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工艺设计是造作类企业技术部门的重要工作之一，其质量的曲直及设计效能的凹凸，对出产组织、产品质量、产品成本、出产率、出产周期蹬仔着极大的影响。工艺设计是典型的复杂问题，它蕴含了分析、选择、规划、优化等分歧性质的各类职能要求，所涉及的知识和信息量相当重大，与具体的出产环境，好比空气湿度、环境温度、设备自动化水平蹬仔亲昵关联，并且还严沉依赖经验知识。工艺设计的涵义（图1）能够概括如下：①思考造订工艺打算中的所有前提/约束的决策过程，涉及各类分歧的决策
；②在车间或工厂内造作资源的限度下将造作工艺知识与具体设计相结合，筹备其具体操作注明的活动
；③衔接产品设计与造作的桥梁。

图1 工艺规划的根基涵义——设计与造作的桥梁与纽带

推算机辅助工艺规划（CAPP）是工演员员利用信息技术、推算机技术及智能化技术，把企业的产品设计数据转化为产品造作数据的一种技术。其重要特点有：可能援手工艺设计人员削减大量繁琐的沉复劳动，把重要精力投向新产品、新技术和新工艺的研发上面
；可能加强工艺的继承性，能够实现现有资源利用的最大化，进而削减出产成本
；可能让并没有好多经验的工艺规划师实现出高质量的工艺规划，实现缓解造作业设计工作繁沉的主张。

随着推算机软硬件技术的不休成熟，推算机辅助工艺规划的理论与步骤已产生了质的飞跃。将人为智能理论利用于推算机辅助工艺规划是新近发展起来的钻研热点之一，也是工艺设计现代化的发展趋向。它不仅把人为智能领域中的钻研成就移植到推算机辅助工艺规划中，并且也扩大了人为智能的利用领域，使两者得到美满结合，推进共同发展。

智能工艺设计在传统CAPP界说的基础上需齐全蕴含两个方面内容，一是工艺设计流程显性化、流程化和
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；二是工艺设计活动智能化、关环化。结合传统推算机辅助设计的概想，智能工艺设计的概想能够被概括为：以数字化方式创建工艺设计过程的虚构实体，利用智能传赣注云推算、大数据处置及物联网等技术来实现汗青及实时工艺设计数据与知识的感知，借助于推算机软、硬件技术和支持环境，通过数值推算、逻辑判断、仿真和推理等的职能来仿照、验证、预测、决策、节造设计过程，从而形成零件从毛坯到制品整个设计过程“数据感知-实时辰析-智能决策-精准执杏妆的关环，最终实现工艺设计的智能化、实时化、显性化、流程化、
？榛凸鼗坊。

2）智能工艺设计的内涵

在机械造作领域中，推算机技术的使用十吩煺遍，在发展进取的过程中，正本相互独立存在的推算机辅助设计（CAD）与推算机辅助造作（CAM）逐步融合，推算机辅助工艺规划就是在两者进行有效融合的过程中出现的。传统的推算机辅助工艺规划技术拥有以下职能：第一，在推算机中输入有效设计参数
；第二，对机械造作过程中利用的工艺流程、根基工序和使用的有关用具等进行确定
；第三，明确机械造作中的切削用量
；第四，对机械造作资金投入量以及使用的功夫进行推算
；第五，对有关设计数据进行展示等。智能工艺设计是“传统的以经验为主的设计模式”向“基于建模和仿真的科学设计模式”的转变了局。虚构样机技术与系统仿真步骤相结合，既能够阐扬仿真工具的预测能力，也能够将工演员员的经验融合到仿真过程中，进行工艺设计过程中的各类仿真分析活动。

智能工艺设计以实现工艺数字化、出产柔性化、过程可视化、信息集成化、决策自主化为主题指标，萦绕基于物联网的智能化设备、智能化设计、智能化造作与数据集成平台来进行工艺设计，其根基职能系统与技术能够暗示为：

（1）节造
？
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？，掌管整合系统其他
？，提供系统对表接见界面，实现信息在各个
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（2）产品数据治理
？。零件信息的输入通常蕴含根基尺寸、几何拓扑信息、资料身分和技术要求信息等。

（3）工艺设计
？。工艺设计是系统的主题
？，重要实现基于事俘推理的工艺设计，蕴含零件特点编码、工艺事俘库检索、提取类似工艺批改和编纂的职能。在工艺设计过程中，系统能够随时挪用资源库来查问机床设备、工装夹具、刀具、量具等数据库信息，便于结合企业现有资源情况急剧得到切合加工要求和适应现实出产的工艺设计了局。

（4）工艺过程智慧决策优化。工艺过程决策蕴含天生工序卡，对工序间尺寸进行推算，天生工序图
；对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工节造指令所需的刀位文件
；对工艺参数进行设计，基于智能算法，提供最优的工艺参数。

（5）工艺过程治理
？。把假造好的工艺提交审阅是保障投入出产中的工艺信息适当的有效机造，实此刻线工艺审阅是智能工艺设计的沉要部门之一。通常工艺审阅分为四个步骤，审核、尺度化、会签和核准，别离由分歧的用户实现。

（6）工艺文件治理和输出
？。智能工艺设计的最终主张是得到能够领导工业出产的工艺文件，因而，工艺文件输出是智能工艺设计的不成短缺的部门。由于工艺文件重要是工艺流程卡、工序卡和工步卡，因而，选用或者定造相宜的报表输出工具是工艺文件输出板块的职能。

「 2. 智能工艺设计的需要 」

1）智能工艺设计需要分析

工艺设计是产品研发的沉要环节，是衔接产品设计与出产造作的纽带。它所天生的工艺文件是领导出产过程及造订出产打算的沉要凭据。工艺设计对企业协调出产、保障产品的质量、降低出产的成本、提高产品的出产率、缩短出产的功夫等都有沉要的影响，因而工艺设计是出产造作中的沉要工作。

工艺设计必要分析及处置相当多的数据，不仅要思考设计零件的结构状态、资料、尺寸、出产等数据，又要相识造作过程中的加工步骤、加工设备、造作前提、加工成本等数据。这些工艺数据之间的关系盘根错节，在工演员员设计工艺规划时，必须全面而全面地对这些工艺数据进行分析及处置。一向以来，工艺规划设计步骤都是依附工艺工程师终年在企业出产活动中堆集的技术及经验，以手工设计的方式进行，工艺规划的曲直根基取决于工艺工程师自身水平。工艺规划设计中普遍存在沉复性和多样性的问题。随着造作业进入信息化及知识经济的时期，此刻机械零件产品的出产以多种类幼批量出产为主导，传统的工艺设计步骤已经远不能适应此刻行业发展的必要，具体表此刻：

（1）依附手工进行工艺设计劳动强度极度大，效能极其低，主观矫捷性大。据有关资料统计，机械零件有70%~80%的类似性，类似零件的工艺路线也有肯定的一样之处，工艺设计中有效的现实工作可能只占工作总功夫的8%左右，有好多的企业用在工艺数据的推算、缮写等沉复性功夫约莫占到了工艺筹备的55%。工艺工程师在工艺规划设计过程中，必要把大量的工作功夫破费在工艺参数、工序内容、工艺数据的汇总等沉复性缮写上，增长了工艺工程师的工作量，使他们不足有余功夫进行工艺规划的优化等创造性工作，耽搁了工艺设计的功夫，从而影响了整个产品出产的周期。手工工艺设计难以做到规划最优化、尺度化，容易造成人力、设备、能源等资源的浪费，增长产品的造作成本。

（2）产品的可造作性难以评估，工艺设计及验证伎俩落后。大部门造作企业依然利用的是以文字性描述的二维工艺卡片来进行工艺规划设计，工艺规划设计时难以直观的相识现有工艺设备及设备的情况，工艺设计无法进行仿真分析，很难对现有工艺规划进行评价，工艺信息存储在纸质卡片上，纸质资料不易存储，并且容易迷失，难以在大领域内传布、沉用。

（3）不足对工艺数据进行有效治理。传统的工艺设计选取纸质存档，很难对已有的工艺数据进行沉用及有效治理，若何提炼原有工艺文件中的典型工艺，更有效地利用工艺数据资源，更好传承公司终年堆集的工艺经验，都是急需解决的沉要问题。工艺工程师的知识和经验堆集起来相对较慢，企业的技术人员又有较大的流动性，在他们去职或退休后，工程师在工艺造订工作中堆集的知识及经验，不能很好地保留下来，企业新入职的工艺工程师必要从新起头进建工艺知识及经验，在肯定水平上造成了企业知识资源的巨大损失。

（4）信息化水平低，不利于造作业信息化的建设。随着CAD、CAM、推算机辅助夹具设计（CAFD）、企业资源打算（ERP）、造作执行系统（MES）、推算机辅助质量（CAQ）等推算机辅助软件的利用，企业之间的信息都通过推算机信息技术进行传递。然而工艺设计依然选取落后的手工作业，工艺信息依然存储在纸质文件之上，严沉故障了企业各部门之间的信息互换，进而影响了企业信息化建设的过程及工作效能。

随着CAPP的宽泛利用，大量的事俘批注，执行智能工艺设计可带来沉大收益，在对使用天生型工艺设计系统的22个大幼型公司进行的具体调查中，选取该系统能够削减58%的工艺流程规划工作、10%的劳动者、4%的资料、10%的废料等，智能工艺设计逐步成为人们钻研的热点课题。企业对智能工艺设计系统职能的需要重要集中在如下几个方面，如图2所示。

图2 企业对智能工艺设计系统职能的需要示意图

2）智能工艺设计模型分析

智能工艺设计应朝工具化、工程化、集成化、网络化、知识化、智能化、柔性化、规范化等方面进一步发展，以使企业信息化建设的基础打得更坚实、更可靠。

（1）工具化和工程化。智能工艺设计系统强调工具化和工程化，以此提高系统在企业的通用性。将整体系统分化为多个相对独立的工具进行开发，面向造作和治理环境做系统二次开发，并将拥有各专项职能的子系统集成在一个统一平台上。

（2）集成化和网络化。智能工艺设计系统实现CAD/CAPP/CAM的全面集成，设计数据双向信息互换与传送
；实现与出产打算、调度系统的有效集成
；成立与质量节造系统的内涵联系。实现推算资源、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）知识化和智能化
；诟春现悄芟低场⒆蚁低场⑷宋窬缂际鹾屯掏峦评砑际醯姆⒄购屠，智能设计系统能够进行各类档次的自进建和自适应，将工艺设计数据进一步转变为先进造作知识，进一步实现工艺设计智能化。

（4）柔性化和规范化。现代智能工艺设计系统以交互式设计为基础，体现柔性设计
；以工艺知识库为主题，面向产品实现工艺设计与治理的柔性化
；以产品为主题，以工艺路线为凭据，凭据工艺路线铺排工艺工作的流程，实现设计过程的规范化。

（5）交互式和渐进式。现代智能工艺设计面向工艺设计人员提供基于工艺知识和判断的交互式输入输出界面，同时为企业治理层提供可视化治理平台，渐进式地推动智能造作的发展过程。

「 3. 智能工艺设计发展演化 」

新一代信息技术在加快智能造作发展，3C电子行业面对幼批量多种类、市场变动快及大规模定造等难题，必必要参与智能造作创新行列。智能造作是当今时期发展趋向，而工艺设计作为造作业的沉要一环更是直接衔接着产品设计与出产。实现智能工艺设计，将大大提高企业竞争力。智能工艺设计的发展是在CAPP发展基础上，逐步结合以机械进建为主的人为智能算法，结合数字孪生技术，实现工艺设计的智能化以削减甚至排除人为成分影响，提高工艺设计的效能与质量。

1）智能工艺设计技术的发展过程

推算机辅助工艺规划的开发是从20世纪60年代末起头的，如图3所示。1965年Niebel初次提出CAPP思想。CAPP源于成组技术（GT）在工艺设计中的利用，目前已是推算机辅助造作与推算机集成造作系统的一个组成部门。随着机械造作出产技术的发展和当今市场对多种类、幼批量出产的要求，出格是CAD、CAM系统向集成化、网络化、可视化方向发展，推算机辅助工艺规划也就日益为人们所器沉。世界上最早钻研CAPP的国度是挪威，于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS，1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。在CAPP发展史上拥有里程碑意思的是设在美国的国际尺度性组织CAM-I于1976年推出的CAM-I’SAutomated Process Planning系统，取其首字母，称为CAPP系统。

图3 智能工艺设计技术发展过程

我国钻研CAPP系统始于70年代末，国内最早开发的CAPP系统是同济大学的TOJICAPP订正式系统和西北工业大学的CAOS天生式系统，之后拥有代表性的有清华大学开发的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，漯河航空航天大学开发的NHCAPP系统等，其实现功夫都在80年代初。迄今为止，在国内学术会议、刊物上颁发的CAPP系统已超过50个，但被工厂、企业正式利用的只是少数，真正形成商品化的CAPP系统还不多。

多年以来，国内表对CAPP技术进行了大量的探求与钻研到执行，CAPP系统针对对象，从早期的针对某一类特定零件，如回转体、箱体类、支架类零件扩大到各个类此外零部件。从零部件为主体的部门利用扩大到以整个产品为对象的全面利用。

CAPP技术自出现以来，其研发工作一向在国内表蓬勃发展。但由于技术的限度和工艺的个性化、多样化，以往的CAPP系统利用面较窄，只能合用于某个企业的某种零件，没有比力好的通用解决规划。直到步入20世纪末工具化思想的出现，涌现出一批实用化、商品化的CAPP系统，才使CAPP系统发展到内容性的利用阶段。

随着智能化技术的发展，除了面向传统工艺规划问题的CAPP系统表，对具体工艺问题中知识的表白，工艺的决策优化及三维仿真等设计问题的智能工艺系统也起头逐步跨入各人的视野。然而，只管有这些巨大的致力，工艺设计的工作还不是齐全自动化的，依然依赖于人类的经验和知识。

随着新一代信息技术赋予智能造作越来越壮大的认知和进建能力，极大地扭转了人与机械的天堑，梦想的智能工艺设计系统通过智能感知、仿照、理解、预测、优化和节造战术支持自主造作，将可能网络技术专家的经验和知识，并且可能凭据加工过程实时数据和工作汗青进行自适应和自进建，将工艺规划嵌入数字孪生造作单元中，不仅能够加强造作单元上游与设计阶段的连通性，还能够加强工艺规划下游与造作阶段的连通性。随着智能工艺设计钻研的发展，此刻智能化的指标和技术伎俩跟以前相比都有所分歧，越发注沉效能和实时性。

2）智能工艺设计技术的演变过程

综合我国智能工艺设计系统的发展过程，智能工艺设计经历了以下的演变过程：

（1）基于自动化思想的工艺设计专用型系统。1982年至今相当长功夫内，初期智能工艺设计系统一向以包办工演员员的劳动实现工艺设计自动化为指标，即基于自动化思想的专用型智能工艺设计系统。强调工艺决策的自动化，开发出了若干种派生式(Variant)、创成式(Generative)以及综合式(Hybrid)的CAPP系统，能够自动或半自动假造工艺规程。该系统的实用性、通用性较差，因而其利用受到很大限度，难以实现商品化。

（2）基于工艺治理思想的工艺设计工具型系统。1995年至今，产生了基于工艺治理思想的智能工艺设计工具型系统。该系统在实用性、通用性和商品化等方面获得了突破性进展。智能工艺设计工具型系统在分析顾客需要基础上，以解决工艺设计上事务性、治理性工作为首要指标，能够使用推算机辅助步骤自动实现工艺设计中资料查找、表格填写、数据推算与分类汇总等繁琐而又沉复的工作。

（3）基于数据治理的综合化CAPP系统、智能化工艺系统。1999年以来，出现了面向产品的以工艺数据为主题的综合化CAPP系统、智能化工艺设计系统。该类系统是集工艺设计与信息治理为一体的交互式推算机利用系统，集成了检索、订正、创成等工艺决策混合技术及人为智能技术，实现了人机混合智能（human-machine hybrid intelligence）、人、技术与治理的集成，逐步实现了工艺设计的自动化。

（4）基于实时动态设计的智能工艺设计系统。随着2011年数字孪生概想的提出，机械加工工艺设计过程起头引入实作模型（As-buildmodel，工件的加工状态模型）的概想，从系统构建的角度钻研了面向数字孪生环境的三维工艺设计技术，提出了基于实作模型的实时工艺设计步骤，为基于数字孪生的工艺设计提供了新的思路，能够实现工艺设计过程中的实时决策和离线分析优化，驱动和引领推算机辅助工艺规划的智能化发展。

3）智能工艺设计系统的开发

随着工艺设计智能化需要的加深，智能工艺系统也随之步入钻研者视野。大体从20世纪末起头至今，智能工艺设计系统的发展从未止步。它是人为智能技术在工艺设计领域中利用的了局。目前已经开发出了各种类型的智能工艺设计系统。

（1）基于人为神经网络的CAPP系统。人为神经网络（ANN）技术中最吸引人的特点是它的自进建能力和容错能力，通过样本训练，ANN能够自动获取知识
；通过知识的散布式存储和并行处置，ANN拥有较强的容错能力，有效地添补了专家系统的“窄台阶效应”。但是，用ANN来仿照工艺设计决策过程也有其底子性的缺点，如ANN的机能在很大水平上受到所选择的训练样本的限度，样本的曲直直接决定系统机能的曲直
；ANN的知识表白和处置都是隐性的，用户只能看到输入和输出，不能相识中央的推理过程。因而，对于工艺设计来说，ANN只能仿照一些拥有直接对应（因果）关系的单一决策活动。

（2）基于事俘推理的CAPP系统
；谑路评淼腃APP技术是人为智能技术中类比问题求解步骤在工艺设计中的利用，也能够当作是对派生式CAPP技术的进一步发展。事俘是对工艺设计知识的一种整体性描述，不仅蕴含问题的求解了局，并且蕴含问题的求解前提，与人类工艺设计知识的影象结构有很好的一致性，因而，事俘知识的获取比规定获取要容易得多。事俘推理是对从前求解了局的复用，而不是再次重新推导，拥有较高的问题求解效能和实用性
；谑路评淼腃APP技术得到了很多学者的钻研。

（3）基于知识的智能工艺系统。知识工程的多种知识表白和推理技术大大丰硕和拓宽了传统创成式工艺系统的知识表白和处置能力，使得专家系统能够处置一些较为复杂的工艺决策问题，一些专家系统已靠近实用。但是，随着钻研与利用的不休深刻，专家系统传统的知识暗示和推理技术所固有的一些缺点逐步露出出来：如知识获取的瓶颈、系统机能的“窄台阶效应”，以及在处置吞吐、非单和谐学问性等问题上的局限性。好多早期智能钻研都基于专家系统，在工艺决策
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？椴寮体式作为专家系统工具，把基于规定的知识暗示说话与过程语首结合起来，进而通过使用产生式规定构建知识库，选取演绎推理式的推理机，理论上实现了一系列的工艺决策。现实上，这只是为早期工艺系统智能化钻研提供了思路，基于其时软硬件前提，并未涉及人为智能算法，也没有建成实用性的智能系统。

（4）基于散布式人为智能工艺设计系统。人类活动多数涉及社会群体，大型复杂问题的求解必要多个专业人员或组织合作实现。随着推算机网络、推算机通讯和并行法式设计技术的发展，此类技术逐步成为一个新的钻研热点。21世纪初，以人为智能技术为代表的工艺设计越来越受到钻研者们的关注，可能会成为下一代智能工艺设计系统软件开发的沉要突破点。构建蕴含CAPP系统和智能工艺系统的散布式智能工艺设计系统能够克服原有集中式知识系统的弱点，极大地提高系统的机能，蕴含问题求解能力、求解效能，以及降低系统的复杂性。

（5）其他智能技术与算法的利用。吞吐推理技术、进化推算技术、粒子推算理论等也在工艺设计中分歧水平地得到了利用，同时遗传算法、蚁群算法等智能算法的利用在拓宽智能工艺设计系统信息处置能力、提高系统机能等方面起到了积极的作用。产品数字孪生技术通过不休持续堆集产品设计、造作和检验全性命周期过程的有关数据和知识，实现赛博（cyberspace）和物理空间的虚实映射，为推算机辅助工艺规划技术的发展和瓶颈问题的解决提供了有效的蹊径。

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