一、引言
随着21世纪的到来，经济竞争已成为世界各国竞争的一个焦点和世界发展的重要推动力，而各类制造业竞争的核心主要集中在以知识为基础的新产品上。并行工程(CE)和虚拟制造(Virtual Manufacturing，简称VM)正是新一代先进制造技术领域的重要组成部分，它对于企业加速新产品的开发具有十分重要的意义。
并行工程以CIMS的信息技术为基础，通过组成多学科产品开发队伍、改进产品开发流程、利用各种DFX(面向某一领域的设计)工具等手段。使产品在开发的早期阶段就能考虑到下游的各种因素，以达到提高产品质量、降低成本、缩短开发周期的目的。并行工程的一个焦点是在信息和功能的层次上实现产品详细设计和制造过程设计的集成。制造过程设计包括面向制造的设计(DFM、CAPP、CAM)及其后置处理(产生数控代码)、计算机辅助工装夹具设计(CAFD)和制造过程仿真(Manufacturing Process Simulation，简称MPS)等，其中CAPP是制造过程设计的核心。
本文针对CECAPP应具备的新特点：如工作进程应在CE产品开发过程动态模型的控制下与上下游功能模块协同作业；在设计领域与CAD、CAFD、CAM等进行信息和功能集成；与制造系统的生产计划与调度系统(PPS)进行信息和功能的集成等，就CAPP系统走向工程化、集成化和智能化的几个关键方法和技术进行讨论。
二、系统体系结构
1．CECAPP系统应具备的特点
并行设计系统不能依靠现存CAD和CAPP系统的简单叠加而形成，因为后者是一种基于串行模式，且其设计工作在各自领域内相对独立的开发活动。由于没有考虑彼此之间的交互建模，结果使得产品设计的效率变低，产品开发成本提高。
CECAPP系统与CAD之间的信息交互应是动态的、双向的：一方面，CAPP应在设计的早期阶段对设计方案作出可制造性评价，并向CAD提供参考意见；另一方面，借助制造工艺和制造资源功能的柔性，CAPP应能对同一设计对象生成多种工艺方案，以适应动态变化的制造环境并接受反馈意见重选工艺方案；此外，CECAPP应是一种人机交互、协同决策的系统，即CAPP应在各子过程间为人工决策提供机会，并向用户报告可能的决策结果，使用户可视化地参与设计以实现全局优化，从而保证工艺决策的决速性、准确性、实用性。总之，CECAPP应是动态的、分步渐进式的工艺设计，是柔性的、人机协同开放式的工艺设计。
最后，为实现工程化、实用化，CECAPP系统还应具备通用的系统框架和灵活的组织方式，以便用户根据自己的需要组织系统的功能模块以形成应用软件；应具有较高的适应性和灵活性以使用户在工艺设计过程中自行定义设计所需的决策逻辑模型、工艺知识、数据结构、工艺表格、工艺文档排版格式、接口文件格式等；工艺决策方法应包括检索式、派生式、创成式以及实例基和知识基推理决策等多种形式，用户可根据自己的需要选用不同的决策方式。
2．CECAPP系统的体系结构及其外部关系
图1描述的是CECAPP功能体系及其在并行工程环境下与其它功能模块的关系。可以看出，无论从信息还是功能的角度来出发。工艺设计都是并行工程的核心环节之一。
三、CECAPP集成化应用的关键技术
CECAPP集成化是全面实现企业产品工艺设计和管理的计算机化与信息化，并逐步实现与PDM、MIS等系统对产品工艺信息的全面集成和产品设计、工艺设计、生产计划调度的全过程的集成。鉴于CAPP集成化应用分层次、分阶段的渐进发展特性，这一过程可分为面向产品工艺数据共享的CAPP信息集成、面向数控加工类零件的CAD/CAPP/CAM集成以及面向产品设计/工艺设计/生产计划与调度全过程集成等三个层次。
1．面向产品工艺数据共享的信息集成机制
作为产品数据的重要组成部分，产品工艺数据是企业生产信息的交汇点。并行工程强调产品设计及其相关活动的信息集成与功能集成，即强调产品开发过程上、下游活动的协调与并行。而产品在生命周期的不同过程所涉及的数据及其要求不尽相同，因此需要一个抽象的、中性的、能够满足各于系统要求的统一信息表达与交换机制来实现不同过程间的信息传输与交换。采用集成产品建模技术所形成的全局产品数据模型可以解决这一问题。
集成产品建模方法如图2所示。以Pro/E软件的特征造型功能为支撑建立产品特征库，借助Pro/Develop工具进行特征信息的提取与匹配，根据CAD特征造型系统提供的产品特征信息及STEP应用协议CE—AP，在STEP—DT工具的支持下，通过实例化的操作将其映射成STEP中性文件，为DFM和CAPP等下游系统提供中性数据交换文件。由此模型形成的零件信息具有动态性、一致性、完整性，能够满足CECAPP的新要求。nextpage
CECAPP中的全局产品数据模型继承了特征模型的功能，其框架的形式化描述为：
CAPP：：＝管理信息/尺寸/公差/加工特征/物理特征/刀、夹具信息/机床信息/工艺路线/工艺文件
其中，特征的描述以STEP为基础、包括开头特征、材料特征、精度特征、装配特征、加工特征等产品基本特征描述。例如形状特征采用STEP集成资源part36的分类方案：
2．CAPP和PPS的功能集成
传统的CAPP系统，如检索式、变异式和创成式等都属于线性CAPP，它们最多只能实现CAD/CAPP/CAM的信息集成，而没有考虑与制造系统的生产计划与调度系统(PPS)进行功能集成。在实际制造系统中，由于资源使用瓶颈和随机故障，生产过程中约有20％—30％的工艺计划必须重新修改，这将不可避免地增加生产成本，延长生产周期。在并行环境下，CAPP系统要形成一个真正意义上的并行式工艺设计系统，必须以面向制造、面向成本、面向产品设计的理论为指导，由PPS的反馈信息来控制CAPP的工艺设计过程，从而实现工艺设计的合理性、加工工艺的经济性和制造资源的可使用性，达到全局最优并在最大程度上与实际生产情况和市场需求相吻合。由CECAPP系统与PPS集成构成的闭环反馈模型如图3所示。
图中，d为零件信息等设计输出信息；r为工艺设计结果，r=f1(d,m);m为PPS系统的反馈信息，包括生产批量、历史生产状况等，m=Tt=0(r,t)Dt其中t=0为某工艺路线的启用时间；T为反馈时间。
四、CECAPP智能化的关键技术
智能化通常指人工智能领域专家系统技术的应用。在CAPP系统的研究中，涉及到工艺设计知识的表达、存储，工艺设计决策方法及系统体系结构等方面，这里仅对工艺知识处理技术及工艺决策方法进行讨论。
1．面向对象基于框架的知识表示模型与实例基推理策暗
工艺设计知识包括选择型决策逻辑(如毛坯类型及其尺寸的选择，加工方法的选择，机床及刀具、夹具和量具的选择，切削用量的选择等)，规划型决策逻辑(如工艺路线安排、工序中加工步骤的确定等)，以及加工方法知识(如加工能力、加工精度、预加工要求等)。此外，还包括DFM中有关设计评价与再设计过程的知识。
框架是一个表示某些节点及相互关联的网络。应用面向对象分析的观点，可以把零件特征模型、制造资源模型、工艺规程模型、工艺决策过程模型、决策规则模型等看作对象类的定义，对象类之间具有一定的层次结构和继承关系；而制造资源实例、工艺规程实例以及工艺决策规则等可以看作对象实例，将这些对象类及其实例都作为框架的一个槽与其发生联系，这样，工艺设计知识在管理上便统一起来。一个特征的评价过程知识如下：nextpage
加工方法选择框架{固定槽规则号：“3”
鉴于工艺设计是一项复杂的多层次、多任务的过程，CECAPP系统采用分层多级推理控制方式。系统推理以实例推理为主导，规则推理为核心，其它推理为辅的复合型推理模型如图4所示。在实例推理过程中，调用规则推理和辅助推理，完成工艺设计和工艺决策等相关任务，生成零件的加工工艺信息链，其中每个节点用一个框架描述，以便在生成工艺卡、工序图及NC加工指令等时使用。
2．基于GA和SA的工步优化
基于知识的推理技术解决了机床与刀具选择、机加工参数确定、特征的加工方法链生成等问题，而工艺过程设计并非单纯的知识基决策推理过程，还有一些诸如工步排序的优化问题。工步排序是组合优化中的NP问题，枚举法不能在可行时间内得到最优解，而由于问题的复杂性，一般优化算法容易陷入局部最优，难以达到全局最优。
遗传算法(GeneticAlgorithms，简称GA)将生物界自然选择和自然遗传的进化机制引入到教学优化过程，通过编码、初始群体生成、适应度评估检测、选择、交叉、变异等过程模拟生物进化，实现模型自学习与优化目的。模拟退火算法(SimulatedAnnealingAlgorithms，简称SA)是一种基于热力学退火原理建立的随机搜索算法，其原理基于概率的双向随机搜索技术：当基于邻域的一次操作使当前解的质量提高时，SA将这个被改进的解作为新的当前解：在相反情况下，SA以一定的概率EXP(—△C/T)接受质量较差的解作为新的当前解；其中—△C领域操作前后解的质量差，T为退火过程的温控参数。SA己在理论上被证明是一种以概率l收敛于全局最优解的优化算法，可以避免由于局部最小点的吸收而陷入局部最优。基于GA和SA的工步优化算法描述如下：
(1)对N个可能工步使用随机方法或PDG决策图法产生一个初始解群；确定初始温度不和温度调整参数α。
(2)计算每一个体的适应度f和生存概率p，然后根据p选择配种个体。
(3)选取两个配种个体，依据一定的组合规则(交叉、变异等)将其结合成新一代的个体。直至N个新一代个体全部形成。
(4)重复(2)—(3)，直至满足条件；步长小于给定值或迭代次数大于给定值。然后降低温度T，T=α*T。
(5)重复(2)—(4)，直到T小于最小温度设定值Tmin或温度改变次数大于给定值。
由于SA并不完全排斥能量的升高，所以它能够避免陷入局部最小。应用GA和SA的混合算法对各工步进行组合优化排序，数学模型简单，计算方便，收敛性好，能够快速得出接近最优的工步顺序，可行性好。
五、结束语
并行工程方法是技术进步与现代管理的结合，是企业开发新产品赢得竞争的不效手段。而CAX、DFX、QFD、面CE的集成与协同工作环境等关键技术的应用是实施并行工程的重要手段之一，尤其是并行环境下CAPP系统的研究和开发。本文针对并行工程环境对CAPP系统的新要求，就CECAPP走向集成化、工程化、智能化的几个关键方法及技术进行了研究，在此基础上开发了CECAPP原型系统，并应用在哈尔滨电机厂CIMS应用示范工程中，实施结果表明将这些新的方法和技术用于CECAPP系统，是正确的、可行的。
