引　言

　　目前，CAPP系統(tǒng)按其工作原理來分主要有四種基本的應用模式，即交互式、檢索式、派生式和創(chuàng)成式。此外尚有介于派生式或檢索式與創(chuàng)成式之間的系統(tǒng)，通常稱為半創(chuàng)成式系統(tǒng)。其中，檢索式系統(tǒng)只能在新零件能找到相似性很好的零件時發(fā)揮作用；派生式系統(tǒng)也依賴于零件的相似性，同時，由于零件的復雜性，要建立有效的且覆蓋面大的標準工藝是極為困難的，使用時，人工修改的工作量往往很大；交互式系統(tǒng)則主要為打印提供方便。這幾種方式都依賴于人工決策，自動化程度低，效率和適用面往往都不理想，尤其是它們都難以與CAD和數控編程系統(tǒng)集成。創(chuàng)成式或半創(chuàng)成式系統(tǒng)目前一般都采用特征技術描述零件，實現(xiàn)與CAD及數控編程系統(tǒng)的集成，大大提高了工作效率。但是由于零件的復雜性及工藝設計的經驗性，一方面使工藝知識規(guī)則化很困難；另一方面對單個特征而言是正確的工藝決策，但對整個零件全局來說不一定是合適的。因此，創(chuàng)成式或半創(chuàng)成式系統(tǒng)目前尚待解決實用性的問題。
 
　　所以，怎樣綜合地利用各種工作原理并使得它們能有機地結合起來，怎樣建立起良好的CAPP的體系結構，使得CAPP系統(tǒng)能滿足當前及未來發(fā)展在功能上、集成化、自動化、實用性和通用性的更高的要求，尋求一種功能強大，實用性好的和有著特殊機理的CAPP系統(tǒng)便自然成了需要迫切解決的問題。

    1　基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)的工作原理

　　本文的基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)綜合利用不同工作原理的CAPP系統(tǒng)，同時在CAPP專家系統(tǒng)中嵌入基于范例的推理方法，利用特征技術完成零件信息的統(tǒng)一描述以實現(xiàn)集成，建立了已有零件的基于關系數據庫的工藝文件庫，建立了特征編碼矩陣、知識庫和推理機。

　　需要指出的是，所提出的基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)是將交互式CAPP、檢索式CAPP、派生式CAPP、創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)四種工作原理的有機結合，是利用原理，由系統(tǒng)直接針對已有零件的工藝文件和標準工藝文件進行操作。而不是四種工作原理的單純相加，系統(tǒng)結合后，可以劃分為兩個大的部分，即基于范例的系統(tǒng)和基于知識規(guī)則的系統(tǒng)。基于范例的系統(tǒng)中貯存的是經實踐驗證的標準工藝，采用基于范例的設計方法，可以很好地利用以前的經驗，而基于知識規(guī)則的專家系統(tǒng)完全是一種創(chuàng)造性的決策過程，能解決復雜程度較高的，基于范例的系統(tǒng)所不能解決的一些問題。系統(tǒng)組成的兩大部分優(yōu)缺點互補，相輔相承，組成了功能強大、實用性好和適應能力強的綜合式CAPP系統(tǒng)。

　　復雜形狀零件工藝過程設計的多樣性，工藝決策知識的多樣性以及生產環(huán)境約束的多樣性，要求CAPP系統(tǒng)必須尋求一種有機的結合體來適應各種條件的多樣化，要求系統(tǒng)在適應工件類型的基礎上，采用多種決策方法，采用多層次的分布式系統(tǒng)結構。因此，再綜合式CAPP系統(tǒng)中，針對零件的具體情況，以零件的相似性為依據，選擇最有利于提高設計過程自動化程度和設計結果實用性的工作原理。為此，設計了如圖1所示的基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)的工作流程。

　　如圖1所示， 系統(tǒng)首先根據零件信息確定零件種類， 然后根據特征層信息建立與已有零件的特征編碼關聯(lián)矩陣， 計算相似系數， 通過判斷后， 進行范例檢索， 檢索成功后則進行范例的調用， 修正； 若檢索失敗或者相似性太差， 系統(tǒng)則采用基于知識規(guī)則的方法進行工藝設計。詳細的步驟如下：
 
　　(1) 首先從動態(tài)信息庫中提取零件的CAD幾何描述信息、工藝信息和其它必要的信息，以滿足綜合式CAPP系統(tǒng)的功能需求，完成工藝設計的任務；

　　(2) 通過信息轉換和建模功能形成基于特征的CAPP零件模型后，計算零件特征編碼關聯(lián)矩陣的各個元素的值，即相似系數的計算，其中相似性的判斷和相似系數的計算是后續(xù)流程中采取什么樣的決策方式的關鍵。

　　(3) 通過相似性的判斷后， 若新舊零件的相似性好， 則把與新零件相似性好的原有零件相應的工藝文件或零件族的標準工藝文件取出， 同時確定新零件的正負差異特征；

　　(4) 在零件的工藝文件或標準工藝文件中刪去負差異特征相應的那部分工序或工步，正差異特征部分的工藝可由專家系統(tǒng)中的推理機進行推理。推理的工藝結果與前面自動修改后的范例相結合，經過工步的組合、排序和優(yōu)化后形成新的工藝文件，同時生成NCP接口文件，按需要修改后存入信息庫，最后，經過修改后的工藝文件或標準工藝文件作為新零件工藝設計的范例；

　　(5) 通過相似性的判斷后，若新舊零件的相似性極差，零件信息形成復合特征后，完全利用專家系統(tǒng)進行工藝創(chuàng)成，經過工步序列優(yōu)化，生成工藝文件，同時還生成刀位接口文件供NCP產生刀位軌跡及數控指令。其中，復合特征包括工藝復合特征和功能復合特征，復合特征的引入，同樣有利于提高設計結果的一致性和實用性，以及簡化系統(tǒng)的工作過程；

　　(6) 若創(chuàng)成失敗或對結果不滿意，可以采取人機交互方式進行修改，修改后保存結果；

　　(7) 在完成了全部設計的任務以后，由信息庫按各外部系統(tǒng)所要求的格式，整理并輸出設計結果；

　　(8) 最終新零件產生的工藝文件經過范例庫的修改、維護并經過實際生產的檢驗以后，又可作為以后新零件工藝設計的范例，使得設計經驗能夠得以重復利用，提高了系統(tǒng)的自學習能力。

圖1　基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)工作流程圖

　　以上幾個方面是基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)的工作流程。其中工藝設計范例的選擇如下所述：一般來說，不可能存在完全相同的零件。因此，范例的選擇只能是盡可能地相似，而相似程度的高低，將直接影響到范例的調用和修改。在CAPP專家系統(tǒng)中采用基于范例推理-CBR的目的，就是最大限度地減少工藝設計工作量，提高工作效率。系統(tǒng)中有兩種范例選擇的方式：一種是系統(tǒng)通過相似系數的大小來判斷并作出自動選擇；另一種是用于補充的人機交互選擇方法。前者由系統(tǒng)自動選擇，即挑出相似性最好的范例，后者可以由系統(tǒng)操作者來執(zhí)行，根據經驗，從系統(tǒng)檢索出的范例中，選擇合適的范例，以彌補系統(tǒng)自動檢索范例過程中存在模糊性的缺點。

     2　基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)的體系結構

　　根據上面所描述的系統(tǒng)的工作原理的需要，設計了如圖2所示的基于范例的綜合式CAPP的體系結構。該體系結構綜合了多種CAPP的工作原理，將基于范例推理的思想成功地嵌入基于知識規(guī)則的CAPP的專家系統(tǒng)中，能很好地利用前人工藝設計的經驗，在系統(tǒng)執(zhí)行過程中，若不能成功地挑選出新零件工藝設計的范例，則可充分利用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的優(yōu)點來進行工藝創(chuàng)成。

圖2　基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)的體系結構

      (1) 零件的建模

　　零件的模型包括零件定義模型、制造資源描述模型和工藝決策模型。其中，零件定義模型的描述是關鍵，所建立的零件特征定義模型必須包括零件層的信息、特征層信息和底層的幾何信息。這些信息除了從CAD系統(tǒng)中獲取之外，還可以通過人機交互修改和增加；制造資源描述模型包括制造資源數據和制造資源知識描述；工藝決策模型則是描述工藝過程規(guī)劃采取怎樣的策略來進行工藝文件生成的模型。

　　(2) 零件的相似性

　　零件相似性的描述主要是通過零件特征編碼關聯(lián)矩陣中的各元素的相似系數的計算來實現(xiàn)的。若相似性較好，則新舊零件的特征編碼相同的數目較多，即新舊零件的結構等等很相似。零件的相似性判斷是系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵。

　　(3) 基于范例的推理

　　通過利用基于范例的推理思想，可以使系統(tǒng)更好地利用以前的工藝設計經驗。其中，范例的檢索采用的是檢索式和派生式CAPP系統(tǒng)的思想，將范例的檢索和調用結合在一起，提高了系統(tǒng)總的工作效率；范例的修改以原知識基系統(tǒng)的知識表達形式表達，能夠利用原來的系統(tǒng)中的推理機制進行處理，因此也便于系統(tǒng)的開發(fā)、維護和擴充。

　　(4) 基于規(guī)則的推理

　　基于規(guī)則的推理思想是利用各類知識庫，通過調用推理機來實現(xiàn)新零件的工藝創(chuàng)成。其中，推理過程中，必需調入各類知識庫、數據庫和描述模型，通過創(chuàng)造性的決策來解決新零件的工藝設計過程中所沒有遇到過的新問題和新情況。

　　(5) 其它功能

　　知識獲取功能是通過管理知識的輸入、修改以及人機對話方式將推理的中間結果變成新的知識；推理解釋機制通過圖示的方式顯示推理過程，可以顯示推理過程所用到的設計內容，幫助使用者了解工藝設計結果的產生過程；用戶界面交互功能通過人機交互修改各設計內容，以達到設計結果合理的目的。

    2.2　知識庫

　　系統(tǒng)的知識庫根據應實現(xiàn)功能的需要設計了如下子庫：

　　?特征加工鏈生成知識庫：用于存放針對特征的加工鏈產生的規(guī)則庫；

　　?機床選擇知識庫：用于存放選擇機床的規(guī)則庫；

　　?刀具選擇知識庫：用于存放選擇刀具的規(guī)則庫；

　　?公差轉換知識庫：用于存放將數值方式表示的各種公差轉換為精度符號的規(guī)則庫；

　　?切削策略和切削參數選擇知識庫：用于存放選擇切削策略和切削參數的規(guī)則庫；

　　?工藝排序知識庫：用于存放工步序列優(yōu)化準則的規(guī)則庫。

    2.3　動態(tài)信息庫

　　系統(tǒng)的動態(tài)信息庫包括：工程數據庫、工藝文件庫、工藝范例庫、輸入輸出接口、描述模型庫、特定CAPP數據庫。動態(tài)信息庫用于存放和設計過程有關的所有數據，存放CAPP系統(tǒng)所需的刀具、機床、夾具等工藝裝備數據以及其它工程數據，用于存放工藝文件，用于存放當前處理的零件信息等等。

      通過對基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)體系結構的剖析，可以看到：

　　首先，系統(tǒng)有一個統(tǒng)一的零件描述方法。該描述用于后續(xù)的相似性的判斷，使得在同一零件的工藝設計中能利用不同的工作原理。基于規(guī)則的創(chuàng)成式CAPP專家系統(tǒng)應用特征技術已很成熟，其最終結果是零件的工藝文件，這與基于范例的系統(tǒng)所需的工藝文件無本質區(qū)別。基于范例的系統(tǒng)中零件族的形成在利用成組技術的同時附以對零件族進行附加特征描述，在此意義上，也可將零件族看成是某個更為“全面”的零件。

　　其次，采用了基于范例的設計方法。通過研究新零件與范例之間的差異特征，利用創(chuàng)成的方式解決差異特征的工藝設計，既解決了人工修改問題的弊端，又減少了需要創(chuàng)成的內容，易實現(xiàn)零件工藝的實用性及進行全局優(yōu)化的可能性。同時也利用基于規(guī)則的系統(tǒng)解決了不具有相似性部分的設計問題。最后用交互的方式進行編輯修改，使得新生成的工藝文件又可作為一個新的范例，這樣保證了系統(tǒng)的開放性，以便在生產實際的使用中能不斷擴充和維護。

　　最后，該類型系統(tǒng)是由不同種工作原理的CAPP系統(tǒng)，根據企業(yè)的實際應用情況，綜合利用不同系統(tǒng)的優(yōu)點，并在作了全局的規(guī)劃設計以后，有機地結合在一起的。各分系統(tǒng)互相補充，互相滲透、融合，并以特征作為判斷相似性和選擇范例的依據，其應用與最終結果有利于綜合式CAPP與CAD系統(tǒng)，CAPP與CAM系統(tǒng)的友好集成。

　　綜上所述，基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)的模式結構復雜但又不失其靈活的一面，是一種開放性很好的系統(tǒng)，其中特征技術和專家系統(tǒng)技術交叉地應用于不同工作原理的子系統(tǒng)中，更好地利用了各子系統(tǒng)的優(yōu)點，并良好地實現(xiàn)了集成，具有良好的通用性和實用性。

    3　基于范例的綜合式HC-CAPP系統(tǒng)

　　HC-CAPP系統(tǒng)是一個基于范例的綜合式CAPP系統(tǒng)，并且是CIMS環(huán)境中的一個子系統(tǒng)。該系統(tǒng)以非回轉體類零件，特別是箱體類、轉向橋體類零件為加工對象，面向加工中心的數控加工設備，自動進行工藝過程設計，并通過數據接口與公用信息庫的聯(lián)系，實現(xiàn)CAPP系統(tǒng)分別與CAD和NCP的集成。

　　根據上述的體系結構的研究和設計，本系統(tǒng)首先對特征建立編碼系統(tǒng)，利用特征編碼組表示零件，然后對零件進行相似性分析與計算。當新舊零件的相似性很好時，則選擇原有零件工藝文件或選擇零件族標準工藝為范例，利用創(chuàng)成方式對正差異特征進行處理，針對負差異特征自動修改范例，兩者組合后經過排序和優(yōu)化得到新零件的工藝；當新舊零件相似性很差時，則完全用創(chuàng)成的方式生成新零件的工藝，最后用交互的方式對結果檢查或作必要的修改。

　　其中，針對CAPP的需要，系統(tǒng)建立了面向零件的加工特征庫和零件定義模型框架。為了從二維參數化CAD系統(tǒng)中獲得所需的信息，在二維CAD系統(tǒng)的工作環(huán)境下開發(fā)了系統(tǒng)的集成接口，通過該接口可半自動地從CAD圖形中提取有關信息，按一定的格式存入數據庫。最后由CAPP中的零件信息輸入與規(guī)整處理模塊獲取這些信息，構成零件定義模型。如果特征庫有所變動，則知識庫要作相應的改動。用戶可通過人機對話，利用帶有標準工藝編輯工具輸入非機加工工藝，同時利用交互的方式可以對前面各子系統(tǒng)產生的最終工藝文件進行編輯修改。

　　綜合式CAPP系統(tǒng)在產生工藝文件的同時，它還具有為數控加工零件產生初步的刀位文件的功能，以提供給NCP子系統(tǒng)作進一步處理。為此，可以看出系統(tǒng)具有如下諸多特點：

　　(1) 綜合了多種CAPP的工作原理，針對不同的零件、工藝，采用不同的手段，解決了目前存在的很多問題；

　　(2) 以特征作為判斷相似性和選擇范例的依據，保證各部分有機地結合；

　　(3) 具有開放式體系結構，可以進一步開發(fā)與制造資源計劃的接口；

　　(4) 采用特征技術作為產品模型描述的核心技術，并通過數據庫的共享，數據交換和中性文件等接口的處理，來實現(xiàn)CAD/CAPP/NCP的一體化集成；

　　(5) 在軟件實現(xiàn)方面，本系統(tǒng)具有良好的模塊化的結構，并很好地體現(xiàn)和發(fā)揮了作為綜合式CAPP的優(yōu)勢；

　　(6) 采用標準化Visual C++,POWERBUILDER,ODBC,Windows95等標準化支撐環(huán)境，對目前主流型的硬件平臺具有可移植性。

    4　結論

　　體系結構的研究促進了CAPP應用系統(tǒng)的研究和開發(fā)，并可以為工藝設計的自動化提供了系統(tǒng)和科學的基礎。HC-CAPP系統(tǒng)是應用體系結構理論研究成果，利用已有的商品化CAD資源，針對典型箱體類零件，實現(xiàn)集成化的綜合式CAPP系統(tǒng)開發(fā)的一次成功的實踐。