向对象的设计方挂，建立了一个具有初步柔性和开放性的CAPP系统的体系结构。作者们认为下列工作应该是今后值得努力的方向：
(1)进一步实现系统在数据模型、工艺知识表达和工艺规划设计方法的一致性。
(2)实现系统功能单元的交换和形成功能单元信息流的标准化。
参考文献：
[1] Chang T C．Expert process planning for manufacturing[M]．Addison—wesley，USA，1990．
[2] Peter C，Chi C，Gadh R．Feature—based approach for set—up minimization of process design from
product design[J]．Comput—Aided Des，1996，28(5)：321—332．
[3] Requcha A A G，Vandenbrande Jan．Automatic process planning and part programming[M]．Artifical
Intelligence，1987．
[4] 王忠宾，王宁生，叶文华．基于遗传算法的加工方法排序决策的研究[J]．中国矿业大学学报，2002，32(2)：182—185．
计算机辅助工艺规程设计系统的体系结构研究.doc
