引言

CAPP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研制是從上世紀(jì)06年代末開(kāi)始的，在制造自動(dòng)化領(lǐng)域，CAPP的發(fā)展是最遲的部分。世界上最早研究CAPP的國(guó)家是挪威，于1969年正式推出世界上第一個(gè)CAPP系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在CAPP技術(shù)的研究與系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方面主要技術(shù)研究成果集中在零件信息描述、工程知識(shí)處理、工藝決策專(zhuān)家系統(tǒng)、CAD/CAPP/CAM集成等方面。

當(dāng)代機(jī)械制造領(lǐng)域中，由于新工藝新技術(shù)的飛速發(fā)展，迫使產(chǎn)品更新周期日益縮短。多品種小批量生產(chǎn)的企業(yè)大量增加，制造系統(tǒng)正逐漸從剛性向柔性轉(zhuǎn)變，這要求將計(jì)算機(jī)貫穿于產(chǎn)品策劃、設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、制造與管理的全過(guò)程。顯然，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法已不能滿足上述要求。在此情況下，CAPP(Computer Aided process planning)技術(shù)的應(yīng)用和研究應(yīng)運(yùn)而生。CAPP系統(tǒng)不但能利用工藝人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和各種工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的決策、自動(dòng)生成工藝規(guī)程，還能自動(dòng)計(jì)算工序尺寸、繪制工序圖、選擇切削參數(shù)和對(duì)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化等，從而設(shè)計(jì)出一致性良好的、高質(zhì)量的工藝規(guī)程。國(guó)內(nèi)的制造業(yè)企業(yè)，通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的制造工藝和裝備技術(shù)，已積累了相當(dāng)豐富的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)和大量的制造資源數(shù)據(jù)，但這些寶貴的工藝知識(shí)和制造資源數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)都還停留在部分設(shè)計(jì)人員的腦子里或零散的紙質(zhì)文件中，不利于企業(yè)快速查找和重用這些寶貴的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)和制造資源信息，制約了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展速度和管理水平的提升，是一個(gè)急待解決的行業(yè)共性技術(shù)與工藝知識(shí)管理問(wèn)題。本文提出了一個(gè)基于知識(shí)的CAPP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)全程對(duì)工藝知識(shí)的快速查找和引用，可以解決上述問(wèn)題。

1 基于知識(shí)的CAPP系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

基于知識(shí)的CAPP系統(tǒng)采用自頂向下的工藝任務(wù)分解、工藝設(shè)計(jì)到工藝管理的總體解決方案，實(shí)現(xiàn)了PDM的過(guò)程管理思想與工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)相結(jié)合。體現(xiàn)了用戶(hù)自定義工藝卡片格式、工藝知識(shí)、工藝資源的查詢(xún)和引用、工藝文件圖文編輯和數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)為主線的工藝設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了工藝知識(shí)的提取、積累、管理與重用。

在這種系統(tǒng)的輔助下，我們著重解決了企業(yè)以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：首先，使產(chǎn)品零件的數(shù)據(jù)信息能夠利用，并建立零件信息的數(shù)據(jù)庫(kù)；其次，使工藝人員的工藝經(jīng)驗(yàn)、工藝知識(shí)能夠得到充分的利用和共享；第三，制造資源、工藝參數(shù)等以適當(dāng)?shù)男问浇⒅圃熨Y源和工藝參數(shù)庫(kù)；第四，充分利用典型工藝生成新的工藝。

2 知識(shí)庫(kù)管理策略

在制造企業(yè)領(lǐng)域，工藝知識(shí)是指工藝設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中所運(yùn)用的各種數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)等的集合。它由工藝資源信息、工藝實(shí)例、工藝決策知識(shí)等構(gòu)成。本系統(tǒng)根據(jù)工藝知識(shí)的內(nèi)涵及制造業(yè)行業(yè)特點(diǎn)把工藝知識(shí)按其分類(lèi)建立了五個(gè)專(zhuān)項(xiàng)知識(shí)庫(kù)。制造工藝資源庫(kù)、典型零件工藝方案知識(shí)庫(kù)、零件典型工藝知識(shí)庫(kù)、毛坯成型工藝知識(shí)庫(kù)和毛坯圖參數(shù)模板庫(kù)(見(jiàn)圖1)。各知識(shí)庫(kù)的管理思想均是為了實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)資源、經(jīng)驗(yàn)、實(shí)例、術(shù)語(yǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)等的最大限度的共享和重用。下面以典型零件工藝知識(shí)庫(kù)為例介紹工藝知識(shí)庫(kù)的管理模式。我們把零件典型工藝知識(shí)庫(kù)劃分為：一般零件典型工藝庫(kù)和成組復(fù)合零件典型工藝庫(kù)。

圖1 基于知識(shí)的CAPP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

一般零件典型工藝知識(shí)庫(kù)的初始知來(lái)源于使用本CAPP系統(tǒng)前企業(yè)積累的工藝知識(shí)，由工藝人員對(duì)這些工藝知識(shí)進(jìn)行分析并歸納整理出有代表性零件的工藝文件，采用系統(tǒng)提供工藝卡片自定義工具，編輯完成典型零件的工藝文件編輯，經(jīng)審核后存人典型工藝庫(kù)中，作為后續(xù)新零件工藝設(shè)計(jì)的參考基礎(chǔ)。在知識(shí)庫(kù)建立以后，工藝人員進(jìn)行新零件的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可迅速查詢(xún)并根據(jù)相似性引用典型工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。在典型工藝文件的基礎(chǔ)上，可快速派生出新零件的工藝文件，然后在新產(chǎn)生的工藝文件基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，以形成完全滿足當(dāng)前零件生產(chǎn)制造要求的工藝文件。對(duì)于新產(chǎn)生的工藝文件，如有必要，可以把它申請(qǐng)為典型工藝，在經(jīng)過(guò)審簽后存入典型工藝知識(shí)庫(kù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了典型工藝知識(shí)庫(kù)的不斷擴(kuò)充。典型工藝管理模塊還提供典型工藝的刪除、添加、變更等功能以方便設(shè)計(jì)人員對(duì)典型工藝庫(kù)進(jìn)行管理。

成組復(fù)合零件典型工藝知識(shí)庫(kù)中的典型工藝是通過(guò)成組編碼和相似零件族分類(lèi)工具，按照零件的特征相似性建立復(fù)合零件并對(duì)其進(jìn)行典型工藝設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的。在成組復(fù)合零件典型工藝設(shè)計(jì)完成后，提交為典型工藝，經(jīng)過(guò)審簽后即作為成組復(fù)合零件典型工藝保存在典型工藝知識(shí)庫(kù)中。知識(shí)庫(kù)建立后，當(dāng)工藝人員設(shè)計(jì)新的零件工藝時(shí)，可以先根據(jù)零件屬性特征建立該零件的成組編碼，經(jīng)相似特征矩陣查詢(xún)，根據(jù)一定的相似推理規(guī)則找到該零件所隸屬的相似零件族，由復(fù)合零件典型工藝派生出新零件工藝，然后修改工藝直至完全符合新零件制造的要求。

3 工藝方案設(shè)計(jì)中工藝知識(shí)應(yīng)用策略

工藝方案是工藝準(zhǔn)備工作的總綱，是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和關(guān)鍵工藝裝備設(shè)計(jì)的指導(dǎo)文件。零件的工藝方案設(shè)計(jì)是指工藝人員制定方案以決定零件由毛坯到成品所應(yīng)經(jīng)歷的加工過(guò)程。本文對(duì)工藝方案決策提出的解決方案是基于知識(shí)和實(shí)例的工藝方案設(shè)計(jì)策略。實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，其流程如下：系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)得到產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸出的零件圖，由工藝師對(duì)零件圖進(jìn)行分析，得到其特征信息描述，再通過(guò)工藝特征信息檢索，得到零件工藝特征信息，根據(jù)零件工藝特征信息，進(jìn)行相似特征矩陣檢索，得到零件的相似特征矩陣。從基于特征分類(lèi)的典型零件工藝方案實(shí)例庫(kù)中依照相似性推理規(guī)則檢索相似性大于80%的工藝方案，派生出新零件的工藝方案，調(diào)用零件工藝方案編輯器對(duì)已派生的工藝方案進(jìn)行編輯。在工藝方案編輯過(guò)程中，工藝人員可以隨時(shí)根據(jù)需要從工藝資源庫(kù)檢索引用有用的資源。

圖2 工藝方案設(shè)計(jì)

4 工藝設(shè)計(jì)中的工藝知識(shí)應(yīng)用策略

在基于知識(shí)CAPP系統(tǒng)中，零部件的工藝設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它的主要特點(diǎn)在于：在基于知識(shí)的工藝設(shè)計(jì)中，工藝設(shè)計(jì)人員可以查詢(xún)和引用工藝知識(shí)庫(kù)中的各種工藝知識(shí)，為當(dāng)前的工藝設(shè)計(jì)服務(wù)。如圖3所示，基于知識(shí)的工藝設(shè)計(jì)通過(guò)兩種途徑產(chǎn)生工藝文件。

 
圖3 兩種零件工藝設(shè)計(jì)流程

(1)零件的毛坯圖設(shè)計(jì)，即通過(guò)快速查詢(xún)引用毛坯參數(shù)庫(kù)中的毛坯參數(shù)，在工序簡(jiǎn)圖參數(shù)化設(shè)計(jì)環(huán)境(即AutoCAD)中參數(shù)化生成毛坯圖和毛坯工序簡(jiǎn)圖并對(duì)生成的毛坯圖/工序簡(jiǎn)圖進(jìn)行編輯，直至滿足新零件毛坯圖工藝參數(shù)要求。在毛坯圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)和編輯過(guò)程中，工藝設(shè)計(jì)人員可以快速查詢(xún)和引用毛坯成型工藝知識(shí)庫(kù)中的工藝知識(shí)，以輔助毛坯圖/工序簡(jiǎn)圖的參數(shù)化編輯。零件毛坯圖設(shè)計(jì)最終產(chǎn)生毛坯圖、工序簡(jiǎn)圖等工藝文件，審簽通過(guò)后，歸檔并發(fā)放到相關(guān)制造部門(mén)。對(duì)于不符合要求的毛坯圖、工序簡(jiǎn)圖等工藝文件打回到編輯環(huán)境重新編輯，直至審簽合格。

(2)零件的工藝設(shè)計(jì)。在零件工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于全新零件工藝設(shè)計(jì)，企業(yè)可以根據(jù)本企業(yè)的特點(diǎn)，利用本系統(tǒng)提供的工藝模板編輯工具，自定義出通用的工藝設(shè)計(jì)模板。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，工藝人員可引用工藝模板后進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。這樣有利于促進(jìn)企業(yè)提高工藝文件的規(guī)范性和統(tǒng)一性。

對(duì)于典型零件的工藝設(shè)計(jì)，工藝師可從典型工藝知識(shí)庫(kù)中快速查詢(xún)并引用適用的典型工藝。對(duì)于形狀或工藝屬性具有標(biāo)準(zhǔn)性的零件工藝設(shè)計(jì)時(shí)，工藝人員可根據(jù)相似性推理規(guī)則在系統(tǒng)中通過(guò)成組編碼查詢(xún)相似零件引用典型工藝。在典型工藝引用后再進(jìn)行編輯，即派生出了新零件的工藝文件。

5 結(jié)論

工藝知識(shí)是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)工藝知識(shí)的管理有利于企業(yè)工藝知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累和工藝優(yōu)化。在系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，知識(shí)庫(kù)可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況修改、增刪，提高了CAPP系統(tǒng)對(duì)不同制造環(huán)境的適應(yīng)能力(即柔性)。隨著技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)備的更新和知識(shí)的積累，不斷豐富和修改知識(shí)庫(kù)，從而不斷完善系統(tǒng)的性能。

目前，文中提出的知識(shí)管理與應(yīng)用策略已經(jīng)在某CAPP系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在西南地區(qū)3家制造企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，收到很好的反響，基本上取得了預(yù)期的效果。基于知識(shí)的CAPP系統(tǒng)大大提高了工藝設(shè)計(jì)知識(shí)的共享和重用程度，使工藝設(shè)計(jì)人員能夠擺脫大量而繁瑣的重復(fù)勞動(dòng)，將主要精力轉(zhuǎn)向新產(chǎn)品、新工藝、新裝備和新技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。同時(shí)也提高了產(chǎn)品工的繼承性，最大限度地利用現(xiàn)有資源，降低了生產(chǎn)成本。