根據CAPP的發展和企業對CAPP應用的需求,有必要建立全新的面向產品的CAPP方法論,使CAPP應用從以零組件為主體對象的局部應用走向以整個產品為對象的全面應用,實現企業產品工藝設計和管理的計算機化和信息化。
1 面向產品的CAPP方法論
面向產品的CAPP方法論的基本內容是,CAPP系統應是以產品工藝數據為中心的集工藝設計與信息管理為一體的交互式計算機應用系統,并逐步集成檢索、修訂、創成等多工藝決策混合技術及多人工智能技術,實現人機混合智能和人、技術與管理的集成,逐步和部分實現工藝設計與管理的自動化,從設計和管理等多方面提高工藝人員的工作效率,且在應用中不斷積累工藝設計人員的經驗。
1.1 CAPP系統首先應是交互式計算機應用系統
近年來,以自動化為惟一目標的CAPP研究開發狀況已經使人們對CAPP研究與開發現狀產生懷疑。Kiritsis[1]在回顧了CAPP專家系統的發展狀況后,對一個有效益的CAPP系統必需高度自動化這一目標感到懷疑。Luscombo和Toncich[2]在針對CNC機床進行的CAPP研究中,強調“輔助”而不是“自動化”。VanZeir等[3]提出了交互式工藝設計(interactiveprocessplanning)的概念,并開發了基于交互式的CAPP原型系統。Kamrani等[4]認為,CAPP是將工藝設計人員從許多工藝設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系統仍未開發出來,現有的CAPP系統不能成為企業的解決方案。
在以交互式為基礎的CAPP系統模式下,工藝人員是工藝決策的主體,系統采用檢索、修訂創成等多工藝決策混合技術及多人工智能技術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,而不是簡單地實現工藝決策全過程的自動化,更不應成為CAPP所要實現的惟一或主要目標。
1.2 產品工藝數據是CAPP系統的中心
產品工藝數據是產品數據的重要組成部分,也是企業生產信息的匯集處。從發展看,CAPP的主要功能應是保證產品工藝數據的完整性、一致性,實現企業產品工藝信息的集成與共享,而不應是孤立地編制零件工藝規程及輸出工藝卡片。反過來,零件工藝規程編制的功能應是生成產品的工藝數據,而工藝卡片是工藝數據的格式化表現形式,完全可由系統自動生成。
在此基礎上,CAPP也完全可自動完成各個層次(產品層、部件層、零件層)的工裝設備、材料、工藝關鍵件、外協外制件、工藝分配工時定額、輔助用料、關鍵工序等各類統計匯總功能,并自動生成匯總統計報表(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 產品工藝設計及管理的一體化
工藝管理功能應成為面向產品CAPP所要實現的重要功能。從信息系統角度看,企業工藝管理包括以下方面的內容:
(1)基礎工藝信息管理 相關的制造資源信息、各類工藝標準與規范等;
(2)產品工藝信息與文件管理 與產品直接相關的工藝信息及文件的管理;
(3)產品工藝設計流程管理 隨著CAPP的廣泛應用及PDM、VM、AM等先進制造技術的發展,基于PDM工作流(workflow)管理的敏捷企業工藝設計流程管理,將成為企業工藝設計與管理的重要方面。
在敏捷制造模式下,制造企業將實現產品開發的“全球化”,這需要產品工藝設計在動態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,優化產品制造過程,并對產品制造合作伙伴的工藝設計流程進行控制,從而縮短產品開發周期,降低產品開發成本,提高產品質量。產品工藝設計及管理一體化系統的建立與應用構成企業完整的工藝信息系統,并將成為企業實現敏捷制造的重要技術基礎。
以產品數據為中心,可建立面向產品CAPP基本信息模型,見圖1。
圖1 CAPP基本模型
對圖1中所涉及的幾個術語給出如下定義和說明:
零件 泛指構成產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 泛指以模型化數據形式定義的機械加工、裝配、鈑金等各種零件加工工藝規程等。
加工元 主要用于機械加工工藝,是指以特征為核心的有關特征加工工序的相關信息所形成的實體。
2 CAPP智能化的基礎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。工藝過程設計是典型的復雜問題,所涉及的范圍十分廣泛,用到的信息量和知識量相當龐大。在實際的工藝設計中,所用到的知識是多方面的:
制造資源知識 有關機床設備、工藝裝備、材料等的知識。
制造對象知識 有關產品、零件、毛坯等的知識。
制造工藝知識 有關工藝方法、典型工藝、加工參數及各類相關的工程/工藝標準規范等的知識。
工藝決策知識 有關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、生產現場、工藝實例、工藝專家等。
在傳統的CAPP智能系統中,知識庫通常是狹義的知識庫,即知識庫中主要存儲推理規則等規則性知識。這些知識庫主要是面向系統自動決策,因此,知識的數量同實際需要相比,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資料;2代替手工查閱已設計好的工藝實例。進一步,提供相關自動工藝決策功能,幫助工藝人員提高工作效率,幫助具有較少經驗的工藝人員能夠設計出具有專家或準專家水平的產品工藝。
在此意義上的知識庫是廣義的知識庫,它包含了工藝數據庫、典型工藝庫、工藝規則庫等,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。
3 智能化交互式CAPP關鍵技術
3.1 基于交互式的人機混合工藝決策技術
人工智能技術在模擬人的邏輯思維方面取得了很大的成功,而且在CAPP等領域得到了較為廣泛的應用。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實的,而且在可見的將來也是難以實現的,因此,出現了人機一體化的思想[6]。當前,隨著IMS的發展,人們對在制造系統中發揮人的創造能力和人的智能給予高度關注。國外出現合弄制造系統(hononicmanufacturingsystem)的概念,且成為國際合作研究計劃IMS預因素,而是被當作構成整個制造環境的一個組成部分,人的個人技能可以得到充分發揮[8]。工藝設計經驗性強,技巧性高,在CAPP中發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,人的適當參與,會在更大程度上提高CAPP系統集成度。王先逵等認為,建立一種“人機一體化”的智能系統,充分發揮人的智能優勢,以合理的代價實現較高的智能,這在很長一段時間內將是開發CAPP系統的一個指導原則。
基于交互式的人機混合工藝決策技術是指工藝設計人員(用戶)在CAPP系統中的地位,不像在傳統的CAPP智能系統中,僅僅是信息輸入人員的角色。傳統的方式是用戶輸入、系統決策、系統輸出,系統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中,用戶是工藝決策的主體,系統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驗性強的規劃性決策可充分發揮人的智能優勢,而刀具選擇等選擇性決策及計算性決策,可充分發揮計算機的優勢。
3.2 交互式動態知識獲取
在傳統CAPP專家系統開發中,知識獲取需要耗費大量的人力、物力和財力,成為系統開發和應用的瓶頸。采用交互式動態知識獲取技術,工藝人員可在工藝設計過程中,隨時將產品工藝中所定義的工序、工步、設備、工裝等事實性知識不經任何修改或經過一定的編輯修改直接放入知識庫,從而實現知識庫的動態擴充。
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,不僅可大大減小工藝人員的工作強度和對有經驗工藝人員的依賴,而且會提高產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一化,促進工藝的標準化。
在傳統的修訂式CAPP系統開發中,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準工藝規程的編制等準備工作。而在交互式CAPP系統中,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(GT)、基于實例(case-based)的技術、模糊邏輯等是實現基于實例的相似工藝自動檢索的基礎。
3.4 工藝知識自動獲取
學習是智能的重要特征。機器學習是CAP智能化的重要方面,國內外在應用ANN等人工智能技術進行工藝知識自動獲取方面作了許多的研究工作,但受訓練樣本等的限制,有其局限性[9]。
數據挖掘與知識發現(knowledgediscovery)技術源于人工智能和機器學習,它是從數據倉庫的大量數據中篩選抽取信息,從而發現新的知識。隨著CAPP的廣泛應用,企業將積累形成大量的產品工藝數據庫,數據挖掘與知識發現技術將為充分利用這些企業的寶貴財富提高CAPP系統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系統結構
實踐表明,CAPP的智能化應是以交互式為基礎,以知識庫為核心,并采用檢索、修訂、創成等多工藝決策混合技術和多種人工智能技術的綜合智能化,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系,滿足企業對CAPP廣泛應用與集成的需求,其結構見圖2。
圖2 基于知識庫的智能化交互式CAPP系統結構
5 結束語
我們以面向產品CAPP方法論及其智能化概念體系為理論基礎,在863/CIMS目標產品項目的支持下,進行了CAPP應用框架與開發平臺的設計與開發,并已在全國100余家企業推廣應用。