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象的局部應(yīng)用走向以整個產(chǎn)品為對象的全面應(yīng)用,實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品工藝設(shè)計和管理的計算機化和信息化。

　　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)計與信息管理為一體的交互式計算機應(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),實現(xiàn)人機混合智能和人、技術(shù)與管理的集成,逐步和部分實現(xiàn)工藝設(shè)計與管理的自動化,從設(shè)計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)計人員的經(jīng)驗。

　　1.1　CAPP系統(tǒng)首先應(yīng)是交互式計算機應(yīng)用系統(tǒng)

　　近年來,以自動化為惟一目標(biāo)的CAPP研究開發(fā)狀況已經(jīng)使人們對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,對一個有效益的CAPP系統(tǒng)必需高度自動化這一目標(biāo)感到懷疑。Luscombo和Toncich[2]在針對CNC機床進行的CAPP研究中,強調(diào)“輔助”而不是“自動化”。VanZeir等[3]提出了交互式工藝設(shè)計(interactiveprocessplanning)的概念,并開發(fā)了基于交互式的CAPP原型系統(tǒng)。Kamrani等[4]認為,CAPP是將工藝設(shè)計人員從許多工藝設(shè)計工作中解脫出來的一種工具,一個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,而不是簡單地實現(xiàn)工藝決策全過程的自動化,更不應(yīng)成為CAPP所要實現(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)自動生成。

　　在此基礎(chǔ)上,CAPP也完全可自動完成各個層次(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、工藝分配工時定額、輔助用料、關(guān)鍵工序等各類統(tǒng)計匯總功能,并自動生成匯總統(tǒng)計報表(明細表),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)計流程管理　隨著CAPP的廣泛應(yīng)用及PDM、VM、AM等先進制造技術(shù)的發(fā)展,基于PDM工作流(workflow)管理的敏捷企業(yè)工藝設(shè)計流程管理,將成為企業(yè)工藝設(shè)計與管理的重要方面。

　　在敏捷制造模式下,制造企業(yè)將實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的“全球化”,這需要產(chǎn)品工藝設(shè)計在動態(tài)異地資源約束的條件下,通過對制造資源進行快速配置,確定零部件制造的合作伙伴,優(yōu)化產(chǎn)品制造過程,并對產(chǎn)品制造合作伙伴的工藝設(shè)計流程進行控制,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

　　對圖1中所涉及的幾個術(shù)語給出如下定義和說明:

　　零件　泛指構(gòu)成產(chǎn)品的各種相對獨立單元,如機械加工件、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)信息所形成的實體。

　　2　CAPP智能化的基礎(chǔ)是建立豐富的工藝知識庫

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

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

　　制造對象知識　有關(guān)產(chǎn)品、零件、毛坯等的知識。

　　制造工藝知識　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。

　　工藝決策知識　有關(guān)工藝決策方法與過程等的知識。

　　這些知識的來源也是多方面,如書本手冊、生產(chǎn)現(xiàn)場、工藝實例、工藝專家等。[!--empirenews.page--]

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

　　在交互式CAPP系統(tǒng)中,知識庫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個層次:1代替手工查閱工藝手冊及相關(guān)資料;2代替手工查閱已設(shè)計好的工藝實例。進一步,提供相關(guān)自動工藝決策功能,幫助工藝人員提高工作效率,幫助具有較少經(jīng)驗的工藝人員能夠設(shè)計出具有專家或準(zhǔn)專家水平的產(chǎn)品工藝。

　　在此意義上的知識庫是廣義的知識庫,它包含了工藝數(shù)據(jù)庫、典型工藝庫、工藝規(guī)則庫等,因此,建立豐富的工藝知識庫是基于交互式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,讓計算機具有和人一樣的思維和智能是不現(xiàn)實的,而且在可見的將來也是難以實現(xiàn)的,因此,出現(xiàn)了人機一體化的思想[6]。當(dāng)前,隨著IMS的發(fā)展,人們對在制造系統(tǒng)中發(fā)揮人的創(chuàng)造能力和人的智能給予高度關(guān)注。國外出現(xiàn)合弄制造系統(tǒng)(hononicmanufacturingsystem)的概念,且成為國際合作研究計劃IMS預(yù)因素,而是被當(dāng)作構(gòu)成整個制造環(huán)境的一個組成部分,人的個人技能可以得到充分發(fā)揮[8]。工藝設(shè)計經(jīng)驗性強,技巧性高,在CAPP中發(fā)揮工藝人員的個人技能有重要的實際意義。在CAPP實踐中,筆者認識到,人的適當(dāng)參與,會在更大程度上提高CAPP系統(tǒng)集成度。王先逵等認為,建立一種“人機一體化”的智能系統(tǒng),充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢,以合理的代價實現(xiàn)較高的智能,這在很長一段時間內(nèi)將是開發(fā)CAPP系統(tǒng)的一個指導(dǎo)原則。

　　基于交互式的人機混合工藝決策技術(shù)是指工藝設(shè)計人員(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)處理過程對用戶是不可變動的。而在基于交互式的人機混合工藝決策系統(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。對于工藝路線安排等經(jīng)驗性強的規(guī)劃性決策可充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢,而刀具選擇等選擇性決策及計算性決策,可充分發(fā)揮計算機的優(yōu)勢。

　　3.2　交互式動態(tài)知識獲取

　　在傳統(tǒng)CAPP專家系統(tǒng)開發(fā)中,知識獲取需要耗費大量的人力、物力和財力,成為系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的瓶頸。采用交互式動態(tài)知識獲取技術(shù),工藝人員可在工藝設(shè)計過程中,隨時將產(chǎn)品工藝中所定義的工序、工步、設(shè)備、工裝等事實性知識不經(jīng)任何修改或經(jīng)過一定的編輯修改直接放入知識庫,從而實現(xiàn)知識庫的動態(tài)擴充。

　　3.3　基于實例的相似工藝自動檢索

　　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度和對有經(jīng)驗工藝人員的依賴,而且會提高產(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,需要事先花費大量的人力、物力和財力進行零件的編碼與標(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,相似工藝的自動檢索是基于實例的相似工藝自動檢索。成組技術(shù)(GT)、基于實例(case-based)的技術(shù)、模糊邏輯等是實現(xiàn)基于實例的相似工藝自動檢索的基礎(chǔ)。

　　3.4　工藝知識自動獲取

　　學(xué)習(xí)是智能的重要特征。機器學(xué)習(xí)是CAP智能化的重要方面,國內(nèi)外在應(yīng)用ANN等人工智能技術(shù)進行工藝知識自動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)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)(knowledgediscovery)技術(shù)源于人工智能和機器學(xué)習(xí),它是從數(shù)據(jù)倉庫的大量數(shù)據(jù)中篩選抽取信息,從而發(fā)現(xiàn)新的知識。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,數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)將為充分利用這些企業(yè)的寶貴財富提高CAPP系統(tǒng)的智能化程度提供新的方法。

　　4　基于知識庫的智能化交互式CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　實踐表明,CAPP的智能化應(yīng)是以交互式為基礎(chǔ),以知識庫為核心,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,從而形成基于知識庫的智能化交互式CAPP系統(tǒng)框架,才能真正理順先進性與實用性普及與提高等各方面的關(guān)系,滿足企業(yè)對CAPP廣泛應(yīng)用與集成的需求,其結(jié)構(gòu)見圖2。

　　圖2　基于知識庫的智能化交互式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)品項目的支持下,進行了CAPP應(yīng)用框架與開發(fā)平臺的設(shè)計與開發(fā),并已在全國100余家企業(yè)推廣應(yīng)用。