基于知识构件的工艺快速设计系统

一、背景

  随着中国制造水平的不断提升，大部分企业已经完成了工艺知识的积累。这些宝贵的工艺知识以有形或无形的方式进行承载，有形的工艺知识存在于工艺设计标准规范、典型工艺等文档或工艺信息化系统中，还有大量无形的工艺知识存在于工艺专家头脑中。如何将有形的知识进行结构化、数字化，如何将无形的知识进行显性化、共享化，从而充分发挥工艺知识应有的价值，提升工艺设计的效率和质量？这些都是企业管理人员不断探索和亟需解决的问题。

二、传统工艺规划与设计模式面临的挑战

  目前大部分企业已经实施了工艺管理系统，通过工艺管理系统开展工艺规划和设计；还有少部分企业仍采用AutoCAD、Office等进行工艺规划和设计。这两种工艺规划和设计模式，均面临着以下挑战：

● 工艺知识沉淀缺乏途径：通过数十年的实践，企业培养了一大批工艺专家，但由于缺乏有效的工艺知识沉淀途径，工艺专家的经验难以有效的传承。

● 工艺知识应用效果欠佳：有些企业编制了典型工艺规程，但现实业务中很少对整本工艺规程进行复用，工艺工程师无法快速对其中的某道工序/工步进行快速复用，只能从繁杂的信息中人工提取、判断和复用相应的信息，工艺复用效率低。

● 工艺设计质量参差不齐：由于工艺知识复用规则显性化程度不足，工艺规划和设计的质量完全依赖工程师经验，从而导致工艺规划和设计的效率和质量参差不齐。

  针对上述问题，国睿信维通过对国内外先进企业大量的调研和研究，形成了基于知识构件的工艺快速设计解决方案并开发了工程化应用系统，期望能为企业管理人员和工艺管理人员提供一些解决思路，助力企业工艺管理水平的提升。

三、系统建设思路

  基于知识构件的工艺快速设计系统以提升工艺设计的效率和质量为主线，以工艺知识条目化为基础，以工艺知识构件化为手段，以工艺智能化设计为目标开展建设。

图1 系统建设总体思路

1.建设思路一：工艺知识条目化

  构建企业统一的工艺知识库，根据企业不同产品、不同工艺类型的业务特点和标准化程度，将工艺知识从工艺设计规范、典型工艺等繁杂的信息中提取出来，形成不同层级的工艺知识条目，细化工艺知识颗粒度，并对工艺知识条目的全方位信息进行组织和管理。

图2 工艺知识构件化示意

2.建设思路二：工艺知识构件化

  构建可配置、灵活度高的知识构件生成框架，为企业提供高效的知识沉淀途径，将工艺专家的知识显性化，形成结构化的工艺知识构件，为工艺设计智能化提供决策依据。

图3 工艺规则显性化示意

3.建设思路三：工艺设计智能化

  系统提供便捷的人机交互体验，工艺工程师可以快速预览和调整根据规则自动决策生成的工艺规程，从而有效提升工艺工程师工作效率和工作质量。

图4 工艺设计智能化示意

四、典型应用场景

  基于知识构件的工艺快速设计系统适用与机加工艺、电装工艺、微组装工艺等规范化程度较高和具有明确规则的工艺类型。以下以机加工艺为例，对工艺快速设计的部分应用场景进行简要描述。

1.机加工艺知识条目自定义配置

  由于产品特点、工艺类型和企业管理水平等因素都会影响到工艺知识的应用场景和应用效果，为了满足不同场景下工艺知识的应用需要，系统提供灵活的可视化配置功能，可以定义不同层级、不同颗粒度的工艺知识条目。机加工艺知识主要包括工艺资源（设备、工具、工装等）、典型工艺路线、典型工序、典型工步、材料定额公式等。

图5 工艺知识界面示意

  由于不同的工艺加工要求，对工艺资源的要求也各不相同。例如零件的结构尺寸、加工范围和精度要求，直接影响到机床设备和刀具的选择。因此，需要在系统中定义不同类型的工艺知识条目特征参数，可以为不同类型的工艺资源配置对应的属性和参数。

图6 工艺资源特征参数自定义配置界面示意

2.机加工艺知识构件自定义配置

  为了实现工艺知识的推送，需要建立工艺知识条目之间的调用和约束关系，形成知识构件。例如可以为不同加工精度要求的机加工艺匹配满足条件的机床设备、刀具等工艺资源。系统提供工艺知识构件可视化配置页面，可以根据客户的实际业务对规则类型、相似度算法、关系映射和决策过程进行自定义配置，无需进行代码开发，从而快速适应客户业务的调整。系统支持典型工艺自推送和工艺规程自生成等多种工艺知识构件类型。

● 可以定义典型工艺知识自动推送规则，基于一个或多个条件快速定位符合要求的典型工艺知识，从而实现从人找知识向知识找人的转变，提高工艺工程师获取工艺知识的效率。例如典型工艺路线调用规则、典型工序调用规则等。

图7 典型工艺调用规则定义示意

● 工艺规程自动生成规则主要是针对无法直接复用典型工艺知识或无法穷举典型工艺知识，但工艺规程的生成又有明确规则的业务场景。例如工艺路线自动生成规则、设备自动选用规则、工序内容自动生成规则等。

图8 工艺规程自动生成规则定义示意

3.机加工艺智能推送

  工艺工程师接收到工艺设计任务后，系统根据产品零部件或MBD模型特征自动匹配工艺知识构件，自动推送或生成相应的工艺规程。

图9 工艺规程自动推送界面示意

  工艺工程师可以基于Web页面快速预览系统推送或生成的工艺规程，并选择符合要求的工艺规程。工艺工程师可以根据实际情况，再次对自动生成的工艺规程进行调整。

图10 工艺规程预览界面示意

五、总结

  通过对多家客户使用情况的调研分析，发现基于知识构件的工艺快速设计可以大幅提升工艺知识查找和调用的效率以及大幅简化工艺工程师制作工艺的步骤，将工艺工程师从繁杂的重复性工艺设计过程中解放出来，用于开展工艺创新和工艺攻关工作，从而提升公司的整体工艺水平。

图11 工艺知识应用场景对比示意

  基于知识构件的工艺快速设计系统的实施是一个复杂的工程，需要考虑多重因素：

1.知识驱动的工艺典型应用场景梳理：需要根据客户的切实情况梳理可通过知识驱动快速设计的应用场景，通过场景的详细梳理明确所需的知识库的建设与优化内容。

2.工艺知识条目的梳理和优化：需要充分整理和分析现有工艺数据，提炼出通用性和规范性的工艺知识，梳理出影响工艺知识选择的关键参数，并在系统中进行结构化统一管理，为快速工艺设计奠定坚实基础。

3.工艺决策规则的梳理：需要充分梳理各工艺数据之间的关联、约束关系。工艺决策规则的质量直接决定了系统自动生成工艺数据的正确性，所以需要对工艺决策规则做充分的验证。

4.建议采用整体规划、分步实施的策略，充分考虑未来扩展性的基础上，以规则比较明确的工艺开展基于构件的工艺快速设计系统试点建设。