面向制造执行的二艺过程模型与工艺设计技术

    随着信息技术的发展和制造业信息化工程实施的深入，企业对计算机辅助工艺过程设计(Computer aided Process Planning CAPP)系统的全局优化能力及柔性应用要求越来越高,无论是手工编制工艺还是采用传统CAPP系统，在工艺设计阶段生成的是单一、刚性的工艺路线，由于未能有效地考虑车间设备瓶颈、材料短缺、其他任务占用及设备故障等随机动态情况，将造成加工等待，甚至无法加工，使工艺路线不得不重新修改或使某些资源重复选用，而另外一些资源却很少利用，因此，缺乏柔性的工艺难以支持生产调度系统做出全局优化的加工进度安排和作业调度。
   
    为解决上述问题，企业需建立适合制造企业实际情况的集成化CAPP系统，要求CAPP不仅要实现产品零部件工艺过程的设计，同时要实现柔性的工艺表达、相关零件和工艺信息的查询、统计和修改，以保证数据的一致性和更改的灵活性，满足工艺信息管理的集成性要求。集成化的CAPP系统不仅可把工艺设计人员及工艺管理人员从大量的重复劳动中解放出来，还可通过与其它单元技术如企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning ERP)和制造执行系统(Manufacturing Execution Systems  MES)等实现信息集成，避免零部件及其工艺信息多次在工艺及制造执行系统中输人而可能产生的信息错误，从而实现工艺与设计，工艺与制造的全面集成。
   
    本文提出了一种面向制造执行的工艺过程模型，以该模型为核心，建立了集工艺设计与工艺管理为一体的面向产品及管理的制造工艺信息集成系统，系统综合检索、变异和实例推理等混合决策技术，覆盖企业中典型零部件的工艺设计，实现了工艺设计与工艺管理的计算机化和信息化，同时实现产品工艺信息与MES系统的全面集成。
   
    工艺过程模型的建立及表达方法针对企业信息化发展的实际需求，本文以过程集成为中心提出面向制造执行的工艺过程模型，本模型通过多工艺路线的可视化表达与统一工艺过程信息来解决MES车间柔性调度及CAPP与MES工艺过程信息表达不一致等集成问题。面向制造执行的工艺过程模型与CAPP、ERP和MES等系统间的关系如图1所示。

    
    1. 1零件加工的多工艺路线
   
    在生产实际中，一个零件的加工常常可以通过多种工艺过程实现，即1个零件可以有多条加工工艺路线。多工艺路线的不同之处在于工序数量的不同、工序顺序的不同以及加工资源的可替换性等等。事实上，多工艺路线是零件加工的一个本质特征，但目前常用的CAPP系统很少考虑到多种可行工艺路线的生成，对于每一个加工零件只提供单一的加工工艺路线，产生工艺路线的方法未考虑设备故障、生产任务堵塞等动态因素，较好的情况是仅考虑了部分生产调度的静态因素，很大程度上限制了零件工艺表达的柔性，因此如何建立灵活关联的零件多工艺路线以满足加工车间生产调度的柔性是解决CAPP/MES全面集成的关键。本文提出了基于工艺过程模型的工艺设计方法，实现了在CAPP中多工艺路线自由设计的同时满足MES的车间柔性调度。
   
    1. 2统一工艺过程信息
   
    许多制造工程和企业应用软件都要使用过程模型，包括生产调度、工艺规划、工作流、企业经营过程重组、仿真、过程建模和项目管理，其中的每一个应用都有其相应的表达过程模型的方法，在开发一种用于交换过程信息的标准时，遇到的主要困难是些不同的应用过程赋予相同术语的意思各不相同。因此，如何解决过程信息集成是产品数据集成问题之后面临的又一难题，本文提出的统一工艺过程信息主要从以下3个方面出发。
   
    1) 充分的产品工艺数据
   
    充分的产品工艺数据是保证工艺信息管理取得良好实际使用效果的前提。CAPP系统不仅要实现零部件工艺方法的设计，同时要生成与零部件工艺过程相关的大量工艺数据，保证产品工艺数据的完整性，是实现产品工艺信息集成与共享的必要条件。
   
    2)工艺数据的结构化表达
   
    过程信息的结构化表达程度是衡量企业信息化实施成功与否的指标之一。CAPP系统在进行大量工艺数据设计与管理的同时，又要考虑到与其他单元技术的过程数据集成，数据表达的结构化是保证CAPP/MES全面集成的基本要素。
   
    3)工艺数据的一致性
   
    为了便于工艺数据的维护，避免在多个系统中进行工艺数据的重复修改，造成数据维护的混乱，工艺基础数据的统一维护及各个系统间工艺数据的一致性是解决此问题的关键因素。
   
    2多工艺路线的表达及其建立方法
   
    2. 1多工艺路线表达中注意的问题
   
    传统的CAPP系统的功能是为每个待加工零件生成一个优化的加工工艺路线，在实际制造系统中实施时往往出现问题，因此在进行多工艺路线表达时要充分考虑以下问题。
   
    1)工艺路线优化需针对同一批多种零件，以促进生产计划及调度系统(PPS) (Production Planping and Scheduling)的全局优化。
   
    2)充分考虑零件工艺路线中与工序顺序无关及可替代工序等车间调度静态因素，确保车间调度的柔性与零件加工的最优化。
   
    3)生成加工工艺时应考虑车间层资源的使用瓶颈和随机故障等动态状况，避免造成加工等待，甚至无法加工等情况。
   
    设计和开发可生成多工艺路线的CAPP系统是实现工艺设计与生产规划功能集成、解决工艺计划与实际生产脱节问题的有效途径。因此也是当前的研究热点。