计算机辅助工艺设计――人工智能技术

计算机辅助工艺设计•计算机辅助工艺设计概念及发展简介1•计算机辅助工艺设计内容2•人工智能技术及其在CAPP中的应用3•计算机辅助工艺设计发展方向4目录一、计算机辅助工艺设计概念及发展简介1.1基本概念CAPP：ComputerAidedProcessPlanning计算机辅助工艺过程设计（规划）是指借助计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件机械加工工艺过程。1.2发展简介CAPP系统的研究和发展经历了较为漫长曲折的过程。1.在1965年Niebel首次提出CAPP思想。2.早期的CAPP系统称为检索式系统。特点：易建立，简单实用；自动决策能力差。3.随着成组技术的推广，变异式或派生式得到发展。特点：有利于实现工艺的标准化和规格化，开发，维护方便，此思想与实际手工工艺设计思路比较接近。4.70年代，wysk首次提出基于“逻辑算法+决策表”的创成式系统。特点：能完全自动生成工艺。5.基于变异式和创成式提出了混合式。特点：目前应用较广泛。6.进入80年代后，研究人员探讨将人工智能技术，专家系统技术应用于CAPP系统。专家系统CAPP以“逻辑推理+知识”为核心。7.进入90年代，CAPP系统结构，功能，领域适应性，扩充维护性，实用性等方面成为热点。人工神经网络技术，模糊综合评判方法，基因算法等理论也应用于此系统。（1）毛坯的选择及毛坯图生成根据零件的尺寸、形状、技术要求、生产批量等选择铸件、锻件、棒料及型材等。根据工序余量绘制毛坯图。（2）定位夹紧方案选择选择零件加工时的定位基准（粗基准、精基准），确定夹紧方案。（3）表面加工方案的选择从零件尺寸、形状、精度等角度，结合企业实际加工设备负载情况，确定各表面加工方法。二、计算机辅助工艺设计内容2.1CAPP系统设计的基本思路（4）加工顺序安排应用加工顺序安排原则，合理安排加工顺序。（5）通用机床与工装的选择从制造资源库中（机床库、刀具库、夹具库、量具库和辅具库）选择公共徐所需的设备和工装。（6）工艺参数的计算切削用量、加工余量和时间定额等。（7）专用机床和工装设计需求的提出改、造、买、协（8）工艺文件的输出工艺过程卡、工序卡、调整卡、检验卡等，汇总材料定额、时间定额、设备和工装信息输入到ERP。2.2CAPP的结构组成CAD系统系统控制与人机界面零件信息描述与读取工艺决策工艺文件管理与输出零件信息库工艺数据库与知识库工艺文件库2.3CAPP的基础技术（1）成组技术（GroupTechnology，GT）CAPP系统的研究与开发是与成组技术密切相关的，早期的CAPP系统的开发一般多为以GT为基础的变异式CAPP系统。（2）零件信息的描述与获取CAPP与CAD、CAM一样，其单元技术都是按照自己的特点而各自发展的。零件信息（几何拓扑及工艺信息）的输入都是首当其冲的，即使在集成化，智能化、网络化、可视化的CAD/CAPP/CAM系统，零件信息的生成与获取也是一项关键技术。（3）工艺设计决策机制其中核心为特征型面加工方法的选择，零件加工工序及工步的安排及组合，主要决策内容如下：1）工艺流程的决策。2）工序决策。3）工步决策。4）工艺参数决策。为保证工艺设计达到全局最优化，系统把这些内容集成在一起，进行综合分析、动态优化、交叉设计。（4）工艺知识的获取及表示工艺设计是随设计人员、资源条件、技术水平、工艺习惯不同而变化。要使工艺设计在企业内得到广泛有效应用，必须总结出适应于本企业所生产的零件加工的典型工艺及工艺决策的方法，按CAPP系统的开发要求，用不同的知识表示形式和推理策略来描述这些经验及决策逻辑。（5）工序图及其他文档的自动生成（6）NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真（7）工艺数据库的建立2.4CAPP类型1.交互型CAPP系统按照不同类型零件的加工工艺设计需求，编制一个人机交互软件系统。工艺人员在系统的提示引导下，回答工艺设计过程中的问题，对工艺过程进行决策及输入相应的内容，形成所需的工艺规程。交互型CAPP系统演示模块工艺数据库工艺设计模块工具集零件信息输入零件信息检索交互工艺编辑工艺流程管理工艺文件输出2、变异型CAPP系统利用成组技术原理将零件按结构和工艺相似性分类、归族，每族设计一个主样件，建立主样件的工艺规程（典型工艺规程）。设计新零件的工艺规程时，根据其成组编码，确定所属族，检索相应的典型工艺修改后生成新的工艺过程。3、创成型CAPP系统根据零件信息，自动提取制造知识，产生零件的个工序和工步，自动完成机床和工装选择和加工过程的最优化，通过应用决策逻辑，可以模拟工艺审计人员的决策过程。4、综合型CAPP系统将变异型CAPP与创成型CAPP相结合，工艺路线设计采用变异，工序设计采用创成式。零件GT代码创成式工艺文件生成器工艺文件管理器查找零件族人机交互编制工艺文件工艺文件检索编辑生成工艺文件工艺文件输出工艺文件零件族矩阵文件工艺文件库工艺文件输出格式库工艺，工布词典工艺参数库制造资源库变异式工艺文件生成器生产环境的定义工艺参数的定义工艺词典的定义企业制造资源描述工艺文件格式定义零件族定义零件设计信息5、智能型CAPP系统将人工智能技术应用在CAPP系统中来完成工艺过程设计。创成型CAPP以逻辑算法+决策表为特征，智能型以知识库+推理机为特征。CAPP人机接口知识获取与知识库管理交互式工艺设计工艺管理应用工具CAPP知识库人工智能决策单元交互式动态知识获取工艺知识自动获取产品工艺数据库相似工艺自动检索2.5市场上常见的CAPP系统（1）开目CAPP特点：提供完备的系统工具，企业可以自定义、自扩充，充分满足工艺个性化的需求；支持文件、数据库等多种工艺信息存储形式，提供XML国际通用标准格式，支持基于WEB的应用；提出并实现基于知识的工艺设计思想，提供独特的工艺参数化设计模块，通过可视化的工艺知识库建立工具，有效总结企业工艺和经验，显著提高工艺设计的效率和水平；与各种主流的CAD、PDM、ERP软件具有良好的集成性；最先提出CAPP工具化思想，也有形成了国内CAPP应用的行业标准。（2）CAPPWorks直接和上游CAD软件关联，工艺师是面向产品三维模型进行零件工艺设计、装配工艺设计；运用产品三维设计模型建立工序模型，并自动生成每道的工艺附图；加工尺寸及公差是直接面向产品三维设计模型进行选择，同时还可以根据工艺的要求进行必要的修改，这些加工尺寸及公差会驱动工艺模型，并自动带入到工序卡片上。对于数控加工则可以直接从工艺模型上获取需要加工编程的毛坯及成品。（3）金叶CAPP工艺资源/知识管理和应用：满足企业对工艺经验知识、工艺规范、制造资源等不断积累、优化、共享应用的需求，提高工艺标准化、规范化，提高工艺设计与工艺管理的质量和效率；BOM管理、工艺配置管理：集成共享PDM/CAD系统的产品数据（BOM、产品设计模型），基于EBOM，构建PBOM/MBOM，围绕PBOM组织、管理、配置产品工艺信息，满足企业系列化产品和批次组织生产的快速工艺设计需要三、人工智能技术及其在CAPP中的应用3.1基本概念人工智能AI（ArtificialIntelligence）是20世纪50年代在美国兴起的一门综合性边缘学科，它和“能源技术”、“空间技术”一起被誉为20世纪三大科学技术成就。研究领域包括问题求解、定理证明、语音识别、图像处理和专家系统等分支，其中专家系统的研究已经走向实用化。专家系统是一种求解问题的智能软件，在某一专业领域内，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理方法和控制策略，解决该领域内问题，并达到专家级水平，也称知识基系统（KnowledgeBasedSystem）。3.2专家系统的特点专家系统用于处理现实世界中需要专家来分析、解决的问题；专家系统通过推理的方法来解决问题，且得到的结论与专家决策相同。知识+推理=专家系统数据+算法=一般软件一般的数据库系统只是简单的存储答案，用户可以在机器中检索答案；而专家系统中存储的是推理的能力和知识。3.3专家系统结构3.4智能型CAPP实例•图示为用于滚珠丝杠副工艺设计的CAPP系统组成框图CAD信息处理模块系统初始化模块工艺方案决策模块工艺文件形成模块输出模块工艺文件工序作业工艺决策工序图刀具夹具选择机床选择数据库工艺规则库工艺知识库下图为推理过程结构图3.4.1系统推理机3.4.3工艺规则库IF条件THEN结论由于滚珠丝杠副工艺复杂，工序多。在此我们仅以半精车工序的部分决策逻辑列举如下：规则1如果丝杠精度为搜索通过，则搜寻精度值，并将结果准备好。规则2如果该表面精车以确定过，则表示等待决策规则3如果该表面已进行过半精车，则确定半精车是错误的，跳过该工序规则4如果精度在E级以下，同时L/D=25，则工艺文件中不记录半精车工序。……3.4.2工艺知识库经过大量分析滚珠丝杠副的工艺规程，归纳所涉及工艺知识，建立起滚珠丝杠和螺母的工艺知识库。分为两层结构形式如下图示：滚珠丝杠工序1工序2工序N-1工序N作业内容1作业内容2作业内容1作业内容2作业内容2作业内容1作业内容2作业内容1……第一层第二层四、CAPP的发展趋势（1）智能化自学习和自适应。（2）集成化两种流行趋势：1.在原有的CAPP单元系统上提供更多的接口，与其他单元系统集成；2.在集成框架系统上构建CAPP系统。（3）工具化短时间内工艺师是不可替代的，通用工具化系统的开发是流行趋势。