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1、计算机辅助工艺设计CAPP摘要：计算机辅助工艺过程设计做为连接CAD系统和CAM系统的桥梁，在产品设计和制造整个过程中担任着至关重要的角色。本文通过对分析国内外的CAPP的发展历程，介绍了CAPP的组成以及开发中存在的问题。最后概括了CAPP的发展趋势。关键词：CAPP；工艺决策 ；工艺路线优化Abstract：ComPuter Aided Process Planning,as the bridge connecting CAD system and CAM system,is a vital role in the whole process of product design and m
2、anufacture.the paper introduce the bxsic compositive and cunrent research problem in development.Finally,generalize current ofdevelopment of CAPP.Keywords：CAPP; Process decision ;Optimization of process route1 引言1.1 CAPP的基本概念计算机辅助工艺规程设计，即Computer Aided Process Planning，简称CAPP，是通过计算机技术辅助工艺设计人员，以系统、科学
3、的方法确定零件从毛坯到成品的整个技术过程，即工艺规程1。 具体的说，CAPP就是利用计算机的信息处理和信息管理优势，采用先进的信息处理技术和智能技术，帮助工艺设计人员完成工艺设计中的各项任务，如选择定位基准、拟订零件加工工艺路线、确定各工序的加工余量、计算工艺尺寸和公差、选择加工设备和工艺装置、确定切削用量、确定重要工序的质量检测项目和检测方法、计算工时定额、编写各类工艺文件等，最后生成产品生产所需的各种工艺文件和数控加工编程、生产计划制定和作业计划制定所需的相关数据信息，作为数控加工程序的编制、生产管理与运行控制系统执行的基础信息。 在企业生产中，工艺设计处于产品设计和加工制造的接口处，必须
4、分析和处理大量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额、甚至传统习惯等方面的信息，因此，工艺设计是一个典型的复杂问题。此外，工业设计受到诸如企业的生产环境、产品类型、制造资源、生产批量、工艺习惯、工艺方法、工艺师工艺水平等因素的影响，甚至受到组织与管理方式的制约。因此，工艺在各个方面都有其“个性”。随着市场竞争的不断加剧，产品升级换代的周期越来越短，产品品种急剧增加，产品要求质量也越来越高。但系列产品的工艺具有很多的继承性，不同产品中的相同或相似零部件具有相似的工艺，因此工艺卡片中存在
5、大量的重复信息。传统的工艺设计存在以下缺陷：1、工艺数据重复填写、重复计算，存在大量的重复劳动，效率低、周期长；2、要求工艺设计人员具有丰富的生产经验，熟悉企业内部各种加工方法及相应的设备使用情况，熟悉企业内部各种生产价格规范和规章制度2；3、同一零件由不同工艺员编制工艺时，往往得到不同的工艺文件；即使同一工艺员，每次设计结果也可能不完全相同，人工设计的工艺一致性差，且设计质量也取决于工艺员的技术水平与工作经验，难以保证工艺文件中数据的准确性和工艺质量，难以实现规范化、标准化；4、繁琐而重复的密集型劳动会束缚工艺人员的设计思想，妨碍他们进行创造性工作，并且工艺人员的知识积累过程太慢，而服务时间
6、相对过短，不利于工艺水平的迅速提高，不能适应市场瞬息多变的需求；5、不能利用计算机来统一管理和维护工艺文件，实现企业之间工艺信息的共享，不能充分利用企业的制造资源。当今，计算机技术已深入到企业的各个领域，如应用其辅助编制工艺，必然可极大地提高信息处理能力。因此，传统的设计方法与现代制造技术的发展不相适应了。1.2 CAPP 发展及分类CAPP的研究开发始于20世纪60年代末，第一个CAPP系统是于1969年诞生于挪威的 AUTOPROS 系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是美国计算机辅助制造公司(CAM-I)于1976年开发的CAM-IS AutomatedProcessing Plan
7、ning系统。随后，美国、德国、匈牙利、英国、日本等国的研究人员相继研究开发出了一批通用和实用型的CAPP系统，并取得了一定得经济效益。我国的CAPP系统研究始于80年代初，同济大学于 1982 年研制出国内第一个 CAPP 系统TOJICAPP 系统3，之后具有代表性的有清华大学开发的 THCAPP 系统4，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系统等等。经过 40 年的开发研究，涌现出一大批 CAPP 系统，就其原理可分为派生式 CAPP 系统、创成式 CAPP 系统和 CAPP 专家系统。(1)派生式 CAPP
8、 系统 派生式(Variant)CAPP 系统也称作变异式、修订式 CAPP 系统，它是建立在成组技术基础上，零件按照几何相似性或工艺相似性归类成族，建立该零件族的主样件及其典型工艺规程即标准工艺规程，并以文件形式储存在计算机中。当要为新零件进行工艺设计时，输入该零件的成组技术编码，由计算机判别零件属于哪一个零件族，检索出该零件族的标准工艺规程，再根据零件的结构形状特点和尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。挪威于1969年开发的 AUTOPROS 系统，美国计算机辅助制造公司1976 年开发的 CAM-IS Automated Processing Planning 系统，我国
9、同济大学于 1982 年开发的 TOJICAPP 系统等都属于派生式CAPP系统。派生式CAPP系统原理简单、开发周期短、投资少和易于取得实际效益，是中小企业常采用的方式。但由于系统中存储的是标准工艺，当设计的新零件找不到相应的零件族时，系统就不能发挥作用。系统针对性强，只适用于特定的工厂，不便于移植。(2)创成式 CAPP 系统 创成式(Generative)CAPP 系统不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中，收集了大量的工艺数据和知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。当输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人
10、工干预的情况下，自动的生成零件的工艺规程。但是，CAPP 专家系统仍有许多问题有待人们解决或提出更有效的方法，比如工艺知识的获取和表示，工艺模糊知识的处理、工艺推理过程中自行解决冲突问题的最佳路径，自学习功能的实现等等。美国普渡大学1977年开发的APPAS系统、德国阿亨大学于1980年开发的 AYTAP 系统、我国南京航空航天大学1988年开发的NHCAPP系统等都属于创成式CAPP系统5。创成式CAPP系统通过逻辑推理决策自动生成零件的工艺规程，保存和继承了工艺设计的经验和知识，摆脱了具体工艺设计过程中对工艺人员经验和知识的依赖，具有较高的柔性，适应范围广。但是系统没有自动获取知识的能力，
11、缺乏解释机制，容错能力差，不能适应环境的变化。(3)CAPP专家系统 从80年代中期起，创成式CAPP系统的研究转向人工智能的专家系统(Expert Systems)方面。例如美国联合工艺研究中心于1984年开发的 XPS-E 系统、英国南安普顿大学1986年开发的 SIPPS 系统，我国清华大学于1989年开发的 THCAPP 系统等。知识库和推理机是专家系统的两大主要组成部分。知识库存储从工艺专家那里得到的工艺知识，它是专家系统的核心。工艺知识是人们在工艺设计实践中积累的认识和经验的总和。推理机控制并执行对问题的求解，它根据已知事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，
12、得到问题的答案。推理机是专家系统的控制中心。在用 CAPP 专家系统为零件设计工艺规程时，推理机从产品的设计信息(零件特征信息)等原始信息出发，按某种策略在知识库中搜寻相应的知识，从而得出中间结论(如选择出特征的加工方法)，然后再以这些结论为事实推出进一步结论(如安排出工艺路线)，如此反复进行，直到退出最终结论，即产品的工艺规程。CAPP 专家系统实现了工艺知识库和推理机的分离，当生产环境发生变化时，可以修改或扩充知识库，而不需从头进行系统开发。而且 CAPP专家系统在一定程度上模拟工艺人员进行工艺设计，使许多模糊问题得以解决，对于结构形状复杂，加工工序多，工艺流程长的箱体、壳体类零件，可能存
13、在多种加工方案，工艺设计的优劣取决于人的经验和智慧，因此一般的 CAPP 系统很难满足这类复杂零件的工艺设计要求，而 CAPP 专家系统汇集众多工艺专家的经验和智慧，并充分利用这些知识，进行逻辑推理，探索解决问题的途径和方法，因而能给出合理的甚至最优的工艺决策。但是，CAPP 专家系统仍有许多问题有待人们解决或提出更有效的方法，比如工艺知识的获取和表示，工艺模糊知识的处理、工艺推理过程中自行解决冲突问题的最佳路径，自学习功能的实现等等。2、CAPP的基本组成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。
14、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6。(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/知识库 工艺数据库/知识库是CAP
15、P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
16、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。图1是CAPP系统的工作过程与步骤，图2是CAPP的结构组成。CAPP的组成与基本结构：控制模块：协调各模块的运行，实现人机之间的信息交流，控制产品设计信息获取方式。图1 CAPP系统的工作过程与步骤零件信息获取模块：用于产品设计信息输入。 工艺过程
17、设计模块：进行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，生成工步卡及提供形成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关信息。 工艺知识数据库：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，供系统参考使用
18、。 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、数控加工编程和生产管理与运行控制系统使用。图2 CAPP的结构组成3、CAPP 存在的主要问题迄今为止，虽然 CAPP 的研究已取得很多成果，国内外也开发了众多CAPP 系统，但是在实际应用过程中，由于 CAPP 的复杂性和特殊性，仍然面临着如下问题7：(1)零件信息的描述与获取问题 这个问题关系到CAD与CAPP及其它应用系统集成的问题，并直接关系到CAPP系统能否真正实用化和商品化。目前零件信息或部分信息仍然是由使用者手
19、工输入的，如何输入并描述零件信息，彻底解决CAPP系统的产品数据二次输入是CAPP亟待解决的问题。(2)工艺决策方法的实现问题 工艺决策是CAPP系统进行工艺设计的关键，是制约CAPP系统实用化、通用化、智能化的核心问题。长期以来，人们研究开发了多种工艺决策方法，如派生式、创成式、智能式、混合式、基于3D的定量化工艺决策方法等等，但至今没有彻底解决CAPP系统的工艺决策方法问题。(3)CAPP系统的通用性问题 工艺设计受多因素的影响，产品不同、批量不同、加工环境不同，其工艺设计方法都可能不一样，所以CAPP系统很难像CAD系统那样设计成通用的系统。在多品种、小批量的生产模式逐渐成为机械制造业主
20、要趋势的情况下，CAPP系统将很难适应频繁变化的加工对象和变化环境。因此，CAPP系统要实现真正实用化和商用化，通用性问题必须解决。(4)工艺数据库知识的获取、表达和相应数据库与知识库的建造问题工艺决策所用的数据有加工方法、机床、刀具、夹具、量具以及材料、切削用量、工时、成本核算等多方面信息。如何组织和管理这些信息，并便于扩充和维护，使之适用于不同的企业和产品，是当今CAPP系统迫切需要解决的问题。CAPP系统所需的工艺知识，包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验、规则等众多内容。如何获取和表达它们，并便于系统的应用、维护和扩充，也是CAPP要解决的关键问题。(5)CAPP系统与其他应用系统的集成
21、工艺是设计和制造的桥梁，工艺数据是产品全生命周期中最重要的数据之一，是企业编排生产计划、制定采购计划、生产调度的重要基础数据，在企业的整个产品开发及生产中起着重要的作用。CAPP需要与企业的各种应用系统进行集成，包括CAD/PDM/ERP/MES等等。由于不少企业CAD、CAPP、ERP的应用是分阶段、不同时期应用的，目前还存在着信息的孤岛，工艺数据的价值还没有得到有效的发挥和利用。4、典型CAPP系统介绍一、TOJICAPP系统简介8该系统是国内开发较早的系统，由同济大学开发，适用于生成回转体零件的工艺规程。该系统主要以派生法原理为基础，部分采用创成式原理，属于半创成式CAPP系统，零件编码
22、采用JLBM编码系统，使用BASIC语言编程，在IBM系列微机或兼容机上运行，工艺规程内容详细完整，可以完成工序和工步的确定。该系统能完成机床和刀具的选择、计算切削参数、时间定额和加工费用、车削工序图的绘制以及打印输出具有所需格式的工艺规程等工作，是一个功能较完整的实用系统。该系统的程序结构按模块化原理设计。该系统在生成工艺规程之前，必须为系统建立各种文件数据库。系统可以输入零件图信息以生成工艺规程，也可以从零件信息中调用零件。生成工艺规程过程如下：1进入工艺规程主流程，输入图形信息。2系统运行成组代码模块，生成零件的成组代码，从而检索零件的典型工艺规程3根据典型工艺规程，生成毛坯尺寸。4按典
23、型工艺规程的工序和工步搜索零件信息。5进入人机交互设计模块，修改前面自动生成的工艺规程。6转接夹具生成模块生成夹具数据，绘制加工用夹具。7转接数控编程模块，生成数控机床用数控程序。二KMCAPP简介开目CAPP是企业级的工艺设计与工艺管理解决方案，真正实现了基于知识决策的智能化工艺设计。开目CAPP提供了完全基于数据库的大型工艺集成设计与管理环境，具备强大的处理复杂工艺数据表格的功能，提供了严格的工艺权限管理、工艺流程管理功能，支持团队并行工艺设计，对于主流CAD、PDM、ERP的产品具有良好的集成性，并提供了丰富的二次开发接口和工具，是业界公认的功能最强、商品化程度最高的CAPP产品。 1开
24、目CAPP的特点 1）集成化 开目CAPP可以通过DWG、DXF、IGES等接口与其他多种CAD软件集成，也可以和多种PDM软件集成。还可以和国内外各种ERP软件集成。开目本身系列软件之间已经实现了无缝集成。 开目CAPP不但可以直接拾取开目CAD绘制的图形和零件的基本信息，也能将其他软件绘制的图形，经数据转换模块转换到工艺文件中。 开目CAPP和PDM基于统一的数据库。2）实用化 工序简图生成方便，可以直接提取零件的外轮廓和加工面，并提供夹具库。 可以插入多种格式的图形、图象。并可以对其编辑。 具有内置的“电子手册” 可以输出所有的工艺文件，图形文件或指定的工序卡片。3）工具化 是一种“柔性
25、工具”，用户可以进行可视化配置。 自带绘图系统，可以任意绘制各种工艺表格和工序简图。 用表格定义和工艺规程管理器可以任意设计各种类型的工艺文件。 利用工艺资源管理器和公式管理器可以任意创建工艺资源和公式 可以任意创建自己的零件分类规则，每一类可以建立一个典型工艺。2系统的构成 共有7个功能模块表格定义：为各企业定制自己的工艺表格工艺规程类型管理：为各工艺规程配置过程卡和工序卡工艺规程编制：用于绘制表格、工序简图、生成工艺文件、通用技术文件公式管理器：建立和管理工艺设计中用到的公式工艺资源管理器：用于工艺资源的管理和扩充工艺文件浏览器：用于浏览编制的各类工艺文件打印中心：用于工艺文件的打印输出5
26、、CAPP 的发展趋势在40多年的发展过程中，CAPP在生成原理、系统结构、决策方法等方面，都取得了很大的进展，纵观国内外CAPP的研究与开发状况，CAPP的发展趋势集中在集成化，智能化、并行化和工具化等方面9。(1)集成化 指CAPP系统与其他集成化系统信息与数据的传输与共享。在工程设计领域，通常是指与CAD与CAM系统的集成，若推广到整个工厂范围，还包括与PDM、ERP、MES等系统的集成。CAPP与其它系统的集成，正在从局部自动化走向全面自动化，这是自动化技术发展的必然趋势。而要实现真正意义的集成，有待于对产品定义与产品数据交换规范(如PDES/STEP)的进一步研究和相应的实用化软件系
27、统的问世。目前世界上以美国为首的许多国家都投入了大量的人力物力对产品定义与产品数据交换规范进行研究，集成化的发展将可以逐步实现。(2)智能化 制造业将进入智能制造的时代，智能化是制造业发展的总趋势，智能化CAPP是CAPP技术发展的本质特征和必然趋势。过去研究最多的是各种各样的CAPP专家系统。近年来神经网络、模糊理论、实例推理和遗传算法等技术在CAPP中得到广泛应用，为CAPP系统的进一步智能化提供了理论基础。(3)并行化 以并行设计理论为指导、在集成化和智能化基础上进一步发展起来的CAPP系统，充分体现了并行工程的思想。其意义不仅在于设计阶段的并行，还包括制造、规划过程中各个功能部门的并行
28、。并行化的核心是CAD/CAPP之间的并行，主要体现在CAPP能在CAD产品设计的过程中，为CAD提供产品设计工艺性反馈，对设计方案和结果进行可制造性分析和评价，尽早发现设计中的问题，确保设计的合理性，减少设计反复。目前主要方法是建立可制造性综合评价功能模块或子系统，根据事件信息和制造资源信息，在一定工艺原则指导下，建立评价函数，对零件结构工艺性、加工工艺性等指标进行分析评价。(4)工具化 通用性问题是CAPP中需要考虑和实现的最为关键的问题之一，为了适应实际生产过程中变化多端的问题，应该使CAPP系统能像CAD系统一样具有通用性。工具化CAPP就是要解决这个问题，通过开发通用的CAPP应用模
29、块，用户可根据实际需求，组装或二次开发成实用化的CAPP系统，能够大大提高CAPP系统的通用性和柔性。目前的主要方法是分开处理工艺设计的共性与个性，使CAPP系统各工艺设计模块与系统所需的工艺数据与知识(或规则)完全独立；系统的工艺决策方式要多样化；要具有统一标准的数据与知识管理平台等。6、结语伴随着计算机辅助设计技术的日益成熟，以及制造企业信息化工程的推动，逐渐多的制造业企业很大程度上需要利用CAPP来提高工艺设计的过程和结果。CAPP系统作为CAD系统和CAM系统的中间连接部分，其重要性相当突出，但是最近几年CAPP系统的发展遇到很多“瓶颈”。虽然对CAPP的研究投入很多，各方面支撑技术都
30、得到了提高，从理论到方法，再到技术都得到发展，但是作为整个系统，CAPP系统的推广和开发应用都很困难。这也是为什么到目前还没有在世界范围内出现共识的CAPP商品软件。只有打破传统CAPP在人们思想中已经固化了的概念，从整个企业的角度，建立面向企业工艺技术发展和工艺管理的CAPP系统，才是现代CAPP系统发展的新出路。参考文献1乔良，李原，杨海成，基于特征的 CAD/CAPP/CAM 集成方法研究，机械工业自动化，2000，23(01)：34362自英彩，唐治文，余巍，计算机集成制造系统:CIMS概论【M】，北京，清华大学山版社，1997.123孙波，赵汝嘉，计算机辅助工艺设计，北京，化学工业出
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