（管理科学与工程专业论文）基于ie的工艺设计与管理系统研究.pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蚴杪日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垦咝导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 工艺数据是企业内最基本的数据之一，对整个生产制造系统产生重要 影响。在我国制造企业工艺管理体系中一直缺少工艺优化，工艺设计与管 理没有进行合理配置，造成工艺数据的不准确、不标准，影响着企业信息 化进程。 工业工程( i e ) 将管理与技术有机地结合在一起，运用运筹学和系统工程的 理论和方法，以计算机为手段，形成了一套系统优化技术，与工艺相辅相成，对 改进企业的工艺流程，促进工艺的标准化和最优化起着重要的作用。传统的c a p p 系统或工艺管理系统都没有与工业工程很好地结合，无法利用工业工程优化和管 理技术对工艺进行优化和管理。本课题站在工业工程基本思想之上，把工业工程 中的工艺程序分析、操作分析、流水线平衡、流程优化、标准化等方法和思想引 入到工艺设计过程中，全面整合了工业工程与工艺设计，提出了基于i e 的计算机 辅助工艺设计与管理系统。 系统采用结构化的软件开发方法，从总体出发，逐层分解j 应用i d e i ：建模 技术建立系统的功能结构模型和信息模型，利用流程图表达各模块的处理逻辑。 对系统模块进行逐层分解，在保证模块之自j 相互联系的情况下，对各个模块逐个 研究。本文在结构上分为以下几部分； 第一、二部分，文章首先提出课题的研究意义，论述了工艺技术与管理的发 展过程及研究热点，分析了工业工程技术在工艺设计和管理中的应用现状。然后 论述了课题所用到的一些理论基础和方法。 第三部分，对工业工程与工艺设计和管理进行了整合，采用i d e f 0 结构化建 模技术建立了计算机辅助工艺设计与管理系统的整体功能模型。 第四部分，利用工业工程标准化基本方法和思想，对标准作业单元进行了研 究，建立了标准作业单元的划分方法：建立了标准作业单元模块的功能模型，逻 辑流程图和信息模型。 第五部分，把工业工程中流程优化和流水线平衡方法应用到装配工艺流程设 计过程，对装配工艺流程设计进行了研究，建立了装配工艺流程设计模块的功能 模型、逻辑流程和信息模型。 山东大学硕士学位论文 第六部分，对b o m 的内容和形式进行了详细的分析，建立了b o m 转化模块 的逻辑流程、功能模型和信息模型；对如何由工艺b o m 数据生成工艺程序图进 行了探讨，建立了生成工艺程序图的逻辑流程图和工艺程序图的信息模型，并用 实例说明了b o m 视图的转化问题。 2 关键词：工业工程；工艺设计；工艺程序优化；b o m ；工艺管理 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o c e s sd a t ao f p r o d u c t si sb a s e di nt h ee n t e r p r i s e s i th a sa m a j o ri m p a c to nt h e w h o l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h e r eh a sb e e nal a c ko fo p t i m i z a t i o no fp r o c e s si nt h e p r o c e s sm a n a g e m e n ts y s t e mi no u c o u n t r y t h e r eh a sn o tb e e nc o l l o c a t i o ni q w c c n p r o c e s sd e s i g n i n ga n dm a n a g e m e n ti i lr e a s o n t h e s em a d et h ep r o c e s sd a t an o ta c c l u a t e , a n dh i n d e r e dt h ep r o c e s so f e n t e r p r i s ei n f o r m a t i z a t i o n i n d u s t r i a le n g i n e e r i n g ( i e ) i n t e g r a t e st h em a n a g e m e n ta n dt e c h n o l o g y , i tf o r m ss e r i e s s y s t e mo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y , u s i n go p e r a t i o n s 砖s e a “：h s y s t e me n g i n e e r i n ga n d c o m p u t e rs c i e n c e i ea n dp r o c e s ss u p p l yw i t he a c ho t h e r i th a sav e r yi m p o r t a n ta c t i o n t op r o m o t et h ep r o c e s ss t a n d a r d i z a t i o na n do p t i m i z a t i o n t h et r a d i t i o n a lc a p po r p r o c e s sm a n a g e m e n ts y s t e md o e sn o tc o m b i n ew i t hi e ，s oi tc a nn o to p t i m i z ea n d m a n a g et h ep r o c c s sw i t l li et e c h n o l o g y t h i st h e s i si sb a s e do ni e d e v e l o p i n ga c o m p u t e r - a i d e dp r o c e s sd e s i g na n dm a n a g e m e n ts y s t e m , a i m e da ti n t e g r a t i n gt h e p r o c e s sd e s i g n i n ga n di e t h i ss u b j e c to ft h ed e s i g no ft h es y s t e mi sa c c o r d i n g 协t h es t r u c t u r e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n tm e t h o d i te s t a b l i s h e dt h ef u n c t i o ns t r u c t u r em o d e la n di n f o r m a t i o n m o d e lo ft h es y s t e m ，u s i n gt h ei d e fm o d e l i n gt e c h n o l o g y , a n de x p r e s s e dt h el o g i co f e v e r ym o d u l ew i t hf l o wc h a r t t h i st h e s i si sd i v i d e di n t on e x ts e v e r a lp a r t s ： t h ef i r s tt w op a r t sd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n ta n dk e yi t e m so fp r o c e s st e c h n o l o g y a n dm a n a g e m e n t , t h ea p p l i c a t i o no f i et e c h n o l o g yi n t h ep r o c e s sd e s i g na n d m a n a g e m e n t i ta l s od i s c u s s e dt h ec o r r e l a t i v et h e o r i e sa n dt e c h n o l o 酉e sa b o u tp r o c e s s ， i e ，s y s t e md e v e l o p m e n tm e t h o da n d s oo n t h et h i r dp a r ts t u d i e dt h ei n t e g r a t i o nb e t w e e np r o c e s sd e s i g n i n ga n di e ，b u i l d i n gt h e w h o l ef u n c t i o nm o d e lo f t h ec o m p u t e r - a i d e dp r o c e s sd e s i g na n dm a n a g e m e n ts y s t e m w i t hi d e f om e t h e d t h ef o u r t hp a r ts t u d i e dt h es t a n d a r do p e r a t i o nu n i tb a s e do nt h es t a n d a r d i z a t i o n m e t h o da n dt h ei d e ao fi e , b u i l d i n gt h ed i v i d i n gm e t h o do fs t a n d a r do p e r a t i o nu n i t t h i sp a r ta 1 5 0s t u d i e dt h ef u n c t i o nm o d e l ，f l o wc h a l t , i n f o r m a t i o nm o d e lo f t h em o d l l l e t h ef i f t hp a r t , u s i n gt h ef l o wo p t i m i z a t i o na n da s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gm e t h o dt o d e s i g nt h ea s s e m b l yp r o c e s sf l o w i tb u i l tt h ef u n c t i o nm o d e l ，f l o wc h a r t ，i n f o r m a t i o n m o d e lo f t h em o d u l eo f a s s e m b l yp r o c e s sf l o w 3 山东大学硕士学位论文 t h el a s tp a r ti sa b o u tt h eb o m t h i st h e s i ss t u d i e dt h ec o n t e n ta n dt h ef o r mo fb o m ， b u i l tt h ef l o wc h a r ta n di n f o r m a t i o nm o d e lo fe a c ht y p eo ft h eb o m i ta l s od i s c u s s e d h o wt oc r e a t et h eo p e r a t i o np r o c e s sc h a r ta c c o r d i n gt ot h ep - b o m ，a n dg a v ea n e x a m p l e k e yw o r d s ：i n d u s t r i a le n g i n e e r i n g ；p r o c e s sd e s i g n ；o p e r a t i o np r o c e s so p t i m i z a t i o n ； b o m ；p r o c e s sm a n a g e m e n t 4 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第1 章绪论 制造业在国民经济中起着极其重要的作用，我国已经成为一个制造大 国，但离制造强国还有很远的路要走。面对市场环境和技术应用快速而深 刻的变革，越来越多的制造企业将依靠信息技术来解决在产品设计、工艺设计、 生产制造、经营管理、市场分析等各个方面的问题，以提高竞争力，生产出满足 市场要求的产品，在激烈的市场竞争中生存发展。然而管理基础薄弱、观念落后、 对企业信息化存有错误的认识、对信息技术在整体上把握不准等问题严重地影响 了企业信息化进程，其中基础数据不准确、不一致、不标准是阻碍信息化发展的 重要因素。 工艺对于制造业来说是至关重要的，是衔接设计和制造的桥梁。工艺 技术是产品发展的前提，工艺水平是影响产品质量的主要原因，工艺管理 是提高企业生产效率的重要途径。工艺设计与管理中产生的工艺数据是企 业内最基本的数据之一，其准确性、标准性关系到整个生产制造系统，不 仅影响着产品的质量、加工成本，而且对产品的交货期产生很大的影响”。 因此加强工艺数据的准确性，促进工艺数据的标准化是企业基础数据管理 的重要环节。长期以来我国机械制造企业工艺管理一直沿用前苏联的管理 模式，在国有企业中更为明显，这种模式受计划经济体制的影响，缺少工 艺优化，工艺设计与管理没有进行合理配置，造成工艺数据的不准确、不 标准，对产品质量的稳定产生很大影响。在以美国为代表的西方国家中， 工艺管理是工业工程学的一个组成部分，工艺程序分析、工艺优化与管理正是 工业工程研究的内容。工业工程( ) 将管理与技术有机地结合在一起，追求成 本和效率意识，追求工作简化和标准化意识，追求全局和整体意识，是系统优化 技术。工业工程技术和方法与工艺相辅相成，对改进企业的工艺流程，促进工艺 的标准化和最优化起着重要的作用。 工艺数据的准确性不仅需要确定使用什么样的资源制造出产品来，而且需要、 知道如何正确地使用资源合理有效地制造出产品来“1 。c a p p 系统为工艺人员提 供了一种方便的工艺设计工具，提高了工艺设计的效率和工艺数据的准确 性，促进了企业工艺信息化，是企业制造数据的信息源之一，为提供可靠的工 艺数据起到了重要的作用。以往人们对c a p p 的研究主要集中于工艺设计的过程， 对工艺的合理性重视不够，没有把c a p p 技术与工业工程方法相结合，无法利用 山东大学硕士学位论文 工业工程优化和管理技术对工艺进行优化和管理，造成工艺可操作性差。由于制 造过程的复杂性，在产品设计、生产准备、制造、售后服务的全过程中都包含着 对工艺信息及其文件的管理工作，传统c a p p 己难以满足企业的需求，造成工艺 设计和管理不能集成，很难保证工艺信息和文件的准确性、一致性”1 。特别是对 于以产品装配为主的企业，如汽车、飞机总装厂等，一般来说产品结构非常复杂， 装配要求很高，工艺种类繁多，数据量大，对设计、工艺和制造之白j 数据集成性t 要求较高，迫切需要从数据管理和集成的角度来实现产品的工艺设计和工艺管理。 以工业工程基本思想为指导，采用工艺程序分析、操作分析等工业工程方法 和优化技术，将工艺设计、工艺优化和工艺管理有机地结合在一起，全面整合工 业工程与工艺设计，是实现工艺设计与管理朝着标准化，信息化、网络化方向发 展的重要思想和方法，也是本课题研究的出发点。本课题把工业工程基本思想和 方法引入到传统c a p p 系统中，旨在建立一个集成工艺设计、工艺管理与工艺优化 于一体的计算机辅助工艺设计和管理系统，为企业建立准确、一致、标准的工艺 数据提供帮助，辅助工艺人员和工业工程人员进行工艺工作。另外，标准化是企 业管理的基础，对提升企业管理水平具有重要的作用，b o m 是产品设计数据、工 艺数据和制造数据集成的依据和基础，其准确性直接关系着c a p p 、p d m 、e r p 等企业信息化软件的应用成败，本课题对此进行了重点研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 制造业工艺技术与管理的发展过程 工艺管理可以追溯到1 9 世纪末2 0 世纪初提出的“科学管理”，其中作业管理 部分就提出了制度化、科学化的作业方法、标准工作定额等。经过长期的发展， 国外先进国家在工艺技术及管理方面已从传统的生产技术准备为主，扩大到产品 的全生命周期，并形成制造系统工程，集成了机械加工技术和管理技术，向着工 艺管理与设计并行化、集成化的方向发展，同时加强激励机制，改进人的作用。 我国制造业工艺管理的发展经过了曲折的过程，建国初期基本照搬了原苏联 的管理模式，6 0 年代术到7 0 年代末，在特殊的历史环境下，工艺管理长期处于 工艺混乱、工艺纪律松弛状态，虽然经过了8 0 年代的恢复整顿阶段，但这种状态 在很长时间内没能得到根本解决。9 0 年代以来，在探索市场经济条件下的新型工 艺管理体制下，开展了计算机技术在工艺设计和工艺管理工作中的应用，进行了 先进工艺技术与管理技术科研工作。特别是2 0 世纪末，以电子、信息、新材料、 系统科学等为代表的新一代工程科学与技术的迅速发展及其在控制领域中的广泛 渗透、应用和衍生，极大地拓展了制造活动的深度和广度，急剧地改变了现代制 6 山东大学硕士学位论文 造业的设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织结构，产 生一大批新的制造技术和制造模式。随着信息技术与网络技术的高速发展，信息 化已经成为现代社会发展的强大动力，信息化及信息技术的应用成为推动制造业 发展的重要手段。c a d 、c a p p 、e r p 、p d m 等信息化软件在企业内应用与普及 为工艺管理的信息化提供了基础和要求“。 计算机辅助工艺过程设计系统( c a p p ) 的开发，研制开始于上世纪6 0 年代末。世界上最早研究c a p p 的国家是挪威，于1 9 6 9 年推出了世界上第 一个c a p p 系统a u t o p r o s 。设在美国的国际性组织c a m i 于1 9 7 6 年开发 的c a p p ( c a m - ir sa u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 成为c a p p 发展史上的里程碑。 8 0 年代我国开始了在c a p p 方面的研究和应用，最早开发的c a p p 是同济大学的 修订式t o j i c a p p 系统，随后，一些高校等院校对c a p p 技术进行研究并研制出 了很多c a p p 。经过多年的历程，国内外对c a p p 技术已进行了大量的探讨与研 究，无论在研究的深度上和广度上都不断取得进展。c a p p 发展的过程如表1 1 例 所示。 表1 1c a p p 的发展过程 时间c a p p 概念c a p p 方法c a p p 系统环境 6 0 年代 用计算机代替t 艺设计方法：派生 “自动化系统”，工艺信息自动生 末年设计人员手工作业式、创成式、混一般针对某种零成，大批量生产， 代中方式，实现零件工合式件的某种工艺过结构化程序设计 艺规程设计自动关键技术：零件程进行设计，很 化、智能化，提高信息描述、工艺少需要人的干预 工艺人员的工作质知识表达与组 量和效率织、工艺决策逻 辑 8 0 年代 集成化、智能化工基于专家系统、 “集成化”一自动工艺与设计、制 中9 0 年艺设计，实现零部人工神经网络的 工艺设计系统，造过程的集成、 代中 、 件c a d ，c a p p 、 智能设计方法，工具化柔性框架并行、多品种小 c a m 的一体化工艺知识库管系统，与c a d 、批最生产，面向 理。基于特征技c a m 等系统紧对象的分析与设 术的零件信息描密结合、自动衔计 述及模型的建接 立，基于特征的 决策机制等，面 向对象的工具化 方法 9 0 年代后以产品为中心，利产品工艺信息模。交互式”设计、整个产品 = 艺设 期至今用计算机对各种工型的建立，各类以工艺信息管理计过程的有效管 艺信息进行有效的工艺资源的表为主的多用户系 理，大批量定制 管理，从整体上提达、组织。面向 统，覆盖多种f ：生产，分布式、 高各类： 艺人员的产品的集成化、艺设计过程，能 网络化计算 工作效率，实现工智能化方法灵活配置，具有 艺设计与管理的一开放的系统结构 体化 7 山东大学硕士学位论文 目前，国内外已有相应的商品化软件推出。从总体来看，以交互式设计和数 据化、模型化、集成化为基础，并综合应用数据库技术、网络技术等是这些商品 化c a p p 软件的共同特点。从目前的发展趋势来看，c a p p 系统正朝知识化、智 能化、工具化、工程化、集成化、网络化、交互式和渐进式等方面进一步发展。 1 。2 。2 计算机辅助工艺设计与管理系统的研究热点 计算机辅助工艺设计与管理系统在企业内起着重要的作用，人们从不同的角 度对这些系统进行了研究，主要有以下几个方面。 ( 1 ) 以产品b o m 为核心，实现c a p p 与p d m 等系统的集成 b o m ( b i l lo fm a t e r i a l ) 是对产品结构的描述，逐渐成为产品数据中举足轻 重的基础数据之一，是产品设计数据、工艺数据和制造数据集成的依据和基础， 其准确性直接关系着c a p p 、p d m 、e r p 等企业信息化软件的应用成败。作为产 生工艺数据的c a p p 系统不可避免地与b o m 存在密切的联系，因此从b o m 的角 度对c a p p 系统进行重新思考足许多学者研究的重点，并且提出了很多的方法。 p d m 系统是对产品全生命周期数据进行管理的系统，与c a p p 系统存在着必然的 联系，研究基于p d m 系统之上的c a p p 系统也是很多学者研究的重点，并提出了 基于p d m 平台、面向b o m 的系统框架和实现方法。“”n 妇 ( 2 ) 依据并行工程，实现工艺设计与生产调度之间的集成 随着并行工程的不断发展，人们意识到工艺设计必须考虑实际的生产情况， 提出了工艺设计与生产调度集成的方法。这方面的研究在国外开始的比较早。j a n k e m p e n a e r s ( 1 9 9 6 ) 等人指出随着客户化的市场需求，柔性制造和缩短生产周期 是企业发展的必需，集成工艺设计与生产调度是进行并行工程的第一步。许多学 者分别研究了如何解决工艺设计与生产调度集成的问题。c h e r t y o n g j i a n g 在其博士 论文中，详细研究了大批量定制生产方式下工艺设计与作业排序的集成问题，并 且建立了两者集成的整体框架n 2 州“8 “6 3 。 在我国也有一些学者进行了相关方面的研究。有些学者根据生产实际的需要， 研究了动态c a p p 的原型系统，旨在解决直线型生产过程组织所带来的问题。有 些学者对e 制造环境下的生产调度问题进行了研究，提出了一种工艺规划与生产 调度动态集成的系统模型“7 “”1 。 ( 3 ) 建立以先进的信息技术为依据，先进的管理思想为指导的c a p p 系统 信息技术的高速发展为c a p p 提供了新的方法和技术，先进的管理思想对 c a p p 的发展起到了指导作用，建立在先进管理思想之上，以先进信息技术为核 心的c a p p 系统发展迅速。有学者把工作流技术引入c a p p 系统，提出在工艺设 计中采用综合应用填表、派生式、创成式等多种工艺设计模式，用来解决c a p p 8 山东大学硕士学位论文 系统中不具有工艺流程管理功能和系统可重构较差等问题。有学者基于现代化的 网络环境，提出了基于网络的c a p p 系统，研究了在网络环境下c a p p 各个专业 口之问、c a d 与c a p p 之间、c a p p 与e r p 之间的信息关联、沟通和共享问题。 有学者从集成的角度出发，研究了工艺信息集成模型及其在c a p p 系统中的实现 策略1 ”哪! 。”。 ( 4 ) 计算机辅助装配工艺设计系统的研究 装配是制造业的主要活动之一。产品装配在产品生产中占有重要的地位，据 统计，在产品的生产活动中，装配作业时间占生产时间的5 3 ，装配工作的成本 占总制造成本的4 0 至6 0 左右。各种装配型企业的出现迫切需要解决装配问题的 c a p p 系统哪。国内外对装配工艺设计系统的研究比机加工c a p p 研究要晚，国际 上计算机辅助装配工艺设计方面的研究尚处于原型系统研究与开发的阶段，基本 上属于实验系统，多数研究重点集中在较简单零件的机器人装配路径规划，尚未 见对复杂产品或部件的装配工艺设计研究。随着产品结构越来越复杂，装配工艺 越来越重要，有关这方面的研究逐渐成为一个热点，在我国有些学者对产品装配 模型结构进行了研究，讨论了装配c a p p 集成化系统的原理、结构和主要技术嘲。 ( 5 ) 计算机辅助工艺管理系统的研究 传统c a p p 系统片面追求工艺设计的自动化，忽略工艺管理，造成工艺设计 与工艺管理的脱节，工艺数据不一致，工艺设计不准确，无法进行工艺积累，工 艺设计重复进行等问题。研究一种集工艺设计与管理于一体的系统成为解决此问 题的有效方法，近几年有些学者对工艺管理系统进行了相关研究。有学者根据目 前中小型企业使用计算机进行工艺设计和工艺管理的情况，提出了基于产品b o m 结构进行工艺管理的思路，并对工艺管理系统进行了研究。有学者在c i m s 基础 上对计算机辅助工艺管理系统的模块和信息流程进行了研究。有学者专门针对汽 车装配工艺进行了研究。有学者对企业级工艺信息系统平台体系结构进行了研究， 提出了以产品工艺数据为中心的集工艺设计与信息管理为一体的交互式计算机应 用框架系统捌嘲儿衢1 嘲。 山大华天软件有限公司在多年的c a p p 研究与实施基础上积累了大量的经 验，提出了工艺明细表系统，以b o m 为核心，集成设计数据、采集工艺数据于 一体，并对这些数据进行分析处理，实现了系统与物流管理集成等功能。为解决 当前企业设计、工艺、制造等b o m 不准确、设计数据与工艺数据及制造数据脱 节、物流管理不畅问题提供了有利的帮助。 综上所述，有关计算机辅助工艺设计与管理的研究范围很广，并在不同的方 面取得了一定的成果，但仍然存在一些不足。主要表现在： ( 1 ) 计算机辅助工艺设计研究与开发目标具有片面性。长期以来c a p p 的目 9 山东大学硕士学位论文 标一直是丌发代替工艺人员的“自动化”系统，而不是“辅助”系统，即过分强 调工艺决策的自动化，致使系统开发周期长、费用高、难度大，并且推广困难。 ( 2 ) 各种系统应用范围窄。c a p p 的研究与开发基本以零件为主体对象，且 主要集中在机械加工工艺设计领域，每一种系统只适用于少数几种零件。由于缺 乏从整个产品的角度研究c a p p 的应用和集成问题，忽视工艺管理功能的研究与 开发，使c a p p 系统难以适用于企业中的大部分零件，更难以满足先进制造系统 对c a p p 的使用和发展需求。计算机辅助装配工艺设计尚处于原型系统研究与开 发阶段，未见对复杂产品或部件的装配工艺设计研究。 ( 3 ) 对产品数据集成的研究层面窄。b o m 是企业内数据集成的基础，目前 各种b o m 视图的定义不明确，缺少对b o m 转化机制的研究。 ( 4 ) 系统的研究只注重技术的应用，而忽视管理的作用，缺少系统优化方法。 特别在我国，由于工艺管理受传统模式的影响，虽然对各种先进的工艺技术进行 了大量的研究，但真正达到实用化水平的系统并不多。 1 2 3 工业工程( i e ) 技术在工艺设计与管理中的应用现状 工业工程在国外已经有了近一个世纪的发展，在以美国为代表的工艺管理体 制中，工业工程各种分析与优化技术已在企业工艺管理中必不可少。计算机技术 的发展促进了工业工程技术在工艺设计与管理中广泛应用。在国外从2 0 世纪6 0 年代就开始进行计算机辅助工业工程的研究，到目前为止出现了很多这方面的软 件，为促进工艺管理的发展起到了重要的作用。例如：l e t 公司的软件包中v i a ， p r o d u c t i v i t ym e a s u r e m e n t 系统的l i n eb a l a n c i n g 模块、e a s e 公司推出的工具集中的 工艺程序分析模块、a p p l i e dc o m p u t e rs e r v i c e si n c ，( a c s ) 公司的b a l a n c i n ga n d p r o c e s s a n a l y s i s 模块等。其中比较典型的为h m s 软件公司推出的h m s 制造企业 信息化软件套装。 h m s 软件公司始建于1 9 9 2 年，是世界领先的离散制造业和装配业信息管理 系统的解决方案提供商。客户群主要为大型工业企业，包括飞机制造业、航空航 天业、国防工业、电子制造业以及其他基于订单的工业企业。该公司推出的h m s 制造企业信息化软件套装，把工艺程序分析与工艺设计和管理紧密结合，采用多 媒体技术进行工艺设计和分析，可以方便地为复杂和精密的产品定义、执行和存 档制造过程信息。本软件套装包括c a p p 、b o m 管理以及工作地管理等工具。在 c a p p 软件中，系统提供给用户一个友好的操作界面，可以根据需要的方便增加、 修改、复制、连接、删除操作( 工序) ，达到改进工艺程序的目的。 在该系统的第二代c a p p 中，以零部件为主线，对零件的制造和部件的装配 “操作”进行详细的描述，包括工作地、工作中心，设备、工人的熟练等级要求 1 0 山东大学硕士学位论文 等，并通过图片、视频等多媒体手段对零件的制造和部件的装配方法进行展示， 使分析者对生产现场有一个直观的印象。利用丰富的i n t e r n e t 联机文档和资料，提 供给分析者尽可能多的信息，辅助其更好的理解某一“操作”环节。提供给分析 者简洁易用的分析界面，方便地在制造过程的一系列“操作”环节中进行转换和 比较。( 见图1 1 ) 图1 - 1h m s - c a p p o 工艺程序分析模块界面示意 对我国来说，由于受传统工艺管理体制影响较大，工业工程与工艺设计和管 理联系不突出，工艺设计一般在产品设计出来以后由工艺人员编制工艺规程；而 工艺程序分析与优化一般是工业工程人员在产品生产制造过程中对工艺进行优化 改进。这种相对独立性和不同期性成为影响工艺合理性与有效性的重要因素。在 国内有关利用工业工程相关理论和技术进行工艺研究的软件至今还没有出现。由 吴爱华老师提出的计算机辅助工作研究系统“计算机辅助方法与时问研究系统 ( c o m p u t e r a i d e d m e t h o d a n d t i m es t u d ys y s t e m ，简称c a m t s ) ”，经过本人前几届 师兄师姐的努力，已开始朝着此方向发展，并且得了一些初步的成就。如温艳完 成了c a m t s 系统的整体功能模块设计，提出了标准作业单元的概念并进行了一 定的研究，李学博利用u m l 建模技术，主要完成了对工艺程序的计算机辅助描 述工作，对工艺程序分析子系统与c a p p 的集成进行了简单的探讨 山东大学硕士学位论文 1 3 课题研究方法和研究内容 1 3 1 研究方法 本课题从软件工程角度出发，应用系统开发方法对计算机辅助工艺设计与管 理系统进行研究，采用结构化的系统分析与设计方法。把系统功能逐层分解，完 成系统模块结构设计。应用i d e f 建模技术建立系统的总体功能模型，把系统划 分为一个个的模块，并对某些模块进行单独分析与设计，建立模块的功能模型、 信息模型和处理逻辑流程。功能模型把系统分为一个个相互联系的模块，表达系 统的总体功能模块和子模块所具有的功能，以及各模块之间的数据传输。信息模 型反映系统中信息或数据及其之间的联系，可作为系统设计中数据库设计的主要 依据。处理逻辑流程从整体上表达各模块的处理过程，同时也反映数据在系统中 的流向，为进行系统的详细设计提供依据。 1 3 2 研究内容 本课题站在工业工程角度，全面整合了工业工程与工艺设计和管理，采用各 种工业工程方法和技术，从整体上对计算机辅助工艺设计与管理系统进行了研究， 实现了工艺数据的集成，建立了功能模型和信息模型。主要的研究内容有： ( 1 ) 研究设计了计算机辅助工艺设计与管理系统的整体结构，全面整合了工 艺设计与工业工程技术，并建立了系统的功能模型。 ( 2 ) 采用工业工程标准化思想，对标准作业单元进行了研究，建立了标准作 业单元维护模块的功能模型、信息模型、逻辑流程等。 ( 3 ) 把工业工程流程优化的方法用于装配工艺设计，研究了装配工艺流程的 生成和优化过程，建立了装配工艺流程模块的功能模型、信息模型和逻辑流程等。 ( 4 ) 分析了b o m 在系统中的转化问题，研究了不同b o m 所包含的内容和 格式，对b o m 信息模型和b o m 之间的转化过程进行了研究，对工艺b o m 与工 艺程序图之间的转化进行了探讨，建立了系统功能和信息模型，并以实例加以说 明。 1 2 山东大学硕士学位论文 第2 章课题相关理论和技术综述 2 1 工艺及工艺管理 工艺是指劳动者利用生产工具对各种原材料、半成品进行加工或处理， 最后使之成为产品的方法，是人类在劳动中积累起来并经过总结盼操作技 术经验。广泛地讲，工艺技术除了操作技能外，还包括相应的生产工具和 其他物资设备，以及生产过程或作业程序、方法等。 工艺管理是科学地计划、组织和控制各项工艺工作的全过程，主要内 容包括编制工艺发展规划、技术改造规划等基础性、方向性、共同性的工 作，产品生产的技术准备，制造过程中的组织管理与控制工作，售后工艺 服务工作的管理与控制等。工艺管理与现代科学管理理论相结合，构成提 高整个企业管理水平的基础。它按一定的规律，把生产过程科学地组织起 来，以最有效的手段和尽可能低的成本生产制造出符合质量要求的产品。 通过各种工艺文件和资料，为组织生产提供依据。 在不同的国家和经济体制下，产生了不同的工艺管理模式。以苏联为 代表的工艺管理模式，企业有专门的工艺技术和管理部门从事工艺规程的 设计、工艺数据的统计汇总以及工艺指挥与管理，基层车间还有相应的技 术组协助工艺规程的实施，并处理现场生产过程中出现的各种工艺问题。 这种模式受计划经济体制的影响，缺少工艺优化，工艺设计与管理没有进 行合理配置，造成工艺数据的不准确、不标准，对产品质量的稳定产生很 大影响。在以美国为代表的西方国家中，工艺管理是工业工程学的一个组 成部分，其职能是按照生产设计有关产量和成本的制约条件来选择最有利的工 艺，并详细规定同工艺相关的主要细节。工艺管理可以追溯到1 9 世纪末2 0 世 纪初“科学管理”理论，其创始人泰勒从分析工人的操作过程入手，研究 了工艺过程中“动作与时间”的关系，以谋求最高的工作效率，确定了“泰 勒制”。它分为作业管理和组织管理两大方面。工艺管理正是在“作业管理” 上发展起来的，并与工业工程紧密结合，采用工业工程方法和技术对工艺进行分 析与优化。我国制造业工艺管理长期以来照搬了原苏联的管理模式，没有从根本 上解决工艺设计与管理的集成，缺少工艺分析与优化。” 2 2 计算机辅助工艺过程设计的原理和方法 计算机辅助工艺过程设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 是通过 1 3 山东大学硕士学位论文 向计算机输入被加工零件的几何信息和加工工艺信息等，由计算机自动输出零件 的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。其内容主要有：( 1 ) 毛坯的选择及毛 坯图的生成；( 2 ) 定位基准与央紧方案的选择；( 3 ) 加工方法的选择；( 4 ) 加工 顺序的安排：( 5 ) 通用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备的选择；( 6 ) 工艺参 数的计算；( 7 ) 专用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备设计方案的提出；( 8 ) 工艺文件的输出。 计算机辅助工艺过程设计系统按其工作原理可分为检索式c a p p 系统、派生 式c a p p 系统、创成式c a p p 系统、半创成式c a p p 系统、广义c a p p 系统、工 具化c a p p 开发平台、智能型c a p p 等类型。其中检索式、派生式和创成式是最 基本的c a p p 类型。 ( 1 ) 检索式c a p p 系统 这种c a p p 系统常应用于大批大量生产模式，工件的种类很少，零件变化不 大且相似程度很高。不需要进行零件的编码，在建立系统时，只需要将各类零件 的工艺规程输入计算机。一般情况下，只需要对己建立的工艺规程进行管理即可。 编制新零件的工艺规程时，将同类零件的工艺规程调出并进行修改即可。这是最 简单的c a p p 系统。其结构原理图见图2 1 。 图2 - 1 检索式c a p p 系统结构( 赵良才计算机辅助工艺设计1 9 9 4 ) ( 2 ) 派生式c a p p 系统 这种c a p p 系统是建立在成组技术之上的。首先对生产对象进行分析，根据 成组技术原理将各种零件分类归族，形成零件组；对于每一零件族，选择一个能 包含该组中所有零件特征的零件为标准样件，也可以构造一个并不存在但包含该 组中所有零件特征的零件为标准样件；对标准样件编制成熟的，经过考验的标准 工艺规程；然后将该标准工艺规程存放在数据库中；当要为新零件设计工艺规程 时，首先输入该零件的成组技术代码，也可以输入零件信息，由系统自动生成该 1 4 山东大学硕士学位论文 零件的成组技术代码；根据零件的成组技术代码，系统自动判断零件所属的零件 组，并捡索出该零件族的标准工艺规程：然后根据零件的结构形状特点和尺寸及 公差，利用系统提供的修改编辑功能，对标准工艺规程进行修改编辑，最后得到 所需的工艺规程。目前大多数实用型c a p p 系统都属于这种类型。其结构原理图 见图2 2 。 图2 - 2 派生式c a p p 系统结构( 赵良才计算机辅助工艺设计1 9 9 4 ) ( 3 ) 创成式c a p p 系统 当输入零件的有关信息后，系统可以模仿工艺专家，应用各种工艺决策规则， 在没有人工干预的条件下，从无到有，自动生成该零件的工艺规程。创成式c a p p 系统的核心是工艺决策逻辑，这是人工智能、专家系统发挥作用的大好领域，是 今后c a p p 系统研究的重点。其结构原理见图2 3 。 图2 - 3 创成式c a p p 系统结构( 赵良才计算机辅助工艺设计1 9 9 4 ) 近年来，以交互式为基础的实用化c a p p 系统已经取得相当广泛的应用和显 著的实际效益，c a p p 的应用正从以零部件为主体对象的局部应用走向以整个产 1 5 山东大学硕士学位论文 品为主体的全面应用。现代c a p p 系统结构是以交互式为基础，以知识库为核心， 并采用检索、修订、生成等多工艺决策混合技术和多种人工智能技术的基于知识 的交互式c a p p 系统框架，这不仅是制造企业信息化的重要理论基础，也为开发 各种有效的智能化在线辅助决策功能提供了坚实的实践基础。其系统结构如图2 - 4 所示。 l c a r p 人机接口 i 知识获取与知识管理交互式工艺设计工艺管理应用工具l 1 人工智能l i 决策单元il 相似工艺自i i 动检索 l f 引黝 k li r 舷升鬻心磁数 图2 - 4 基于知识的交互式c a p p 系统结构 ( 张振明现代c a p p 技术与应_ h j 2 0 0 3 ) 在这种c a p p 的模式下，工艺人员是工艺决策的主体，局部工艺决策功能的 自动化仅作为从整体上提高工艺人员工作效率的手段之一，而不是试图实现工艺 决策全过程的自动化。c a p p 的主要功能是保证产品工艺数据的完整性、一致性， 实现企业产品工艺信息的集成与共享，而不是孤立地编制零件工艺规程及输出工 艺卡片。 目前，零件的c a p p 系统较多，而计算机辅助装配工艺设计系统很少，其原 因在于装配主要是人的活动，具有很大的主观性、不确定性和经验性，从而造成 装配工艺的不规范性和工艺规则的模糊性。因此采用人工智能技术，利用知识规 则和知识库，开展基于知识库计算机辅助装配工艺设计系统的开发是当今的重点。 基于人工智能技术的计算机辅助装配工艺设计系统的核心部分是装配工艺决策知 识与推理机制。当输入装配任务后，系统应该在装配工艺数据库的支持下，根据 确定的推理机制，应用相应的决策知识，产生优化的装配工艺过程和工序内容。 系统的一般结构如图2 5 所示啪1 。 系统所涉及的主要工作包括：研究装配信息的描述方法；建立装配工艺知识 规则；研究装配工序图的自动生成方法；研究装配顺序的决策原理与实现方法等。 1 6 山东大学硕士学位论文 其主要组成部分包括：装配信息描述、动态数据库、推理机、装配工艺知识库、 工序图库、装配工艺数据库等。 图2 5 计算机辅助装配工艺设计系统结构 ( e 隽琪虚拟制造的理论、技术基础与实践2 0 0 3 ) 2 。3 工业工程( i e ) 工业工程( i e ) 是对人员、物料、设备、能源和信息所组成的集成系统进行 设计、改善和设置的一门学科。它综合运用数学、物理学和社会科学方面的专门 知识和技术，以及工程分析和设计的原理与方法，对该系统所取得的成果进行确 定、预测和评价。其主要的功能有规划、设计、评价和创新，任务是通过研究、 分析和评价，对人一机系统的每一个环节进行设计和重新设计，再将各个环节恰当 地综合，设计出人一机系统的最优配置。工业工程突出特征是从系统整体优化和提 高生产效率的目标出发，强调应用上的系统性、综合性、整体性和不断优化。 工业工程将管理与