智能工艺设计及其发展演化

文摘 2024-12-24 21:03 湖南

作者：邓朝晖、刘伟、万林林、吕黎曙、刘涛

来源：《智能工艺设计》本文经授权转载发布

「 1. 智能工艺设计的基本概念与内涵」

1）智能工艺设计的基本概念

工艺设计是制造类企业技术部门的主要工作之一，其质量的优劣及设计效率的高低，对生产组织、产品质量、产品成本、生产率、生产周期等有着极大的影响。工艺设计是典型的复杂问题，它包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的各种功能要求，所涉及的知识和信息量相当庞大，与具体的生产环境，比如空气湿度、环境温度、设备自动化程度等有密切关联，而且还严重依赖经验知识。工艺设计的涵义（图1）可以概括如下：①考虑制定工艺计划中的所有条件/约束的决策过程，涉及各种不同的决策；②在车间或工厂内制造资源的限制下将制造工艺知识与具体设计相结合，准备其具体操作说明的活动；③连接产品设计与制造的桥梁。

图1 工艺规划的基本涵义——设计与制造的桥梁与纽带

计算机辅助工艺规划（CAPP）是工艺人员应用信息技术、计算机技术及智能化技术，把企业的产品设计数据转化为产品制造数据的一种技术。其主要特点有：能够帮助工艺设计人员减少大量繁琐的重复劳动，把主要精力投向新产品、新技术和新工艺的研发上面；能够增强工艺的继承性，可以实现现有资源利用的最大化，进而减少生产成本；能够让并没有很多经验的工艺规划师完成出高质量的工艺方案，实现缓解制造业设计任务繁重的目的。

随着计算机软硬件技术的不断成熟，计算机辅助工艺规划的理论与方法已发生了质的飞跃。将人工智能理论应用于计算机辅助工艺规划是新近发展起来的研究热点之一，也是工艺设计现代化的发展趋势。它不仅把人工智能领域中的研究成果移植到计算机辅助工艺规划中，而且也扩大了人工智能的应用领域，使两者得到完美结合，促进共同发展。

智能工艺设计在传统CAPP定义的基础上需完整包含两个方面内容，一是工艺设计流程显性化、流程化和模块化；二是工艺设计活动智能化、闭环化。结合传统计算机辅助设计的概念，智能工艺设计的概念可以被概括为：以数字化方式创建工艺设计过程的虚拟实体，利用智能传感、云计算、大数据处理及物联网等技术来实现历史及实时工艺设计数据与知识的感知，借助于计算机软、硬件技术和支撑环境，通过数值计算、逻辑判断、仿真和推理等的功能来模拟、验证、预测、决策、控制设计过程，从而形成零件从毛坯到成品整个设计过程“数据感知-实时分析-智能决策-精准执行”的闭环，最终实现工艺设计的智能化、实时化、显性化、流程化、模块化和闭环化。

2）智能工艺设计的内涵

在机械制造领域中，计算机技术的运用非常普遍，在发展进步的过程中，原本互相独立存在的计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）逐渐融合，计算机辅助工艺规划就是在两者进行有效融合的过程中出现的。传统的计算机辅助工艺规划技术具有以下功能：第一，在计算机中输入有效设计参数；第二，对机械制造过程中应用的工艺流程、基本工序和运用的相关器具等进行确定；第三，明确机械制造中的切削用量；第四，对机械制造资金投入量以及使用的时间进行计算；第五，对相关设计数据进行展现等。智能工艺设计是“传统的以经验为主的设计模式”向“基于建模和仿真的科学设计模式”的转变结果。虚拟样机技术与系统仿真方法相结合，既可以发挥仿真工具的预测能力，也可以将工艺人员的经验融合到仿真过程中，进行工艺设计过程中的各种仿真分析活动。

智能工艺设计以实现工艺数字化、生产柔性化、过程可视化、信息集成化、决策自主化为核心目标，围绕基于物联网的智能化设备、智能化设计、智能化制造与数据集成平台来进行工艺设计，其基本功能体系与技术可以表示为：

（1）控制模块。控制模块即系统主控模块，负责整合系统其他模块，提供系统对外访问界面，完成信息在各个模块间的有效通信和传递。

（2）产品数据管理模块。零件信息的输入一般包括基本尺寸、几何拓扑信息、材料要素和技术要求信息等。

（3）工艺设计模块。工艺设计是系统的核心模块，主要完成基于实例推理的工艺设计，包括零件特征编码、工艺实例库检索、提取相似工艺修改和编辑的功能。在工艺设计过程中，系统可以随时调用资源库来查询机床设备、工装夹具、刀具、量具等数据库信息，便于结合企业现有资源情况快速得到符合加工要求和适应实际生产的工艺设计结果。

（4）工艺过程智慧决策优化。工艺过程决策包括生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图；对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件；对工艺参数进行设计，基于智能算法，提供最优的工艺参数。

（5）工艺过程管理模块。把编制好的工艺提交审阅是保证投入生产中的工艺信息恰当的有效机制，实现在线工艺审阅是智能工艺设计的重要部分之一。通常工艺审阅分为四个步骤，审核、标准化、会签和批准，分别由不同的用户完成。

（6）工艺文件管理和输出模块。智能工艺设计的最终目的是得到可以指导工业生产的工艺文件，因此，工艺文件输出是智能工艺设计的不可缺少的部分。由于工艺文件主要是工艺流程卡、工序卡和工步卡，因此，选用或者定制合适的报表输出工具是工艺文件输出板块的功能。

「 2. 智能工艺设计的需求」

1）智能工艺设计需求分析

工艺设计是产品研发的重要环节，是连接产品设计与生产制造的纽带。它所生成的工艺文件是指导生产过程及制定生产计划的重要依据。工艺设计对企业协调生产、保证产品的质量、降低生产的成本、提高产品的生产率、缩短生产的时间等都有重要的影响，因此工艺设计是生产制造中的重要工作。

工艺设计需要分析及处理相当多的数据，不仅要考虑设计零件的结构形状、材料、尺寸、生产等数据，又要了解制造过程中的加工方法、加工设备、制造条件、加工成本等数据。这些工艺数据之间的关系错综复杂，在工艺人员设计工艺方案时，必须全面而周密地对这些工艺数据进行分析及处理。一直以来，工艺方案设计方法都是依靠工艺工程师常年在企业生产活动中积累的技术及经验，以手工设计的方式进行，工艺方案的好坏基本取决于工艺工程师自身水平。工艺方案设计中普遍存在重复性和多样性的问题。随着制造业进入信息化及知识经济的时代，现在机械零件产品的生产以多品种小批量生产为主导，传统的工艺设计方法已经远不能适应现在行业发展的需要，具体表现在：

（1）依靠手工进行工艺设计劳动强度非常大，效率极其低，主观灵活性大。据有关资料统计，机械零件有70%~80%的相似性，相似零件的工艺路线也有一定的相同之处，工艺设计中有效的实际工作可能只占工作总时间的8%左右，有很多的企业用在工艺数据的计算、抄写等重复性时间大约占到了工艺准备的55%。工艺工程师在工艺方案设计过程中，需要把大量的工作时间花费在工艺参数、工序内容、工艺数据的汇总等重复性抄写上，增加了工艺工程师的工作量，使他们缺乏多余时间进行工艺方案的优化等创造性工作，延长了工艺设计的时间，从而影响了整个产品生产的周期。手工工艺设计难以做到方案最优化、标准化，容易造成人力、设备、能源等资源的浪费，增加产品的制造成本。

（2）产品的可制造性难以评估，工艺设计及验证手段落后。大部分制造企业依然应用的是以文字性描述的二维工艺卡片来进行工艺方案设计，工艺方案设计时难以直观的了解现有工艺装备及设备的情况，工艺设计无法进行仿真分析，很难对现有工艺方案进行评价，工艺信息存储在纸质卡片上，纸质资料不易存储，并且容易丢失，难以在大范围内传播、重用。

（3）缺乏对工艺数据进行有效管理。传统的工艺设计采用纸质存档，很难对已有的工艺数据进行重用及有效管理，如何提炼原有工艺文件中的典型工艺，更有效地利用工艺数据资源，更好传承公司常年积累的工艺经验，都是急需解决的重要问题。工艺工程师的知识和经验积累起来相对较慢，企业的技术人员又有较大的流动性，在他们离职或退休后，工程师在工艺制定工作中积累的知识及经验，不能很好地保存下来，企业新入职的工艺工程师需要从新开始学习工艺知识及经验，在一定程度上造成了企业知识资源的巨大损失。

（4）信息化程度低，不利于制造业信息化的建设。随着CAD、CAM、计算机辅助夹具设计（CAFD）、企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）、计算机辅助质量（CAQ）等计算机辅助软件的应用，企业之间的信息都通过计算机信息技术进行传递。然而工艺设计仍然采用落后的手工作业，工艺信息仍然存储在纸质文件之上，严重阻碍了企业各部门之间的信息交流，进而影响了企业信息化建设的进程及工作效率。

随着CAPP的广泛应用，大量的实例表明，实施智能工艺设计可带来重大收益，在对使用生成型工艺设计系统的22个大小型公司进行的详细调查中，采用该系统可以减少58%的工艺流程规划工作、10%的劳动者、4%的材料、10%的废料等，智能工艺设计逐渐成为人们研究的热门课题。企业对智能工艺设计系统功能的需求主要集中在如下几个方面，如图2所示。

图2 企业对智能工艺设计系统功能的需求示意图

2）智能工艺设计模型分析

智能工艺设计应朝工具化、工程化、集成化、网络化、知识化、智能化、柔性化、规范化等方面进一步发展，以使企业信息化建设的基础打得更坚实、更牢靠。

（1）工具化和工程化。智能工艺设计系统强调工具化和工程化，以此提高系统在企业的通用性。将整体系统分解为多个相对独立的工具进行开发，面向制造和管理环境做系统二次开发，并将具有各专项功能的子系统集成在一个统一平台上。

（2）集成化和网络化。智能工艺设计系统实现CAD/CAPP/CAM的全面集成，设计数据双向信息交换与传送；实现与生产计划、调度系统的有效集成；建立与质量控制系统的内在联系。实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。

（3）知识化和智能化。基于复合智能系统、专家系统、人工神经网络技术和模糊推理技术的发展和应用，智能设计系统可以进行各种层次的自学习和自适应，将工艺设计数据进一步转变为先进制造知识，进一步实现工艺设计智能化。

（4）柔性化和规范化。现代智能工艺设计系统以交互式设计为基础，体现柔性设计；以工艺知识库为核心，面向产品实现工艺设计与管理的柔性化；以产品为核心，以工艺路线为依据，根据工艺路线安排工艺工作的流程，实现设计过程的规范化。

（5）交互式和渐进式。现代智能工艺设计面向工艺设计人员提供基于工艺知识和判断的交互式输入输出界面，同时为企业管理层提供可视化管理平台，渐进式地推进智能制造的发展进程。

「 3. 智能工艺设计发展演化」

新一代信息技术正在加速智能制造发展，3C电子行业面临小批量多品种、市场变化快及大规模定制等难题，必须要加入智能制造创新行列。智能制造是当今时代发展趋势，而工艺设计作为制造业的重要一环更是直接连接着产品设计与生产。实现智能工艺设计，将大大提高企业竞争力。智能工艺设计的发展是在CAPP发展基础上，逐步结合以机器学习为主的人工智能算法，结合数字孪生技术，实现工艺设计的智能化以减少甚至排除人工因素影响，提高工艺设计的效率与质量。

1）智能工艺设计技术的发展历程

计算机辅助工艺规划的开发是从20世纪60年代末开始的，如图3所示。1965年Niebel首次提出CAPP思想。CAPP源于成组技术（GT）在工艺设计中的应用，目前已是计算机辅助制造与计算机集成制造系统的一个组成部分。随着机械制造生产技术的发展和当今市场对多品种、小批量生产的要求，特别是CAD、CAM系统向集成化、网络化、可视化方向发展，计算机辅助工艺规划也就日益为人们所重视。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS，1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是设在美国的国际标准性组织CAM-I于1976年推出的CAM-I’S Automated Process Planning系统，取其首字母，称为CAPP系统。

图3 智能工艺设计技术发展历程

我国研究CAPP系统始于70年代末，国内最早开发的CAPP系统是同济大学的TOJICAPP修订式系统和西北工业大学的CAOS生成式系统，之后具有代表性的有清华大学开发的THCAPP系统，北京航空航天大学开发的EXCAPP系统，西北工业大学开发的GNCAPP系统，南京航空航天大学开发的NHCAPP系统等，其完成时间都在80年代初。迄今为止，在国内学术会议、刊物上发表的CAPP系统已超过50个，但被工厂、企业正式应用的只是少数，真正形成商品化的CAPP系统还不多。

多年以来，国内外对CAPP技术进行了大量的探讨与研究到实施，CAPP系统针对对象，从早期的针对某一类特定零件，如回转体、箱体类、支架类零件扩展到各个类别的零部件。从零部件为主体的局部应用扩展到以整个产品为对象的全面应用。

CAPP技术自出现以来，其研发工作一直在国内外蓬勃发展。但由于技术的限制和工艺的个性化、多样化，以往的CAPP系统应用面较窄，只能适用于某个企业的某种零件，没有比较好的通用解决方案。直到步入20世纪末工具化思想的出现，涌现出一批实用化、商品化的CAPP系统，才使CAPP系统发展到实质性的应用阶段。

随着智能化技术的发展，除了面向传统工艺规划问题的CAPP系统外，对具体工艺问题中知识的表达，工艺的决策优化及三维仿真等设计问题的智能工艺系统也开始逐步跨入大家的视野。然而，尽管有这些巨大的努力，工艺设计的任务还不是完全自动化的，仍然依赖于人类的经验和知识。

随着新一代信息技术赋予智能制造越来越强大的认知和学习能力，极大地改变了人与机器的边界，理想的智能工艺设计系统通过智能感知、模拟、理解、预测、优化和控制策略支持自主制造，将能够收集技术专家的经验和知识，并且能够根据加工过程实时数据和工作历史进行自适应和自学习，将工艺规划嵌入数字孪生制造单元中，不仅可以增强制造单元上游与设计阶段的连通性，还可以增强工艺规划下游与制造阶段的连通性。随着智能工艺设计研究的发展，现在智能化的目标和技术手段跟以前相比都有所不同，更加注重效率和实时性。

2）智能工艺设计技术的演变过程

综合我国智能工艺设计系统的发展过程，智能工艺设计经历了以下的演变过程：

（1）基于自动化思想的工艺设计专用型系统。1982年至今相当长时间内，初期智能工艺设计系统一直以代替工艺人员的劳动实现工艺设计自动化为目标，即基于自动化思想的专用型智能工艺设计系统。强调工艺决策的自动化，开发出了若干种派生式(Variant)、创成式(Generative)以及综合式(Hybrid)的CAPP系统，可以自动或半自动编制工艺规程。该系统的实用性、通用性较差，因此其应用受到很大限制，难以实现商品化。

（2）基于工艺管理思想的工艺设计工具型系统。1995年至今，产生了基于工艺管理思想的智能工艺设计工具型系统。该系统在实用性、通用性和商品化等方面取得了突破性进展。智能工艺设计工具型系统在分析顾客需求基础上，以解决工艺设计上事务性、管理性工作为首要目标，可以使用计算机辅助方法自动完成工艺设计中资料查找、表格填写、数据计算与分类汇总等繁琐而又重复的工作。

（3）基于数据管理的综合化CAPP系统、智能化工艺系统。1999年以来，出现了面向产品的以工艺数据为核心的综合化CAPP系统、智能化工艺设计系统。该类系统是集工艺设计与信息管理为一体的交互式计算机应用系统，集成了检索、修订、创成等工艺决策混合技术及人工智能技术，实现了人机混合智能（human-machine hybrid intelligence）、人、技术与管理的集成，逐步实现了工艺设计的自动化。

（4）基于实时动态设计的智能工艺设计系统。随着2011年数字孪生概念的提出，机械加工工艺设计过程开始引入实作模型（As-build model，工件的加工状态模型）的概念，从系统构建的角度研究了面向数字孪生环境的三维工艺设计技术，提出了基于实作模型的实时工艺设计方法，为基于数字孪生的工艺设计提供了新的思路，可以实现工艺设计过程中的实时决策和离线分析优化，驱动和引领计算机辅助工艺规划的智能化发展。

3）智能工艺设计系统的开发

随着工艺设计智能化需求的加深，智能工艺系统也随之步入研究者视野。大致从20世纪末开始至今，智能工艺设计系统的发展从未止步。它是人工智能技术在工艺设计领域中应用的结果。目前已经开发出了各种类型的智能工艺设计系统。

（1）基于人工神经网络的CAPP系统。人工神经网络（ANN）技术中最吸引人的特点是它的自学习能力和容错能力，通过样本训练，ANN可以自动获取知识；通过知识的分布式存储和并行处理，ANN具有较强的容错能力，有效地弥补了专家系统的“窄台阶效应”。但是，用ANN来模拟工艺设计决策过程也有其根本性的缺陷，如ANN的性能在很大程度上受到所选择的训练样本的限制，样本的好坏直接决定系统性能的优劣；ANN的知识表达和处理都是隐性的，用户只能看到输入和输出，不能了解中间的推理过程。因此，对于工艺设计来说，ANN只能模拟一些具有直接对应（因果）关系的简单决策活动。

（2）基于实例推理的CAPP系统。基于实例推理的CAPP技术是人工智能技术中类比问题求解方法在工艺设计中的应用，也可以看成是对派生式CAPP技术的进一步发展。实例是对工艺设计知识的一种整体性描述，不仅包括问题的求解结果，而且包括问题的求解条件，与人类工艺设计知识的记忆结构有很好的一致性，因而，实例知识的获取比规则获取要容易得多。实例推理是对过去求解结果的复用，而不是再次从头推导，具有较高的问题求解效率和实用性。基于实例推理的CAPP技术得到了许多学者的研究。

（3）基于知识的智能工艺系统。知识工程的多种知识表达和推理技术大大丰富和拓宽了传统创成式工艺系统的知识表达和处理能力，使得专家系统可以处理一些较为复杂的工艺决策问题，一些专家系统已接近实用。但是，随着研究与应用的不断深入，专家系统传统的知识表示和推理技术所固有的一些缺陷逐渐暴露出来：如知识获取的瓶颈、系统性能的“窄台阶效应”，以及在处理模糊、非单调和常识性等问题上的局限性。很多早期智能研究都基于专家系统，在工艺决策模块使用计算模块插件格式作为专家系统工具，把基于规则的知识表示语言与过程语首结合起来，进而通过使用产生式规则构建知识库，采用演绎推理式的推理机，理论上实现了一系列的工艺决策。实际上，这只是为早期工艺系统智能化研究提供了思路，基于当时软硬件条件，并未涉及人工智能算法，也没有建成实用性的智能系统。

（4）基于分布式人工智能工艺设计系统。人类活动大都涉及社会群体，大型复杂问题的求解需要多个专业人员或组织协作完成。随着计算机网络、计算机通信和并行程序设计技术的发展，此类技术逐渐成为一个新的研究热点。21世纪初，以人工智能技术为代表的工艺设计越来越受到研究者们的关注，可能会成为下一代智能工艺设计系统软件开发的重要突破点。构建包含CAPP系统和智能工艺系统的分布式智能工艺设计系统可以克服原有集中式知识系统的弱点，极大地提高系统的性能，包括问题求解能力、求解效率，以及降低系统的复杂性。

（5）其他智能技术与算法的应用。模糊推理技术、进化计算技术、粒子计算理论等也在工艺设计中不同程度地得到了应用，同时遗传算法、蚁群算法等智能算法的应用在拓宽智能工艺设计系统信息处理能力、提高系统性能等方面起到了积极的作用。产品数字孪生技术通过不断持续积累产品设计、制造和检验全生命周期过程的相关数据和知识，实现赛博（cyberspace）和物理空间的虚实映射，为计算机辅助工艺规划技术的发展和瓶颈问题的解决提供了有效的途径。

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