基于知识的CAPP中工艺知识管理与应用策略研究

 引言

CAPP系统的开发和研制是从上世纪06年代末开始的，在制造自动化领域，CAPP的发展是最迟的部分。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统。20世纪80年代以来，国内外在CAPP技术的研究与系统的开发方面主要技术研究成果集中在零件信息描述、工程知识处理、工艺决策专家系统、CAD/CAPP/CAM集成等方面。

当代机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，迫使产品更新周期日益缩短。多品种小批量生产的企业大量增加，制造系统正逐渐从刚性向柔性转变，这要求将计算机贯穿于产品策划、设计、工艺规划、制造与管理的全过程。显然，传统的工艺设计方法已不能满足上述要求。在此情况下，CAPP(Computer Aided process planning)技术的应用和研究应运而生。CAPP系统不但能利用工艺人员的经验知识和各种工艺数据进行科学的决策、自动生成工艺规程，还能自动计算工序尺寸、绘制工序图、选择切削参数和对工艺设计结果进行优化等，从而设计出一致性良好的、高质量的工艺规程。国内的制造业企业，通过学习国外先进的制造工艺和装备技术，已积累了相当丰富的工艺设计知识和大量的制造资源数据，但这些宝贵的工艺知识和制造资源数据，绝大多数都还停留在部分设计人员的脑子里或零散的纸质文件中，不利于企业快速查找和重用这些宝贵的工艺设计知识和制造资源信息，制约了我国制造业的发展速度和管理水平的提升，是一个急待解决的行业共性技术与工艺知识管理问题。本文提出了一个基于知识的CAPP系统，实现了工艺设计全程对工艺知识的快速查找和引用，可以解决上述问题。

1 基于知识的CAPP系统的主要特点

基于知识的CAPP系统采用自顶向下的工艺任务分解、工艺设计到工艺管理的总体解决方案，实现了PDM的过程管理思想与工艺设计领域知识相结合。体现了用户自定义工艺卡片格式、工艺知识、工艺资源的查询和引用、工艺文件图文编辑和数据库关联为主线的工艺设计功能，实现了工艺知识的提取、积累、管理与重用。

在这种系统的辅助下，我们着重解决了企业以下几个方面的问题：首先，使产品零件的数据信息能够利用，并建立零件信息的数据库；其次，使工艺人员的工艺经验、工艺知识能够得到充分的利用和共享；第三，制造资源、工艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库；第四，充分利用典型工艺生成新的工艺。

2 知识库管理策略

在制造企业领域，工艺知识是指工艺设计人员在进行工艺设计过程中所运用的各种数据和现场经验等的集合。它由工艺资源信息、工艺实例、工艺决策知识等构成。本系统根据工艺知识的内涵及制造业行业特点把工艺知识按其分类建立了五个专项知识库。制造工艺资源库、典型零件工艺方案知识库、零件典型工艺知识库、毛坯成型工艺知识库和毛坯图参数模板库(见图1)。各知识库的管理思想均是为了实现制造企业资源、经验、实例、术语和专业知识等的最大限度的共享和重用。下面以典型零件工艺知识库为例介绍工艺知识库的管理模式。我们把零件典型工艺知识库划分为：一般零件典型工艺库和成组复合零件典型工艺库。

图1 基于知识的CAPP系统的体系结构

一般零件典型工艺知识库的初始知来源于使用本CAPP系统前企业积累的工艺知识，由工艺人员对这些工艺知识进行分析并归纳整理出有代表性零件的工艺文件，采用系统提供工艺卡片自定义工具，编辑完成典型零件的工艺文件编辑，经审核后存人典型工艺库中，作为后续新零件工艺设计的参考基础。在知识库建立以后，工艺人员进行新零件的工艺设计时，可迅速查询并根据相似性引用典型工艺进行设计。在典型工艺文件的基础上，可快速派生出新零件的工艺文件，然后在新产生的工艺文件基础上进行修改，以形成完全满足当前零件生产制造要求的工艺文件。对于新产生的工艺文件，如有必要，可以把它申请为典型工艺，在经过审签后存入典型工艺知识库，这样就实现了典型工艺知识库的不断扩充。典型工艺管理模块还提供典型工艺的删除、添加、变更等功能以方便设计人员对典型工艺库进行管理。

成组复合零件典型工艺知识库中的典型工艺是通过成组编码和相似零件族分类工具，按照零件的特征相似性建立复合零件并对其进行典型工艺设计而产生的。在成组复合零件典型工艺设计完成后，提交为典型工艺，经过审签后即作为成组复合零件典型工艺保存在典型工艺知识库中。知识库建立后，当工艺人员设计新的零件工艺时，可以先根据零件属性特征建立该零件的成组编码，经相似特征矩阵查询，根据一定的相似推理规则找到该零件所隶属的相似零件族，由复合零件典型工艺派生出新零件工艺，然后修改工艺直至完全符合新零件制造的要求。

3 工艺方案设计中工艺知识应用策略

工艺方案是工艺准备工作的总纲，是工艺规程设计和关键工艺装备设计的指导文件。零件的工艺方案设计是指工艺人员制定方案以决定零件由毛坯到成品所应经历的加工过程。本文对工艺方案决策提出的解决方案是基于知识和实例的工艺方案设计策略。实现框图如图2所示，其流程如下：系统从PDM系统得到产品设计输出的零件图，由工艺师对零件图进行分析，得到其特征信息描述，再通过工艺特征信息检索，得到零件工艺特征信息，根据零件工艺特征信息，进行相似特征矩阵检索，得到零件的相似特征矩阵。从基于特征分类的典型零件工艺方案实例库中依照相似性推理规则检索相似性大于80%的工艺方案，派生出新零件的工艺方案，调用零件工艺方案编辑器对已派生的工艺方案进行编辑。在工艺方案编辑过程中，工艺人员可以随时根据需要从工艺资源库检索引用有用的资源。

图2 工艺方案设计

4 工艺设计中的工艺知识应用策略

在基于知识CAPP系统中，零部件的工艺设计是整个系统的核心。它的主要特点在于：在基于知识的工艺设计中，工艺设计人员可以查询和引用工艺知识库中的各种工艺知识，为当前的工艺设计服务。如图3所示，基于知识的工艺设计通过两种途径产生工艺文件。

 
图3 两种零件工艺设计流程

(1)零件的毛坯图设计，即通过快速查询引用毛坯参数库中的毛坯参数，在工序简图参数化设计环境(即AutoCAD)中参数化生成毛坯图和毛坯工序简图并对生成的毛坯图/工序简图进行编辑，直至满足新零件毛坯图工艺参数要求。在毛坯图的参数化设计和编辑过程中，工艺设计人员可以快速查询和引用毛坯成型工艺知识库中的工艺知识，以辅助毛坯图/工序简图的参数化编辑。零件毛坯图设计最终产生毛坯图、工序简图等工艺文件，审签通过后，归档并发放到相关制造部门。对于不符合要求的毛坯图、工序简图等工艺文件打回到编辑环境重新编辑，直至审签合格。

(2)零件的工艺设计。在零件工艺设计过程中，对于全新零件工艺设计，企业可以根据本企业的特点，利用本系统提供的工艺模板编辑工具，自定义出通用的工艺设计模板。在工艺设计时，工艺人员可引用工艺模板后进行工艺设计。这样有利于促进企业提高工艺文件的规范性和统一性。

对于典型零件的工艺设计，工艺师可从典型工艺知识库中快速查询并引用适用的典型工艺。对于形状或工艺属性具有标准性的零件工艺设计时，工艺人员可根据相似性推理规则在系统中通过成组编码查询相似零件引用典型工艺。在典型工艺引用后再进行编辑，即派生出了新零件的工艺文件。

5 结论

工艺知识是工艺设计的基础，对工艺知识的管理有利于企业工艺知识和经验的积累和工艺优化。在系统的应用过程中，知识库可以根据企业的实际情况修改、增删，提高了CAPP系统对不同制造环境的适应能力(即柔性)。随着技术的进步、设备的更新和知识的积累，不断丰富和修改知识库，从而不断完善系统的性能。

目前，文中提出的知识管理与应用策略已经在某CAPP系统中实现，通过在西南地区3家制造企业中的实际应用，收到很好的反响，基本上取得了预期的效果。基于知识的CAPP系统大大提高了工艺设计知识的共享和重用程度，使工艺设计人员能够摆脱大量而繁琐的重复劳动，将主要精力转向新产品、新工艺、新装备和新技术的研究与开发。同时也提高了产品工的继承性，最大限度地利用现有资源，降低了生产成本。