面向工艺设计的制造过程建模

    0 引言

    工艺设计就是产品的制造过程设计，其结果是每个加工零件的工艺流程。工艺流程由一组工序组成，工序的有序排列定义了零件加工的路线，每道工序本身又起义了零件加工类型、加工设备、工装设备和工艺参数，即工艺流程从文件上完整定义了零件从原材料(半成品)到成品的整个制造过程。

    工艺设计在很大程度上决定了加工成本、质量和效率。为此，笔者研究了工艺设计定义的制造过程建模方法，以对制造过程参数(成本、效率)进行分析计算，并对切削加工、工件物流进行可视化仿真，从而预测、分析和优化工艺设计效果。

    目前，已有很多建模工具，如eM-Power,ProModel,Arena, AutoMod, Simple, Taylor II 等，利用这些工具可对已有的制造过程或设计的制造过程进行建模与仿真，但不适合工艺设计定义的制造过程，因为不同零件的工艺流程定义了不同的制造过程，一个产品成百上千的零件都用人工方式进行建模是不可行的。为此，本文提出在工艺流程的基础上直接、自动形成过程模型，如图1 所示。

    图1 基于工艺设计的制造过程建模

    目前，国内外在过程建模方面已开展了很多研究，提出了很多建模方法，如面向对象方法、多智能体方法、Petri 网、集成定义方法(Integrated DEFinition method , IDEF) 、自然信息分析方法(Natural Information Analysis Method , NIAM) 、EXPRESS数据定义语言等。本文基于对工艺设计和制造过程的过程、数据和结果的特征分析，结合现有建模方法的特点，采用面向对象方法对制造过程进行建模。

    1 制造过程类结构模型

    根据面向对象的观点，首先将制造过程定义为一组成对象(composite[object]) 。基于制造过程的行为特点，它可以描述为一系列制造活动对象在过程控制对象的控制下作用于各种制造资掠对象问。这里，制造活动、过程控制和制造资源对象是制造过程对象的成分对象(component [object]) 。制造资源类与制造活动类组成了制造过程类，过程控制对象控制了制造活动对象。

    制造活动包括加工活动甜辅助活动。加工活动是利用加工设备对材料的改造过程，是制造活动的主体，由一系列工序完成。用面向对象语言描述，加工活动对象由工序对象聚集( aggregation) 而成，其中工序对象是构成对象(constituent[object]) ，加工活动对象是聚集对象(aggregate[object]) 。辅助活动包括物料运输、工件定位装夹及缓冲等。

    过程控制对象是指在制造过程中对各种制造活动、制造资源调配，以及决策的人员、计算机和各种控制系统的控制，它根据工艺设计内容控制制造活动的进行和资源的分配。而制造资源对象包含了制造活动的原料(如毛坯)、制造活动的工具(如各种加工设备、工装设备等) ，以及过程控制的依据(如工艺数据等)。

    资源对象、活动对象及过程控制对象体现了"应用"(apply) 与"应用于"的关系，即活动对象与过程控制对象应用资掠对象，资摞对象应用于活动与过程控制对象。过程控制、制造活动与制造资源三者构成了制造过程的总体结构框架，由此可建立制造过程类结构模型，如图2 所示。

    图2 制造过程类结构模型

    类结构模型描述了制造过程的静态结构，但制造过程是一动态过程，它有资源对象与活动对象的交互，也有活动对象之间的交互。基于图2 所示的类结构模型，图3 利用各类对象的交互关系描述了制造过程的动态过程模型。

    图3 制造过程动态过程模型

    2 工序模型

    制造活动是制造过程的主体，制造活动对象由工序对象聚合而成，工序对象的形式和内容体现了制造过程的细节，因此正确定义工序模型是对制造过程建模的关键。