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1、第三章第三章 现代工艺规划技术现代工艺规划技术什么是工艺？什么是工艺？工艺是工艺是劳动者劳动者利用生产工具对各种利用生产工具对各种原材料原材料、半成品半成品进行增值进行增值加工或处理，最终使之成为制成品的方法与过程。加工或处理，最终使之成为制成品的方法与过程。3.1 计算机辅助工艺设计概述计算机辅助工艺设计概述计算机辅助计算机辅助工艺工艺设计设计(Computer Aided Process Planning,CAPP)是指在人和计算机组成的系统中，是指在人和计算机组成的系统中，根据产品设计阶段给出的信息，人机交互地或自动地根据产品设计阶段给出的信息，人机交互地或自动地确定产品的加工方法和工艺
2、过程的技术。确定产品的加工方法和工艺过程的技术。是将产品设计数据转换为产品制造数据的一种技是将产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术。术。是零件从毛坯到成品的制造方法的规划技术。是零件从毛坯到成品的制造方法的规划技术。uCAPP的开发、研制是从的开发、研制是从60年代末开始的，相比年代末开始的，相比CAD、CAM，CAPP的发展是最迟的部分。的发展是最迟的部分。u世界上最早研究世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于的国家是挪威，始于1969年，并于年，并于1969年正式推出世界上第一个年正式推出世界上第一个CAPP系统系统AUTOPROS；1973年正式推出商品化的年正式推出商品化的AUT
3、OPROS系统。系统。u在在CAPP发展史上具有里程碑意义的是发展史上具有里程碑意义的是CAM-I(Computer Aided ManufacturingInternational”即国际计算机辅助即国际计算机辅助制造制造”组织组织)于于1976年推出的年推出的CAM-IS Automated Process Planning系统。系统。CAPP发展历程应用CAPP系统的部分效益项目费用占总费用的比例费用节省比例工艺过程设计费材料费工时费返修及废品费刀具费管理、利润等8%23%28%4%7%30%58%4%10%10%10%10%根据表中数据计算，采用根据表中数据计算，采用CAPPCAPP可
4、使零件生产成本降低可使零件生产成本降低12.46%12.46%1）CAPP的功能加工方法、机床、刀具、加工顺序的选择或决策。加工方法、机床、刀具、加工顺序的选择或决策。计算加工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定计算加工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定额、绘制工序图以及编制工艺卡。额、绘制工序图以及编制工艺卡。零件图毛坯图例：例：capp的工作实例的工作实例0.05A.安排工序安排工序12341）车端面2）打中心孔3）车外圆4）调头车外圆5）热处理（调质处理等）6）铰中心孔7）磨外圆B.确定工步确定工步12342）打中心孔（1）钻（2）扩（3）铰1）车端面3）车外圆（1）车（2）车（3
5、）车4）调头车外圆（1）车（2）车5）热处理6）铰中心孔7）磨外圆（1）磨2（2）磨3（3）磨4（4）调头磨1C.确定切削用量确定切削用量1234 根据机床、刀具、加工精度及被加工零件的刚度等因素，综合确定各工序（工步）的切削深度、进给量、速度。2)CAPP的组成部分nCAPP系统的基本组成部分有三个：设计信息输入工艺决策工艺信息输出工艺规程工艺标准手册算法CAPP生成的：工艺文件数控编程零件族工艺卡（1）控制模块）控制模块：协调各模块的运行，实现人机之间的信息交流，控制零件信息获取方式。（2）设计信息输入）设计信息输入（零件的结构与技术要求输入）。输入途径：q人机交互qCAPP系统直接从CA
6、D系统读取（3）工艺决策）工艺决策选择性问题：加工方法、加工设备及刀夹量具等。规划性问题：工序安排与排序、工步安排与排序、刀具加工轨迹。计算性问题：工序尺寸计算、时间与成本计算等。（4）工艺信息输出：）工艺信息输出：用工艺卡片形式表示产品工艺过程信息，如工艺过程卡、用工艺卡片形式表示产品工艺过程信息，如工艺过程卡、工序卡。工序卡。在在CAD/CAPP/CAM集成系统中，集成系统中，CAPP需要提供需要提供CAM数数控编程所需的工艺参数文件、刀具轨迹模拟显示、控编程所需的工艺参数文件、刀具轨迹模拟显示、NC加加工指令。工指令。在集成环境下，在集成环境下，CAPP数据共享。数据共享。（5）各类库：
7、）各类库：工程数据库（包括材料、加工方法、机床、工程数据库（包括材料、加工方法、机床、刀具、装夹方法、切削条件等），数据词典库、工序子图刀具、装夹方法、切削条件等），数据词典库、工序子图库、工艺知识库、工艺规划库、工艺文件库、库、工艺知识库、工艺规划库、工艺文件库、NC代码库代码库等。等。1、打开已有、打开已有零件图并进零件图并进行工艺过程行工艺过程设计设计 输入转换比例：1：1。并切换到零件图模式。应用实例：应用实例：2、填写工艺过程卡 填写表头区 填写表中区填写表中区 3、进入工序卡的编辑、进入工序卡的编辑 1）绘制工序简图）绘制工序简图从从图库图库-夹具符号库夹具符号库调取夹具调取夹具
8、1、检索式、检索式CAPP系统系统 根据输入信息，直接检索整个工艺过程的解，为此，要预先存入一系列标准工艺过程，不需要规划操作。2、修订式、修订式CAPP系统系统 检索典型工艺过程修改（订），也称为样件式、派生式派生式、变异式CAPP系统。（常用形式）3、生成式、生成式CAPP系统（又称创成式）系统（又称创成式）从本质上也是一种检索操作，不过它不是直接检索工艺过程及其组成，而是搜索决策规划加以运用。（较难实现）4、综合式（半创成式）、综合式（半创成式）CAPP系统系统 它是将修订式和创成式结合起来。（很有前途）5、交互式、交互式CAPP系统系统 以人机交互为主，操作人员在系统的提示引导下，回答
9、工艺设计问题，对工艺过程进行决策。设计质量对人的依赖性很大。（较为实用）6、智能式、智能式CAPP系统（系统（CAPP专家系统）专家系统）应用AI、ES技术，采用“推理知识”。（发展初期）3.2 常用的常用的CAPP系统系统CAPP发展的阶段检索式派生式创成式专家系统体系结构1965 1997工具化挪威挪威AUTOPROSAUTOPROS系统系统美国美国MDMD公司与公司与CAM-ICAM-I开发的开发的CAPP-CAM-ICAPP-CAM-I系统系统英国曼彻斯特大学开发英国曼彻斯特大学开发AutoCAPAutoCAP系统系统美国普渡大学美国普渡大学WyskWysk博士开发博士开发的的APPA
10、SAPPAS系统系统法国的法国的DescotteDescotte等人开发的等人开发的GARIGARI系统系统日本东京大学开发的日本东京大学开发的TOMTOM系统系统英国英国UMISTUMIST大学开发的大学开发的XCUTXCUT系统系统3.2.1 修订式CAPP系统1）基本原理）基本原理利用零件的相似性即相似零件有相似工艺规程。n系统条件：系统条件：修订式系统必须有一定量的样板（标准）工艺文件，在已有工艺文件的基础上修改编制生成新的工艺文件。n一个新零件的工艺规程是通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以筛选或编辑而成的。计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序。变异式CAPP系统工作原
11、理 应用修订式应用修订式CAPPCAPP系统对某零件进行系统对某零件进行工艺设计时，先对该零件进行成组工艺设计时，先对该零件进行成组编码，然后根据零件编码由零件族编码，然后根据零件编码由零件族特征矩阵库确定其所属零件族，检特征矩阵库确定其所属零件族，检索调用该族零件的标准工艺规程，索调用该族零件的标准工艺规程，再对该标准工艺规程进行编辑、修再对该标准工艺规程进行编辑、修改，最终获得该零件的工艺规程。改，最终获得该零件的工艺规程。Optiz编码系统结构编码系统结构 n2）修订式CAPP的开发划分零件族选择分类编码系统编制标准工艺规程标准工艺规程数据库设计系统开发调试与运行根据企业各种产品零件进行
12、分析选择成熟的系统原则是：以制造过程相似性为主以制造过程相似性为主兼顾零件几何形状的相似性总结现有工艺规程的基础上编制能代表整个零件簇的加工工艺充分考虑检索的方便性，可采用数据库系统，可存于数据文件中可采用数据库管理系统进行程序开发，也可采用通用语言开发工序尺寸公差、切削时间、加工费用等计算、切削用量优化等子程序KK-3系统 Opitz系统 JLBM-1系统GT系统VB、C+、CAD、SQL3 3）修订式）修订式CAPPCAPP的应用的应用q具体步骤具体步骤n按照采用的分类编码系统，对实际零件进行编码；按照采用的分类编码系统，对实际零件进行编码；n检索该零件所在的零件族；检索该零件所在的零件族
13、；n调出该零件族的标准工艺规程；调出该零件族的标准工艺规程；n利用系统的交互式编辑界面，对标准工艺规程进行筛选，利用系统的交互式编辑界面，对标准工艺规程进行筛选，编辑或修订。有些系统则提供自动修订的功能，但这需要编辑或修订。有些系统则提供自动修订的功能，但这需要补充输入零件的一些具体信息。补充输入零件的一些具体信息。n将修订好的工艺规程存储起来，并按给定的格式打印输出。将修订好的工艺规程存储起来，并按给定的格式打印输出。零件编码检索调出工艺编辑修改存储打印修订式修订式CAPP适用场景：适用场景：零件的结构和工艺具有较高的相似性零件的结构和工艺具有较高的相似性国内外典型修订式国内外典型修订式CA
14、PP系统系统 序号序号系系统统名称名称适用适用对对象象系系统统特点特点研制研制时间时间研制研制单单位位1CAPP各种零件各种零件人人-机交互机交互1976年年CAM-(美美)2CAPP-回回转转件件GT码码及型面及型面输输入入1987年年机械工机械工业业部五院（中）部五院（中）3COMCAPP 回回转转件、箱体件件、箱体件JCODE系系统输统输入入1985年年MDSI(美美)4COPICS各种零件各种零件1985年年MTU(德德)5COROCUT回回转转件件1986年年Sandvik(瑞典瑞典)6C-PLAN各种零件各种零件1987年年CAD Centre(英英)7CUTDATA回回转转件、箱
15、体件件、箱体件1987年年MRAT(美美)8CUTPLAN回回转转件、箱体件件、箱体件工工艺艺路路线线制制订订1987年年MRAT(美美)9GECAPP-PLUS各种零件各种零件1985年年GE Co.（美）（美）10GENTECH回回转转件件1985年年CIOM(保加利保加利亚亚)11CLIM回回转转件件1980年年ITT（以色列）（以色列）12GT-CAPP各种零件各种零件采用零件采用零件组组代代码码1987年年Rockwell Inc.(美美)13BGCAP各种零件各种零件形面形面输输入入1987年年北京科技大学（中）北京科技大学（中）14TOJICAP回回转转件件GT码码及型面及型面输
16、输入入1982年年同同济济大学（中）大学（中）15THCAPP各种零件各种零件形面形面输输入入1992年年清清华华大学（中）大学（中）3.2.2 生成式CAPP系统1)生成式生成式CAPP系统工作原理系统工作原理n基本思路是将人们设计工艺过程时用的推理和决策方法转基本思路是将人们设计工艺过程时用的推理和决策方法转换成计算机可以处理的决策模型、算法及程序代码，从而换成计算机可以处理的决策模型、算法及程序代码，从而依靠系统决策，自动生成零件的工艺规程。生成式依靠系统决策，自动生成零件的工艺规程。生成式CAPP实际上是一种智能程序。实际上是一种智能程序。n存在问题存在问题q由于工艺的复杂性，一般需要
17、人工干预由于工艺的复杂性，一般需要人工干预q由于技术发展原因，短期内难于做到完全自动化由于技术发展原因，短期内难于做到完全自动化q半创成式或综合式半创成式或综合式CAPPCAPP系统系统n包含重要的决策逻辑，或者只有一部分工艺决策逻辑的包含重要的决策逻辑，或者只有一部分工艺决策逻辑的CAPP系统。系统。零件图零件图工艺方案生工艺方案生成成零件几何及零件几何及工艺信息描工艺信息描述述工艺决策工艺决策逻辑程序库逻辑程序库CAD数据库数据库工艺方案工艺方案2)生成式生成式CAPP系统的开发系统的开发n明确所开发的系统的设计对象及应用环境，即明确所开发的系统的设计对象及应用环境，即本系统将适本系统将适
18、用于哪一类型的零件用于哪一类型的零件，适用于什么样生产环境，应包括哪适用于什么样生产环境，应包括哪些功能些功能；n零件结构与工艺分析零件结构与工艺分析：确认该类零件由哪些表面元素或特：确认该类零件由哪些表面元素或特征构成，每种表面元素或特征的加工方法有哪些，零件有征构成，每种表面元素或特征的加工方法有哪些，零件有哪些加工工序等；哪些加工工序等；n建立各种加工方法的加工能力、加工精度，以及各种标准建立各种加工方法的加工能力、加工精度，以及各种标准数据等工程数据文件或数据库等；数据等工程数据文件或数据库等；n工艺决策模型及功能实现模型的建立；工艺决策模型及功能实现模型的建立；n系统程序设计、编码、
19、调试与试运行。系统程序设计、编码、调试与试运行。明确需求需求分析数据库设计信息模型开发实现3 3）生成式）生成式CAPPCAPP系统关键技术系统关键技术 工艺决策方法工艺决策方法A A、决策树（、决策树（Decision TreeDecision Tree）n用数据结构中的树来表示逻辑关系的方法用数据结构中的树来表示逻辑关系的方法n树由节点和边构成树由节点和边构成q节点表示动作或一次测试节点表示动作或一次测试q边表示条件边表示条件q最后的动作在终结点上最后的动作在终结点上B B、决策表（、决策表（Decision TableDecision Table）n工艺逻辑用表格形式表达。其优点：工艺逻
20、辑用表格形式表达。其优点：q可以明晰、准确、紧凑地表达复杂的逻辑关系；可以明晰、准确、紧凑地表达复杂的逻辑关系；q易读、易理解，可以方便地检查遗漏及逻辑上的不一致；易读、易理解，可以方便地检查遗漏及逻辑上的不一致；q易于转换成程序流程和代码。易于转换成程序流程和代码。决策表的基本结构：四部分组成决策表的基本结构：四部分组成 T表示条件表示条件“真真”，F表示条件为表示条件为“假假”，而空则表示，而空则表示“无关无关”（即此条件不（即此条件不是影响条件）；是影响条件）；在动作项中，在动作项中，“”表示执行该动作，空表示不执行。表示执行该动作，空表示不执行。决策表中，每一列表示一条决策规则。决策表
21、中，每一列表示一条决策规则。条件根条件根条件项（条件项（T T、F F、空格无关）、空格无关）动作根动作根动作项（动作项（执行、空格不执行）执行、空格不执行）尺寸精度尺寸精度IT1113TFF尺寸精度尺寸精度IT810FTF尺寸精度尺寸精度IT67FFT粗铣粗铣111半精铣半精铣22精铣精铣3简单规则简单规则：条件项都是：条件项都是“T”或或“F”，并且不含无关的规则称为，并且不含无关的规则称为简单规简单规则则，否则称为，否则称为复杂规则复杂规则。一条复杂规则可以简化成两个或更多的简单规则。一条复杂规则可以简化成两个或更多的简单规则。对冗余规则，应将其合并。对冗余规则，应将其合并。一条决策规则
22、一条决策规则4）生成式CAPP系统的体系结构总总控控模模块块零件信息交零件信息交互输入系统互输入系统CAD后处理后处理系统系统零件工艺自动零件工艺自动生成系统生成系统工艺文件生成工艺文件生成与输出系统与输出系统分层式特征分层式特征描述系统描述系统数据格式数据格式交换模块交换模块信息转换模块信息转换模块曲面立体图绘曲面立体图绘制模块制模块加工方法、加工余量选择模块加工方法、加工余量选择模块机床、夹具选择模块机床、夹具选择模块刀具、切削用量选择模块刀具、切削用量选择模块工时、定额计算模块工时、定额计算模块数数据据库库3.2.3 CAPP3.2.3 CAPP工艺决策专家系统工艺决策专家系统A A、专
23、家系统、专家系统ES定义定义nES是一种在特定领域内具有专家水平的计算机程序系统，是一种在特定领域内具有专家水平的计算机程序系统，它将人类专家的它将人类专家的知识和经验以知识库的形式存入计算机，知识和经验以知识库的形式存入计算机，并模拟人类专家解决问题的推理方式和思维过程并模拟人类专家解决问题的推理方式和思维过程，运用这，运用这些知识和经验对现实中的问题作出判断和决策。些知识和经验对现实中的问题作出判断和决策。q专家系统组成专家系统组成n知识库知识库q存储领域的专门知识，是存储领域的专门知识，是ES的核心的核心q工艺决策知识库建立有很大难度工艺决策知识库建立有很大难度n推理机推理机q推理机控制
24、并执行对问题的求解，它根据已知事实，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，按一定推理方法和搜索策略利用知识库中的知识，按一定推理方法和搜索策略进行推理，得到问题答案或证实某一结论。进行推理，得到问题答案或证实某一结论。B B、专家系统的构成、专家系统的构成n知识库知识库n推理机推理机n黑板黑板n人机接口（输入人机接口（输入/输输出）出）n解释机构解释机构n知识获取机构知识获取机构动态数据库动态数据库（黑板）（黑板）知识库知识库人机接口人机接口解释机构解释机构（编码及规则等）（编码及规则等）推理机推理机知识获取知识获取C、专家系统的特点n以以“逻辑推理知识逻辑推理知识
25、”为核心，注重工艺知识为核心，注重工艺知识的表达、处理机制以及决策过程的自动化。的表达、处理机制以及决策过程的自动化。n专家系统采用人工智能原理与技术。专家系统采用人工智能原理与技术。n专家系统解决的是复杂而专门的问题。专家系统解决的是复杂而专门的问题。n专家系统突出了知识的价值。专家系统突出了知识的价值。n系统的适应性好，并具有良好的开放性。系统的适应性好，并具有良好的开放性。n系统决策的合理程度取决于系统所拥有的知识系统决策的合理程度取决于系统所拥有的知识的数量和质量。的数量和质量。n系统决策的效率取决于系统是否拥有合适的启系统决策的效率取决于系统是否拥有合适的启发式信息。发式信息。D、专
26、家系统、专家系统CAPP的开发的开发1）零件信息的描述）零件信息的描述常用的表达方法：常用的表达方法：框架表示法框架表示法、规则表示法、逻、规则表示法、逻辑表示法、语义网络表示法辑表示法、语义网络表示法框架表示法框架表示法（孔框架）（孔框架）（孔直径，数值）（孔直径，数值）（直径公差，数值）（直径公差，数值）（孔长度，数值）（孔长度，数值）（表面粗糙度，数值）（表面粗糙度，数值）槽槽一个教室A的框架 1975年，Minsky的论文“Aframework for representing knowledge”中提出了框架理论。2）工艺知识库建立）工艺知识库建立n工艺知识的收集、调研、归纳（包括加
27、工方法逻辑、工序安排决工艺知识的收集、调研、归纳（包括加工方法逻辑、工序安排决策逻辑等）。策逻辑等）。n工艺知识总结成规则，存入计算机。工艺知识总结成规则，存入计算机。n知识表达方式：常用产生式规则知识表达方式：常用产生式规则n产生式规则产生式规则：IF THEN，并用可信度表示确定性。，并用可信度表示确定性。IF 特征是轮廓特征特征是轮廓特征 表面粗糙度表面粗糙度1.6，12.5THEN 推荐的加工方式是铣削推荐的加工方式是铣削 可信度可信度0.93）推理机）推理机n在CAPP系统中一般为逆向搜索、反向推理。零件的最终几何与性能状态倒数第二的预加工零件状态。零件毛坯状态CAPP专家系统开发语
28、言：专家系统开发语言：LISP、PROLOG、C+、SMALLTALK。这些软件具有符号处理能力（非数值处。这些软件具有符号处理能力（非数值处理能力）。理能力）。E、专家系统、专家系统CAPP的应用的应用n20世纪世纪80年代以来，国内外已开发了许多工艺决年代以来，国内外已开发了许多工艺决策专家系统，但多是原型系统，知识数量少，功策专家系统，但多是原型系统，知识数量少，功能有限，难以满足实用化要求，因此仅有很少的能有限，难以满足实用化要求，因此仅有很少的几个系统获得了实际应用。几个系统获得了实际应用。3.3 CAPP的发展趋势1）集成化）集成化n面向数控编程的集成：CAD/CAPP/CAMn面向数据共享的集成：CAD/CAPP/PDM/ERPn面向CE等先进制造模式的集成：CAD/CAPP/生产计划调度（PPS）n2）现代CAPP系统开发模型CAPP用户（工艺设计人员）CAPP应用系统CAPP动态集成用户反馈意见CAPP系统开发者知识库CAPP系统框架CAPP专用模块用户反馈意见CAPP系统开发者CAPP平台开发者3）加工工艺参数的智能优化）加工工艺参数的智能优化 p遗传算法遗传算法p神经网络神经网络p模拟退火算法模拟退火算法