网络协同工艺设计系统研究与实现

作者：汪惠芬 刘婷婷 张友良

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 随着全球市场竞争的日益激烈，产品的生产模式由少品种、大批量逐步转变为多品种、变批量，产品的设计制造过程也由一个企业独自完成发展到多个具有互补性企业之间的强强联合，地理位置已不再成为一种障碍，竞争者可以在世界范围内制造和销售产品。因此，网络化制造、网络企业联盟必将成为未来制造业的模式。 产品工艺设计是一个将产品结构设计数据转换成面向制造的指令性数据的重要环节，它起到了承上启下的桥梁作用，连接设计、制造及生产管理。在网络化制造模式下，产品的设计、加工、组装和总装均可能由多个企业合作完成，甚至同一个零件不同工序的加工也可能在不同企业进行。由于各企业在资源条件、加工能力、技术水平等方面均存在差异，加工、装配工艺的合理与否将受到多种因素的影响，因此，如何利用网络资源，实施跨平台、跨地域的协同工艺设计，逐步受到学术界和工业界的关注。 许多学者研究了支持网络化制造的CAPP系统关键技术。Tu等提出T面向虚拟。KP( One of a Kind Production)的企业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3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。东南大学的倪中华等对敏捷制造模式下面向快速重组制造系统的CAPP原型系统和网络制造模式下的CAPP技术进行了研究。天津大学张冠伟等提出了一个分布式网络CAPP系统结构，并研究了基于Web的工艺数据查询的实现方法。浙江大学的陈沛帅等通过构建1VET-CAPP原型系统，提出一个基于COBBA，适合于网络化制造的分布式体系结构，分析了企业制造能力与评枯、合作企业选择与评价及基于XML的产品工艺流程表达等关键技术。华中科技大学的黄欣等提出了基于B/S结构的CAPP系统框架，并深人探讨了实现网络制造的CAPP系统的一些关键技术。总的来说，现有研究大多侧重于体系结构或某些关键技术，且由于现实中可能出现的多种因素在研究中不可能考虑周全，因而大多数原型系统仅限于验证而鲜见已得到很好应用。 文中结合自主开发的网络化制造平台eCWS,提出了一个基于多Agent的网络协同工艺设计系统架构，研究了协作企亚共享资源的分类、建模方法，以及支持协同工艺设计的分层决策机制，开发了协同工艺设计系统。CAPP，能够支持异地设计人员进行实时网络协同工艺设计。 1.网络协同工艺设计系统体系结构 1.1网络协同工艺设计需求 传统的产品开发通常是由一个企业独立完成，其工作流程如图1所示。各个环节之间的反馈都是在企业内部进行，当设计人员对本企业所具备的加工能力、设备人员情况有足够的了解，且企业内信息共享较为通畅时，这种反复设计就能得到控制，并逐步减少。 网络化制造环境中的协同工艺设计是由多个时间上分离、空间上分布而工作又相互依赖的协作成员利用计算机技术、多媒体技术和网络通讯技术在共享环境下完成的，要求来自于不同企业的工艺设计人员对其它企业的生产能力都了如指掌几乎是不可能的，如果仍然采用传统的方式进行工艺设计，势必会造成多次反复，特别是当某个企业出现特殊情况(如设备故障、人员变更等)，却又无法获知时，将影响到产品的质量和总体进度。因此，为了更快更好地完成产品工艺设计，并减少加工、装配中的反复，对作为设计、制造上下游信息传递中介的协同工艺设计系统提出了以下更高的要求: (1)分布性:系统应具有一定的分布处理能力，能支持异翅协同人员共同进行工艺设计，并保证工艺设计的一致性; (2)实时性:系统能根据协同设计人员的需求支持各种杖同方式，尤其能实现实时异地协同设计; (3)动态性:参加协同的企业、人员及其所能提供的资源IF息等都是动态变化的，系统应及时更新相关信息，并为之提傅相应的协同支待工具; (4)开放性:系统应具有时间和空间上的开放性，既能随着时间的推移适应新的软硬件环境，能在同构或异构的平台上运行，还能适应用户的需求变化，进行功能的扩展和更新; (5)智能性:系统应具有一定的智能决策能力，辅助协同设计人员进行工艺设计，进而提高工作效率，加快工艺设计的速度; (6)安全性:针对不同的对象和不同的用户应定义不同访问权限，保证企业共享资源的安全性、一致性。 1.2网络协同工艺设计系统体系结构 针对网络协同工艺设计的特点和要求，基于已构建的网络协同工作平台eCWS，提出了一个具有分布式、可视化、支持多学科人员在网上开展异地协同工作的协同工艺设计系统eCAPP，其体系结构如图2所示。系统共分为3层: (1)客户层。客户层为设计人员提供了一致的Web界面，可实现跨平台的工作，用户可根据需要下载所需的应用程序和协同服务工具组件。它既是用户输入数据的接收器，又是设计模型、设计数据输出器。客户端设计人员根据所担任的角色，应用e-CAPP的相应模块完成设计任务。 (2)功能层。功能层是完成协同产品L艺设计、控制系统协调有序运行的核心，宾要包括工艺设计应用和网络协同环境。 工艺设计应用包括企业资源信息维护和应用功能集两个方面，其中企业资源信息维护是工艺设计的基础，主要包括资源分类、资源建模、资源管理、资源搜索等一系列底层的基础工作。应用功能集是在协同环境中完成的各种工艺设计应用，可以为产品的装配工艺设计和加工工艺设计提供各种工具，主要包括产品工艺设计(如:典型工艺搜索、加工任务分组、加工方案选择、加工方法排序、工序详细设计等)和工艺文件生成与管理等模块。 网络协同以分布式协同过程管理和网络安全为保障，对产品的工艺设计过程进行设计、规划、管理和监控，使分布在各地、不同部门、不同专业背景的人员可以对同一个产品工艺设计任务协同工作，保证来白异地、不同企业的资源信息被安全地访问，实现工艺设计信息的交流和共享。主要的协同工具包括:协同批注、群评价、群表决、共享白板、文件传输等。 (3)数据层。数据层是完成协同产品工艺设计的基础支撑，用于管理和维护工艺设计所需的产品数据、协作企业共享资源信息，以及系统运行所需的用户、密钥、会议、知识、方法等信息。产品数据是进行工艺设计的基础，它描述了被设计产品的结构配置、组织结构、零件的几何信息及工艺要求等。协作企业共享资源信息是组织和引导工艺设计的关键，它描述了可能参与产品制造的协作企业所提供的共享资源信息，为协同设计人员提供支持。 1.3网络协同工艺设计系统功能 e-CAPP系统主要由企业资源信息维护、产品工艺设计、工艺文件生成管理及数据库、知识库管理等功能模块及若干子模块组成，其详细框图如图3所示。 (1)企业资源信息维护模块是系统的基础。协作企业所能提供的共享资源信息是进行协同工艺设计的重要依据，该模块可以支持各企业对其所能提供的共享资源进行分类定义、模型定义、分类配置、模型配置，以及资源信息的初始化、动态更新和卸载。 (2)产品工艺设计模块是系统的控制指挥中心。该模块以产品信息为基础，在数据库和知识库的支持下，按一定的推理逻辑或人机交互方法进行有关工艺方案、工艺路线和工艺参数的设计、决策、选择，生成零件的有关工艺规程，并将所有信息存人相应数据库。 (3)工艺文件生成与管理模块是系统的主要输出模块。在数据库支持下，通过人机交互的方式将工艺设计模块产生的零件工艺规程按照企业特定的工艺文件格式快速生成各种工艺文件，并可进行编辑、修改、保存和打印输出等。 (4)数据库、知识库管理模块是系统的重要支撑工具。该模块对所有的产品数据信息及协作企业共享资源信息进行组织和管理，使这此信息便于使用、扩充和动态维护，防止数据的意外丢失和破坏。 2协作企业共享资源分类与建模 在网络化制造模式下，企业寻找协作伙伴时既要根据各企业的资源情况确定该企业是否有参与协作的资格，又要针对某一具体产品的最佳协作企业选择资源。为此，首先必须解决的问题是如何及时获取各协作企业可以提供的资源信息，包括可提供的资源类型、能力、当前状态、可用周期、使用费用等。该文针对协同工艺设计过程涉及的资源信息，研究资源的分类与建模方法，并开发企业资源信息维护模块，作为e-CAPP系统的重要组成部分。 由于不同企业对各类资源的描述方式不尽相同，因此，首先要对协同工艺设计中可能用到的各类资源进行统一的分类和建模，并提供信息输人、输出接口，以及动态重组、扩展和同步更新的机制。当协同设计小组成立后，由各协作企业根据其可提供的资源情况进行初始化设置，对资源的分类和模型进行定义或扩展，然后导人相关信息，若协作单位愿意，可建立数据联动机制，一与该企业内部资源库形成同步更新。协作结束后，企业可根据需要，将本企业资源数据继续保留在系统中供下次协作使用或从系统中卸载。 2.1协作企业共享资源分类 根据面向对象的思想，在分析协同工艺设计需求基础上，将协同设计制造中可能用到的资源划分为7个大类若干子类，具体分类如下: (1)产品:指协作企业可以提供的各类产品，包括标准件、通用件、专用产品及定制产品等，可以是零件也可以是部件; (2)人员:指协作企业可以参与协同工艺设计和产品加工、装配的人员，包括管理人员、资深专家、结构设计人员、工艺设计人员及操作人员等; (3)设备:指协作企业可以提供服务的在车间层执行具体处理功能的各类设备，包括加工、检测、热处理、装配及其它辅助设备等; (4)辅助工具:指协作企业产品加工、装配中可用的各类辅助工其，包括各类刀具、夹具、量具、模具及其它特殊工具; (5)设计工具:指协作企业参与协同工艺设计人员所使用的设计方法和工具软件等，包括设计方法、加工方法、装配方法，以及设计、分析、仿真、编程及管理等各种工具软件; (6)设计知识:指协同工艺设计过程中所需要的各类设计知识，包括设计标准、设计手册、设计规则及典型工艺等; (7)其它:指协作企业可供协同工艺设计使用的不属于上述类型的所有资源的集合，如材料、毛坯及信息等，可根据企业实际情况进行扩充。 根据上述分类，建立了如图4所示的多层资源对象分类，由于篇幅有限，仅将所有大类分解到第二级。在系统运行过程中，用户可以根据协同需要对资源分类进行扩展，利用系统提供的分类定义模块完成新的资源分类定义，以供后续实例化使用。 2. 2资源对象模型 资源的建模方法以数据库为基础，包括面向过程的建模、面向数据的建模、面向信息的建模、面向决策的建模和面向对象的建模等。为了保证资源模型的可重组性和可扩展性，采用面向对象的建模方法建立协作企业共享资源模型。如图5所示为企业共享资源的对象模型，由于协作企业所能提供的共享资源种类繁多，各子类分解层次参差不齐，且能够在系统运行过程中进行扩展，因此图中仅给出了第一层分类的部分属性和方法，根据同样方法可以建立各层分类的详细对象模型。 利用共享资源的对象模型，协作企业的用户可以通过模型中的这些类来查询或维护这些共享资源，同时，可以按一定的转化规则完成数据库表的设计，并用以指导数据管理系统的开发，进而为产品的协同设计制造提供有力的支持。 以工序详细设计中设备的选择为例，在协同工艺设计过程中，如果设计人员需要查询有哪些企业能够完成所设计零件的加工任务，使用哪类设备，配备何种辅助工具和哪个操作工人等，那么根据上述对象模型，系统除了能给出符合条件的多个配置方案以外，还能实时提供各种配置可提供服务的时间段，以及与之相关的所有信息，因而有利于编排更合理的工艺。 3分层决策策略与数据管理 3.1分层工艺决策策略 产品的工艺设计包括装配工艺的设计与加工工艺的设计，两者侧重点略有不同，且存在相互关联。装配工艺设计不合理，可能会导致加工要求提高，从而影响加工的工艺、成本、时间等;而加工工艺设计不合理将可能造成加工结果不能满足装配的需要，从而影响装配精度和产品性能。 在整个产品的工艺设计过程中，并不是每一阶段每一时刻都需要协同，而不同阶段参与协同的人员也是不同的。据此，将产品的协同工艺设计分为3个层次: (1)顶层工艺方案设计:产品的设计通常采用自顶向下的设计方法，这一层次的协同工艺设计侧重于产品、部件的装配工艺方案，通过设计和分析，完成装配序列设计与优化、装配路径规划、装配尺寸链分析、装配公差分配等，为产品、部件的装配过程，以及下层的零件加工工艺设计提供依据。这一层次的协同采用基于经验和仿真的方法实现，通常由产品研发人员和装配设计人员参与，必要时可邀请加工工艺人员参加，协作成员企业仅需提供其与产品研发和装配能力等相关的资源信息。 (2)中间层工艺路线制定:这一层次的协同工艺设计侧重于某一零件的加工工艺路线，通过设计、分析和优化，形成若干可选的零件加工工艺路线，为工序详细设计及实际生产过程中的工艺变更和生产调度提供依据。这一层次的协同采用基于实例和推理的方法实现，通常由零件结构设计人员、工艺人员和制造人员共同参与，协作成员企业须提供其典型零件加工工艺及与之相关的资源信息。 (3)底层工序详细设计:这一层次的协同工艺设计通常在企业内不同部门进行，偶尔也会在企业间进行，其侧重点是某一零件某一道工序的详细设计，通过设计和分析，确定完成该工序所需的具体加工设备、辅助工具、加工参数及操作人员等，可能的话完成加工程序编制，从而用以指导实际的生产过程。这一层次的协同采用基于数据和知识的方法实现，通常由零件结构设计人员、工艺人员参与，必要时可邀请生产管理人员参加，协作成员企业须提供详细的加工资源信息。 在e-CAPP系统中，工艺决策是在推理机的协助下，通过人机交互的方式实现。推理机规定了如何根据系统环境的当前条件(即当前层次的工艺设计要求)调用相应的模块或函数，以及如何从工艺数据、知识库中选用适当的数据或知识来进行工艺设计。 为了能在较短的时间内搜索到能启用的规则，简化工艺设计过程知识库的结构与管理.在e-LAPP系统中根据不同层次不同阶段所完成设计任务的不同，采用分层规划与子任务分解相结合的推理决策策略(如图6所示)，把复杂的工艺决策过程分别用3个推理机完成:推理机1完成基于产品特征的装配工艺决策，推理机2完成基于零件特征的加工工艺决策，推理机3完成基于知识的工艺决策及工序详细设计优化决策等。每个推理机又划分为若于个子任务，每个子任务还可以再细分为若干个子任务。各推理机的推理决策算法将另文详述。 在协同工艺设计过程中，系统根据当前设计对象的信息调用相应子推理机，在推理机的控制和设计导航系统的引导下，结合人机交互按一定的工作流程执行各个子任务。对应于各子任务的有关函数被执行，有关规则被依次调人或被清除出内存，直到整个任务完成为止。各子任务的推理、设计或计算结果均被依次记录下来，并依次填人工艺规程动态数据结构，最后形成工艺文件。 3.2分层数据管理 利用e-CAPP系统进行协同工艺设计时，一方面要利用系统中存储的各类数据与知识等信息进行工艺决策，另一方面又要生成零件的工艺过程文件、工序图等众多信息，因此其工作过程实际上是数据与知识的访问、调用、处理和生成的过程。为了满足协同工艺设计的需求，必须对工艺设计所涉及的数据与知识进行管理和维护。 e-CAPP系统数据与知识的管理与系统的决策策略密切相关，根据分层规划与子任务分解推理策略，可将各种数据与知识按子任务分类存储，从而构造出一个层次式数据与知识管理模型(如图7所示)。 根据前文对资源的分类和建立的资源对象模型，完成了各层次数据库表的详细设计，并开发了相应的工艺设计数据与知识管理平台，既便于数据与知识的存储和管理，又便于在工艺决策推理时对它们进行快速访问。 为了满足用户对资源的扩展需求，保证e-CAPP系统的开放性，该平台提供了资源对象模型向数据库表转换的接口模块，用户可以根据环境构成的变化，利用该模块对数据库表及关系进行定制，以存储新增资源的相关信息，也可以利用企业共享资源信息维护模块对工艺数据库、知识库、资源库进行必要的修改和补充。 为了实用和数据安全的需要，在eCWS平台安全服务组件的支持下，根据协同设计过程中各用户的角色，设置其对数据和知识的访问权限，在保证系统使用方便的基础上，最大限度地保证了系统的合理性和安全性。 4 原型系统 在理论研究基础上，基于eCWS网络协同工作平台;以Visual Studio平台为开发工具，采用面向对象的开发方法开发了协同工艺设计系统e-CAPP。为了满足实时协同的需要，提高协同工艺设计的效率，建立了实时通信的平台，并在协同过程中为协同人员提供必要的支持工具，如协同会议、协同评审批注工具、群决策工具等。 利用e-CAPP系统，工艺设计人员可以根据任务要求独立完成所承担的工艺设计工作，也可以根据需要发出协同请求，并拟定参与协同会议人员名单，得到批准后发出会议通知。 启动协同会议后，协同主客户端人员可以充分发挥各自的特长，运用相关工艺设计知识和经验，协同完成对产品工艺的设计，也可以利用相应的支持工具，根据自己的学术特长对产品工艺方案进行评审批注，协同完成对设计方案的分析和优化。 按照上述方式，异地协作人员可以通过网络协同完成对产品工艺的设计、分析与优化。 5 结论 随着计算机技术、通信技术和网络技术的发展，网络化制造将成为虚拟企业的主要生产模式，这种全新的生产模式，对作为设计、生产、管理系统信息传递桥梁的CAPP系统提出了更高更新的要求。 基于网络化制造平台eCPJS构建了一个实时网络协同工艺设计系统e-CAPP，形成了便于群体相互合作的"虚拟同地"的共同工作空间。在该系统的支持下，协同设计人员能够克服时间、空间、计算机软硬件等障碍，围绕一个共同的项目，并行交互地进行工艺设计，包括企业共享资源维护、工艺方案评审、工艺设计与优化等，从而为虚拟企业进行产品开发提供了有力的支持。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/27/2008)