5 不断发展的CAPP内涵
随着科学技术的进步特别是计算机技术的发展以及知识经济的来临,制造业正经历着巨大的变革。知识经济使得制造活动和销售经营分散化、网络化、全球化,形成了全球性的大市场。每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球化市场经济竞争。为了提高企业的竞争力,制造企业必须解决其新产品的T、Q、C、S、E难题,即以最快的上市速度(T-Time to Market),最好的质量(Q-Quality),最低的成本(C-Cost),最优的服务(S-Service)及最清洁的环境(E-Environment)来满足不同顾客对产品的需求和企业可持续发展的要求。
为了适应制造领域发展的上述变革,各种新的制造技术、产品设计制造模式以及生产组织形式相继提出并得到不同程度的应用实施。例如计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)、并行工程CE(Concurrent Engineering)、精益生产LP(Lean Production)、准时制JIT(Just in Time)、智能制造IM(Intelligent Manufacturing)、敏捷制造AM(Agile Manufacturing)、先进制造技术AMT(Advanced Manufacturing Technology)等。
无论什么样的制造技术、制造模式以及生产组织形式,CAPP作为产品设计和制造的中间桥梁、信息枢纽的地位和作用不会改变。新的制造技术、制造模式以及生产组织形式的成功有赖于其包含的各个单元技术,CAPP作为核心的制造信息处理单元,无疑对其的成功实施具有重要的意义。与此同时,新的制造技术、制造模式以及生产组织形式对CAPP提出了更高的要求,赋予了它新的内涵,其意义和作用更大。
随着研究的深入以及新技术、新需求的提出,CAPP的内涵也在不断的丰富。就像CAD有狭义的CAD和广义的CAD一样,CAPP也有狭义和广义之分。从狭义的观点来看,CAPP是针对零件的机械加工工艺过程设计(以切削为主),输出工艺规程。但从广义的观点来看,CAPP包括工艺设计和工艺设计过程和活动的管理。工艺设计的过程不仅仅产生零件的工艺规程,还为基于并行工程的产品设计提供制造可行性、加工成本分析、可装配性等信息和数据;为MIS/ERP系统提供工时定额、材料定额、工装一览表、工艺路线表等基础的制造数据;为计算机辅助质量检验系统提供加工精度、粗糙度、形位公差等质量检验项目内容和要求,由计算机辅助质量检验系统自动生成零件的工序质量检验规划。根据企业的实际需求知道,实际的工艺设计是由不同性质的子任务组成,工艺设计分多个步骤完成,如工艺调研、分析和审查产品结构工艺性、设计工艺方案、设计工艺路线、设计工艺规程、设计工艺装备、制定材料定额、工时定额、工艺设计结果需经过校对、审核、批准等。这些子任务会涉及到多个部门如计划处、生产处、工艺处、设备处、劳资科、标准化室等,所以工艺设计是一个多任务和多用户并发的过程,需要有一套权限、用户管理协调机制。CAPP应用的目的之一是提高工艺设计的效率,工艺设计效率的提高不仅仅依赖于单个零件的工艺决策过程的提高,期间涉及到工艺过程和工艺子任务的分解和协调。随着并行工程、产品数据管理技术(PDM)、CIMS技术等的应用和推广,需要在CAPP里实现有效的人、技术的集成,实现工艺设计过程和设计信息的管理,从系统、整体上提高工艺设计的效率和质量。
6 CAPP的应用(焊接)
作为工业生产中最重要的材料成型方法之一,焊接的应用遍及了航天、造船、化工、电力、建筑、汽车、微电子等领域,其质量和可靠性直接关系到最终产品的性能与安全,其成本也在较大程度上影响到产品的最终成本。
焊接工艺的设计是很复杂的,对于不同的焊件和焊接要求必须编制相应的焊接工艺。生产中对焊接工艺的要求是十分严格的,特别是在锅炉、造船等行业。但是很长一段时间以来,焊接工艺的编制与管理主要靠传统的手工方式完成。因而,在管理、检索、编制和保存焊接工艺等工作上,不但造成了大量的重复性劳动,浪费了焊接工艺人员的精力,而且时常造成不必要的人为失误,影响了生产质量和制造成本。因此,焊接工作者早在20世纪80年代后期就在焊接工艺设计与管理中引进了CAPP技术。
1990年前后,可以认为是国内焊接领域CAPP发展的起步时期。从1988年开始,太原重机厂在长城GW系统机上自行开发了人机交互式计算机辅助焊接工艺规程设计软件系统TZ-WCAPP。该系统以成组技术为基础,以专家系统思想为指导,采用检索法与创成法相结合,可以认为是一种综合式CAPP系统。该系统还应用集成概念,实现了CAD/WCAPP/MRP一体化。唐山锅炉厂于1990年开始研究计算机辅助工艺过程设计,并采用汉字DBASE开发了一套适合该厂的CAPP系统,可以完成工艺文件的建立、修改、打印等功能。同期,金州重型机器厂等单位也进行了类似的研究。这一时期的系统一般用DBASE,FOXBASE或BASIC开发,运行在DOS平台上。
1994年左右,为数众多的企业开始研究焊接工艺CAPP系统。清华大学与大连起重机器厂合作开发了CSCAMP系统;哈尔滨工业大学开发了焊接工艺设计专家系统;伙第一重型机械集团公司开发了基于网络的WTPMIS系统;叱哈尔滨工业大学与哈尔滨锅炉厂合作开发了PQRDBMS系统。此外,南京化学工业集团公司、天津大学、兰州石油化工机械厂等单位也进行了焊接工艺CAPP系统的研发。这一时期的系统一般使用BASIC或VB,FOXPRO开发,运行在Windows上。少数系统具备一定的工艺设计自动化功能,绝大多数系统主要进行焊接工艺的管理,但是提供的功能比以前的系统要强很多,界面也更加友好。
近年来,已有的CAPP系统得到了进一步发展,升级后的系统功能得到了加强,有的系统还实现了网络化。比如,哈尔滨工业大学开发的焊接工艺评定管理系统,除了能完成新建、保存、检索、打印工艺文件等一般操作外,还允许局域网中的各个终端通过网络共享工艺文件,并为用户提供了完善的权限管理。CAPP的通用化与专业化结合也进一步得到了重视。清华大学等研究机构对此作了一定的研究,但是可应用的通用化与专业化结合的CAPP系统还未见报道。
7 CAPP的研究方向
7.1 智能化
20世纪80年代以来,以专家系统技术为代表的人工智能技术在CAPP系统中得到了一定的应用,提高了系统的适应性和通用性。但由于专家系统技术存在一些缺陷,比如知识获取的“瓶颈”问题,推理方法单调及其产生的“匹配冲突”、“组合爆炸”与“无穷递归”问题等,不能充分地满足实现CAPP智能化的需要。目前,广泛研究的神经元网络、模糊理论和遗传算法为CAPP系统的进一步智能化提供了理论基础。但是,要实现真正的智能化系统还需要大量的人力、物力和时间的投入。
7.2 集成化
随着CAD,CAPP及CAM系统的应用不断增多,企业迫切需要将这些孤立的系统整合成一个整体,以提供对产品生命周期中包括产品设计、工艺设计、产品仿真、产品制造、产品测试等各个阶段的全面支持。由于CAPP是联系CAD与CAM的纽带,因而CAPP的集成化研究得到了广泛重视。CAPP系统集成的关键是信息的交换与共享。根据信息交换方式和共享程度的不同,CAPP的集成可选取多种方案。
最简单的方案是采用专用数据接口实现集成。比如,采用自定义数据格式文件的方法,但是这样做不利于与其他人员开发的系统进行集成。为此,美国、法国及德国等国家开发了自己的数据交换标准,如IGES,PDES,SET,VDAFS等。为了实现国际范围的标准化工作,在PDES接口技术的基础上,1984年11月国际标准化委员会下设的组织ISP/TC184/SC4在法兰克福召开的会议上确定了STEP(Standard for the Ex-change of Product Model Data),为CAD/CAPP/CAM的集成提供了国际标准。
较好的方案是基于产品数据管理((PDM)实现3C集成。PDM技术是以产品数据的管理为核心,通过计算机网络和数据库技术,把企业生产过程中所有与产品相关的信息和过程集成管理的技术。与产品相关的信息包括开发计划、产品模型、工程图样、技术规范、工艺文件,与产品相关的过程包括设计、仿真、加工制造、计划调度、装配、检测等过程。在这种集成方案中,CAD,CAPP,CAM分别与底层的PDM通信,从而输出或获取相应的信息,这就在更大程度上实现企业内部信息共享。
7.3 通用化
随着CAD,CAM在企业中的广泛应用,发展相对滞后的CAPP日益成为企业应用计算机的瓶颈。因而许多单位尤其是商业软件公司研究并开发了通用化的CAPP系统。自20世纪90年代以来逐渐兴起的CAPP框架系统是实现CAPP通用化的一种方式。所谓的CAPP框架系统实际上是一种CAPP开发工具,可以由用户自己定义适合特定系统的CAPP。CAPP框架系统技术目前尚处在理论研究和开发实验阶段,清华大学等研究机构对此作了较多的研究。但是很少有满足用户实际需要的商品软件发行。
通用CAPP系统注重的是工艺文件的编制与管理,一般不具有自动设计工艺的功能。目前,国内已开发出许多这样的系统,如西北工业大学的CAPP Framework,武汉开目公司的KM CAPP以及清华天河的TH CAPP等。
7.4 并行工程CAPP
1988年美国国家防御分析研究所完整地提出了并行工程((CE)的概念。并行工程倡导了一种新的企业生产模式。并行工程的核心是,基于分布式并行处理的协同求解以及在其支持之下,面向产品整个生命周期寻求最优决策。并行工程方法力图使开发人员从设计一开始就考虑到产品生命周期(从概念形成到报废)中的各种因素,包括质量、成本、进度及用户需求,尽早暴露并修正产品开发全过程中存在的问题,从而达到提高质量、降低成本和缩短工期的目的。
并行工程主要是针对原来的串行产品生产模式提出的,它采用上、下游同时决策的方式,在计算机上进行产品整个生命周期各个阶段的设计。在并行CAPP系统中,要求CAPP系统在设计过程中高效动态地生成工艺规程,并随时向CAD系统提供产品可制造性的评价信息。同时,可以根据加工过程仿真系统的反馈信息找到当前工艺规程中存在的问题并加以调整。
并行工程自提出以来,得到了高度的重视和广泛的发展,在波音公司等一些企业获得了成功的应用,成为现代制造技术的重要研究内容之一。
7.5 分布式网络化
信息传输是企业实现CIMS的先决条件。通过网络可以将企业内部相互分离的各个部门集成为一个统一的整体,从而实现生产信息与资源的统一管理与调度。作为CIMS中重要组成部分之一的CAPP系统也必须实现网络化。
CAPP系统的网络化的原因之一是实现工艺文件共享的需要,也就是分布在车间等子部门的网络终端可以以不同权限访问工艺部门的工艺数据文件。原因之二是CAPP系统本身实现工艺设计这一复杂功能的需要。具体地说,CAPP系统的工作具有明显的层次性,不同层次的子系统、功能模块、相关的工程数据库及工艺知识库可组成分布式系统。在这种系统中,各级计算机系统是通过网络互连的,工艺设计过程是动态的,可以提供反馈功能,系统结构具有柔性;另外,在实际生产环境中,不同类别的零件所适用的CAPP设计方法也是不同的,可以采用一种由检索式、派生式、创成式等各种子系统组成的分布式CAPP系统,并通过测定零件类别,选择最合适的设计方法,各子系统可以通过公用数据库相互联系,共同完成设计任务。
8 结论
理想的CAPP系统应具有良好的开放性、柔性、可重构性、集成性、实用性。CAPP的研究将始终围绕着两个主要的目标来进行:一是研究如何构建一个相对稳定的、开放的、可重构的、可集成的CAPP工具系统体系结构、理论与方法;二是基于研究的CAPP理论和方法,结合工程实际的需求,开发CAPP工具系统,并应用于实践,服务于企业。这两个目标相辅相成,CAPP工具系统的理论与方法是CAPP实际开发和应用的基础,具体企业的应用实践可以验证、指导所形成的CAPP理论.在制造业企业信息化建设如火如荼的今天,CAPP的重要性和意义已得到企业界的认可。CAD下一步深化应用的重点就是在工艺部门普及应用CAPP,国家经贸委提出的实施企业信息化的战略部署,表明CAPP的应用推广具有广阔的前景和市场。面临工艺个性各异的巨大的市场,很难设想采用传统的定做开发的方式逐一满足企业的需求,研究和开发集成的、开放的的CAPP工具系统是有效的途径。CAPP工具系统的重构性、开放性、柔性、集成性、实用性使其可以快速开发和实施,因而具有广阔的应用前景。
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本文标题:浅析计算机辅助工艺设计(下)