CIMS环境下基于范例的综合式CAPP系统的体系结构研究

    引　言

　　目前，CAPP系统按其工作原理来分主要有四种基本的应用模式，即交互式、检索式、派生式和创成式。此外尚有介于派生式或检索式与创成式之间的系统，通常称为半创成式系统。其中，检索式系统只能在新零件能找到相似性很好的零件时发挥作用；派生式系统也依赖于零件的相似性，同时，由于零件的复杂性，要建立有效的且覆盖面大的标准工艺是极为困难的，使用时，人工修改的工作量往往很大；交互式系统则主要为打印提供方便。这几种方式都依赖于人工决策，自动化程度低，效率和适用面往往都不理想，尤其是它们都难以与CAD和数控编程系统集成。创成式或半创成式系统目前一般都采用特征技术描述零件，实现与CAD及数控编程系统的集成，大大提高了工作效率。但是由于零件的复杂性及工艺设计的经验性，一方面使工艺知识规则化很困难；另一方面对单个特征而言是正确的工艺决策，但对整个零件全局来说不一定是合适的。因此，创成式或半创成式系统目前尚待解决实用性的问题。
 
　　所以，怎样综合地利用各种工作原理并使得它们能有机地结合起来，怎样建立起良好的CAPP的体系结构，使得CAPP系统能满足当前及未来发展在功能上、集成化、自动化、实用性和通用性的更高的要求，寻求一种功能强大，实用性好的和有着特殊机理的CAPP系统便自然成了需要迫切解决的问题。

    1　基于范例的综合式CAPP系统的工作原理

　　本文的基于范例的综合式CAPP系统综合利用不同工作原理的CAPP系统，同时在CAPP专家系统中嵌入基于范例的推理方法，利用特征技术完成零件信息的统一描述以实现集成，建立了已有零件的基于关系数据库的工艺文件库，建立了特征编码矩阵、知识库和推理机。

　　需要指出的是，所提出的基于范例的综合式CAPP系统是将交互式CAPP、检索式CAPP、派生式CAPP、创成式CAPP系统四种工作原理的有机结合，是利用原理，由系统直接针对已有零件的工艺文件和标准工艺文件进行操作。而不是四种工作原理的单纯相加，系统结合后，可以划分为两个大的部分，即基于范例的系统和基于知识规则的系统。基于范例的系统中贮存的是经实践验证的标准工艺，采用基于范例的设计方法，可以很好地利用以前的经验，而基于知识规则的专家系统完全是一种创造性的决策过程，能解决复杂程度较高的，基于范例的系统所不能解决的一些问题。系统组成的两大部分优缺点互补，相辅相承，组成了功能强大、实用性好和适应能力强的综合式CAPP系统。

　　复杂形状零件工艺过程设计的多样性，工艺决策知识的多样性以及生产环境约束的多样性，要求CAPP系统必须寻求一种有机的结合体来适应各种条件的多样化，要求系统在适应工件类型的基础上，采用多种决策方法，采用多层次的分布式系统结构。因此，再综合式CAPP系统中，针对零件的具体情况，以零件的相似性为依据，选择最有利于提高设计过程自动化程度和设计结果实用性的工作原理。为此，设计了如图1所示的基于范例的综合式CAPP系统的工作流程。

　　如图1所示， 系统首先根据零件信息确定零件种类， 然后根据特征层信息建立与已有零件的特征编码关联矩阵， 计算相似系数， 通过判断后， 进行范例检索， 检索成功后则进行范例的调用， 修正； 若检索失败或者相似性太差， 系统则采用基于知识规则的方法进行工艺设计。详细的步骤如下：
 
　　(1) 首先从动态信息库中提取零件的CAD几何描述信息、工艺信息和其它必要的信息，以满足综合式CAPP系统的功能需求，完成工艺设计的任务；

　　(2) 通过信息转换和建模功能形成基于特征的CAPP零件模型后，计算零件特征编码关联矩阵的各个元素的值，即相似系数的计算，其中相似性的判断和相似系数的计算是后续流程中采取什么样的决策方式的关键。

　　(3) 通过相似性的判断后， 若新旧零件的相似性好， 则把与新零件相似性好的原有零件相应的工艺文件或零件族的标准工艺文件取出， 同时确定新零件的正负差异特征；

　　(4) 在零件的工艺文件或标准工艺文件中删去负差异特征相应的那部分工序或工步，正差异特征部分的工艺可由专家系统中的推理机进行推理。推理的工艺结果与前面自动修改后的范例相结合，经过工步的组合、排序和优化后形成新的工艺文件，同时生成NCP接口文件，按需要修改后存入信息库，最后，经过修改后的工艺文件或标准工艺文件作为新零件工艺设计的范例；

　　(5) 通过相似性的判断后，若新旧零件的相似性极差，零件信息形成复合特征后，完全利用专家系统进行工艺创成，经过工步序列优化，生成工艺文件，同时还生成刀位接口文件供NCP产生刀位轨迹及数控指令。其中，复合特征包括工艺复合特征和功能复合特征，复合特征的引入，同样有利于提高设计结果的一致性和实用性，以及简化系统的工作过程；

　　(6) 若创成失败或对结果不满意，可以采取人机交互方式进行修改，修改后保存结果；

　　(7) 在完成了全部设计的任务以后，由信息库按各外部系统所要求的格式，整理并输出设计结果；

　　(8) 最终新零件产生的工艺文件经过范例库的修改、维护并经过实际生产的检验以后，又可作为以后新零件工艺设计的范例，使得设计经验能够得以重复利用，提高了系统的自学习能力。

图1　基于范例的综合式CAPP系统工作流程图

　　以上几个方面是基于范例的综合式CAPP系统的工作流程。其中工艺设计范例的选择如下所述：一般来说，不可能存在完全相同的零件。因此，范例的选择只能是尽可能地相似，而相似程度的高低，将直接影响到范例的调用和修改。在CAPP专家系统中采用基于范例推理-CBR的目的，就是最大限度地减少工艺设计工作量，提高工作效率。系统中有两种范例选择的方式：一种是系统通过相似系数的大小来判断并作出自动选择；另一种是用于补充的人机交互选择方法。前者由系统自动选择，即挑出相似性最好的范例，后者可以由系统操作者来执行，根据经验，从系统检索出的范例中，选择合适的范例，以弥补系统自动检索范例过程中存在模糊性的缺点。