面向制造执行的工艺过程模型与工艺设计技术

随着信息技术的发展和制造业信息化工程实施的深入，企业对计算机辅助工艺过程设计(Computer aided Process Planning CAPP)系统的全局优化能力及柔性应用要求越来越高,无论是手工编制工艺还是采用传统CAPP系统，在工艺设计阶段生成的是单一、刚性的工艺路线，由于未能有效地考虑车间设备瓶颈、材料短缺、其他任务占用及设备故障等随机动态情况，将造成加工等待，甚至无法加工，使工艺路线不得不重新修改或使某些资源重复选用，而另外一些资源却很少利用，因此，缺乏柔性的工艺难以支持生产调度系统做出全局优化的加工进度安排和作业调度。

为解决上述问题，企业需建立适合制造企业实际情况的集成化CAPP系统，要求CAPP不仅要实现产品零部件工艺过程的设计，同时要实现柔性的工艺表达、相关零件和工艺信息的查询、统计和修改，以保证数据的一致性和更改的灵活性，满足工艺信息管理的集成性要求。集成化的CAPP系统不仅可把工艺设计人员及工艺管理人员从大量的重复劳动中解放出来，还可通过与其它单元技术如企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning ERP)和制造执行系统(Manufacturing Execution Systems MES)等实现信息集成，避免零部件及其工艺信息多次在工艺及制造执行系统中输人而可能产生的信息错误，从而实现工艺与设计，工艺与制造的全面集成。

本文提出了一种面向制造执行的工艺过程模型，以该模型为核心，建立了集工艺设计与工艺管理为一体的面向产品及管理的制造工艺信息集成系统，系统综合检索、变异和实例推理等混合决策技术，覆盖企业中典型零部件的工艺设计，实现了工艺设计与工艺管理的计算机化和信息化，同时实现产品工艺信息与MES系统的全面集成。

工艺过程模型的建立及表达方法针对企业信息化发展的实际需求，本文以过程集成为中心提出面向制造执行的工艺过程模型，本模型通过多工艺路线的可视化表达与统一工艺过程信息来解决MES车间柔性调度及CAPP与MES工艺过程信息表达不一致等集成问题。面向制造执行的工艺过程模型与CAPP、ERP和MES等系统间的关系如图1所示。

1. 1零件加工的多工艺路线

在生产实际中，一个零件的加工常常可以通过多种工艺过程实现，即1个零件可以有多条加工工艺路线。多工艺路线的不同之处在于工序数量的不同、工序顺序的不同以及加工资源的可替换性等等。事实上，多工艺路线是零件加工的一个本质特征，但目前常用的CAPP系统很少考虑到多种可行工艺路线的生成，对于每一个加工零件只提供单一的加工工艺路线，产生工艺路线的方法未考虑设备故障、生产任务堵塞等动态因素，较好的情况是仅考虑了部分生产调度的静态因素，很大程度上限制了零件工艺表达的柔性，因此如何建立灵活关联的零件多工艺路线以满足加工车间生产调度的柔性是解决CAPP/MES全面集成的关键。本文提出了基于工艺过程模型的工艺设计方法，实现了在CAPP中多工艺路线自由设计的同时满足MES的车间柔性调度。

1. 2统一工艺过程信息

许多制造工程和企业应用软件都要使用过程模型，包括生产调度、工艺规划、工作流、企业经营过程重组、仿真、过程建模和项目管理，其中的每一个应用都有其相应的表达过程模型的方法，在开发一种用于交换过程信息的标准时，遇到的主要困难是些不同的应用过程赋予相同术语的意思各不相同。因此，如何解决过程信息集成是产品数据集成问题之后面临的又一难题，本文提出的统一工艺过程信息主要从以下3个方面出发。

1) 充分的产品工艺数据

充分的产品工艺数据是保证工艺信息管理取得良好实际使用效果的前提。CAPP系统不仅要实现零部件工艺方法的设计，同时要生成与零部件工艺过程相关的大量工艺数据，保证产品工艺数据的完整性，是实现产品工艺信息集成与共享的必要条件。

2)工艺数据的结构化表达

过程信息的结构化表达程度是衡量企业信息化实施成功与否的指标之一。CAPP系统在进行大量工艺数据设计与管理的同时，又要考虑到与其他单元技术的过程数据集成，数据表达的结构化是保证CAPP/MES全面集成的基本要素。

3)工艺数据的一致性

为了便于工艺数据的维护，避免在多个系统中进行工艺数据的重复修改，造成数据维护的混乱，工艺基础数据的统一维护及各个系统间工艺数据的一致性是解决此问题的关键因素。

2多工艺路线的表达及其建立方法

2. 1多工艺路线表达中注意的问题

传统的CAPP系统的功能是为每个待加工零件生成一个优化的加工工艺路线，在实际制造系统中实施时往往出现问题，因此在进行多工艺路线表达时要充分考虑以下问题。

1)工艺路线优化需针对同一批多种零件，以促进生产计划及调度系统(PPS) (Production Planping and Scheduling)的全局优化。

2)充分考虑零件工艺路线中与工序顺序无关及可替代工序等车间调度静态因素，确保车间调度的柔性与零件加工的最优化。

3)生成加工工艺时应考虑车间层资源的使用瓶颈和随机故障等动态状况，避免造成加工等待，甚至无法加工等情况。

设计和开发可生成多工艺路线的CAPP系统是实现工艺设计与生产规划功能集成、解决工艺计划与实际生产脱节问题的有效途径。因此也是当前的研究热点。

2.2多工艺路线中工序关系的表达方法

2.2.1固定加工顺序表达法

通常生产调度中存在的多条工艺路线是相互独立的，彼此之间没有加工上的逻辑关系，仅作为加工生产中主要工艺路线的候补工艺，使用的零件工艺文件格式见图2。

图2 固定加工顺序的工艺文件格式

该方法的优点是表达方式简单明了，缺点是限制了加工的自由度及柔性，使得加工只能严格按给定的工艺顺序进行，从而限制了柔性加工系统最优指标的实现，该方法对单机加工或JO&SHOP生产较合适。

2.2.2与或工序的描述

为了适应生产调度柔性的特点，零件工艺描述必须既能反映零件的所有加工特征，又能反映出加工工序之间的约束关系，同时还能表示出加工工序的可替代性。本文采用多工艺网络图来表达零件工序间的约束关系，图3所示为一典型阶梯轴零件的示意图，分析零件的所有加工特征，可以总结出各工序加工的约束关系，并绘制出典型轴零件的多工艺网络图，如图4所示。

图4 多工艺线路模型

图4中，长方框表示工序节点，其中C1004或X2073表示所使用的机床设备的编码，车间调度时可任意选择工序节点下的一个设备作为加工设备，以避免资源瓶颈和随机故障造成的加工等待，从而增加车间调度的柔性及加工效率;圆圈节点表示工序的关系，可以是"与"关系(And)，表示一条工艺路线中可并行进行的工序，这些工序前后顺序可调，也可同时加工."或"关系(}r)表示可行的工艺路线及工序，可选择任意一条作为加工路线的工序。"合并"(Join)代表上个与或关系的结点，用来标识工序关系的结束;箭头线表示工序间的相邻关系，可以根据箭头线确定工序的前道工序与后道工序。

这里提出的零件多工艺路线仅提供零件的工序、可替代工序及工序加工顺序之间的约束关系，至于实际生产中具体选择什么样的加工顺序、每道工序中选择哪一个可替代工序则完全由实际生产中的资源状态、零件本身的加工情况以及用户的具体要求进行选择，零件的具体加工工艺路线不需要事先确定，待零件加工完成后才确定具体的工艺路线，并且相同类型的零件可能有不同的工艺路线，零件的具体加工工艺是在实际加工中根据系统的状态及加工性能指标动态重组而成。

多工艺路线网络图可清楚地反映出各个工艺路线及其之间的关系，通过网络图可以全面地表达制造信息模型中多工艺路线的逻辑顺序关系，解决了生产计划与调度的实际应用问题，为CAPP/MES的全面集成奠定了坚实的技术基础。

2. 3多工艺路线的建立与表达

过程建模是一个领域专家对其熟悉的过程或系统的运行知识确切清楚的描述。它可以是以过程为中心的视图，着眼于过程的出现及其次序，有时，为了便于组织场景的描述，还采用以对象为中心的视图，它更集中注意于参与活动的对象。过程建模是结构化建模的主要技术，通过过程模型的建立，明确回答系统要"怎么做"。为了解决不同系统中对于工艺过程信息表达术语不一致的问题，采用过程规范语言(Process Specification Language)来统一过程信息的术语，力求实现不同系统间的过程信息集成。

2.3.1过程规范语言

过程规范语言(PSL)是美国国家标准技术研究所(NIST)在综合以前26种过程描述语言的基础上，提出了基于本体论的新一代过程描述规范语言，主要是为了解决应用软件沟通和"信息孤岛"问题，PSL的目的就是为过程的描述创造一种标准的建模语言，从而为在制造全生命周期中的多个与具体应用相关过程的集成建立一种中间的描述语言。PSL采用知识交换格(Knowledge Interchange Format KIF)中性文件作为信息传递媒介，并且已经发布了用XML语言的PSL文本，对研究和建立过程描述模型有重要的指导作用.

2. 3.2过程信息模型的建立与多工艺路线的表达

基于PSL的规范性，本文在PSL基础上对产品的过程信息模型进行定义。对于生产过程中的每一个活动Activity(即图3中每个结点所代表的工序)，过程信息包括活动的基本属性信息和关联信息，基本属性信息是指不与其他活动干涉的活动本身的属性信息;关联信息是指为了定位活动本身在工艺路线中的位置及活动间的关系而必需的属性信息，例如工序间的逻辑关系和加工顺序等，如图5所示。

图5 单个加工活动的工艺过程信息模型

由图5可以看出，单个加工活动的工艺过程信息模型由基本属性信息及顺序关系、逻辑关系、资源选择和物料表达等4个关联信息组成，通过5个部分的信息描述可以完整表达工艺路线中单个加工活动的工艺过程信息，下面就每个部分所描述的加工活动信息从不同侧面加以分析。

模型的基本属性，包括活动的ID、名称、类型及加工时间等静态属性信息，旨在描述工序活动的基本内容，指导车间的正常生产加工。资源主要指工序中为了完成加工所需要的设备和工装，采用可替代资源(Replace)的方法来解决车间资源的优化调度与资源瓶颈问题。

工序间的顺序关系，旨在解决工艺路线中每道工序加工先后的顺序问题。通过关键字After, Before来定义本工序的紧前工序和紧后工序，便于计算机的自动识别及智能化生产。

工序间的逻辑关系分为And Or Join 3种逻辑表达方式，代表可替换工序、工序顺序无关及工序关系合并点，可以满足零件的多加工路线表达，实现车间调度系统的最优化调度与生产。

复杂加工件的物料表达。对于某些复杂加工件来说，传统的工艺设计系统会通过在工序内容中添加说明文字来指导车间工艺员的生产，生产中必须有人的手工千预才能完成零件的加工生产，大大影响生产的效率。本文通过输人物料、输出物料、物料间的动作及动作类型来描述零件的工序内容，如图6为焊接件加工的物料表达方法。

图6 焊接件加工物料表达方法

图6中，输入物料即待加工的零件物料为焊接部件1和焊接部件2，输出物料即加工后生成的零件为焊接部件3,输人物料通过物料间的动作(即焊接，在焊接件的基本属性中会列出)转变成为输出物料，由此整个焊接件的加工过程可以用计算机结构化地表达出来，解决了传统CAPP系统只能用文字描述复杂件加工方法的难题。

3多工艺路线模型在CAPP中的实现

3.1系统功能结构模型

作者所在课题组针对某企业的需求，在PDM平台下开发了面向制造执行的工艺设计与管理系统(Integrated Process Planning and Management，简称IPPM)，根据企业工艺系统工艺设计与管理的业务流程，整个工艺设计与管理系统是在企业局域网的网络环境下，以多用户客户/服务器模式运行。

图7 工艺设计与管理系统框架图

系统的工艺处工艺分系统是以BOM的形式来对产品进行数据管理，企业的工艺处工艺分系统接收设计所的产品设计f30M及设计信息，在此基础上进行相应的工艺计划分工后，零件的设计信息及分工信息下发到车间工艺分系统，进行工艺规程的编制与信息的输出，实现与MES系统的集成。

3. 2多工艺路线在IPPM中的实现

本文阐述的基于工艺过程信息模型的多工艺路线表达方法，同时用工艺设计与管理系统IPPM的工艺规程编制模块进行模型的可视化及与MES集成实例化验证，图8为多工艺路线的树结构表达，可以直观地看到多工艺路线包含的所有工序及工序的属性信息和资源信息。

树结构中各工序间没有加工顺序的限制，顺序以及逻辑关系可以通过IPPM的图形化模块表达。

4结语

本文系统研究了基于PSL进行工艺过程信息建模的技术，提出了面向制造执行的工艺过程模型，并以此模型为基础设计开发了集成化工艺设计与管理系统〔IPPM)，实现支持多工艺路线可视化表达的柔性工艺设计技术，解决了工厂实际生产中面临的车间调度柔性不够与工序物料表达不完整的问题，为LAPP与MES、ERP等生产制造系统的集成奠定了坚实的基础。