硕士学位论文-面向MES的模具CAPP

华中科技大学硕士学位论文面向MES的模具CAPP系统的研究与实现姓名：XXX申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：XXXX华华中科技大学硕士学位论文II摘 要实时监控与优化调度是解决模具企业生产管理问题的有效措施，而模具的加工工艺信息是调度与控制车间生产过程的基础数据。常规的模具制造工艺规划系统只是从加工路线的角度编制工艺，忽略了车间作业计划对加工工艺信息的需求，从而影响了车间作业优化调度的可行性和合理性。要解决这一问题，就必须从车间作业优化调度与控制的角度，研究开发面向制造执行系统MES的模具CAPP系统。本文研究了模具企业信息化的发展现状，总结了PP的原理、特点、存在的问题、发展趋势及近年来模具PP的应用情况。通过对典型模具企业的深入调研，系统分析了模具制造工艺的特点和工艺设计流程，探讨了车间作业计划对加工工艺信息的需求总结了面向MES的模具CAPP系统的系统开发原则和功能组成在此基础上，提出了基于实例推理的交互式工艺设计方法，研究了工艺实例的表达、搜索与改写技术，有效提高了工艺设计的效率；提出了工艺规划中的工序相关性约束的定义，研究了工序相关性问题的描述与检查技术；提出了资源和资源集的概念，采用面向对象的方法分析了资源的属性及数学描述。基于上述研究成果以eMan模具企业生产管理系统为背景在J2EE平台上采用MVC架构实现了面向MES的模具CAPP系统并将其成功地应用于多家模具企业，取得了良好效果。关键字：CAPP 模具 车间作业调度与控制 工序相关性 CBR MESIIIIAbstractJobShopScheduling(JSS)isthemostiportantandefectiveeasuretosolvetheproblesofproductionanageentofouldcopanies.TheinforationofprocessplanningisthebasisofJobShopScheduling.Howeve,intraditionalprocessplanningsyste,theprocessinforationisnotorientedtoJSS,whichresultsinthatthelanadebyJSSisinesible.Inrertosolethisprole,itisnecearytodevlopaMES-rietedCAPPsystemforDie&MouldfromtheviewofJobShopScheduling.Theprinciple,developenttrendsofcoputeraidedprocessplanninganditscharacteristicsarefirstsurveyedinthispape.econdlybasedontheinvestigationtoseveraltypicalouldcopanies,thecharacteriticsofprocessplanningforouldareanalyzed,andtherequireentstotheprocessingplanningdtaarediscussed.ConsequentlyallfunctionalrequireentsoftheCAPPsystemandtheprincipleofdevelopentarethenputforwarded.Thirdl,CBR-basedCAPPispresentedandusedtoenhancetheeficiencyofprocessplanning,aftertheethodofcasemodeling,earchandmodificationarediscussed.Then,thedescriptionofoperationrelativityisrepresentedandtheethodologytodealwithoperationrlativityissearced.Finall,basedontedenitionofreourceandesoureset,thedataforCAPPisconstructedwithobject-orientedethod.Basedontheresearchentionedabove,aMES-orientedCAPPforMouldwasdevelopedbyusingMVCarchitectureandJ2EEplatfor.IthasbeenintegratedwitheMan(asystemfortheproductionanageentofDe&Mould),andipleentedsuccessfullyinsoemouldcopanies.Keyords:CAP,mould,JobShopScheduling,operationrelativit,CBR,MES独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标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研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：张建杰日期：2006年4月17日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于

保密□，在 年解密后适用本授权书。不保密√。华华中科技大学硕士学位论文（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：张建杰 指导教师签名：李建军日期：2006年4月17日 日期：2006年4月17日华华中科技大学硕士学位论文PAGE18PAGE181 1.1模具企业信息化发展现状模具是工业生产的基础工艺装备,家用电器行业的80%零件、机电行业的70%以上零件都要靠模具加工据国际生产协会的预测,21世纪工业产品零件的75%的粗加工、50%的精加工将由模具完成；因此，模具被称之为”百业之母”[1。模具又是”效益放大器”,用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值的几十倍上百倍近十多年来,美国日本德国等发达国家的模具总产值已超过机床总产值模具技术进步极大地促进了工业产品生产发展,因而深受赞誉美国工业界认为”模具工业是美国工业的基石”,在日本,模具被誉为”进入富裕社会的原动力”。可见模具工业在世界各国经济发展中具有极其重要的地位模具生产技术水平的高低,模具生产的工艺水平及科技含量的高低,在很大程度上决定着产品的质量、效益、新产品的开发能力。总而言之，模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一[2]。在以信息化促进工业化的思想指导下，技术信息化在模具企业逐渐得到应用。目前具有一定规模的模具企业，模具设计制造基本都使用CAD/CAM技术，并且很多企业已经全面采用Pro-E等三维设计软件有效集成D与M部分企业已经开始使用E技术分析模具设计结果但与日本美国和德国相比在这些技术的应用上仍存在较大差距[3。随着市场竞争的加剧，对模具企业的生产周期、成本、质量提出了更高的要求，管理水平已成为企业发展的瓶颈。由于模具企业的行业特征带来的生产复杂性，使得管理信息化已成为提高管理水平的必由之路。欧美的模具企业，基本上实现了计算机管理。从生产计划、工艺制定到质检、库存、统计等，普遍使用了计算机，公司内各部门可通过计算机网络共享信息。但我国模具行业起步晚，基础比较薄弱，模具企业的管理仍处于比较低的水平的阶段，实际上与国际水平相比,模具企业的管理落后更甚于技术落后[4]目前大多数企业信息化仍停留在设计制造等单个功能单元功能单元信息化技术如CAD/CAM等的普及程度远高于企业信息化管理技术。另外，较早实施管理信息化的企业，由于缺乏合适管理系统和合理规划，也大多局限在财务、物料等职能部门使用。“十五”期间国家进一步加大了对企业信息化的支持，大部分企业意识到了实施管理信息化的重要性，国内的不少模具企业也开始尝试着引进相应的MRPⅡ/ERP系统，取得了一定的效果但由于这些管理系统一般是基于通用行业MRPⅡ/ERP的系统或由财务软件过渡而来的ERP系统，对于基于订单的单件多品种模具制造业来说并不是特别合适。随着企业应用的深入，发现了许多新的问题。例如上层生产计划管理受市场影响越来越大，明显感到计划跟不上变化；面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多产品的改型，订单的不断调整，企业逐渐认识到计划的制订要兼顾于市场和实际的作业执行状态同时MRPⅡ/ERP软件主要是针对资源计划它们能处理昨天以前发生的事情(作历史分析)也可以预计并处理明天将要发生的事件但对今天正在发生的事件却往往不能给出及时响应和处理。因此不少科研单位和公司开始研究开发适合于模具行业的管理信息系统，并取得了一定的成效。模具企业虽然规模不大，但其行业特征导致模具生产过程复杂多变，工序众多，计划易变，难以有效管理和控制。因此，对于模具企业而言，生产过程管理是模具企业信息化的重点，车间计划和控制是其中的重中之重，尤其是如何编制合理可行的动态车间作业计划。集成了ERP和MES各自优势的综合性管理信息系统是其发展的方向。CAPP是一个将产品数据转换成面向制造的指令性数据的重要环节，作为实现设计、生产一体化的关键，它不仅是信息集成的中枢，也是综合性管理信息系统中各子系统间功能协调的纽带[5]。这就要求CAPP系统能够与实现动态车间作业计划的MES系统有效地集成在一起，向MES系统提供完善的工艺信息。因此要在模具企业发展综合性管理系统必须实现面向MES的模具CAPP系统，并以CAPP为基础实现生产信息的集成。1.2 CAPP概述1.2.1 CAPP的工作原理CAPP是计算机辅助工艺过程设（CoputerAidedProcessPlannin的简称是利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术。通常，可以将制造企业分为五个层次，即：工厂层、车间层、单元层、工作站层和设备层。企业的不同层次对CAPP有不同的应用需求，不同应用层次对CAPP的需求是不同的，因此了解PP系统的基本原理、主要特点和应用场合，选择恰当工作原理和方法开发CAPP系统是至关重要的[6]CAPP系统按其工作原理可以分为以下五大类：交互式CAPP系统、派生式CAPP系统、创成式CAPP系统、综合式CAPP系统和CAPP专家系统。1）交互式CAPP系统采用人机对话的方式，基于标准工步、典型工序进行工艺设计，工艺规程的设计质量对人的依赖性很大。2）变异型CAPP系统亦称派生式CAPP系统。它是利用成组技术将工艺设计对象按其相似性（例如，零件按其几何形状及工艺过程相似性；部件按其结构功能和装配工艺相似性等分类成（簇为每一（簇对象设计典型工艺并建立典型工艺库当为具体对象设计工艺时CAPP系统按零（部件或产品信息和分类编码检索相应的典型工艺，并根据具体对象的结构和工艺要求，修改典型工艺，直至满足实际生产的需要。图1.1是派生式CAPP系统的基本原理图[7]图1.1派式CAPP系的基本原理图3） 创成式CAPP系统是根据工艺决策逻辑与算法进行工艺过程设计的，它是从无到有自动生成具体对象的工艺规程创成式CAPP系统工艺决策时不需人工干预，因此易于保证工艺规程的一致性。但是，由于工艺决策随制造环境变化的复杂性，对于结构多样复杂的零件实现创成式CAPP系统非常困难图1.2是创成式CAPP系统的基本原理图。图1.2创式CAPP系的基本原理图创成式CAPP系统的关键在于系统决策逻辑的建立现有的决策逻辑有以下两种：过程逻辑、决策树。过程逻辑是对工艺进行一系列分析判断的过程，其实现较简单，一般用于逻辑过程比较确定而且逻辑过程不复杂的情况下。但这种创成式PP系统不易于维护，因此，过程逻辑的应用受到一定的限制。在决策树的决策逻辑中，根据零件工艺的变化，用户可以自己修改、补充零件的工艺设计。因此，这类PP系统得到了较多的应用。4） 综合式CAPP是将派生式创成式和交互式CAPP的优点集为一体的系统，目前，国内很多CAPP系统采用这类模式。5） CAPP专家系统。PP专家系统是一种基于人工智能技术的CAPP系统，也称智能型CAPP系统。专家系统和创成式CAPP系统都以自动方式生成工艺规程，其中创成式PP系统是以逻辑算法加决策表为特征的，而专家系统则以知识库加推理机为特征的。1.2.2国内外研究现状及存在的问题1)国内外研究现状PP的开发、研制是从60年代末开始的，在制造自动化领域，CAPP技术的发展落后于其它技术。世界上最早研究PP的国家是挪威，始于1969年并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统PS系统1973年正式推出商品化的AUOPROS系统美国是上世纪60年代末70年代初开始研究CAPP的，并由CAM-I公司于1976年推出CAPP发展史上具有里程碑意义的CAM-I’SAutoateProcessPlanning（PP）系统[8]。我国对CAPP的研究始于80年代初，迄今为止在国内外学术会议刊物上发表的CAPP系统已有50多个但被工厂企业正式应用的系统只是少数，真正形成商品化的CAPP系统还不多[9。90年代中后期，制造业的企业信息集成成为大家关注的热门话题，在一些企业实施了企业级的MES或MRPⅡ甚至ERP软件后，发现CAPP成为阻碍企业信息化建设的瓶颈有些专家在90年代中后期重新衡量了CAPP软件在企业内应发挥的作用逐步抛弃了传统的PP的研究方法，开发重点从注重工艺过程的自动生成，转向为工艺设计提供软件工具，同时为企业的信息化建设提供服务[10]。近年来随着计算机集成制造系（CIMS并行工（CE智能制造系（IMS、虚拟制造系统（VMS、敏捷制造（M）等先进制造系统的发展，无论从广度上还是从深度上都对CAPP的发展提出了新的要求这些要求体现在CAPP的发展趋势上。2)存在的问题 目前在企业中应用的CAPP系统主要存在以下问题[1]-[13]：未提供与其他企业信息化系统的接口；未提供与企业常用软件集成运行的支撑环境；不支持并行设计模式；大量工艺数据的维护、查找困难；由于各分系统的数据库独立，不能有效实现信息共享而且存在数据重复由于工艺设计过程中存在大量的复杂更改，无法确保设计人员使用的是最新数据。1.2.3 CAPP技术未来的发展趋势CAPP技术未来的发展趋势集中表现在以下几点：1)集成化趋势计算机集成制造（M）是现代制造业的发展趋势。因此，未来的CAPP系统除了与CD和CAM集成以外，还应能与PDM（产品数据管理系统、MI（管理信息系统等集成这种集成已经不是普通意义上的集成而是统一在工程数据库上的集成。基于数据库，能与其他系统集成，共享产品数据，这是PP集成化的发展方向。目前现有CAPP集成化的研究与开发，基本集中在CAD/CPP/CAM系统的研究与开发上即传统的3C集成这种集成只是局部的集成难以真正实现与PDM、MIS等相关系统对产品工艺信息的全面集成和与产品设计、工艺设计、生产计划调度的全过程集成[14。CAPP的集成应用是关系到CAPP应用水平的关键因素面向产品信息的CAPP集成目标首先是实现工艺部门内部的信息共享及工艺设计与管理的一体化，工艺数据必须做到一次输入互相关联全程共享并具有统一的数据结构CAPP系统必须实现这一层次的集成应用。CAPP集成应用的第二层次是CAPP与CAD的集成CAPP必须能读取D产生的产品结构信息与图形信息，避免重复输入。PP集成应用的第三层次是逐步实现与MRP/ERP等管理信息系统的集成，为这些系统提供产品结构树、产品零部件工艺路线表、工时定额表、材料定额表、工装汇总表、工艺明细表等工艺信息。2)并行化趋势并行过程强调信息的及时传递与反馈，两个系统之间并行交互反复迭代的过程实际上是宏观上并行、微观上串行的模式。并行工程环境下的CAPP系统不仅是信息集成的中枢，同时也是各子系统间功能协调的关键。并行PP必须面向制造面向成本面向产品进行设计它向上能对CAD的设计结果进行可制造性评价，同时还应具备对不合理的设计（如结构、尺寸公差、精度、可用资源等）提出修改建议，供设计者参考以保证产生一个完善的设计结果。它向下应能接受来自M、D等方面的信息以控制一个工艺设计过程从而实现工艺设计的技术合理性加工工艺的经济性与制造资源的可用性。阶段性设计结果的预发布是进行工艺设计的重要手段之一，它保证了各设计子系统尽可能并行工作的实现。网络化的系统环境是实现并行的基础[1]。3)面向产品的趋势传统的采用以零组件为主体对象的CAPP应用模式，在企业只能是局部的应用CPP的应用缺乏应用的广度从而使CAPP的发展缺乏坚实的实践基础从企业发展长远看PP应用应从以零组件为主体对象的局部应用走向以整个产品为对象的全面应用，实现产品工艺设计与管理的一体化，建立企业制造工艺信息系统。总之面向产品的CAPP系统首先应是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系统；其次，面向产品的PP应能以产品结构树为组织管理的核心，从工艺因素和其他相关因素方面实现面向产品级的工艺决策[16。4)智能化趋势建立以交互式CAPP为基础的制造工艺信息系统，并不排斥在CAPP智能化方向的努力在建立丰富的工艺知识库基础上应用各种人工智能决策技术，实现各阶段各种有效的智能化在线辅助，仍是CAPP发展的重要目标[17]。CPP所涉及的是典型的跨学科的复杂问题不仅业务内容广泛而且许多决策极大地依赖于专家的个人经验、技术和技巧。另一方面，制造业生产环境的差别，要求CAPP系统具有很强的适应性和灵活性依靠传统的过程性软件设计技术如利用判定表和判定树进行工艺及决策软件设计等，已经远远不能满足工程的实际对PP的需求。而专家系统技术以及其他人工智能技术在获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性方面给PP的发展带来了生机。目前人工智能技术已经越来越广泛的应用于各类型的CPP系统之中。将人工神经元网络理论、模糊理论、黑板理论与实例推理等方法用于CAPP系统的开发实践表明CPP的智能化应是以交互式为基础以知识库为核心，并采用检索、修订、创成等混合决策技术形成基于知识库的智能化交互式CAPP系统框架才能真正理顺先进性与实用性普及与提高等各方面的关系满足企业对CAPP广泛应用于集成的需求。其结构图如图1.3所示。图13智化交互式CAPP结构框图5) 工具化趋势通用性问题是PP面临的主要难点之一，也是制约CAPP系统实用化与商品化的一个重要因素[18为此有人提出CAPP专家系统建造工（PPExpertSystemBuildingools）的思路，这个问题的实质是，如何使CAPP系统各工艺决策系统（如推理机）与系统所需的工艺资源数据（如工艺资源库）与规则知识（工艺规则库）完全独立，只有解决了这一点，才能使PP系统具有通用性。使用统一标准的工艺知识库平台，具有友好统一的人机界面，具有功能强大的数据与知识库管理系统，才能便于用户对各种工艺数据与知识的获取、表达、管理与维护等。另外系统除了可以按标准格式输出工艺文件外，还应可以输出由用户自己定义的工艺文件。1.3 MES概述如何更好地控制车间的生产，找出影响产品品质和成本的问题，提高计划的实时性和灵活性，同时又能改善车间生产的运行效率，是MES技术应运而生的背景。制造执行系统ME（ManufacturingExecutionSyste是处于计划层和车间操作控制层之间的执行层，主要负责生产管理和调度执行。它通过控制包括物料、设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提高企业竞争力，并提供了一种在统一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产调度等功能的方式。从而实现企业实时化的ERP/MES系统。上个世纪90年代初期美国先进制造研究机（AMR通过对大量企业的调查发现，完善的企业生产管理系统，普遍由以下三种软件构成：以ERP、MRPⅡ为代表的企业管理软件以PLCS为代表的生产过程监控软件以及实现操作过程自动化、支持企业全面集成的MES软件根据调查结果AMR于1992年提出了三层的企业集成模型。图1.4三的企业集成模型1)计划层。也是决策层使用的管理工具，主要应用系统是ERP、CRM、SCM、BPM（企业绩效管理）等。2)执行层通过使用ME（制造执行系统在计划管理层与底层控制之间架起一座桥梁。3)控制层。以PLC、S为代表的生产过程监控软件。MES作为面向制造的系统必然要与企业其他生产管理系统发生密切关系MES在其中起到了信息集线（InforationHu的作用它相当于一个通讯工具为其他应用系统提供生产现场的实时数据[19]MES本身也是各种生产管理的功能软件集合可归纳为十一个主要的功能模块，包括工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理性能分析以及数据采集等MES的功能模型如图1.5所示从图1.5中可看出，MES与其他分系统之间有功能重叠的关系如MESCRM和ERP中都有人力资源管理，MES和PDM两者都具有文档控制功能，MES和SCM中也同样有调度管理，等等。图15MES功能模型1.4 模具CAPP的研究现状由于国内模具CAPP技术发展起步比较晚，对模具CAPP技术的研究较少，因此大部分模具制造企业对PP系统的应用情况并不令人乐观；部分企业在计算机技术和D的应用较为普及以后工艺设计成为企业的薄弱环节仍然采用手工设计方式，CAPP的应用仍是空白虽然部分企业已认识到工艺设计的重要性并购买了部分商品化的CAPP系统，但由于企业对CAPP的认识还存在一些误区，在CAPP的选择和应用上还存在较多的误区和较大的盲目性，主要表现在盲目追求设计自动化、最优化，而不注重基础数据的准备和人员素质的提高，不注重工艺数据的生成和管理；还有部分企业虽然已经比较成功的应用了PP系统，但是只是实现了工艺部门内部的信息共享及工艺设计与管理的一体化，或者只是实现了PP与D的集成，而没有将CAPP系统与生产制造系统集成起来，因此还是“孤岛式”地存在。从近年模具工业的发展来看，模具工业发展趋向于采用高新技术，特别是计算机集成环境下的模具CAD/CAPP/CAM技术[20，并把网络技术和数据库技术运用于模具生产过程中，实现模具生产全过程信息化管理。现有的模具PP系统中采用的技术方案可分为两种第一种是将CAPP与CADM系统集成在一起在isualFoxPro、isualC+或PowerBuildr等环境下开发而成以二维或三维模具零件图和工艺文件作为模具零件信息的描述模型这种模具CAPP系统的零件信息描述受D零件图文件格式的限制，适用范围窄，而且以单个模具零件的工艺设计为目标，没有考虑模具零件间的制约关系以及模具生产对不同类型模具工艺规划侧重点不同的特点。而且只能提供单人操作，不支持多人协同设计，制定的模具工艺设计规程单一，不能对模具零件工艺进行动态调整。第二种模具PP系统是用特征编码的方法对模具零件进行信息描述建立模具零件的特征模型工艺规划时由用户输入模具零件特征模型信息，CAPP系统对模具零件的特征模型进行解释自动选择模具工艺路线和工艺方案由于模具零件多，模具零件特征模型工作量大，用户使用困难。因此这种PP系统很难达到实用。模具PP的智能化是近年来研究的又一个热点，重点在于如何提高模具工艺的设计速度和水平，实现工艺知识的积累和再用。西北工业大学针对彩虹零件厂模具工艺设计的实际需求，开发了XYCH-CAPP系统，研究了面向对象的工艺信息建模技术和基于典型模具工艺的参数化工艺设计技术，有效提高了企业的工艺编制速度和工艺编制的标准化规范化程度[21]天津大学研究了基于实例推理的汽车覆盖件模具CAPP系统的理论和方法，提出了基于特征的层次结构表示方法，利用关系数据库进行动态存储，采用最近相邻算法进行实例的筛选[22]。在PP系统的集成化研究方面，四川大学制造科学与工程学院开展了面向生产管理的集成化CAPP系统的研究该系统基于PDM的集成化环境能够为JIT和MIS、MRPⅡ等系统提供数据源。但其研究还只是解决了PP与生产管理的数据层面上的集成，并不是与其他信息系统如MIS、ERP和MES的真正意义上的集成[5]。综上所述，现有的模具CAPP系统的研究主要集中在如何与/M集成、如何快速智能的进行工艺规划而如何与管理信息系（MIS集成尤其是如何与制造执行系统（MES）的集成研究尚少。1.5 课题目的与意义以及研究内容由前面分析讨论可以看出CAPP系统与MES系统集成化的研究是非常有意义的。本课题的目的就是通过对模具企业工艺规划过程和制造执行系（MES的需求分析，确定CAPP系统方案并以此为基础开发出实用的面向MES的模具CAPP系统以提高企业的工艺规划水平和生产管理水平，缩短模具制造周期，保证交货期，提高模具的制造质量，降低成本。为此本课题在教育部博士点基金、湖北省自然科学基金资助下，重点开展以下研究工作：1)调研并分析国内部分具有代表性的模具企业了解目前模具企业的工艺设计流程、信息化程度以及存在的问题，进一步明确企业对CAPP系统的需求2)分析MES系统对CAPP的需求提出面向MES的模具CAPP系统的功能组成3)进一步研究CAPP系统的智能化，提出基于实例推理的交互式工艺设计方案4)提出工艺规划中的工序相关性问题研究工序相关性约束的定义描述和检查，并提出处理方案5)提出面向车间作业计划的资源描述和资源集的概念6)研究基于B/S模式的模具CAPP系统的体系结构以及实现方法。2 向MES的模具P系统分析2.1模具制造工艺特点及其对CAPP的需求2.1.1 工艺设计概述工艺设计是优化配置工艺资源，合理编排工艺过程的一门艺术。它是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造的桥梁。以文件形式确定下来的工艺规程是进行工装制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有直接的影响，因此是生产中的关键性工作。工艺设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件。工艺设计正处于产品设计和加工制造的接口处，必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及时间定额（工时定额甚至传统习惯等方面的信息由于各种信息之间的关系极为复杂工艺设计时必须全面而周密地对这些信息加以分析和处理。企业工艺文件的形式多种多样，繁简程度也有很大区别，主要决定于生产类型。以机械加工为例：在单件小批生产中一般只编制综合工艺过程卡，供生产管理和调度用。至于每一工序具体应如何加工，则由工人自己决定，对关键或复杂零件才制订较为详细的工艺规程。在成批生产中多采用机械加工工艺卡片。大批量生产中则要求完整和详细的文件，除工艺过程卡外，对各工作地点要制订工序卡片或分得更细的操作卡、调整卡以及检验卡等。各企业采用的工艺文件并无统一格式。工艺设计包含的内容和基本流程为由设计部门产生设计图纸后，首先要转到工艺部门进行工艺审查，其目的是了解设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理方法等方面的信息并进行工艺性分析和审查（工艺性是指所设计的产品在能满足使用要求的前提下加工制造和维修的可行性和经济性经过工艺审查后工艺部门提出修改意见返回设计部门进行设计图的修改此时产生的工艺文件是“工艺审查记录单”。工艺部门同时还要进行工艺总方案的设计及编写，此时的工艺文件是“工艺总方案”修改后的设计图纸转到工艺部门后工艺还要进行工艺路线的编制及工艺规程的编制基于工艺规程工艺人员要完成如“设备汇总”“工装汇总”等工作对需要进行工艺装备设计的提出工装申请，进行工装的设计。在此之后，制造部门及物资供应部门将以此为依据，进行物资供应及生产的组织，调度。在生产过程中，部分工艺规程的内容会有所调整和修改，相应的工艺汇总文件必须进行适当的修改。所有的工艺文件都要经过设计、校对、批准、标准化、会签等工作流程。产品经试制，修改到最后定型，相关的图纸和文件要进行分类归档。定型后的工艺是不能随意改动的，需修改时，同设计部门一样需填写“工艺更改通知单”。通常，产品都要经过如上的工艺设计过程，对于不同的企业，因其规模企业性质等的不同，工艺设计的具体过程可能有所不同，但内容大同小异。在工艺设计过程中产生的许多重要的工艺文件对指导企业制造系统和物料供应系统的调度有着直接的影响。工艺工作贯穿于企业的整个生产活动中，在各个方面都充满着个性。工艺设计所涉及的因素不仅是大量的，而且是极其错综复杂的，如企业的生产类型、产品结构、工艺准备、生产技术发展等的影响，甚至受到管理体制的制约。上述因素中的任何变化，均可能导致工艺设计方案的变化。因此说工艺是企业生产活动中最活跃的因素。2.1.2模具制造工艺的特点由于模具零件形状的复杂性及特殊性，在实践中，很难将其制造工艺按某种固定的模式进行编制。各厂家因其设备状况、技术水平不同，对相同的模具零件，所编制的工艺也可能完全不同。同一个模具零件可以有多种不同的加工工艺，制定制造工艺时需要考虑的因素多，很难确定一个通用的工艺方案。跟一般机械制造相比，模具制造工艺的明显特点是：模具是一种典型的面向订单的单件产品，几乎每一次生产都带有试制性需要经过设计制造试模修模的多次反复而且经验依赖性强相关的模具零件间经常需要配做，加工工序相互关联。2.1.3模具工艺对CAPP系统的需求模具产品的更新换代周期越来越短，需求越来越多样化，多品种单件生产的模具比重越来越大而且在当前模具企业的生产过程中工艺规程基本上都是手工编写，计算机应用水平低，已远远不能满足现在模具生产的需要。另外，新品生产的任务相当繁重，产品具有较高的相似性，有大量工艺需要在很短的时间内完成。由于工艺过程设计是一项技术性和经验性很强的工作，长期以来，模具企业都是依靠工艺设计人员个人积累的经验来完成的，要求设计人员具有丰富的生产经验，熟悉企业内部各种加工方法及应用的设备使用情况，熟悉企业内部各种生产加工规范和相关规章制度，并能与各方面保持良好合作，这样的工艺师大概需要5-10年左右的工作实践。因此，模具加工的工艺编制成为制约企业发展提高效益的主要瓶颈之一。目前，这种工艺设计与管理方法与现代制造技术的发展要求不相适应，主要表现在：1) 生产准备周期长很难适应市场竞争机制工艺设计是由工艺人员手工逐件设计的，工艺文件的内容、质量以及编制时间取决于工艺人员的经验和熟练程度，这种状况导致工艺设计时间长工作效率低而且工艺设计工作重复繁琐质量参差不齐，工艺设计质量得不到保证。2) 工艺设计要花费相当多的时间，但其中实质性的技术工作可能只占时间的5%-10大部分时间用于重复性劳动和填写表格等事务性工作上这不仅加大了工艺人员的劳动强度，容易出错，而且延长了产品的开发周期。3)难以保证文件的质量和实现规范化标准化同一零件由不同工艺员编制工艺时，往往得到不同的工艺文件，即使同一工艺员，每次设计结果也可能不完全相同。人工设计的工艺一致性差。4)繁琐而重复的密集型劳动会束缚工艺人员的设计思想妨碍他们从事创造性工作。工艺人员的知识积累过程太慢，而为企业有效服务时间相对过短，因而不利于工艺水平的迅速提高。5)手工编写工艺时还存在着查找和统计不方便等许多弊病往往曾经编写过的模具零件工艺，其手工查找的时间还不如重新编写一份更快，各种统计工作也长期困扰着工艺人员。因此，为缩短生产准备周期，提高工艺文件质量，并使广大工艺人员从繁琐重复的劳动中解放出来，模具企业急需引进PP技术，以提高工艺设计及技术管理的效率，保证工艺设计能够迅速准确、完整地提供生产型工艺文件，管理性工艺文件，提高工艺规程的生成速度和质量，降低对工艺人员的工艺设计熟练程度的要求，并实现工艺文件的标准化、规范化，使模具工艺技术人员从繁琐的重复性劳动中解脱出来，真正投入到工艺创新、优化工艺等工作中。模具工件的加工工艺与工件的加工要求、工件的形状、工件的材料、人员素质、设备状况以及企业所处环境等都有密切的关系，自动生成模具工件的加工工艺是非常困难的。因此，如何快速合理地编制模具加工工艺，是模具PP系统需解决的关键技术问题之一。2.2 模具企业的信息化需求及其对CAPP的需求2.2.1 模具行业的特点模具企业是一种面向订单的单件生产型企业，计划的不确定性、以及设计制造过程对人员经验的依赖性，使得模具企业尽管规模较小，管理却非常复杂。几乎每一套模具订单的生产都是一种新产品的开发，都带有实验性，都需要经过了解客户意图，确定模具结构、报价、设计、物料准备、制造、装配、试模、反复修模具等过程，直到模具能够加工出合格的产品，如果模具在生产过程中出现问题，还需要进行再次修模。总之，模具的整个生产过程是一个复杂而又难以控制的过程，依赖生产人员的经验。客户订单确认方案设计

主计划模具设计

物料采购工艺设计加工 外协试模 客户统计分析

相关部门图21模企业的一般生产过程模具企业的一般生产过程如图2.1所示当模具企业接受到客户的订单信息后需首先根据客户的需求，进行模具报价，并与客户沟通，确定最终价格和交货期，双方满意后签定合同；然后，企业根据合同要求，制订模具生产的主计划，确定设计、采购、加工、试模等各个阶段的完成时间，并将相关任务分配到相应的部门或人员；各部门根据这一计划开展工作，当生产现场情况与计划不一致时，就需适时调整计划，确定解决方案，完成设计、采购、零件加工、装配、试模等工作；最后，企业根据实际生产结果，收集并统计分析生产过程中的各类数据，为财务等工作提供所需数据。在企业实际生产过程中，设计、采购、加工等工作经常是并行进行的，以提高模具开发效率。尽管模具企业规模较小(企业员工数普遍在50-300右)，制造模具的原材料及零配件的类型不复杂而且模具设计任务的规模也不大但由于其单件多品种的特性，以及经验的依赖性使得模具生产过程复杂多变。目前模具企业在其生产过程管理中，主要面临着以下困难：1) 每套模具都是新产品，其开发过程中的不可控和不可预测的因素较多；2)有时生产车间有近百副模具在同时加工制造，多达几千个零件的加工过程需要管理；3)模具制造过程复杂，对人员的经验依赖性较强，经常出现变更要求，导致模具零件的加工过程变化频繁、计划稳定性差；4) 模具订单的随机性，导致企业的生产计划需不断地调整；5) 随着市场竞争压力的增大客户要求的交货期越来越短精度要求越来越高。因此，一旦企业的订单任务饱满时，经常会出现顾此失彼的情况，无法有效地控制生产进度、保证交货期。而要解决这一问题，就必须做到及时反映并响应变化、优化地使用企业资源，实现企业生产过程的优化管理。2.2.2模具企业的信息化需求模具企业虽然规模不大，但其行业特征导致模具生产过程复杂多变，难以有效管理和控制。因此，对于模具企业而言，生产过程管理是模具企业信息化的重点，有必要对其进行深入的研究。从我国模具行业信息化的现状来看，模具企业生产过程管理还存在以下问题：1)缺乏项目管理软件项目信息没有共享进度不易控制基于功能单元和职能部门的信息化，造成信息孤岛，部门之间难以及时进行沟通，经常造成窝工、返工或报废等现象。2)缺乏生产计划软件难以进行整体的资源分配优化目前模具企业为了保证交货期，建立激励型管理制度，通常采用项目组方式管理模具的生产过程。在项目组管理方法下，项目组考虑的是自己的利益，以保证各自的项目的进度为第一目标，对公共资源的申请，必然存在冲突，当生产管理人员面对上百套模具同时在车间加工时，没有生产计划软件的帮助，调度时也很难从整体上考虑资源的分配。3)缺乏车间执行系统难以合理地安排加班外协和考核绩效成本控制能力弱。生产能力的评估和项目进度的预测能力的缺乏，导致加班和外协安排的不合理，增加模具成本。进行有效的员工绩效考核是建立的激励型薪酬机制的必要条件，但是使用手工的方法进行现场监控，很难保证数据的准确性，员工绩效考核也就很难进行。并且，缺少准确的成本数据，进一步降低了成本控制的力度。4)缺乏知识管理软件使历史数据保存困难而人员的流动又会造成企业知识的流失。模具的制造依赖经验，对于人才流动比率比较高的企业，企业知识的积累更加困难[23]。2.2.3模具MES与CAPP的集成需求从信息系统应具有集成特性的观点出发，PP系统与MES系统都不应该作为信息孤岛存在[16]。故CAPP系统既应自身具有一定的完整性，同时还应具有集成性，实现信息的共享以具有更高的实用性[24][25]以面向MES的CAPP系统设计必须考虑与MES系统的信息集成。制造执行系统能够有效解决模具企业车间生产管理问题，关键是实时监控车间生产情况，优化调度与控制生产过程，而要达到这一目的，就必须有完整的模具加工工艺数据来保证。模具MES与CAPP集成后，模具企业的从设计到生产的一般工作流程如图2.2所示图22模企业设计到生产的流程其中工艺设计是模具CAPP的主要功能而生产排程和数据采集则是MES的核心功能。CAPP系统需要为MES系统提供完整的模具加工工艺数据；而MES采集到的实际加工数据，可以作为知识数据反馈给CAPP系统。CAPP系统为MES系统提供的模具加工工艺数据主要包括：1)加工工艺基础数据包括工序名称、工序内容、计划工时、工序的加工顺序等数据；2)设备加工一道工序需要使用的设备。在模具制造过程中，一道工序就往往有多个设备可以用来加工，或者一道工序本身就需要多个设备协调完成，而在传统的工艺规划中，一道工序只定义一个设备，也就是只从技术和成本的角度考虑，选择一个最合适的设备，无法考虑设备负载的均衡性。基于这样的工艺所排制的作业计划可能会出现设备负载严重不均衡的情况因此面向MES的CAPP系统必须从车间作业优化调度的角度，解决一道工序中多个设备的定义问题。3)工序之间的约束关系在模具加工过程中，经常存在配做、装配、分割、批处理等加工要求，导致不同工件间的工序存在某种关联性，这种关联性会影响多工件的加工顺序的安排，而常规的模具加工工艺规划系统主要注重某个工件的工艺设计，一般都没有考虑工件之间复杂的工艺约束关系。这种工艺设计结果，可能导致自动生成的车间作业计划中加工顺序不可行的问题因此面向MES的模具CAPP系统中应具有处理这类工序相关性问题的功能。与此同时MES系统采集生产中的实际数据这些数据都是企业的经验知识和实际加工数据的积累，CAPP如果能够有效使用和分析这些数据，使之应用于工艺设计，将能够极大提高工艺设计的水平。2.3 面向MES的模具CAPP系统开发原则目前，国内计算机辅助工艺设计的应用还处于推广阶段。由于计算机在模具企业中的应用，尤其是在生产工程中的应用还刚刚起步，很多企业还是空白，因此开发模具CAPP系统还应注意以下几个开发原则：1)企业需要安装简便、人机界面友好的CAPP系统。操作复杂，数据准备和系统调试时间长，需要大量培训才能使用的CAPP系统很难让用户接受。2)开放性好的CAPP。不同的模具企业，工艺路线的制定标准不一样。对同一个模具零件，在不同生产环境下，可能需要设计出不同的工艺路线。模具PP系统应采用独立的工艺设计知识库，不同的模具企业可通过修改工艺设计知识库，使CAPP系统实现工艺决策客户化。不同的生产设备，可以采用不同的工艺规则。随着现代化的模具加工设备的更新，新的加工工艺被采用，将产生新的工艺方案。因此，CAPP系统应能较快的实现系统升级和功能扩展。由于制造环境的多样和复杂，好的CAPP系统应当满足：提供用户可以构造适合于本企业制造环境的PP平台系统。当用户实际的经验与系统的解答不一致时，系统的推理和决策方法能方便地被用户修改。3)企业欢迎的CAPP系统应具有较好的柔性能适应企业不同的产品和生产要求，能满足不同的经营目标和生产计划方案。4)能满足集成要求。集成化发展是现代制造业的发展趋势，也是CAPP系统的发展趋势，因此目前应用CAPP应注意CAPP系统的底层数据结构能否满足集成要求。5)CPP系统要考虑国内企业的管理模式。2.4面向MES的模具CAPP的功能组成在面向MES的模具CPP中针对单个工件的工艺编制采用基于实例推理的交互式工艺设计方式来辅助工艺设计人员快速地编制出加工工艺。设计人员可以通过实例匹配的方式从工艺实例库中搜索出相似工件的工艺实例，然后通过查询设备资源的应用情况，作出相应的调整，即可快速地编制出工件的加工工艺。如若不能匹配出相应的实例，则采用基于标准工艺的方式直接编制工件的加工工艺。针对工序相关性问题，则采用交互定义和自动检测的方式来处理。设计人员通过人机交互界面定义不同工件之间工序的关联后系统自动检测已定义的工序间的关联，以工艺关联树的方式直观地显示给设计人员，并提示错误或遗漏的工序关联。具体内容详见下节。图2.3所示即为面向MES的模具CAPP系统的总体功能结构。图23系总体功能结构各模块的具体功能说明如下：1)工艺规划模块：用户可以根据模具类型、典型结构、工件类型、产品尺寸、产品形状等信息在系统中匹配出类似的工艺实例，再在实例的基础上进行修改得到相应的工艺；用户也可以使用所见即所得的工艺编制界面，通过选择和填写标准工艺制定相应的工艺。用户在制订工艺时，可以实时查看待选生产资源当前以及未来一段时间内的负荷情况。系统还可对企业的历史加工数据进行挖掘分析，得到实际工时与标准工序和生产资源的匹配关系，并据此推理出选用不同标准工序和生产资源时的加工工时参考值，供用户确定工时定额时参考；用户还可以通过权限控制实现审核流程控制；2)工序相关性处理模块：用户采用交互定义的方式来录入不同工件间工序的关联，然后由系统自动进行检查，通过关联树的方式显示已存在的关联，并提示可能出错或者遗漏关联的工（部）件；3)工艺知识管理模块：用户通过系统接口从外部数据源导入或者手工添加、删除、修改常用的工艺知识、生产资源、标准工序名称、标准工件名称等，供工艺规划模块调用，从而实现工艺设计标准化；4) 工艺实例管理模块在系统上线之初用户需要配置实例推理的初始化参数；工艺实例包括面向模具和面向工件两个实例库，其中面向模具实例库包括一套模具的所有工件信息、工件的加工工艺数据以及不同工件间工序的关联，面向工件实例库则包括工件信息和工件的加工工艺数据。用户可以通过本模块添加、修改或删除工艺实例；5)工艺卡管理模块：针对不同企业的需求，提供工艺卡格式定制及工艺卡打印功能。面向MES的模具CAPP系统具有如下特点：1)模具零件工艺规划的实时性及数据一致性。在模具的生产过程中，经常会遇到一些无法预测的加工需求，如设计变更、制造缺陷、试修模反馈等，系统允许工艺人员随时修改相关零件的加工工艺，以便快速响应模具生产现场的变化或设计变动所造成的工艺修改要求，系统除了及时根据需要更改零件的加工工艺外，还能够保证这种修改与相关零件加工工艺的一致性。2)模具加工工艺规划的协同性和并行性一幅模具通常由数十个甚至上百个零件组成，系统允许不同的设计人员同时对不同的模具零件进行工艺设计，或同时对多副模具的零件进行工艺设计，可极大地缩短模具零件的工艺编制周期。不同的设计人员可以查看零件的设计结果，并提出设计修改意见，在通过审核后，把工艺文件存放到模具工艺库中。3)统一的用户终端界面。系统采用B-S体系结构，用户端使用单一的Browser软件，界面统一，维护工作简单，设计人员可以在不同的地理位置进行设计，进行实时交流。工艺审核人员以及模具加工人员能随时查看设计结果，提出反馈意见。4)开放的系统结构CAPP系统作为模具ERP系统的一个子系统提供了与其它系统的接口，能够与其他系统很好地集成，实现信息共享。5)强的实用性。系统工艺设计以交互式工艺设计为主，利用各种工艺知识库，借助于计算机及其他方法，简化了模具工艺卡的编制。3 向MES的模具P的关键技术3.1基于实例推理的交互式工艺设计在很多模具企业，经常是一个订单几十套模具同时下发任务，为了不影响后续的生产，就要求工艺设计员在短时间内完成大量的工艺设计任务。因此，如何快速方便地编制加工工艺，是模具企业CAPP系统的关键技术问题之一。模具工件的加工工艺与工件的加工要求、工件的形状和材料、人员素质、设备状况和企业所处环境等都有密切的关系，自动生成模具工件的加工工艺是非常困难的。为此，系统采用基于实例推理的交互式设计方式，来辅助工艺设计人员快速地编制出加工工艺如图3.1所示设计人员可以通过实例匹配的方式从工艺实例库中搜索出一套相似工件的工艺实例，然后通过查询设备资源的应用情况，做出相应的调整，即可快速地编制出工件的加工工艺。如若不能匹配出相应的实例，则采用基于标准工艺的方式直接编制工件的加工工艺。图31快工艺设计过程3.1.1实例推理技术（CBR）的工作原理基于实例的设计过程如图3.2所示[29]用户首先对当前问题，也即是新实例进行描述，系统根据这一描述提取特征属性信息，并以此为依据建立筛选约束条件，系统按照这一约束条件在实例库中进行相似度的比较，筛选出与当前问题最相似的实例，以此实例为基础，结合领域相关的设计知识，为客户提供当前问题的建议方案，经过系统评价和用户修正之后，产生最终的设计方案，并对系统进行更新；当最终结果不能满足要求时，重复进行上述过程。筛选新例学习例更新

先前识领知识

筛选例终方案

修正修正例 已用例

议方案图32基实例的设计过程在基于实例的设计过程中，相关实例的选择、从相关实例中提取最佳实例以及实例的修改是最重要的步骤。3.1.2 实例工艺的来源和特点在工艺设计过程中，为了提高系统的柔性和实用性，现存工艺和图纸体现了工艺人员的丰富实践经验，对于工艺设计有很大的借鉴作用。尽管所存在的工件在结构和工艺上并不完全相同，但它们总有或多或少的相似性存在，现存工艺和待设计的目标工艺之间肯定也具有或多或少的相似性。为了充分利用工艺人员的丰富实践经验，在CAPP系统的开发过程中，可运用CBR的方法，将现存的成熟工艺作为实例工艺，来生成最终工件的加工工艺。实例工艺主要来源于以下几个方面：* 企业中将来可能有一定参考价值的工艺作为实例工艺；* 企业新生成目标工艺若具有某些可继承的特性，也可以作为实例工艺；* 别的单位的模具或工件工艺若对本企业的工艺设计有借鉴作用也可作为实例工艺存放在实例工艺库中。实例工艺的特点如下：* 实例工艺是真实工件的工艺，但不能把企业所有工件的工艺都作为实例工艺，那样会造成实例工艺库的膨胀，且不利于检索。* 实例工艺是参考性的新工艺当不能有标准工艺典型工艺生成时即可以由某实例工艺派生得到。* 实例工艺对应的工件在结构或工艺上应具有一定的继承性。3.1.3基于层次结构的实例工艺的分类表达实例是CBR技术的基础其表达信息的内容和方式关系到用它解决相似问题的质量和效率。准确和完整地表达设计实例是进行CBR操作的重要步骤之一。模具工件的加工工艺与工件的加工要求、工件的形状、工件的材料等有着密切的关系，而这些因素又是由产品的类型、模具的类型以及工件的类型所决定的。因此，本文采用层次结构的分类信息表示工件的实例，如图3.3所示。图33基分类信息的层次结构根节点表示一个工件的实例用三个元素表示其中Pd表示产品类型信息M表示模具类型信息，Pt表示工件类型信息。Part=(Pd,M,Pt)

(3-1)Pd是指工件实例的一系列产品类型信息的集合如产品的行业类型产品类型等；M是指工件实例的一系列模具类型信息的集合，如模具的类型、模具浇道的类型等；Pt是指工件实例的一系列工件类型信息的集合如工件的加工类型工件的形状、材料等。它们分别表示如下：Pd=(Pd1,Pd2,...,Pdn)

(3-2)M=(M1,M2,...,Mn)

(3-3)Pt=(Pt1,Pt2,...,Ptn)

(3-4)其中组成Pd、M、Pt的类型信息，由用户在PP系统的工艺知识管理模块中进行自定义，从而决定各个类型信息由哪些具体的类型信息组成，例如注塑模具类型信息可以包括注塑模具的流道类型、顶出机构的类型等，产品类型可以包括行业类型、产品材质等。一个工件体实例可以完整地表示为：Part={(Pd1,Pd2,...,Pdn)(M1,M2,...,Mn)(Pt1,Pt2,...,Ptn)}

(3-5)3.1.4工艺实例的检索与改写实例系统的搜索与通常的数据库系统搜索有所不同，常规的DBMS中搜索条件需要精确定义，而实例系统的搜索则是模糊的。它可以不必要求变量完全匹配。实例推理系统中，检索出最相似的实例是实例推理技术中的关键一步，确定两个实例是否相似涉及到许多因素。为了能快速地从实例库中检索到一个（或多个）与当前的问题最相近的实例，此处采用最近相邻法[31]。实例的检索过程实质就是相关属性的匹配过程，分为完全匹配和非完全匹配两种情况。设Pd*(Pd*,Pd*,...,Pd*,...,Pd*)为产品类型信息的有限集合若Pd表示实例库中1 2 i n12与Pd*具有相似产品类型的某个实例的产品类型信息；令参数集WW,W12

,...,Wn

)表示iPd与Pd*具有相同产品类型信息的权值，其中Wi=,,...,n)满足：in∑i=1i1

(3-6)* * *设Ki为Pdi与Pdi的匹配率，当Pdi与Pdi匹配时，Ki=1；当Pdi与Pdi不匹配时，Ki=0；若Pd*与Pd相似，则Pd*与Pd的相似度为：D(Pdj,Pd

n*)=∑Kii*

(3-7)i1D的值域为]当D=1时说明该类型信息集合是完全匹配当0<D<1时说明该类型信息集合是非完全匹配，越接近1，说明两个类型信息集合越类似。为了使所获得的候选相似类型集合尽可能少设定一个下限（即阈值DinD>Din时才作为候选实例。Din通常是根据经验确定的。对于工件而言，相似度不但与产品类型信息有关，还与工件的模具类型和工件类型有关，所以在计算相似性系数时，必须要综合考虑这些因素，通过具体分析工件的模具类型信息和工件类型信息，根据(3-7)式，构造出如下相似度的计算公式[32]：D=Wpd×Kpd+Wm×Km+Wpt×Kpt

(3-8)说明：式中Kpd表示产品类型信息匹配率；Km表示模具类型信息匹配率；Kpt表示工件类型信息匹配率；Wpd、Wm、Wpt表示权值，其中Wpd+Wm+Wpt

=1。在实例筛选完成以后，即可将其作为工件的初始设计工艺，但这个工艺往往还不完善还必须对其进行修正或称为改写实例的改写是R方法的难点根据实例的特性，改写可以有以下四种方法[33]：1)直接转换当检索出的实例完全与待确定工艺的工件一致时仅需改变实例的相关参数，就可获得新的设计方案。2)利用实例结果重新生成这种方法是利用领域相关的知识在检索出的结果基础上导出设计方案，它需要在实例中记录推导过程和中间结果。3)带修正的转换利用领域相关的知识对所选出的实例进行局部修正导出可用的设计方案。4)基于框架的方案变换最相似的实例被选作框架不足的部分由其他实例中合适的部分补充。由于模具工件本身结构不是很复杂，工艺变化不大，故采用再设计的方法，把筛选出的实例输出，由人工从以下三方面进行编辑修改，获得最终设计方案。1)标准工序和加工顺序的验证和调整2)加工资源的调整3)工时定额的修改3.2 工序相关性问题的处理3.2.1 工艺规划中工序相关性约束定义模具加工中存在两类工艺约束，一类是工件内部的工艺约束，它由该工件的工艺路线所确定；另一类是工件之间的工艺约束，例如配做、分割、装配等。如果在工艺规划中忽略这些工艺约束的话，则可能导致车间作业自动调度时，出现加工顺序不可行的问题假设有两个工件A和分别包括nA道和nB道工序工艺路线依次为{1，2，……，A }和{B，B，…，B}。这两个工件在工序A和B上需要进行配nA 1 2 nB 3 3做加工。按照常规的工艺规划，3在2完成加工之后开始加工，B3在B2完成加工之后开始加工，这样的话，在进行车间作业计划时，就可能出现类似图3.4的结果：23B2B3图34常作业计划由图中可看出，3早于B3一段时间开始加工，而实际上3和B3应当是同时加工的。同样类似的情况还存在于分割、装配等加工工艺中。由此可见，要制定出可行的车间作业的优化调度，必须要考虑工件之间存在的复杂工艺约束，为此，给出如下工序相关性约束的定义。定义工序相关性约束除同个工件其工序之间的工艺路线约束之外不同工件工序的加工开始时间及加工完成时间之间应该保证的某种关系称为工序相关性约束[34]。ij ij ij ij若工序ij与i'j'之间存在相关性则记为i'j'=ti'j',gi'j')其中，i'j'表示工序ijij ij与i'j'之间相关性的一个二元组，ti'j'为相关性类型，gi'j'为相关时间。工序相关性约束可分为四种类型，以工序ij和i'j'为例，具体描述如下：ij*开始—开始约束工序ij开始加工gi'j'时间后工序i'j'才能开始加工记为：ijRi'j'=(SS,gi'j')；ij ijij i'j' i'j'*开始—完成约束工序O开始加工ij i'j' i'j'Ri'j'=(SF,gi'j')；ij ijij i'j' i'j'*完成—开始约束工序O完成加工ij i'j' i'j'Ri'j'=(FS,gi'j')；ij ijij i'j' i'j'*完成—完成约束工序O完成加工ij i'j' i'j'Ri'j'=(FF,gi'j')。ij ij四种类型相关性约束的数学描述见（3-9（3-12其对应的甘特图描述见图ij3.5，其中PSTOij

)是工序Oij的计划开始时间，PFTOij

)是工序Oij的计划完成时间i'j'SSi'j'

)≥PSTij

ij)+gi')+g

(3-9)i'j'SFi'j'

)≥PSTij

ij)+gi')+g

(3-10)i'j'FSi'j'

)≥PFTij

ij)+gi')+g

(3-11)i'j'FFi'j'

)≥PFTij

ij)+gi')+g

(3-12)PSTij)

ijij

PST(Oi'j')i'j'

PST(Oij)ij≥gij

PFT(Oi'j')i'j'≥gi'j'

i'j'a)S相关约束

b)SF相关约束PFT(Oij)ij

PST(O

i'j')

ij

PFT(ij)

PFT(Oi'j'

i'j')ij≥gi'j'ij

i'j'

≥≥gi'j'c)FS相关约束图35工相关性的甘特图表示

d)FF相关约束3.2.2 工序相关性问题的描述与检查模具加工工艺之间存在大量复杂的工序相关性约束，一套并不复杂的模具内部，可能包含几十甚至上百个相关性约束，依靠人工来定义工序相关性约束容易发生错误和遗漏，因此，检查工序相关性定义的准确性是非常必要的。模具工艺中最常见的相关性约束类型就是完成-开始约束因此只讨论完成-开始约束的检查，其他类型的处理方式与此类似。根据工件在加工过程中的关系常见的相关性约束可归纳为三种设有四个（部）件AB他们分别有nAnBnCnD道工序工艺路线依次为{1，2…，A B C Dn}{1，B2……，Bn}{1，C2……，Cn}{1，D2……，Dn}A B C D件X和Y的工序相关时间为tXY(X,Y∈,B,C,D

)现以这四个（部件为例来说明相关性约束的三种情况。1）装配：几个部件或工件加工完成后，组装到一起，作为一个整体，进行后续加工例如C三个工件加工完毕后组装为部件D进行后续加工这种装配关系反映在工序相关性约束上也就是C这三个工件的最后一道工序AB CnA nB C和工件D的第一道工序1是完成——开始约束即“多尾对一头”其中D被称为装配件，如图3.6所示。tADtBDt图36装关系的甘特图表示2）分割：一个部件加工完毕后，拆分为几个单独的工件，进行后续加工。例如部件A加工完毕后拆分为三个单独的工件D进行后续加工这种分割关系反映n在工序相关性约束上，也就是A部件的最后一道工序A和拆分后的三个工件、、nAD的第一道工序1、1、1是完成-开始约束，即“一尾对多头”，其中A被称为分割件，图3.7以甘特图的形式直观地表达这种约束关系tAB1nA CnA C1DtADD1图37分割关系甘特图表示3）配做：几个工（部）件的某一道工序需临时组合成一个整体，放在一起加工。例如工件A和B的工序2、B3需要放在一起加工，反映在工序相关性约束上，也就是2与B3同时开始加工，1和B3是完成-开始约束，B2和2是完成-开始约束图3.8以甘特图厄形式直观地表达这种约束关系tAB1 2BBtBABB2 3图38配关系的甘特图表示进一步分析模具工件加工特点可知，所有工件的加工过程最终都以装配或者分割的关系汇聚到完整的模具总装。因此，可以用树状图来表现模具中各工件间的加工关系，如图3.9所示，其中12B、E、FG是组成一套模具的部分部件和工件其中A是一个部件分割为1和2两个工件工件B和2是配做的关系。其中G即表示最终的模具，称为终点件。图39模工件树根据模具内工件的树状结构特点，可以知道，每套模具应当有且只有一个终点件，且不应存在孤立的部件或工件，综合考虑相关性约束类型，可采用图3.10所示流程检查工序相关性约束。图310工相关性检测3.3资源的描述在模具制造过程中，一道工序往往需要多个设备来加工，或者一道工序本身就需要多个设备协调完成，而在传统的工艺规划中，一道工序只定义一个设备，也就是只从技术和成本的角度考虑，选择一个最合适的设备，无法考虑设备负载的均衡性。基于这样的工艺所排制的作业计划可能会出现设备负载严重不均衡的情况，因此面向MES的CAPP系统必须从车间作业优化调度的角度，解决一道工序中多个设备的定义问题。在经典车间作业计划的定义中，涉及到工艺的要素有：工件（jb、工序或操作（operation、机器（achine。其中，工件和工序可以抽象为需要在车间作业计划中安排的“任务”，而机器，也就是设备可以抽象为在计划中需要用到的“加工资源”(或简称“资源”)。对于模具制造企业的车间作业计划来说，模具制造企业的加工资源除了机器资源之外，还有大量的人力资源，如钳工精整工质检工等。为此，在面向MS的P系统中还需引入“资源”这个概念。3.3.1资源的面向对象分析资源是一个抽象的、一般的类，设备资源和人力资源是与其具有单继承关系的特殊类设备资源和人力资源下包括资源类型每一种资源类型下又包括具体的资源(具体的设备和工人)。其间关系如图3.1所示。资源1,1

设备资源 人力资源

1,21 1设备类型 具体设备 工人 工种类型1,1 1,1

1,2

1,2图31资间的一般与特殊、整体与部分关系显然，在资源和任务之间存在着对应关系。考虑到加工过程中涉及到不同的方式且涵盖了较多的信息因此把“加工”作为一个连接“资源”和“工序”之间的类来处理其间关系如图3.12所示。从图中可看出，一个资源上可能没有安排任何加工，也可能安排有n(n>=1)个加工一个加工连接可能需要用到1个加工资源也可能需要用到m个加工资源(>1如作业计划中的多处理机问题)在模具制造过程中模具的装配试模等工序就往往需要多个资源协调完成。资源 加工 工序0,n 1,m 1 1图312资与任务的实例连接3.3.2资源对象的属性分析与数学描述现实世界中的每一个对象都包括许多属性，按照面向对象的分析思想，我们仅需关注那些与所研究问题相关的属性。从车间作业计划角度出发，资源的属性主要有以下几类(对于某一具体资源Mi，上述属性的表示为在其后加上后缀(Mi)：1)资源的标示(ResourceID)：标明资源唯一身份的标示符,表示为RI.2)资源的名称(Resourceae)：反映资源特征的名称,表示为A.3)资源的性能(Resourceerforance)：资源对某工序的加工性能，作为车间作业计划过程中选择工序加工资源的一个衡量指标,表示为RP，由工艺人员确定。4)资源的状态(Resourcetate)资源当前所处的状态包括正常维护故障,表示为RS它可通过车间现场实时监控信息得到在后续的数学描述中正常维护、故障对应的RS取值分别为1、0、-1。5)资源最大使用单位(MaxialUsage)：某资源可供使用的最大使用单位,表示为MU。设备资源的最大使用单位为1，人力资源的最大使用单位可大于1。6)资源当前使用单位(Usage)资源加工某工序时的使用单位,表示为由计划人员给定。7)资源作息时间(orkandRestime)：资源在某一天的工作和休息时间,表示为WRT，可由计划人员给定。设某资源Mi’，某一天j’的工作时间和休息时间可分为几个不同的时段，每一时段存在一个开始点和一个结束点。由于，一个工作时段的开始点即是其前一个休息时段的结束点，一个工作时段的结束点即是后一个休息时段的开始点，因此，只需要定义工作时段的端点即可完整地表示资源某一天的作息时间。记D资源Mi’在某天j’的某一工作时段k’的开始点为bD

j'其相应的结束点为f

Dj'所有工i'k'

i'k'作时段开始点组成集合BDj'；所有工作时段结束点组成集合FDj'，则资源的工作时段i' i'和休息时段可看作是集合BDj'和FDj'上的关系。i' i'工作时段可表示为关系R1：R={(bDj',fDj')|bDj'∈BDj'∧fDj'∈FDj'∧k'=k''}

(3-13)1 i'k'

i'k''

i'k' i'

i'k'' i'休息时段可表示为关系R2：R={(fDj',bDj')|fDj'∈FDj'∧bDj'∈BDj'∧k''=k}

(314)2 i'k'

i'k''

i'k' i'

i'k'' i'资源Mi’某天j’总工作时间记为Wi’j’，则有：W