文章

机电一体化技术推广应用工艺信息建模及其在装配工艺设计中的应用

2001-01-24张国军 邵新宇 蔡力钢 李培根

1256阅

    0 引言

    建立合理的工艺信息模型不仅是实现计算机辅助工艺设计系统的基础,同时对于CIMS的信息集成至关重要。国内外对于工艺信息建模的研究已经取得了一些重要成果。综合这些研究,可以发现,有些工艺模型是直接面向CAPP单元系统开发,灵活性和可扩充性有待进一步提高,同时,现有的工艺信息模型往往缺乏层次性,不便于清晰地组织与表达工艺信息。而且大多数研究针对的是机加工工艺模型,对装配工艺信息建模深层次的研究还不够。

    1 层次递进关系的工艺信息模型

    工艺设计是个性化较强的工作,在不同的制造企业工艺文件的格式不同,其组织方式和工艺设计流程都有各自的特殊性。因此,要建立适应性强的工艺模型,有必要利用层次化的思想,将工艺信息模型分为多个层次。底层完成工艺设计信息的存储、建立工艺信息的关联关系和实现工艺信息的增、删、改等操作。模型的上层通过不同的配置来满足不同工艺设计过程的需要。按照这种思想,本文提出了一种具有层次和递进关系的工艺信息模型。该模型由用户层、逻辑层和数据层三个层次组成,每一层又分成递进关系的几个子模型。其总体框架如图1所示。

    层次递进关系工艺信息模型的最底层是数据层,其中包括“工艺信息的存储”、“工艺信息的关联关系”和“工艺信息的操作”3个子模型。建立工艺信息模型的数据层,往往需要利用数据库管理系统DBMS提供的开发工具,建立ER模型。在产品数据管理系统PDM平台下,建立相互关联的实体对象。对工艺信息的增加、删除和更改操作是通过数据库应用程序或者PDM中的对象管理器来完成。
    层次递进关系工艺信息模型的中间层次是逻辑层,包括“工艺信息的表达方法”、“工艺信息的组织方式”和“工艺信息流的管理”3个子模型,这个层次是建立用户层和数据层关系的桥梁。“工艺信息表达方法”子模型用来从逻辑上描述了每一类工艺信息。任何一种工艺信息,比如工艺资源信息、工艺文件信息或者工艺知识信息都可以用下面三种方式中的一种或几种进行表达:即一维表、二维表和数据集。“工艺信息的组织方式”子模型,建立了从工艺文件组织方式到工艺数据之间的关联关系。工艺信息的组织方式要考虑的内容主要包括:A.工艺信息的分类 一般可以将工艺信息分为工艺资源信息、工艺知识信息(包括工艺规则等)和工艺文件3大类。其最终的体现形式往往只有工艺文件一种类型,一般来讲,工艺文件又可以分为工艺管理文件,工艺规程文件和工艺质控文件3种。有时侯在工艺信息模型当中还可能需要把制造BOM的相关信息包括在内,比如物料单、加工路线报告等;B.工艺信息的最小单位。例如在组织工艺规程文件时,可以以零部件的全部加工工艺作为最小单位。但是对于装配工艺往往需要以某道工序为单位组织工艺信息,具体原因见下文;C.工艺信息的组织结构 工艺信息中资源信息和知识信息往往独立于各个模块单独存在,而工艺文件和MBOM则按一定的结构进行组织。组织方式主要包括两种,一是按产品结构进行组织;另外一种组织方式是按工艺信息的分类进行组织。
    在逻辑层当中,“工艺信息流的管理”子模型将工艺设计流程转换为对工艺信息的操作和控制,例如工艺信息的复制、移动、增加、删除和更改操作以及相应的权限限制等。
    层次递进关系模型中,用户层是整个模型在CAPP系统中的最终反映形式。例如,将工艺信息的表达方式最终反映为工艺文件格式,而工艺信息的在逻辑层组织方式体现为工艺文件的组织方式,并且通过工艺设计流程实现对工艺信息流的管理。层次递进关系的工艺信息模型具有下面的特点:A.将工艺设计所涉及到的对象、联系和活动分层管理,使该模型变得比较灵活,而且也便于管理和扩充。运用该模型设计的CAPP系统,在模型应用对象和实现平台改变时,需要作的设置和改动最小;B.基于ER关系模式的数据层能够和CIMS其它子系统,比如产品数据管理(PDM)系统实现方便集成。在利用产品数据管理的工作流程(Workflow)进行工艺数据管理时,可以不用改变工艺模型的其它子模型;C.每层次中亦存在递进关系,有利于对数据对象及其关联关系进一步细化和分类,方便工艺设计、版本、权限管理及安全维护的实现;D.层次递进关系的工艺模型,有利于系统分析和程序实现,并可大大降低系统维护成本。

    2 基于层次递进关系工艺模型的装配工艺建模

    2.1装配工艺的特点
    同传统的机械加工工艺相比,国内外对装配工艺的研究主要集中在工序编排的装配线平衡问题上,对装配工艺信息模型的研究比较少。在实际的设计工作中,设计人员往往利用机加工工艺的信息模型来描述装配工艺,或者只是简单增加一些描述装配工艺的内容。这种方式往往导致装配工艺文件的大量信息冗余,而有些工艺规程不能完整地描述装配工艺。
    同机械加工工艺相比,装配工艺具有下面的特点:A.对于不同类型信息的描述,装配工艺和加工工艺要求的详尽程度不同,比如由于装配生产通常在自动化流水线上完成,装配工艺一般不需要详细描述量具、辅具、夹具等辅助信息;B.在信息重用方面,装配工艺和加工工艺也不尽相同。例如,装配工艺在不同产品间相互引用的情况比较复杂。某些工序内容可能同时适合多个产品,只是工序材料不同(不同型号的产品使用不同的零部件,但是工序内容相同)。另外还存在交叉引用的情况;C.对装配工艺信息模型的状态空间分析时,状态爆炸问题更为突出。一般来说,稍微复杂一些的产品装配或者部件装配有数十道工序,从而引起工艺方案级数增加。

    2.2 装配工艺信息建模
    正因为装配工艺具有上面的这些与机械加工工艺不同的特点,因此有必要建立适合装配生产的工艺信息模型。由于加工工艺和装配工艺在工艺信息的表达方法上没有大的区别,下面主要结合信息模型的用户层,分析逻辑层次中工艺信息的组织方式和工艺信息流的管理。与机械加工工艺相似,装配工艺信息除了工艺资源信息和工艺知识信息外,可以把工艺文件分为工艺管理文件、工艺规程文件、质控文件和MBOM文件4大类。
    工艺信息的最小单位主要需要考虑的是工艺规程文件。在机械加工工艺当中,由于零件加工的工序较少,每一道工序内容中包含的工艺信息有限,而且这些工艺信息之间的关联比较多,因此对于机加工工艺可以将整个零件的工艺作为一个单位进行管理,具有一个工艺文件编号。但是对于装配工艺,不仅整个工艺中包含的工序多,每个工序中也包含了大量的工艺信息,如使用的零部件和辅料等。这些工序除了前后顺序外,关联性较少,不同工序甚至在不同车间班组完成。另外,如前文所述,在装配工艺当中,不同产品往往具有多道相同的工序。如果以整个装配工艺为单位组织工艺信息,不便于工艺文件的典型化和相互借用。例如产品A的装配工艺具有工序10、20、30、40、50共5道工序,产品B装配工艺的前4道工序,即工序10、20、30、40和产品A的装配工艺相同,而工序50不同,如果将5道工序的全部工艺过程作为一个单位进行管理,产品A、B必须有各自的5道工序的内容,而这些工艺中大部分相同。相反,如果是以工序为最小单位进行工艺信息的组织,就可以避免这种现象的发生。以工序为最小单位组织工艺规程文件,在多工艺方案中也可以避免大量数据冗余的现象。两种组织方式的比较如图2所示。

    在机械加工工艺中,往往以产品结构树为核心组织工艺文件。即建立零件加工工艺信息和零件基本信息的关系(比如通过零件号),以树形结构组织工艺文件。这种方法在一定程度上也可以适用于装配工艺,即部件装配工艺直接和某个部件相关联,总装工艺和整个产品相关联。但是,由于设计BOM和制造BOM之间存在差异,比如有些装配工艺完成(a)以工艺过程为最小信息单位 (b)以工序为最小信息单位图2 不同组织方式的比较后不是形成一个部件,而是形成在设计BOM中不出现的组件,因此如果要以产品结构树组织工艺文件,必须允许工艺人员修改产品结构树增加组件或者虚拟件。另外一种组织方式是将工艺信息进行分类,按类别进行组织。比如,在油泵装配工艺中,可以将全部泵体的装配工艺进行统一管理,不考虑它们在哪些产品中使用。这种组织方式有利于工艺设计人员细化分工,提供工作效率,但是不利于工艺文件的查询和引用。在工艺信息模型中,可以在逻辑层和数据层按产品结构树进行工艺文件组织,而在用户层提供按工艺信息类别进行工艺组织的方法,从而兼备这两种组织方式的优势。在工艺设计流程上,装配工艺也和机械加工工艺有所不同。从工艺文件的组织方式中也可以看出,机械加工工艺是以零部件的工艺为单位进行组织。在设计流程中,也可以将零部件的加工工艺信息的操作赋予统一的权限。而在装配工艺中,则需要提供按产品或部件赋予操作权限的算法,即某个部件下全部零件和子部件赋予统一的操作权限。如果按工艺信息的类型进行分类,还需要将这两方面的权限统一起来进行管理。在工艺信息流的管理当中,需要用到产品数据管理PDM中基于规则(RuleBased)的管理思想。

    3 装配工艺信息模型示例

    基于层次递进关系的工艺信息模型,作者开发了一套面向装配工艺的计算机辅助工艺设计系统SuperCAPP。SuperCAPP选用美国UGS公司的PDM产品IMAN作为PDM平台,利用IMAN的对象管理器POM实现工艺信息模型与产品数据模型的紧密集成。另外,利用层次递进关系模型的优势,系统很方便地实现了产品设计和工艺设计工作流的统一管理。该系统还实现了设计BOM向制造BOM的转换,提供了和MRPII系统交换数据的接口。在系统的用户层,通过POM编辑器和模板定义工具实现了工艺信息的可扩充性,通过工作流的管理和工艺设计导航技术实现工艺流程的变更和扩充。

    4 结束语

    对于工艺信息模型建模方法的研究,应充分考虑模型的灵活性和可扩充性。特别是在CIMS环境下,工艺信息模型作为连接产品模型、资源模型和制造模型的桥梁,模型的可管理性和可实现性变得尤为重要。基于层次递进管理的工艺信息模型通过用户层、逻辑层和数据层对工艺设计工作涉及的实体、联系及其活动进行描述,能够方便地实现同其它工程数据模型的紧密集成。由于装配工艺在信息描述详尽程度、信息重用等问题上和加工工艺不尽相同,建立适合装配工艺的信息模型应该结合装配工艺的特点进行。对于层次递进关系的工艺信息模型,在描述不同层次、不同子模型之间的联系等方面还有诸多工作要做。
 
 

责任编辑:张宋
本文为作者授权转载文章,任何人未经原作者同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
读者评论 (0)
请您登录/注册后再评论