華中科技大學碩士學位論文面向MES的模具CAPP系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)姓名：XXX申請學位級別：碩士專業(yè)：材料加工工程指導教師：XXXX華華中科技大學碩士學位論文II摘 要實時監(jiān)控與優(yōu)化調度是解決模具企業(yè)生產管理問題的有效措施，而模具的加工工藝信息是調度與控制車間生產過程的基礎數據。常規(guī)的模具制造工藝規(guī)劃系統(tǒng)只是從加工路線的角度編制工藝，忽略了車間作業(yè)計劃對加工工藝信息的需求，從而影響了車間作業(yè)優(yōu)化調度的可行性和合理性。要解決這一問題，就必須從車間作業(yè)優(yōu)化調度與控制的角度，研究開發(fā)面向制造執(zhí)行系統(tǒng)MES的模具CAPP系統(tǒng)。本文研究了模具企業(yè)信息化的發(fā)展現(xiàn)狀，總結了PP的原理、特點、存在的問題、發(fā)展趨勢及近年來模具PP的應用情況。通過對典型模具企業(yè)的深入調研，系統(tǒng)分析了模具制造工藝的特點和工藝設計流程，探討了車間作業(yè)計劃對加工工藝信息的需求總結了面向MES的模具CAPP系統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)原則和功能組成在此基礎上，提出了基于實例推理的交互式工藝設計方法，研究了工藝實例的表達、搜索與改寫技術，有效提高了工藝設計的效率；提出了工藝規(guī)劃中的工序相關性約束的定義，研究了工序相關性問題的描述與檢查技術；提出了資源和資源集的概念，采用面向對象的方法分析了資源的屬性及數學描述?；谏鲜鲅芯砍晒詄Man模具企業(yè)生產管理系統(tǒng)為背景在J2EE平臺上采用MVC架構實現(xiàn)了面向MES的模具CAPP系統(tǒng)并將其成功地應用于多家模具企業(yè)，取得了良好效果。關鍵字：CAPP 模具 車間作業(yè)調度與控制 工序相關性 CBR MESIIIIAbstractJobShopScheduling(JSS)isthemostiportantandefectiveeasuretosolvetheproblesofproductionanageentofouldcopanies.TheinforationofprocessplanningisthebasisofJobShopScheduling.Howeve,intraditionalprocessplanningsyste,theprocessinforationisnotorientedtoJSS,whichresultsinthatthelanadebyJSSisinesible.Inrertosolethisprole,itisnecearytodevlopaMES-rietedCAPPsystemforDie&MouldfromtheviewofJobShopScheduling.Theprinciple,developenttrendsofcoputeraidedprocessplanninganditscharacteristicsarefirstsurveyedinthispape.econdlybasedontheinvestigationtoseveraltypicalouldcopanies,thecharacteriticsofprocessplanningforouldareanalyzed,andtherequireentstotheprocessingplanningdtaarediscussed.ConsequentlyallfunctionalrequireentsoftheCAPPsystemandtheprincipleofdevelopentarethenputforwarded.Thirdl,CBR-basedCAPPispresentedandusedtoenhancetheeficiencyofprocessplanning,aftertheethodofcasemodeling,earchandmodificationarediscussed.Then,thedescriptionofoperationrelativityisrepresentedandtheethodologytodealwithoperationrlativityissearced.Finall,basedontedenitionofreourceandesoureset,thedataforCAPPisconstructedwithobject-orientedethod.Basedontheresearchentionedabove,aMES-orientedCAPPforMouldwasdevelopedbyusingMVCarchitectureandJ2EEplatfor.IthasbeenintegratedwitheMan(asystemfortheproductionanageentofDe&Mould),andipleentedsuccessfullyinsoemouldcopanies.Keyords:CAP,mould,JobShopScheduling,operationrelativit,CBR,MES獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果盡我所知除文中已經標明引用的內容外本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的研究成果對本文的研究做出貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。學位論文作者簽名：張建杰日期：2006年4月17日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本論文屬于

保密□，在 年解密后適用本授權書。不保密√。華華中科技大學碩士學位論文（請在以上方框內打“”）學位論文作者簽名：張建杰 指導教師簽名：李建軍日期：2006年4月17日 日期：2006年4月17日華華中科技大學碩士學位論文PAGE18PAGE181 1.1模具企業(yè)信息化發(fā)展現(xiàn)狀模具是工業(yè)生產的基礎工藝裝備,家用電器行業(yè)的80%零件、機電行業(yè)的70%以上零件都要靠模具加工據國際生產協(xié)會的預測,21世紀工業(yè)產品零件的75%的粗加工、50%的精加工將由模具完成；因此，模具被稱之為”百業(yè)之母”[1。模具又是”效益放大器”,用模具生產的最終產品的價值,往往是模具自身價值的幾十倍上百倍近十多年來,美國日本德國等發(fā)達國家的模具總產值已超過機床總產值模具技術進步極大地促進了工業(yè)產品生產發(fā)展,因而深受贊譽美國工業(yè)界認為”模具工業(yè)是美國工業(yè)的基石”,在日本,模具被譽為”進入富裕社會的原動力”。可見模具工業(yè)在世界各國經濟發(fā)展中具有極其重要的地位模具生產技術水平的高低,模具生產的工藝水平及科技含量的高低,在很大程度上決定著產品的質量、效益、新產品的開發(fā)能力?？偠灾＞呒夹g已成為衡量一個國家產品制造水平的重要標志之一[2]。在以信息化促進工業(yè)化的思想指導下，技術信息化在模具企業(yè)逐漸得到應用。目前具有一定規(guī)模的模具企業(yè)，模具設計制造基本都使用CAD/CAM技術，并且很多企業(yè)已經全面采用Pro-E等三維設計軟件有效集成D與M部分企業(yè)已經開始使用E技術分析模具設計結果但與日本美國和德國相比在這些技術的應用上仍存在較大差距[3。隨著市場競爭的加劇，對模具企業(yè)的生產周期、成本、質量提出了更高的要求，管理水平已成為企業(yè)發(fā)展的瓶頸。由于模具企業(yè)的行業(yè)特征帶來的生產復雜性，使得管理信息化已成為提高管理水平的必由之路。歐美的模具企業(yè)，基本上實現(xiàn)了計算機管理。從生產計劃、工藝制定到質檢、庫存、統(tǒng)計等，普遍使用了計算機，公司內各部門可通過計算機網絡共享信息。但我國模具行業(yè)起步晚，基礎比較薄弱，模具企業(yè)的管理仍處于比較低的水平的階段，實際上與國際水平相比,模具企業(yè)的管理落后更甚于技術落后[4]目前大多數企業(yè)信息化仍停留在設計制造等單個功能單元功能單元信息化技術如CAD/CAM等的普及程度遠高于企業(yè)信息化管理技術。另外，較早實施管理信息化的企業(yè)，由于缺乏合適管理系統(tǒng)和合理規(guī)劃，也大多局限在財務、物料等職能部門使用。“十五”期間國家進一步加大了對企業(yè)信息化的支持，大部分企業(yè)意識到了實施管理信息化的重要性，國內的不少模具企業(yè)也開始嘗試著引進相應的MRPⅡ/ERP系統(tǒng)，取得了一定的效果但由于這些管理系統(tǒng)一般是基于通用行業(yè)MRPⅡ/ERP的系統(tǒng)或由財務軟件過渡而來的ERP系統(tǒng)，對于基于訂單的單件多品種模具制造業(yè)來說并不是特別合適。隨著企業(yè)應用的深入，發(fā)現(xiàn)了許多新的問題。例如上層生產計劃管理受市場影響越來越大，明顯感到計劃跟不上變化；面對客戶對交貨期的苛刻要求，面對更多產品的改型，訂單的不斷調整，企業(yè)逐漸認識到計劃的制訂要兼顧于市場和實際的作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)同時MRPⅡ/ERP軟件主要是針對資源計劃它們能處理昨天以前發(fā)生的事情(作歷史分析)也可以預計并處理明天將要發(fā)生的事件但對今天正在發(fā)生的事件卻往往不能給出及時響應和處理。因此不少科研單位和公司開始研究開發(fā)適合于模具行業(yè)的管理信息系統(tǒng)，并取得了一定的成效。模具企業(yè)雖然規(guī)模不大，但其行業(yè)特征導致模具生產過程復雜多變，工序眾多，計劃易變，難以有效管理和控制。因此，對于模具企業(yè)而言，生產過程管理是模具企業(yè)信息化的重點，車間計劃和控制是其中的重中之重，尤其是如何編制合理可行的動態(tài)車間作業(yè)計劃。集成了ERP和MES各自優(yōu)勢的綜合性管理信息系統(tǒng)是其發(fā)展的方向。CAPP是一個將產品數據轉換成面向制造的指令性數據的重要環(huán)節(jié)，作為實現(xiàn)設計、生產一體化的關鍵，它不僅是信息集成的中樞，也是綜合性管理信息系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間功能協(xié)調的紐帶[5]。這就要求CAPP系統(tǒng)能夠與實現(xiàn)動態(tài)車間作業(yè)計劃的MES系統(tǒng)有效地集成在一起，向MES系統(tǒng)提供完善的工藝信息。因此要在模具企業(yè)發(fā)展綜合性管理系統(tǒng)必須實現(xiàn)面向MES的模具CAPP系統(tǒng)，并以CAPP為基礎實現(xiàn)生產信息的集成。1.2 CAPP概述1.2.1 CAPP的工作原理CAPP是計算機輔助工藝過程設（CoputerAidedProcessPlannin的簡稱是利用計算機技術輔助工藝人員設計零件從毛坯到成品的制造方法，是將企業(yè)產品設計數據轉換為產品制造數據的一種技術。通常，可以將制造企業(yè)分為五個層次，即：工廠層、車間層、單元層、工作站層和設備層。企業(yè)的不同層次對CAPP有不同的應用需求，不同應用層次對CAPP的需求是不同的，因此了解PP系統(tǒng)的基本原理、主要特點和應用場合，選擇恰當工作原理和方法開發(fā)CAPP系統(tǒng)是至關重要的[6]CAPP系統(tǒng)按其工作原理可以分為以下五大類：交互式CAPP系統(tǒng)、派生式CAPP系統(tǒng)、創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)、綜合式CAPP系統(tǒng)和CAPP專家系統(tǒng)。1）交互式CAPP系統(tǒng)采用人機對話的方式，基于標準工步、典型工序進行工藝設計，工藝規(guī)程的設計質量對人的依賴性很大。2）變異型CAPP系統(tǒng)亦稱派生式CAPP系統(tǒng)。它是利用成組技術將工藝設計對象按其相似性（例如，零件按其幾何形狀及工藝過程相似性；部件按其結構功能和裝配工藝相似性等分類成（簇為每一（簇對象設計典型工藝并建立典型工藝庫當為具體對象設計工藝時CAPP系統(tǒng)按零（部件或產品信息和分類編碼檢索相應的典型工藝，并根據具體對象的結構和工藝要求，修改典型工藝，直至滿足實際生產的需要。圖1.1是派生式CAPP系統(tǒng)的基本原理圖[7]圖1.1派式CAPP系的基本原理圖3） 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是根據工藝決策邏輯與算法進行工藝過程設計的，它是從無到有自動生成具體對象的工藝規(guī)程創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)工藝決策時不需人工干預，因此易于保證工藝規(guī)程的一致性。但是，由于工藝決策隨制造環(huán)境變化的復雜性，對于結構多樣復雜的零件實現(xiàn)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)非常困難圖1.2是創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的基本原理圖。圖1.2創(chuàng)式CAPP系的基本原理圖創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的關鍵在于系統(tǒng)決策邏輯的建立現(xiàn)有的決策邏輯有以下兩種：過程邏輯、決策樹。過程邏輯是對工藝進行一系列分析判斷的過程，其實現(xiàn)較簡單，一般用于邏輯過程比較確定而且邏輯過程不復雜的情況下。但這種創(chuàng)成式PP系統(tǒng)不易于維護，因此，過程邏輯的應用受到一定的限制。在決策樹的決策邏輯中，根據零件工藝的變化，用戶可以自己修改、補充零件的工藝設計。因此，這類PP系統(tǒng)得到了較多的應用。4） 綜合式CAPP是將派生式創(chuàng)成式和交互式CAPP的優(yōu)點集為一體的系統(tǒng)，目前，國內很多CAPP系統(tǒng)采用這類模式。5） CAPP專家系統(tǒng)。PP專家系統(tǒng)是一種基于人工智能技術的CAPP系統(tǒng)，也稱智能型CAPP系統(tǒng)。專家系統(tǒng)和創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)都以自動方式生成工藝規(guī)程，其中創(chuàng)成式PP系統(tǒng)是以邏輯算法加決策表為特征的，而專家系統(tǒng)則以知識庫加推理機為特征的。1.2.2國內外研究現(xiàn)狀及存在的問題1)國內外研究現(xiàn)狀PP的開發(fā)、研制是從60年代末開始的，在制造自動化領域，CAPP技術的發(fā)展落后于其它技術。世界上最早研究PP的國家是挪威，始于1969年并于1969年正式推出世界上第一個CAPP系統(tǒng)PS系統(tǒng)1973年正式推出商品化的AUOPROS系統(tǒng)美國是上世紀60年代末70年代初開始研究CAPP的，并由CAM-I公司于1976年推出CAPP發(fā)展史上具有里程碑意義的CAM-I’SAutoateProcessPlanning（PP）系統(tǒng)[8]。我國對CAPP的研究始于80年代初，迄今為止在國內外學術會議刊物上發(fā)表的CAPP系統(tǒng)已有50多個但被工廠企業(yè)正式應用的系統(tǒng)只是少數，真正形成商品化的CAPP系統(tǒng)還不多[9。90年代中后期，制造業(yè)的企業(yè)信息集成成為大家關注的熱門話題，在一些企業(yè)實施了企業(yè)級的MES或MRPⅡ甚至ERP軟件后，發(fā)現(xiàn)CAPP成為阻礙企業(yè)信息化建設的瓶頸有些專家在90年代中后期重新衡量了CAPP軟件在企業(yè)內應發(fā)揮的作用逐步拋棄了傳統(tǒng)的PP的研究方法，開發(fā)重點從注重工藝過程的自動生成，轉向為工藝設計提供軟件工具，同時為企業(yè)的信息化建設提供服務[10]。近年來隨著計算機集成制造系（CIMS并行工（CE智能制造系（IMS、虛擬制造系統(tǒng)（VMS、敏捷制造（M）等先進制造系統(tǒng)的發(fā)展，無論從廣度上還是從深度上都對CAPP的發(fā)展提出了新的要求這些要求體現(xiàn)在CAPP的發(fā)展趨勢上。2)存在的問題 目前在企業(yè)中應用的CAPP系統(tǒng)主要存在以下問題[1]-[13]：未提供與其他企業(yè)信息化系統(tǒng)的接口；未提供與企業(yè)常用軟件集成運行的支撐環(huán)境；不支持并行設計模式；大量工藝數據的維護、查找困難；由于各分系統(tǒng)的數據庫獨立，不能有效實現(xiàn)信息共享而且存在數據重復由于工藝設計過程中存在大量的復雜更改，無法確保設計人員使用的是最新數據。1.2.3 CAPP技術未來的發(fā)展趨勢CAPP技術未來的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)在以下幾點：1)集成化趨勢計算機集成制造（M）是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢。因此，未來的CAPP系統(tǒng)除了與CD和CAM集成以外，還應能與PDM（產品數據管理系統(tǒng)、MI（管理信息系統(tǒng)等集成這種集成已經不是普通意義上的集成而是統(tǒng)一在工程數據庫上的集成?；跀祿?，能與其他系統(tǒng)集成，共享產品數據，這是PP集成化的發(fā)展方向。目前現(xiàn)有CAPP集成化的研究與開發(fā)，基本集中在CAD/CPP/CAM系統(tǒng)的研究與開發(fā)上即傳統(tǒng)的3C集成這種集成只是局部的集成難以真正實現(xiàn)與PDM、MIS等相關系統(tǒng)對產品工藝信息的全面集成和與產品設計、工藝設計、生產計劃調度的全過程集成[14。CAPP的集成應用是關系到CAPP應用水平的關鍵因素面向產品信息的CAPP集成目標首先是實現(xiàn)工藝部門內部的信息共享及工藝設計與管理的一體化，工藝數據必須做到一次輸入互相關聯(lián)全程共享并具有統(tǒng)一的數據結構CAPP系統(tǒng)必須實現(xiàn)這一層次的集成應用。CAPP集成應用的第二層次是CAPP與CAD的集成CAPP必須能讀取D產生的產品結構信息與圖形信息，避免重復輸入。PP集成應用的第三層次是逐步實現(xiàn)與MRP/ERP等管理信息系統(tǒng)的集成，為這些系統(tǒng)提供產品結構樹、產品零部件工藝路線表、工時定額表、材料定額表、工裝匯總表、工藝明細表等工藝信息。2)并行化趨勢并行過程強調信息的及時傳遞與反饋，兩個系統(tǒng)之間并行交互反復迭代的過程實際上是宏觀上并行、微觀上串行的模式。并行工程環(huán)境下的CAPP系統(tǒng)不僅是信息集成的中樞，同時也是各子系統(tǒng)間功能協(xié)調的關鍵。并行PP必須面向制造面向成本面向產品進行設計它向上能對CAD的設計結果進行可制造性評價，同時還應具備對不合理的設計（如結構、尺寸公差、精度、可用資源等）提出修改建議，供設計者參考以保證產生一個完善的設計結果。它向下應能接受來自M、D等方面的信息以控制一個工藝設計過程從而實現(xiàn)工藝設計的技術合理性加工工藝的經濟性與制造資源的可用性。階段性設計結果的預發(fā)布是進行工藝設計的重要手段之一，它保證了各設計子系統(tǒng)盡可能并行工作的實現(xiàn)。網絡化的系統(tǒng)環(huán)境是實現(xiàn)并行的基礎[1]。3)面向產品的趨勢傳統(tǒng)的采用以零組件為主體對象的CAPP應用模式，在企業(yè)只能是局部的應用CPP的應用缺乏應用的廣度從而使CAPP的發(fā)展缺乏堅實的實踐基礎從企業(yè)發(fā)展長遠看PP應用應從以零組件為主體對象的局部應用走向以整個產品為對象的全面應用，實現(xiàn)產品工藝設計與管理的一體化，建立企業(yè)制造工藝信息系統(tǒng)?？傊嫦虍a品的CAPP系統(tǒng)首先應是以產品工藝數據為中心的集工藝設計與信息管理為一體的交互式計算機應用系統(tǒng)；其次，面向產品的PP應能以產品結構樹為組織管理的核心，從工藝因素和其他相關因素方面實現(xiàn)面向產品級的工藝決策[16。4)智能化趨勢建立以交互式CAPP為基礎的制造工藝信息系統(tǒng)，并不排斥在CAPP智能化方向的努力在建立豐富的工藝知識庫基礎上應用各種人工智能決策技術，實現(xiàn)各階段各種有效的智能化在線輔助，仍是CAPP發(fā)展的重要目標[17]。CPP所涉及的是典型的跨學科的復雜問題不僅業(yè)務內容廣泛而且許多決策極大地依賴于專家的個人經驗、技術和技巧。另一方面，制造業(yè)生產環(huán)境的差別，要求CAPP系統(tǒng)具有很強的適應性和靈活性依靠傳統(tǒng)的過程性軟件設計技術如利用判定表和判定樹進行工藝及決策軟件設計等，已經遠遠不能滿足工程的實際對PP的需求。而專家系統(tǒng)技術以及其他人工智能技術在獲取、表達和處理各種知識的靈活性和有效性方面給PP的發(fā)展帶來了生機。目前人工智能技術已經越來越廣泛的應用于各類型的CPP系統(tǒng)之中。將人工神經元網絡理論、模糊理論、黑板理論與實例推理等方法用于CAPP系統(tǒng)的開發(fā)實踐表明CPP的智能化應是以交互式為基礎以知識庫為核心，并采用檢索、修訂、創(chuàng)成等混合決策技術形成基于知識庫的智能化交互式CAPP系統(tǒng)框架才能真正理順先進性與實用性普及與提高等各方面的關系滿足企業(yè)對CAPP廣泛應用于集成的需求。其結構圖如圖1.3所示。圖13智化交互式CAPP結構框圖5) 工具化趨勢通用性問題是PP面臨的主要難點之一，也是制約CAPP系統(tǒng)實用化與商品化的一個重要因素[18為此有人提出CAPP專家系統(tǒng)建造工（PPExpertSystemBuildingools）的思路，這個問題的實質是，如何使CAPP系統(tǒng)各工藝決策系統(tǒng)（如推理機）與系統(tǒng)所需的工藝資源數據（如工藝資源庫）與規(guī)則知識（工藝規(guī)則庫）完全獨立，只有解決了這一點，才能使PP系統(tǒng)具有通用性。使用統(tǒng)一標準的工藝知識庫平臺，具有友好統(tǒng)一的人機界面，具有功能強大的數據與知識庫管理系統(tǒng)，才能便于用戶對各種工藝數據與知識的獲取、表達、管理與維護等。另外系統(tǒng)除了可以按標準格式輸出工藝文件外，還應可以輸出由用戶自己定義的工藝文件。1.3 MES概述如何更好地控制車間的生產，找出影響產品品質和成本的問題，提高計劃的實時性和靈活性，同時又能改善車間生產的運行效率，是MES技術應運而生的背景。制造執(zhí)行系統(tǒng)ME（ManufacturingExecutionSyste是處于計劃層和車間操作控制層之間的執(zhí)行層，主要負責生產管理和調度執(zhí)行。它通過控制包括物料、設備、人員、流程指令和設施在內的所有工廠資源來提高企業(yè)競爭力，并提供了一種在統(tǒng)一平臺上集成諸如質量控制、文檔管理、生產調度等功能的方式。從而實現(xiàn)企業(yè)實時化的ERP/MES系統(tǒng)。上個世紀90年代初期美國先進制造研究機（AMR通過對大量企業(yè)的調查發(fā)現(xiàn)，完善的企業(yè)生產管理系統(tǒng)，普遍由以下三種軟件構成：以ERP、MRPⅡ為代表的企業(yè)管理軟件以PLCS為代表的生產過程監(jiān)控軟件以及實現(xiàn)操作過程自動化、支持企業(yè)全面集成的MES軟件根據調查結果AMR于1992年提出了三層的企業(yè)集成模型。圖1.4三的企業(yè)集成模型1)計劃層。也是決策層使用的管理工具，主要應用系統(tǒng)是ERP、CRM、SCM、BPM（企業(yè)績效管理）等。2)執(zhí)行層通過使用ME（制造執(zhí)行系統(tǒng)在計劃管理層與底層控制之間架起一座橋梁。3)控制層。以PLC、S為代表的生產過程監(jiān)控軟件。MES作為面向制造的系統(tǒng)必然要與企業(yè)其他生產管理系統(tǒng)發(fā)生密切關系MES在其中起到了信息集線（InforationHu的作用它相當于一個通訊工具為其他應用系統(tǒng)提供生產現(xiàn)場的實時數據[19]MES本身也是各種生產管理的功能軟件集合可歸納為十一個主要的功能模塊，包括工序詳細調度、資源分配和狀態(tài)管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文檔控制、產品跟蹤和產品清單管理性能分析以及數據采集等MES的功能模型如圖1.5所示從圖1.5中可看出，MES與其他分系統(tǒng)之間有功能重疊的關系如MESCRM和ERP中都有人力資源管理，MES和PDM兩者都具有文檔控制功能，MES和SCM中也同樣有調度管理，等等。圖15MES功能模型1.4 模具CAPP的研究現(xiàn)狀由于國內模具CAPP技術發(fā)展起步比較晚，對模具CAPP技術的研究較少，因此大部分模具制造企業(yè)對PP系統(tǒng)的應用情況并不令人樂觀；部分企業(yè)在計算機技術和D的應用較為普及以后工藝設計成為企業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)仍然采用手工設計方式，CAPP的應用仍是空白雖然部分企業(yè)已認識到工藝設計的重要性并購買了部分商品化的CAPP系統(tǒng)，但由于企業(yè)對CAPP的認識還存在一些誤區(qū)，在CAPP的選擇和應用上還存在較多的誤區(qū)和較大的盲目性，主要表現(xiàn)在盲目追求設計自動化、最優(yōu)化，而不注重基礎數據的準備和人員素質的提高，不注重工藝數據的生成和管理；還有部分企業(yè)雖然已經比較成功的應用了PP系統(tǒng)，但是只是實現(xiàn)了工藝部門內部的信息共享及工藝設計與管理的一體化，或者只是實現(xiàn)了PP與D的集成，而沒有將CAPP系統(tǒng)與生產制造系統(tǒng)集成起來，因此還是“孤島式”地存在。從近年模具工業(yè)的發(fā)展來看，模具工業(yè)發(fā)展趨向于采用高新技術，特別是計算機集成環(huán)境下的模具CAD/CAPP/CAM技術[20，并把網絡技術和數據庫技術運用于模具生產過程中，實現(xiàn)模具生產全過程信息化管理?，F(xiàn)有的模具PP系統(tǒng)中采用的技術方案可分為兩種第一種是將CAPP與CADM系統(tǒng)集成在一起在isualFoxPro、isualC+或PowerBuildr等環(huán)境下開發(fā)而成以二維或三維模具零件圖和工藝文件作為模具零件信息的描述模型這種模具CAPP系統(tǒng)的零件信息描述受D零件圖文件格式的限制，適用范圍窄，而且以單個模具零件的工藝設計為目標，沒有考慮模具零件間的制約關系以及模具生產對不同類型模具工藝規(guī)劃側重點不同的特點。而且只能提供單人操作，不支持多人協(xié)同設計，制定的模具工藝設計規(guī)程單一，不能對模具零件工藝進行動態(tài)調整。第二種模具PP系統(tǒng)是用特征編碼的方法對模具零件進行信息描述建立模具零件的特征模型工藝規(guī)劃時由用戶輸入模具零件特征模型信息，CAPP系統(tǒng)對模具零件的特征模型進行解釋自動選擇模具工藝路線和工藝方案由于模具零件多，模具零件特征模型工作量大，用戶使用困難。因此這種PP系統(tǒng)很難達到實用。模具PP的智能化是近年來研究的又一個熱點，重點在于如何提高模具工藝的設計速度和水平，實現(xiàn)工藝知識的積累和再用。西北工業(yè)大學針對彩虹零件廠模具工藝設計的實際需求，開發(fā)了XYCH-CAPP系統(tǒng)，研究了面向對象的工藝信息建模技術和基于典型模具工藝的參數化工藝設計技術，有效提高了企業(yè)的工藝編制速度和工藝編制的標準化規(guī)范化程度[21]天津大學研究了基于實例推理的汽車覆蓋件模具CAPP系統(tǒng)的理論和方法，提出了基于特征的層次結構表示方法，利用關系數據庫進行動態(tài)存儲，采用最近相鄰算法進行實例的篩選[22]。在PP系統(tǒng)的集成化研究方面，四川大學制造科學與工程學院開展了面向生產管理的集成化CAPP系統(tǒng)的研究該系統(tǒng)基于PDM的集成化環(huán)境能夠為JIT和MIS、MRPⅡ等系統(tǒng)提供數據源。但其研究還只是解決了PP與生產管理的數據層面上的集成，并不是與其他信息系統(tǒng)如MIS、ERP和MES的真正意義上的集成[5]。綜上所述，現(xiàn)有的模具CAPP系統(tǒng)的研究主要集中在如何與/M集成、如何快速智能的進行工藝規(guī)劃而如何與管理信息系（MIS集成尤其是如何與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的集成研究尚少。1.5 課題目的與意義以及研究內容由前面分析討論可以看出CAPP系統(tǒng)與MES系統(tǒng)集成化的研究是非常有意義的。本課題的目的就是通過對模具企業(yè)工藝規(guī)劃過程和制造執(zhí)行系（MES的需求分析，確定CAPP系統(tǒng)方案并以此為基礎開發(fā)出實用的面向MES的模具CAPP系統(tǒng)以提高企業(yè)的工藝規(guī)劃水平和生產管理水平，縮短模具制造周期，保證交貨期，提高模具的制造質量，降低成本。為此本課題在教育部博士點基金、湖北省自然科學基金資助下，重點開展以下研究工作：1)調研并分析國內部分具有代表性的模具企業(yè)了解目前模具企業(yè)的工藝設計流程、信息化程度以及存在的問題，進一步明確企業(yè)對CAPP系統(tǒng)的需求2)分析MES系統(tǒng)對CAPP的需求提出面向MES的模具CAPP系統(tǒng)的功能組成3)進一步研究CAPP系統(tǒng)的智能化，提出基于實例推理的交互式工藝設計方案4)提出工藝規(guī)劃中的工序相關性問題研究工序相關性約束的定義描述和檢查，并提出處理方案5)提出面向車間作業(yè)計劃的資源描述和資源集的概念6)研究基于B/S模式的模具CAPP系統(tǒng)的體系結構以及實現(xiàn)方法。2 向MES的模具P系統(tǒng)分析2.1模具制造工藝特點及其對CAPP的需求2.1.1 工藝設計概述工藝設計是優(yōu)化配置工藝資源，合理編排工藝過程的一門藝術。它是生產技術準備工作的第一步，也是連接產品設計與產品制造的橋梁。以文件形式確定下來的工藝規(guī)程是進行工裝制造和零件加工的主要依據，它對組織生產、保證產品質量、提高生產率、降低成本、縮短生產周期及改善勞動條件等都有直接的影響，因此是生產中的關鍵性工作。工藝設計的主要任務是為被加工零件選擇合理的加工方法和加工順序，以便能按設計要求生產出合格的成品零件。工藝設計正處于產品設計和加工制造的接口處，必須分析和處理大量信息，既要考慮產品設計圖樣上有關零件結構形狀、尺寸公差、材料及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有關加工方法、加工設備、生產條件、加工成本及時間定額（工時定額甚至傳統(tǒng)習慣等方面的信息由于各種信息之間的關系極為復雜工藝設計時必須全面而周密地對這些信息加以分析和處理。企業(yè)工藝文件的形式多種多樣，繁簡程度也有很大區(qū)別，主要決定于生產類型。以機械加工為例：在單件小批生產中一般只編制綜合工藝過程卡，供生產管理和調度用。至于每一工序具體應如何加工，則由工人自己決定，對關鍵或復雜零件才制訂較為詳細的工藝規(guī)程。在成批生產中多采用機械加工工藝卡片。大批量生產中則要求完整和詳細的文件，除工藝過程卡外，對各工作地點要制訂工序卡片或分得更細的操作卡、調整卡以及檢驗卡等。各企業(yè)采用的工藝文件并無統(tǒng)一格式。工藝設計包含的內容和基本流程為由設計部門產生設計圖紙后，首先要轉到工藝部門進行工藝審查，其目的是了解設計圖上有關結構形狀、尺寸公差、材料及熱處理方法等方面的信息并進行工藝性分析和審查（工藝性是指所設計的產品在能滿足使用要求的前提下加工制造和維修的可行性和經濟性經過工藝審查后工藝部門提出修改意見返回設計部門進行設計圖的修改此時產生的工藝文件是“工藝審查記錄單”。工藝部門同時還要進行工藝總方案的設計及編寫，此時的工藝文件是“工藝總方案”修改后的設計圖紙轉到工藝部門后工藝還要進行工藝路線的編制及工藝規(guī)程的編制基于工藝規(guī)程工藝人員要完成如“設備匯總”“工裝匯總”等工作對需要進行工藝裝備設計的提出工裝申請，進行工裝的設計。在此之后，制造部門及物資供應部門將以此為依據，進行物資供應及生產的組織，調度。在生產過程中，部分工藝規(guī)程的內容會有所調整和修改，相應的工藝匯總文件必須進行適當的修改。所有的工藝文件都要經過設計、校對、批準、標準化、會簽等工作流程。產品經試制，修改到最后定型，相關的圖紙和文件要進行分類歸檔。定型后的工藝是不能隨意改動的，需修改時，同設計部門一樣需填寫“工藝更改通知單”。通常，產品都要經過如上的工藝設計過程，對于不同的企業(yè)，因其規(guī)模企業(yè)性質等的不同，工藝設計的具體過程可能有所不同，但內容大同小異。在工藝設計過程中產生的許多重要的工藝文件對指導企業(yè)制造系統(tǒng)和物料供應系統(tǒng)的調度有著直接的影響。工藝工作貫穿于企業(yè)的整個生產活動中，在各個方面都充滿著個性。工藝設計所涉及的因素不僅是大量的，而且是極其錯綜復雜的，如企業(yè)的生產類型、產品結構、工藝準備、生產技術發(fā)展等的影響，甚至受到管理體制的制約。上述因素中的任何變化，均可能導致工藝設計方案的變化。因此說工藝是企業(yè)生產活動中最活躍的因素。2.1.2模具制造工藝的特點由于模具零件形狀的復雜性及特殊性，在實踐中，很難將其制造工藝按某種固定的模式進行編制。各廠家因其設備狀況、技術水平不同，對相同的模具零件，所編制的工藝也可能完全不同。同一個模具零件可以有多種不同的加工工藝，制定制造工藝時需要考慮的因素多，很難確定一個通用的工藝方案。跟一般機械制造相比，模具制造工藝的明顯特點是：模具是一種典型的面向訂單的單件產品，幾乎每一次生產都帶有試制性需要經過設計制造試模修模的多次反復而且經驗依賴性強相關的模具零件間經常需要配做，加工工序相互關聯(lián)。2.1.3模具工藝對CAPP系統(tǒng)的需求模具產品的更新?lián)Q代周期越來越短，需求越來越多樣化，多品種單件生產的模具比重越來越大而且在當前模具企業(yè)的生產過程中工藝規(guī)程基本上都是手工編寫，計算機應用水平低，已遠遠不能滿足現(xiàn)在模具生產的需要。另外，新品生產的任務相當繁重，產品具有較高的相似性，有大量工藝需要在很短的時間內完成。由于工藝過程設計是一項技術性和經驗性很強的工作，長期以來，模具企業(yè)都是依靠工藝設計人員個人積累的經驗來完成的，要求設計人員具有豐富的生產經驗，熟悉企業(yè)內部各種加工方法及應用的設備使用情況，熟悉企業(yè)內部各種生產加工規(guī)范和相關規(guī)章制度，并能與各方面保持良好合作，這樣的工藝師大概需要5-10年左右的工作實踐。因此，模具加工的工藝編制成為制約企業(yè)發(fā)展提高效益的主要瓶頸之一。目前，這種工藝設計與管理方法與現(xiàn)代制造技術的發(fā)展要求不相適應，主要表現(xiàn)在：1) 生產準備周期長很難適應市場競爭機制工藝設計是由工藝人員手工逐件設計的，工藝文件的內容、質量以及編制時間取決于工藝人員的經驗和熟練程度，這種狀況導致工藝設計時間長工作效率低而且工藝設計工作重復繁瑣質量參差不齊，工藝設計質量得不到保證。2) 工藝設計要花費相當多的時間，但其中實質性的技術工作可能只占時間的5%-10大部分時間用于重復性勞動和填寫表格等事務性工作上這不僅加大了工藝人員的勞動強度，容易出錯，而且延長了產品的開發(fā)周期。3)難以保證文件的質量和實現(xiàn)規(guī)范化標準化同一零件由不同工藝員編制工藝時，往往得到不同的工藝文件，即使同一工藝員，每次設計結果也可能不完全相同。人工設計的工藝一致性差。4)繁瑣而重復的密集型勞動會束縛工藝人員的設計思想妨礙他們從事創(chuàng)造性工作。工藝人員的知識積累過程太慢，而為企業(yè)有效服務時間相對過短，因而不利于工藝水平的迅速提高。5)手工編寫工藝時還存在著查找和統(tǒng)計不方便等許多弊病往往曾經編寫過的模具零件工藝，其手工查找的時間還不如重新編寫一份更快，各種統(tǒng)計工作也長期困擾著工藝人員。因此，為縮短生產準備周期，提高工藝文件質量，并使廣大工藝人員從繁瑣重復的勞動中解放出來，模具企業(yè)急需引進PP技術，以提高工藝設計及技術管理的效率，保證工藝設計能夠迅速準確、完整地提供生產型工藝文件，管理性工藝文件，提高工藝規(guī)程的生成速度和質量，降低對工藝人員的工藝設計熟練程度的要求，并實現(xiàn)工藝文件的標準化、規(guī)范化，使模具工藝技術人員從繁瑣的重復性勞動中解脫出來，真正投入到工藝創(chuàng)新、優(yōu)化工藝等工作中。模具工件的加工工藝與工件的加工要求、工件的形狀、工件的材料、人員素質、設備狀況以及企業(yè)所處環(huán)境等都有密切的關系，自動生成模具工件的加工工藝是非常困難的。因此，如何快速合理地編制模具加工工藝，是模具PP系統(tǒng)需解決的關鍵技術問題之一。2.2 模具企業(yè)的信息化需求及其對CAPP的需求2.2.1 模具行業(yè)的特點模具企業(yè)是一種面向訂單的單件生產型企業(yè)，計劃的不確定性、以及設計制造過程對人員經驗的依賴性，使得模具企業(yè)盡管規(guī)模較小，管理卻非常復雜。幾乎每一套模具訂單的生產都是一種新產品的開發(fā)，都帶有實驗性，都需要經過了解客戶意圖，確定模具結構、報價、設計、物料準備、制造、裝配、試模、反復修模具等過程，直到模具能夠加工出合格的產品，如果模具在生產過程中出現(xiàn)問題，還需要進行再次修模?？傊?，模具的整個生產過程是一個復雜而又難以控制的過程，依賴生產人員的經驗?？蛻粲唵未_認方案設計

主計劃模具設計

物料采購工藝設計加工 外協(xié)試模 客戶統(tǒng)計分析

相關部門圖21模企業(yè)的一般生產過程模具企業(yè)的一般生產過程如圖2.1所示當模具企業(yè)接受到客戶的訂單信息后需首先根據客戶的需求，進行模具報價，并與客戶溝通，確定最終價格和交貨期，雙方滿意后簽定合同；然后，企業(yè)根據合同要求，制訂模具生產的主計劃，確定設計、采購、加工、試模等各個階段的完成時間，并將相關任務分配到相應的部門或人員；各部門根據這一計劃開展工作，當生產現(xiàn)場情況與計劃不一致時，就需適時調整計劃，確定解決方案，完成設計、采購、零件加工、裝配、試模等工作；最后，企業(yè)根據實際生產結果，收集并統(tǒng)計分析生產過程中的各類數據，為財務等工作提供所需數據。在企業(yè)實際生產過程中，設計、采購、加工等工作經常是并行進行的，以提高模具開發(fā)效率。盡管模具企業(yè)規(guī)模較小(企業(yè)員工數普遍在50-300右)，制造模具的原材料及零配件的類型不復雜而且模具設計任務的規(guī)模也不大但由于其單件多品種的特性，以及經驗的依賴性使得模具生產過程復雜多變。目前模具企業(yè)在其生產過程管理中，主要面臨著以下困難：1) 每套模具都是新產品，其開發(fā)過程中的不可控和不可預測的因素較多；2)有時生產車間有近百副模具在同時加工制造，多達幾千個零件的加工過程需要管理；3)模具制造過程復雜，對人員的經驗依賴性較強，經常出現(xiàn)變更要求，導致模具零件的加工過程變化頻繁、計劃穩(wěn)定性差；4) 模具訂單的隨機性，導致企業(yè)的生產計劃需不斷地調整；5) 隨著市場競爭壓力的增大客戶要求的交貨期越來越短精度要求越來越高。因此，一旦企業(yè)的訂單任務飽滿時，經常會出現(xiàn)顧此失彼的情況，無法有效地控制生產進度、保證交貨期。而要解決這一問題，就必須做到及時反映并響應變化、優(yōu)化地使用企業(yè)資源，實現(xiàn)企業(yè)生產過程的優(yōu)化管理。2.2.2模具企業(yè)的信息化需求模具企業(yè)雖然規(guī)模不大，但其行業(yè)特征導致模具生產過程復雜多變，難以有效管理和控制。因此，對于模具企業(yè)而言，生產過程管理是模具企業(yè)信息化的重點，有必要對其進行深入的研究。從我國模具行業(yè)信息化的現(xiàn)狀來看，模具企業(yè)生產過程管理還存在以下問題：1)缺乏項目管理軟件項目信息沒有共享進度不易控制基于功能單元和職能部門的信息化，造成信息孤島，部門之間難以及時進行溝通，經常造成窩工、返工或報廢等現(xiàn)象。2)缺乏生產計劃軟件難以進行整體的資源分配優(yōu)化目前模具企業(yè)為了保證交貨期，建立激勵型管理制度，通常采用項目組方式管理模具的生產過程。在項目組管理方法下，項目組考慮的是自己的利益，以保證各自的項目的進度為第一目標，對公共資源的申請，必然存在沖突，當生產管理人員面對上百套模具同時在車間加工時，沒有生產計劃軟件的幫助，調度時也很難從整體上考慮資源的分配。3)缺乏車間執(zhí)行系統(tǒng)難以合理地安排加班外協(xié)和考核績效成本控制能力弱。生產能力的評估和項目進度的預測能力的缺乏，導致加班和外協(xié)安排的不合理，增加模具成本。進行有效的員工績效考核是建立的激勵型薪酬機制的必要條件，但是使用手工的方法進行現(xiàn)場監(jiān)控，很難保證數據的準確性，員工績效考核也就很難進行。并且，缺少準確的成本數據，進一步降低了成本控制的力度。4)缺乏知識管理軟件使歷史數據保存困難而人員的流動又會造成企業(yè)知識的流失。模具的制造依賴經驗，對于人才流動比率比較高的企業(yè)，企業(yè)知識的積累更加困難[23]。2.2.3模具MES與CAPP的集成需求從信息系統(tǒng)應具有集成特性的觀點出發(fā)，PP系統(tǒng)與MES系統(tǒng)都不應該作為信息孤島存在[16]。故CAPP系統(tǒng)既應自身具有一定的完整性，同時還應具有集成性，實現(xiàn)信息的共享以具有更高的實用性[24][25]以面向MES的CAPP系統(tǒng)設計必須考慮與MES系統(tǒng)的信息集成。制造執(zhí)行系統(tǒng)能夠有效解決模具企業(yè)車間生產管理問題，關鍵是實時監(jiān)控車間生產情況，優(yōu)化調度與控制生產過程，而要達到這一目的，就必須有完整的模具加工工藝數據來保證。模具MES與CAPP集成后，模具企業(yè)的從設計到生產的一般工作流程如圖2.2所示圖22模企業(yè)設計到生產的流程其中工藝設計是模具CAPP的主要功能而生產排程和數據采集則是MES的核心功能。CAPP系統(tǒng)需要為MES系統(tǒng)提供完整的模具加工工藝數據；而MES采集到的實際加工數據，可以作為知識數據反饋給CAPP系統(tǒng)。CAPP系統(tǒng)為MES系統(tǒng)提供的模具加工工藝數據主要包括：1)加工工藝基礎數據包括工序名稱、工序內容、計劃工時、工序的加工順序等數據；2)設備加工一道工序需要使用的設備。在模具制造過程中，一道工序就往往有多個設備可以用來加工，或者一道工序本身就需要多個設備協(xié)調完成，而在傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃中，一道工序只定義一個設備，也就是只從技術和成本的角度考慮，選擇一個最合適的設備，無法考慮設備負載的均衡性。基于這樣的工藝所排制的作業(yè)計劃可能會出現(xiàn)設備負載嚴重不均衡的情況因此面向MES的CAPP系統(tǒng)必須從車間作業(yè)優(yōu)化調度的角度，解決一道工序中多個設備的定義問題。3)工序之間的約束關系在模具加工過程中，經常存在配做、裝配、分割、批處理等加工要求，導致不同工件間的工序存在某種關聯(lián)性，這種關聯(lián)性會影響多工件的加工順序的安排，而常規(guī)的模具加工工藝規(guī)劃系統(tǒng)主要注重某個工件的工藝設計，一般都沒有考慮工件之間復雜的工藝約束關系。這種工藝設計結果，可能導致自動生成的車間作業(yè)計劃中加工順序不可行的問題因此面向MES的模具CAPP系統(tǒng)中應具有處理這類工序相關性問題的功能。與此同時MES系統(tǒng)采集生產中的實際數據這些數據都是企業(yè)的經驗知識和實際加工數據的積累，CAPP如果能夠有效使用和分析這些數據，使之應用于工藝設計，將能夠極大提高工藝設計的水平。2.3 面向MES的模具CAPP系統(tǒng)開發(fā)原則目前，國內計算機輔助工藝設計的應用還處于推廣階段。由于計算機在模具企業(yè)中的應用，尤其是在生產工程中的應用還剛剛起步，很多企業(yè)還是空白，因此開發(fā)模具CAPP系統(tǒng)還應注意以下幾個開發(fā)原則：1)企業(yè)需要安裝簡便、人機界面友好的CAPP系統(tǒng)。操作復雜，數據準備和系統(tǒng)調試時間長，需要大量培訓才能使用的CAPP系統(tǒng)很難讓用戶接受。2)開放性好的CAPP。不同的模具企業(yè)，工藝路線的制定標準不一樣。對同一個模具零件，在不同生產環(huán)境下，可能需要設計出不同的工藝路線。模具PP系統(tǒng)應采用獨立的工藝設計知識庫，不同的模具企業(yè)可通過修改工藝設計知識庫，使CAPP系統(tǒng)實現(xiàn)工藝決策客戶化。不同的生產設備，可以采用不同的工藝規(guī)則。隨著現(xiàn)代化的模具加工設備的更新，新的加工工藝被采用，將產生新的工藝方案。因此，CAPP系統(tǒng)應能較快的實現(xiàn)系統(tǒng)升級和功能擴展。由于制造環(huán)境的多樣和復雜，好的CAPP系統(tǒng)應當滿足：提供用戶可以構造適合于本企業(yè)制造環(huán)境的PP平臺系統(tǒng)。當用戶實際的經驗與系統(tǒng)的解答不一致時，系統(tǒng)的推理和決策方法能方便地被用戶修改。3)企業(yè)歡迎的CAPP系統(tǒng)應具有較好的柔性能適應企業(yè)不同的產品和生產要求，能滿足不同的經營目標和生產計劃方案。4)能滿足集成要求。集成化發(fā)展是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢，也是CAPP系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，因此目前應用CAPP應注意CAPP系統(tǒng)的底層數據結構能否滿足集成要求。5)CPP系統(tǒng)要考慮國內企業(yè)的管理模式。2.4面向MES的模具CAPP的功能組成在面向MES的模具CPP中針對單個工件的工藝編制采用基于實例推理的交互式工藝設計方式來輔助工藝設計人員快速地編制出加工工藝。設計人員可以通過實例匹配的方式從工藝實例庫中搜索出相似工件的工藝實例，然后通過查詢設備資源的應用情況，作出相應的調整，即可快速地編制出工件的加工工藝。如若不能匹配出相應的實例，則采用基于標準工藝的方式直接編制工件的加工工藝。針對工序相關性問題，則采用交互定義和自動檢測的方式來處理。設計人員通過人機交互界面定義不同工件之間工序的關聯(lián)后系統(tǒng)自動檢測已定義的工序間的關聯(lián)，以工藝關聯(lián)樹的方式直觀地顯示給設計人員，并提示錯誤或遺漏的工序關聯(lián)。具體內容詳見下節(jié)。圖2.3所示即為面向MES的模具CAPP系統(tǒng)的總體功能結構。圖23系總體功能結構各模塊的具體功能說明如下：1)工藝規(guī)劃模塊：用戶可以根據模具類型、典型結構、工件類型、產品尺寸、產品形狀等信息在系統(tǒng)中匹配出類似的工藝實例，再在實例的基礎上進行修改得到相應的工藝；用戶也可以使用所見即所得的工藝編制界面，通過選擇和填寫標準工藝制定相應的工藝。用戶在制訂工藝時，可以實時查看待選生產資源當前以及未來一段時間內的負荷情況。系統(tǒng)還可對企業(yè)的歷史加工數據進行挖掘分析，得到實際工時與標準工序和生產資源的匹配關系，并據此推理出選用不同標準工序和生產資源時的加工工時參考值，供用戶確定工時定額時參考；用戶還可以通過權限控制實現(xiàn)審核流程控制；2)工序相關性處理模塊：用戶采用交互定義的方式來錄入不同工件間工序的關聯(lián)，然后由系統(tǒng)自動進行檢查，通過關聯(lián)樹的方式顯示已存在的關聯(lián)，并提示可能出錯或者遺漏關聯(lián)的工（部）件；3)工藝知識管理模塊：用戶通過系統(tǒng)接口從外部數據源導入或者手工添加、刪除、修改常用的工藝知識、生產資源、標準工序名稱、標準工件名稱等，供工藝規(guī)劃模塊調用，從而實現(xiàn)工藝設計標準化；4) 工藝實例管理模塊在系統(tǒng)上線之初用戶需要配置實例推理的初始化參數；工藝實例包括面向模具和面向工件兩個實例庫，其中面向模具實例庫包括一套模具的所有工件信息、工件的加工工藝數據以及不同工件間工序的關聯(lián)，面向工件實例庫則包括工件信息和工件的加工工藝數據。用戶可以通過本模塊添加、修改或刪除工藝實例；5)工藝卡管理模塊：針對不同企業(yè)的需求，提供工藝卡格式定制及工藝卡打印功能。面向MES的模具CAPP系統(tǒng)具有如下特點：1)模具零件工藝規(guī)劃的實時性及數據一致性。在模具的生產過程中，經常會遇到一些無法預測的加工需求，如設計變更、制造缺陷、試修模反饋等，系統(tǒng)允許工藝人員隨時修改相關零件的加工工藝，以便快速響應模具生產現(xiàn)場的變化或設計變動所造成的工藝修改要求，系統(tǒng)除了及時根據需要更改零件的加工工藝外，還能夠保證這種修改與相關零件加工工藝的一致性。2)模具加工工藝規(guī)劃的協(xié)同性和并行性一幅模具通常由數十個甚至上百個零件組成，系統(tǒng)允許不同的設計人員同時對不同的模具零件進行工藝設計，或同時對多副模具的零件進行工藝設計，可極大地縮短模具零件的工藝編制周期。不同的設計人員可以查看零件的設計結果，并提出設計修改意見，在通過審核后，把工藝文件存放到模具工藝庫中。3)統(tǒng)一的用戶終端界面。系統(tǒng)采用B-S體系結構，用戶端使用單一的Browser軟件，界面統(tǒng)一，維護工作簡單，設計人員可以在不同的地理位置進行設計，進行實時交流。工藝審核人員以及模具加工人員能隨時查看設計結果，提出反饋意見。4)開放的系統(tǒng)結構CAPP系統(tǒng)作為模具ERP系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)提供了與其它系統(tǒng)的接口，能夠與其他系統(tǒng)很好地集成，實現(xiàn)信息共享。5)強的實用性。系統(tǒng)工藝設計以交互式工藝設計為主，利用各種工藝知識庫，借助于計算機及其他方法，簡化了模具工藝卡的編制。3 向MES的模具P的關鍵技術3.1基于實例推理的交互式工藝設計在很多模具企業(yè)，經常是一個訂單幾十套模具同時下發(fā)任務，為了不影響后續(xù)的生產，就要求工藝設計員在短時間內完成大量的工藝設計任務。因此，如何快速方便地編制加工工藝，是模具企業(yè)CAPP系統(tǒng)的關鍵技術問題之一。模具工件的加工工藝與工件的加工要求、工件的形狀和材料、人員素質、設備狀況和企業(yè)所處環(huán)境等都有密切的關系，自動生成模具工件的加工工藝是非常困難的。為此，系統(tǒng)采用基于實例推理的交互式設計方式，來輔助工藝設計人員快速地編制出加工工藝如圖3.1所示設計人員可以通過實例匹配的方式從工藝實例庫中搜索出一套相似工件的工藝實例，然后通過查詢設備資源的應用情況，做出相應的調整，即可快速地編制出工件的加工工藝。如若不能匹配出相應的實例，則采用基于標準工藝的方式直接編制工件的加工工藝。圖31快工藝設計過程3.1.1實例推理技術（CBR）的工作原理基于實例的設計過程如圖3.2所示[29]用戶首先對當前問題，也即是新實例進行描述，系統(tǒng)根據這一描述提取特征屬性信息，并以此為依據建立篩選約束條件，系統(tǒng)按照這一約束條件在實例庫中進行相似度的比較，篩選出與當前問題最相似的實例，以此實例為基礎，結合領域相關的設計知識，為客戶提供當前問題的建議方案，經過系統(tǒng)評價和用戶修正之后，產生最終的設計方案，并對系統(tǒng)進行更新；當最終結果不能滿足要求時，重復進行上述過程。篩選新例學習例更新

先前識領知識

篩選例終方案

修正修正例 已用例

議方案圖32基實例的設計過程在基于實例的設計過程中，相關實例的選擇、從相關實例中提取最佳實例以及實例的修改是最重要的步驟。3.1.2 實例工藝的來源和特點在工藝設計過程中，為了提高系統(tǒng)的柔性和實用性，現(xiàn)存工藝和圖紙體現(xiàn)了工藝人員的豐富實踐經驗，對于工藝設計有很大的借鑒作用。盡管所存在的工件在結構和工藝上并不完全相同，但它們總有或多或少的相似性存在，現(xiàn)存工藝和待設計的目標工藝之間肯定也具有或多或少的相似性。為了充分利用工藝人員的豐富實踐經驗，在CAPP系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可運用CBR的方法，將現(xiàn)存的成熟工藝作為實例工藝，來生成最終工件的加工工藝。實例工藝主要來源于以下幾個方面：* 企業(yè)中將來可能有一定參考價值的工藝作為實例工藝；* 企業(yè)新生成目標工藝若具有某些可繼承的特性，也可以作為實例工藝；* 別的單位的模具或工件工藝若對本企業(yè)的工藝設計有借鑒作用也可作為實例工藝存放在實例工藝庫中。實例工藝的特點如下：* 實例工藝是真實工件的工藝，但不能把企業(yè)所有工件的工藝都作為實例工藝，那樣會造成實例工藝庫的膨脹，且不利于檢索。* 實例工藝是參考性的新工藝當不能有標準工藝典型工藝生成時即可以由某實例工藝派生得到。* 實例工藝對應的工件在結構或工藝上應具有一定的繼承性。3.1.3基于層次結構的實例工藝的分類表達實例是CBR技術的基礎其表達信息的內容和方式關系到用它解決相似問題的質量和效率。準確和完整地表達設計實例是進行CBR操作的重要步驟之一。模具工件的加工工藝與工件的加工要求、工件的形狀、工件的材料等有著密切的關系，而這些因素又是由產品的類型、模具的類型以及工件的類型所決定的。因此，本文采用層次結構的分類信息表示工件的實例，如圖3.3所示。圖33基分類信息的層次結構根節(jié)點表示一個工件的實例用三個元素表示其中Pd表示產品類型信息M表示模具類型信息，Pt表示工件類型信息。Part=(Pd,M,Pt)

(3-1)Pd是指工件實例的一系列產品類型信息的集合如產品的行業(yè)類型產品類型等；M是指工件實例的一系列模具類型信息的集合，如模具的類型、模具澆道的類型等；Pt是指工件實例的一系列工件類型信息的集合如工件的加工類型工件的形狀、材料等。它們分別表示如下：Pd=(Pd1,Pd2,...,Pdn)

(3-2)M=(M1,M2,...,Mn)

(3-3)Pt=(Pt1,Pt2,...,Ptn)

(3-4)其中組成Pd、M、Pt的類型信息，由用戶在PP系統(tǒng)的工藝知識管理模塊中進行自定義，從而決定各個類型信息由哪些具體的類型信息組成，例如注塑模具類型信息可以包括注塑模具的流道類型、頂出機構的類型等，產品類型可以包括行業(yè)類型、產品材質等。一個工件體實例可以完整地表示為：Part={(Pd1,Pd2,...,Pdn)(M1,M2,...,Mn)(Pt1,Pt2,...,Ptn)}

(3-5)3.1.4工藝實例的檢索與改寫實例系統(tǒng)的搜索與通常的數據庫系統(tǒng)搜索有所不同，常規(guī)的DBMS中搜索條件需要精確定義，而實例系統(tǒng)的搜索則是模糊的。它可以不必要求變量完全匹配。實例推理系統(tǒng)中，檢索出最相似的實例是實例推理技術中的關鍵一步，確定兩個實例是否相似涉及到許多因素。為了能快速地從實例庫中檢索到一個（或多個）與當前的問題最相近的實例，此處采用最近相鄰法[31]。實例的檢索過程實質就是相關屬性的匹配過程，分為完全匹配和非完全匹配兩種情況。設Pd*(Pd*,Pd*,...,Pd*,...,Pd*)為產品類型信息的有限集合若Pd表示實例庫中1 2 i n12與Pd*具有相似產品類型的某個實例的產品類型信息；令參數集WW,W12

,...,Wn

)表示iPd與Pd*具有相同產品類型信息的權值，其中Wi=,,...,n)滿足：in∑i=1i1

(3-6)* * *設Ki為Pdi與Pdi的匹配率，當Pdi與Pdi匹配時，Ki=1；當Pdi與Pdi不匹配時，Ki=0；若Pd*與Pd相似，則Pd*與Pd的相似度為：D(Pdj,Pd

n*)=∑Kii*

(3-7)i1D的值域為]當D=1時說明該類型信息集合是完全匹配當0<D<1時說明該類型信息集合是非完全匹配，越接近1，說明兩個類型信息集合越類似。為了使所獲得的候選相似類型集合盡可能少設定一個下限（即閾值DinD>Din時才作為候選實例。Din通常是根據經驗確定的。對于工件而言，相似度不但與產品類型信息有關，還與工件的模具類型和工件類型有關，所以在計算相似性系數時，必須要綜合考慮這些因素，通過具體分析工件的模具類型信息和工件類型信息，根據(3-7)式，構造出如下相似度的計算公式[32]：D=Wpd×Kpd+Wm×Km+Wpt×Kpt

(3-8)說明：式中Kpd表示產品類型信息匹配率；Km表示模具類型信息匹配率；Kpt表示工件類型信息匹配率；Wpd、Wm、Wpt表示權值，其中Wpd+Wm+Wpt

=1。在實例篩選完成以后，即可將其作為工件的初始設計工藝，但這個工藝往往還不完善還必須對其進行修正或稱為改寫實例的改寫是R方法的難點根據實例的特性，改寫可以有以下四種方法[33]：1)直接轉換當檢索出的實例完全與待確定工藝的工件一致時僅需改變實例的相關參數，就可獲得新的設計方案。2)利用實例結果重新生成這種方法是利用領域相關的知識在檢索出的結果基礎上導出設計方案，它需要在實例中記錄推導過程和中間結果。3)帶修正的轉換利用領域相關的知識對所選出的實例進行局部修正導出可用的設計方案。4)基于框架的方案變換最相似的實例被選作框架不足的部分由其他實例中合適的部分補充。由于模具工件本身結構不是很復雜，工藝變化不大，故采用再設計的方法，把篩選出的實例輸出，由人工從以下三方面進行編輯修改，獲得最終設計方案。1)標準工序和加工順序的驗證和調整2)加工資源的調整3)工時定額的修改3.2 工序相關性問題的處理3.2.1 工藝規(guī)劃中工序相關性約束定義模具加工中存在兩類工藝約束，一類是工件內部的工藝約束，它由該工件的工藝路線所確定；另一類是工件之間的工藝約束，例如配做、分割、裝配等。如果在工藝規(guī)劃中忽略這些工藝約束的話，則可能導致車間作業(yè)自動調度時，出現(xiàn)加工順序不可行的問題假設有兩個工件A和分別包括nA道和nB道工序工藝路線依次為{1，2，……，A }和{B，B，…，B}。這兩個工件在工序A和B上需要進行配nA 1 2 nB 3 3做加工。按照常規(guī)的工藝規(guī)劃，3在2完成加工之后開始加工，B3在B2完成加工之后開始加工，這樣的話，在進行車間作業(yè)計劃時，就可能出現(xiàn)類似圖3.4的結果：23B2B3圖34常作業(yè)計劃由圖中可看出，3早于B3一段時間開始加工，而實際上3和B3應當是同時加工的。同樣類似的情況還存在于分割、裝配等加工工藝中。由此可見，要制定出可行的車間作業(yè)的優(yōu)化調度，必須要考慮工件之間存在的復雜工藝約束，為此，給出如下工序相關性約束的定義。定義工序相關性約束除同個工件其工序之間的工藝路線約束之外不同工件工序的加工開始時間及加工完成時間之間應該保證的某種關系稱為工序相關性約束[34]。ij ij ij ij若工序ij與i'j'之間存在相關性則記為i'j'=ti'j',gi'j')其中，i'j'表示工序ijij ij與i'j'之間相關性的一個二元組，ti'j'為相關性類型，gi'j'為相關時間。工序相關性約束可分為四種類型，以工序ij和i'j'為例，具體描述如下：ij*開始—開始約束工序ij開始加工gi'j'時間后工序i'j'才能開始加工記為：ijRi'j'=(SS,gi'j')；ij ijij i'j' i'j'*開始—完成約束工序O開始加工ij i'j' i'j'Ri'j'=(SF,gi'j')；ij ijij i'j' i'j'*完成—開始約束工序O完成加工ij i'j' i'j'Ri'j'=(FS,gi'j')；ij ijij i'j' i'j'*完成—完成約束工序O完成加工ij i'j' i'j'Ri'j'=(FF,gi'j')。ij ij四種類型相關性約束的數學描述見（3-9（3-12其對應的甘特圖描述見圖ij3.5，其中PSTOij

)是工序Oij的計劃開始時間，PFTOij

)是工序Oij的計劃完成時間i'j'SSi'j'

)≥PSTij

ij)+gi')+g

(3-9)i'j'SFi'j'

)≥PSTij

ij)+gi')+g

(3-10)i'j'FSi'j'

)≥PFTij

ij)+gi')+g

(3-11)i'j'FFi'j'

)≥PFTij

ij)+gi')+g

(3-12)PSTij)

ijij

PST(Oi'j')i'j'

PST(Oij)ij≥gij

PFT(Oi'j')i'j'≥gi'j'

i'j'a)S相關約束

b)SF相關約束PFT(Oij)ij

PST(O

i'j')

ij

PFT(ij)

PFT(Oi'j'

i'j')ij≥gi'j'ij

i'j'

≥≥gi'j'c)FS相關約束圖35工相關性的甘特圖表示

d)FF相關約束3.2.2 工序相關性問題的描述與檢查模具加工工藝之間存在大量復雜的工序相關性約束，一套并不復雜的模具內部，可能包含幾十甚至上百個相關性約束，依靠人工來定義工序相關性約束容易發(fā)生錯誤和遺漏，因此，檢查工序相關性定義的準確性是非常必要的。模具工藝中最常見的相關性約束類型就是完成-開始約束因此只討論完成-開始約束的檢查，其他類型的處理方式與此類似。根據工件在加工過程中的關系常見的相關性約束可歸納為三種設有四個（部）件AB他們分別有nAnBnCnD道工序工藝路線依次為{1，2…，A B C Dn}{1，B2……，Bn}{1，C2……，Cn}{1，D2……，Dn}A B C D件X和Y的工序相關時間為tXY(X,Y∈,B,C,D

)現(xiàn)以這四個（部件為例來說明相關性約束的三種情況。1）裝配：幾個部件或工件加工完成后，組裝到一起，作為一個整體，進行后續(xù)加工例如C三個工件加工完畢后組裝為部件D進行后續(xù)加工這種裝配關系反映在工序相關性約束上也就是C這三個工件的最后一道工序AB CnA nB C和工件D的第一道工序1是完成——開始約束即“多尾對一頭”其中D被稱為裝配件，如圖3.6所示。tADtBDt圖36裝關系的甘特圖表示2）分割：一個部件加工完畢后，拆分為幾個單獨的工件，進行后續(xù)加工。例如部件A加工完畢后拆分為三個單獨的工件D進行后續(xù)加工這種分割關系反映n在工序相關性約束上，也就是A部件的最后一道工序A和拆分后的三個工件、、nAD的第一道工序1、1、1是完成-開始約束，即“一尾對多頭”，其中A被稱為分割件，圖3.7以甘特圖的形式直觀地表達這種約束關系tAB1nA CnA C1DtADD1圖37分割關系甘特圖表示3）配做：幾個工（部）件的某一道工序需臨時組合成一個整體，放在一起加工。例如工件A和B的工序2、B3需要放在一起加工，反映在工序相關性約束上，也就是2與B3同時開始加工，1和B3是完成-開始約束，B2和2是完成-開始約束圖3.8以甘特圖厄形式直觀地表達這種約束關系tAB1 2BBtBABB2 3圖38配關系的甘特圖表示進一步分析模具工件加工特點可知，所有工件的加工過程最終都以裝配或者分割的關系匯聚到完整的模具總裝。因此，可以用樹狀圖來表現(xiàn)模具中各工件間的加工關系，如圖3.9所示，其中12B、E、FG是組成一套模具的部分部件和工件其中A是一個部件分割為1和2兩個工件工件B和2是配做的關系。其中G即表示最終的模具，稱為終點件。圖39模工件樹根據模具內工件的樹狀結構特點，可以知道，每套模具應當有且只有一個終點件，且不應存在孤立的部件或工件，綜合考慮相關性約束類型，可采用圖3.10所示流程檢查工序相關性約束。圖310工相關性檢測3.3資源的描述在模具制造過程中，一道工序往往需要多個設備來加工，或者一道工序本身就需要多個設備協(xié)調完成，而在傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃中，一道工序只定義一個設備，也就是只從技術和成本的角度考慮，選擇一個最合適的設備，無法考慮設備負載的均衡性?；谶@樣的工藝所排制的作業(yè)計劃可能會出現(xiàn)設備負載嚴重不均衡的情況，因此面向MES的CAPP系統(tǒng)必須從車間作業(yè)優(yōu)化調度的角度，解決一道工序中多個設備的定義問題。在經典車間作業(yè)計劃的定義中，涉及到工藝的要素有：工件（jb、工序或操作（operation、機器（achine。其中，工件和工序可以抽象為需要在車間作業(yè)計劃中安排的“任務”，而機器，也就是設備可以抽象為在計劃中需要用到的“加工資源”(或簡稱“資源”)。對于模具制造企業(yè)的車間作業(yè)計劃來說，模具制造企業(yè)的加工資源除了機器資源之外，還有大量的人力資源，如鉗工精整工質檢工等。為此，在面向MS的P系統(tǒng)中還需引入“資源”這個概念。3.3.1資源的面向對象分析資源是一個抽象的、一般的類，設備資源和人力資源是與其具有單繼承關系的特殊類設備資源和人力資源下包括資源類型每一種資源類型下又包括具體的資源(具體的設備和工人)。其間關系如圖3.1所示。資源1,1

設備資源 人力資源

1,21 1設備類型 具體設備 工人 工種類型1,1 1,1

1,2

1,2圖31資間的一般與特殊、整體與部分關系顯然，在資源和任務之間存在著對應關系。考慮到加工過程中涉及到不同的方式且涵蓋了較多的信息因此把“加工”作為一個連接“資源”和“工序”之間的類來處理其間關系如圖3.12所示。從圖中可看出，一個資源上可能沒有安排任何加工，也可能安排有n(n>=1)個加工一個加工連接可能需要用到1個加工資源也可能需要用到m個加工資源(>1如作業(yè)計劃中的多處理機問題)在模具制造過程中模具的裝配試模等工序就往往需要多個資源協(xié)調完成。資源 加工 工序0,n 1,m 1 1圖312資與任務的實例連接3.3.2資源對象的屬性分析與數學描述現(xiàn)實世界中的每一個對象都包括許多屬性，按照面向對象的分析思想，我們僅需關注那些與所研究問題相關的屬性。從車間作業(yè)計劃角度出發(fā)，資源的屬性主要有以下幾類(對于某一具體資源Mi，上述屬性的表示為在其后加上后綴(Mi)：1)資源的標示(ResourceID)：標明資源唯一身份的標示符,表示為RI.2)資源的名稱(Resourceae)：反映資源特征的名稱,表示為A.3)資源的性能(Resourceerforance)：資源對某工序的加工性能，作為車間作業(yè)計劃過程中選擇工序加工資源的一個衡量指標,表示為RP，由工藝人員確定。4)資源的狀態(tài)(Resourcetate)資源當前所處的狀態(tài)包括正常維護故障,表示為RS它可通過車間現(xiàn)場實時監(jiān)控信息得到在后續(xù)的數學描述中正常維護、故障對應的RS取值分別為1、0、-1。5)資源最大使用單位(MaxialUsage)：某資源可供使用的最大使用單位,表示為MU。設備資源的最大使用單位為1，人力資源的最大使用單位可大于1。6)資源當前使用單位(Usage)資源加工某工序時的使用單位,表示為由計劃人員給定。7)資源作息時間(orkandRestime)：資源在某一天的工作和休息時間,表示為WRT，可由計劃人員給定。設某資源Mi’，某一天j’的工作時間和休息時間可分為幾個不同的時段，每一時段存在一個開始點和一個結束點。由于，一個工作時段的開始點即是其前一個休息時段的結束點，一個工作時段的結束點即是后一個休息時段的開始點，因此，只需要定義工作時段的端點即可完整地表示資源某一天的作息時間。記D資源Mi’在某天j’的某一工作時段k’的開始點為bD

j'其相應的結束點為f

Dj'所有工i'k'

i'k'作時段開始點組成集合BDj'；所有工作時段結束點組成集合FDj'，則資源的工作時段i' i'和休息時段可看作是集合BDj'和FDj'上的關系。i' i'工作時段可表示為關系R1：R={(bDj',fDj')|bDj'∈BDj'∧fDj'∈FDj'∧k'=k''}

(3-13)1 i'k'

i'k''

i'k' i'

i'k'' i'休息時段可表示為關系R2：R={(fDj',bDj')|fDj'∈FDj'∧bDj'∈BDj'∧k''=k}

(314)2 i'k'

i'k''

i'k' i'

i'k'' i'資源Mi’某天j’總工作時間記為Wi’j’，則有：W