工艺规划智能化

2024-01-17
「 1. 工艺规划智能化目标 」

长期以来，由于传统工艺规划是按人工方式逐件设计，再经由企业自制的工艺过程，多品种小批量生产的工艺规划水平处于十分落后的状态，工艺规划的质量很大程度上取决于工艺规划人员的主观因素。工艺多样性不仅使加工同类零件所用的工艺装备品种、规格、数量不必要的增加，而且还造成生产计划管理的复杂性，从而增加生产费用，延长生产周期。

此外，由于传统工艺规划是孤立地针对一类零件设计一份单独的工艺，忽视了它与同类零件的联系，抹杀了同类零件之间在工艺上本该具有的继承性和一致性。随着产品的不断更新和品种的不断增加，迫使工艺部门陷入应付繁重的新产品工艺准备工作中，使工艺人员不得不把主要精力和时间耗费在一遍遍地逐件设计和填写零件的单独工艺文件上。工艺人员由于长期处于这种被动局面，无力改进、研究或开发新工艺，便造成了多品种小批量生产条件下的工艺规划工作的大量反复及被动落后局面。

要想从根本上克服上述问题，最有效的途径便是在成组技术原理的基础上实现工艺规划的标准化和自动化。在产品制造过程中，提高产品的工艺水平，即全面贯彻、推行工艺标准化是保证产品质量可靠性的有效途径。

通过推行工艺标准化，可将具有加工应用的工艺实例存储到数据库中，以便后续通过算法调用等操作进行二次使用。工艺规划智能化是以类似于粗糙集及基于实例推理理论等智能算法为基础，建立基于各类不同算法组合而成的智能工艺规划模块，快速准确选择工艺方案，使加工最大限度地满足其工艺特点。

工艺规划智能化的目标是通过智能化手段确保各零部件加工企业的成本、质量、时间、服务在市场竞争中具有一定优势，具体可包括如下几个方面：

（1）优化制造系统。能按成本、质量、时间、服务的要求，使企业制造系统适应现代生产的需要，包括生产模式、生产组织、工厂布置、现代先进制造技术的应用等。

（2）优化产品制造工艺。这是对具体产品而言，在优化的制造系统中，充分运用系统内的设施、组织、技术，保证产品制造过程的优化，按时、按质、低成本地完成产品制造。

（3）培养适应现代制造系统的合格工艺人才。在任何系统中，人是最积极的因素，生产系统的优化、产品工艺的优化都是由人完成的，所以企业实现工艺设计智能化的目标必须建立在合格工艺人员的基础上。

「 2. 工艺规划智能化功能模块构建 」

工艺规划智能化需要借助诸如工艺问题定义模块、工艺智能优选模块、工艺智能推理模块、知识库模块等功能模块构建而成。

1）工艺问题定义模块

工艺问题定义是针对一个工艺问题的具体描述进行“填空”，完成对一个工艺问题的完整描述，从而建立起工艺问题模型的实例，其结构图如图1所示。工艺问题定义模块用来规范化的定义待解决的工艺问题，用户通过该模块输入必要的基本工艺要素信息，如待加工对象的基本物理特性、加工质量要求、材质种类、基本几何要素等信息。用户输入完成基本原始要素信息后，该模块将生成一个规范化的标准工艺问题定义文件，提供给其他模块调用。该模块用于待求解工艺问题的输入、修改等实际操作，处理完毕之后定义为一个新的工艺问题，再交给后续模块做工艺求解处理。工艺问题定义模块涉及的主要技术要领是如何准确、全面、简洁地表达主轴工艺问题信息。该模块采用框架表示法来表达加工对象的工艺问题信息。

plm,pdm,思普,三品,宇昔,研发,生命周期,文档,图纸
图1 工艺问题定义模块结构图

2）工艺知识库模块

工艺知识库模块是工艺规划中进行各种推理和决策的基础，零件的工艺知识以及知识表达是加工工艺规划智能化的重要基础。知识库虽然在本质上仍然是数据库，但拥有更多的实体，它远比信息库或数据库复杂得多。知识库存放着推理所需的事实、规则及实例，是专家系统运行的基础，为推理机的检索、语义识别、相似性判断和混合推理等提供知识支撑，其构建的好坏直接影响专家系统智能推理的效率及效果。

工艺知识库模块在智能化工艺规划中的作用是支持CAPP系统中的智能决策，提供快速、实用的信息服务。模块中的输入输出接口主要用于零件信息、工艺知识的输入，以及零件特征加工方法、工艺路线等的输出；工艺知识经过推理机的控制策略，实现对工艺问题的求解，即实现零件的加工工艺设计；工艺知识库模块中的工艺知识可进行删减或添加，输出的零件工艺路线经过评定后亦可作为新的工艺知识存储于工艺知识库中，实现工艺知识的不断更新。智能化的工艺规划过程必须包含具有丰富知识的工艺知识库，各种知识的组织和表达形式对工艺规划智能化过程有着有效性和决定性的作用。

工艺知识库模块包含制造资源库、工艺实例库和工艺规则库3部分内容，具体结构如图2所示。工艺实例库用于存储企业中标准的加工工艺知识和收集的表面特征的加工工艺知识；工艺规则库用于存储表面特征加工方法匹配规则和制造资源匹配规则；制造资源库用于存储企业中现有的制造资源的信息。

plm,pdm,思普,三品,宇昔,研发,生命周期,文档,图纸
图2 工艺知识库模块结构

（1）制造资源库

制造资源库用于存储企业中的加工设备资源信息，主要包括企业中各种硬件设备的信息，如机床、刀具、夹具、量具等，体现了企业的加工能力，在产品加工时提供基础的物质信息，还可为零件的加工仿真提供数据信息。制造资源在工艺过程设计中与工艺知识和工艺规则间存在着联系，如图3所示。

图片
图3 制造资源与工艺知识和规则间的关系

制造资源信息有基本信息和加工范围信息。基本信息主要描述制造资源的基本属性；加工范围信息主要描述制造资源在加工过程中的加工能力及加工范围。分析零件的工艺信息和制造资源信息，通过工艺规则约束，实现信息之间的匹配，可得到零件特征的加工方法及其所需的制造资源。从加工设备层面来看，可分为加工设备的基本信息，如设备的名称、类型、编号等；加工设备的加工范围信息，即加工设备的加工适用范围与加工设备资源的技术参数信息。以机床设备为例，机床的信息主要包括基本信息、加工能力信息和技术参数信息三部分，后二者可视为机床的加工范围信息。基本信息主要有机床编号、机床名称、机床型号等；加工能力信息主要有最大加工尺寸、形位精度、加工批量等；技术参数信息主要有主轴转速、电机功率、电压等。在加工时选择机床主要考虑零件类型、零件尺寸、加工精度、批量等因素。

（2）工艺实例库

工艺实例库中的实例零件加工工艺知识和实例零件的单特征加工工艺知识主要是企业多年的生产制造经验经过挖掘整理后得到的知识，这类知识可根据匹配规则进行提取和重用；表面特征的加工工艺知识主要是从一些权威的书籍、专著和设计手册等资料中收集的具有指导性意义的工艺知识。

实例零件加工工艺知识。实例零件加工工艺知识包含实例零件的数据信息描述和实例零件的加工工艺解决方案两部分。其中，零件的信息描述是为相似零件的匹配检索提供数据依据；加工工艺解决方案是为待进行工艺设计的相似零件提供方案参考，如图4所示。

图片
图4 实例零件的加工工艺

实例零件的单特征加工工艺知识。实例零件的单特征加工工艺知识是指零件单个加工表面所包含的工艺知识，其中包括特征信息描述和特征的加工解决方案两部分，如图5所示。

图片
图5 实例零件的单特征加工工艺知识

表面特征加工工艺知识。表面特征加工工艺知识是对各类零件表面特征的加工工艺知识进行归纳整理而得到的，与实例零件的单特征工艺知识不同的是，表面特征加工工艺知识是针对企业中已存在的实例零件的具体外形轮廓和具体精度的特征而言，包含了制造资源信息，而表面特征加工工艺知识是针对大类零件表面特征而言，不包含制造资源信息。实例零件加工工艺知识可以为相似的待加工零件提供可重用的完整加工工艺方案；当待加工零件与实例零件的整体相似度较低，且只有部分表面特征相似度较高时，则可通过实例零件的单特征加工工艺知识进行提取重用；当目标零件的一些表面特征与实例零件的单特征的相似度较低时，则需通过表面特征的加工工艺知识进行提取，并从制造资源库中根据工艺规则匹配相应的资源设备，形成完整的特征加工方案，再进行重用，如图6所示。

图片
图6 表面特征加工工艺知识

（3）工艺规则库

工艺规则库中存储着多条用于实现零件加工工艺设计的规则，包括零件工艺知识存储规则、零件信息相似度匹配规则、实例零件工艺知识选择规则、表面特征加工工艺知识选择规则、加工设备选择规则、加工基元生产规则、工艺约束规则等。工艺知识库中的知识一般为因果关系型，知识的信息描述部分为“因”，加工解决方案为“果”。因此，基于知识的这一特点，工艺规则库中的规则主要采用产生式规则表示方法实现。

3）工艺问题定义模块

工艺智能优选模块主要是用于有效检索出与目标实例零件相似的源实例零件，并重用或修改后重用该相似源实例零件的加工工艺解决方案。模块中的功能实现主要包括目标实例零件特征信息的获取、基本信息的完善和工艺实例的检索等功能。

①获取特征信息。目标实例的零件特征信息主要是根据零件的模型上标注的尺寸信息进行提取，并生成文件。

②完善基本信息。工艺智能优选还需获取目标实例零件的基本信息，如零件分类号、零件材料、零件关键词等。该部分信息无法通过零件的三维模型获取，因此需工艺人员根据零件的基本信息在系统中进行添加完善。

③检索工艺实例。工艺实例检索用于检索出与目标实例零件最相似的源实例零件，并给出该源实例零件的加工工艺解决方案以供参考，工艺人员进行审核后可对该工艺方案直接重用，或进行修改后重用。

4）工艺智能推理模块

当工艺知识库中缺少可重用的工艺实例时，可通过工艺智能推理模块重新对目标实例零件进行初步的加工工艺规划。工艺智能推理模块的功能实现主要包括目标实例零件的特征信息获取、对算法参数的调整和加工工艺的排序规划等功能。

①导入实例信息。同样，该模块中需要实现对实例信息文件的读取，得到实例零件的特征信息。同时还可实现工艺人员对特征信息的修改操作。

②调整算法参数。工艺规划模块中主要采用人工智能算法进行工艺排序。在进行参数设置时，系统会给出默认参考值，而工艺人员也可依据自身经验进行参数的重新设置。

③规划工艺过程。工艺规划模块需实现获取待加工表面的加工方法链、加工基元的生成以及加工基元的排序等功能。工艺人员可对结果进行修改，并添加完善如倒边、清洗、热处理等辅助工艺，最终形成目标实例零件的加工工艺过程。

以上这些功能模块通过人机交互界面与操作人员实现信息交流。例如，操作人员需要从工艺智能优选模块优选获得的工艺实例集中选择最符合当前加工的实例；需要对工艺智能推理模块的推理结果进行验证。此外，各功能模块将工艺数据库存储的实例、规则、算法及机床数据等运用于自身运行过程中，并根据模块运行结果对数据库进行自动修改、扩充或删减。

「 3. 智能化功能模块与CAPP系统的集成 」

CAPP系统运行的特点就是要对数据库频繁的读写，并通过程序算法实现工艺决策。借助计算机编程技术，采用C++、JAVA、Qt、Visual Basic等计算机语言作为开发工具，结合SQL Server、SQLite、MySQL、Access等数据库管理系统，集成工艺规划的各项智能化功能模块与CAPP系统，其中对各种数据库的访问采用ODBC技术来实现。

（1）Visual Basic

VB是微软公司推出的可视化程序开发工具，目前在世界范围内应用广泛。Visual Basic实现了对象的封装，所以当程序员设计程序界面时，只需专注于对象的设计，简洁方便。并且VB可以通过数据Control控件访问多种数据库，具有很强的数据库访问能力，不仅能管理访问大中型数据库，如SQL Server等，而且对一些小型数据库也具有很好的兼容性与处理能力，如Access、Visual FoxFro等。VB6.0所提供的ADO Control控件不仅可以替代RDO Control控件和Data Control控件，而且可以用最少的代码实现对数据库的控制和各种操作。所以，现有的多数CAPP系统是将Visual Basic作为与各项智能化功能模块的集成开发工具。

（2）SQL Server

CAPP系统有知识库、规则库、制造资源库等大量需要管理和处理的数据，所以对数据库管理系统有很高的要求。SQL Server是基于Web的用来存储数据的数据库，由微软进行开发，因为其具有灵活、功能强大等优点，并且应用程序管理安全，因此目前在Web上十分流行，具有广泛的应用。SQL Server具有友好的操作界面，操作简单，比大型数据库，如Orcle、FoxFro等更加灵巧、且对硬件要求不高。并且比Access等小型数据库有更好的数据处理能力，所以用SQL Server来为事务级的数据提供支持，并开发后台的数据库环境。

（3）ODBC技术

目前市场上有形形色色的数据库系统，它们在应用范围、价格和性能上各有千秋。一个大的信息系统因需求不同等原因，往往会同时使用多种不同的数据库，而每种不同的DBMS都有自己的一套标准，所以它们之间的互相连接与访问成为一个急需解决的问题。微软公司提出的开放数据库互连（open database connectivity，ODBC）成为目前一个有效的解决方案。ODBC是为用户提供简单、透明、标准的数据库连接的应用程序编程接口（API）。由于ODBC支持SQL语言，所以用户可将SQL语句通过API发送到ODBC，从而实现所需要的操作。所以采用ODBC技术对数据库进行访问是十分有效的数据库访问方法。