引言

CAPP系統(tǒng)的開發(fā)和研制是從上世紀(jì)06年代末開始的，在制造自動化領(lǐng)域，CAPP的發(fā)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(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外在CAPP技術(shù)的研究與系統(tǒng)的開發(fā)方面主要技術(shù)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(tǒng)、CAD/CAPP/CAM集成等方面。

當(dāng)代機(jī)械制造領(lǐng)域中，由于新工藝新技術(shù)的飛速發(fā)展，迫使產(chǎn)品更新周期日益縮短。多品種小批量生產(chǎn)的企業(yè)大量增加，制造系統(tǒng)正逐漸從剛性向柔性轉(zhuǎn)變，這要求將計算機(jī)貫穿于產(chǎn)品策劃、設(shè)計、工藝規(guī)劃、制造與管理的全過程。顯然，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計方法已不能滿足上述要求。在此情況下，CAPP(Computer Aided process planning)技術(shù)的應(yīng)用和研究應(yīng)運(yùn)而生。CAPP系統(tǒng)不但能利用工藝人員的經(jīng)驗(yàn)知識和各種工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的決策、自動生成工藝規(guī)程，還能自動計算工序尺寸、繪制工序圖、選擇切削參數(shù)和對工藝設(shè)計結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化等，從而設(shè)計出一致性良好的、高質(zhì)量的工藝規(guī)程。國內(nèi)的制造業(yè)企業(yè)，通過學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的制造工藝和裝備技術(shù)，已積累了相當(dāng)豐富的工藝設(shè)計知識和大量的制造資源數(shù)據(jù)，但這些寶貴的工藝知識和制造資源數(shù)據(jù)，絕大多數(shù)都還停留在部分設(shè)計人員的腦子里或零散的紙質(zhì)文件中，不利于企業(yè)快速查找和重用這些寶貴的工藝設(shè)計知識和制造資源信息，制約了我國制造業(yè)的發(fā)展速度和管理水平的提升，是一個急待解決的行業(yè)共性技術(shù)與工藝知識管理問題。本文提出了一個基于知識的CAPP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)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(tǒng)的主要特點(diǎn)

基于知識的CAPP系統(tǒng)采用自頂向下的工藝任務(wù)分解、工藝設(shè)計到工藝管理的總體解決方案，實(shí)現(xiàn)了PDM的過程管理思想與工藝設(shè)計領(lǐng)域知識相結(jié)合。體現(xiàn)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(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)為主線的工藝設(shè)計功能，實(shí)現(xiàn)了工藝知識的提取、積累、管理與重用。

在這種系統(tǒng)的輔助下，我們著重解決了企業(yè)以下幾個方面的問題：首先，使產(chǎn)品零件的數(shù)據(jù)信息能夠利用，并建立零件信息的數(shù)據(jù)庫；其次，使工藝人員的工藝經(jīng)驗(yàn)、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(shù)等以適當(dāng)?shù)男问浇⒅圃熨Y源和工藝參數(shù)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(yè)領(lǐng)域，工藝知識是指工藝設(shè)計人員在進(jìn)行工藝設(shè)計過程中所運(yùn)用的各種數(shù)據(jù)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)等的集合。它由工藝資源信息、工藝實(shí)例、工藝決策知識等構(gòu)成。本系統(tǒng)根據(jù)工藝知識的內(nèi)涵及制造業(yè)行業(yè)特點(diǎn)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(shù)模板庫(見圖1)。各知識庫的管理思想均是為了實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)資源、經(jīng)驗(yàn)、實(shí)例、術(shù)語和專業(yè)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(fù)合零件典型工藝庫。

圖1 基于知識的CAPP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

一般零件典型工藝知識庫的初始知來源于使用本CAPP系統(tǒng)前企業(yè)積累的工藝知識，由工藝人員對這些工藝知識進(jìn)行分析并歸納整理出有代表性零件的工藝文件，采用系統(tǒng)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(jīng)審核后存人典型工藝庫中，作為后續(xù)新零件工藝設(shè)計的參考基礎(chǔ)。在知識庫建立以后，工藝人員進(jìn)行新零件的工藝設(shè)計時，可迅速查詢并根據(jù)相似性引用典型工藝進(jìn)行設(shè)計。在典型工藝文件的基礎(chǔ)上，可快速派生出新零件的工藝文件，然后在新產(chǎn)生的工藝文件基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，以形成完全滿足當(dāng)前零件生產(chǎn)制造要求的工藝文件。對于新產(chǎn)生的工藝文件，如有必要，可以把它申請為典型工藝，在經(jīng)過審簽后存入典型工藝知識庫，這樣就實(shí)現(xiàn)了典型工藝知識庫的不斷擴(kuò)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(shè)計人員對典型工藝庫進(jìn)行管理。

成組復(fù)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(fù)合零件并對其進(jìn)行典型工藝設(shè)計而產(chǎn)生的。在成組復(fù)合零件典型工藝設(shè)計完成后，提交為典型工藝，經(jīng)過審簽后即作為成組復(fù)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(dāng)工藝人員設(shè)計新的零件工藝時，可以先根據(jù)零件屬性特征建立該零件的成組編碼，經(jīng)相似特征矩陣查詢，根據(jù)一定的相似推理規(guī)則找到該零件所隸屬的相似零件族，由復(fù)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(shè)計中工藝知識應(yīng)用策略

工藝方案是工藝準(zhǔn)備工作的總綱，是工藝規(guī)程設(shè)計和關(guān)鍵工藝裝備設(shè)計的指導(dǎo)文件。零件的工藝方案設(shè)計是指工藝人員制定方案以決定零件由毛坯到成品所應(yīng)經(jīng)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(shí)例的工藝方案設(shè)計策略。實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，其流程如下：系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)得到產(chǎn)品設(shè)計輸出的零件圖，由工藝師對零件圖進(jìn)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(jù)零件工藝特征信息，進(jìn)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(shí)例庫中依照相似性推理規(guī)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(diào)用零件工藝方案編輯器對已派生的工藝方案進(jìn)行編輯。在工藝方案編輯過程中，工藝人員可以隨時根據(jù)需要從工藝資源庫檢索引用有用的資源。

圖2 工藝方案設(shè)計

4 工藝設(shè)計中的工藝知識應(yīng)用策略

在基于知識CAPP系統(tǒng)中，零部件的工藝設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心。它的主要特點(diǎn)在于：在基于知識的工藝設(shè)計中，工藝設(shè)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(dāng)前的工藝設(shè)計服務(wù)。如圖3所示，基于知識的工藝設(shè)計通過兩種途徑產(chǎn)生工藝文件。

 
圖3 兩種零件工藝設(shè)計流程

(1)零件的毛坯圖設(shè)計，即通過快速查詢引用毛坯參數(shù)庫中的毛坯參數(shù)，在工序簡圖參數(shù)化設(shè)計環(huán)境(即AutoCAD)中參數(shù)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(jìn)行編輯，直至滿足新零件毛坯圖工藝參數(shù)要求。在毛坯圖的參數(shù)化設(shè)計和編輯過程中，工藝設(shè)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(shù)化編輯。零件毛坯圖設(shè)計最終產(chǎn)生毛坯圖、工序簡圖等工藝文件，審簽通過后，歸檔并發(fā)放到相關(guān)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(huán)境重新編輯，直至審簽合格。

(2)零件的工藝設(shè)計。在零件工藝設(shè)計過程中，對于全新零件工藝設(shè)計，企業(yè)可以根據(jù)本企業(yè)的特點(diǎn)，利用本系統(tǒng)提供的工藝模板編輯工具，自定義出通用的工藝設(shè)計模板。在工藝設(shè)計時，工藝人員可引用工藝模板后進(jìn)行工藝設(shè)計。這樣有利于促進(jìn)企業(yè)提高工藝文件的規(guī)范性和統(tǒng)一性。

對于典型零件的工藝設(shè)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(biāo)準(zhǔn)性的零件工藝設(shè)計時，工藝人員可根據(jù)相似性推理規(guī)則在系統(tǒng)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(jìn)行編輯，即派生出了新零件的工藝文件。

5 結(jié)論

工藝知識是工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，對工藝知識的管理有利于企業(yè)工藝知識和經(jīng)驗(yàn)的積累和工藝優(yōu)化。在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，知識庫可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況修改、增刪，提高了CAPP系統(tǒng)對不同制造環(huán)境的適應(yīng)能力(即柔性)。隨著技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)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(tǒng)的性能。

目前，文中提出的知識管理與應(yīng)用策略已經(jīng)在某CAPP系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，通過在西南地區(qū)3家制造企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，收到很好的反響，基本上取得了預(yù)期的效果。基于知識的CAPP系統(tǒng)大大提高了工藝設(shè)計知識的共享和重用程度，使工藝設(shè)計人員能夠擺脫大量而繁瑣的重復(fù)勞動，將主要精力轉(zhuǎn)向新產(chǎn)品、新工藝、新裝備和新技術(shù)的研究與開發(fā)。同時也提高了產(chǎn)品工的繼承性，最大限度地利用現(xiàn)有資源，降低了生產(chǎn)成本。