交互式CAPP系統的研究與開發

周曉邑，劉小青

（江西工業貿易職業技術學院，江西南昌330038）

機械制造業是國民經濟的支柱產業。隨著制造業現代化的需要，正向高質量、高效率、低成本、柔性化和自動化方向發展。CAPP在計算機輔助設計與制造以及企業信息化建設中，起著重要作用。CAPP系統的應用，更是實現CAD/CAPP/CAM集成的關鍵[1]。傳統的CAPP系統以零件為主要對象，強調對零部件幾何與工藝信息的獲取，和對零部件制造信息的輸出，但難以覆蓋產品的全部零件。交互式CAPP系統，根據工藝過程設計的特點和工藝人員編制工藝時的思維模式，采取“以人為中心，人機結合”的原則，建立起人機結合的交互式CAPP系統[2]。

1 交互式CAPP系統分析

1.1 系統特點分析

交互型系統是按照不同類型零件的加工工藝需求，以人機對話的方式，完成工藝規程設計的系統。工藝設計人員根據屏幕上的提示，進行人機交互操作，形成所需的工藝規程。它比綜合式CAPP系統更靈活方便，將一些經驗性強、模糊的、難確定的問題留給用戶，簡化了系統的開發難度，有可能開發出較通用的系統[3]。

交互式CAPP系統與其他傳統CAPP系統相比，具有如下特點：

（1）開放性。軟件的結構開放，工藝人員可以根據不同的需要定義不同的工藝信息，建立工藝知識庫、工藝規則庫等。

（2）智能性。交互式工藝設計不應是單純的工藝表格填寫,而應是在數據庫技術支持下，以工藝知識庫/工藝規程庫為基礎，實現工藝設計的智能化、規范化和標準化。

（3）交互性。采用交互式技術，充分利用各種典型工藝知識和工藝數據庫，既可方便工藝設計，又能便于知識獲取，實現經驗的繼承應用，采用人機交互，把工藝人員綜合到整個系統中去，充分利用、發揮工藝人員的智能優勢。

1.2 系統模型分析

交互式CAPP系統（又稱檢索式CAPP系統），采用以人機交互為主的工作方式，操作人員在系統的提示引導下，回答工藝設計中的問題，對工藝過程進行決策。因此這種CAPP系統工藝過程設計的質量對人的依賴性很大[3]。

（1）零件信息模型的建立。零件信息模型是計算機內部對零件信息的描述與表達方式，是計算機進行零件設計、工藝決策、工序尺寸鏈計算、工序圖生成、道具路徑規劃、NC程序生成以及加工過程仿真等的依據和核心。在這個模型中，要求能對零件信息進行輸入以及維護。

（2）工藝數據庫的建立。CAPP系統需要調用大量相關聯的工藝數據，工藝數據庫是CAPP系統的基礎平臺。交互式CAPP系統，又可以將傳統的零件工藝設計經驗保留下來，再根據具體的應用場所，對工藝進行編輯，從而形成零件實用的工藝。這就要求工藝數據庫的合理建立，工藝數據庫作為CAPP系統的支撐工具，它包含了工藝設計所需求的所有工藝數據和規則，從某種意義上說，生成工藝過程，可以看作是對工藝數據進行操作與管理的過程。

（3）工藝決策信息模型。工藝決策信息模型是工藝決策知識的一種表達結構。通過大量零件工藝規程的知識經驗建立一個工藝知識庫,通過成組技術把零件編碼分類，建立一個典型零件工藝規則庫，給出相應的工藝規則數據，建立一個計算機輔助工藝規則的決策系統。

（4）零件工藝信息模型。工藝信息模型是對CAPP系統各個設計階段的中間結果和最后的結果的描述與表達，是工藝文件的計算機內部表達形式，也是上述各個設計階段之間信息交換的依據。

在工藝信息模型中，可對不同的零件信息進行檢索，根據檢索出的標準工藝進行交互工藝的編輯，如添加、刪除、插入和移動某些工序等，從而形成的最終的實用工藝。

形成工藝文件后，能夠對工藝文件進行審核、批準等流程方面的規范化，以及最終輸出由工藝過程卡和工序卡相結合的工藝文件。

（5）工具集管理。對交互式CAPP系統中所需的工具進行統一的管理，如刀具、工夾具、量具等。

圖1 各種模型在工藝決策中的作用

1.3 工作流程分析

（1）通過系統權限的建立，進行用戶和角色的設計。

（2）通過工藝知識庫的建立，綜合工藝標準庫和實例庫，最終形成工藝數據庫體系。

（3）通過零件信息多種匹配規則，檢索出符合的工藝信息。

（4）對零件工藝信息進行編輯，方式有刪除、添加、插入和移動工序或工步信息等，并保存編輯的零件工藝結果。

（5）對零件的最終工藝信息進行審核、標準化、會簽、批準，并最終輸出工藝文件用于指導生產加工。

圖2 交互式CAPP系統工作流程圖

2 交互式CAPP系統設計

2.1 系統結構設計

根據交互式CAPP系統的功能需求，可將系統分為6大模塊，分別為：系統用戶管理模塊；零件編碼管理模塊；工藝數據庫模塊；零件信息管理模塊；零件工藝管理模塊以及工具集管理模塊。系統總體結構如圖3所示。

圖3 交互式CAPP系統結構圖

2.2 系統功能模塊設計

2.2.1 系統用戶管理模塊

主要管理交互式CAPP系統的操作用戶極其權限，這是系統能夠有效、穩定運行的保證。

2.2.2 零件編碼管理模塊

根據成組技術，對零件進行分類編碼，形成零件的分類編碼管理系統。零件的分類編碼系統就是用數字、字母或符號對零件各有關特征進行描述和標識的一套特定的法則和規定。

2.2.3 工藝數據庫模塊

工藝數據庫要能實現數據共享，即作為按不同性質建立起來的各個數據庫文件，必須能被任一決策規則訪問

（1）標準工藝庫。存放典型零件的工藝。在零件編碼管理模塊中，對相似零件進行了分類編碼，則根據分類編碼，對某類典型零件進行工藝設計，并將其存放在標準工藝庫中。典型零件的工藝管理是整個CAPP系統的重要環節，而該環節中最主要的工作是文件的更新和補充。

（2）實例工藝庫。在輸出某個零件的工藝過程卡后，可對該零件的工藝保存入到實例工藝庫。當形成了實例工藝庫后，對于將來形成某個具體零件的工藝時，則可先到標準工藝庫中查找，若沒有，則可以到實例子工藝庫中查找，從而形成更精確的工藝。

2.2.4 零件信息管理模塊

對零件信息進行管理，包括如下子模塊：

（1）零件信息輸入。零件信息屬性包括零件圖號、零件名稱、工藝路線號、產品和部件編號、毛皮類型、零件編碼等。

（2）零件信息維護。主要是實現對零件信息的刪除以及修改功能，以達到零件信息及時更新。

2.2.5 零件工藝管理模塊

零件工藝管理模塊，主要是形成零件的具體工藝以及最終輸出工藝文件，主要包括如下子模塊：

（1）零件信息檢索。根據輸入的零件編碼信息，在工藝數據庫中檢索出該類零件的標準工藝，同時可實現對零件信息查詢等功能，其中包括模糊匹配、精確匹配以及復合式匹配。

（2）交互工藝編輯。在上個子模塊中，通過零件信息檢索出零件的標準工藝，則在該子模塊中，根據具體的零件應用，對標準工藝進行編輯，包括添加、刪除、插入和移動工序，從而形成該零件的加工工藝。

（3）工藝流程管理。對加工工藝過程卡進行審核、標準化、會簽以及批準等。

（4）工藝文件輸出。輸出工藝過程卡、工序卡以及工步卡等。

2.2.6 工具集模塊

工藝數據及管理系統，工藝尺寸鏈的計算。包含了加工中要用到的各種工藝裝備（簡稱工裝），主要設計包括如下子模塊：

（1）設備管理。主要實現對設備信息的管理，包括設備信息的增刪改等功能。

（2）刀具管理。主要實現對刀具信息的管理，包括刀具信息的增刪改等功能。

（3）工夾具管理。主要實現對工夾具信息的管理，包括工夾具信息的增刪改等功能。

（4）量具管理。主要實現對量具信息的管理，包括量具信息的增刪改等功能。

2.3 概念模型設計

概念模型是現實世界的抽象反映，不依賴于具體的計算機系統，是現實世界的機器到機器世界的一個中間層次。最常用的概念模型是實體-聯系方法（Entity-Relationship Approach）。該方法用E-R圖來描述。因此，也稱實體-聯系模型，簡稱為E-R模型。

交互式CAPP系統中工藝設計的E-R圖如圖4所示。

圖4 交互式CAPP工藝設計E-R圖

2.4 開發工具的選擇

本系統設計為客戶端/服務器端的結構應用程序。客戶端采用Microsoft Visual Studio.NET 2008作為前端開發工具，采用ADO數據庫訪問接口，后臺采用Microsoft SQL Server2005數據庫。系統運行環境為Windows XP。

（1）采用VS2008的優勢，在于擁有強大的集成開發環境，如可視化、交互式的開發環境，方便的程序跟蹤和調試環境。

（2）SQLServer2005數據庫具有完善的關系數據庫管理機制，支持大規模的數據運算，完全能夠滿足的數據處理要求。

（3）ADO(Active Data Object)對象模型是微軟公司提供的數據庫訪問接口，易于學習和編程，ADO具有大多數通用應用程序的功能集，使程序員能夠快速生成功能強健的應用程序。

3 關鍵模塊的設計

3.1 編輯模塊的設計

交互式CAPP系統編輯模塊數據流程圖如圖5所示。

圖5 編輯模塊數據流程圖

根據零件信息，在工藝數據庫中檢索出工藝信息，其界面截圖如圖6。

圖6 工藝信息檢索界面

由圖6可知，對于交互式CAPP系統，其交互式工藝編輯模塊設計如下。

3.1.1 添加工序

針對零件的具體加工極其應用，增加某些工序，以及相應的工步信息，同時確定相應的加工設備、加工車間以及工裝信息，比如刀具信息（切削參數、切削速度等）、量具信息以及工夾具信息等。在此注意的是，若對于某道工序，不需要添加工步，只有工序信息即可滿足加工要求，則其工裝信息等匹配在相應的工序條件下。

（1）僅對工序添加工步信息。對于標準工藝，各個工序均基本滿足要求，而此時只要對某道或多道工序添加工步信息，即可滿足要求。此時改動也較小，同時可提高制作加工工藝的效率，其界面截圖如圖7。

（2）添加完整工序。完全添加工序信息，同時添加對應的工步信息。界面如圖8。

圖7 僅添加工步信息界面

圖8 同時添加工序和工步信息界面

3.1.2 刪除工序信息

對于某些不必要的工序信息進行刪除，與此同時刪除對應的工步信息。

（1）僅刪除工序中的工步。對于有些工序信息，僅需要刪除對應的某幾道或多道工步即可滿足加工要求。

（2）完全刪除工序信息。完全刪除工藝路線信息中的某道或多道工序信息，同時車間、設備以及工裝信息（刀具、工夾具以及量具信息）等都會被刪除。

刪除工序信息界面截圖如圖9。

圖9 刪除工序信息界面

3.1.3 插入工序信息

在某兩個工序之間插入認為必要的工序。在插入工序信息尤其要注意加工順序，適當的位置插入工序，能使加工順序更完善，同時可提高加工的效率，比如兩次相近的加工工序，則可建加工換刀或量尺寸的次數。

3.1.4 移動工序

通過界面上的上移和下移，按鈕圖標可以移動工序。移動工序時，更應注重設備以及工裝等的安排，合理的安排移動加工順序，也可提高工藝加工的效率。

交互式工藝的編輯模塊的設計中，采用人機交互的方法，在標準工藝的基礎上，有人為的來決定如何更改當前的工序，從添加工序、刪除工序、插入工序以及移動工序等多種編輯方式中選擇，從而形成加工工藝。其工作的程序流程圖如圖10。

圖10 編輯模塊程序流程圖

3.2 工藝文件設計

由以上交互式工藝設計零件的標準工藝，再通過添加、刪除工序或工步，以及插入及移動工序等方法，由工藝編輯模塊設計出零件的加工工藝。對于生成的加工工藝，進行工藝文件的流程管理，即通過審核、標準化、會簽以及批準等項的設置后，即可輸出工藝文件，其界面截圖如圖11。

圖11 工藝文件設計界面

4 結束語

交互式CAPP系統廣泛應用于國內各大中小型企業中，在實際應用中體現出了操作簡單、交互性強以及穩定性好等優勢，同時提高了工藝的設計質量和生產加工效率。利用基于ASP.NET的C#語言進行程序模塊開發，有較友好的工藝設計和交互界面，可方便地對零件的工藝信息進行編輯或保存。

[1]楊亞楠，史明華，肖新華.CAPP的研究現狀及其發展趨勢[J].機械設計與制造，2008，(7)：223-225.

[2]邵新宇，蔡力鋼.現代CAPP技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]張勝文，趙良才.計算機輔助工藝設計—CAPP系統設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4]詹海平.CAPP在企業中的規劃規劃與應用[J].杭氧科技，2008，(3)：75-76.

[5]張南喬，陳榮敏，張淑蘭.面向中小企業的交互式CAPP系統研究[J].機床與液壓，2006，(11)：201-203.