CAPP发展的新阶段与智能化工艺信息系统构想

作者：孔宪光 许建新 贾晓亮

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 摘 要：分析了当前CAPP技术存在的目标片面、范围窄、工程化重视不够等主要问题,提出了工艺信息系统的构想和面向整个产品的CAPP方法论。讨论了关键技术,介绍了近几年的研究、开发工作。 关键词：CAPP 智能化工艺信息系统 面向整个产品的CAPP 前言 计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning：CAPP)是连接CAD与CAM的桥梁，是许多先进制造系统的技术基础之一。因此，CAPP技术从60年代末诞生以来，其研究开发工作一直在国内外蓬勃发展，而且逐渐引起越来越多的人们的重视。遗憾的是，尽管国内外在各种决策方式、各种机加工艺CAPP、以及智能化、集成化方面取得许多成绩，但应用基础还不很牢固，研究开发方向也和当前的实际需求有较大差距。近年来，随着计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System：CIMS)、并行工程(Concurrent Engineering：CE)、智能制造系统(Intelligent Manufacturing System：IMS)、虚拟制造系统(Virtual Manufacturing System：VMS)、敏捷制造(Agile Manufacturing：AM)等先进制造系统的发展，无论从广度上还是从深度上，都对CAPP的发展提出了更新更高的要求。 显然，CAPP已经到了一个新的发展阶段。为了迎接种种新的挑战，我们在近几年提出了面向整个产品（简称面向产品）的CAPP系统以及更为广义的计算机辅助工艺设计及管理系统，即智能化工艺信息系统（Intelligent Process Information System：IPIS）等新的构想，并针对一些企业CIMS工程的需求进行了开发，同时也推出了软件产品。 1 CAPP技术当前存在的问题 迄今为止，国内外在CAPP技术的研究与系统的开发上已投入大量的资金与力量，已开发出为数众多的CAPP系统。在所开发的CAPP系统中，有些系统已得到实际应用，少数已商品化。但总的来看，CAPP的研究、开发方向存在严重的偏差。从应用角度看，已取得的实际效益和投入的力量很不相称；国内外的重点研究方向和当前的实际需求相去甚远。表现在：开发多，应用少；开发投入多，应用维护几乎无投入；原型系统多，得到实际生产应用的系统较少；商品系统很少，而且功能不足；同CAD、CAM、MIS、PDM等相关计算机辅助技术相比，差距相当大。究其原因可初步概括为以下几个方面。 ①CAPP研究与开发的目标具有很大的片面性 长期以来，CAPP的目标一直是开发代替工艺人员的自动化系统，而不是辅助系统，即过份强调了工艺决策的自动化。在此目标指导下开发出的‘自动化’CAPP系统，虽然融入了人类专家的知识和经验，但在运行时通常需要用户首先费时费力地按规定描述方法交互输入零件信息（尽管有不少系统从技术上实现了CAD/CAPP集成，但远未达到工程化），然后由系统进行自动决策。一般只提供简单的人机界面，决策过程中很少考虑人的有效参与。这就导致了下列问题： 系统开发周期长，开发费用高，开发难度大，使用人员很难参与，适用性差，难以推广应用； 工艺人员难以掌握系统的使用，而且在使用中仍需交互输入大量的信息，麻烦而又容易出错； 工艺设计与管理不能集成，不仅工作效率低，而且很难保证工艺信息和文件的准确性、一致性； CAPP的研究与开发只能以零件为主体对象，常常针对特定制造对象、特定制造环境(特定企业、特定车间甚至特定设备)进行。开发出的系统功能和应用范围有限(局限性大)，缺乏适应生产环境变化的灵活性和适用性。 为了解决上述问题，国内外不断地在CAPP开发工具的开发及面向对象(Object Oriented：O-O)技术的应用上进行探索，但仍受限于以自动化为目标和以零件为主体对象，问题并未得到解决。这种现状不仅难以满足先进制造系统对CAPP的应用和发展日益增长的需求，而且势必造成大量重复劳动和人力、财力、物力的浪费，严重限制CAPP应用的广度和深度。 ②CAPP系统的应用范围过于狭窄 *航空基础科学基金资助 由于CAPP系统涉及问题的复杂性和对应用环境的依赖性,更由于对决策自动化的目标定得过高，CAPP的研究与开发基本以零件为主体对象，且主要集中在机械加工工艺设计领域，每一种系统只适用于少数几种零件。普遍认为难以、甚至不可能开发通用化系统,却没有认识到工艺基本数据结构及基本设计功能的普遍性、通用性。 这种缺乏从整个产品的角度研究CAPP的应用和集成问题，而且忽视工艺管理功能的研究与开发，难以适用于企业中的大多数零件，更难以满足先进制造系统的应用和发展需求，甚至在计算机应用比较广泛一些的企业中也会失去应有的重要价值。 ③对CAPP的系统化、实用化、工程化研究重视不够 尽管各种新概念、新方法、新技术在CAPP中不断获得应用，但主要是针对各种决策功能，而始终缺乏对CAPP的系统化、实用化、工程化的研究，缺乏各种技术之间及技术与管理、与人之间的集成，使得这些新技术、新概念、新方法所起作用甚小，也使得CAPP的整体发展缺乏坚实的实践基础和动力。近年来，国内外已开始认识到CAPP应用和工程化问题对CAPP发展的影响。例如，H.A.Elmaraghy指出，CAPP在企业中的应用已落后于新概念的应用和新系统的开发[1]。我们感到，这已几乎成为当前CAPP发展的绊脚石。 ④CAPP的基础性技术和方法有待进一步深入研究 工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的各种功能要求，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量相当庞大，又与具体的生产环境及个人经验水平密切相关；生产环境不同（不同的工厂，甚至同一工厂内的不同车间）、产品对象不同、生产批量不同，生产设备、工艺方法和工艺习惯都不一样，使得产品工艺差别很大。而长期以来，CAPP的研究与开发者忽视对工艺设计问题所涉及的通用基础性技术、方法和数据的深入研究和探索，各种新概念、新方法、新技术的采用既缺乏应用基础,也缺乏系统化基础。I.Ham 和 S.C-Y.Lu认为，工艺设计方法缺乏良好的理论和坚实的科学基础是阻碍CAPP发展的因素[2]。进入九十年代，国内外日益认识到CAPP基础性理论和方法研究的重要性。H.P.Wang 和J.K.Li认为，开发CAPP系统的基础是工艺设计的原理和方法，并指出，一些研究者过分强调了CAPP系统开发中计算机程序设计的重要性而忽视了工艺设计的原理和方法，因此绝不可能开发出高水平的CAPP系统[3]。 综观先进制造技术与先进制造系统的发展，我们可以看到，未来的制造是基于集成化和智能化的敏捷制造和“全球化”、“网络化”制造，未来的产品是基于信息和知识的产品，而CAPP的智能化、集成化和广泛应用是实现产品工艺过程信息化的前提，是实现产品设计与产品制造全过程集成的关键性环节之一。从我国先进制造技术发展战略和国情出发，CAPP的发展应在符合新技术发展趋势的前提下，从系统化角度对面向产品(以整个产品为对象)的CAPP集成化（包含工艺信息管理）、智能化、工程化技术进行深入研究；并应更加强调市场需求，在工程化、商品化软件开发方面投入足够的力量，把CAPP技术的研究、开发推向新阶段。 下面，将简要讨论我们的新构想及其技术要点。 面向产品的CAPP集成化、智能化概念体系及关键技术 2.1 面向产品的CAPP与IPIS 2.1.1面向产品的工艺过程设计与工艺信息系统 在现代机械制造业中，产品工艺设计工作具有多层次性及多阶段性。我们可以把面向产品的工艺设计划分为两个层次，即总体工艺设计和专项工艺设计。在产品生命周期的不同阶段，前述工艺设计产生的文件将有不同的版本和内容，再加上工艺管理，工艺信息系统将包括下列内容： ① 总体工艺设计 主要包括以下内容： ⑴产品结构工艺性审查。 ⑵产品工艺零组件划分。 ⑶ 产品工艺流程（亦称分工计划）制订。 ② 专项工艺设计 在一般产品制造中，所包括的专项工艺设计种类有： ⑴ 毛坯制造（包括铸、锻、下料、焊接等）工艺设计、零件加工（包括各类机械加工、钣金冲压等）工艺设计等。 ⑵ 各种热处理、表面处理等工艺设计。 ⑶焊接、装配等工艺设计。 ⑷检测、试验等其它工艺设计。 ③ 工艺信息管理 从企业管理角度来看，工装设备、材料及辅料、外协件、工时定额等等各类统计汇总功能，各种产品各个阶段不同版本的工艺文件和工装、工具文件的归档与更改等产品工艺管理工作，占有十分重要的地位；有的企业工艺数据的汇总、计算、抄写等重复性劳动占工作量的50-60%，加上各种工艺基础数据的生成与文档管理，则工艺管理工作占全部工作量的80%左右。工艺人员的很大部分时间用于工艺数据的汇总统计、重复填写等工作上，不仅效率低，而且很难保证工艺信息及文件的准确性、一致性。因此，面向产品的工艺信息管理也应该是总体工艺的重要组成部分。而随着PDM（Product Data Management）、VM、AM等先进制造技术的发展,产品工艺版本更新与控制、工艺设计过程控制、基于BPR（Business Process Re-Engineering）的敏捷企业工艺设计业务重组等，将会成为企业工艺管理工作的重要方面，这都离不开工艺信息管理系统的的帮助。 2.1.2 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框架系统；应首先通过广泛的实施、应用（包括部分专用功能的二次开发或用户化定制）打下坚实的实践基础；并逐步综合成熟的或新出现的检索、修订、创成等混合决策技术及多智能体技术，实现人机混合智能(Human-machine Hybrid Intelligence)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，逐步满足产品制造全球化、网络化和虚拟企业分布式协同工作的需求。 ① CAPP系统首先应是交互式计算机应用框架系统 近年来，以自动化为唯一目标的CAPP发展状况已经使人们对CAPP研究与开发现状产生怀疑。Dimitris Kiritsis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[4]。A.M.Luscombe和D.J.Toncich在针对CNC机床进行的CAPP研究中，强调“辅助(Aid)”而不是“自动化(Automatic)”[5] 。G.Van Zeir提出了交互式工艺设计(Interactive Process Planning）的概念，并开发了基于交互式的CAPP原型系统[6]。Ali K.Kamrani等认为，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；但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[7]。 在以交互式为基础的系统模式下，工艺人员是工艺决策的主体，CAPP系统的主要功能是帮助用户“甩笔”、“告别手册”。 CAPP应是一种框架系统，它将包含适用于不同环境、不同需求的基本功能。而用户的特定工艺数据、工艺知识、和文件格式将在系统提供的各种帮助下逐步定义和添加。还可以根据用户的特殊需求进行特定功能的定制和二次开发。 系统将根据使用中积累的数据和知识，渐进式地逐步采用检索、修订或创成等一种以上的人机混合决策功能。并向多种人机混合决策技术及多智能体(Multi-Agent)技术方向发展。CAPP将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，更不应将自动化作为CAPP所要实现的唯一或主要目标。 我们在设计通用CAPP应用框架系统时提出“以工艺知识库/产品工艺数据库为核心，以交互式设计为基础，以工艺知识库管理和工艺卡片格式编辑器为应用支持工具，面向产品全面实现工艺设计与管理计算机化、信息化”的全新CAPP应用框架与应用开发模式，所开发的商品软件系统已在20多家企业（包括西飞XAC-CIMS工程、成飞CAC-CIMS工程中）的各种工艺设计（包括国内产品的各种工艺，以及国外产品转包生产中的装配指令AO、制造指令FO等）中实施应用，取得了很好的效益。 ② 产品工艺数据是CAPP和工艺信息系统的中心 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的主要功能应是生成和检索产品整个生命周期中的基础工艺数据（含有关工程信息及产品工艺信息），并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，工艺卡片只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，系统也完全可自动完成工装设备、工具、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工作，以及大量的各种工艺文件的归档和日常管理工作。这不仅可以极大地提高工艺文件的编制效率、工艺管理效率，而且可最大限度地减少不必要的人为失误，很好地保持工艺基础数据的一致性、完整性。 ③ 产品工艺设计及管理一体化的智能化工艺信息系统(IPIS) 产品工艺设计与工艺管理的一体化体现在工艺信息系统的构想中，即它的内容应包含传统意义的CAPP功能及工艺管理功能。它应该包括从产品设计、制造、销售、直到售后服务全过程中工艺信息及文件的管理功能和工艺工作流程管理功能。它应该在设计、生产全过程的工艺数据的基础上进行工艺信息及文件的动态管理；它应该是智能化的。所以，我们可以称它为智能化工艺信息系统（IPIS）。它应该在运用BPR技术对工艺管理工作进行业务重组的基础上进一步研究开发。 在敏捷制造模式下，制造企业将实现产品开发的“全球化”、“网络化”，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及管理工作流程进行控制，从而缩短产品开发周期，降低产品开发成本，提高产品质量。 我们研究所已在成飞CAC-CIMS工程（三期）和西开XK-CIMS工程中根据用户需求开发了两级和单级的IPIS，并得到了初步应用。今后，我们还将在IPIS的基本功能、系统结构、各种基于网络的新技术应用方面继续进行研究。 显然，智能化工艺信息系统的研究与应用必将成为企业实现敏捷制造等先进技术的重要基础。 2.2 基于O-O方法的面向产品的CAPP信息建模 以产品数据为中心，可建立CAPP基本信息模型。 面向对象方法是一种运用对象、类、实例和继承等概念对问题领域实行自然分割，按人类认识客观世界的思维方式来识别、定义客观世界中的相关实体的有效技术。我们应用O-O方法所建的CAPP信息模型中包含有：工艺过程对象类、工序对象类、资源对象类、基本对象类等等。这都有利于工艺基础数据的建立。 2.3面向产品的CAPP集成化 目前，CAPP集成化的研究与开发，基本集中在CAD/CAPP/CAM系统的研究与开发上，更有人将它看作CAPP集成化的全部，缺乏从整个产品角度研究CAPP的集成问题。因此，现有CAPP的集成往往只是局部的集成，从而难以真正实现与PDM、MIS等相关系统对产品工艺信息的全面集成和与产品设计、工艺设计、生产计划调度的全过程集成。 根据CAPP集成技术的发展和企业对CAPP的集成应用需求，我们认为： ① CAPP的集成与应用应从以零组件为主体对象的局部集成走向以整个产品为对象、整个设计制造过程的全面集成； ② CAPP的集成化应是一个多层次、分阶段应用与集成的渐进发展过程。 ③ CAPP集成化的目标是：首先实现各工艺部门内部的工艺信息共享及工艺设计与管理的一体化，并逐步实现与PDM、MRPII/ERP等相关系统对产品工艺信息的全面集成和与产品设计、工艺设计、生产计划调度的全过程集成。 基于上述讨论，将CAPP的集成应用划分为面向数控编程自动化的特征基CAD/CAPP/CAM集成应用、面向产品工艺信息共享的CAD/CAPP/PDM/MRPII集成应用、面向CE和AM等的产品设计/工艺设计/生产计划调度全过程集成应用等三种类型。 从当前发展趋势看,基于CORBA软件总线和软构件的CAPP集成技术和基于Internet/Web的异地协同工艺设计与工作流管理是实现面向CE和AM等先进制造系统的重要技术基础,它也应该成为CAPP集成化的重要方向。 2.4 基于交互式的CAPP智能化 2.4.1广义知识库 在传统的CAPP专家系统中，通常只有狭义的知识库，即知识库中主要存储推理规则等决策知识。而在交互式CAPP系统中，知识库的作用首先是为工艺人员的决策提供多种使用方便的帮助。这可分为两个层次：①代替人工查阅工艺手册及相关资料；②代替人工查阅已设计好的工艺实例，并进一步提供相关自动工艺决策功能，辅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，它包含了通常意义上的工艺数据库、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。 智能化交互式CAPP的其它关键技术有： 基于交互式的包括检索、修订、创成等方法在内的人-机混合工艺决策技术； 交互式动态知识获取； 工艺知识自动获取等等。 2.4.2 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、创成等混合决策技术和多智能体技术的综合智能化，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。 结束语 CAPP技术已经走过了20多年的历程，它虽然取得了许多成绩，受到广泛重视，但在应用上未能打下坚实的基础。今天，它又面临CIMS、CE、VM、AM、BPR等先进制造技术的种种高新需求，可以说已进入一个既有大量机遇又有严峻挑战的新的发展阶段。 从1980年开始，我们一直致力于创成式CAPP技术、专家系统技术的应用、CAD/CAPP/CAM集成技术、工艺知识库等方面的研究和开发。近几年我们根据自己的经验，同时也根据对当前形势的分析，提出了面向产品的CAPP系统、智能化工艺信息系统等一些新构想，按照上述构想，我们还进行了面向产品的通用化CAPP、基于广义知识库的交互式、通用化CAPP应用系统框架和面向产品的工艺信息系统等方面的开发工作，以及效益驱动的CAPP工程化、商品化的大量实践。此外，还推出了基于Windows 95/Windows 98/Windows NT的单机和网络版本的产品，已在国内许多地方的各类企业中得到初步应用。 参考文献: Elmaraghy H A. Evolution and future perspectives of CAPP. Annals of the CIRP, 1993, 42(2): 739-751 Ham I, Lu S C-Y. Computer aided process planning: The present and the future. Annals of the CIRP, 1988,37(2): 591-601 Wang H P，Li J K. Computer aided process planning. Elsevier,1991 Kiritsis D. A review of knowledge-based expert systems for process planning: methods and problems. Int J Adv Manuf Technol, 1995(10): 240-262 Luscombe A M, Toncich D J. A geometrical approach to computer aided process planning for computer-controlled machine tools. Int J Adv Manuf Technol, 1996(11):83-90 Van Zeir G, Kruth J P,Detand J. A taxonomy for interactive and blackboard based CAPP. .Proc International conference on manufacturing automation, Hong Kong 1997.4,1:188-195 Kamrani A K, Sferro P, Handelman J. Critical issues in design and evalution of computer aided process planning system. Computers in Ind Engng, 1995, 29(1-4): 619-623(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/4/2004)