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1、第7章 计算机辅助工艺规程设计本章导读工艺规程设计处理的信息量大，各种信息之间的关系又极为错综复杂，以前主要靠工艺师多年工作实践总结出来的经验来进行。因此，工艺规程的设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。另一方面熟练的工艺人员日益短缺，而年轻的工艺人员则需要时间来积累经验，这一切原因都使得工艺设计成为机械制造过程中的薄弱环节。CAPP技术的出现和发展使利用计算机辅助编制工艺规程成为可能。通过本章的学习，要求学生充分认识计算机技术在设计制造中应用的重要性，了解CAPP在CAD/CAM中的地位和作用及其发展趋势；理解计算机辅助工艺规程设计的基本概念及其功能；掌握CAPP的类型及其工作原理和工
2、作过程。本章重点：CAPP的基本概念、CAPP的组成、CAPP的类型本章难点：CAPP的类型及其工作原理教学建议：要求学生对比传统工艺设计和计算机辅助工艺设计的过程，理解其功能和意义；要求学生注意浏览参考书和期刊杂志中关于企业使用CAPP的示例，加深对本知识点的理解；在学习过程中，认真分析课件中给出的应用示例，并积极参与本课件中的虚拟实验。讲授课程1学时。7.1 CAPP的基本概念随着产品制造中采用了计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)，而CAD的结果能否有效地应用于生产实践，NC机床能否充分发挥效益，CAD与CAM能否真正实现集成，都与工艺设计的自动化有着密切的关系，作为连接产
3、品设计和制造的中间环节，工艺过程的设计也必须实现自动化才能与之相适应，于是，计算机辅助工艺规程设计（CAPP，Computer Aided Process Planning）就应运而生，并且受到愈来愈广泛的重视。CAPP就是利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术，是计算机集成制造系统（CIMS）的重要组成部分。采用计算机辅助工艺规程设计不仅能减轻工艺人员的重复劳动并显著提高工艺设计的效率，而且将更可靠和更有效地保证了同类零件工艺上的一致性，所以CAPP在国内外正引起越来越多的重视和研究，一些先进实用的系统在技术发达的国家中已得
4、到广泛的应用，并取得了很好的效果。用CAPP代替传统的工艺设计方法具有重要的意义，主要表现在：（1）可以将工艺设计人员从大量繁重的重复性的手工劳动中解放出来，使他们能将主要精力投入到新产品的开发、工艺装备的改进及新工艺的研究等具有创造性的工作中；（2）可以大大缩短工艺设计周期，保证工艺设计的质量，提高产品在市场上的竞争能力；（3）可以提高企业工艺设计的标准化，并有利于工艺设计的最优化工作；（4）能有效的积累和继承工艺设计人员的经验，提高企业工艺设计的继承性；（5）能够适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要，并为实现计算机集成制造系统创造必要的技术基础。7.2 CAPP的组成与基本结构CAPP系
5、统的组成与其开发环境、产品对象及其规模大小等有关。图7-1所示的系统构成是根据CAD/CAPP/CAM集成的要求而拟定的，其基本模块如下：图7-1 CAPP的组成与基本结构l 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。l 零件信息获取模块：用于产品设计信息输入。零件信息输入可以有下列两种方式：人工交互输入，或从CAD系统直接获取或来自集成环境下统一的产品数据模型。l 工艺过程设计模块：进行加工工艺流程的决策，生成工艺过程卡。 l 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。 l 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
6、工步卡及提供形成NC指令所需的刀位文件。l 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，亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有文件进行修改后得到所需的工艺文件。l 产品设计数据库：存放有CAD系统完成的产品设计信息。l 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。 l 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。 l 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。 l 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
7、工查询工具和系统操作工具集等。 l 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。 上述的CAPP系统结构是一个比较完整、广义的CAPP系统，实际上，并不一定所有的CAPP系统都必须包括上述全部内容。实际系统组成可以根据实际生产的需要而调整，但它们的共同点应使CAPP的结构满足层次化、模块化的要求，具有开放性，便于扩充和维护。7.3 CAPP的基本技术CAPP的基本技术主要包括一下几个方面：（1）成组技术（GT，Group Technology） 我国CAPP系统的开发可以说是与成组技术密切相关，早期的CAPP系统的开发一般
8、多为以GT为基础的变异CAPP系统。（2）零件信息的描述与获取 CAPP与CAD、CAM一样，其单元技术都是按照自己的特点而各自发展的。零件信息（几何拓扑及工艺信息）的输入是首当其冲的，即使在集成化、智能化的CAD/CAPP/CAM系统，零件信息的生成与获取一项关键问题。（3）工艺设计决策机制 其核心为特征型面加工方法的选择，零件加工工序及工步的安排及组合，故其主要决策内容如下：工艺流程的决策；工序决策；工步决策；工艺参数决策。为保证工艺设计达到全局最优化，系统把这些内容集成在一起，进行综合分析，动态优化，交叉设计。（4）工艺知识的获取及表示 工艺设计通常随设计人员、资源条件、生产技术水平和工
9、艺习惯而变。要使工艺设计在企业内得到广泛有效的应用， 总结出适应本企业的零加工的典型工艺及工艺决策的方法，按所开发CAPP系统的要求采用不同的形式表示这些经验及决策逻辑。（5）工序图及其它文档的自动生成。（6）NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真。（7）工艺数据库的建立。7.4 CAPP的类型及其工作原理由于零件及制造环境的不同，很难用一种通用的CAPP软件来满足各种不同制造对象的需要。按照工艺决策方式的不同，CAPP系统主要分为下述类型：一、检索式CAPP系统检索式CAPP系统常应用于大批大量生产模式，工件的种类很少，零件变化不大且相似程度很高。检索式CAPP系统不需要进行零件的编码，在
10、建立系统时，只需要将各类零件的工艺规程输入计算机。一般情况下，只需要对已建立的工艺规程进行管理即可。如果需要编制新零件的工艺规程，将同类零件的工艺规程调出并进行修改即可。这是最简单的CAPP系统。检索式CAPP系统是针对标准工艺的，将设计好的零件标准工艺进行编号，存储在计算机中，当制定零件的工艺过程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。工作原理 检索式CAPP系统是将企业现行各类工艺文件，根据产品和零件图号，存入计算机数据库中。进行工艺设计时，可以根据产品或零件图号，在工艺文件库中检索相类似零件的工艺文件，由工艺人员采用人机交互方式进行修改，最后由计算机按工艺文件要求进行打印输
11、出。（见图7-2）二、派生式CAPP系统这是一种建立在成组技术基础上的CAPP系统。首先对生产对象进行分析，根据成组技术原理（几何形状和工艺上的相似性）将各种零件分类归族，形成零件组；对于每一零件族，选择一个能包含该组中所有零件特征的零件为标准样件，也可以构造一个并不存在但包含该组中所有零件特征的零件为标准样件；对标准样件编制成熟的，经过考验的标准工艺规程；然后将该标准工艺规程存放在数据库中；当要为新零件设计工艺规程时，首先输入该零件的成组技术代码，也可以输入零件信息，由系统自动生成该零件的成组技术代码；更具零件的成组技术代码，系统自动判断零件所属的零件组，并检索出该零件族的标准工艺规程；然后
12、根据零件的结构形状特点和尺寸及公差，利用系统提供的修改编辑功能，对标准工艺规程进行修改编辑，最后得到所需的工艺规程。派生式CAPP系统具有结构简单，系统容易建立，便于维护和使用，系统性能可靠、成熟等优点，所以应用比较广泛。目前大多数实用型CAPP系统都属于这种类型。派生式CAPP是利用“零件有相似性，相似的零件有相似的工艺过程”原理，通过检索相似典型零件的工艺过程，加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。工作原理 派生式CAPP系统是检索式CAPP系统的发展，是利用零件GT（成组技术）代码（或企业现行零件图编码），将零件根据结构和工艺相似性进行分组，然后针对每个零件组编制典型工艺，又称主样件
13、工艺。工艺设计时，首先根据零件的GT代码或零件图号，确定该零件所属的零件组，然后检索出该零件的典型工艺文件，最后根据该零件的GT代码和其它有关信息对典型工艺进行自动化或人机交互式修改，生成符合要求的工艺文件。（见图7-3）三、创成式CAPP系统与派生式CAPP系统不同，创成式CAPP系统中不存在标准工艺规程，但是有一个收集有大量工艺数据的数据库和一个存贮工艺专家知识的知识库。当输入零件的有关信息后，系统可以模仿工艺专家，应用各种工艺决策规则，在没有人工干预的条件下，从无到有，自动生成该零件的工艺规程。创成式CAPP系统理论目前尚不完善，因此还未出现一个纯粹的创成式CAPP系统。创成式CAPP系
14、统的核心是工艺决策逻辑，这是人工智能、专家系统发挥作用的大好领域。所以，应用专家系统原理的创成式CAPP系统将是今后研究的重点。 图7-2 检索式CAPP系统原理图 图7-3 派生式CAPP系统原理图创成式CAPP系统和派生式系统不同，它是根据输入的零件信息，依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。工作原理 依靠系统中的决策逻辑生成。收集了大量的工艺数据和加工知识，并以此规程为基础，在计算机软件基础上建立一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。在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，在没有人工干预的条件下，自动生成零件的工艺规程。四、综合
15、式CAPP系统从工艺过程设计的多样化、工艺决策方法和知识的多样化，以及生产环境约束条件的多样化出发，专家认为智能化、集成化的CAPP系统应是多种决策方式、多种程序结构和多层次的综合性集成体，是模拟专家组的工作方式。从生产实际出发，产品零件及其品种和批量的不同，所使用的CAPP系统的工作模式也应该不同。为此，有些学者提出了一种集纯检索式、派生式和创成式为一体的综合式CAPP系统。综合式CAPP系统的工作原理流程如图7-5所示。从以上四种CAPP系统中工艺文件产生的方式我们可以看出，派生式系统必须有样板文件，因此它的适用范围局限性很大，它只能针对某些具有相似性的零件产生工艺文件。在一个企业中这种零
16、件只是一部分，那么其它零件的工艺文件派生式系统就无法解决。创成式系统虽然基于专家系统，自动生成工艺文件，但需输入全面的零件信息，包括工艺加工的信息。信息需求量极大，极全面，系统要确定零件的加工路线、定位基准、装夹方式等，从工艺设计的特殊性及其个性化分析，这些知识的表达和推理无法很好的实现；正是由于知识表达的“瓶颈”与理论推理的“匹配冲突”至今无法很好地解决，自优化和自完善功能差，CAPP的专家系统方法仍停留在理论研究和简单应用的阶段。图7-5 综合式CAPP系统工作原理流程图7.5 CAPP的发展趋势随着CAD、CAPP、CAM单元技术日益不断发展成熟，同时又由于CIMS及IMS的提出和发展，
17、企业信息化建设的不断深入，促使CAPP向智能化、集成化和实用化方向发展。一、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所取得成绩功不可没。CAPP的智能化，指的是人工智能技术（AI）和专家系统技术(ES)在CAPP中的应用。以“推理+知识”为特征，包括知识库和推理机。其中，知识库是由零件设计信息和表达工艺决策的规划集组成，而推理机是根据当前事实，通过激活知识库的规则集，而得到工艺设计结果。图7-6 一般CAPP系统与CAPP专家系统的结构工艺设计是一个典型的复杂工程问题，在很大程度上依赖于具体制造资源和设计者的经验和技巧。专家系统技术可以灵活和有效地处理工艺
18、决策和领域专家知识。专家系统采用独立的知识库，知识的扩充和修改与程序无关，使得CAPP系统可以灵活地适应各种具体场合，扩充功能。模糊理论和人工神经网络技术在CAPP中的应用正受到越来越多的重视，它们与专家系统的有机结合，使得CAPP系统更具柔性，能处理更为复杂的工艺过程设计问题。二、集成化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、ERP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，这是企业所不能接受的。尤其CAPP在整个信息中起到的是桥梁作用（CAPP是CAD和CAM或ERP的桥梁），是CIMS各子系统信息汇
19、集处，是实现CAD/CAM真正集成的关键环节，所以集成CAPP系统是发展的必然趋势。在并行工程思想的指导下实现CADCAMCAPP的全面集成，进一步发挥CAPP在整个生产活动中的信息中枢和功能调节作用，这包括：与产品设计实现双向的信息交换与传送；与生产计划调度系统实现有效集成；与质量控制系统建立内在联系。CAPP集成化的基础是CAPP的信息集成，开放式结构、分布式网络和数据库系统是CAPP集成化应用的支撑环境。集成化CAPP的研究主要包括两个方面：1）CAD/CAPP的集成。这种集成主要是系统信息的集成。它是克服CAPP系统信息输入困难的根本途径，也是CAD/CAPP/CAM集成成败的关键。2
20、）CAPP/PPS的集成。这种集成主要是系统功能的集成。其实现方法主要有非线性工艺规划、动态工艺规划和准时工艺规划等，其实质就是根据制造系统底层的状态以及提供的信息生成适应性的最优工艺规程。在CIMS环境下，CAPP与CIMS中其它系统的信息流如图7-7所示。图7-7 CAPP与CIMS中其它系统的信息流三、工具化 为了能使CAPP系统在企业中更好的推广应用，CAPP系统应提供更好的开发模式。传统专用型CAPP系统虽然针对性强，但由于开发周期长，缺乏商品化的标准模块，适应性差，很难适应企业的产品类型、工艺方法和制造环境的发展和变化。而应用面广、适应性强的平台型（工具式）CAPP系统，已经成为开
21、发和应用的趋势。平台型CAPP系统把系统的功能分解成一个个相对独立的工具，用户可以通过友好的用户界面根据本企业的情况输入数据和知识，针对不同的应用环境，形成面向特定的制造环境和工艺习惯的具体的CAPP系统，通常也可以将开发平台提供给用户，使用户可以进行CAPP系统的二次开发，在开发平台上构造符合用户需要的CAPP系统。从理论上讲，它可以适应各种应用环境，具有较好通用性和柔性；而且由于还具有二次开发能力，能适应企业内部发生的较大的变化。四、并行化并行CAPP是以并行设计理论为指导、在集成化和智能化的基础之上进一步发展起来。并行设计是并行工程（CE）的核心内容。在传统的串行模式中，工艺设计按照一个
22、固定的串行次序来进行。他完全根据设计之后的零件信息生成工艺规程，一旦在制造中发现产品设计或工艺设计上的缺陷，就必须重新返回来修改设计和工艺，这是一个设计上的“大循环”。而在并行设计模式中，工艺设计的各个子过程是并行工作的，它强调在产品设计的同时，考虑与制造相关的各种因素，尽早发现设计中存在的与制造相关的问题，一旦发现问题及时反馈，以保证产品的可制造性。这样就可通过一个个串行的多次“小循环”来避免产生“大循环”，在不断的小循环中达到并行的效果，这正是并行设计的实质。五、网络化迅速发展的Internet技术给CAPP应用领域带来了新的活力，网络化CAPP正是在这种环境下提出来的。它着重强调的是数据
23、交换和资源共享。随着计算机集成制造系统、敏捷制造和虚拟制造等新模式的出现，现代企业已越来越趋向于群体化、协作化和国际化。因此，建立在开放式、分布式的CAPP系统体系结构、支持动态工艺设计的数据模型、支持开发工具的功能抽象方法和信息抽象方法、统一数据结构以及协同决策机制和评价体系、规范、方法等方面的研究已成为CAPP技术发展的主要趋势。六、人机一体化所谓人机一体化就是在人与计算机组成的系统中，采取以人为中心、人机一体的技术路线，人与计算机平等合作，各自完成自己最擅长的工作。人类智能与人工智能相互补充，以合理的代价实现较高的智能，进而达到甚至超过人的能力乃至智能的水平。人机一体化CAPP系统就是基
24、于“以人为中心的人机一体化”的思想，将人工智能和人类智能结合起来，由此开发CAPP系统。7.6 本章小结计算机辅助工艺过程设计（CAPP）是现代制造技计算机集成制造系统（CIMS）的重要组成部分。采用计算机辅助工艺规程设计不仅能减轻工艺人员的重复劳动并显著提高工艺设计的效率，而且将更可靠和更有效地保证了同类零件工艺上的一致性，用CAPP代替传统的工艺设计方法具有重要的意义。本章首先介绍了CAPP问题提出的背景，文后介绍了CAPP的组成和基本结构以及应用CAPP应了解的基本技术，然后介绍了CAPP的类型和工作原理，最后介绍了CAPP系统发展趋势，主要为后续课程的学习打下基础。对于CAPP的类型，
25、我们这里仅介绍了检索式CAPP系统、派生式CAPP系统、创成式CAPP系统、综合式CAPP系统的工作原理，应该还有其它的种类，如交互式CAPP系统。思考题 1. 简要分析CAPP系统的基本组成和功能。2. 简要说明CAPP的作用与意义。3. 叙述检索式CAPP系统、派生式CAPP系统、创成式CAPP系统的基本原理，并分析比较其异同。4. 查阅相关书籍，了解CAPP的发展过程及最新的发展趋势。参考书1 刘极峰 主编.计算机辅助设计与制造.北京：高等教育出版社，2004.72 宁汝新，赵汝嘉 主编.CAD/CAM技术.北京：机械工业出版社.1999.113 陈永府，王峰，朱林，陈立平.CAPP发展趋势及面临的问题.计算机工程与设计.2004.5