引言

CAPP系統的開發和研制是從上世紀06年代末開始的，在制造自動化領域，CAPP的發展是最遲的部分。世界上最早研究CAPP的國家是挪威，于1969年正式推出世界上第一個CAPP系統。20世紀80年代以來，國內外在CAPP技術的研究與系統的開發方面主要技術研究成果集中在零件信息描述、工程知識處理、工藝決策專家系統、CAD/CAPP/CAM集成等方面。

當代機械制造領域中，由于新工藝新技術的飛速發展，迫使產品更新周期日益縮短。多品種小批量生產的企業大量增加，制造系統正逐漸從剛性向柔性轉變，這要求將計算機貫穿于產品策劃、設計、工藝規劃、制造與管理的全過程。顯然，傳統的工藝設計方法已不能滿足上述要求。在此情況下，CAPP(Computer Aided process planning)技術的應用和研究應運而生。CAPP系統不但能利用工藝人員的經驗知識和各種工藝數據進行科學的決策、自動生成工藝規程，還能自動計算工序尺寸、繪制工序圖、選擇切削參數和對工藝設計結果進行優化等，從而設計出一致性良好的、高質量的工藝規程。國內的制造業企業，通過學習國外先進的制造工藝和裝備技術，已積累了相當豐富的工藝設計知識和大量的制造資源數據，但這些寶貴的工藝知識和制造資源數據，絕大多數都還停留在部分設計人員的腦子里或零散的紙質文件中，不利于企業快速查找和重用這些寶貴的工藝設計知識和制造資源信息，制約了我國制造業的發展速度和管理水平的提升，是一個急待解決的行業共性技術與工藝知識管理問題。本文提出了一個基于知識的CAPP系統，實現了工藝設計全程對工藝知識的快速查找和引用，可以解決上述問題。

1 基于知識的CAPP系統的主要特點

基于知識的CAPP系統采用自頂向下的工藝任務分解、工藝設計到工藝管理的總體解決方案，實現了PDM的過程管理思想與工藝設計領域知識相結合。體現了用戶自定義工藝卡片格式、工藝知識、工藝資源的查詢和引用、工藝文件圖文編輯和數據庫關聯為主線的工藝設計功能，實現了工藝知識的提取、積累、管理與重用。

在這種系統的輔助下，我們著重解決了企業以下幾個方面的問題：首先，使產品零件的數據信息能夠利用，并建立零件信息的數據庫；其次，使工藝人員的工藝經驗、工藝知識能夠得到充分的利用和共享；第三，制造資源、工藝參數等以適當的形式建立制造資源和工藝參數庫；第四，充分利用典型工藝生成新的工藝。

2 知識庫管理策略

在制造企業領域，工藝知識是指工藝設計人員在進行工藝設計過程中所運用的各種數據和現場經驗等的集合。它由工藝資源信息、工藝實例、工藝決策知識等構成。本系統根據工藝知識的內涵及制造業行業特點把工藝知識按其分類建立了五個專項知識庫。制造工藝資源庫、典型零件工藝方案知識庫、零件典型工藝知識庫、毛坯成型工藝知識庫和毛坯圖參數模板庫(見圖1)。各知識庫的管理思想均是為了實現制造企業資源、經驗、實例、術語和專業知識等的最大限度的共享和重用。下面以典型零件工藝知識庫為例介紹工藝知識庫的管理模式。我們把零件典型工藝知識庫劃分為：一般零件典型工藝庫和成組復合零件典型工藝庫。

圖1 基于知識的CAPP系統的體系結構

一般零件典型工藝知識庫的初始知來源于使用本CAPP系統前企業積累的工藝知識，由工藝人員對這些工藝知識進行分析并歸納整理出有代表性零件的工藝文件，采用系統提供工藝卡片自定義工具，編輯完成典型零件的工藝文件編輯，經審核后存人典型工藝庫中，作為后續新零件工藝設計的參考基礎。在知識庫建立以后，工藝人員進行新零件的工藝設計時，可迅速查詢并根據相似性引用典型工藝進行設計。在典型工藝文件的基礎上，可快速派生出新零件的工藝文件，然后在新產生的工藝文件基礎上進行修改，以形成完全滿足當前零件生產制造要求的工藝文件。對于新產生的工藝文件，如有必要，可以把它申請為典型工藝，在經過審簽后存入典型工藝知識庫，這樣就實現了典型工藝知識庫的不斷擴充。典型工藝管理模塊還提供典型工藝的刪除、添加、變更等功能以方便設計人員對典型工藝庫進行管理。

成組復合零件典型工藝知識庫中的典型工藝是通過成組編碼和相似零件族分類工具，按照零件的特征相似性建立復合零件并對其進行典型工藝設計而產生的。在成組復合零件典型工藝設計完成后，提交為典型工藝，經過審簽后即作為成組復合零件典型工藝保存在典型工藝知識庫中。知識庫建立后，當工藝人員設計新的零件工藝時，可以先根據零件屬性特征建立該零件的成組編碼，經相似特征矩陣查詢，根據一定的相似推理規則找到該零件所隸屬的相似零件族，由復合零件典型工藝派生出新零件工藝，然后修改工藝直至完全符合新零件制造的要求。

3 工藝方案設計中工藝知識應用策略

工藝方案是工藝準備工作的總綱，是工藝規程設計和關鍵工藝裝備設計的指導文件。零件的工藝方案設計是指工藝人員制定方案以決定零件由毛坯到成品所應經歷的加工過程。本文對工藝方案決策提出的解決方案是基于知識和實例的工藝方案設計策略。實現框圖如圖2所示，其流程如下：系統從PDM系統得到產品設計輸出的零件圖，由工藝師對零件圖進行分析，得到其特征信息描述，再通過工藝特征信息檢索，得到零件工藝特征信息，根據零件工藝特征信息，進行相似特征矩陣檢索，得到零件的相似特征矩陣。從基于特征分類的典型零件工藝方案實例庫中依照相似性推理規則檢索相似性大于80%的工藝方案，派生出新零件的工藝方案，調用零件工藝方案編輯器對已派生的工藝方案進行編輯。在工藝方案編輯過程中，工藝人員可以隨時根據需要從工藝資源庫檢索引用有用的資源。

圖2 工藝方案設計

4 工藝設計中的工藝知識應用策略

在基于知識CAPP系統中，零部件的工藝設計是整個系統的核心。它的主要特點在于：在基于知識的工藝設計中，工藝設計人員可以查詢和引用工藝知識庫中的各種工藝知識，為當前的工藝設計服務。如圖3所示，基于知識的工藝設計通過兩種途徑產生工藝文件。

 
圖3 兩種零件工藝設計流程

(1)零件的毛坯圖設計，即通過快速查詢引用毛坯參數庫中的毛坯參數，在工序簡圖參數化設計環境(即AutoCAD)中參數化生成毛坯圖和毛坯工序簡圖并對生成的毛坯圖/工序簡圖進行編輯，直至滿足新零件毛坯圖工藝參數要求。在毛坯圖的參數化設計和編輯過程中，工藝設計人員可以快速查詢和引用毛坯成型工藝知識庫中的工藝知識，以輔助毛坯圖/工序簡圖的參數化編輯。零件毛坯圖設計最終產生毛坯圖、工序簡圖等工藝文件，審簽通過后，歸檔并發放到相關制造部門。對于不符合要求的毛坯圖、工序簡圖等工藝文件打回到編輯環境重新編輯，直至審簽合格。

(2)零件的工藝設計。在零件工藝設計過程中，對于全新零件工藝設計，企業可以根據本企業的特點，利用本系統提供的工藝模板編輯工具，自定義出通用的工藝設計模板。在工藝設計時，工藝人員可引用工藝模板后進行工藝設計。這樣有利于促進企業提高工藝文件的規范性和統一性。

對于典型零件的工藝設計，工藝師可從典型工藝知識庫中快速查詢并引用適用的典型工藝。對于形狀或工藝屬性具有標準性的零件工藝設計時，工藝人員可根據相似性推理規則在系統中通過成組編碼查詢相似零件引用典型工藝。在典型工藝引用后再進行編輯，即派生出了新零件的工藝文件。

5 結論

工藝知識是工藝設計的基礎，對工藝知識的管理有利于企業工藝知識和經驗的積累和工藝優化。在系統的應用過程中，知識庫可以根據企業的實際情況修改、增刪，提高了CAPP系統對不同制造環境的適應能力(即柔性)。隨著技術的進步、設備的更新和知識的積累，不斷豐富和修改知識庫，從而不斷完善系統的性能。

目前，文中提出的知識管理與應用策略已經在某CAPP系統中實現，通過在西南地區3家制造企業中的實際應用，收到很好的反響，基本上取得了預期的效果。基于知識的CAPP系統大大提高了工藝設計知識的共享和重用程度，使工藝設計人員能夠擺脫大量而繁瑣的重復勞動，將主要精力轉向新產品、新工藝、新裝備和新技術的研究與開發。同時也提高了產品工的繼承性，最大限度地利用現有資源，降低了生產成本。