以下文章来自智造园，作者：小智
作者：邓朝晖、刘伟、万琳琳、卢丽树、刘涛
来源：《智能工艺设计》 本文经授权转载发表
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《1.智能流程设计的基本概念和内涵》
1）智能流程设计的基本概念
工艺设计是制造企业技术部门的主要工作之一。其质量和设计效率对生产组织、产品质量、产品成本、生产率、生产周期等影响很大。工艺设计是典型的复杂问题。它包括分析、选择、规划、优化等不同性质的各种功能需求。涉及的知识信息量相当大，与具体的生产环境密切相关，如空气湿度、环境温度、设备自动化程度密切相关，而且也严重依赖经验知识。工艺设计（图1）的含义可以概括为：在制定工艺计划时考虑所有条件/约束的决策过程，涉及多种不同的决策； 将制造工艺知识与车间或工厂制造资源的约束相结合，结合具体设计、编制具体操作说明书的活动； 连接产品设计与制造的桥梁。
图1工艺规划的基本意义——设计与制造之间的桥梁和纽带
计算机辅助工艺规划（CAPP）是工匠应用信息技术、计算机技术和智能技术，将企业的产品设计数据转化为产品制造数据的技术。其主要特点是：可以帮助工艺设计人员减少大量繁琐的重复性工作，将主要精力投入到新产品、新技术、新工艺的研发上；它可以增强流程的继承性，最大限度地利用现有资源。这反过来又降低了生产成本；它可以让没有太多经验的工艺规划人员完成高质量的工艺规划，从而减轻制造业繁重的设计任务。
随着计算机软硬件技术的不断成熟，计算机辅助工艺规划的理论和方法发生了质的飞跃。将人工智能理论应用于计算机辅助工艺规划是新近发展的研究热点之一，也是工艺设计现代化的发展趋势。不仅将人工智能领域的研究成果移植到计算机辅助工艺规划中，而且拓展了人工智能的应用领域，使两者完美结合，促进共同发展。
智能工艺设计在传统CAPP定义的基础上需要完全包括两个方面。一、流程设计流程明确、精简、模块化；其次，流程设计活动智能化、闭环化。结合传统计算机辅助设计的理念，智能工艺设计的概念可以概括为：利用智能传感、云计算、大数据处理、互联网等技术，数字化地创建工艺设计过程的虚拟实体。物联网实现对过程设计数据和知识的历史和实时感知，借助计算机软硬件技术和支撑环境，通过数值计算、逻辑判断、模拟和推理功能来模拟、验证、预测、做出决策并控制设计过程，从而实现零件从毛坯到毛坯成型从成品到“数据感知-实时分析-智能决策-精准执行”的整个设计过程闭环，最终实现智能化、实时化、明确、精简、模块化、闭环流程设计。
2）智能流程设计的内涵
在机械制造领域，计算机技术的应用十分普遍。在发展和进步的过程中，原本相互独立存在的计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）逐渐融合。两者之间进行计算机辅助工艺规划。产生于有效整合的过程。传统的计算机辅助工艺规划技术具有以下功能：第一，将有效的设计参数输入计算机；其次，确定机械制造过程中所采用的工艺流程、基本工序及相关设备；三、明确机械制造中的切削用量；第四，计算机械制造的资金投入和使用时间；第五，展示相关设计数据等。智能工艺设计是“传统的基于经验的设计模式”向“基于建模和仿真的科学设计模式”转变的结果。虚拟样机技术与系统仿真方法相结合，不仅可以充分发挥仿真工具的预测能力，而且可以将工匠的经验融入到仿真过程中，开展工艺设计过程中的各种仿真分析活动。
智能流程设计以实现流程数字化、生产柔性化、流程可视化、信息集成、决策自主化为核心目标。围绕智能装备、智能设计、智能制造以及基于物联网的数据集成平台进行工艺设计。其基本功能系统和技术可表示为：
(1)控制模块。控制模块是系统主控模块，负责集成系统的其他模块，为系统提供外部访问接口，完成各模块之间的有效通信和信息传递。
(2)产品数据管理模块。零件信息的输入一般包括基本尺寸、几何拓扑信息、材料元素和技术要求信息。
(3)工艺设计模块。流程设计是系统的核心模块，主要完成基于案例推理的流程设计，包括零件特征编码、流程实例库检索、相似流程修改的提取以及编辑功能。在工艺设计过程中，系统可以随时调用资源库，查询机床、夹具、刀具、量具等数据库信息，从而快速获得满足加工要求、适应工艺要求的工艺设计结果。实际生产量以公司现有资源为准。
(4)工艺流程智能决策优化。流程决策包括生成流程卡、计算流程间维度、生成流程图；设计工艺步骤内容，确定切削用量，提供形成数控加工控制指令所需的刀位文件；设计工艺参数，基于智能算法提供最优工艺参数。
(5)进程管理模块。将准备好的工艺提交审查是确保投入生产的工艺信息适当的有效机制。实施在线工艺评审是智能工艺设计的重要组成部分之一。通常流程审核分为审核、标准化、会签和批准四个步骤，由不同的用户完成。
(6)流程文件管理及输出模块。智能工艺设计的最终目标是获得能够指导工业生产的工艺文件。因此，工艺文件输出是智能工艺设计中不可缺少的一部分。由于工艺文件主要是工艺流程卡、工艺卡和工艺步骤卡，因此选择或定制合适的报表输出工具就是工艺文件输出部分的功能。
《2.智能化工艺设计需求》
1）智能流程设计需求分析
工艺设计是产品研发的重要组成部分，是产品设计与生产的纽带。它生成的工艺文件是指导生产过程、制定生产计划的重要依据。工艺设计对企业协调生产、保证产品质量、降低生产成本、提高产品生产率、缩短生产时间等具有重要影响，因此工艺设计是制造业的一项重要工作。
流程设计需要分析和处理大量数据。不仅要考虑所设计零件的结构形状、材料、尺寸、产量等数据，而且还要了解制造过程中的加工方法、加工设备、制造条件、加工成本等数据。这些过程数据之间的关系错综复杂。工匠们在设计工艺方案时，必须对这些工艺数据进行全面、细致的分析和处理。长期以来，工艺方案设计方法依靠工艺工程师多年来在企业生产活动中积累的技术和经验，以手工设计的方式进行。工艺方案的质量基本上取决于工艺工程师本身的水平。重复性和多样性问题在流程设计中很常见。随着制造业进入信息化和知识经济时代，机械零部件产品的生产现在以多品种、小批量生产为主。传统的工艺设计方法远远不能满足当前行业发展的需求。这具体体现在：
(1)依靠手工流程设计，劳动强度很大，效率极低，主观性很强。据有关统计，机械零件有70%80%相似，相似零件的工艺路线也有一定的相似性。流程设计中有效的实际工作可能只占总工作时间的8%左右。有很多公司花在计算和复制流程数据上的重复时间约占流程准备的55%。在工艺方案的设计过程中，工艺工程师需要花费大量的工作时间来重复抄写工艺参数、工艺内容、工艺数据汇总等，这增加了工艺工程师的工作量，让他们没有空闲时间制定工艺计划。优化等创造性工作延长了工艺设计时间，从而影响整个产品生产周期。手工工艺设计很难优化和标准化解决方案，并且很容易造成人力、设备、能源等资源的浪费，增加产品制造成本。
(2)产品的可制造性评估困难，工艺设计和验证手段落后。大多数制造企业仍然使用带有文字描述的二维工艺卡来设计工艺计划。设计工艺方案时，很难直观地了解现有工艺设备和设备的状况。工艺设计无法进行仿真分析，工艺方案分析困难。评估现有的工艺计划，并将工艺信息存储在纸卡上。纸质材料难以储存、容易丢失、难以大规模传播和再利用。
(3)缺乏对过程数据的有效管理。传统的流程设计采用纸质归档，这使得现有流程数据难以重用和有效管理。如何提取原始工艺文档中的典型工艺，更有效地利用工艺数据资源，更好地传承公司多年来积累的工艺？经验是一个亟待解决的重要问题。工艺工程师的知识和经验积累相对缓慢，企业技术人员流动性大。工程师离职或退休后，在工艺制定工作中积累的知识和经验无法得到很好的保存。公司新进的工艺工程师需要从零开始学习工艺知识和经验，这在一定程度上造成了公司知识资源的巨大流失。
（四）信息化程度低，不利于制造业信息化建设。随着CAD、CAM、计算机辅助夹具设计（CAFD）、企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）、计算机辅助质量（CAQ）等计算机辅助软件的应用，企业之间的信息化通过计算机信息技术进行传输。但流程设计仍采用落后的手工作业，流程信息仍以纸质文档形式存储，严重阻碍了企业各部门之间的信息交流，从而影响企业信息化建设的进程和工作效率。
随着CAPP的广泛应用，大量实例表明，实施智能工艺设计可以带来显着的效益。在对22 家使用生成式流程设计系统的大大小小的公司进行的详细调查中发现，采用该系统可以降低58% 的成本。工艺规划工作，10%的人工、4%的材料、10%的废物等等，智能工艺设计逐渐成为研究的热点。企业对智能流程设计系统的功能需求主要集中在以下几个方面，如图2所示。
图2企业对智能流程设计系统功能需求示意图
2）智能流程设计模型分析
智能流程设计应在工具化、工程化、集成化、网络化、知识化、智能化、柔性化、标准化等方面进一步发展，为企业信息化建设奠定更加坚实可靠的基础。
(1)工具化和工程化。智能流程设计系统强调工具和工程，以提高系统在企业中的多功能性。将整个系统分解为多个相对独立的开发工具，针对制造和管理环境进行系统二次开发，将各种专业功能的子系统集成在统一的平台上。
(2)集成化、网络化。智能工艺设计系统实现CAD/CAPP/CAM的全面集成，设计数据的双向信息交换和传输；实现与生产计划排程系统的有效集成；并与质量控制体系建立内在联系。实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。
(3) 知识渊博、聪明才智。基于复合智能系统、专家系统、人工神经网络技术和模糊推理技术的发展和应用，智能设计系统能够进行多层次的自学习和自适应，进一步将工艺设计数据转化为先进制造知识，进一步实现流程智能化设计。
(4)灵活性和标准化。现代智能流程设计系统以交互设计为基础，体现柔性设计；以工艺知识库为核心，实现产品工艺设计和管理的灵活性；以产品为核心，以工艺路线为基础，按工艺路线安排工序。工作流程标准化设计过程。
(5)互动、递进。现代智能工艺设计为工艺设计者提供了基于工艺知识和判断的交互式输入输出界面，为企业管理层提供了可视化管理平台，逐步推动智能制造的发展。
《3.智能流程设计的发展与演变》
新一代信息技术正在加速智能制造发展。 3C电子行业面临小批量多品种、市场变化快、大规模定制等问题。必须加入智能制造创新行列。智能制造是当今时代的发展趋势，而工艺设计作为制造业的重要组成部分，直接连接产品设计和生产。实现智能化流程设计将大大提高企业的竞争力。智能工艺设计的发展以CAPP的发展为基础，逐步将基于机器学习的人工智能算法与数字孪生技术相结合，实现工艺设计的智能化，减少甚至消除人为因素的影响，提高效率和质量的工艺设计。
1）智能流程设计技术的发展历史
计算机辅助工艺规划的发展始于20世纪60年代末，如图3所示。Niebel于1965年首次提出CAPP思想。CAPP起源于成组技术（GT）在工艺设计中的应用，现已成为工艺设计的组成部分。计算机辅助制造和计算机集成制造系统。随着机械制造生产技术的发展和当今市场对多品种、小批量生产的要求，特别是CAD、CAM系统向集成化、网络化、可视化方向发展，计算机辅助工艺规划日益受到重视。世界上第一个研究CAPP的国家是挪威，该国于1969年正式推出世界上第一套CAPP系统AUTOPROS，并于1973年推出商业化的AUTOPROS系统。CAPP发展史上的一个里程碑是2007年推出的CAM-I’S自动化工艺规划系统。 1976 年由总部位于美国的国际标准组织CAM-I 制定。根据其缩写，它被称为CAPP系统。
图3智能工艺设计技术发展历程
我国对CAPP系统的研究始于20世纪70年代末。国内最早开发的CAPP系统是同济大学的TOJICAPP修订系统和西北工业大学的CAOS生成系统。后来的代表有清华大学开发的THCAPP系统、北京航空航天大学开发的EXCAPP系统、西北工业大学开发的GNCAPP系统、南京航空航天大学开发的NHCAPP系统等均于2017年完成。 20世纪80年代初。到目前为止，国内学术会议和期刊上发表的CAPP系统已有50多个，但真正被工厂企业正式使用的只有少数，真正商业化的CAPP系统并不多。
多年来，国内外对CAPP技术进行了大量的探讨、研究和实施。 CAPP系统已针对对象，从早期针对某类特定零件，如回转体、箱体、支架等，发展到针对各类零件。部分。已从基于零部件的局部应用扩展到针对整个产品的综合应用。
自CAPP技术出现以来，其研究开发工作在国内外蓬勃发展。但由于技术限制以及流程的个性化、多样化，以往的CAPP系统应用范围较窄，只能适用于某个企业的某些部分。没有更好的通用解决方案。直到20世纪末工具化思维的出现，才出现了一批实用化、商业化的CAPP系统，使CAPP系统发展到了实质性的应用阶段。
随着智能技术的发展，除了传统工艺规划问题的CAPP系统外，表达具体工艺问题知识、工艺决策优化和三维仿真等设计问题的智能工艺系统也逐渐进入大家的领域。想象。然而，尽管付出了巨大的努力，流程设计的任务尚未完全自动化，仍然依赖于人类的经验和知识。
新一代信息技术赋予智能制造日益强大的认知和学习能力，极大地改变了人与机器的边界。理想的智能过程设计系统采用智能感知、模拟、理解、预测、优化和控制策略。支持自主制造，它将能够收集技术专家的经验和知识，并能够根据加工过程的实时数据和工作历史进行适应和自学习。将工艺规划嵌入到数字孪生制造单元中，不仅可以增强制造单元上游和设计阶段的连通性，还可以增强工艺规划和制造阶段下游的连通性。随着智能工艺设计研究的发展，现在智能的目标和技术手段与以前不同，更加强调效率和实时性。
2）智能流程设计技术的演变
从我国智能工艺设计体系的发展历程来看，智能工艺设计经历了以下演变过程：
(1)基于自动化思想的工艺设计专用系统。从1982年开始的很长一段时间里，最初的智能工艺设计系统一直以代替工匠的劳动实现工艺设计自动化为目标，即基于自动化思想的专用智能工艺设计系统。强调过程决策的自动化，开发了多种变体、生成式和混合型CAPP系统，可以自动或半自动编译过程程序。该系统实用性和通用性较差，应用受到很大限制，难以实现商业化。
(2)基于流程管理思想的流程设计工具系统。 1995年以来，产生了基于流程管理思想的智能流程设计工具系统。该系统在实用性、通用性和商业化方面取得了突破性进展。智能流程设计工具系统以客户需求分析为基础，以解决流程设计中的事务性和管理性工作为首要目标。它可以利用计算机辅助方法自动完成流程设计中的数据查找、表格填写、数据计算和分类汇总等繁琐、重复性的工作。
(3)基于数据管理的综合CAPP系统和智能工艺系统。 1999年以来，出现了面向产品的综合CAPP系统和以过程数据为核心的智能过程设计系统。此类系统是集流程设计和信息管理于一体的交互式计算机应用系统。它集成检索、修改、创建等流程决策混合技术和人工智能技术，实现人机混合智能。人、技术、管理的融合逐步实现工艺设计的自动化。
(4)基于实时动态设计的智能工艺设计系统。随着2011年数字孪生概念的提出，加工工艺设计流程开始引入实现模型（As-build模型，工件的加工状态模型）的概念，以及数字孪生的三维工艺设计。从系统构建的角度对孪生环境进行了研究。技术上，提出了一种基于实现模型的实时流程设计方法，为基于数字孪生的流程设计提供了新思路，可以实现流程设计过程中的实时决策和离线分析优化，驱动并引领计算机辅助工艺规划的智能化。发展。
3）智能工艺设计系统开发
随着智能流程设计需求的加深，智能流程系统也进入了研究人员的视野。大约从20世纪末开始，智能流程设计系统的发展就从未停止过。它是人工智能技术在流程设计领域应用的结果。已开发出各种类型的智能工艺设计系统。
(1)基于人工神经网络的CAPP系统。人工神经网络（ANN）技术最吸引人的特点是它的自学习能力和容错能力。通过样本训练，ANN可以自动获取知识；通过知识的分布式存储和并行处理，ANN具有很强的容错能力。有效弥补专家系统的“窄步效应”。然而，使用ANN来模拟流程设计决策过程也存在根本缺陷。例如，ANN的性能很大程度上受到所选训练样本的限制，样本的质量直接决定系统的性能； ANN 表达和处理的知识都是隐式的。用户只能看到输入和输出，而无法理解其间的推理过程。因此，对于流程设计，ANN只能模拟一些具有直接对应（因果）关系的简单决策活动。
(2)基于案例推理的CAPP系统。基于案例推理的CAPP技术是人工智能技术中类比问题解决方法在工艺设计中的应用，也可以看作是衍生的CAPP技术的进一步发展。例子是对流程设计知识的综合描述，不仅包括问题的解决结果，还包括问题的解决条件。与人类流程设计知识的记忆结构非常一致。因此，实例知识的获取比规则知识的获取更好。更容易获得。基于案例的推理重用了过去的解决方案结果，而不是从头开始推导，具有更高的解决问题效率和实用性。基于案例推理的CAPP技术已经被许多学者研究。
(3)基于知识的智能流程系统。知识工程的各种知识表达和推理技术极大地丰富和拓宽了传统生成过程系统的知识表达和处理能力，使得专家系统能够处理一些更为复杂的过程决策问题，有些专家系统已接近实用。然而，随着研究和应用的不断深入，专家系统传统知识表示和推理技术的一些固有缺陷逐渐暴露出来：如知识获取的瓶颈、系统性能的“窄步效应”、难以处理模糊和非标准化的知识。单调和常识等问题的局限性。
许多早期情报研究都是基于专家系统。在流程决策模块中，采用计算模块插件格式作为专家系统工具，将基于规则的知识表示语言与流程前缀相结合，然后利用产生式规则构建知识库，并采用演绎法推理。一类推理机理论上实现了一系列流程决策。事实上，这只是为智能过程系统的早期研究提供了思路。基于当时的软硬件条件，没有涉及人工智能算法，也没有搭建起实用的智能系统。
(4)基于分布式人工智能的流程设计系统。大多数人类活动都涉及社会群体，解决大型复杂问题需要多个专业人员或组织的协作。随着计算机网络、计算机通信和并行编程技术的发展，此类技术逐渐成为新的研究热点。 21世纪初，以人工智能技术为代表的工艺设计越来越受到研究者的关注，并可能成为下一代智能工艺设计系统软件开发的重要突破点。构建包括CAPP系统和智能工艺系统在内的分布式智能工艺设计系统，可以克服原有集中式知识系统的弱点，大大提高系统的性能，包括问题解决能力、求解效率，降低问题的复杂度。系统。
（五）其他智能技术和算法的应用。模糊推理技术、进化计算技术、粒子计算理论等也在工艺设计中得到了不同程度的应用。同时，遗传算法、蚁群算法等智能算法的应用正在扩展智能工艺设计系统的信息处理能力，提高系统性能。发挥了积极作用。产品数字孪生技术通过不断积累产品设计、制造、检验全生命周期过程的相关数据和知识，实现网络空间和物理空间的虚实映射，为计算机辅助工艺规划技术和产品的发展提供支撑。瓶颈问题的解决。提供了有效的途径。
转载自公众号：PLM大神
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