计算机辅助工艺设计系统及与PDM系统的集成研究
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I
摘 要
随着现代科技和计算机技术的快速发展，现代企业在产品设计、生产、管理
乃至市场策划与销售上都面临新的挑战。企业的产品逐步向多样化、系列化、个
性化的方向发展。工艺设计是产品制造过程中的一项重要内容,是产品设计与实际
生产的纽带。因此，现代企业亟待发展计算机辅助工艺设计系统来提高企业工艺
设计的质量和效率。本论文从企业对计算机辅助工艺设计系统的需求出发，结合
当前的 Web 技术，提出了本课题——计算机辅助工艺设计系统及与 PDM 系统的
集成研究。
本文首先确定系统的总体设计目标和基本功能模块。然后对 J2EE 平台下的 N
层体系结构进行分析，确定了一个基于 MVC Model 2、以 SQL Server 作为数据库
服务器的基本系统架构，并提出利用 Struts 技术在 JSP Model 2 的开发框架基础上
实现该架构。其次本文对系统的工艺表格管理模块、工艺资源管理模块、典型工
艺管理模块、工艺路线编写模块、零件信息管理模块和工艺输入输出模块进行分
析，介绍了各个模块的主要功能以及数据库设计，在数据库的设计和操作中融入
了面向对象的思想。本文还研究了基于实例的工艺决策方法，其中包括确定零件
信息模型以及描述方法；同时还实现了计算机辅助工艺设计系统与 PDM 系统的集
成和直接从 SolidWorks 中获取零件特征信息。本文最后引以实例再现系统的使用
及操作过程，论证了系统的可行性和实用性。
通过本系统的开发与应用，进一步为企业实现快速设计与制造提供强有力的
支持，为企业实现计算机集成制造系统打下了坚实的基础，同时可使企业的信息
化程度得到很大的提高，进而提高企业的经济效益和社会效益。
关键词： CAPP 工艺设计 PDM 集成
II
ABSTRACT
With the rapid development of modern science and computer technology, modern
enterprises are facing new challenges on product design, production, management and
even marketing and sales. Products develop to the direction of diversification,
serialization and personalized. Process design is a crucial section of manufacturing
process, and it is the bond of product design and actual production. Therefore, modern
enterprises should develop a system of computer aided process planning to improve the
quality and efficiency of process design. Based on the requirement of enterprises and
the development of Web technology, the research content—computer aided process
planning and research of integration of PDM was brought forward.
Firstly, Overall design objectives and basic functional modules of the system are
defined. Then, N-tier architecture of J2EE platform is analyzed, and a basic system
architecture based on MVC Model 2, with SQL Server as the database server is
determined, and the technology of using Struts in JSP Model 2 development framework
to achieve this architecture. Secondly, the thesis introduced the module of process table
management, process resource management, typical process management, process route
compile, part information management and process input & output, and main functions
&database of each module are analyzed, and the thought of object-oriented is infused in
the design & operation of database. Case-based process decision making is also studies,
including determination of part information model & part description. At the same time,
the integration of CAPP &PDM is achieved. Finally, an example is introduced to
represent the operation process of the system, which proves the system’s feasibility and
practicality.
The development and application of this system provides strong support to the
further achievement of rapid design and manufacturing to the enterprises, which makes
solid foundation for enterprises to realize the integrated manufacturing system. Also,
enterprise's informatization level is improved to boost enterprise's economic benefit and
social benefit.
Key Words: CAPP, Process design, PDM, Integration
III
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题的来源 ........................................................................................................1
§1.2 研究的目的和意义 ............................................................................................1
§1.3 国内外研究的现状及发展趋势 ........................................................................3
§1.3.1 国外 CAPP 研究现状 ................................................................................. 3
§1.3.2 国内 CAPP 研究现状 ................................................................................. 4
§1.3.3 CAPP 的发展趋势 ...................................................................................... 4
§1.4 本文的研究内容和组织结构 ............................................................................6
第二章 CAPP 简介及系统总体设计 ..............................................................................6
§2.1 CAPP 概述 .........................................................................................................8
§2.1.1 CAPP 的定义 .............................................................................................. 8
§2.1.2 CAPP 系统的基本构成 .............................................................................. 8
§2.1.3 CAPP 的分类及其工作原理 ...................................................................... 9
§2.2 系统总体设计目标 ..........................................................................................12
§2.2.1 系统具有通用性 .......................................................................................12
§2.2.2 系统实现面向产品的集成化 ...................................................................13
§2.2.3 系统采用人机协同机制 ...........................................................................14
§2.3 系统功能模块 ..................................................................................................14
第三章 ecCAPP 系统架构设计 ....................................................................................17
§3.1 ecCAPP 系统架构分析 ...................................................................................17
§3.1.1 客户/服务器(Client/Server)两层体系结构 .............................................17
§3.1.2 传统的三层应用体系结构 ......................................................................18
§3.1.3 浏览器/服务器(Browser/Server)体系结构 ............................................. 19
§3.1.4 J2EE 系统平台 ..........................................................................................19
§3.2 ecCAPP 系统架构设计 ...................................................................................21
§3.2.1 基于 MVC 模式的系统架构 ....................................................................22
§3.2.2 Struts 的结构 .............................................................................................23
§3.3 数据库技术 ......................................................................................................24
§3.3.1 数据库表的设计思想 ..............................................................................25
IV
§3.3.2 面向对象思想在数据库操作中的应用 ..................................................26
第四章 ecCAPP 系统功能模块分析 ............................................................................29
§4.1 工艺表格管理模块 .........................................................................................30
§4.2 工艺资源管理模块 ..........................................................................................32
§4.2.1 工艺资源树编辑 .......................................................................................32
§4.2.2 工艺资源文件的导入 ...............................................................................33
§4.3 零件信息管理模块 .........................................................................................34
§4.3.1 零件信息的输入 ......................................................................................35
§4.3.2 零件信息数据库设计 ..............................................................................37
§4.4 典型工艺管理模块 .........................................................................................38
§4.4.1 典型工艺树编辑 ......................................................................................39
§4.4.2 典型工艺文件的导入 ..............................................................................39
§4.4.3 数据库设计 ..............................................................................................41
§4.5 工艺路线编制模块 .........................................................................................43
§4.5.1 工艺路线编制流程 ..................................................................................43
§4.5.2 模块主界面操作 ......................................................................................44
§4.5.3 工艺派生操作 ..........................................................................................46
§4.6 输入输出模块 .................................................................................................47
第五章 ecCAPP 系统与 ecPDM 系统的集成研究 ......................................................50
§5.1 ecPDM 系统概述 ............................................................................................ 50
§5.2 系统的集成方式及关键技术 .........................................................................52
§5.2.1 系统的集成方式 ......................................................................................52
§5.2.2 系统集成的关键技术 ..............................................................................53
§5.3 ecCAPP 系统与 ecPDM 系统集成的实现 .....................................................54
第六章 ecCAPP 系统的关键技术 ................................................................................58
§6.1 基于实例的工艺决策方法 ..............................................................................58
§6.1.1 概述 ...........................................................................................................58
§6.1.2 零件信息描述方法 ...................................................................................59
§6.1.3 零件匹配算法 ...........................................................................................62
§6.2 从SolidWorks 中直接获取零件特征信息 ................................................ 65
§6.2.1 基本方法 ..................................................................................................65
§6.2.2 SolidWorks 的二次开发 ...........................................................................66
§6.2.3 操作过程 ..................................................................................................68
V
第七章 系统的实现及实例运行 ...................................................................................70
§7.1 系统的配置 ......................................................................................................71
§7.2 系统实例运行 ..................................................................................................71
§7.2.1 任务概述 ..................................................................................................71
§7.2.2 登陆 ..........................................................................................................73
§7.2.3 零件信息输入 ..........................................................................................74
§7.2.4 零件匹配及派生 ......................................................................................76
§7.2.5 零件编辑及输出 ......................................................................................77
第八章 总结与展望 .......................................................................................................79
参考文献 .........................................................................................................................80
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................83
致 谢 .............................................................................................................................84
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的来源
本课题来源于企业信息化建设项目。
信息时代的来临给社会和企业带来了前所未有的挑战和机遇，同时也给现代
企业的产品设计、生产、管理乃至市场策划与销售提出了新的要求。伴随着时代
的信息化，激烈的市场竞争迫使企业的产品要向多样化、系列化、个性化的方向
发展。产品流通领域的扩大，生产经营节奏的加快，使产品从策划、设计、制造
到市场的周期正在缩短。传统的产品设计、制造、生产经营管理模式和信息处理
手段已不能适应现代化企业高质量、高素质、高效率的发展要求。制造业正面临
前所未有的挑战。
工艺设计是产品制造过程中的一项重要内容,是产品设计与实际生产的纽
带，是一个经验性很强且随制造环境变化而变化的决策过程。工艺设计的质量和
效率直接影响企业制造资源的配置和优化、产品质量、生产组织效率、产品成本
与生产周期等方方面面。
传统的工艺设计一般由手工进行，这就不可避免地存在一些缺陷：对工艺设
计人员要求高；工作量大，效率低下；难以保证数据的准确性且信息不能共享等。
显然它已不能适应当代制造业的发展需要。计算机技术的发展及其在机械制造业
中的广泛应用，使得计算机辅助工艺设计 CAPP(Computer Aided Process Planning)
应运而生，广度和深度也在不断发展中。
PDM 是Product Data Management (产品数据管理)的英文缩写。它是一门管理
所有产品相关信息（包括零件、配置、文档、CAD 文件、结构、权限信息等）和
过程（包括过程定义和管理）的技术[1]。CAPP 系统的研究与开发一定要面向企业
多样性的产品对象，结合使用各种工艺设计方法，以制造资源为背景，充分发挥
各工艺小组的并行设计作用，走集成化 CAPP 发展的道路。PDM 技术的兴起为
产品的开发和制造提供了一个并行的协作环境，基于 PDM 平台的 CAPP 可以充
分利用 PDM 的强大功能，实现工艺设计过程控制和并行工程，因此开发 CAPP 系
统并与 PDM 集成则必将成为一个发展趋势。
§1.2 研究的目的和意义
由于工艺设计问题的复杂性和产品与制造环境的特殊性，导致 CAPP 很难实
现实用化和通用化。在制造自动化领域，CAPP 是发展最迟的部分。但是通过仅
计算机辅助工艺设计系统及与 PDM 系统的集成研究
2
仅几十年的理论研究和应用，足以证明 CAPP 是提高企业工艺水平、推动技术进
步、增强竞争力的重要手段，是连接产品设计和生产制造的桥梁。
本课题的主要研究目的是基于已有的 PDM 框架系统，进行计算机辅助工艺
设计系统及其与 PDM 系统的集成研究，实现基于 PDM 的CAPP 系统。系统采用
基于 Web 的三层 B/S (Browser/Server)结构，降低了企业的实施费用，加速了 CAPP
系统在企业中的应用。对于打破部门之间在空间和时间上形成的界限以及更好地
管理企业内各部门的协同来说无疑具有十分重要的理论和实际意义。实施基于
PDM 的CAPP 的意义主要表现在以下几个方面：
(1) 减轻工艺人员繁重劳动，显著缩短工艺设计周期。
传统的工艺设计一般由手工进行，虽然有一些企业采用了计算图文工具(如
EXCEL、AutoCAD 等)进行工艺设计，但是这仅仅只是用电子图板代替了传统的
图板以及纸和笔，与手工工艺设计没有本质上的区别。工艺设计的繁杂和耗时一
直困扰着设计人员。计算机辅助工艺设计可以最大程度地减少重复劳动，避免输
入错误等不必要的失误，能够使工艺设计人员摆脱大量、繁琐的重复劳动，将主
要精力转向新产品、新工艺、新装备和新技术的研究与开发。
(2) 提高工艺过程设计质量，实现工艺知识的集中利用
人工进行工艺设计时，不可避免地受到个人经历和知识的限制，对于参数完
全相同的零件可能会编出不同的工艺过程，影响了标准化和生产组织工作。利用
计算机辅助工艺设计系统就可以编制出详细、精确的工艺过程，减少了人为带来
的影响。同时计算机辅助工艺设计系统会将具有典型性的零件工艺过程保存下来，
便于知识的积累的应用。这样可以最大限度的利用现有资源，保证工艺设计质量，
提高产品的市场竞争能力。
(3) 提高了工艺的标准化和规范化
由于每个工艺人员都采用统一的数据库，保证了工艺规程设计的一致性。工
艺标准化有利于推广先进的工艺技术，从而进一步提高产品的质量，降低生产成
本。
(4) 充分实现信息共享和集成
信息的共享和集成是现代企业信息化建设发展的必然。PDM 管理着产品的所
有信息，要使 CAPP 的零件和工艺信息畅通并且不产生冗余，就必须实现计算机
辅助设计系统与产品管理系统的集成。充分利用 PDM 的强大功能，实现工艺设
计过程控制和并行工程，有利于实现企业内部和企业间制造资源的合理分配和利
用。
第一章 绪论
3
§1.3 国内外研究的现状及发展趋势
§1.3.1 国外 CAPP 研究现状
CAPP的开发、研制是从60年代末开始的，最早研究CAPP技术的国家有挪威、
前苏联等。第一个CAPP系统是挪威1969年推出的AUTOPROS系统，1973年正式推
出商品化AUTOPROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是
CAM-I( Computer Aided Manufacturing-International)于1976年推出的
CAM-I’Sautomated Process Planning系统，它标志着CAPP系统的诞生。
早期的CAPP 软件采用的都是所谓“标准工艺法”，从20世纪60年代末到目前
几十年期间，先后出现了在设计方法上不同的系统，即派生式( Variant ) 、创成式
( Generative) 以及半创成式CAPP系统。派生式系统已从单纯的检索式发展成今天
具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原则和
方法。创成式系统的研究和开发始于20世纪70年代中期，而且很快得到普遍重视，
被认为是有前途的方法。1977年Wysk首次提出了一个创成式CAPP系统
——APPAS。理想的创成式CAPP系统，通过决策逻辑效仿人的思维，在无需人工
干预的情况下自动生成工艺。虽然经过多年的努力，但至今仍然没有一个真正意
义上的创成式CAPP系统。因此，一些学者提出了半创成式CAPP系统，即综合派
生法和创成法。在大多数情况下使用派生法，若没有相应的典型工艺时则使用创
成法生成工艺。半创成式CAPP系统被认为是最有前途的发展方向之一[2]。
目前，国外制造企业的技术和管理现状与我国目前的制造企业还是有很多差
异，但是从技术和应用需求的角度，工艺工作同样也是其业务流程重要的组成部
分。因此，这就决定了国外同样有CAPP应用的需求。以制造技术比较发达的美国
为背景，其主流的CAPP产品主要包括：HMS Software Inc(HMS-CAPP)、
CIMx(CS/CAPP)、Gerber Systems Corp.(Cimplan)、Interlex Systems(Interlex CAPP)
等[3]。HMS-CAPP系统是美国HMS软件公司的系列产品之一，该系统强调制造数据
的管理。该系统是一个通用性的工具，它支持ORACLE、INGRES、SYBASE和
INFORMIX等关系型数据库管理系统，主要应用于机加工和装配等工艺设计与管
理。它采用多媒体格式传送机制，工艺人员能够快速的查询、编辑、管理以及发
布工艺加工信息和工作指令。CS/CAPP系统是美国CIMx公司的产品。CS/CAPP系
统是一个技术先进的软件系统，它包含了先进的制造思想，具备快速的、可扩展
的客户定制能力。它取代了传统的填表式的工作指令系统，采用可重用/共享的对
象机制，实现完全的、详细的工艺路线和工作指令编制。
计算机辅助工艺设计系统及与 PDM 系统的集成研究
4
§1.3.2 国内 CAPP 研究现状
国内最早开发的CAPP系统是同济大学的修订式TOJICAPP系统和西北工业大
学的创成式CAOS系统。在国家863-CIMS计划的支持和推动下，近年来CAPP技术
已取得很大的成绩。1996年4月，针对国家863-CIMS重点推广应用工程西飞公司
XAC-CIMS工程子项目XAC-CAPP系统开发，提出“以交互式设计为基础，以工艺
知识库为核心，在波音737-700垂尾工艺设计和管理上全部实现计算机化、信息化,
并实现通过数据库系统同MIS 、MAS、FMS 等对产品工艺信息共享集成”CAPP
开发与应用模式。在此基础上，1997年6月，结合国家“九五”攻关项目子专题“基
于微机环境的实用化CAPP应用系统”的开发，提出“以工艺知识库/产品工艺数
据库为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管理和工艺卡片格式编辑器为
应用支持工具，面向产品全面实现工艺设计与管理计算机化、信息化”的全新CAPP
应用框架与应用开发模式，标志着我们国家开始了CAPP产品化的工作[2]。
目前国内已开发的商品化CAPP软件有:清华天河、武汉开目、北航海尔软件有
限公司的CAXA、东大软件、南京新模式等等。
开目CAPP系统是国内最早的商品化软件之一，具有典型的代表性。它首次提
出了系统工具化的思想，并成功地在企业中得到了实际应用。开目CAPP系统是基
于C/S架构的系统，其与开目PDM系统基于统一的数据库。PDM作为管理模块，负
责数据库的维护、权限和角色的分配和划分、工作流程的指定。开目CAPP中内嵌
了PDM的产品结构树，工艺人员根据其在PDM环境下被授予的权限，执行相应的
任务，产生具体的工艺设计数据，并根据需要和授权将工艺设计文档入库到PDM
系统的数据库内。系统具有集成化、工具化和网络化的特点，实现了与其他应用
软件CAD、PDM、MIS系统的集成，同时提供了表格指定工具和工艺规程管理工
具以及其他便于用户操作的功能工具。与此同时，工艺数据库保证基于网络数据
库环境，工艺设计资源共享，确保数据库的一致和安全。
§1.3.3 CAPP 的发展趋势
随着近年来计算机技术的高速发展以及商品化CAPP系统的普及应用，对
CAPP系统提出了更高的要求，CAPP 技术和系统的发展趋势将是：
(1) 智能化。
工艺设计是一门经验性很强、技巧性很高的学科，尚没有成熟的理论和现成
的规则，缺乏科学的理论基础，因此许多决策还是要依赖于专家的个人经验和技
术。依靠传统的过程性软件设计技术，如利用判定表或判定树进行工艺决策软件
摘要：
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I摘要随着现代科技和计算机技术的快速发展，现代企业在产品设计、生产、管理乃至市场策划与销售上都面临新的挑战。企业的产品逐步向多样化、系列化、个性化的方向发展。工艺设计是产品制造过程中的一项重要内容,是产品设计与实际生产的纽带。因此，现代企业亟待发展计算机辅助工艺设计系统来提高企业工艺设计的质量和效率。本论文从企业对计算机辅助工艺设计系统的需求出发，结合当前的Web技术，提出了本课题——计算机辅助工艺设计系统及与PDM系统的集成研究。本文首先确定系统的总体设计目标和基本功能模块。然后对J2EE平台下的N层体系结构进行分析，确定了一个基于MVCModel2、以SQLServer作为数据库服务器的基...
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