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1、第九章计算机协助工艺设计 第九章 计算机协助工艺设计9.1 概 述计算机协助工艺规程设计是随着计算机科学及技术的开展在20世纪60年头兴起的一种工艺规程设计技术。CAPP系统探讨开发始终是以克制传统工艺设计缺点和推动工艺设计自动化为主要目的的，目前正向设计及制造继承和智能化方向开展。在工业界推广应用CAPP系统产生了良好的社会和经济效益，特殊是20世纪80年头以来，随着CIMS日益受到人们的重视，CAPP系统作为CAD/CAM集成的关键性中间环节，CAPP系统探讨成为当今各国的探讨的重要内容之一。9.1.1 计算机协助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning
2、, CAPP)指在工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路途确定、工序设计等。如图所示CAPP系统功能模型。9.1.2工艺设计自动化的意义1、工艺规程设计的任务 工艺规程设计是工厂工艺部门的一项常常性的技术工作，是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件形式确定下来的工艺规程是后续工艺装备制造和零件加工的主要根据，它对组织消费、保证产品质量、进步消费率、降低本钱、缩短消费周期、改善劳动条件都有着干脆的影响，是消费中的关键性工作。 工艺规程设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工依次、工夹量具、以及切
3、削用量的计算等，使能按设计要求消费出合格的成品零件。2、传统的工艺规程设计方法 长期以来，传统的工艺规程设计始终是由工艺人员根据他们多年从事工厂消费活动而积累卡的阅历，以手工方式进展的。包括查阅资料和手册，进展工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文件等。其中花费在书写工艺文件上的时间占30%，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术程度和阅历。 由于工艺规程设计处于产品设计和制造之间的中间环节，传统的工艺设计方法要求工艺设计人员具有丰富的消费阅历，不仅要熟识产品设计方面的信息，还要理解有关制造方面的指示。要成为一名娴熟的工艺师，须要长时间阅历的积累，目前国内外都却犯这样娴熟的工艺设计人员
4、。而且由于每个工艺人员的阅历都带有肯定的主观因素，所以工艺编制的工艺规程往往因人而异，很难得到最佳的工艺规程。 目前手工工艺规程设计中，每个零件都要设计一个工艺规程，存在着大量重复劳动。根据成组技术原理，各种机械产品中的很多零件都在肯定程度上具有相像性，所以它们的工艺规程也具有肯定的相像性，而不是每一个零件都必需设计一个工艺规程。例如，美国辛辛那提工厂消费的425种齿轮类零件，原来须要377种不同的工艺规程，应用成组技术对齿轮共工艺规程进展细致分析后发觉只用71种标准工艺就可以消费全部425种零件。由此可见，消费的零件品种书和工艺规程数并不存在一一对应的关系。手工工艺设计存在着大量的重复工作，
5、不仅是一种奢侈，而且会影响整个企业的消费效率、经济效益和竞争实力。3、利用计算机进展工艺规程设计 计算机能有效地管理大量的数据，进展快速、精确的计算，进展各种方案的比拟、选择，能自动绘图和编制表格文件，这些功能恰恰适应了工艺规程设计的须要，于是出现了计算机协助工艺规程设计这样一种技术。CAPP不仅使工艺设计自动化，还能把CAD和CAM信息联机起来，实现CAD/CAM一体化，使集成制造技术的关键性中间环节。4、CAPP在CIMS中的重要作用 计算机集成制造系统被认为是将来机械制造工业的消费形式。CIMS的关键是信息的集成，而CAD和CAM的集成又是实现CIMS的关键之一。在CAD/CAPP/CA
6、M集成系统中，CAPP是连接CAD和CAM的桥梁和纽带。志向的CAPP系统可以干脆接收CAD系统的信息，进展工艺设计，生成工艺文件，并以工艺设计构造和零件信息为根据，仅过适当的侯志处理后，生成NC代码，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成。所以为推动CAD和CAM的真正继承，CAPP的探讨已成为CIMS中最迫切的的任务之一。 CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把消费理论中行之有效的若干工艺设计原则及方法转换成工艺决策模型，并建立科学的决策逻辑，从而编制出最优的制造方案。另外，CAPP是CAD及CAM之间的桥梁，是实现CAD/CAM一体化，建立CIMS的关键环节9.1.3CAPP技术的开展
7、 在机械制造领域内，工艺设计自动化是开展最迟的局部，NC技术、CAD技术早在20世纪5060年头已应用于理论，而工艺设计由于设计的因素很多，随机性很大，很难用简洁的数学模型进展理论分析，所以工艺设计长期处于手工操作、凭阅历办事、效率很低的状态。 世界上最早进展工艺设计自动化探讨的国家是挪威，他们从1966年开场研制，1969年，挪威工业公司开发AUTOPROS系统，是最早的CAPP系统。该系统以成组技术为根底把零件分类归并成族，制定出各零件族相应的典型工艺过程，根据每个零件的详细信息生成工艺规程，称为派生式CAPP。这类系统开发周期短、费用低、易于获得实效，适用于中小企业。美国在1976年推出
8、了具有里程碑意义的CAM-IS Automated Process Planning 系统（简称CAM-IS CAPP系统）。CAPP从20世纪60年头末研制，到目前虽只有30多年的历史，但已研制出很多的CAPP系统，而且有不少系统已投入消费理论运用，目前各国的CAPP系统主要用于回转体零件，其次为棱柱体零件和板块类零件，其他非回转体零件应用较少，而且多用于但见小批量消费类型。 20世纪70年头后期，创成式CAPP成为探讨重点。采纳肯定的逻辑算法，对输入的几何要素等信息进展处理，并确定加工要素，自动生成工艺规程。 20世纪80年头中期，创成式CAPP系统的探讨转向具有人工智能的专家系统方面，这
9、是CAPP将来的开展趋势。系统可以仿照工艺专家的逻辑思维方式，利用专家的学问对非确定性的工艺过程设计进展逻辑决策。目前，各国学者正致力于专家系统的好用化和工具化。 20世纪80年头起，我国一些高校和工厂在推广和应用成组技术的根底上，也开场探讨和开发计算机协助工艺规程设计系统。最早进展这项探讨工作的是同济高校，在1982年研制胜利了TOJICAPP系统， 并通过了原国家教委组织的鉴定，并于1985年在国际（CIRP国际消费工程学会）会议上正式发表。随后北京理工高校也研制出适用于车辆中回转体零件设计的BITCAPP系统，北京航空航天高校发表了BHCAPP系统，还有一些高校和工厂合作研制的CAPP系
10、统也相继获得胜利。1996年华中科技高校开目公司开场研制CAPP，1999年问世。目前，CAPP系统主要应用于零件的机械加工方面，但已渐渐向其它工艺领域扩展，如热处理、锻造、冲压和装配等，应用前景是广袤的。如今的CAPP系统主要用于回转体零件，其次为棱柱形零件和板块类零件。其他回转体零件也有应用。9.1.4 CAPP系统的效益及传统工艺设计方法相比，CAPP的优点是自不待言的。1、 有利于工艺规程的合理化、标准化和最优化 CAPP系统将工艺专家的集体才智交融到工艺规程设计的计算机软件中，使的工艺方案更趋于合理和优化，而且计算机自动处理工艺过程，其结果的一样性更好，避开了各个设计者的主观性，有利
11、于实现工艺规程的标准化。 2、 进步工艺规程的设计效率 CAPP系统可以充分发挥计算机高速、精确处理信息的实力，削减了手工抄写和绘制的工作量及错误，计算机自动生成的工艺文件简洁、统一，可读性好，因此大大进步了工艺人员的工作效率，加快了工艺规程设计的速度，缩短了消费打算时间。例如美国洛克希德-乔治亚飞机公司采纳CAPP技术后，工艺规程设计的书写工作量削减了75%，设计工艺规程的实力比以前手工进步了300%。 3、 可获得良好的经济效益 采纳CAPP系统后，可以削减工艺设计费用，降低制造本钱。据国外统计，采纳CAPP后，工艺设计劳动量削减了20%40% 工艺设计费用降低了2050%，总制造本钱降低
12、了9.6%。4、 有利于CAD/CAPP/CAM的集成 CAPP是连接CAD和CAM的桥梁和纽带，只有实现工艺设计的自动化，才能真正实现CAD/CAPP/CAM一体化。9.2CAPP系统的分类一个企业要应用CAPP，首先要由有阅历的工艺工程师进展工艺设计标准化工作，选出优化的工艺路途或生成工艺的决策逻辑，以及各种工艺参数，然后根据这些原始数据和其他要求开发的CAPP系统，所以用CAPP系统生成的工艺规程是企业工艺专家们的才智结晶。运用CAPP系统的工艺人员，并不要求他们具有丰富的工艺学问和阅历， 只要求他们能有肯定的工艺学问并会运用CAPP系统，就能输出符合要求的工艺规程。这样不仅可以弥补高级
13、工艺师的缺乏，而且能使大量有阅历的工艺师从繁琐的重复劳动中解放出来，去从事不断探讨新工艺、改良现有工艺的工作，促进企业的技术进步。 如今虽然商用CAPP系统有几十种，但就其工作原理而言，主要有四类，一是派生法CAPP系统，另一类是创成法CAPP系统、混合式和专家系统。9.2.1派生法CAPP系统如何让从事工艺设计时间较短的工艺人员利用计算机及CAPP系统进展工艺设计呢？必需解决两个主要问题：一是要实现零件图纸信息代码化，即让计算机可以理解零件的技术要求。二是要把工艺人员的阅历和技能系统化、理论化、代码化，即把工艺人员的加工实力学问库有规律地储存起来，须要是可用代码随时调用，以便工艺人员共享。1
14、、定义：该系统是根据成组技术的原理将零件划分为相像零件组，按零件组编制出标准工艺规程，并以文件的形式储存在计算机中。当要为新零件设计工艺规程时，输入该零件的成组技术代码，由计算机判别零件属于哪一个零件组，检索出该零件的组的标准工艺规程，再根据零件的构造形态特点、尺寸公差，进展编辑修改，以获得合适于该零件的工艺规程。通常调用标准工艺文件、确定加工依次、计算切削参数、加工时间或加工本钱都是由计算机自动进展的。2、工作原理 派生法将零件按成组技术的分类编码系统进展编码，用数字代码表示零件图纸的信息。根据成组技术中相像性原理。假如零件的构造形式相像，即它们的工艺规程也相像。对于每一个相像零件组，可以采
15、纳一个公共的制造方法，即标准工艺，它可以集中专家、工艺人员的集体才智和阅历。当为一个新零件设计工艺规程时，从计算机中检索出标准工艺文件，然后经过肯定的编辑和修改就可以得到该零件的工艺规程，所以派生法是工艺人员阅历的表达。3、派生法CAPP系统的研制过程1.零件编码5.建立工步代码文件2.零件分组6.建立切削数据文件3.设计零件组的复合零件7.设计各种功能子程序4.设计典型工艺规程8.CAPP系统总程序设计1） 零件编码零件编码的目的是将零件图上的信息代码化，使计算机易于识别和处理。常用的系统有Opitz、JLBM等系统、编码分为手工编码和计算机编码两种。手工编码是由编码人员根据编码法则，比照零
16、件图用手工方式编出各码位的代码。这种方式的效率低，劳动强度大，一样性差，简洁出错。计算机协助编码采纳人机对话的方式，由计算机提问，操作人员答复，对编码系统的理解和推断是由计算机软件自动完成的。这种系统明显优于人工编码。2） 零件分组零件组的划分是建立在零件特征相像性的根底上，分组时首先要确定相像性准则，即分组的根据。分组方法以编码分组法应用最广，编码分组法又分为特征数据法和特征矩阵法。3） 设计零件组的复合零件复合零件又称为主样件，它包括一组零件的全部形态要素，有肯定的尺寸范围，可以使实际存在的，也可以是假想的。以它作为样板零件，涉及适用于全组的通用工艺规程。4） 设计典型工艺规程标准工艺规程
17、应能满意该领进组全部零件的加工，并能反映工厂实际工艺程度。设计标准工艺规程时可采纳符合工艺路途法。即在分析零件组中零件的全部工艺路途后，选择其中一个工序最多，加工过程支配合理的零件工艺路途作为根本路途，然后把其他零件特有的、尚未包括在根本路途内的工序，按合理依次加到根本路途中去，构成代表零件组的复合工艺路途。5） 建立工步代码文件标准工艺规程时有各种加工工序组成的，一个工序又可分为多个操作工步，所以工步是工艺规程中最根本的组成要素。如车外圆，钻孔、铣平面等。标准工艺规程如何存储在计算机中，怎样随时调用，又怎样进展挑选、主要依靠工步代码文件。工步代码随所采纳的零件编码系统不同而异。6） 建立切削
18、数据文件切削数据包括：进给量、切削深度、切削速度。7） 设计各种功能子程序由于CAPP系统中要应用各种计算方式，为此需预先将各种计算公式和求解方法编成各种功能子程序，如切削参数的计算，加工余量、工序尺寸公差的计算、切削时间和加工费用的计算，工艺尺寸链的求解，切削用量的优化和工艺方案的优化等。8） CAPP系统总程序设计上述各项工作完成之后，用一个主程序把全部子程序连接起来，构成CAPP系统。9.2.2创成法CAPP系统1、定义：该系统不以原有的工艺规程为根底，而在计算机软件系统中搜集了大量的工艺数据和加工学问，并在此根底上建立一系列的决策逻辑，形成工艺数据库和加工学问库，在无需人工干预的状况下
19、，自动生成零件的工艺规程。目前的大局部CAPP系统属于派生法系统，这种系统比拟成熟，应用非常广泛。创成法系统尚不完善，还没有一个纯粹的创成法CAPP系统出现，有的也只是在局部功能上应用了创成原理，所以只能称为半创成式系统。2、工作原理 创成法CAPP系统不以对标准工艺规程的检索和修改为根底，而是由系统根据加工实力学问库和工艺数据库中加工工艺信息和各种工艺决策逻辑，自动设计出零件的工艺规程。有关零件的信息可干脆从CAD系统中获得。 这种方法在原理上比拟志向，就是让系统仿照工艺人员的逻辑思维实力，自动进展各种决策，选择零件的加工方法，支配工艺路途，选择机床、刀具、夹具、设计切削参数和加工时间、加工
20、本钱，以及对工艺过程进展优化等。创成法CAPP系统很简洁设计出新零件的加工工艺，具有很大的柔性，简洁实现CAD/CAPP/CAM一体化。 要实现完全创成法CAPP系统，必需解决三个关键问题：一是零件的信息要用计算机能识别的形式完全精确地描绘；二是搜集大量的工艺决策逻辑和工艺规程设计逻辑，并以计算仅能识别的方式存储；三是工艺规程的设计逻辑和零件信息的描绘必需搜集在统一的加工数据库中。这是因为，零件图纸上的各种信息要完全精确地描绘还存在困难；如何建立完善的工艺决策模型。使计算机能识别和处理还有待进一步解决；工艺过程的优化理论还不完善。9.2.3混合式（Hybrid） 将传统派生法、传统创成法及人工
21、智能结合在一起，综合他们的优点，构造了混合式CAPP系统，这种工艺设计系统沿用以派生式为主的检索编辑原理，当零件不能归入系统已存在的零件组时，则采纳创成式原理进展工艺设计，或在工艺编辑是引入创成式的决策逻辑进展工艺设计，或在工艺编辑时引入创成式决策逻辑原理。9.2.4专家系统将人工智能技术、专家系统等技术应用于CAPP系统的探讨和开发。CAPP专家系统由零件信息输入模块、学问库、推理机三局部组成，其中学问库和推理机是相互独立的。CAPP专家系统根据输入的零件信息频繁地去访问学问库，并通过推理机中的限制策略，在学问库中搜寻可以处理零件当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每一次执行规则得到的结论
22、局部根据先后依次记录下来，直到零件加工到达一个终结状态，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。三种系统的比拟派生式创成式专家系统原理成组技术决策算法决策算法生成条件复合工件（样板文件）需输入全面零件信息全面零件信息算法决策嵌套在应用程序中学问库9.3 CAPP系统9.3.1功能一个CAPP系统应具有以下功能：检索标准工艺文件；选择加工方法；支配加工路途；选择机床、刀具、量具、夹具等；选择装夹方式和装夹外表；优化选择切削用量；计算加工时间和加工费用；确定工序尺寸和公差及选择毛坯；绘制工序图及编写工序卡。有的CAPP系统还具有计算刀具轨迹，自动进展NC编程和进展加工过程模拟的功能，有些专家认为这些
23、功能属于CAM的范畴。9.3.2 工作过程及步骤9.3.3组成及根本构造限制模块：协调各模块的运行，实现人机之间的信息沟通，限制产品设计信息获得方式。 零件信息获得模块：用于产品设计信息输入。 工艺过程设计模块：进展加工工艺流程的决策，生成工艺过程卡。 工序决策模块：选定加工设备、定位安装方式、加工要求，生成工序卡。 工步决策模块：选择刀具轨迹、加工参数，确定加工质量要求，生成工步卡及供应形成NC指令所需的刀位文件。 输出模块：输出工艺流程卡、工序和工步卡，工序图等各类文档。 产品设计数据库：存放有CAD系统完成的产品设计信息。 制造资源数据库：存放企业或车间的加工设备、工装工具等制造资源的相
24、关信息。 工艺学问数据库：用于存放产品制造工艺规则、工艺标准、工艺数据手册、工艺信息处理的相关算法和工具等。 典型案例库：存放各零件族典型零件的工艺流程图、工序卡、工步卡、加工参数等数据，供系统参考运用。 编辑工具库：存放工艺流程图、工序卡、工步卡等系统输入输出模板、手工查询工具和系统操作工具集等。 制造工艺数据库：存放由CAPP系统生成的产品制造工艺信息，供输出工艺文件、数控加工编程和消费管理及运行限制系统运用。9.4 CAPP系统的开展趋势1、集成化趋势计算机集成制造系统（CIM）是现代制造业的开展趋势。因此，将来的CAPP系统除了及CAD和CAM集成外，应能及制造自动哈系统，信息管理系统
25、以及质量检测及限制系统的集成。这种继承已不是一般意义上的集成，而是统一在工程数据库上的集成。2、通用化趋势通用化是制约CAPP系统运用化及商品化的一个重要因素。为此，有人提出了CAPP专家系统建立工具的思想，以应付消费实际中改变多端的问题，力求使CAPP系统也能像CAD系统那样具有广泛的通用性。使CAPP系统各设计模块及系统所需的工艺数据及学问完全独立，即把工艺设计中的共性（如标准化的工艺数据及工艺决策学问）和特性（如及特定环境相关的工艺数据及工艺决策学问等）分开，是实现通用化的前提。3、智能化趋势CAPP所涉及的是典型的跨科学的困难问题，不仅业务内容广泛、性质各异，而且很多决策都依靠于专家个
26、人的阅历、技术和技巧。另一方面，制造业消费环境的差异也非常显著。要求CAPP系统具有很强的适应性和敏捷性。0回转体类零件L/D0.50 外部1 形态. 及要素90 内部1 形态. 及要9素0平1面加9工0辅1助.加9工0主要尺寸材料及热处理毛坯原始形态精度10.5312L/D323L/D2带变异45特殊件0956非回转体类零件板状零件0总体形态901主要孔90平1面加9工0辅1助.加9工67杆状零件0总体形态978块状零件0总体形态989特殊件09099 Opitz编码系统0回转体类零件零件名称粗分零件名称细分回转体类零件形态及加工码0材料毛坯原始形态热处理主要尺寸精度1外部形态及加工内部形态及加工平面、曲面加工协助加工1直径或宽度长度20基1本. 形9状功能要素根本形态功能要素外平面端面内平面协助孔成形刻线233445非回转体类零件形态及加工码56非回转体类零件外部形态及加工主孔及内部加工协助加工67780基1本. 形9状平面加工曲面加工外形要素主孔加工内部加工协助孔成形899 JLBM-1系统