面向工藝演化過程的一體化信息平臺

李 靜，王慶文，孫青欣

(北京航空航天大學，北京 100191)

0 引言

隨著制造業(yè)信息化的發(fā)展，眾多企業(yè)意識到有效的工藝信息化建設(shè)對提高企業(yè)的管理和生產(chǎn)效率的重要性。工藝信息化從早期的工藝設(shè)計，擴展到工藝管理、工藝評估與優(yōu)化、工藝知識管理等多個方面。一些研究重點分析工藝的快速及規(guī)范化設(shè)計、基于工藝數(shù)據(jù)模型的工藝管理方法，以及加工路線優(yōu)化、典型工藝提取、工藝知識管理等方面的功能實現(xiàn)[1～5]；一些研究將PDM等軟件或系統(tǒng)與自身工藝管理系統(tǒng)集成，以支持工藝數(shù)據(jù)的跨平臺獲取與共享[6,7]。而在實際設(shè)計和生產(chǎn)應(yīng)用中，工藝從設(shè)計、優(yōu)化、應(yīng)用、再優(yōu)化設(shè)計直到成熟是一個連續(xù)的演化過程，并且伴隨工藝演化會產(chǎn)生繁多的歷史工藝及多類型、多形態(tài)的關(guān)聯(lián)信息。為更好地體現(xiàn)和利用這些信息的積累、進化、反饋等關(guān)聯(lián)，需要集成不同的工藝信息化功能，對這些信息進行統(tǒng)一的管理和應(yīng)用。

本文擬融合多種工藝信息化功能，旨在構(gòu)建面向工藝演化過程的一體化信息平臺。該平臺基于演化工藝進行信息的集成組織，將各相關(guān)功能進行有效地整合，實現(xiàn)功能間不同信息的反饋和應(yīng)用，滿足不同信息在平臺內(nèi)的共享需求。

1 面向工藝演化的一體化信息平臺結(jié)構(gòu)

企業(yè)設(shè)計完成的產(chǎn)品工藝到成熟應(yīng)用，要經(jīng)過一個不斷實踐驗證、改進、積累的過程。根據(jù)工藝演化形式的變化，我們將這個過程分為三個循環(huán)階段。第一循環(huán)階段為工藝與實際加工生產(chǎn)線的磨合階段，將設(shè)計人員編制的工藝試用于生產(chǎn)，經(jīng)過反復的調(diào)整和修改設(shè)計后才能成為合格的生產(chǎn)工藝，這個過程需要添加工藝更改單等輔助信息對工藝進行完善，針對該工藝還可能產(chǎn)生生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)計經(jīng)驗等信息的積累和應(yīng)用；然后進入第二個循環(huán)階段，生產(chǎn)工藝隨著加工環(huán)境的改進和技術(shù)的創(chuàng)新而不斷地優(yōu)化和再設(shè)計，直至工藝演化成熟，這個過程實現(xiàn)工藝版本的進化和積累，針對優(yōu)化過程還會產(chǎn)生優(yōu)化知識以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息；第三個循環(huán)階段是在前兩個階段的完成后，設(shè)計人員基于一定的工藝數(shù)據(jù)積累，挖掘、總結(jié)獲取一類零件的典型加工路線，作為典型工藝案例和經(jīng)驗進行保留。相似零件工藝決策時即可以在已有的典型工藝的基礎(chǔ)上進行派生式設(shè)計，提高企業(yè)工藝設(shè)計的效率，縮短工藝的演化周期。在每個階段產(chǎn)生的信息積累，都會根據(jù)用戶需求進行反饋，支持工藝演化的進行，將信息的共享程度發(fā)揮到最大。

圖1 面向工藝演化的一體化信息平臺結(jié)構(gòu)

針對整個演化過程中工藝及相關(guān)信息的積累、管理、反饋和應(yīng)用，構(gòu)建了如下一體化信息共享平臺，如圖1所示。平臺基于工藝數(shù)據(jù)庫和工藝設(shè)計、優(yōu)化、演化管理功能的整合，支持演化循環(huán)下對工藝數(shù)據(jù)的積累、進化管理和重用；設(shè)備管理實現(xiàn)演化過程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，并將其應(yīng)用于工藝方案的優(yōu)化評估，支持工藝的進一步優(yōu)化；工藝知識管理組織工藝演化過程中積累的設(shè)計、生產(chǎn)、優(yōu)化管理等經(jīng)驗知識，并根據(jù)不同工藝活動對經(jīng)驗知識的需求，運用到相應(yīng)的工藝演化循環(huán)中。如此該平臺面向工藝的演化過程，利用現(xiàn)有工藝信息化技術(shù)，充分實現(xiàn)信息在平臺內(nèi)的一體化管理和共享。

2 基于演化工藝的信息集成

伴隨工藝的演化過程存在生產(chǎn)工藝、經(jīng)驗知識、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等多種信息的積累，為了實現(xiàn)一體化平臺中信息在不同功能間進行交換和共享，需要構(gòu)造一個集成化的組織結(jié)構(gòu)。MBD（基于模型的工程定義）是將產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型上，保證在產(chǎn)品生命周期管理中設(shè)計數(shù)據(jù)的協(xié)同和唯一性[8]。借鑒MBD的管理思想，我們提出一種基于演化工藝進行相關(guān)信息集成的方法，保證工藝演化周期中信息的關(guān)聯(lián)和共享，如圖2所示。信息集成關(guān)系的構(gòu)建分為兩個部分：

1）組織和管理演化工藝。為保證生產(chǎn)線上始終使用最新的工藝，同時保證演化過程中大量有價值的歷史工藝數(shù)據(jù)不丟失，我們需要對工藝版本進行組織和管理。以結(jié)構(gòu)樹的形式組織零件對象下所有演化工藝，每個演化節(jié)點的工藝對象都包含工藝內(nèi)容及與其他演化工藝的關(guān)系，通過版本變化的控制記錄工藝的演化軌跡。

圖2 基于演化工藝的信息集成

2）基于演化工藝實體關(guān)聯(lián)相關(guān)信息。一體化管理平臺中有知識管理、設(shè)備數(shù)據(jù)管理功能對演化相關(guān)信息進行獨立的管理，這些信息積累的方式不同，且在數(shù)據(jù)庫中存儲的結(jié)構(gòu)各異。文章通過建立工藝與各信息間的關(guān)聯(lián)映射，將積累的信息附著到相關(guān)工藝實體，實現(xiàn)信息的集成。首先根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，我們將每個工藝對象分解為層次化的工藝屬性卡片、工序卡片和工步卡片三類子對象，每一類卡片上包含相應(yīng)的工藝加工數(shù)據(jù)。設(shè)計資源包括BOM信息和特征加工信息，前者作為工藝的公共屬性信息映射到工藝屬性卡片，后者根據(jù)工藝設(shè)計和生產(chǎn)要求映射到相應(yīng)類型的卡片對象。其他經(jīng)驗知識、工藝評估數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息的積累都來源于具體工藝對象的工藝活動，可能是針對一道工序，可也能是針對工序中的具體加工數(shù)據(jù)，等等。一體化平臺中，這些信息在積累時除了要構(gòu)建信息的內(nèi)容，還會將其針對的工藝數(shù)據(jù)作為信息的標簽掛接到信息體。并根據(jù)標簽的工藝屬性與作用對象建立關(guān)聯(lián)。例如，知識庫中的一條“夾具知識”是針對工藝對象V4某個加工工序中的夾具項添加的知識，則將“V4（工藝屬性）”、“某工序（工序?qū)傩裕?、“夾具數(shù)據(jù)（工步屬性）”作為標簽，知識體通過標簽屬性的組合映射到V4的夾具對象；工藝方案評估時獲取V4所有工序、工步卡片上的特征加工數(shù)據(jù)，并將最后的優(yōu)化結(jié)果反饋給V4。如此在不同層面實現(xiàn)積累信息與工藝的關(guān)聯(lián)，在平臺中可以由一個工藝對象獲取到所有相關(guān)的信息。

3 一體化信息平臺的應(yīng)用

圍繞某企業(yè)示范生產(chǎn)線上的工藝數(shù)據(jù)，搭建了該企業(yè)的一體化工藝信息平臺。該平臺支持工藝基于生產(chǎn)線的優(yōu)化和演化管理，以及經(jīng)驗知識、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等相關(guān)信息的積累和應(yīng)用，同時有利于各項工藝信息的查詢、匯總和為后續(xù)生產(chǎn)制造提供相應(yīng)數(shù)據(jù)支持。

將零件工藝設(shè)計與管理、工藝優(yōu)化評估、工藝知識管理、工藝設(shè)備管理等信息化功能進行業(yè)務(wù)邏輯上的整合，采用J2EE標準體系結(jié)構(gòu)，搭建了基于Web的企業(yè)工藝信息一體化平臺。如圖3所示，由工藝設(shè)計單元設(shè)計新工藝或基于已有典型工藝路線對演化過程的工藝進行設(shè)計、組織和演化管理；設(shè)計完成的工藝進入工藝管理單元，企業(yè)各部門人員圍繞該工藝進行生產(chǎn)活動，實現(xiàn)經(jīng)驗知識、生產(chǎn)文件、技術(shù)數(shù)據(jù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)等信息的積累和應(yīng)用。設(shè)備管理以企業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備為核心，積累、組織所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)、文件，并將生產(chǎn)結(jié)果信息反饋給工藝管理中相應(yīng)的工藝；方案優(yōu)化時則直接從工藝上同時獲取特征加工數(shù)據(jù)和生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)，綜合分析得到方案的優(yōu)劣評估，支撐進一步的改進設(shè)計；知識管理單元分類管理針對工藝積累的經(jīng)驗知識，知識體與工藝建立關(guān)聯(lián)，并根據(jù)其他工藝活動的需求提供經(jīng)驗支持，例如工藝設(shè)計時獲取相應(yīng)的設(shè)計經(jīng)驗知識，方案評估時可以借鑒已有的優(yōu)化知識，等等。

該系統(tǒng)面向工藝的演化過程，基于演化工藝進行各類信息的集成。以工藝管理為核心整合相關(guān)信息化功能，實現(xiàn)集成信息在一體化平臺中的設(shè)計、積累和應(yīng)用管理。

4 結(jié)束語

圖3 一體化信息平臺應(yīng)用實例

多樣化的工藝信息化技術(shù)從不同的層面對工藝信息進行研究，而多類型、多形態(tài)的工藝信息之間又存在一定的關(guān)聯(lián)性和相互作用性。為實現(xiàn)工藝信息的有效共享和應(yīng)用，文章立足于工藝的演化過程，整合設(shè)計、優(yōu)化、管理等功能，搭建了一體化的信息平臺。平臺以工藝為核心集成組織各種相關(guān)信息，一方面對歷史演化工藝進行管理和利用，一方面圍繞演化工藝組織和反饋經(jīng)驗知識、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，滿足工藝信息的共享和一體化管理需求。運用于實際生產(chǎn)線的開發(fā)實踐，為企業(yè)工藝設(shè)計和生產(chǎn)的各項信息的動態(tài)積累和應(yīng)用提供一個有效的平臺。

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