智能工艺

上海交大智邦科技有限公司

（一） 建设背景

当前，全球制造业向数字化、信息化、集成化和智能化方向演进。近年来，人工智能发展迅速，取得了长足的进步和重大的突破，初步形成了从基础支撑、核心技术到上层应用的完整产业链。我国自主产权的智能监控、工业机器人、无人驾驶汽车等智能科技成果已进入广泛的实际应用。目前，人工智能技术所引领的智能制造理念，正推动我国制造业进行着新一轮的革命。国内众多制造企业通过自主研发和智能装备引进等方式构建出了智能工厂和互联工厂，实现了技术突破，为当前的制造产业结构调整和升级提供了基础能力。

但同时，作为促使产品设计成果产出的中坚力量，工艺设计水平却没有得到同步提升。大多数企业还停留在传统 CAPP 系统的应用阶段。随着人工智能技术的发展，许多学者开始将人工智能技术应用在CAPP系统设计中，形成了智能型CAPP系统，例如南汉普顿大学开发的SIPPS系统、清华大学开发的THCAPP系统等。人工智能领域的模糊集理论和模糊逻辑在CAPP中具有一定应用，如将模糊决策用于分级工艺规划，用专家系统技术与模糊集理论的结合解决一些工艺决策的问题，将神经网络用在工序的选择，用神经网络对切削用量进行修正，将模糊逻辑对产生式规则进行拓展，遗传算法用在工序的排序等。此外，也有很多学者研究了CAPP知识发现获取问题、工艺知识挖掘问题。但是目前CAPP系统还是存在以下不足之处：

（1）亟待技术升级以适应三维CAD环境。随着制造业信息化进程的推进，三维CAD己经开始逐步取代二维CAD软件成为制造企业设计的产品的主要工具，二维CAPP软件己经远远不能满足现代制造企业的需求，三维CAPP已经成为未来发展的一个趋势。

（2）操作繁琐效率低。虽然很多学者进行了智能CAPP的研究，但是由于人工智能技术的局限性及工艺设计的复杂性，目前企业应用的CAPP系统以交互式为主，存在自动化程度低、操作过程繁琐、工作效率低等问题。

（3）工艺数据利用水平低。目前针对CAPP中工艺数据的研究，主要针对工艺数据的表达方式、工艺数据库的建立以及工艺数据的管理方面，以实现工艺数据的共享与重用为主要目的，对工艺数据的应用主要集中在零件工艺方案制定中，进行简单的人机交互进行检索查询，获取所需要的工艺数据。工艺数据的应用比较单一且效率不高。

（4）没有考虑工艺信息挖掘和知识提炼。随着CAPP系统在制造企业中的应用，企业积累了大量以Word文档、工序卡片、电子表格等电子文档形式的工艺数据，这些数据是企业工艺人员知识及经验的累积，包含着大量的工艺数据知识，如何从这些具有多种结构形式的数据资源中发现、获取及重用其中隐藏的工艺数据知识，目前CAPP系统的研究并未提出有效的解决办法。

因此，目前的CAPP智能系统，在工艺数据知识获取及更新过程中，特别依赖工艺工程师的技术水平。对于经验性较强的、复杂的、不确定性问题的推理的能力较差，智能化水平还比较低，还处于理论研究及简单应用阶段。由此所导致的工艺设计能力与智能制造能力不匹配的情况，已经成为了限制企业制造水平提升的突出短板之一。对制造企业推进智能化变革和技术升级造成了阻碍。

项目承担单位交大智邦近年来通过自主研发，在数字化、智能化制造领域取得了一系列技术成果，计划研究开发基于人工智能的云边协同智能工艺平台软件，旨在实现工艺智能规划，打通设计和制造的环节，在系统运行效率和智能化程度上取得突破性进展，实现工艺方案“一键生成”、产线效能“一键优化”，运行指令“一键下发”，构建工艺规划系统的新模式。初期成果在浙江鑫可等用户企业成功落地应用，获得了良好反响。

（二） 建设内容

针对目前CAPP系统操作繁杂、缺乏知识提炼和推理功能、自动化、智能化程度低的情况，通过工艺智能规划研究，开发一型云边协同人工智能工艺平台软件系统，实现加工工艺特征数字化提取、工艺路径的智能规划、加工刀具的自动选择、工艺参数的优化、工艺文件的自动输出等功能，实现不同工件加工特征的分类，建立工艺规划知识库，对多种加工工艺特征进行工艺规划映射，从而实现产品加工工艺规划方案“一键生成”。

平台整体框架设计详见图1。

图1 智能工艺规划系统整体框架

主要研发并实现以下相关技术及子系统：

• 产品几何制造信息三维标注及自动识取技术

虽然工艺人员能够接收设计人员建立的三维模型，但模型及模型上的PMI标注信息（尺寸、公差、基准、属性）却不能为工艺系统直接使用，仅仅用于查看，使模型及标注本身的价值大大降低。

通过开展产品几何制造信息三维标注及自动识取技术的研究，对基于模型的产品数字化定义（MBD）功能进行二次开发，建立信息自动识取平台，使产品三维模型中包含产品全部设计、制造信息，提高三维标注的效率及可读性，通过该平台，自动将PMI标注信息以指定的结构化形式输出到中间数据表文件中，产品的数据可直接传递给工艺设计端而无需进行传统的二维转换，保证了数据传递的一致性，有效解决传统工艺设计模中数据读取完全依赖工艺人员的问题，提高标注信息识取效率。

相关案例如图2、图3所示。

图2  产品制造信息三维标注示例

图3 产品特征制造信息示例

• 工艺路线自动编排技术

工艺路线自动编排系统是本项目研究的核心内容，将包括工艺知识库的建立、基于加工特征的加工工步智能推演、工艺自动排序及智能匹配等内容。具体技术路线为：系统接收到工件标注信息后，将基于工艺知识库中数据，首先推演出各特征所有可能的加工工步信息；随后进行工艺自动排序，将结合系统主数据（包括机床类型、夹具类型，可加工区域信息、最大刀具限制数量等）输入基础约束数据；同时基于加工基准及工艺尺寸链，对加工工步进行智能优化排列，生成以加工成本或加工节拍为优化目标的满足加工质量要求的工序求解方案。

• 智能程序自动生成技术

工艺编排完成后，基于工艺编排的结果，对每个特征或每组特征的刀具路径进行优化，并根据优化处理的路径生成NC程序，并直接下发至机床使用。

• 工艺文件自动生成技术

开展工艺文件自动生成技术研究，用于实现过程流程图，工艺参数表，控制计划，量检具清单等工艺文档自动生成。项目将建立工艺文件自动生成系统，获取加工工件三维模型文件，通过对三维模型中制造特征的识别和知识推理，得到各制造特征的加工方法，结合工艺知识数据库、结构化数据处理算法以及人机交互，快速生成面向零件的机加工工艺表单。

主要关键技术列表：

（三） 建设成效

通过建设数字化工艺智能规划平台，工艺编制效率提升80%，数据一致性提升100%，实现工艺设计全三维环境构建、工艺仿真验证、工艺文档自动生成、工艺知识积累重用。具体体现在以下几方面：

1）工艺设计全三维环境构建。延伸产品设计，引领产品制造，基于特征和知识驱动，为企业构建专业、实用的三维数字化工艺设计环境，形成结构化、可视化、集成化、实用化的工艺规划和管理系统，提高工艺设计的质量和效率。

2）工艺仿真验证。集成CAM，支持数控工艺，建立三维机加工艺的仿真验证环境，通过基于特征的刀路规划提高加工效率，用数字化手段验证零件的制造工艺，从而缩短工艺准备周期，提高工艺质量，以满足产品进度质量要求。

3）工艺文档“一键自动生成”。通过特征信息自动获取，特征加工方法多元化自动推理，加工过程参数自动调用，结合人工智能的全自动工艺编排，及数据结构化处理算法等技术手段，实现过程流程图，工艺参数表，控制计划，量检具清单等工艺文档“一键自动生成”。

4）工艺知识积累重用。建立企业级工艺知识库（加工方法库，工艺路线库，刀具数据库等）系统，支持各种静态、动态工艺知识存储与应用。通过三维机加设计平台实现工艺知识工艺的推理应用，一方面使得企业整体工艺水平得到稳定和提高，另一方面可以使工艺人员能够将更多的精力和时间用于从事工艺创新的工作。

5）基于微服务架构的云平台，搭建了企业服务的云平台，客户只需要上网便可使用数字化工艺智能规划平台的所有功能，无需安装任何三维环境，一切操作都在平台上进行，提高了工艺编排的便利性。

联系人：乔文俊

联系方式：18018849478