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面向产品的CAPP智能化关键技术

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根据CAPP的发展和企业对CAPP应用的需求,有必要建立全新的面向产品的CAPP方法论,使CAPP应用从以零组件为主体对象的局部应用走向以整个产品为对象的全面应用,实现企业产品工艺设计和管理的计算机化和信息化。

　　1　面向产品的CAPP方法论

　　面向产品的CAPP方法论的基本内容是,CAPP系统应是以产品工艺数据为中心的集工艺设计与信息管理为一体的交互式计算机应用系统,并逐步集成检索、修订、创成等多工艺决策混合技术及多人工智能技术,实现人机混合智能和人、技术与管理的集成,逐步和部分实现工艺设计与管理的自动化,从设计和管理等多方面提高工艺人员的工作效率,且在应用中不断积累工艺设计人员的经验。

　　1.1　CAPP系统首先应是交互式计算机应用系统

　　近年来,以自动化为惟一目标的CAPP研究开发状况已经使人们对CAPP研究与开发现状产生怀疑。Kiritsis[1]在回顾了CAPP专家系统的发展状况后,对一个有效益的CAPP系统必需高度自动化这一目标感到怀疑。Luscombo和Toncich[2]在针对CNC机床进行的CAPP研究中,强调“辅助”而不是“自动化”。VanZeir等[3]提出了交互式工艺设计(interactiveprocessplanning)的概念,并开发了基于交互式的CAPP原型系统。Kamrani等[4]认为,CAPP是将工艺设计人员从许多工艺设计工作中解脱出来的一种工具,一个能代替熟练工艺人员的CAPP系统仍未开发出来,现有的CAPP系统不能成为企业的解决方案。

　　在以交互式为基础的CAPP系统模式下,工艺人员是工艺决策的主体,系统采用检索、修订创成等多工艺决策混合技术及多人工智能技术将着眼于局部工艺决策功能的自动化,并作为从整体上提高工艺人员的工作效率的手段之一,而不是简单地实现工艺决策全过程的自动化,更不应成为CAPP所要实现的惟一或主要目标。

　　1.2　产品工艺数据是CAPP系统的中心

　　产品工艺数据是产品数据的重要组成部分,也是企业生产信息的汇集处。从发展看,CAPP的主要功能应是保证产品工艺数据的完整性、一致性,实现企业产品工艺信息的集成与共享,而不应是孤立地编制零件工艺规程及输出工艺卡片。反过来,零件工艺规程编制的功能应是生成产品的工艺数据,而工艺卡片是工艺数据的格式化表现形式,完全可由系统自动生成。

　　在此基础上,CAPP也完全可自动完成各个层次(产品层、部件层、零件层)的工装设备、材料、工艺关键件、外协外制件、工艺分配工时定额、辅助用料、关键工序等各类统计汇总功能,并自动生成汇总统计报表(明细表),这样不仅可以极大地提高工艺文件的编制效率,而且可最大限度地减少不必要的人为失误。

　　1.3　产品工艺设计及管理的一体化

　　工艺管理功能应成为面向产品CAPP所要实现的重要功能。从信息系统角度看,企业工艺管理包括以下方面的内容:

　　(1)基础工艺信息管理　相关的制造资源信息、各类工艺标准与规范等;

　　(2)产品工艺信息与文件管理　与产品直接相关的工艺信息及文件的管理;

　　(3)产品工艺设计流程管理　随着CAPP的广泛应用及PDM、VM、AM等先进制造技术的发展,基于PDM工作流(workflow)管理的敏捷企业工艺设计流程管理,将成为企业工艺设计与管理的重要方面。

　　在敏捷制造模式下,制造企业将实现产品开发的“全球化”,这需要产品工艺设计在动态异地资源约束的条件下,通过对制造资源进行快速配置,确定零部件制造的合作伙伴,优化产品制造过程,并对产品制造合作伙伴的工艺设计流程进行控制,从而缩短产品开发周期,降低产品开发成本,提高产品质量。产品工艺设计及管理一体化系统的建立与应用构成企业完整的工艺信息系统,并将成为企业实现敏捷制造的重要技术基础。

　　以产品数据为中心,可建立面向产品CAPP基本信息模型,见图1。

　　图1 CAPP基本模型

　　对图1中所涉及的几个术语给出如下定义和说明:

　　零件　泛指构成产品的各种相对独立单元,如机械加工件、装配件、焊接件等。

　　零件工艺　泛指以模型化数据形式定义的机械加工、装配、钣金等各种零件加工工艺规程等。

　　加工元　主要用于机械加工工艺,是指以特征为核心的有关特征加工工序的相关信息所形成的实体。

　　2　CAPP智能化的基础是建立丰富的工艺知识库

　　智能是知识与智力的总和,其中知识是一切智能行为的基础。工艺过程设计是典型的复杂问题,所涉及的范围十分广泛,用到的信息量和知识量相当庞大。在实际的工艺设计中,所用到的知识是多方面的:

　　制造资源知识　有关机床设备、工艺装备、材料等的知识。

　　制造对象知识　有关产品、零件、毛坯等的知识。

　　制造工艺知识　有关工艺方法、典型工艺、加工参数及各类相关的工程/工艺标准规范等的知识。

　　工艺决策知识　有关工艺决策方法与过程等的知识。

　　这些知识的来源也是多方面,如书本手册、生产现场、工艺实例、工艺专家等。 [p]

　　在传统的CAPP智能系统中,知识库通常是狭义的知识库,即知识库中主要存储推理规则等规则性知识。这些知识库主要是面向系统自动决策,因此,知识的数量同实际需要相比,只是很少的一部分,且缺少足够的事实性知识,局限性很大。

　　在交互式CAPP系统中,知识库的作用首先是为工艺人员的决策提供详尽的帮助。这可分为2个层次:1代替手工查阅工艺手册及相关资料;2代替手工查阅已设计好的工艺实例。进一步,提供相关自动工艺决策功能,帮助工艺人员提高工作效率,帮助具有较少经验的工艺人员能够设计出具有专家或准专家水平的产品工艺。

　　在此意义上的知识库是广义的知识库,它包含了工艺数据库、典型工艺库、工艺规则库等,因此,建立丰富的工艺知识库是基于交互式CAPP智能化的基础。

　　3　智能化交互式CAPP关键技术

　　3.1　基于交互式的人机混合工艺决策技术

　　人工智能技术在模拟人的逻辑思维方面取得了很大的成功,而且在CAPP等领域得到了较为广泛的应用。但在目前条件下,让计算机具有和人一样的思维和智能是不现实的,而且在可见的将来也是难以实现的,因此,出现了人机一体化的思想[6]。当前,随着IMS的发展,人们对在制造系统中发挥人的创造能力和人的智能给予高度关注。国外出现合弄制造系统(hononicmanufacturingsystem)的概念,且成为国际合作研究计划IMS预因素,而是被当作构成整个制造环境的一个组成部分,人的个人技能可以得到充分发挥[8]。工艺设计经验性强,技巧性高,在CAPP中发挥工艺人员的个人技能有重要的实际意义。在CAPP实践中,笔者认识到,人的适当参与,会在更大程度上提高CAPP系统集成度。王先逵等认为,建立一种“人机一体化”的智能系统,充分发挥人的智能优势,以合理的代价实现较高的智能,这在很长一段时间内将是开发CAPP系统的一个指导原则。

　　基于交互式的人机混合工艺决策技术是指工艺设计人员(用户)在CAPP系统中的地位,不像在传统的CAPP智能系统中,仅仅是信息输入人员的角色。传统的方式是用户输入、系统决策、系统输出,系统处理过程对用户是不可变动的。而在基于交互式的人机混合工艺决策系统中,用户是工艺决策的主体,系统决策的目的不再是代替工艺人员,而是有效地辅助工艺人员。对于工艺路线安排等经验性强的规划性决策可充分发挥人的智能优势,而刀具选择等选择性决策及计算性决策,可充分发挥计算机的优势。

　　3.2　交互式动态知识获取

　　在传统CAPP专家系统开发中,知识获取需要耗费大量的人力、物力和财力,成为系统开发和应用的瓶颈。采用交互式动态知识获取技术,工艺人员可在工艺设计过程中,随时将产品工艺中所定义的工序、工步、设备、工装等事实性知识不经任何修改或经过一定的编辑修改直接放入知识库,从而实现知识库的动态扩充。

　　3.3　基于实例的相似工艺自动检索

　　采用相似工艺检索技术,不仅可大大减小工艺人员的工作强度和对有经验工艺人员的依赖,而且会提高产品工艺的继承性和重用性,从而能够在不同条件下解决工艺过程和工装的统一化,促进工艺的标准化。

　　在传统的修订式CAPP系统开发中,需要事先花费大量的人力、物力和财力进行零件的编码与标准工艺规程的编制等准备工作。而在交互式CAPP系统中,相似工艺的自动检索是基于实例的相似工艺自动检索。成组技术(GT)、基于实例(case-based)的技术、模糊逻辑等是实现基于实例的相似工艺自动检索的基础。

　　3.4　工艺知识自动获取

　　学习是智能的重要特征。机器学习是CAP智能化的重要方面,国内外在应用ANN等人工智能技术进行工艺知识自动获取方面作了许多的研究工作,但受训练样本等的限制,有其局限性[9]。

　　数据挖掘与知识发现(knowledgediscovery)技术源于人工智能和机器学习,它是从数据仓库的大量数据中筛选抽取信息,从而发现新的知识。随着CAPP的广泛应用,企业将积累形成大量的产品工艺数据库,数据挖掘与知识发现技术将为充分利用这些企业的宝贵财富提高CAPP系统的智能化程度提供新的方法。

　　4　基于知识库的智能化交互式CAPP系统结构

　　实践表明,CAPP的智能化应是以交互式为基础,以知识库为核心,并采用检索、修订、创成等多工艺决策混合技术和多种人工智能技术的综合智能化,从而形成基于知识库的智能化交互式CAPP系统框架,才能真正理顺先进性与实用性普及与提高等各方面的关系,满足企业对CAPP广泛应用与集成的需求,其结构见图2。