0 引言
傳統(tǒng)的制造工藝是在設(shè)計(jì)完成之后依靠經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)由工藝人員編制完成，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且會(huì)造成設(shè)計(jì)人員與制造人員的溝通不暢，急需一種新的管理方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)及工藝的規(guī)劃及管理。
產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理以及工藝優(yōu)化是伴隨著信息化制造而迅速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(computer aided process planning，CAPP)借助于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和推理等功能來(lái)制定零件機(jī)械加工工藝過(guò)程。CAPP是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換為各種加工制造、管理信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是企業(yè)信息化建設(shè)中聯(lián)系設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的紐帶，同時(shí)也為企業(yè)的管理部門提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，是企業(yè)信息交換的中間環(huán)節(jié)。
1 CAPP存在的不足
由于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing system，CIMS)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃上與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)相接，下與計(jì)算機(jī)輔助制造(computer aided manufacturing，CAM)相連，是連接設(shè)計(jì)與制造之間的橋梁。設(shè)計(jì)信息只能通過(guò)工藝設(shè)計(jì)才能生成制造信息，設(shè)計(jì)只能通過(guò)工藝設(shè)計(jì)才能與制造實(shí)現(xiàn)功能和信息、的集成。
自從1965年Nieble首次提出了CAPP的思想，迄今30年以來(lái)，CAPP領(lǐng)域的研究得到了極大的發(fā)展，涌現(xiàn)出了很多CAPP原型系統(tǒng)和商業(yè)化系統(tǒng)。但是依然存在著一些不足和問(wèn)題，而且更多的是管理思路和方式的問(wèn)題：
① CAPP與其他系統(tǒng)(PDM，ERP)的集成問(wèn)題；
②過(guò)分追求自動(dòng)化，而忽略“輔助”的內(nèi)涵等等。
以某汽車零配件公司的生產(chǎn)設(shè)計(jì)狀況為例，在工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)方面，仍是由制造工程部負(fù)責(zé)工藝分析評(píng)估、工藝規(guī)劃，制造技術(shù)管理與協(xié)調(diào)，使得整個(gè)生產(chǎn)制造準(zhǔn)備過(guò)程中，工藝和裝備的設(shè)計(jì)占了近三分之二的時(shí)間，主要的制約因素有：
①所有的規(guī)劃過(guò)程都以傳統(tǒng)的手工整理方式進(jìn)行；
②工藝人員獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，處于孤立分散的狀態(tài)；
③相關(guān)工藝的查詢和傳輸，基本以紙樣和磁盤(pán)為介質(zhì)；
④工藝和設(shè)計(jì)相互孤立，不能并行設(shè)計(jì)，浪費(fèi)開(kāi)發(fā)時(shí)間。
為了改變現(xiàn)狀，公司實(shí)施PDM/PLM項(xiàng)目，基于Teamcenter Engineering中Manufacturing的這一模塊來(lái)構(gòu)建工藝規(guī)劃系統(tǒng)。通過(guò)二次開(kāi)發(fā)和配置，很大程度上解決了CAPP當(dāng)前出現(xiàn)的一些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造流程，將為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
2 基于PDM/PLM工藝規(guī)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境
根據(jù)某汽車零配件公司的現(xiàn)狀以及與上游的PDM系統(tǒng)的相容性，系統(tǒng)采用Teamcenter Engineering(TC)作為工藝規(guī)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。TC是UGS PLM software中一套成熟的系統(tǒng)，提供了一整套全方位的數(shù)字化生命周期管理解決方案，涵蓋了數(shù)據(jù)管理、權(quán)限管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置管理以及工作流管理等方面；并且提供了一種用于行業(yè)協(xié)同的文檔格式JT，這種格式具有高性能、輕便和柔性的特點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和保密變得簡(jiǎn)單，并且可以消除不同部門、不同企業(yè)之間交換信息出現(xiàn)的障礙。
Manufacturing是TC中的一個(gè)模塊，包括3個(gè)方面的內(nèi)容：工藝設(shè)計(jì)、工藝管理、系統(tǒng)集成(如圖1)，并且具有一個(gè)有柔性的制造數(shù)據(jù)模型，保留了所有的PDM系統(tǒng)的功能。
圖1 TCM功能
雖然TC的功能已經(jīng)很強(qiáng)大，但從數(shù)據(jù)類型和功能性角度出發(fā)，仍有必要對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)及配置。對(duì)于數(shù)據(jù)及權(quán)限的管理有兩種方式：
①使用有足夠權(quán)限的賬戶登錄，直接進(jìn)行設(shè)置；
②使用TC自帶的BMIDE開(kāi)發(fā)包進(jìn)行配置。但是對(duì)于一些數(shù)據(jù)類型、流程節(jié)點(diǎn)及報(bào)表輸出功能的開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)單的配置達(dá)不到企業(yè)的要求。
TC采用的是胖客戶端一服務(wù)器(client-server，CS)兩層架構(gòu)。胖客戶端包含用戶在PC上運(yùn)行的應(yīng)用程序，用戶可以查看并操作數(shù)據(jù)、處理業(yè)務(wù)規(guī)范，同時(shí)提供豐富的用戶界面做出響應(yīng)；服務(wù)器端負(fù)責(zé)管理對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)并負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)規(guī)則：簡(jiǎn)而言之，即胖客戶端負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算，而服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)�？蛻舳擞肑AVA語(yǔ)音開(kāi)發(fā)，同樣它的二次開(kāi)發(fā)也是用JAVA語(yǔ)音；服務(wù)器端的二次開(kāi)發(fā)利用ITK及C語(yǔ)音。因?yàn)門C版本的升級(jí)可能導(dǎo)致所開(kāi)發(fā)程序需要改寫(xiě)并重新編譯，所以二次開(kāi)發(fā)的原則是盡可能利用TC已有的功能，減少二次開(kāi)發(fā)量�；谝陨峡紤]，二次開(kāi)發(fā)的重心放在客戶端，盡量利用服務(wù)器端已有的功能。
3 工藝系統(tǒng)架構(gòu)
項(xiàng)目中，工藝規(guī)劃系統(tǒng)分為專機(jī)和工藝兩大部分。專機(jī)是由夾具和專用設(shè)備組裝而成的，用于加工車燈的設(shè)備，是工藝的載體；工藝部分是包括工藝的審批、驗(yàn)證、更改以及節(jié)點(diǎn)的管理等方面，是系統(tǒng)的核心部分，伴隨著EBOM-PBOM-MBOM之間的互相轉(zhuǎn)換以及知識(shí)在不同階段的重用，構(gòu)成了整個(gè)PDM/PLM系統(tǒng)(如圖2)。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
3.1 專機(jī)
在TC的組織下，專機(jī)下掛有夾具、設(shè)備、PLC程序等，夾具部件下掛有對(duì)應(yīng)的三維模型、二維圖紙和外購(gòu)件清單(如圖3)。
圖3 產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織模式
將專機(jī)常用的資源分為標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、外構(gòu)件庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)模塊庫(kù)四類，而在分類管理模塊，TC將數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)兩類(如圖4)。
圖4 分類結(jié)構(gòu)樹(shù)
①結(jié)構(gòu)是層次化的業(yè)務(wù)對(duì)象，如外購(gòu)件包括氣動(dòng)元件、電動(dòng)元件。由管理者搭建。
②數(shù)據(jù)是放入到系統(tǒng)的數(shù)模及其屬性的管理，有工程師操作錄入。
通過(guò)一定的流程，將專機(jī)信息發(fā)布，供工藝規(guī)劃階段使用。
3.2 工藝
將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的最重要的一個(gè)步驟就是工藝設(shè)計(jì)，一個(gè)完整的工藝計(jì)劃需要考慮到專輯信息、工位信息、每一工序時(shí)間的估計(jì)等等。TC中對(duì)工藝的規(guī)劃管理，主要是在協(xié)同關(guān)聯(lián)、MSE(manufacturing structure editor)中完成。結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)借助TCM(TC manufacturing)中的3PR(product-process-plant-resource)模型，不僅僅包括了產(chǎn)品BOM，同時(shí)包括了工藝BOM及工廠BOM(如圖5)，很好地實(shí)現(xiàn)了在資源有限的情況下分車間加工工藝，即在工藝系統(tǒng)中，相關(guān)信息會(huì)被自動(dòng)處理，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化會(huì)及時(shí)反映到匯總表中。
圖5 3PR模型
4 工藝規(guī)劃
工藝規(guī)程分為零件工藝和裝配工藝，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況，將工藝設(shè)計(jì)過(guò)程分為三大階段：過(guò)程策劃、試生產(chǎn)、批產(chǎn)。在策劃階段，首先由研發(fā)部創(chuàng)建EBOM；其次由工藝科在協(xié)同關(guān)聯(lián)模塊關(guān)聯(lián)EBOM與MBOM，并進(jìn)行對(duì)比檢查，且在MSE模塊中，創(chuàng)建工序、工藝、工步，并與產(chǎn)品及工廠信息關(guān)聯(lián)；最后通過(guò)流程審批，分派，進(jìn)入試生產(chǎn)階段，經(jīng)過(guò)工藝節(jié)點(diǎn)的審批進(jìn)入最后的批產(chǎn)階段。
本系統(tǒng)創(chuàng)造性地采用了綜合式的工藝管理方式，結(jié)合了CAPP對(duì)工藝規(guī)劃的基本方式檢索式、派生式和創(chuàng)成式，將更有助于開(kāi)發(fā)出智能的CAPP系統(tǒng)，并將焦點(diǎn)集中于“輔助”而不是“完全替代”：
①檢索式是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝的，將設(shè)計(jì)好的零件標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行編號(hào)、命名，存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，方便調(diào)用。
②派生式即利用“零件有相似性，相似的零件有相似的工藝過(guò)程”這一原理，通過(guò)檢索相似典型的工藝過(guò)程，加以編輯而派生一個(gè)新零件的工藝過(guò)程。系統(tǒng)中通過(guò)零件工藝base模板來(lái)進(jìn)行工藝的規(guī)劃，但會(huì)受制于零件的相似度(如圖6)。
③創(chuàng)成式即根據(jù)輸入的零件信息，依靠系統(tǒng)中的工程數(shù)據(jù)和決策方法自動(dòng)生成零件的工藝過(guò)程。TC中通過(guò)Item Revision來(lái)讀取零件的信息，通過(guò)邏輯推理、算法等，做出工藝決策而自動(dòng)生成零件的工藝規(guī)程，不依賴于零件的相似度，但可靠性方面還有待加強(qiáng)(如圖7)。
圖6 派生式工藝設(shè)計(jì)流程圖
圖7 創(chuàng)成式工藝設(shè)計(jì)流程圖
綜上，在對(duì)相似度較大的零件工藝規(guī)劃時(shí)，采用派生式方式；而對(duì)一些大量的、特定的零件(例如，專機(jī)中的反射鏡組裝機(jī))采用創(chuàng)成式工藝規(guī)劃，可以在保證準(zhǔn)確度的情況下，大大減輕工藝人員的工作量。
5 結(jié)語(yǔ)
CAPP系統(tǒng)雖然已經(jīng)存在幾十年了，但在數(shù)字化制造的領(lǐng)域卻是發(fā)展最遲的部分。雖然也推出了一些商業(yè)化的系統(tǒng)，但由于關(guān)鍵技術(shù)的不成熟，實(shí)用化程度普遍不高。筆者從實(shí)際情況出發(fā)，并不一味地強(qiáng)調(diào)“自動(dòng)”而是將系統(tǒng)的實(shí)用性放在首位，將系統(tǒng)放置于“輔助”的地位，并且結(jié)合某汽車零配件公司的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)出了一套面向生命周期管理的、基于三維數(shù)模的、可重構(gòu)的工藝規(guī)劃系統(tǒng)，大大節(jié)省了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，消除了設(shè)計(jì)、制造的孤島，并對(duì)不同層次的工藝規(guī)劃人員都有所幫助。伴隨著三維可視化建模的普及，三維可視化仿真及工藝的規(guī)劃也將漸漸成為未來(lái)CAPP系統(tǒng)的改進(jìn)方向。
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本文標(biāo)題：基于PDM/PLM平臺(tái)的數(shù)字化工藝規(guī)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
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