（机械设计及理论专业论文）定制生产下工艺可重用理论、方法及关键技术研究与应用.pdf

塑兰查堂堡主兰竺笙兰： 塞型兰主王三兰旦重里堡笙：查生丝茎坐垫查竺窒皇皇望 摘要 随着制造企业由少品种、大批量的大规模生产模式向多品种、小批量的定制生产模式 转变，传统的工艺设计系统已不能适应定制生产模式下复杂多变的制造环境，提高设计的 快速响应能力是定制生产对工艺设计技术提出的迫切要求。本文系统地研究了定制生产下 工艺可重用理论和方法，提出了回转体、箱体零件工艺可重用的解决方案，并开发了工艺 可重用设计系统，在国家8 6 3 c i m s 应用推广计划项目( 8 6 3 5 1 1 9 1 0 2 1 i 0 2 ) “宁波 华翔集团公司c i m s 应用示范工程”中得到了有效的应用。 第一章在分析定制生产特点的基础上，论述了定制生产下工艺可重用的关键技术。详 细分析了工艺过程设计中系统结构和工艺方案重用技术的研究现状和存在的不足，提出了 本文付诸研究的问题和采用的技术方法。最后给出了本文的组织结构。 第二章提出了支持设计重用的面向制造结构单元建模方法，将加工： 艺和制造数据封 装于结构单元中，为零件结构设计和工艺设计重用提供了基本模块。借鉴成组工艺的思想， 提出了工艺可重用的层次化设计方法，将该方法应用到产品建模的不同层次，以及不同的 零件对象。在此基础上，提出了适应定制生产的工艺可重用设计系统的工作模式，为回转 体零件和箱体类零件的工艺设计奠定了应用基础。 第三章以机械产品中典型零件为例，总结了回转体、箱体类零件的加工工艺特点。详 细分析了零件加工工艺多样性形成的原因，并给出了多工艺方案的描述方法。提出了“类 型层+ 实例层”的层次型可重用工艺库索引模型，建立了类型层成组分类编码结构，给出 了成组分类方法。 第四章建立了回转体零件层次结构的信息模型，给出了零件信息的框架描述。针对固 定编码方式存在的不足，提出了基于零件结构单元特征和加工工艺性的变位数柔性编码方 法。为了相似工艺的检索，以零件柔性编码为基础，提出了相似性判定准则和三级检索策 略，使检索出的实例在几何及工艺上更符合当前零件的设计要求。对不存在相似实例的零 件，提出了结构退化匹配算法，并结合推理机制自动生成零件工艺。 第五章针对复杂结构的箱体类零件，建立了基础结构单元与方位结构单元树信息描述 方法，定义了层次结构的箱体零件信息模型。基于工艺可重用层次性思想，应用结构单元 层次的相似性进行零件结构单元的工艺链设计，提出了结构单元编码规则以及进级匹配的 搜索策略，对检索出的相似工艺修改和新结构单元工艺的生成给出了相应的算法。将基因 遗传禁忌混合算法应用于加工工序的聚合问题，以工序聚合中的约束规则为基础，建立了 塑兰查兰堡主兰些丝苎： 重型竺兰! 三堇里至旦竺笙：垄鎏墨茎丝墼查坚垄量些旦 a b s t r a c t w i t hp r o d u c t i v em a n u f a c t u r i n gm o d e lc h a n g i n gf r o ml a r g e s c a l em o d et oc u s t o m i z a t i o n m o d e ，c o n v e n t i o n a lc a p ps y s t e mc o u l dn o t f i tt om u l t i v a r i a t em a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n ta n y l o n g e r t h ea b i l i t yo f f a s tr e s p o n s ei st h ei n s i s t e n tr e q u i r e m e n to ft h ec u s t o m i z a t i o nm a n u f a c t u r e m o d e t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h er e u s et h e o r yo fp r o c e s sp l a n sa n dc o r r e l a t i v em e t h o d s b a s e d o nt h er e u s et h e o r y , t h ep r o c e s sp l a n i n gs c h e m e sa r ep u tf o r w a r df o rr o t a t i o n a la n dc a s ep a r t s a s y s t e mo fp r o c e s sp l a n n i n gd e s i g n i s d e v e l o p e d ，a n d i s a p p l i e de f f e c t i v et oc i m sp r o m o t i o n s u b j e c t ( 8 6 3 5 1 1 - 9 1 0 - 2 1 i 0 2 ) o f s t a t e8 6 3h i g h t e c hp r o g r a m i nt h e1s tc h a p t e r , o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co fc u s t o m i z a t i o np r o d u c t i o n ， t h et e c h n i c a ld e m a n do fr e u s i n gp r o c e s sp l a n sf o rc u s t o m i z a t i o nm a n u f a c t u r ei sd i s c u s s e d t h e p r e s e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no fs y s t e ms t r u c t u r ea n dp r o c e s sp l a n sr e u s i n gt e c h n o l o g yi n p r o c e s s p l a n n i n ga r es u m m a r i z e d i n d e t a i l t h e n ，t h eb a c k g r o u n da n dc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o na r e d e s c r i b e db r i e f l y i nt h e2 n dc h a p t e r , t h em o d e l i n gm e t h o do f m a n u f a c t u r e o r i e n t e ds t r u c t u r eu n i ti sp u tf o r w a r d a n dh a sb e e nu s e dt oi m p l e m e n td e s i g nr e u s e t h es t r u c t u r eu n i te n c a p s u l a t e sm a n u f a c t u r i n ga n d p l a n n i n gd a t a ，a n dp r o v i d e sb a s i cm o d u l a rf o rp r o d u c td e s i g na n dp r o c e s sp l a n n i n gr e u s e w i t ht h e d i s c u s s i o no fa p p l i c a t i o nm o d eo fg r o u pp r o c e s s ，t h el a y e r i n gd e s i g nm e t h o do fp r o c e s sp l a n s r e u s ei si n t r o d u c e d t h i sm e t h o di sa p p l i e dt od i f f e r e n tl e v e lo fp r o d u c tm o d e l i n ga n dd i f f e r e n t p a n s t oo b t a i nt h et h e o r yb a s eo fp r o c e s sp l a n n i n gd e s i g no f r o t a t i o n a la n dc a s ep a n s ，t h ew o r k f a s h i o no f p r o c e s sp l a n sr e u s es y s t e mi sb u i l t i nt h e3 r dc h a p t e r , b ya n a l y z i n g t y p i c a lp a n so f m e c h a n i c a lp r o d u c t ，t h ep r o c e s s i n gt e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i o n a la n dc a s ep a r t sa r eg e n e r a l i z e d t h er e a s o nt h a tc a u s e sm u l t i p l i c i t yo f p r o c e s sp l a n n i n gi sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ed e s c r i p t i v em e t h o df o rm u l t i p l a n n i n gi sp r o v i d e d t h eh i e r a r c h i c a li n d e x i n gm o d e lo fp r o c e s sp l a n sr e u s eb a s ei sc o m p o s e do ft y p el e v e la n dc a s e l e v e l ，a n dt h ee n c o d i n g r u l ea n d s o r t i n gm e t h o d f o r t y p el e v e la r ep r o v i d e d i nt h e4 t hc h a p t e r , t h eh i e r a r c h i c a li n f o r m a t i o nm o d e lo fr o t a t i o n a lp a r ti sb u i l t i no r d e rt o o v e r c o m et h e s h o r t a g eo fr i g i d c o d i n g ，f l e x i b l e - c o d i n gr u l e i s p u tf o r w a r db a s e do nt h ep a r t p r o c e s s i n gp r o p e r t y s i m i l a r i t yd e c i s i o nr u l ea n d t h r e el e v e lr e t r i e v a ls t r a t e g ya r ep r e s e n t e db a s e d o np a nf l e x i b l ec o d e ，w h i c hp r o v i d e sa c c u r a t ec a s e sm a t c h i n g i no r d e rt og e n e r a t ep r o c e s sp l a n f o rd i s s i m i l a r p a r t s ，s t r u c t u r ed e g e n e r a t i n g m a t c ha l g o r i t h mi s p r o v i d e d t h ea l g o r i t h ma n d i i i i n f e f e n c er u l ec o m b i n et og e n e r a t ep a r tp l a n i nt h e5 t hc h a p t e r a i m i n ga tt h ec a s ep a r to fc o m p l e xs t r u c t u r e t h ei n f o r m a t i o nd e s c r i p t i o n m e t h o db a s e do nf o u n d a t i o n - s t r u c t u r e u n i ta n da z i m u t h s t r u c t u r e u n i t - t r e e i s p r e s e n t e d a n d h i e r a r c h i c a li n f o r m a t i o nm o d e lo f c a s ep a r * i sd e f i n e db a s e do np r o c e s sp l a nr e u s el a y e r i n g u n j - b a s e ds i m i l a r i t yi sa p p l i e dt op r o c e s sp l a nd e s i g no fs t r u c t u r eu n i t ，a n dt h ec o d i n ga r c h i t e c t u r eo f s t r u c t u r eu n i ta n dg r a d i n g m a t c h i n gs t r a t e g y a r ep r e s e n t e d t h em o d i f i c a t i o n a l g o r i t h m s f o r s i m i l a rp l a na n dm e t h o do fp r o c e s sp l a n n i n gr e a s o n i n gg e n e r a t i n gf o rn e ws t r u c t u r eu n i t a r e p r o v i d e d t h es u f f i c i e n c yf u n c t i o ni sb u i l tf o rg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nc o n s t r a i n tr u l e ，a n dt h e g e n e t i c t a b ua l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt op r o c e s sa g g r e g a t i n gt h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e a l g o r i t h ma r ev e r i f i e db yt h er e s u l to f e x a m p l e i nt h e6 t hc h a p t e r o nt h eb a s i so ft h e o r e t i cr e s e a r c ha b o v e ，ap r o c e s sp l a n sr e u s e d e s i g n s y s t e mi sd e v e l o p e d t h es y s t e m sa r c h i t e c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dm a i nm o d u l a ra r ei n t r o d u c e d r e s o u r c eg u i d a n c ea n dr e c u r s i v eg e n e r a t i o nt e c h n i q u e so f p r o c e s s p i c t u r es h e e ta r ep r e s e n t e d ，a n d h a v eb e e na p p l i e dt ot h i ss y s t e m i nt h e7 t hc h a p t er ，a l la c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na l es u m m a r i z e d ，a n dt h ef u r t h e rw o r k i nt h ef u t u r ei sg i v e n k e yw o r d s ：c u s t o m i z a t i o np r o d u c t i o n ，i n f o r m a t i o nm o d e l ，r e u s e ，p r o c e s s p l a n ，s i m i l a r i t y r e t r i e v e ，c o d e ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，t a b us e a r c h i n g a l g o r i t h m 浙江大学博士学位论文： 定制生产下工艺可重用理论、方法及关键技术研究与应用 第一章绪论 【本章摘要】在分析定制生产特点的基础上，论述了定制生产对工艺可重用 的技术需求，详细分析了工艺过程设计中工艺重用技术的研究现状以及存在 的不足，最后给出了本文的研究内容、技术路线以及组织结构。 1 1 引言 随着市场的日益国际化，企业的生存环境发生了巨大的变化，产品生命周期缩短、客 户需求多样化和个性化、交货期更加严格、多品种、小批量生产比例增大、 1 3 2 1 。原有 的生产模式以及技术手段已经无法适应这种变化，企业被迫迎合客户的需求，采用多品种、 小批量的生产方式，按照客户订单组织生产。这种融入客户个性化的定制生产模式正在成 为越来越多企业的主导生产模式之一。 定制生产模式决定了企业按照客户的具体需求组织生产，企业主要的业务活动是生产 订单产品。除此以外，从长远战略目标出发，企业还应从市场中抓到机遇，迅速开发新产 品，主动去占领市场，这样才能保证在激烈的市场竞争中立于不败之地。可见，定制生产 企业中存在新产品开发过程和订单产品制造过程两种生产活动，二者都要求企业具有快速 响应能力，以便企业能在市场中“领先一步”，尽快提供更高性能价格比的产品。毋庸置 疑，缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量已成为企业生存和发展的关键。 定制生产f 产品的多样化，导致了产品品种增多、批量减少，与大规模生产方式相比， 产品信息类型更加多样，数量更加庞大；另一方面，企业要在竞争中取胜，又必须在缩短 交货期、提供低成本高质量产品方面领先于同行。因此，企业必须在产品设计、制造中尽 量重用已有的信息资源，只有这样才能提高设计速度和产品质量。产品信息资源的重用， 既包括了设计结果( 设计结构、工艺方案) 的直接重用，也包括功能、原理、系统结构等 信息的重用，甚至是设计过程的重用。 由于大规模生产模式下，市场需求稳定、产品品种固定，零部件工艺方案一旦完成并 经过生产活动加以完善后，在一定时期内变动不大。因此，体现不出工艺信息重用的重要 性和紧迫性。另外，新产品开发意味着产品及零部件结构的创新，这样的制造环境导致传 统的工艺设计系统只注重零件本身的工艺生成过程，对重用已有的工艺信息考虑不足。鉴 于以上原因目前针对工艺信息的重用技术虽然有研究，却很薄弱。随着企业生产模式向定 制生产转变，实现产品快速设计成为企业产品迅速占领市场的重要一环。尽可能利用已完 第一章绪论 善的工艺方案、提高工艺决速反应能力是定制生产对工艺设计的迫切要求。 本文通过对现有工艺设计过程中可重用技术的分析，较为系统地对定制生产下工艺可 重辟理论和方法进行了探讨，将工艺方案的可重用作为研究重点，探索产品工艺变型设计 的解决方案，为提高工艺设计系统的实用化和智能化水平奠定一定的基础。 1 2 定制生产的特点 在实际生产过程中，定制生产存在着不同的类型。根据客户需求对企业生产活动的不 同影响程度，有订单装配生产、订单制造生产和订单设计生产三种模式o j ： 订单装配生产( a s s e m b l e - t o o r d e r ，a t o ) ：指接到客户订单后，企业通过对已有零部 件的配置( 当然也需装配检验等环节，也可能存在一部分原材料直接加工) ，即可以向客户 提供订单产品的种定制生产模式。 订单制造生产( m a k e t o o r d e r ，m t o ) ：指接到客户订单后，企业根据已有的零部件 图纸或c a d 模型，经过变型设计、加工制造、装配检验后向客户提供订单产品的一种定 制生产模式。 订单设计生产( e n g i n e e r - t o o r d e r ，e t o ) ：指根据客户订单中的特殊需求，重新设计 满足特殊需求的新零部件，并对其它种类的零部件变型，在此基础上，向客户提供订单产 品的一种定制生产模式。 可以看出，从订单装配生产类型到订单殴计生产类型，客户的要求对企业生产过程的 影响越来越大，企业中生产的加工深度变大，订单完成的难度也相应加大。 另外，从企业向客户提供的产品类型来看，有的企业是直接为客户提供完整的产品， 即满足客户特殊需求的产品( 如大型水轮机) ，这类产品的型号规格通常是一张订单一个样。 有的企业则是为其他企业( 如企业集团中的主体企业) 协作加工某些零部件或配件，虽然 这类协作企业也是按订单组织生产，所不同的是他们所生产的不是专用产品，零部件的需 求一般也不是一次性的，例如为汽车制造主体企业协作生产汽车配件就属于这种情况。但 是为生产这些零部件的某些装备可作为专用产品对待。 定制生产方式与大规模生产方式相比，在企业的生产组织和技术手段方面存在明显的 不同。主要表现在： ( 1 ) 生产计划、组织管理复杂 对于定制生产企业，因为订单的内容和订单到达的时间具有随机性，计划期内订单的 数量、订单的种类事先无法确切知道，企业只能按照随机到达的订单顺序逐项进行安排， 这与大规模生产下制造通用产品的备货生产不同。企业无法对计划期内的任务在计划安排 上进行全面规划和实现整体优化。由于生产的产品品种多，生产过程和工艺路线自然也多 2 浙江大学博士学位论文： 定制生产下工艺可重用理论、方法及关键技术研究与应用 种多样，给信息处理和生产组织管理带来很大的难度。 ( 2 ) 生产准鲁工作量大 在大规模生产方式下，产品设计和工艺准备一般只针对一种产品或零件进行，一切_ 丁 作从头开始，原有的生产过程产生的信息很少被重复使用。但稳定的市场需求使得产品生 命周期延长，从而也允许较长的新产品生产准备时间。 定制生产企业生产的是专用产品，产品的性能要求和产品结构特点是由客户根据自己 的特殊需要提出的。企业从接到订单、签订合同到向客户交货，要完成产品设计、工艺准 备、物料采购和加： 制造等一系列新产品设计制造过程。相应地，生产准备的工作最要大 的多。 ( 3 ) 对市场快速反应的能力要求高 大规模生产模式通过产品的批量化降低生产成本，表现为少品种、大批量，以及零部 件的高度互换性。按照这种方式组织生产的稳定性、连续性好，但柔性差( 生产变动困难) 。 企业竞争力的关键在于优良的产品质量，低廉的价格，备件供应充分，维修服务方便。 定制生产企业面对的是瞬息万变的市场环境，要想在竞争中取胜，必须具有高度的灵 敏性。对产品设计开发，改变以注重规模而建立起来的生产管理系统和组织形式，按照快 速响应制造的思想组织设计、生产，并尽量采用先进的制造技术和手段，通过产品的变型 设计缩短产品的开发周期。强大的产品设计能力、短的产品设计和制造周期、良好的售后 服务是企业竞争力的关键。 ( 4 ) 新产品设计和变型设计业务流程并存 统计资料表明，在典型订单产品的零部件构成中，5 0 左右的零部件属于标准件与外 购外协件，4 0 左右的零部件属于典型的变型零部件，只有1 0 左右的零部件属于全新零 部件 1 4 2 1 “一i 。另外，企业为了长远的发展目标，在订单生产的同时也需要进行新产品的研 制开发。这一结果表明企业中必然存在不同的设计过程以完成不同类型零部件的设计工作， 即存在着新产品设计过程和订单产品变型设计过程m i j 4 2 1 1 5 0 1 。 大规模生产决定了产品开发是一个创新过程+ 待开发的新产品来自于对市场的预测。 定制生产下按照订单制造产品的过程是指针对客户需求，应用企业成熟的产品资源，尽可 能通过对已有产品的变型设计，实现相关功能、结构及参数的匹配【“l i l 0 ”，直到加工制造 的生产活动过程。这一过程必须是一个“快”循环，以便更好地响应市场需求。而新产品 形成要完成新产品及标准模块设计、工艺设计、加工制造、检验及分析。这一过程强调最 终结果的正确性，允许在试制过程中出现设计方案的修改及反复，客观上是一个“慢”循 环。计算机集成产品工程( c i p e ) 策略要求重组企业业务流程，将全新产品设计和变型产 品设计的业务过程分离f i “i ”f 。图1 - 1 为企业重组后的业务流程。 从以上分析可以看出，要加快定制生产的产品开发速度，必须从产品设计阶段入手， 第一章绪论 充分利用已成熟的产品信息资源，缩短生产准备时间。对于产品设计阶段中的工艺设计过 程重用已有的工艺信息资源是完成变型工艺设计的保汪。 图1 1重组后的定制生产业务流程 1 3 定制生产下工艺可重用的技术需求 场 p 生产过程中产生的信息是繁多和无序的，需要经过充分挖掘和科学重组，才能成为便 于充分利用的产品信息资源，支持企业对产品的快速响应。产品结构重组、成组工艺和基 于实例推理技术是实现工艺可重用的基础。 ( 1 ) 产品结构重组 客户需求的多样化，个性化，使定制生产企业的产品品种增加，随之而来的是产品的 零部件数量过多，相应的工装夹具及量具增多，加大了生产成本，而且容易产生管理混乱。 主要原因在于：以零件为设计单元时往往缺乏全局考虑，标准化水平低，零件结构不尽合 理，从而造成零件结构的杂乱。 p a h l 和b e i t z 最早将设计分为初次设计( 也称创新设计，o r i g i n a ld e s i g n ) 、适应设计 ( a d a p t i v ed e s i g n ) 、变型设计( v a r i a n td e s i g n ) ，并指出在实际设计工作中，大约7 0 属 于适应性设计和变型设计m ”。从产品信息资源在设计活动中的重用程度考虑，初次设计涉 及的可重用信息资源较少。变型设计是在原有产品的基础上，按照客户需求进行结构重组， 它的实现过程可以晟大限度地重用企业已有的成熟的产品资源。 产品结构重组是产品快速变型设计的基础。结构重组主要针对产品总体结构、部件结 构、零件结构，其目标是通过提高标准化、通用化水平，利用模块化设计方法，以最少的 零件品种数组成最多的部件数，以最少的部件数组成最多的产品。零件结构重组的主要途 径：一是通过提高零件的标准化、系列化，通用化水平，来实现专用件向通用件、通用件 向标准件的转换：二是通过模块化设计技术来提高非标准件的继承性。通过产品结构重组， 4 浙江大学博_ 上学位论史：定制生产下工艺可重用理沦、方法及关键技术研究与应用 建立具备可重用设计的产品信息模型，支持产品结构设计和工艺设计。重组的目的在于重 用，而重h ；的理论基础是相似性原理和成组技术。 ( 2 ) 成组工艺思想 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ，g t ) 是将结构相似的零件组成零件组( 族) ，按零件组 进行工艺设计和制造，使小批量生产转化为批量生产，以减少零件的品种数，降低产品成 本。成组技术以零件在形状、尺寸上相近，则加工工艺也相似为理论依据，建立成组设计 资源。以后的设计可利用成组设计资源作为相似设计实例，最大限度地重复使用已有的设 计信息，从而减少设计工作量；另一方面，零部件具有的结构相似性、工艺相似性，可以 减少专用工装数量、提高生产效率。 1 9 3 8 年索克洛夫首次提出典型工艺的概念，其着眼点是工艺过程的标准化，即按工艺 过程相同( 工序内容、个数、顺序相同) 的相似标准，将结构、形状相似的零件分类成组， 同组零件采用同一的典型工艺。由于能采用典型工艺的零件品种较少( m 。是两零件硬度相似值与精度等级相似值的总和， y ( g 。+ g ，) 2 为当前零件与实例零件特征总数的平均值，1 f m 。是材料系数的总数。 c h a n g 同时提出了实例过滤方法，以便在大规模实例库的情况下减少搜索空间。 m a r k u sa 1 3 i 等人采用状态优先图( p r e c e d e n c eg r a p h ) 表达零件及其工艺计划，在优先图 中，节点表示特征状态，边代表两个状态间的约束，每条边附加有权重，权重表达特征间 加工优先级的重要程度。实例匹配分为三个步骤：1 ) 首先建立新设计零件的状态优先图。 2 ) 通过零件和实例状态优先图的匹配产生相似矩阵。3 ) 相似性判定通过相似矩阵间的距离 来衡量。这种方法的优点是匹配时考虑了特征间的交互性，并适用于棱柱体零件间的相似 性匹配。 蔡力刚呷2 i 系统地提出了回转类零件工艺路线决策方法，该决策方法以基于实例推理为 主，并融入了专家系统和特征技术的知识，针对实例抽取、实例工艺信息筛选和实例工艺 修改，给出了有效的解决方法，内容包括：1 ) 基于特征二叉树的零件信息模型根据形状 特征之间的邻接关系与从属关系，建立零件特征关系图，并转换成二叉树表示。将各形状 特征的加工链挂连在特征二叉树上，形成了零件工艺二叉树描述。2 ) 实例抽取通过相似 性检索，确定与新零件相近的所有实例。相似性系数考虑了零件主辅特征、材料、热处理、 毛坯等因素，相似系数表达为： 9 第一章绪论 d qc | x k m | + a h | xk h + 。b xk 十a ，f fx km f + q j rxk 2 f t 2 瓦i i i 了石i i 一 其中，k 卅f 、k k ”k m f 、k 。，分别是材料匹配率、热处理匹配率、毛坯匹配率、主特征匹 配率和辅助特征匹配率，a 一。”a ”a 。、a 。，分别为相应的加权系数，由经验法确定。 并设定女。 o 7 作为相似度标准。3 ) 实例筛选目的是对相似实例工艺作初步处理，保留 与新零件相匹配的特征对应的工艺，删除不匹配特征对应的工艺。4 ) 实例工艺修正包括 定位装夹表面的确定、加工顺序调整、未匹配特征工序( 工步) 的补充、工步重新排序、 设备与工装重选等任务，工序( - t 步) 的补充可创成获取，或检索相似特征获取。 蔡力刚所提出的方法比较全面地考虑了零件几何属性和： 艺属性，建立在实例树分类 基础上，并采用了正、反向顺序匹配方式，使检索出的实例能够准确地匹配当前零件。 b h u m m l 6 1 针对回转体零件提出了基于实例和创成式的混合式c a p p 系统，系统首先 检索相似的零件工艺，以实例工艺修改的计算代价最小作为实例相似的标准，在相似 艺 需要修改和不存在相似工艺情况下，应用创成式方式完成工艺修改或整个工艺生成。黑板 结构是知识推理模型的核，0 ，零件信息、工艺知识信息、规则知识调入黑板，系统根据这 些动态知识执行推理过程。系统的组成如图1 4 所示。 g e n e r a t i v ec o m p o n e n t ( p l a n n i n ga n dm o d i f i c a t i o n ) v 叫 d e t e n n i 吨n a t l 。o ”1 5 7 l t t s o z g , 。 图1 - 4 混合式工艺系统的结构 m m a r e f a t 和j b r i t a n i k ”1 开发出了棱柱体零件基于实例推理的c a p p 系统。首先采用 面向对象技术表达三维棱形零件，基于特征理解的多样性，零件作为可行表达的集合，每 一个可行表达包含一组特征、特征间关系、工程信息( 公差、尺寸) 。工艺设计步骤包括： 1 ) 生成每一个可行表达的工艺计划 根据特征交互关系和特征可达性，将特征排序： 对每一个特征应用基于实例推理生成加工工艺链； 为加工工序选择适当刀具； 通过聚合特征加工计划，生成本次零件表达的全局工艺计划； 2 ) 从所有可行表达的工艺计划中选择最适合的零件工艺计划。 o 浙江大学博卜学位论文： 定制生产下工艺可重用理论、方法及关键技术研究与应用 特征工艺计划的合并借助于建立层次式计划图来完成，第一层次排序出特征的加工计 划，第二层次将特征计划归类到相应的装夹组中，第三层次特征计划归并到刀具组中，由 此形成的全局计划能够达到夹具和刀具改变次数为最少。 m a r e f a t 提出的方法优点在于：1 ) 针对箱体零件复杂结构，采用化繁为简的方法，为 箱体类零件的工艺设计提供了有效途径。2 ) 在计划生成过程中综合考虑了装夹和刀具因 素，使工艺方案尽可能优化。 1 4 2 工艺设计中系统结构的可t 用分析 系统框架的通用化或者系统功能模块化是实现工艺系统可重用的途径，它利用了软件 重用的思想。从6 0 年代提出软件复用的思想以来，人们就致力于研究基于软件组件的集成 系统但直到8 0 年代出现了面向对象技术以及组件技术以后软件复用的研究才获得了重 大进展i ”6 i 。 目前工艺系统可重用的实现方式是工艺设计系统开发工具( 也称工艺设计系统工具 化) 的研制，主要有三种典型的模式1 l ，即通用外壳型、模块组合型和语言型。 ( 1 ) 通用外壳型的系统结构重用方式 在外壳型工具系统中，知识表达方式、工艺推理过程和策略都是固定模式，开发者向 用户提供系统框架，用户根据制造环境按规定格式输入工艺知识和数据，即可构成面向特 定加工对象、制造环境和工艺习惯的c a p p 系统。这种模式的优点是系统开发的技术难度 和规模较小，实现容易。但由于系统主要功能模块已固化在程序中，因而仍具有一定的针 对性和局限性。葛友华1 1 1 - 1 1 ，王先逵i “3 i ，王云莉i i 等提出的方法属于这一类型。 葛友华i l l i 提出了一个通用c a p p 系统结构，基本思想是将企业信息划分为两类，一类 是与企业无关信息，涉及通用知识、经验以及工艺规则，这部分信息固化在程序中：另一 类是与企业有关的信息，涉及企业制造资源的现状、工艺路线优化等。系统具有资源适配 器模块，资源适配器在初始化时采集数据、优化规则、确定系统具体功能。系统的重用性 就体现在适配器能够针对不同的企业和生产状况初始化系统，形成特定的方法集，同时， 系统的规则、功能可以进行自我扩充。这种通用工艺设计系统优点是：1 ) 资源适配器具有 学习、更新和扩充功能，从而可适应不同企业的应用：2 ) 通过资源适配器初始化工作完成 应用配置，而不是通过系统结构( 软件模块) 的调整完成，这种“软适应”使系统更具柔 性。但这种通用系统要完全实现适配器的自适应功能是很困难的，因此，系统功能仍具有 局限性。 王先遗 1 6 3 1 从建模角度提出了信息元法构建c a p p 系统框架。信息元是对象属性名、描 述值以及属性名与描述值之间关系集合的封装体，而传统的实体信息模型是针对具体对象， 从对象具体属性出发建立的。从图1 5 中零件信息表达可以看出信息元模型是实体信息模 第一章绪论 型的抽象。零件信息表达、工艺规则、制造资源以及知识均可采用信息元模型，通过信息 元模型建立的c a p p 系统框架具有较高的通用性。应用“系统框架+ 实施”的模式，实施 的过程就是根据企业环境和具体需求，对系统构件分别进行实例化的过程。该方法的性能 主要取决于各构件信息元模型的建立。 零件一信息元 图1 5 零件信息元模型和实体信息模型比较 王云莉6 一i 提出了由构造工具系统和用户框架系统组成的工艺设计系统工具。构造工具 属于系统级，对用户c a p p 系统功能进行定义和描述，包括零件信息描述构造工具、一 艺 决策构造工具、资源构造工具等，这部分对不同的用户和环境是固定的。用户框架属丁执 行级，完成具体的工艺设计，它根据加工环境对象读取设计信息，调用系统级的规则、加 工信息字典进行工艺生成及输出，用户框架可以向特征定义和工艺字典追加内容。 模块组合式的系统结构t 用方式 模块组合式工具系统将设计方式、制造资源、零件信息描述、工艺管理、输出、川户 定制、总控等功能构造为相对独立的模块，为工艺过程设计提供足够多的通用功能组件。 它借鉴了硬件“即插即用”集成模式，将实现各个功能的软件封装成组件，这些组件具有 可重用性。根据不同的企业生产类型或不同的应用对象，重组这些功能组件可快速重构形 成相关领域内c a p p 系统。这种开发工具方式优点是灵活、适应性强。但系统的设计难度 和开发规模较大。倪中华m ”，魏志强i ”o i ，奚立峰1 1 7 1 1 等提出的方法均属这一类型，e l z h a o l 2 4 】 提出的协同代理模型也属于模块组合式的范畴。 倪中华呻s j 丰日据传统c a p p 系统无法适应敏捷制造生产的问题，提出了应用重构技术建 立c a p p 系统的思想，从三个方面解决系统的适应性问题：1 ) 提供多种零件信息描述方法， 以及新特征自定义功能；2 ) 具有用户定制功能的制造资源模型，广义资源库包括行业类制 造资源，本地资源库允许用户依据具体环境建立制造资源类型：3 ) 多种形式的工艺决策方 式，提供派生式、检索式、半创成式设计方式，增强系统适应性。这些功能模块具有各自 的独立的功能，并可重组和重新配置。该方法在一定程度上解决了c a p p 系统通用性和适 应性问题。但系统中的工艺决策方法仍以交互修改为主的方式，自动化程度受到限制，影 2 浙江大学博士学位论文：定制生产下工艺可重用理论、方法及关键技术研究与应用 响整个系统的：r 作效率。 魏志强等人 oo 开发了基于组件重构的c a p p 框架j 具系统，将信息集成、信息输入、 工艺决策、工艺输出、资源管理等系统功能组件化，每个组件中还包含有多个子组件单 元，如工艺设计组件有检索式、派生式、创成式子组件。通过子组件单元的重新配置，实 现工艺设计系统用户实例化。另外，用户也可对组件库进行定制。该系统工具概括了全面 的功能配置，包括了与c m s 其它系统的集成工具，是一个较为理想的理论模型。 翼立峰i r t 2 l 等人从功能抽象角度提出了功能元方法，将功能和数据对象封装在一起， 对功能元的操作只是数据流的输入输出。功能元实例化的工作就是分析功能元的信息流和 执行操作，并填入功能元的表格。该方法将系统转化为各种功能元这种抽象的功能元可 以用于不同工艺设计系统的模型中。功能元建模描述方法的优点是容易实现面向对象的编 程，困难在于功能元的抽象以及组织。图1 - 6 是零件定义数据的功能元表达。 名 r零件定义陵型数据生成 父规8目 功自e生成零件定义模型数据 如 输入读特征定义 识 输出 数输入 读入s t e p 文件 据 读入零件定义数据 输出 模型输入 数据输出输出零件模型数据 交互输入 数据 输出 图1 6 零件定义数据功能元 e l z h a o l 2 1 提出了工艺设计的协同代理模型，协同代理系统将任务分配到多个特定子 任务代理机上，并由各个代理的协作共同完成复杂的任务。每个代理拥有自己的知识库和 执行特定任务的推理机。所开发的c o c a p p 系统由黑板代理( b - a g e n t ) 、通讯代理( d a g e n t ) 和六个功能代理组成如图1 7 所示。黑板代理起着协调、共享数据管理、冲突解决的作 用，系统建立了解决规则以便处理代理领域间以及公共领域内所发生的冲突问题。 协同代理设计方式有效地解决了系统的柔性化、模块化、开放性、集成化、设计并行 化问题，用户根据企业制造环境配置功能代理，并能允许定制新的工艺知识和设计方式。 就每一个代理来说因为只涉及特定的功能，因而减小了系统的开发难度。协同代理式工艺 系统的难度以及系统工作的质量在于协调控制以及冲突的解决。 ( 3 ) 语言型的系统结构重用方式 语言型工具系统是指设计者根据自己的需要，利用开发工具设计具体的推理过程和知 识表示模式，相当于更专门、更高级的程序设计语言。优点是开发者具有较大的自由度， 但缺点是开发工作量和难度较大，要求系统开发者既是经验丰富的工艺师，又是训练有素 的软件工程师。因此实际中这种类型的研究和应用很少。 曩 l 孕一 整+ 第一章绪论 图1 7c o c a p p 系统组织结构 工艺过程设计中系统结构的可重用涉及到工艺设计系统的各个方面，应从统的零件 信息模型、面向对象的软件开发模式、丰富的系统功能与资源、灵活的适应与扩充能力等 方面改善系统的开发机制，提高系统的可重用性能。本文对系统结构可重用不做详细的研 究和探讨，将研究重点集中在工艺方案可重用技术。 1 5 现有工艺方案可t 用技术有待完善之处 从以上分析可以看出，工艺方案可重用在理论及技术方法上的研究已取得一定的进展， 并产生了不少算法和应用系统。但是，针对定制生产下产品多变的制造环境和快速设计的 要求，现有的工艺可重用技术尚有诸多有待完善之处： ( 1 ) 对多品种、小批量生产方式考虑不足 定制生产下产品的多品种、小批量，导致了零部件数量和种类急剧增大。如果未经科 学组织，产品的信息是庞大而无序的，反而阻碍了信息重用的使用效果。工艺可重用应从 产品结构重组、成组技术以及相似推理手段多方面加以研究，而已有的研究仅局限于实例 推理技术。至令对工艺可重用技术还没有较为系统的研究。 ( 2 ) 对于支持工艺可重用，零件信息模型缺乏