摘 要：为了解决动态企业联盟的产品工艺分工自动规划问题，针对其制造资源配置的特点，提出了一种先设计逻辑工艺路线，通过逻辑制造单元－物理制造单元映射生成可执行工艺路线，再经过资源评估和优化配置生成工艺分工路线的新方法。在这3个主要过程中，逻辑工艺路线设计是影响工艺分工自动规划的关键，为此，采用了基于知识的方法实现智能化决策，避免了在工艺路线设计时必须考虑数量庞大的复杂资源配置这一难题，简化了工艺分工规划过程，容易实现自动化。
关键词：工艺分工；计算机辅助工艺设计；逻辑工艺路线；可执行工艺路线；逻辑制造单元；物理制造单元
引言
工艺分工路线是指产品或零部件在生产过程中，由毛坯准备到成品包装入库的全部工艺过程及其顺序经历的车间，也称为车间分工路线或工艺分工计划。在企业实际生产中，产品工艺分工规划过程是：首先对组成产品的零部件的主要特征和加工要求进行分析，形成粗工艺路线（仅包括主要工艺过程），然后依据企业各车间的资源配置情况、生产能力和生产情况在车间之间进行分工，形成工艺分工路线。工艺分工规划属于产品总体工艺设计，通常由企业专职工艺分工工艺师和产品主管工艺师负责完成。工艺分工规划是工艺规程详细设计的前提和基础，对合理利用企业制造资源、平衡车间生产、保证产品质量和缩短生产周期等具有重要作用。
一般来说，一个企业所拥有的制造资源在一定时期内是相对不变的，因此面向企业的工艺分工规划系统都是基于静态制造资源配置进行开发的，目前基本上都采用人机交互方法设计工艺分工路线。但是，对于动态联盟而言，其联盟企业是可变的，联盟所拥有的制造资源不仅涉及范围广（企业多），而且其制造资源配置具有动态性、重复性和可互换性等特点，这就要求产品工艺分工规划系统必须具有较高的自动化程度。显然，基于静态制造资源配置的交互式产品工艺分工路线的设计方法难以满足其实际应用需求。
本文面向动态联盟，主要对基于动态制造资源配置的零件工艺分工规划技术进行了深入研究，提出了一种通过逻辑制造单元－物理制造单元映射生成可执行工艺路线，再经过资源评估和优化配置生成工艺分工路线的新方法。
1 概念定义
1.1 物理制造单元
物理制造单元（Physical Manufacturing Cell，PMC）是指处于车间并相对集中的、能满足某种加工工艺要求的若干台物理设备的组合。物理制造单元一般以零件族为基础进行设计，要求在制造单元内完成一个零件族主要或全部的制造过程。物理制造单元是生产车间的基本组成单位，即车间由一个或若干个物理制造单元组成。因此，对于企业联盟，制造资源可按企业层、车间层、物理制造单元层和设备层4层来描述。
1.2 逻辑制造单元
逻辑制造单元（Logical Manufacturing Cell，LMC）是指逻辑上对完成某种零件特征的加工能力的描述。实际上，它是根据零件族的典型特征及其加工要求而确定的加工方法。通过逻辑制造单元可以细化和描述物理制造单元的加工能力。通常，一个物理制造单元具有多种零件特征的加工能力，因此，逻辑制造单元是物理制造单元的部分加工能力的描述，物理制造单元可以分解为多个逻辑制造单元。需要指出的是，以物理制造单元而不是以机床为基本对象进行加工能力描述，可以有效避免加工能力的重复表达。例如，如果一个物理制造单元由多台机床组成，那么就不需对每台机床进行描述。
1.3 逻辑工艺路线
逻辑工艺路线(Logical Process Route，LPR)表示一个零件逻辑上的加工工艺过程，是逻辑制造单元的有序组合。它是与具体制造资源无关的零件加工工艺路线，描述了零件的主要工艺过程及其加工能力需求与约束，如加工质量、成本、时间和特殊生产设备需求等信息，这些约束信息是为了匹配具体的物理制造单元和优化资源配置的约束条件。提出逻辑工艺路线概念的目的是为了在工艺路线设计时忽略具体的制造资源配置情况，以简化工艺路线设计决策过程。逻辑工艺路线是逻辑制造单元的有序组成，逻辑制造单元又是对物理制造单元的加工能力的描述，在零件制造工艺和制造资源之间建立起对应关系，为工艺分工路线的自动规划奠定了方法基础。
1.4 可执行工艺路线
可执行工艺路线(Executive Process Route，EPR)是一个与具体物理制造单元相关联的可实际使用的工艺路线。
2 工艺分工路线生成过程
通过上述概念和定义的分析，可以将工艺分工规划分为3个主要过程：逻辑工艺路线设计、可执行工艺路线生成和工艺分工路线生成，如图1所示。首先，根据零件信息设计逻辑工艺路线；然后，通过逻辑制造单元与物理制造单元的映射生成可执行工艺路线；最后，依据一定的约束条件进行资源优化配置，生成工艺分工路线［1，2］。根据制造资源配置情况，一个零件往往可以具有多个可执行工艺路线。通过对产生的多个可执行工艺路线按照约束条件进行优化评估，得出优化的零件工艺路线，再将其物理制造单元所在企业/车间添加到工艺路线，就形成了零件工艺分工路线。
可以看出，后两个过程很容易实现程序自动处理。于是，逻辑工艺路线的设计就成为工艺分工规划的主要问题。本文采用基于知识的方法实现智能化决策，以提高系统的自动化程度。这样，从根本上解决了动态联盟的工艺分工规划问题。
3 零件信息模型建立
零件信息是工艺路线设计的基础。为了满足工艺过程决策的信息需求，需要建立适用的零件信息模型。如果零件信息模型复杂，则需要输入较多的信息，不仅烦琐，而且费时；反之，则不利于工艺过程的自动决策。由于工艺分工规划属于总体工艺设计阶段，并不需要设计详细的工艺过程，零件信息模型只需包括影响粗工艺路线安排的主要零件信息属性即可。
零件信息模型由管理信息、总体技术信息和特征信息3部分组成。零件管理信息包括零件名称、零件图号、产品代号、数量、零件版次和资料编号等；零件总体技术信息由工艺信息、材料信息和毛坯信息组成，其中，工艺信息包括零件类别、零件轮廓尺寸、零件质量、精度、粗糙度、热处理、表面处理和特种检验等，材料信息包括材料类型、材料牌号、材料规格、热处理状态、材料硬度和材料强度等，毛坯信息包括毛坯种类、毛坯尺寸和毛坯质量；零件特征信息包括特征参数及其几何拓扑信息。但是，因为在工艺分工规划阶段只需要考虑影响零件工艺方法和制造资源选择的主要形状特征，不必关心倒角、倒圆和台阶面等辅助特征，也不需要特征的几何拓扑信息，所以本文的特征信息仅指零件主要特征及其参数。nextpage
4 基于知识的逻辑工艺路线设计
工艺分工规划是一项经验性很强的工作，而面向动态联盟的工艺分工规划不仅必须面对数量庞大的资源配置，而且还要面对资源配置的动态性、重复性和可互换性等问题，因此，传统的交互式工艺分工路线设计方法根本无法满足企业联盟对工艺分工规划的需要，必须采用智能化设计方法，以有效利用已有的知识和经验，提高自动化程度，摆脱对工艺人员的依赖。
对于逻辑工艺路线的设计，原理上可以采用修订式和生成式两种方法。所谓生成式方法是依据零件技术信息及特征信息，首先选择逻辑制造单元，然后按照一定规则进行排序，生成逻辑工艺路线。这种方法技术难度大，生成的结果也依赖于知识库中规则的完整性和正确性。
实际生产中，制造单元一般按零件族或其典型特征分类建立，容易分析其逻辑制造单元组成，所以，笔者认为，采用基于典型工艺路线的修订式方法不仅更为合理可行，而且容易实现。其基本原理是：依据零件技术信息及特征信息，检索相应零件族的典型逻辑工艺路线并进行修订，完成一个新零件的逻辑工艺路线设计。
然而，典型工艺的快速有效检索一直是制约系统实用性的决定性因素。要提高系统的实用性，既要做到减少烦琐的零件信息输入量，又要保证有足够的信息以利于系统自动决策。修订式计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning,CAPP)系统基于成组技术，需要输入大量信息描述零件特征，进行编码，以查找所在零件族。由于它所查找的综合工艺是详细的工艺，需要大量的零件信息，太过烦琐,用户通常不愿使用。但对于工艺分工规划，所谓的典型逻辑工艺路线是一个粗工艺路线，只需要少量的零件主要特征信息，即零件信息模型简单。就这一点而言，修订式方法更适合于工艺分工规划阶段的粗工艺路线设计。
本文采用产生式规则表示知识，实现典型逻辑工艺路线的智能化选择。关于规则的表示以及推理方法参见文献［3］。
5 可执行工艺路线的生成及优化
可执行工艺路线是与具体制造资源相关的工艺路线，可执行工艺路线设计实际上就是选择能实现逻辑制造单元加工能力需求的具体物理制造单元。由于逻辑工艺路线是逻辑制造单元的有序集合，而可执行工艺路线是物理制造单元的有序集合，根据逻辑制造单元与物理制造单元之间的关系，通过映射就可生成可执行工艺路线。所谓映射，即对于组成逻辑工艺路线的任一逻辑制造单元CLMi(i=1,2, …，n)，在制造资源库中查找出可以实现CLMi的所有物理制造单元，称之为CLMi的物理制造单元子集，记为Ｇi。由n个物理制造单元子集（G1，G2，…，Gn）可组合成多条可执行工艺路线。由于企业联盟的制造资源具有重复性和可互换性，可能存在多个物理制造单元都具有一个逻辑制造单元所描述的加工能力，因此由一条逻辑工艺路线就可以匹配出多条可执行工艺路线。逻辑工艺路线还包含加工时间、成本、质量和特殊设备工装要求等信息，它们可作为映射时的约束条件。
逻辑工艺路线-可执行工艺路线映射的主要过程如图2所示。对于任一CLMi(i=1,2, …，n)，首先,在制造资源库的设备库和工装库中查找出满足CLMi的附属要求(特殊设备和特殊工装)的物理制造单元集CPM1和CPM2；其次，在制造单元库中查找出可实现CLMi的所有物理制造单元集CPM3；最后，对CPM1，CPM2和CPM3求交，得到可以实现CLMi的集合Gi(i=1,2, …，n)。
工艺分工规划的目的是实现制造资源的合理利用，需要对产生的多条可执行工艺路线Gi(i=1,2, …，n)进行优选，即依据制造资源配置情况、物理制造单元运行状态和负荷状态等动态信息，以及联盟企业的其他条件如企业信誉度、地理位置等进行优化，以选出在给定约束条件下优化的可执行工艺路线。
通过优化产生的可执行工艺路线包含的是物理制造单元，通过在制造资源库中查找其所在的企业/车间并添加到可执行工艺路线，便得到工艺分工路线。
6 系统结构及功能
笔者结合国家863/CIMS主题项目，应用上述方法开发了一个基于动态制造资源的网络化产品工艺分工规划系统，系统结构如图3所示。
该系统主要由产品零件信息管理、工艺分工路线管理、制造资源管理、工艺知识管理和系统集成接口5个功能模块组成。产品零件信息管理模块主要处理订单信息、产品物料清单（Bill of Material,BOM)信息和零件信息；工艺分工路线管理模块主要完成逻辑工艺路线设计、可执行工艺路线生成及其优化和工艺分工路线生成等任务；制造资源管理模块包括制造资源库的建立与管理，主要包括企业、车间、物理制造单元、逻辑制造单元和机床设备等信息；工艺知识管理模块包括零件信息模型定义、物理制造单元模型定义、逻辑制造单元模型定义、典型逻辑工艺路线结构定义及工艺知识库的建立和管理等；系统集成接口主要实现基于可扩展标记语言（eXtensible Markup Language,XML)的数据文件的双向转换。
7 结束语
为了解决动态联盟的产品工艺分工自动规划问题，本文提出了一种通过逻辑制造单元－物理制造单元映射生成可执行工艺路线，再经过资源评估和优化配置而生成工艺分工路线的新方法。该方法避免了在工艺路线设计时必须考虑数量庞大的复杂资源配置这一难以处理的情况，简化了工艺分工规划过程，并且容易实现工艺分工规划过程的自动化。
