面向产品生命周期的CAPP及其应用研究

作者：东南大学 许超

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 现今科技的飞速发展，需求的多样化，使得市场竞争日趋激烈，为了更快地响应市场变化，企业生产已转变为面向客户的多品种，小批量乃至个性化生产模式。在整个产品设计制造周期中占有相当大比例的工艺设计对于企业快速响应市场，更好地满足客户需求越来越重要；如今在大多数汽车制造设备企业中，产品的工艺设计已经成为制约企业快速发展的一个瓶颈，企业的手工编制工艺模式已经难以适应日益多变的市场竞争，产品的技术要求越来越高，交货期也越来越短，这一切对企业的技术能力、工艺能力以及制造能力是一个严峻的挑战。 计算机辅助工艺设计CAPP的研究与应用已有较长历史，但这一应用技术仍然在不断完善和发展。CAPP研究从成组技术到工具平台，从基于数据库应用技术到基于Web 的体系构架无所不有。较早的研究关注的是CAPP所赖以成立的理论基础，近期的大多数研究围绕在CAPP寄托的开发和运行平台。但CAPP这一技术的应用最终目的是面向生产制造工艺过程的服务，CAPP的系统构架如果脱离企业生产的应用环境，脱离企业应用人员的变化条件，系统在应用中必然出现貌合神离的状态。本文通过对汽车制造行业中从事设备制造和汽车零部件生产配套的企业应用研究，探讨了这类企业应用CAPP的实际需求，提出了面向产品全生命周期的CAPP改进方案，应用效果反映良好，而实际开发投入不大，可供读者参考。 1 制造企业CAPP应用方法分析 研究的对象是从事汽车制造设备和汽车零部件生产的企业，主要以专用机床、齿轮、泵这三大类产品为主，这类企业的产品既有小批量制造特征，又有根据订单单件制造的情况，具有一定的代表性。企业在对CAPP的试应用过程中所出现的问题主要可归纳为： (1) CAPP派生工艺方案过程繁琐，系统应用缺乏对使用人员能力适应性的考虑。由于非标准设计，零件工艺编制繁重。但CAPP在应用中需要通过零件的特征识别，进行相似工艺的查询或派生。对于复杂的零件，确定工艺特征实际上也是一件耗时的过程。对于企业中具有相当工艺经验的人员来说，这项工作的完成过于教条，造成了工艺人员的工作量增加，劳动重复。 事实上，CAPP是以人为主，以计算机为辅的工艺设计过程。在这一人机组合的工作组中，人的因素或参与条件各种各样，存在较大的差异。在企业中，具有一定工艺知识和经验的人员分布可达80 % ，而真正的新手较少。具有一定工艺经验的人员在进行零件的工艺设计时，思维映像中将迅速浮现与这个零件最为相似的零件工艺，并以各人自己的记忆能力和记忆参考对这个相似零件进行直接定位。比如由某人在某个时间所做过的工艺，或者某个项目下的某个部件等。这种由感观产生对象的回忆可能是对完整的零件，也可能是零件的某种局部特征，这个特征常常是组合特征，而不是单一特征。 传统CAPP仅仅以零件的形状分解进行工艺特征的识别方式完全忽略了CAPP应用群体的能力特征、生产活动特征和个体知识构架，因而难以在企业进行推广应用。并且由于这种过于刻板的特征建立过程，使得应用人员的创造能力下降到最低点。不仅浪费时间，而且操作繁琐。 (2) CAPP与企业生产活动缺乏应有的联系。企业的产品设计大多数是对原有产品的变型设计，即使是专业加工设备的制造，加工到装配的方法也具有较多的相似性和继承性。工艺设计人员进行零件的工艺设计时，首先是从产品形状、加工特征取得对零件加工的基本看法，再根据自己了解的项目查询相似的零件工艺。传统CAPP的相似工艺查询仅仅建立在成组工艺的基础上，缺乏对企业产品派生和生产活动模式的密切联系。比如以工作令号、产品名称、设备名称、生产日期等关键词进行查询或筛选的方法。此外，在设计过程中，零件的借用和引用使得同样或相似的零件工艺可以被继承，这种查询的思路往往不是来自于零件的工艺特征或成组工艺理论，而是直接通过设计的属性或管理模式得到。 在对企业的需求分析中，有近80 %的零件出自于原有产品的变型。工艺人员在零件工艺设计中参考的第一需求是根据产品的派生来源进行查询，只有极少数的零件需要通过成组工艺的方法进行加工工艺特征的分析。因此，传统CAPP在构造上忽略了企业的制造方式和使用方法，导致CAPP的应用效率下降。图1 所示是企业人员在进行工艺设计过程中的相似工艺资料继承的排解逻辑思路。 (3) 传统CAPP在设计上缺乏对产品全生命周期服务的思想。从产品生命周期的全过程分析，传统CAPP在系统集成方面缺乏整体设计的考虑，仅仅从工艺技术角度去分析工艺设计的方法，抛开对企业生产活动规律的研究。 在系统集成方面，一些CAPP仅仅是将零部件的基本属性如名称、编码、材料等产品设计信息自动继承到CAPP，而缺乏基于产品自身发展特性的内在引擎。由于在企业中，产品设计完全原创的项目很少，产品之间存在多种相关的联系，包括继承、派生、组合等等。CAPP的应用是对产品中零部件进行工艺设计服务，这与产品以及产品来源本身的工艺数据存在必然的联系。这种联系在日常的生产活动中往往体现在企业的生产制造管理、产品编码以及产品版本的设计发展所进行的产品生命延续过程中，是一种符合产品全生命周期规律的内在联系因素。 面向产品全生命周期考虑工艺设计，可以较好的贴合制造企业本身的工艺条件、制造环境，而不是仅仅从工艺特征出发确定零件的工艺。在某种意义上，这种集成充分考虑企业的现状和应用人员的能力，具有对应用最小的贴合距离，在工艺的可行性等方面更加方便操作与实现。 2 面向产品生命周期的CAPP构架 上述分析可见，面向产品全生命周期的CAPP既要考虑成组技术的应用，又必须保留和继承产品发展过程的本身特性。在面向产品全生命周期的CAPP方案中必须考虑的问题有： (1) 建立产品与产品之间的版本发展联系。从产品数据管理PDM 中将产品版本的发展以及借用和引用机制延伸到CAPP中，使得产品之间的联系映射到产品工艺之间的联系，形成零件工艺的派生与产品发展建立关联。同时产品版本的管理并不是一种产品数据的简单保存与冻结，而是具有延续和活动机制的版本发展过程。 (2) 建立产品与工艺之间的关联。从产品数据的完全分类看应当包括产品的所有设计数据以及制造数据。产品的工艺数据本身与产品有直接关联。在CAPP中将这种关联引进，作为工艺派生的搜索引擎，从而达到由产品的派生到工艺查询的完整联系过程。 (3) 将产品工艺与生产管理建立内在联系。从工艺设计人员日常活动的角度看，印象较深的是产品制造的过程，因此产品的工艺应当与生产管理相互关联。这种关联并不存在一种直接的技术联系，而是一种在企业制造环境中生产活动的联系。工艺设计是生产活动中的一个部分，这些活动之间存在一种从管理方式上的联系机制。工艺设计是这个环境中的一个环节，对设计人员来说往往存在一些非常熟悉的检索思路，构成工艺派生的辅助功能。 (4) 将新工艺与零件的成组编码建立关联。面向产品生命周期的CAPP并不是抛弃CAPP原有的技术，而是在原有的基础上将产品的延续以及生产制造过程引进到CAPP的设计活动中。对于企业中工艺设计的新手，或者一个全新零件设计，原先的由成组编码进行工艺设计的派生、创成等机制仍然必要。这里的问题是解决由其他方式检索工艺，并产生新工艺后零件成组编码的修正以及在派生过程中利用混合机制确定最相似的工艺。 改进的CAPP应当具备成组编码修正与后置处理。从工艺设计过程看，一些相似工艺被调用后，原零件工艺所带有的成组编码将被传递到新的工艺中。这个零件的工艺编码在工艺重新设计后需要根据零件的工艺特征进行修正，以便进入系统的成组工艺分类管理。 专用机床产品中存在大量非标准件的工艺设计，但这些非标件在结构、材料、工艺上十分相似，利用成组技术，按照结构和工艺的相似性将机床中的零件分类，为每个零件类制定典型的工艺规程。在进行新零件工艺设计时，设计者可以根据自己的判断，从生产管理、产品分类、时间地点以及工艺特征等多种方式查询到的零件类的典型工艺，生成一个新工艺规程，再经过人机对话修改，最后完成此新零件的工艺设计。如果在本企业查询不到所属的零件类别，可通过发布到Internet上的“典型零件库工艺查询网络服务”(Web Services) ，在其它企业的工艺数据库中查找，然后进行工艺派生。已有的CAPP系统仅仅强调成组技术，为此在原有CAPP基础上提出混合工艺设计的概念，如图2 所示，实现零件工艺信息的混合查询。提供符合企业生产管理模式的文档式查询方式，如“工作令号”、“生产时间”、“所属部件名称”等多个约束条件进行模糊查询，在查询到的已有零件工艺上进行工艺派生。 面向产品生命周期的CAPP与企业产品数据管理PDM 有着更加紧密的集成层次。利用PDM 对人员组织、产品结构和设计流程的控制机制，实现零件工艺的派生与设计。这种集成不仅是零件基本属性在工艺中的继承，而且将零件数据与企业管理模式构成联系，形成完全一致的管理应用方式，并且重视企业设计人员在进行工艺设计活动的习惯、企业管理的方式以及设计人员不同层次的经验，以设计人员最为熟悉的方式查询相应的数据。 3 结语 CAPP系统是实现产品工艺过程信息化的前提，也是成功实施企业信息化工程的关键环节之一。传统CAPP比较关注工艺应用的基本理论和CAPP所依赖的软件开发平台，而忽略了CAPP在产品全生命周期管理过程中各个环节的服务需求，因此造成应用过程中与企业整个制造过程的分离；与企业应用人员的实际能力分离；以及与企业信息管理的方式分离。本文通过对汽车设备制造企业的工艺设计过程中所面临到的种种问题分析，以及目前商品化CAPP软件中所存在的一些不足，提出了面向产品全生命周期CAPP的解决方法，并将其实际应用于东大CAPP系统，在应用过程中已取得初步的成效。 改进后的CAPP的优点主要体现在如下方面： (1) 具有较好的宜人性应用环境。企业应用CAPP的人员可以划分为三种层次，即具有丰富工艺经验的人员、一般工艺经验的人员以及缺乏工艺经验的新手。对前两类人员在应用CAPP过程中，如果仍然沿用照图逐步工艺特征输入，显然在一些工艺形成的过程中过于繁琐，而这些应用人员在企业的工艺人员中可能占到80 %。面向产品全生命周期管理的CAPP在派生工艺的过程中允许企业有丰富产品经验的人员通过与产品数据包括管理数据相关的链接直接查询相似工艺，从而形成一种更具有柔性的应用环境，提高了系统应用效率。 (2) 面向企业的产品数据形成过程和生产管理过程。面向产品全生命周期的CAPP强调产品数据形成过程和企业生产管理过程的结合。CAPP与企业其他应用系统PDM 以及生产作业管理系统的集成并不是简单的数据传递，而且是将这些系统在管理机制或模式方面形成继承，使得企业应用CAPP的过程不孤立，达到系统的紧密集成环境。 (3) 以混合应用模式，延续了传统CAPP的精髓。在系统中采用混合应用模式， 既保留了传统CAPP经过工艺特征形成工艺编码的技术特征，又结合产品数据形成过程中各种应用模式， 使得CAPP在应用方式上更加贴合企业的生产管理方式。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/27/2006)