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支持网络化制造的CAPP原型系统研究与实现 |
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作者：浙江大学 陈沛帅 朱淼良 蔡铭 |
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摘要
通过构建ＮＥＴ ＣＡＰＰ原型系统，提出一个基于ＣＯＲＢＡ、适合于网络化制造的分布式体系结构，分析了该系统与传统ＣＡＰＰ的不同之处，并深入探讨了系统实现中的一些关键技术。最后通过一个运行实例进行了说明。
关键词
ＣＡＰＰ；网络化制造；ＣＯＲＢＡ
1 引 言
网络化制造[1]又被称为分散网络化制造[2]、网络化敏捷制造[3]等。网络化制造系统与技术产生的背景如图1所示，它主要与因特网的发展、经济全球化趋势、制造企业战略的变迁、先进制造系统与技术的发展和企业信息化进程的推进有关。企业已不再局限于自身内部的信息,而必须考虑与外部环境集成,通过整合各自的信息，提高制造企业间的信息交流与合作,实现制造资源优化重组，从而获取更大的效益。因此，分布式网络化制造、网络企业联盟必将成为未来制造业的模式。
计算机辅助工艺设计(Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ＡｉｄｅｄＰｒｏｃｅｓｓＰｌａｎｎｉｎｇ,ＣＡＰＰ)系统作为产品制造的主要软件支撑工具，必须适应网络化制造潮流中新的挑战和需求,研究新一代支持网络化制造的ＣＡＰＰ系统是ＣＡＰＰ重要的发展方向，近两年来深受学术界和工业界的关注。
Ｔｕ等[4]致力于虚拟ＯＫＰ(Ｏｎｅ ｏｆ ａ ＫｉｎｄＰｒｏ ｄｕｃｔｉｏｎ)企业中的产品工艺设计，提出了面向虚拟ＯＫＰ企业的ＣＡＰＰ系统参考体系结构，并采用了称为“增量工艺规划”的工艺设计新方法。清华大学的杨志刚等[5]提出了广义工艺规划概念，以及面向动态联盟环境下的ＣＡＰＰ系统三层结构；并进一步建立了工艺设计的任务模型及最大优先分派算法[6]。
东南大学的倪中华等[7]提出了制造资源的广义性与狭义性概念，建立了一个面向快速重组制造系统的ＣＡＰＰ原型系统，对动态制造环境具有一定适应性。总地来说，支持网络化制造的ＣＡＰＰ系统还是很新的概念，目前看到的不多的。文献大都只局限于某一方面，或是体系结构，或是单个技术，使人难以对其产生总体和直观的概念，因此急需有一个较为具体和全面的系统介绍给大家作为参考。本文针对这个需求，结合我们自主开发的支持网络化制造ＣＡＰＰ原型系统———ＮＥＴ ＣＡＰＰ，首先总结归纳了网络化制造对传统ＣＡＰＰ提出的新需求，建立了ＮＥＴ ＣＡＰＰ的体系结构，分析了该系统与传统ＣＡＰＰ的改进之处，并着重探讨了其中的关键技术。
图1 网络化制造系统与技术产生的背景
2 网络化制造ＣＡＰＰ系统需求分析
与传统的基于企业局部资源与知识进行工艺规划的ＣＡＰＰ系统相比，支持网络化制造的ＣＡＰＰ具有资源广义性、信息分布性和分工协作性等一些新的特点。
(1)资源广义性
在ＣＡＰＰ系统中用到的资源主要包括制造资源和加工知识。在开放式的网络化制造环境下，制造资源和加工知识不仅仅局限于本企业内部，而是通过网络得到扩展与延伸。充分利用一切能利用的资源是实现企业优势互补、提高响应敏捷性的基础。
(2)信息分布性
多个合作企业在空间上分布于不同地域，根据各自的工艺习惯有不同的工艺操作规范。如何对这些分布的工艺流程进行有效的集成，并提供一种适于分布式环境中产品工艺数据交换方式，是网络化制造得以实施的重要使能技术之一。
(3)分工协作性
在网络化制造环境下，企业更专注于自身核心竞争力的培养与发展，合作伙伴间的协作、交流大大增加，这给工艺合作伙伴选择与评价以及协同工艺设计等提出了新要求。
(4)组合动态性
网络化制造具有4阶段生命周期：协作目标确定、合作伙伴组建、运行和解散，其组织和结构形式应市场需求而变化，因此ＣＡＰＰ必须提供可重构和规模可伸缩的能力，以适应这种动态变化的需求。
3 ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统结构为适应网络化制造环境下的动态性和分布式，ＮＥＴ ＣＡＰＰ采用基于ＣＯＲＢＡ(ＣｏｍｍｏｎＯｂｊｅｃｔＲｅｑｕｅｓｔＢｒｏｋｅｒＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ)的体系结构，如图2所示。资源搜索服务将分布于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上能提供加工服务的各个企业，即Ｐｒｏｖｉｄｅｒ的企业基本信息、加工制造能力汇总，并存入外部资源信息库。请求服务的企业，即Ｒｅｑｕｅｓｔｅｒ通过ＯＲＢ(ＯｂｊｅｃｔＲｅｑｕｅｓｔＢｒｏｋｅｒ)获得资源查询服务入口,检索外部资源信息库,寻找资源互补企业,并通过其内部评价算法，选择候选企业，从而组建网络化协作工艺设计组织。组织中各成员间通过ＸＭＬ作为数据交换语言,进行产品工艺数据的交换与集成，从而协同完成产品工艺设计任务。
ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统的详细处理流程如图3所示。首先采用特征识别技术从零件实体模型中自动提取加工特征几何信息部分,并手工完善工程信息，包括特征粗糙度、加工精度和公差等，以此作为工艺规划的零件模型。
由图3可以看出,在常规的创成式工艺规划方法基础上,ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统加入了一些处理网络化制造需求的单元 主要集中在加工方法链选择完成后，ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统进行了一个制造能力的预评估，过滤出那些企业局部制造资源能力无法满足的工序或工步，因此需要利用广义制造资源 在外部资源库(即广义资源库)中，以上述部分的工序或工步所需的加工能力为检索条件，选择出一个满足加工基本条件的企业合作伙伴集合，在此基础上进一步综合企业其他性能指标，对候选企业进行综合评价与选择，并自动生成外协合作企业清单。
4 ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统关键技术
在ＮＥＴ ＣＡＰＰ中运用了许多新的技术，本节将主要讨论企业制造能力预评估、合作伙伴的选择与评价以及基于ＸＭＬ的分布式产品工艺流程表达。
4 1 企业制造能力预评估
ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统中加工方法链节点的数据结构如下:
ｃｌａｓｓＣＰｒｏＭｅｔｈｏｄ:ｐｕｂｌｉｃＣＯｂｊｅｃｔ
{
ｉｎｔｍｎＩＤ;∥特征ＩＤ
ＥｎｕｍＴｙｐｅＦｅａｔＴｙｐｅ;∥加工特征类型,主特征或辅特征
ＣＳｔｒｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｎａｍｅ;∥加工特征名称
ＣＳｔｒｉｎｇｄｉｓｐｌａｙｎａｍｅ;∥加工特征显示名称
ＣＰＦｅａｔｕｒｅ ｆｐｔｒ;∥加工特征指针
ＣＳｔｒｉｎｇｐｒｏｌｉｎｋ;∥加工链…
};
该数据结构以特征为组织单位，有一个指向特征的指针 ｆｐｔｒ，由此能访问到当前特征的所有几何与工艺信息。加工该特征的加工方法链可以根据零件、特征类型和加工精度等通过知识库推理获得，如“轴类零件，粗糙度为0 8的外圆特征”，所采用的加工方法链为“粗车-半精车-磨”，该方法链存于ｐｒｏｌｉｎｋ中。
算法1 制造能力预评估
Ｓｔｅｐ1 构造加工需求Ｈａｓｈ表Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｈａｓｈ，以三元组〈加工特征、加工方法、加工精度〉为索引；
Ｓｔｅｐ2 遍历加工方法链表，依次解析其中的加工方法，以〈当前加工特征、当前加工方法、当前加工精度〉为索引，检测Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｈａｓｈ是否冲突 若冲突，则继续解析下一个加工方法；否则，将当前加工方法存入Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｈａｓｈ中，并继续解析，直至解析完成；
Ｓｔｅｐ3 构造外协工序链表，
Ｓｔｅｐ4 从Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｈａｓｈ表中取出一项内容，通过加工设备知识库，选取该加工特征应采用的加工设备类别；
Ｓｔｅｐ5 以加工设备类别和加工精度为检索条件，进入加工设备数据库中检索。若检索结果为空，说明本企业加工能力不足,将该信息存入外协工序链表；
Ｓｔｅｐ6 若Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｈａｓｈ未遍历完，转到Ｓｔｅｐ4；否则结束。
算法1可以分为两个阶段:Ｓｔｅｐ1和Ｓｔｅｐ2主要用于将相同加工特征、加工方法和加工精度的工步压缩到Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｈａｓｈ中，以保证需要同样加工设备的检索在下一阶段的知识库与数据库的访问不会重复进行，提高算法运行效率；第二阶段Ｓｔｅｐ3～Ｓｔｅｐ6，通过知识库推理和数据库检索，将企业加工能力不足的工步过滤出来，并存入外协工序链表中，为下一步合作伙伴选择提供基础信息。加工能力不足的原因主要为缺乏相应的加工设备类型和当前加工设备精度不够；这些需外协的原因也存于外协工序链表中，并最终反映在外协清单上。
4 2 合作企业的选择与评价
在合作企业选择阶段，以满足外协工序的设备加工能力为基础条件，形成合作伙伴集合。下面讨论如何选择与评价，我们采用三个指标对各个满足基本条件的企业进行综合评价，包括企业信用、运输成本和加工成本，评价分为以下三个阶段进行。
(1)对三个指标分别进行量化
加工成本(记为Ｆｅｅｉ)以元/ｈ为单位;运输成本(记为Ｄｉｓｔａｎｃｅｉ)通过企业之间的距离来衡量,以Ｍｍ为单位;企业信用(记为Ｃｒｅｄｉｔｉ)以等级来评定,在系统中划分了5等级。
(2)各指标归一化处理(以下标ｉｇ表示)
以企业信用为例，加工成本和运输成本以此类推。 
(3)综合评价
Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉ=Ｗｆ×Ｆｅｅｉ+Ｗｄ×Ｄｉｓｔａｎｃｅｉ+Ｗｃ×Ｃｒｅｄｉｔｉ，其中Ｗｆ+Ｗｄ+Ｗｃ=1,Ｗｆ,Ｗｄ和Ｗｃ分别为系统对加工成本、运输成本和企业信用赋予的权值。
对各企业分别计算Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｉ值，并进行降序排列，就形成一道外协工序的合作伙伴推荐列表，最终由用户交互选择确定。
4 3基于ＸＭＬ的产品工艺流程表达
为解决分布式网络化制造环境中产品工艺流程数据集成与交换问题，ＮＥＴ ＣＡＰＰ中采用基于ＸＭＬ信息集成方案 文献[8]提出的集成化工艺计划描述语言(ＳＪＴＵＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｒｏｃｅｓｓＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎＬａｎｇｕａｇｅ,ＳＩＰＳＬ)具有很强的表达能力，可以表达分层工艺、平行工艺和可选工艺，并可以进行多视图表达。我们对ＳＩＰＳＬ进行了ＸＭＬＳｃｈｅｍａ形式化定义[9]，作为标准工艺交换数据格式，以ＰｒｉｍｉｔｉｖｅＴａｓｋ为例，可表示为
〈ｘｓｄ:ｃｏｍｐｌｅｘＴｙｐｅｎａｍｅ=“Ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ＴａｓｋＴｙｐｅ”/〉
〈ｘｓｄ:ｅｌｅｍｅｎｔｎａｍｅ=“ＰｒｏｃｅｓｓＩＤ”ｔｙｐｅ=“ＰｒｏｃｅｓｓＩＤＴｙｐｅ”/〉
〈ｘｓｄ:ｅｌｅｍｅｎｔｎａｍｅ=“ＰｒｏｃｅｓｓＮａｍｅ”ｔｙｐｅ=“ｘｓｄ:ｓｔｒｉｎｇ”/〉
〈ｘｓｄ:ｅｌｅｍｅｎｔｎａｍｅ=“ＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｅｎｔ”ｔｙｐｅ=“ｘｓｄ:ｓｔｒｉｎｇ”ｍｉｎｏｃｃｕｒｓ=“0”ｍａｘｏｃｃｕｒｓ=“1”/〉
〈ｘｓｄ:ｓｅｑｕｅｎｃｅ〉
〈ｘｓｄ:ｅｌｅｍｅｎｔｎａｍｅ=“Ｅｘｅｃｕｔｅｒ”ｔｙｐｅ=“ＥｘｅｃｕｔｅｒＴｙｐｅ/〉
〈/ｘｓｄ:ｓｅｑｕｅｎｃｅ〉
〈ｘｓｄ:ｓｅｑｕｅｎｃｅ〉
〈ｘｓｄ:ｅｌｅｍｅｎｔｎａｍｅ=“Ｒｅｓｏｕｒｃｅ”ｔｙｐｅ=“Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｔｙｐｅ”/〉
〈/ｘｓｄ:ｓｅｑｕｅｎｃｅ〉
〈ｘｓｄ:ｓｅｑｕｅｎｃｅ〉
〈ｘｓｄ:ｅｌｅｍｅｎｔｎａｍｅ=“ＭＦＧＦｅａｔｕｒｅ”ｔｙｐｅ=“ＭＦＧＦｅａｔ ｕｒｅ ＩＤ”/〉
〈/ｘｓｄ:ｓｅｑｕｅｎｃｅ〉
〈ｘｓｄ:ｅｌｅｍｅｎｔｎａｍｅ=“ＭａｎＴｉｍｅ”ｔｙｐｅ=“ｘｓｄ:ｄｕｒａｔｉｏｎ”/〉…
〈/ｃｏｍｐｌｅｘＴｙｐｅ〉
在每个ＣＡＰＰ客户端均配有基于ＳＩＰＳＬ的ＸＭＬ输入/输出接口，与内部工艺流程进行转换与融合，从而较好地解决了分布式环境下的工艺数据交换问题。
5 运行实例
以传动轴零件工艺设计为例，零件加工特征如图4所示(其中外圆Φ52表面粗糙度要求为6.3，其余外圆表面粗糙度要求均为0.8)。 
ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统运行如图5～7所示。图5所示为零件的加工方法链选择结果，加工特征组织方法采用“方位+特征”描述法[10]；图6所示为制造能力预评估阶段；图7所示为合作企业选择与评价阶段。由图7可以看出，企业内部由于设备加工精度不够，无法完成“半精车”工序，因此需外协 ＮＥＴ ＣＡＰＰ系统能自动从网上搜集的外部资源库中选出满足“半精车”加工要求的候选企业，按照第4 2节介绍的评价策略进行降序排列，其中Ｗｆ，Ｗｄ和Ｗｃ三个权值可由用户交互调整,并实时对各候选企业重新进行评价。
图5 传动轴零件加工方法链选择
图6 制造能力预评估
图7 合作企业选择与评价
6 结束语
分布式网络化制造必将成为未来制造业的主流模式，因此研究新一代支持网络化制造的ＣＡＰＰ系统是近年来重要的发展方向。我们下一步研究工作的重点如下：建立非线性工艺方案评价模型，对网络化制造环境下的多工艺影响因素进行分析、提高协同在线工艺设计能力、改进合作伙伴选择及评价体系，使之更趋合理化。
(end)
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(10/6/2004) |
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