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飞机制造工装协同工艺设计 |
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作者：刘野 王自军 郑国磊 |
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飞机装配工艺装备(简称飞机工装)作为一种飞机设计制造过程中的重要辅助工具，对飞机的研制进程具有至关重要的影响，针对目前我国飞机产品多型号多任务的生产状态，航空企业对飞机工装的研制过程提出了高效率、高质量、低成本的要求。工装产品的工艺设计是衔接工装产品设计和生产的重要环节，计算机辅助工艺规划(CAPP)系统的使用大大缩短飞机工装的工艺准备周期，显著提高了飞机工装工艺设计的质量，为飞机工装高效高质量的研制奠定了基础。随着我国航空企业数字化制造技术的发展，对CAPP提出了开放、动态、可扩展、智能化、人机交互、资源共享等多方面的新要求。
将计算机支持的协同工作(Computer supported cooperative work,CSCW)技术应用于CAPP系统地开发中能够实现企业对CAPP的多种要求，因此，深人研究飞机工装工艺设计的特点，建立一个适合飞机制造工装并具有开放、并行、便捷、分布、共享等特点的协同工艺设计环境，将能够大大降低工装研制成本，提高工作效率，缩短研制周期。
目前，就CSCW在产品研制过程中的应用来说，主要集中在产品协同设计方面，而在产品协同工艺设计方面，尤其是在飞机制造工装的协同工艺设计方面尚没有进行研究和应用。因此，本文以某航空企业的工装研制项目为背景，通过对飞机工装的协同工艺设计过程进行深人的分析，以当前已投入实际应用的面向飞机工装产品对象而开发的计算机辅助工艺规划应用系统(FixCAPP)为基础，进行飞机制造工装协同工艺设计系统((FixJigCAPP)的研究与设计。
1 协同工艺设计系统
FixCAPP系统是采用面向对象技术开发而成，该系统将飞机工装的产品和零部件作为对象来考虑，对飞机工装的各个零部件分别构建其工艺模型，对其工艺数据进行集中存储管理，这样工艺人员无须关注不同种类工艺文件的编辑，只需关注工艺设计和工艺数据输人FixCAPP系统即可，系统能够自动套用工艺文件格式输出文件，同时，工艺数据与工艺文件分离也有利于工艺数据的进一步利用。但是，工装的工艺设计作为一个设计整体往往需要内部多部门、多人员的并行工作，同时也需要相互协作，FixCAPP属于单机版CAPP系统，无法满足协同工艺设计的需要，因此作者在FixCAPP系统的基础上根据工装设计的需求提出了对FixJigCAPP系统的要求:
①多用户接口。系统要面向各环节工艺设计人员，不同用户的职责不同，权限不同，系统需要提供给不同角色用户不同的软件视图。
②协同工作方式。部门人员间需要对于某一产品结构设计方案以及随之而来的工艺设计方案，配套方案和备料方案等进行讨论沟通，同时，管理部门也需要根据各部门人员的实际工作状态，进行工作安排，对整个工艺准备的过程进行协调，以保证工装工艺设计过程的协同和高效。根据实际情况可能依靠发送消息、Email等方式进行同步或异步交互，在方案的设计的各个阶段进行协作和协调，以避免冲突和消除冲突。
③系统结构。系统结构的实现方式有集中式和分布式。工艺设计过程中有调度、设计、精管几个环节，每个环节都是由专人在不同机器上完成，同时根据协同工作的需要，相关信息需要共享，采取一种权衡的分布式系统，即每个代理模块都独立完成任务，将阶段性结果统一上传到服务器管理、组织、存储以方便共享并为确保各环节方案一致性提供基础。
④信息共享。工艺设计方案是协同工作的实体，为各个环节所必须，讨论评审信息也具有参考价值，需要信息共享。
基于以上分析，协同工艺设计系统应从以下几个方面人手。
①系统结构模型。基于以上分析，各个环节需要成为独立的客户代理，所有代理通过lnternet/Intranet与另一地点的服务器进行通信，完成信息汇总，交换和调用等活动，如图1所示FixJigCAPP系统模型。多代理构成协同研制系统的决策群，通过网络进行的决策活动可以由多人协作或单人进行。设计活动在工装工艺知识库的支持下进行。工装工艺知识是工艺设计人员的各种设计经验经过不断地归纳总结抽象而形成的计算机化的工艺设计规范和准则。
图1 FixJigCAPP系统模型
②信息组织模型。Fix,TigCAPP系统下的信息模型包括产品结构模型，工艺模型，任务分派模型，工作流程数据模型和生产任务管理模型。由于后三种模型在协同工作中至关重要，故将在工作流管理模型中详细论述。产品结构模型包含了工装产品整体及琴组件和零件的工艺设计信息，如图2所示产品结构模型是以工装产品为根节点，以组件和零件为子结点的树状结构形式。产品节点、组件节点和零件节点分别包含其对应的属性和表明其所属产品结构关系的数据，以零件节点为例，在图2中可以看出，零件节点数据模型分为两大部分:所属产品结构关系信息和工艺信息，而工艺信息又包含:任务信息，工艺模型。同时设计过程中的零部件修改记录需要备份，因此节点关联着其历史版本，以便实现历史过程存储的管理。
图2 协同工艺设计系统的产品数据模型
工艺模型是FixCAPP系统中设计的工艺数据模型，是从多种工艺表单中抽象出来的数据项目的集合，包含产品图号、数量、材料牌号、单件毛坯规格、工序、工步、加工说明等工艺设计必须的项目。
通过工艺模型可以实现工艺数据和工艺表单样式的分离，避免工艺表单样式变化引起的工艺数据重复填写。
③协同工具。根据实际工艺设计工作的需要，结合计算机支持的协同工作理论，将协同工具分为以下几类:分布式异步系统的电子邮件，本地异步系统的电子公告消息和实时通信消息。这三类协同工具分别满足不同用户的不同要求。
2工作流管理
在飞机工装工艺设计的实际工作中需要涉及到调度，工艺设计，精管几个环节，工艺人员之间业务关系的协同和管理是协同工作的一个重要内容，这与产品结构设计中产品数据间存在规范的约束关系的情况不太相同。在FixJigCAPP系统中引人工作流管理的机制，实现对工装工艺协同设计过程中任务分派，工作流程和工作过程数据存储的管理。
2.1任务分派
飞机工装工艺设计过程中进行任务分派属于调度和精管部门的主要职责。一般来说，目前航空企业多为总工艺师负责工艺设计任务分解，精管部门人员进行生产任务分解，并通过发送任务指派书的形式分配工作。合理的任务分配方案能够较好的实现工艺设计工作的高效协作，同时，也能够保证工装工艺设计具有较高的质量。清晰地展现工艺设计人员和工装生产的状态，是确定合理任务分配方案的前提和基础，因此，这就需要飞机工装协同设计的任务分派数据模型涵盖全面，指向准确。
在FixJigCAPP系统中任务分派的数据模型是任务指派书的数据抽象，主要包括以下几个方面:工作目标、工作阶段、执行部门、负责人、权职、预计开始时间、预计完成时间、实际开始时间、实际完成时间、工作状态和评审状态等。如图3所示为任务分派过程及其数据模型。任务根据工作情况可以进行并行工作也可以进行串行工作。
图3 FixJigCAPP系统的任务分派过程及其数据模型
2.2工艺签署工作流程
工装的工艺设计过程兼顾串行和并行工作模式。如图4所示，任务下达到工艺设计部门，首先由调度室进行任务分派，将分解的设计任务下达到工艺室，工艺方案编制完成之后进行校对，如校对有误则返回编制，否则进行工艺流程审核签署，如发现工艺方案存在不合理的地方，则同理返回，否则转交精管室进行定额，如工艺设计所提出要求与实际生产情况冲突，则返回调整，最终确认无误时，方案才能批准。
为按以上顺序进行工作，需要设计工作流模型。工作流的定义以工作结点为基础，通过消息驱动进行工作流控制。工作结点的结构如下:工作目标，前驱工作，允许工作标志位，后继工作，完成标志位，准前驱工作。
图4 工艺部署工作流程
3协同工艺知识库
工艺设计是一种典型的知识密集型活动，协同过程中，冲突往往也是通过运用知识得以解决。CAPP要求工艺知识库可以提供基础工艺设计信息检索，包括代替手工查阅工艺手册、资源数据和既有工艺设计实例，同时要求可以辅助工艺决策。
FixJigCAPP系统的知识库分为两类:领域库和规则库。
3.1领域库
领域知识，包括工装工艺设计手册，标准化工艺数据和资源数据等;领域库主要包括机床库、刀具库、量具库、夹具库、辅具库、加工余量库、切削用量库、基本工艺词汇库和标准工艺库;其中机床、刀具、量具、夹具、辅具等源数据具有似的属性，经过属性分解和归类可以将以上资源数据模型的结构关系设计如图5所示。此外，基本工艺词汇库的数据成员相对简单，词汇间基本体现为组间的从属关系;标准工艺库是相对完整的工艺过程记述，因此只需在基础模型上增加工艺模型。
图5 工装工艺领域库关系图
3.2规则库
规则库包括加工方法选择，机床、刀具、量具、夹具的选择规则等经验性规则，过程性算法，及工艺过程的决策等。规则库是协同工作中基于规则的冲突解决的基础，其决策机制可以借鉴专家系统的Agent工作方式，设置代理进行自动或半自动化的决策判断。运用产生式的规则来进行推理沦证从而进行决断是行之有效和普遍采用的方法，而且切合工装工艺设计的具体情况产生式规则可以形式的表示为下面的形式: 行为。
在自动决策的方式下，调用类对象的决策成员函数，并输人前件，函数进行推理判断，返回推理后件或后件组合编号。而后根据编号访问规则库中相应的规则类对象内容。然而，当自动决策困难时，可以采用人机交互的方式进行半自动化决策，即提供人为选择交互接口，通过人工选择进行决策。
工艺知识库和数据库系统一样提供检索、增添、删除、修改等功能。根据使用权限划分为管理员和用户两种角色，管理员角色具有管理、维护权限，包括工艺知识的增添、删除、修改，普通用户角色仅具有检索权限。
4系统实现
在以上理论研究的基础上，开发了飞机制造工装协同工艺设计系统-FixJigCAPP。它主要包括工艺模型编制、工艺表单样式定制及生成、工作流管理，工艺知识库维护和使用等功能。FixJi邪APP系统界面图略。
5结束语
本文将计算机支持的协同工作机制同飞机工装工艺设计的实际问题相结合，在计算机辅助工装工艺规划系统FixCAPP基础上进行支持协同工作模式的改进研究，建立了FixJigCAPP系统的结构模型信息组织模型，讨论了工装工艺设计的工作流管理方法，分析并详细设计了工装工艺知识库的实现方案。群体决策组通过协同工具进行任务分配，进行评审和监督，共享信息，在预定义工作流的控制下协同工作，进而保证了设计方案的可行、优化和一致。(end)
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(8/31/2008) |
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