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1、 .南昌航空大学 日期：2016年11月26日 CAPP技术的主要内容及应用摘 要：CAPP与CAD的集成是实现CIMS的关键技术之一。阐述了CAPP的发展历程,并从不同角度对CAPP进行了分类。在分析国内外CAPP发展现状的基础上,提出了CAPP的“智能化”、“工具化”、“集成化”和“基于Internet全球化”等发展趋势。随着计算机集成制造系统、并行工程、智能制造系统、虚拟制造系统、敏捷制造等先进制造系统的发展,无论从广度上还是从深度上都对CAPP的发展提出了更新更高的要求。关键词: CAPP 智能化 集成化 全球化 1、CAPP的概念CAPP从本质上说就是用计算机模拟人编制加工工艺和装配
2、工艺的方式，自动生成工艺文件的过程。所以，CAPP包括加工CAPP和装配CAPP。 CAPP系统的应用，不仅可以提高工艺规程设计速度和质量，而且可以保证工艺设计的一致性、规范化和标准化。随着以计算机技术为导的现代科学技术的迅猛发展，各种先进的制造系统模式如智能制造、虚拟制造、敏捷制造、全球制造、网络制造、绿色制造、并行工程等不断出现，CAPP系统的研究成果必将推动现代制造业的快速发展。2、CAPP的发展历程和应用现状2.1 CAPP的发展历程20世纪60年代末，人们就开始了CAPP的研究与开发，最早研究CAPP技术的国家有挪威及前苏联等。但在CAPP发展史上具有里程碑意义的是设在美国的国际性组
3、织CAM于1976年开发的CAPP(CAMI5Automated process planning)系统。20世纪80年代初期，CAPP技术受到工艺界的重视钧_1985、1986年，美国机械工程师协会(ASM)E连续召开CAPP技术会议;1985、1987年国际生产工程研究会(CIRP)连续召开CAPP专题会议。经过这几次在国际具有较大影响力的会议，使CAPP技术的研究工作在世界范围内推广开来，进而掀起CAPP技术的研究高潮。国内CAPP技术的研究是从80年代开始的，国内最早开发的CAPP系统是同济大学的修汀式TOIJCAP系统和北京航空航天大学的创成式BHCAPP系统。在20世纪80年代后期
4、和90年代初期，随着计算机技术的发展，许多新技术很快被引入CAPP，从而真正打开CAPP技术百花齐放的局面。具有代表性的技术有:特征识别技术、成组技术、智能技术、专家系统技术、网络技术、数据库技术、集成技术等。从此以后，CAPP技术的理论研究和应用系统开发蓬勃发展起来，并取得丰硕成果。图1、CAPP发展历程2.2 CAPP的应用现状在国外，一方面，CAPP单项技术研究仍然保持对“自动化”和“智能化”的追求，使CAPP与CAM更加紧密，进而与CAM融合，成为CAM的一部分。另一方面，CAPP技术的研究己经从面向零件的CAPP研究发展到面向产品、面向企业的工程规划研究。目前国内华中科技大学CAD中
5、心(国家企业信息化支撑软件工程中心)引进了该系统，它代表着CAPP技术的国际进水平。在国内，CAPP技术的研究从20世纪80年代初开始，至今已有20多年的历史。笔者对国内CAPP技术情况、CAPP市场情况及企业CAPP应用情况进行调研后发现，CAPP的研究者们和从业者们在从技术研究的角度继续进行CAPP的“自动化”和“智能化”研究的同时，认识到CAPP工程研究的重要性和必要性，己开始了CAPP实用化、商品化的研究和开发。目前，国内商品化的CAPP软件大多是CAPP工具系统，这类系统强调工程化应用，不强调工艺的自动化，而将系统定位在“辅助工具”上，它着重解决工艺的快速输入和快速形成，强调工艺师在
6、CAPP系统中的主导作用，降低工艺生成的自动化程度，这似乎是一种退化，但实际上是一种进步。这种系统便于在企业实际推广使用，它不受零件类型和加工环境的限制，只需通过一定的定制过程就可在企业投入使用。3、CAPP的分类及优点3.1 CAPP的分类CAPP的种类繁多，要想给CAPP一个准确的分类是很困难的，很多学者认为CAPP可以分为检索式CAPP，派生式CAPP、创成式CAPP、综合式CAPP种类型。，这不错，但笔者认为这不够全面，也不够准确。从不同的角度，会有不同的分类:(l)从人工参与的程度来看，CAPP可以大致分为3类:以“智能化和自动化”为目标的;以“半自动”为目标的;以“交互方式”为主的
7、。时至今日工艺的“智能化和自动化”只在数控机床和自动化生产线上得到应用，并由NC所替代。而对传统加工工艺的CAPP，“交互方式”为主的CAPP系统越来越得到人们的共识。(2)从工艺生成的方式来看，CAPP可分为派生式CAPP、半创成式和创成式CAPP、交互式CAPP。(3)从采用的技术来看，CAPP可分为基于特征识别技术的、基于成组技术的、基于人工智能和专家系统思想的、基于低端数据库的、基于网络技术和高端数据库的、基于nutmeg技术的。(4)从面向的对象来看，CAPP可分为面向零件的、面向产品的、面向企业的、面向动态联盟企业的类别。(5)从集成程度来看，CAPP可分为不能集成的、能和CAD集
8、成的、能和CAD和CAM集成的、能和PDM或MRP(或ERP)集成的。(6)从商品化CAPP的开发模式来看，CAPP可分为专用CAPP、工具化的通用CAPP。从不同角度对CAPP进行分析以后，不难发现，CAPP所采用的技术在不断地发展更新，CAPP系统本身也在不断扩充和变化。3.2 CAPP系统的主要优点(1)能够使工艺设计人员摆脱大量、繁琐的重复劳动，将主要精力转向新产品、新工艺、新装备和新技术的研究与开发。(2)可以显著缩短工艺设计周期，保证工艺设计质量，提高产品的市场竞争能力。(3)可以提高产品工艺的继承性，最大限度地利用现有资源，降低生产成本。(4)可以使没有丰富经验的工艺师设计出高质
9、量的工艺规程，以缓解当前机械制造业工艺设计任务繁重，但缺少有经验工艺设计人员的矛盾。(5)推动企业开展工艺设计标准化和最优化工作。4、CAPP发展趋势CAPP技术经历了从派生式、半创成式和创成式、CAPP专家系统等阶段的发展，如今又步入了一个新的历史阶段，从总体上讲，当今的CAPP在朝着如下几个方向发展。(l)智能化无论从理论研究，还是实际应用上讲，CAPP技术的智能化研究对当今CAPP所取得的成绩功不可抹。无数专家学者将继续一如既往地对CAPP的智能化做深入研究。智能化研究在较长一段时间将继续保持在特定零件(如回转体、箱体、以及其它特征较明显的零件)、特定专业(如某产品的焊接工艺、某零件的拉
10、伸工艺、下料工艺等)、特定环境下(如某企业的加工中心、装配线等)的工艺智能生成。(2)通用工具化系统川通用工具化系统最近几年得到了工业界的认同，他们认识到工艺师是不可替代的(除了在某些特定的零件、特定的环境下，可以不依赖工艺师外)。当然，随着标准化程度的不断深入，加工环境标准化以后，工艺师的作用会有所减弱，但目前，至少短时间内是不现实的，所以通用工具化系统的开发是近年来CAPP发展的主要趋势之一。(3)集成化系统随着企业信息化建设的不断深入，各种单元系统在企业均得到很好应用，如CAD、CAM、CAE、MIS、PDM、等，但各单元系统之间信息得不到充分的利用，甚至很多信息需要重新输入，这是企业所
11、不能接受的。尤其CAPP在整个信息流传中起到的是桥梁作用(CAPP是CAD和CAM或ERP的桥梁)，使得CAPP的集成显得尤为重要。面向单个零件的单元CAPP系统己不能满足企业的整体发展需要了，所以近年来面向产品的集成化CAPP系统研究显得异常活跃。集成化CAPP系统本身的开发方式有两种流派，一种是在原有的CAPP单元系统之提供足够的接口，使其能与其它单元系统(如EAI、CAM、EAE、PDM、MLS、ERP)集成;另一种是在集成框架系统一一PDM系统之上构建CAPP系统。这两种系统各有特色，是集成化CAPP系统的主流趋势。(4)基于Internet的CAPP系统在全球经济的大趋势下，企业需要
12、大联合，为此企业将不再局限于某一个地方，而是分布在世界各地，要组织好生产加工，就必须借助于Internet技术，构建面向动态联盟企业(全球)的CAPP系统。Internet环境下的CAPP系统结构是企业内CAPP系统结构的扩展。但是，动态联盟企业的CAPP系统的需求、约束和运行环境与企业内部的系统是不相同的，它是基于Internet的系统，而企业内部的系统是基于局域网的。企业的动态联盟性以及Internet系统的安全性等问题都是基于Internet的CAPP系统所必须考虑的，欣喜的是口前各方面技术的发展和成熟为基于Internet的CAPP系统的开发奠定了很好的基础。5、CAPP系统体系结构5
13、.1 CAPP系统的基本结构由于工艺设计是一个极为复杂的过程，涉及的因素也非常多，企业中具体应用的CAPP系统对制造环境依赖性很大，所以各个CAPP系统组成千差万别。尽管不同的设计思想及不同的制造环境，但CAPP系统的基本构成都是相似的，一般都包括以下五部分。 (1)零件信息的获取零件信息是 CAPP 系统进行工艺设计的对象和依据，零件信息的获取是 CAPP系统的重要组成部分。目前计算机还不能像人一样识别零件上的所有信息，因此在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述，如何输入并描述零件信息是 CAPP 最为关键问题之一。 (2)工艺决策工艺决策是CAPP 系统的核心，其作用是以
14、获取的零件信息为依据，按照预先规定的顺序和逻辑，调用相关的工艺数据和规则，进行必要的计算、比较和决策，生成零件的加工工艺规程。 (3)工艺数据库工艺数据库知识库是CAPP系统的支撑工具，其集合了工艺设计所需要的所有信息资源，主要包括工艺数据(如加工方法、切削用量、加工余量、机床、刀具、夹具、量具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息)和规则(包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等内容，如加工方法选择规则、工序或工步排序规则等)。如何组织和管理这些信息，使之便于使用、扩充和维护，并适应于各种不同的企业和产品，是当今CAPP系统迫切需要解决的问题。 (4)人机交互界面人机交互界面是用户的工作平台，包括
15、系统菜单、零件信息获取界面、工艺设计界面、工艺数据知识输入和管理界面以及工艺文件的显示、编辑与管理界面等等。这些界面元素必须符合现代标准的用户接口规范。 (5)工艺文件的管理输出工艺文件是CAPP系统提交给用户的最终产品。一个系统可能有成千上百个工艺文件，如何管理和维护这些文件，按什么格式输出这些文件，是 CAPP系统的 主要内容，也是整个CAD/CAPP/CAM集成系统的重要组成部分。输出部分包括文件的格式化显示、存盘和打印等。系统一般要能输出各种格式的工艺文件，有些系统还能直接输出零件的 NC 程序。52 智能 CAPP系统的总体结构智能化是CAPP技术发展的本质特征和必然趋势。智能CAP
16、P系统就是要加强多种人工智能技术在工艺设计各个环节的综合应用，以解决当前CAPP 系统中工艺决策智能化水平低、柔性差、通用性差的问题。而CAPP又是实现CAD/CAM真正集成的关键环节，它要能从三维CAD系统中自动获取工艺设计必需的零件设计信息，并根据这些信息自动进行工艺设计，完成工艺文件的编制进而向CAM系统提供必要的加工指令，指导零件的加工生产。根据CAPP智能化和集成化的要求，本文设计了智能CAPP系统，其体系结构如图所示: 图2、智能CAPP智能体系结构该系统包括控制模块、零件信息获取模块、工艺决策模块、工程数据库、数据库管理模块、人工神经网络训练模块和工艺文件管理模块。 (1)控制模
17、块即人机交互界面，其主要作用是协调和控制其它模块的运行，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式，使系统能够满足集成的需要。 (2)零件信息获取模块既要求其能够从三维CAD系统自动获取零件的几何信息，又能够以人机交互的方式完成工艺设计所必须的其他信息的输入，提取的零件信息存于零件信息数据库中并且能够随三维实体模型的变化而动态的更新，便于工艺决策的调用。 (3)工艺决策模块包括四个子模块，分别是特征加工方案决策模块、定位基准决策模块、加工资源决策模块和工艺路线决策模块。特征加工方案决策模块以从零件信息库中获取的加工特征信息为输入，经过已训练好的人工神经网络推理得到特征加工方案；定位基准决策
18、模块利用基于定位基准决策的人工神经网络自动为零件选择定位基准；制造资源选择模块根据前两个模块的决策结果，经过运算推理确定加工相应特征所需要的机床、刀具、夹具等；工艺路线决策模块用于寻找具有最小加工成本的加工工艺路线。工艺决策模块完成的各种决策都是运用人工智能技术来实现的。(4)工程数据库包括零件信息库，工艺知识库，制造资源库和工艺文件库。零件信息库中保存零件的几何信息及工艺信息，并对其进行管理；工艺知识库中储存工艺设计所依赖的大量工艺知识，本文根据工艺知识的表达形式，将工艺知识库分为规则库，实例库和ANN DB，它们分别存储相应表达形式的工艺知识；制造资源库包括机床库、刀具库和夹具库，分别保存
19、机床、刀具和夹具等制造资源信息；工艺文件库中保存系统生成的工艺文件。 (5)数据库管理模块主要作用是将工艺设计所需要的所有数据信息输入其相应数据库，并对这些数据进行增加、删除和修改等编辑操作。 (6)人工神经网络训练模块设计用于特征加工方案决策和定位基准决策的人工神经网络，确定网络的结构、输入输出处理方法、训练函数和参数选择等，选择训练样本，训练网络。 (7)工艺文件管理模块不仅能输出用户所需的各类工艺卡片，而且考虑到实际应用中经常需要对现有的工艺文件进行修改，该模块还允许对生成的工艺卡片进行增加、删除和修改等编辑操作。5.3智能CAPP系统的工作流程首先从三维CAD系统中自动获取需要进行工艺
20、设计的零件的设计特征，然后手工输入特征的加工工艺要求，最后编辑接口程序把零件特征信息按照统一的数据结构存入零件信息库进行管理。工艺决策模块按顺序依次运行特征加工方案决策模块、定位基准决策模块、制造资源选择模块和工艺路线决策模块。智能CAPP系统的工作流程如图：图3、智能CAPP系统的工作流程如图特征加工方案决策模块运用已训练成功的人工神经网络对零件信息库中的加工特征进行推理决策，得到零件上各个特征的加工方案；然后定位基准决策模块经相应的神经网络推理得到零件定位基准；加工资源选择模块在特征加工方案决策模块和定位基准决策模块工作完成后，选择加工零件相应特征所需的机床、刀具、夹具等制造资源。最后，工
21、艺路线决策模块将已经确定制造资源的各加工特征的加工方案分解成各加工元，建立零件的约束矩阵，对所有加工元进行基于遗传算法的工艺排序工作，在此基础上完成零件的工艺路线后，进行工艺审核工作。6、面向产品的 CAPP 应用与制造工艺信息系统在制造企业中，最终产品在整个生命周期内的工艺设计通常涉及到产品装配工艺、机械加工工艺、钣金冲压工艺、焊接工艺、热表处理工艺、毛坯制造工艺、返修处理工艺等各类工艺设计，在一般产品的机械加工工艺中通常涉及到回转体类零件、箱体类零件、支架类零件等各种零件类型。显然，若采用以零组件为主体对象的 CAPP 应用模式，CAPP在企业的应用只能是局部的应用，CAPP 的应用缺乏应
22、有的广度，从而使 CAPP 的发展缺乏坚实的实践基础。从企业发展长远看，必将造成企业工艺管理上的不一致与不协调，将在根本上阻碍 CAPP 的应用和发展。CAPP 应用应从以零组件为主体对象的局部应用走向以整个产品为对象的全面应用，实现产品工艺设计与管理的一体化，建立企业制造工艺信息系统。7、结束语工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的各种功能要求，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量相当庞大，又与具体的生产环境及个人经验水平密切相关。从现代制造业整个产品生命周期对工艺工作的需求出发，以未来虚拟企业和网络化全球制造为背景，以 CAPP 的全面应用为基础，建立工艺设计
23、与管理一体化的制造工艺信息系统，是制造企业信息化的重要基础。参考文献1 杨海成，祁国宁等制造业信息化工程-背景、内容与案例M北京：机械工业出版社，2003：515。2 王红军面向大批量定制的产品族规划关键技术研究D广东工业大学工学博士学位论文，2003：13。3 祁国宁，顾新建，谭建荣等大批量定制技术及其应用M北京：机械工业出版社，2003，1040。4 齐峰，谭建荣，张树有等面向大规模定制设计的资源可重用模型及过程J计算机集成制造系统-CIMS，2004，10(5)：508512。5宋长新.CAD/CAPP/CAM系统的零件特征建模.西安工业学院学报, 1998, 2(18):120123。
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