应用技术的不断发展,人们越来越认识到CAPP的重要性。CAPP是20世纪60年代后期出现的一个新的技术领域,自20世纪70年代开始至今,CAPP已经成为世界范围内机械制造领域的研究热点[12]。并且先后出现了各种各样的CAPP系统,按其工作原理可分为五类[13-15]:(1)交互式(Interactive)CAPP系统;(2)派生式(Variant) CAPP系统;(3)创成式(Generative) CAPP系统;(4)综合式(Hybrid) CAPP系统;(5)专家系统(Expert System, ES)。
可以分别从技术发展,工程应用,系统设计,提高其实用性这4个角度来分析CAPP的研究现状:
1. 技术发展的角度:CAPP结合现代计算机、信息、数据库等相关技术的进展。采用新的决策算法、发展新的功能。在并行、智能、分布、面向对象等方面进行着有益的尝试。
2. 工程应用的角度:CAPP产业在我国中低端应用方面已经拥有了相当的市场份额,但在高端功能的开发和应用方面,还存在较大的差距。
3. 系统设计的角度:CAPP系统正在从创成式、派生式、半创成式过渡到结合人工智能技术,且具有检索、修订、生成、交互等各种功能综合的、融入智能决策的系统模式,以便充分发挥计算机和工艺人员的特点和特长,极大地提高工艺设计效率和质量。
4. 提高CAPP的实用性的角度:各种商品化的CAPP系统已经把视角从过度注重工艺过程的自动生成转变到为企业工艺设计人员提供"放钢笔、甩手册"的工作平台,并在企业中得到了广泛应用[16]。
3 数据库技术在金属热处理CAPP方面的应用与发展
3.1 应用与发展现状
当前数据库技术在金属热处理中的应用越来越广泛,一方面热处理中的计算机模拟技术、CAD和辅助决策系统以及人工智能技术的应用都需要强大的数据库支持,另一方面技术人员制定热处理工艺时也常常依赖数据库获得各种参数[17]。
在国外,各类热处理数据库建立已比较完善,如工艺数据库、材料数据库、设备数据库、性能数据库等[17],基于这些数据库,国外的很多公司开发出了适合企业自身的数据库应用系统(Database Application System, DBAS)。
近些年来,在金属热处理DBAS方面的研究我国有着突破性的进展。80年代初期和中期,先后有机械部第三设计研究院研制了井式渗碳炉微机控制系统,上海交通大学研究和开发出微机可控渗碳工艺和设备系统,西安理工大学研制开发出重载齿轮深层渗碳计算机模拟控制技术与设备,北京机电研究所和北京工业大学分别研究开发出热处理数据库技术,北京机电所研制推出了JST型微机控制淬火介质冷速测定仪等成果问世并应用于工业生产实践[18]。上海交通大学研制开发的SJTU-560工业控制微机热处理过程控制系统,感应加热柔性热处理系统,郑州齿轮厂UNIT气体渗碳柔性控制系统等[19]。
时至今日,金属热处理数据库技术在CAPP方面的研究仍然在进行之中,在系统功能上,从独立的CAPP技术"孤岛",到满足系统集成化需求的集成化系统;在系统设计方法上,从单一的派生式、创成式到应用专家系统等人工智能技术,并具有检索、修订、创成等多种决策方式的综合、智能化系统模式;在系统开发上,从单纯的学术探讨逐步走向以实用化、商品化系统开发[20]。
3.2 本课题目的及意义
本课题所开发的系统,能够迅速地实现金属热处理数据的查询,并且可以根据用户的技术要求自动进行工艺选择与设计,用户能够在VFP数据库环境下完成金属热处理工艺选择与设计的全部工作,在简化工作的同时,提高金属热处理工艺选择与设计的工作效率[3]。
将系统应用于汽车、船舶、加工机床等需要大量使用热处理零部件的领域[21],会显著提高其生产效率,减轻、代替工艺工程师的繁重劳动力,实现工艺设计的规范化和标准化,提高工艺设计质量,缩短生产准备时间,减少工艺设计费用及制造成本,促进生产自动化[13,22,23],并为企业信息化建设做准备,给企业带来新的增长率。
应用在高等教育领域,不但可以丰富高等教育的课堂,而且使学生更易于接受和掌握金属热处理工艺选择与设计的知识,满足高校教学的要求。
通过实践和探索为以上领域的进一步发展打下基础。
4 需求分析
本阶段首先需要进行用户调查,通过对用户的走访,查阅资料等手段了解用户现行的工作流程。然后进行数据需求分析及数据处理需求分析,建立数据字典。最终确定系统功能目标。
4.1 用户调查
在查阅大量金属热处理工艺资料的同时,经过对辽宁工程技术大学材料实验中心、金工实习工厂的实地观察,并多次与负责热处理实验中心的老师和工厂的工艺工程师进行研讨,加深了对现行热处理工艺选择与设计的了解,在此基础上将现行金属热处理工艺选择与设计过程描述如下:
1. 编制各类金属材料热处理数据的热处理工艺手册,其内容包括金属材料的化学成分,相变温度,淬火信息,回火信息,正火信息,退火信息等;
2. 根据零件的热处理技术要求,包括零件的材料牌号、有效尺寸、硬度要求,允许变形量等,通过手工的方法查找有关的热处理工艺手册及经验公式;
3. 通过进行分析、计算,并配合热处理工艺工程师的经验确定工件的加热温度、保温时间、冷却方式等工艺参数,并绘制出相应的热处理工艺曲线或填写热处理工艺卡。
经以上分析得出,目前的金属热处理工艺选择与设计存在如下问题:
1. 人工工作量大;
2. 工作效率低;
3. 资料保存困难;
4. 依赖热处理工艺工程师的经验,以致外行业人员以及新手难以入门等。
用户迫切希望开发一套切实可行、符合日常工作习惯的金属热处理工艺选择与设计系统。用户最关心的是目标系统能够实现方便、快捷的热处理工艺信息查询,能够自动根据热处理技术要求进行工艺选择与设计并生成工艺卡,同时将其永久保存,方便查阅。
4.2 数据与数据处理需求分析
按照软件工程原理,需求分析阶段主要有两个方面的任务:分析用户的数据需求和数据处理需求。
4.2.1 数据需求分析
表4-1是某金属热处理工艺手册中的部分数据表,记载了不同牌号钢的热处理数据。
表4-1 热处理工艺手册样表
Tab.4-1 Sample of process manual of heat treatment
序号 牌号 临界温度(℃) 退火 正火 淬火 回火 Ac1 Ac3 Ms 温度
(℃) 冷却
方式 硬度
(HBS) 温度
(℃) 冷却
方式 硬度
(HBS) 温度
(℃) 淬火
介质 硬度
(HRC) 不同温度(℃)火后的硬度值HRC Ar1 Ar3 Mf 150 200 300 400 500 550 600 650 1 08 732 874 --- 900~
930 炉冷 --- 920~
940 空冷 <=137 840 水 >=55 55 53 48 42 34 29 23 20 680 854 --- 2 10 724 876 --- 900~
930 炉冷 <=137 900~
950 空冷 <=143 840 水/油 >=59 58 55 50 41 33 26 22 --- 682 850 --- 3 15 735 863 --- 880~
960 炉冷 <=156 920~
950 空冷 <=143 830 水/油 >=59 58 55 50 41 33 26 22 --- 685 840 --- ...
表4-1中的信息基本反映了金属热处理工艺选择与设计过程中所涉及的信息类别,是目标系统数据库设计的主要依据。但是表4-1是一个多维表,根据关系型数据库的特点和要求,表4-1中的信息很难用一个数据表来记载。在数据库设计过程中,必须认真分析表中各个数据的特点及相互关系,将表4-1拆解为一组即相互独立又可以相互联系的二维数据表来记录表中的信息,那么这一组数据表的集合就构成了目标系统的数据库。
图4-1 金属热处理工艺卡样图
Fig.4-1 Sample of process card of heat treatment
图4-1是某金属热处理工艺卡样图。图中信息反映了该种产品的基本信息以及为达到某种使用要求所进行的金属
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