面向產(chǎn)品的CAPP智能化關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)CAPP的發(fā)展和企業(yè)對(duì)CAPP應(yīng)用的需求,有必要建立全新的面向產(chǎn)品的CAPP方法論,使CAPP應(yīng)用從以零組件為主體對(duì)象的局部應(yīng)用走向以整個(gè)產(chǎn)品為對(duì)象的全面應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)和管理的計(jì)算機(jī)化和信息化。

　　1　面向產(chǎn)品的CAPP方法論

　　面向產(chǎn)品的CAPP方法論的基本內(nèi)容是,CAPP系統(tǒng)應(yīng)是以產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)為中心的集工藝設(shè)計(jì)與信息管理為一體的交互式計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),并逐步集成檢索、修訂、創(chuàng)成等多工藝決策混合技術(shù)及多人工智能技術(shù),實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合智能和人、技術(shù)與管理的集成,逐步和部分實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)與管理的自動(dòng)化,從設(shè)計(jì)和管理等多方面提高工藝人員的工作效率,且在應(yīng)用中不斷積累工藝設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。

　　1.1　CAPP系統(tǒng)首先應(yīng)是交互式計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

　　近年來,以自動(dòng)化為惟一目標(biāo)的CAPP研究開發(fā)狀況已經(jīng)使人們對(duì)CAPP研究與開發(fā)現(xiàn)狀產(chǎn)生懷疑。Kiritsis[1]在回顧了CAPP專家系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r后,對(duì)一個(gè)有效益的CAPP系統(tǒng)必需高度自動(dòng)化這一目標(biāo)感到懷疑。Luscombo和Toncich[2]在針對(duì)CNC機(jī)床進(jìn)行的CAPP研究中,強(qiáng)調(diào)“輔助”而不是“自動(dòng)化”。VanZeir等[3]提出了交互式工藝設(shè)計(jì)(interactiveprocessplanning)的概念,并開發(fā)了基于交互式的CAPP原型系統(tǒng)。Kamrani等[4]認(rèn)為,CAPP是將工藝設(shè)計(jì)人員從許多工藝設(shè)計(jì)工作中解脫出來的一種工具,一個(gè)能代替熟練工藝人員的CAPP系統(tǒng)仍未開發(fā)出來,現(xiàn)有的CAPP系統(tǒng)不能成為企業(yè)的解決方案。

　　在以交互式為基礎(chǔ)的CAPP系統(tǒng)模式下,工藝人員是工藝決策的主體,系統(tǒng)采用檢索、修訂創(chuàng)成等多工藝決策混合技術(shù)及多人工智能技術(shù)將著眼于局部工藝決策功能的自動(dòng)化,并作為從整體上提高工藝人員的工作效率的手段之一,而不是簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)工藝決策全過程的自動(dòng)化,更不應(yīng)成為CAPP所要實(shí)現(xiàn)的惟一或主要目標(biāo)。

　　1.2　產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)是CAPP系統(tǒng)的中心

　　產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的重要組成部分,也是企業(yè)生產(chǎn)信息的匯集處。從發(fā)展看,CAPP的主要功能應(yīng)是保證產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)的完整性、一致性,實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品工藝信息的集成與共享,而不應(yīng)是孤立地編制零件工藝規(guī)程及輸出工藝卡片。反過來,零件工藝規(guī)程編制的功能應(yīng)是生成產(chǎn)品的工藝數(shù)據(jù),而工藝卡片是工藝數(shù)據(jù)的格式化表現(xiàn)形式,完全可由系統(tǒng)自動(dòng)生成。

　　在此基礎(chǔ)上,CAPP也完全可自動(dòng)完成各個(gè)層次(產(chǎn)品層、部件層、零件層)的工裝設(shè)備、材料、工藝關(guān)鍵件、外協(xié)外制件、工藝分配工時(shí)定額、輔助用料、關(guān)鍵工序等各類統(tǒng)計(jì)匯總功能,并自動(dòng)生成匯總統(tǒng)計(jì)報(bào)表(明細(xì)表),這樣不僅可以極大地提高工藝文件的編制效率,而且可最大限度地減少不必要的人為失誤。

　　1.3　產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)及管理的一體化

　　工藝管理功能應(yīng)成為面向產(chǎn)品CAPP所要實(shí)現(xiàn)的重要功能。從信息系統(tǒng)角度看,企業(yè)工藝管理包括以下方面的內(nèi)容:

　　(1)基礎(chǔ)工藝信息管理　相關(guān)的制造資源信息、各類工藝標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范等;

　　(2)產(chǎn)品工藝信息與文件管理　與產(chǎn)品直接相關(guān)的工藝信息及文件的管理;

　　(3)產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)流程管理　隨著CAPP的廣泛應(yīng)用及PDM、VM、AM等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,基于PDM工作流(workflow)管理的敏捷企業(yè)工藝設(shè)計(jì)流程管理,將成為企業(yè)工藝設(shè)計(jì)與管理的重要方面。

　　在敏捷制造模式下,制造企業(yè)將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的“全球化”,這需要產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)異地資源約束的條件下,通過對(duì)制造資源進(jìn)行快速配置,確定零部件制造的合作伙伴,優(yōu)化產(chǎn)品制造過程,并對(duì)產(chǎn)品制造合作伙伴的工藝設(shè)計(jì)流程進(jìn)行控制,從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低產(chǎn)品開發(fā)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)及管理一體化系統(tǒng)的建立與應(yīng)用構(gòu)成企業(yè)完整的工藝信息系統(tǒng),并將成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)敏捷制造的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

　　以產(chǎn)品數(shù)據(jù)為中心,可建立面向產(chǎn)品CAPP基本信息模型,見圖1。

　　圖1 CAPP基本模型

　　對(duì)圖1中所涉及的幾個(gè)術(shù)語給出如下定義和說明:

　　零件　泛指構(gòu)成產(chǎn)品的各種相對(duì)獨(dú)立單元,如機(jī)械加工件、裝配件、焊接件等。

　　零件工藝　泛指以模型化數(shù)據(jù)形式定義的機(jī)械加工、裝配、鈑金等各種零件加工工藝規(guī)程等。

　　加工元　主要用于機(jī)械加工工藝,是指以特征為核心的有關(guān)特征加工工序的相關(guān)信息所形成的實(shí)體。

　　2　CAPP智能化的基礎(chǔ)是建立豐富的工藝知識(shí)庫(kù)

　　智能是知識(shí)與智力的總和,其中知識(shí)是一切智能行為的基礎(chǔ)。工藝過程設(shè)計(jì)是典型的復(fù)雜問題,所涉及的范圍十分廣泛,用到的信息量和知識(shí)量相當(dāng)龐大。在實(shí)際的工藝設(shè)計(jì)中,所用到的知識(shí)是多方面的:

　　制造資源知識(shí)　有關(guān)機(jī)床設(shè)備、工藝裝備、材料等的知識(shí)。

　　制造對(duì)象知識(shí)　有關(guān)產(chǎn)品、零件、毛坯等的知識(shí)。

　　制造工藝知識(shí)　有關(guān)工藝方法、典型工藝、加工參數(shù)及各類相關(guān)的工程/工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等的知識(shí)。

　　工藝決策知識(shí)　有關(guān)工藝決策方法與過程等的知識(shí)。

　　這些知識(shí)的來源也是多方面,如書本手冊(cè)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、工藝實(shí)例、工藝專家等。

　　在傳統(tǒng)的CAPP智能系統(tǒng)中,知識(shí)庫(kù)通常是狹義的知識(shí)庫(kù),即知識(shí)庫(kù)中主要存儲(chǔ)推理規(guī)則等規(guī)則性知識(shí)。這些知識(shí)庫(kù)主要是面向系統(tǒng)自動(dòng)決策,因此,知識(shí)的數(shù)量同實(shí)際需要相比,只是很少的一部分,且缺少足夠的事實(shí)性知識(shí),局限性很大。

　　在交互式CAPP系統(tǒng)中,知識(shí)庫(kù)的作用首先是為工藝人員的決策提供詳盡的幫助。這可分為2個(gè)層次:1代替手工查閱工藝手冊(cè)及相關(guān)資料;2代替手工查閱已設(shè)計(jì)好的工藝實(shí)例。進(jìn)一步,提供相關(guān)自動(dòng)工藝決策功能,幫助工藝人員提高工作效率,幫助具有較少經(jīng)驗(yàn)的工藝人員能夠設(shè)計(jì)出具有專家或準(zhǔn)專家水平的產(chǎn)品工藝。

　　在此意義上的知識(shí)庫(kù)是廣義的知識(shí)庫(kù),它包含了工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、典型工藝庫(kù)、工藝規(guī)則庫(kù)等,因此,建立豐富的工藝知識(shí)庫(kù)是基于交互式CAPP智能化的基礎(chǔ)。

　　3　智能化交互式CAPP關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1　基于交互式的人機(jī)混合工藝決策技術(shù)

　　人工智能技術(shù)在模擬人的邏輯思維方面取得了很大的成功,而且在CAPP等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。但在目前條件下,讓計(jì)算機(jī)具有和人一樣的思維和智能是不現(xiàn)實(shí)的,而且在可見的將來也是難以實(shí)現(xiàn)的,因此,出現(xiàn)了人機(jī)一體化的思想[6]。當(dāng)前,隨著IMS的發(fā)展,人們對(duì)在制造系統(tǒng)中發(fā)揮人的創(chuàng)造能力和人的智能給予高度關(guān)注。國(guó)外出現(xiàn)合弄制造系統(tǒng)(hononicmanufacturingsystem)的概念,且成為國(guó)際合作研究計(jì)劃IMS預(yù)因素,而是被當(dāng)作構(gòu)成整個(gè)制造環(huán)境的一個(gè)組成部分,人的個(gè)人技能可以得到充分發(fā)揮[8]。工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng),技巧性高,在CAPP中發(fā)揮工藝人員的個(gè)人技能有重要的實(shí)際意義。在CAPP實(shí)踐中,筆者認(rèn)識(shí)到,人的適當(dāng)參與,會(huì)在更大程度上提高CAPP系統(tǒng)集成度。王先逵等認(rèn)為,建立一種“人機(jī)一體化”的智能系統(tǒng),充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢(shì),以合理的代價(jià)實(shí)現(xiàn)較高的智能,這在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將是開發(fā)CAPP系統(tǒng)的一個(gè)指導(dǎo)原則。

　　基于交互式的人機(jī)混合工藝決策技術(shù)是指工藝設(shè)計(jì)人員(用戶)在CAPP系統(tǒng)中的地位,不像在傳統(tǒng)的CAPP智能系統(tǒng)中,僅僅是信息輸入人員的角色。傳統(tǒng)的方式是用戶輸入、系統(tǒng)決策、系統(tǒng)輸出,系統(tǒng)處理過程對(duì)用戶是不可變動(dòng)的。而在基于交互式的人機(jī)混合工藝決策系統(tǒng)中,用戶是工藝決策的主體,系統(tǒng)決策的目的不再是代替工藝人員,而是有效地輔助工藝人員。對(duì)于工藝路線安排等經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)的規(guī)劃性決策可充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢(shì),而刀具選擇等選擇性決策及計(jì)算性決策,可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

　　3.2　交互式動(dòng)態(tài)知識(shí)獲取

　　在傳統(tǒng)CAPP專家系統(tǒng)開發(fā)中,知識(shí)獲取需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,成為系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的瓶頸。采用交互式動(dòng)態(tài)知識(shí)獲取技術(shù),工藝人員可在工藝設(shè)計(jì)過程中,隨時(shí)將產(chǎn)品工藝中所定義的工序、工步、設(shè)備、工裝等事實(shí)性知識(shí)不經(jīng)任何修改或經(jīng)過一定的編輯修改直接放入知識(shí)庫(kù),從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)充。

　　3.3　基于實(shí)例的相似工藝自動(dòng)檢索

　　采用相似工藝檢索技術(shù),不僅可大大減小工藝人員的工作強(qiáng)度和對(duì)有經(jīng)驗(yàn)工藝人員的依賴,而且會(huì)提高產(chǎn)品工藝的繼承性和重用性,從而能夠在不同條件下解決工藝過程和工裝的統(tǒng)一化,促進(jìn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。

　　在傳統(tǒng)的修訂式CAPP系統(tǒng)開發(fā)中,需要事先花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行零件的編碼與標(biāo)準(zhǔn)工藝規(guī)程的編制等準(zhǔn)備工作。而在交互式CAPP系統(tǒng)中,相似工藝的自動(dòng)檢索是基于實(shí)例的相似工藝自動(dòng)檢索。成組技術(shù)(GT)、基于實(shí)例(case-based)的技術(shù)、模糊邏輯等是實(shí)現(xiàn)基于實(shí)例的相似工藝自動(dòng)檢索的基礎(chǔ)。

　　3.4　工藝知識(shí)自動(dòng)獲取

　　學(xué)習(xí)是智能的重要特征。機(jī)器學(xué)習(xí)是CAP智能化的重要方面,國(guó)內(nèi)外在應(yīng)用ANN等人工智能技術(shù)進(jìn)行工藝知識(shí)自動(dòng)獲取方面作了許多的研究工作,但受訓(xùn)練樣本等的限制,有其局限性[9]。

　　數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)(knowledgediscovery)技術(shù)源于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí),它是從數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的大量數(shù)據(jù)中篩選抽取信息,從而發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)。隨著CAPP的廣泛應(yīng)用,企業(yè)將積累形成大量的產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)將為充分利用這些企業(yè)的寶貴財(cái)富提高CAPP系統(tǒng)的智能化程度提供新的方法。

　　4　基于知識(shí)庫(kù)的智能化交互式CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　實(shí)踐表明,CAPP的智能化應(yīng)是以交互式為基礎(chǔ),以知識(shí)庫(kù)為核心,并采用檢索、修訂、創(chuàng)成等多工藝決策混合技術(shù)和多種人工智能技術(shù)的綜合智能化,從而形成基于知識(shí)庫(kù)的智能化交互式CAPP系統(tǒng)框架,才能真正理順先進(jìn)性與實(shí)用性普及與提高等各方面的關(guān)系,滿足企業(yè)對(duì)CAPP廣泛應(yīng)用與集成的需求,其結(jié)構(gòu)見圖2。

　　圖2　基于知識(shí)庫(kù)的智能化交互式CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　5　結(jié)束語

　　我們以面向產(chǎn)品CAPP方法論及其智能化概念體系為理論基礎(chǔ),在863/CIMS目標(biāo)產(chǎn)品項(xiàng)目的支持下,進(jìn)行了CAPP應(yīng)用框架與開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā),并已在全國(guó)100余家企業(yè)推廣應(yīng)用。