敏捷化CAPP系统原理、关键技术与应用实践
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摘要
敏捷制造是面向21世纪的先进制造模式之一。作为连接设计与生产的“纽带”，计算机辅助工艺设计系统(CAPP)在敏捷制造信息系统中起着承上启下的关键作用。传统CAPP过多地强调工艺生成的“自动化”，忽视了CAPP系统的适应性、重构能力、重用性、扩展能力的重要性，导致CAPP长期以来针对性较强，不能迅速适应不同的企业以及同一个企业不同时期的需求，制约了敏捷环境下企业快速响应市场的能力。因此，针对敏捷制造模式的特点，研究和实现能够快速响应企业生产的需求、具有敏捷化特征的新型CAPP系统具有重要的理论意义和应用价值。
通过分析敏捷化CAPP的需求、概念和技术特点，本文从系统体系结构、单元系统的信息模型、工艺决策模型、工艺知识的共享和获取方法、协同工艺设计以及软件实现方法等角度研究了CAPP的敏捷化原理与关键技术。针对制造企业大实际需求，进行基于智能中间件的敏捷化CAPP工具系统研制和应用开发。本文主要研究成果和特色如下：
(1)通过概述21世纪制造业的特征和制造业信息化的内涵，指出制造信息系统的组成、CAPP在制造信息系统中的地位和作用，分析敏捷制造模式的可重构、可重用、可扩展(RRS)准则和敏捷化制造信息系统构建技术。在综述传统CAPP的缺陷、CAPP的研究现状和发展趋势的基础上，指出支持敏捷制造模式的敏捷化CAPP是CAPP一个新的研究方向。
(2)将敏捷化思想引入CAPP系统设计中，提出面向产品、基于数据库并具有并行协同设计等特征的敏捷化CAPP的概念，提出敏捷化CAPP的功能模型和软件系统设计方法，提出一种由CAPP主体、代理层和企业环境三层功能模型所组成的敏捷化CAPP工具的体系结构。
(3)在分析工艺资源数据特点的基础上提出一种基于知识元的统一数据模型、面向敏捷化CAPP的集成化产品模型，讨论基于特征的零件信息模型，并给出基于知识元的特征表示方法，对敏捷化CAPP的工艺规程模型和卡片模
四川大学博士学位论文
型进行分析、定义，以“抽象资源工厂”模式定义统一的制造工艺资源模型。
(4)工艺决策建模是开发CAPP工具的研究难点，亦是CAPP走向智能
化和实用化的瓶颈所在。在综合分析工艺决策问题研究现状的基础上，提出融
合基于实例的推理(CBR)、人机交互设计以及其它决策方法相结合的敏捷化
CAPP系统多模式工艺决策模型，提出一种由工艺基元、工艺元、工艺模板、工
艺实例组成的层次化工艺实例知识的形式化描述。研究基于移动智能体的敏捷
化CAPP决策模型的实施方法。
(5)敏捷化CAPP是基于知识的智能工艺设计系统，工艺知识的共享和
知识获取技术是敏捷化CAPP实现实用化的关键技术问题之一。在研究工艺知
识全局共享和管理的机制后，提出一种基于本体的工艺知识共享模型。提出基
于文本聚类的知识获取方法。
(6)工艺设计过程是多人参与协作的并行设计过程，协同技术是实现
CAPP系统敏捷化的一个关键技术。提出由用户视图层、安全控制层、全局特征
层以及网络层所组成的CAPP协同工作环境模型。分析敏捷化CAPP的版本控
制的特点，提出一种版本控制模型。用过程、状态、角色、任务等概念的形式
化定义给出协同工艺设计任务模型，将权限控制与工艺设计任务有机融合在一
起。在不同任务协同机制问题上，提出基于锁的任务协调方法。
(7)在分析消息队列、DCOM、CORBA、Java、W七b Service等几种中间
件实现技术的特点，以及基于知识的智能中间件特点基础上，提出接口标准化、
主体静态稳定、运行时动态定制、功能增量进化、模块功能自治以及插拔兼容
性的CAPP系统敏捷化策略。以智能中间件为核心，提出CAPP与企业资源管
理系统(ERP)、CAD、PDM以及工艺设计助理的敏捷化集成模式。
(8)在以上研究的基础上，以成都工程机械(集团)公司技术信息系统
(CG一TIS)的项目为背景，开发了具有敏捷化特征的CAPP工具系统
(SCU一CAPPTool)。该系统由主体系统、工艺设计扩展组件以及卡片设计系统、
工艺资源管理系统、工艺文件浏览器、通用排图系统等多个子系统组成。应用
结果验证了敏捷化CAPP工具系统设计的方法学与软件原理的正确性。
Agile manufacturing (AM) is one of the advanced manufacturing paradigms in 21'th century. As the bridge connecting design and manufacturing, computer-aided process planning (CAPP) is a key component in agile manufacturing information system (AMIS). Because of the reason that more attention has been given to the research of process schedule auto-generating, and the adaptability, Reconfiguration, Reusability and Scalability (RRS) of CAPP have been ignored during a long time, the traditional CAPP can't give more help to enterprise for responding to market requirement quickly in agile environment. So, aimed at characters of AM, studying and implementing an agile CAPP (ACAPP) system, which can rapidly adapt to the requirements of enterprises are of great importance in theory and practice.
According to the analysis of the requirements, concept and technical characters of ACAPP, some fundamental issues and key technologies of ACAPP are researched in this paper, such as system architecture, the information models of sub-systems, process planning decision-making model (PPDM), the share and discovering method of process knowledge, cooperate process designing (CPD) and software implementing technologies. Based on the theoretical study mentioned above, a softweare prototype (SCU-CAPPTool) of agile CAPP system based on intelligent middleware is developed. The main achievements and creative ideas of the paper are as follows:
(1) Based on the discussion of the characteristics of 21'th manufacturing and the implication of manufacturing information, the elements of MIS, the position and function of CAPP in MIS are provided. The RRS strategy of AM and the construction technology of AMS were analyzed. After description of the defects of traditional CAPP, the study of situation and future of CAPP, it is pointed out that agile CAPP supporting AM is a new study tendency.
(2) Agile idea is introduced into CAPP, the concept of agile CAPP, which is
The research work is supported by the project of National 863 Hi-Tech Plan/QMS Application Engineering under Grants No. 200IAA411150.
A PhD Dissertation of Sichun University
product-oriented, database-based and supports concurrent and cooperative designing, is put forward. The function model and software methodology are analyzed and built. The system architecture of ACAPP system, which composed of three function layers such as CAPP main body, agent layer and enterprise environment is provided, and the agility of this system is analyzed.
(3) Based on analyzing the characters of manufacturing process resources, a unified data model based on knowledge element (KE) is provided. The integrated product model is given also. Feature-based part model is discussed, and the representation based on KE is given. The process procedure model and process procedure format model are analyzed and defined. A unified manufacturing process resource model based on abstract resource factory pattern is defined also.
(4) The process decision-making model (PDMM) is a key problem in the study of CAPP tools and limited the intelligent and practice of CAPP. According to analyzing the situation of PDMM, the muti-mode PDMM of ACAPP that composed of Case Based Reasoning (CBR), interactive design and other decision method is produced. The formal description of hierarchy case-based process model, which composed basic process procedure (PP) element, PP element (PPE), process templet and process procedure case, is given. The implementing method of ACAPP PDMM based on mobile agent (MA) is also studied.
(5) ACAPP is a knowledge-based intelligent system. The technology of knowledge share and acquiring is one of the enabler of ACAPP. After study the mechanism of global share and management of process knowledge, a kind of process knowledge share model based on ontology is brought forward. A text-clustering based process knowledge acquiring method is provided.
(6) The process planning design procedure is a concurrent procedure with many people involved. The cooperative technology is one of the keys for CAPP agili
通过分析敏捷化CAPP的需求、概念和技术特点，本文从系统体系结构、单元系统的信息模型、工艺决策模型、工艺知识的共享和获取方法、协同工艺设计以及软件实现方法等角度研究了CAPP的敏捷化原理与关键技术。针对制造企业大实际需求，进行基于智能中间件的敏捷化CAPP工具系统研制和应用开发。本文主要研究成果和特色如下：
(1)通过概述21世纪制造业的特征和制造业信息化的内涵，指出制造信息系统的组成、CAPP在制造信息系统中的地位和作用，分析敏捷制造模式的可重构、可重用、可扩展(RRS)准则和敏捷化制造信息系统构建技术。在综述传统CAPP的缺陷、CAPP的研究现状和发展趋势的基础上，指出支持敏捷制造模式的敏捷化CAPP是CAPP一个新的研究方向。
(2)将敏捷化思想引入CAPP系统设计中，提出面向产品、基于数据库并具有并行协同设计等特征的敏捷化CAPP的概念，提出敏捷化CAPP的功能模型和软件系统设计方法，提出一种由CAPP主体、代理层和企业环境三层功能模型所组成的敏捷化CAPP工具的体系结构。
(3)在分析工艺资源数据特点的基础上提出一种基于知识元的统一数据模型、面向敏捷化CAPP的集成化产品模型，讨论基于特征的零件信息模型，并给出基于知识元的特征表示方法，对敏捷化CAPP的工艺规程模型和卡片模
四川大学博士学位论文
型进行分析、定义，以“抽象资源工厂”模式定义统一的制造工艺资源模型。
(4)工艺决策建模是开发CAPP工具的研究难点，亦是CAPP走向智能
化和实用化的瓶颈所在。在综合分析工艺决策问题研究现状的基础上，提出融
合基于实例的推理(CBR)、人机交互设计以及其它决策方法相结合的敏捷化
CAPP系统多模式工艺决策模型，提出一种由工艺基元、工艺元、工艺模板、工
艺实例组成的层次化工艺实例知识的形式化描述。研究基于移动智能体的敏捷
化CAPP决策模型的实施方法。
(5)敏捷化CAPP是基于知识的智能工艺设计系统，工艺知识的共享和
知识获取技术是敏捷化CAPP实现实用化的关键技术问题之一。在研究工艺知
识全局共享和管理的机制后，提出一种基于本体的工艺知识共享模型。提出基
于文本聚类的知识获取方法。
(6)工艺设计过程是多人参与协作的并行设计过程，协同技术是实现
CAPP系统敏捷化的一个关键技术。提出由用户视图层、安全控制层、全局特征
层以及网络层所组成的CAPP协同工作环境模型。分析敏捷化CAPP的版本控
制的特点，提出一种版本控制模型。用过程、状态、角色、任务等概念的形式
化定义给出协同工艺设计任务模型，将权限控制与工艺设计任务有机融合在一
起。在不同任务协同机制问题上，提出基于锁的任务协调方法。
(7)在分析消息队列、DCOM、CORBA、Java、W七b Service等几种中间
件实现技术的特点，以及基于知识的智能中间件特点基础上，提出接口标准化、
主体静态稳定、运行时动态定制、功能增量进化、模块功能自治以及插拔兼容
性的CAPP系统敏捷化策略。以智能中间件为核心，提出CAPP与企业资源管
理系统(ERP)、CAD、PDM以及工艺设计助理的敏捷化集成模式。
(8)在以上研究的基础上，以成都工程机械(集团)公司技术信息系统
(CG一TIS)的项目为背景，开发了具有敏捷化特征的CAPP工具系统
(SCU一CAPPTool)。该系统由主体系统、工艺设计扩展组件以及卡片设计系统、
工艺资源管理系统、工艺文件浏览器、通用排图系统等多个子系统组成。应用
结果验证了敏捷化CAPP工具系统设计的方法学与软件原理的正确性。
Agile manufacturing (AM) is one of the advanced manufacturing paradigms in 21'th century. As the bridge connecting design and manufacturing, computer-aided process planning (CAPP) is a key component in agile manufacturing information system (AMIS). Because of the reason that more attention has been given to the research of process schedule auto-generating, and the adaptability, Reconfiguration, Reusability and Scalability (RRS) of CAPP have been ignored during a long time, the traditional CAPP can't give more help to enterprise for responding to market requirement quickly in agile environment. So, aimed at characters of AM, studying and implementing an agile CAPP (ACAPP) system, which can rapidly adapt to the requirements of enterprises are of great importance in theory and practice.
According to the analysis of the requirements, concept and technical characters of ACAPP, some fundamental issues and key technologies of ACAPP are researched in this paper, such as system architecture, the information models of sub-systems, process planning decision-making model (PPDM), the share and discovering method of process knowledge, cooperate process designing (CPD) and software implementing technologies. Based on the theoretical study mentioned above, a softweare prototype (SCU-CAPPTool) of agile CAPP system based on intelligent middleware is developed. The main achievements and creative ideas of the paper are as follows:
(1) Based on the discussion of the characteristics of 21'th manufacturing and the implication of manufacturing information, the elements of MIS, the position and function of CAPP in MIS are provided. The RRS strategy of AM and the construction technology of AMS were analyzed. After description of the defects of traditional CAPP, the study of situation and future of CAPP, it is pointed out that agile CAPP supporting AM is a new study tendency.
(2) Agile idea is introduced into CAPP, the concept of agile CAPP, which is
The research work is supported by the project of National 863 Hi-Tech Plan/QMS Application Engineering under Grants No. 200IAA411150.
A PhD Dissertation of Sichun University
product-oriented, database-based and supports concurrent and cooperative designing, is put forward. The function model and software methodology are analyzed and built. The system architecture of ACAPP system, which composed of three function layers such as CAPP main body, agent layer and enterprise environment is provided, and the agility of this system is analyzed.
(3) Based on analyzing the characters of manufacturing process resources, a unified data model based on knowledge element (KE) is provided. The integrated product model is given also. Feature-based part model is discussed, and the representation based on KE is given. The process procedure model and process procedure format model are analyzed and defined. A unified manufacturing process resource model based on abstract resource factory pattern is defined also.
(4) The process decision-making model (PDMM) is a key problem in the study of CAPP tools and limited the intelligent and practice of CAPP. According to analyzing the situation of PDMM, the muti-mode PDMM of ACAPP that composed of Case Based Reasoning (CBR), interactive design and other decision method is produced. The formal description of hierarchy case-based process model, which composed basic process procedure (PP) element, PP element (PPE), process templet and process procedure case, is given. The implementing method of ACAPP PDMM based on mobile agent (MA) is also studied.
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引文
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