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1、专题二：专题二：CIMSCIMS组成与体系组成与体系之之CAxCAx(下下)现代集成制造系统现代集成制造系统朱海平机械学院制造装备数字化国家工程中心/工业工程系目 录n Part1:CAPP简介简介n Part2:CAPP关键技术关键技术n Part3:CAPP软件系统软件系统n Part4:CAPP发展趋势发展趋势3/26/20232工艺设计在工艺设计在PLM中所处的阶段中所处的阶段Test&Quality Assurance nPLM(Product Lifecycle Management)3/26/20233Requirement&PlanConcept DesignSimulatio
2、n&AnalysisProduct EngineeringManufacturing EngineeringProcess Verification AnalysisProduction&ManufacturingSalesServices SupportScrapping&RecyclingProduct LifecycleProcess Planning工艺设计与工艺设计与CAPPn工工艺艺设设计计的的基基本本任任务务：将将产产品品(包包括括零零件件)的的设设计计结结果果转转换换为为要要把把原原材材料料制制造造成成为为这这样样的的产产品品所所需需要要的的 一一 系系 列列 操操 作作(Op
3、erations)及及 资资 源源 需需 求求(Resource Requirements)的描述的描述n工工艺艺设设计计是是连连接接产产品品设设计计和和实实际际生生产产的的纽纽带带，是是生产准备的重要环节生产准备的重要环节nCAPP是是Computer Aided Process Planning的的缩写缩写nCAPP是是CIMS的重要组成部分的重要组成部分3/26/20234工艺设计的工作内容和类型工艺设计的工作内容和类型n工作内容工作内容毛坯设计毛坯设计工艺方案制定工艺方案制定工艺路线排序工艺路线排序详细工序设计：工装设计、工艺参数确定、机床和刀夹具选详细工序设计：工装设计、工艺参数确定
4、、机床和刀夹具选择、工序图生成等等择、工序图生成等等工时定额估计工时定额估计工艺仿真验证工艺仿真验证工艺文件输出工艺文件输出n工艺类型工艺类型零件的机械加工工艺、钣金件的冲压工艺、零件的铸造工艺、零件的机械加工工艺、钣金件的冲压工艺、零件的铸造工艺、锻造工艺、焊接工艺和热处理工艺等等锻造工艺、焊接工艺和热处理工艺等等产品及其部件产品及其部件(包括组件和合件包括组件和合件)的装配工艺的装配工艺3/26/20235企业为什么需要企业为什么需要CAPP？n减减轻轻劳劳动动量量：工工艺艺设设计计是是很很繁繁琐琐的的工工作作，信信息息处处理理量量大大，各种信息之间的关系极为错综复杂各种信息之间的关系极为
5、错综复杂n重复利用知识：将经验转化为知识，辅助工艺决策重复利用知识：将经验转化为知识，辅助工艺决策n信息共享：实现产品设计和工艺设计之间的并行工程信息共享：实现产品设计和工艺设计之间的并行工程n过过程程管管理理：实实现现工工艺艺人人员员之之间间的的协协同同工工作作，实实现现工工艺艺发发布布流程和变更流程的电子化流程和变更流程的电子化n优化设计结果：工艺方案不但可行，还要尽量优化优化设计结果：工艺方案不但可行，还要尽量优化n仿真分析和验证：减少实际生产中因工艺错误造成的损失仿真分析和验证：减少实际生产中因工艺错误造成的损失n规范化和标准化：一致的工艺文件格式、工艺术语等规范化和标准化：一致的工艺
6、文件格式、工艺术语等n最终缩短生产准备周期，降低成本最终缩短生产准备周期，降低成本3/26/20236CAPP的基本内涵的基本内涵n既是软件工具集既是软件工具集计算机辅助工具集计算机辅助工具集(CAX)包括包括CAD/CAE/CAPP/CAM等，等，其中其中CAPP工具集包括工艺方案选择、工艺路线排序、工具集包括工艺方案选择、工艺路线排序、工序内容决策、虚拟加工工序内容决策、虚拟加工/装配、工艺报表输出等基本装配、工艺报表输出等基本子工具子工具n又是管理系统又是管理系统系统的基本输入是系统的基本输入是CAD数模文件和工程数模文件和工程BOM系统的基本输出是工艺规程文件和工艺系统的基本输出是工艺
7、规程文件和工艺BOM系统所管理的信息包括：工艺资源、工艺知识、工艺系统所管理的信息包括：工艺资源、工艺知识、工艺文件、工艺设计过程等等文件、工艺设计过程等等3/26/20237CAPP的发展历史的发展历史(1)n对对CAPP的研究始于的研究始于20世纪世纪60年代，年代，1969年挪威发表第一年挪威发表第一个个CAPP系统系统AUTOPROS，它是根据成组技术原理，利，它是根据成组技术原理，利用零件的相似性去检索和修改标准工艺过程的形式来形成用零件的相似性去检索和修改标准工艺过程的形式来形成相应零件的工艺规程相应零件的工艺规程n1976年，美国的年，美国的CAM-I公司研制出了可在微机上运行的
8、公司研制出了可在微机上运行的CAPP系统，其工作原理也是成组技术系统，其工作原理也是成组技术n随后的随后的20余年时间里，出现了若干派生式、创成式以及混余年时间里，出现了若干派生式、创成式以及混合式合式CAPP系统，它们都以利用智能化和专家系统方法来系统，它们都以利用智能化和专家系统方法来自动或半自动编制工艺规程为主要目标自动或半自动编制工艺规程为主要目标n迄今为止国内外还没有兼具实用性和通用性、真正商品化迄今为止国内外还没有兼具实用性和通用性、真正商品化的、能自动完成工艺设计的的、能自动完成工艺设计的CAPP系统系统3/26/20238CAPP的发展历史的发展历史(2)n目前在国际上，目前在
9、国际上，CAPP的核心功能一般不以一个独立的系的核心功能一般不以一个独立的系统存在，而是嵌入到其它系统中，比如：统存在，而是嵌入到其它系统中，比如：PDM系统系统(Teamcenter Engineering,Windchill等等)既能管理产品既能管理产品设计数据，也能管理工艺数据设计数据，也能管理工艺数据三维三维CAD软件软件(UG,Pro/E等等)能进行虚拟装配能进行虚拟装配CAM软件能进行虚拟加工软件能进行虚拟加工数字化工厂数字化工厂/数字化制造软件数字化制造软件(Tecnomatix,DELMIA等等)包含了工包含了工艺规划和工艺验证等功能艺规划和工艺验证等功能n然而，在中国国内，却
10、存在一批商业化然而，在中国国内，却存在一批商业化CAPP软件，它们软件，它们一般都提供了工艺文件管理、工艺规程编制和工艺流程管一般都提供了工艺文件管理、工艺规程编制和工艺流程管理等功能，但工艺决策和工艺仿真功能相对欠缺理等功能，但工艺决策和工艺仿真功能相对欠缺3/26/20239102023/3/26CAPP系统的分类系统的分类CAPP系统检索式(Index)系统派生式(Variant)系统创成式(Generative)系统混合式(Hybrid)系统基于成组技术基于特征基于传统过程方式的决策基于知识基于推理机派生式与创成式相结合基于实例与知识其他混合式检索式检索式CAPPn检索式检索式(Ind
11、ex)系统是最简单的系统是最简单的CAPP系统系统常应用于大批、大量生产模式。工件的种类很少，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零件变化不大且相似程度很高不需要进行零件的编码，在建立系统时，将各类零不需要进行零件的编码，在建立系统时，将各类零件的工艺规程输入计算机。计算机只起到存储、检件的工艺规程输入计算机。计算机只起到存储、检索、修改的作用索、修改的作用通常只需要对已建立的工艺规程进行管理即可通常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，就将同类零件的如果需要编制新零件的工艺规程，就将同类零件的工艺规程调出并进行修改工艺规程调出并进
12、行修改3/26/202311派生式派生式(变异式变异式)CAPPn建立在成组技术建立在成组技术(GT:Group Technology)基础上，基于零件的基础上，基于零件的相似性相似性(尺寸相似、形状相似、工艺相似尺寸相似、形状相似、工艺相似)原理来进行工艺设计原理来进行工艺设计和工艺信息管理和工艺信息管理n零件工艺规程库的建立过程零件工艺规程库的建立过程将各种零件分类归族，形成零件组将各种零件分类归族，形成零件组对于每一零件族，选择或构造标准样件对于每一零件族，选择或构造标准样件 对标准样件编制标准工艺规程对标准样件编制标准工艺规程将该标准工艺规程存放在数据库中将该标准工艺规程存放在数据库中
13、n新零件的工艺规程设计过程新零件的工艺规程设计过程输入该零件的成组技术代码输入该零件的成组技术代码根据零件的成组技术代码得到标准工艺规程根据零件的成组技术代码得到标准工艺规程修改编辑得到所需的工艺规程修改编辑得到所需的工艺规程3/26/202312派生式派生式CAPP示意图示意图3/26/202313基于基于GT的工艺规程库的工艺规程库工艺设计过程工艺设计过程零件图零件图零件编码零件编码工艺路线工艺路线编辑器编辑器工艺路线工艺路线生成生成零件特零件特征识别征识别工艺路线工艺路线工艺设计工艺设计结果结果工艺规程工艺规程设计设计工艺规程工艺规程编辑器编辑器标准工艺标准工艺路线库路线库标准工艺标准工
14、艺规程库规程库创成式创成式CAPPn在创成式在创成式CAPP中不存在标准的工艺规程，但是中不存在标准的工艺规程，但是有一个收集了大量工艺数据的数据库和一个存贮有一个收集了大量工艺数据的数据库和一个存贮了工艺专家知识的知识库了工艺专家知识的知识库n依靠系统提供的各种决策逻辑依靠系统提供的各种决策逻辑(过程过程)以及各种有以及各种有关的制造工程数据信息，应用各种工艺决策规则，关的制造工程数据信息，应用各种工艺决策规则，从无到有，自动生成该零件的工艺规程从无到有，自动生成该零件的工艺规程n创成式创成式CAPP系统理论目前尚不完善，因此还未系统理论目前尚不完善，因此还未出现一个纯粹的创成式出现一个纯粹
15、的创成式CAPP系统系统3/26/202314创成式创成式CAPP示意图示意图3/26/202315零件识别零件输入输出工艺创成工艺文件工艺数据库事实库规则库动态数据库创成式创成式CAPP的核心的核心n核心是工艺决策逻辑和决策模型的建立核心是工艺决策逻辑和决策模型的建立选定零件类型，建立零件描述信息模型选定零件类型，建立零件描述信息模型对该类零件进行工艺分析，从零件描述信息中直接对该类零件进行工艺分析，从零件描述信息中直接抽取或分析出加工特征，并为这些加工特征提供可抽取或分析出加工特征，并为这些加工特征提供可供选择的加工方法供选择的加工方法建立各种加工方法的加工能力及加工精度等基本工建立各种加
16、工方法的加工能力及加工精度等基本工艺知识工程数据库艺知识工程数据库归纳和建立各种工艺决策逻辑和决策模型，形成知归纳和建立各种工艺决策逻辑和决策模型，形成知识库识库(事实库、规则库等事实库、规则库等)3/26/202316172023/3/261 1）特征识别）特征识别属性属性属性属性属性属性属性属性属性属性属性属性零件识别零件识别创成式创成式CAPP零件识别零件识别创成式创成式CAPP192023/3/26事实库事实库典型加工路线：典型加工路线：例如主轴例如主轴下料下料粗车粗车粗倒角粗倒角调质调质半精车半精车倒角倒角淬火淬火磨削磨削下料下料粗车粗车粗倒角粗倒角调质调质半精车半精车倒角倒角精车精
17、车创成式创成式CAPP202023/3/26事实库事实库加工设备加工设备CA6140车床车床1CA6185车床车床2加工中心加工中心1加工中心加工中心2创成式创成式CAPP 加工方法选择加工方法选择 工件材料工件材料 表面形状表面形状 尺寸、公差、表面粗糙度尺寸、公差、表面粗糙度 生产批量生产批量 可供使用的机床设备等。可供使用的机床设备等。工艺路线安排工艺路线安排 先基后面先基后面 先粗后精先粗后精 先面后孔（槽）先面后孔（槽）工序设计工序设计 加工设备和工艺辅具选择加工设备和工艺辅具选择 工步内容和次序安排工步内容和次序安排 加工余量确定加工余量确定 工序尺寸和公差的确定工序尺寸和公差的确
18、定 切削用量确定切削用量确定212023/3/26工艺决策工艺决策选择选择加工方法、加工设备、切削用量、刀具等加工方法、加工设备、切削用量、刀具等 数值计算数值计算（工时定额、尺寸链、材料利用率等）（工时定额、尺寸链、材料利用率等）编辑（文字处理、制表工作等）编辑（文字处理、制表工作等）222023/3/26决策模型决策模型 n工艺过程设计是典型的复杂问题，设计各阶段所涉及工艺过程设计是典型的复杂问题，设计各阶段所涉及的决策过程的性质是多种多样的：的决策过程的性质是多种多样的：工序尺寸计算、切削用量选择、时间定额计算以及生产成本工序尺寸计算、切削用量选择、时间定额计算以及生产成本费用计算等数值
19、计算可以依靠数学模型。费用计算等数值计算可以依靠数学模型。大多数决策过程属于逻辑决策。只能依靠建立大多数决策过程属于逻辑决策。只能依靠建立决策模型决策模型来实来实现。现。n依靠大量的制造工程数据依靠大量的制造工程数据n依靠专家丰富的生产实践经验和技巧依靠专家丰富的生产实践经验和技巧n产品信息描述是建立模型的基础产品信息描述是建立模型的基础232023/3/26决策模型决策模型n加工方法选择加工方法选择 n工艺路线安排工艺路线安排 n工序设计工序设计 加工设备和工具选择加工设备和工具选择工步内容和次序安排工步内容和次序安排加工余量确定加工余量确定工序尺寸和公差的确定工序尺寸和公差的确定切削用量确
20、定切削用量确定时间定额计算时间定额计算加工费用计算加工费用计算加工过程优化加工过程优化 242023/3/26决策模型（以加工方法选择为例）决策模型（以加工方法选择为例）n加工方法选择：即是加工工序序列的选择加工方法选择：即是加工工序序列的选择表面特征表面特征表面加工方法的选择表面加工方法的选择加工工序序列加工工序序列n确定工序序列：确定工序序列：正向设计正向设计指的是从毛坯形状开始，逐步选择合适的加工工序，指的是从毛坯形状开始，逐步选择合适的加工工序，直至能加工出符合最终目标要求的形状为止。直至能加工出符合最终目标要求的形状为止。反向设计反向设计是反向的设计过程，即从零件形状特征的最终要求开
21、是反向的设计过程，即从零件形状特征的最终要求开始，反向逐步选择合适的加工工序，直至选择出无需预加工为始，反向逐步选择合适的加工工序，直至选择出无需预加工为止。止。为多数创成式为多数创成式CAPPCAPP系统所采用系统所采用。n加工方法选择应考虑的因素：加工方法选择应考虑的因素：工件材料、表面形状、尺工件材料、表面形状、尺寸、公差、表面粗糙度、生产批量、生产开销和可供使寸、公差、表面粗糙度、生产批量、生产开销和可供使用的机床设备等。用的机床设备等。252023/3/26决策方法决策方法n决策表决策表 n决策树决策树n工艺设计专家系统工艺设计专家系统 262023/3/26决策表决策表n某类零件半
22、精加工的规则如下：某类零件半精加工的规则如下：（1 1）如果加工精度低于如果加工精度低于E E级，则不精车；级，则不精车；（2 2）如果加工精度高于如果加工精度高于E E级，且级，且L/D45L/D45，各圆留余量，各圆留余量5mm5mm；（3 3）如果加工精度高于如果加工精度高于E E级，且级，且L/D45L/D45，各圆留余量，各圆留余量4mm4mm；272023/3/26决策树决策树n某类零件半精加工的规则某类零件半精加工的规则=E级半精加工45L/D=45不精车留余量5mm留余量4mm282023/3/26工艺设计专家系统工艺设计专家系统 n在利用决策表和决策树的在利用决策表和决策树的
23、CAPPCAPP系统中，工艺知识和决策逻辑系统中，工艺知识和决策逻辑都用程序设计语言编制在软件程序中，系统程序一旦编制、调都用程序设计语言编制在软件程序中，系统程序一旦编制、调试完毕，其功能就确定下来，很不容易修改。试完毕，其功能就确定下来，很不容易修改。n当生产环境变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。当生产环境变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。n现有的创成式现有的创成式CAPPCAPP系统缺乏总结经验、发现问题的自学习能系统缺乏总结经验、发现问题的自学习能力。力。n由于这些缺陷，促使人们将人工智能、专家系统的原理应用于由于这些缺陷，促使人们将人工智能、专家系统的原理应用于CAPPCAP
24、P系统，开发出柔性高，具有自学功能，能够真正模拟人系统，开发出柔性高，具有自学功能，能够真正模拟人类专家进行工艺设计的创成式类专家进行工艺设计的创成式CAPPCAPP系统。系统。292023/3/262 2）工艺数据库）工艺数据库创成式创成式CAPP结果示例结果示例各种各种CAPP的不足之处的不足之处n检索式检索式CAPP不具备任何智能不具备任何智能n派生式系统必须有标准文件，因此它有一定的适用范派生式系统必须有标准文件，因此它有一定的适用范围局限性，只能针对某些具有相似性的零件产生工艺围局限性，只能针对某些具有相似性的零件产生工艺文件文件n创成式系统虽然能自动生成工艺文件，但需输入全面创成式
25、系统虽然能自动生成工艺文件，但需输入全面的零件信息，信息需求量极大，系统要确定零件的加的零件信息，信息需求量极大，系统要确定零件的加工路线、定位基准、装夹方式等，由于工艺设计的特工路线、定位基准、装夹方式等，由于工艺设计的特殊性及个性化特征，这些知识的表达和推理目前无法殊性及个性化特征，这些知识的表达和推理目前无法很好的实现很好的实现3/26/202330目 录n Part1:CAPP简介简介n Part2:CAPP关键技术关键技术n Part3:CAPP软件系统软件系统n Part4:CAPP发展趋势发展趋势3/26/202331CAPP关键技术关键技术1.面向工艺设计的产品信息模型获取面向
26、工艺设计的产品信息模型获取2.工艺知识的获取与描述工艺知识的获取与描述3.工艺方案的多目标决策工艺方案的多目标决策4.工艺路线排序工艺路线排序5.基于相似性原理的变异式工艺设计基于相似性原理的变异式工艺设计6.参数化加工工艺设计参数化加工工艺设计7.装配工艺规划与验证装配工艺规划与验证8.工艺工艺BOM的生成与管理的生成与管理3/26/2023321.面向工艺设计的产品信息模型获取n从三维从三维CAD系统中提取所需的零件特征，建立工系统中提取所需的零件特征，建立工艺信息模型，从而对产品设计工作进行工艺性评艺信息模型，从而对产品设计工作进行工艺性评价，并根据零件几何特征和加工工艺特征来进行价，并
27、根据零件几何特征和加工工艺特征来进行工艺设计工艺设计nCAD/CAPP的集成信息的集成信息产品设计信息。包括零件各基本几何形体的表面特征、产品设计信息。包括零件各基本几何形体的表面特征、结构特征、零件的尺寸、基本几何形体在零件中所处结构特征、零件的尺寸、基本几何形体在零件中所处的位置等的位置等加工工艺要求。包括表面粗糙度，形状位置精度，形加工工艺要求。包括表面粗糙度，形状位置精度，形位间的相互位置精度等位间的相互位置精度等EBOM(Engineering BOM)工艺评价反馈工艺评价反馈3/26/202333CAD/CAPP的集成途径的集成途径(1)n标准中性文件标准中性文件DXF,PDES,
28、IGES等等STEP(Stand for Exchange of Product Model Data)。ISO制订的产品数据表达与交换的标准，制订的产品数据表达与交换的标准，SETP零件模型由零件模型由EXPRESS描述语言定义描述语言定义3/26/202334CAD/CAPP的集成途径(2)nPDM(Product Data Management)系统系统CAD/CAPP的数据全部在的数据全部在PDM系统中管理系统中管理设计人员和工艺人员实现了真正的信息共享，这是设计人员和工艺人员实现了真正的信息共享，这是并行工程并行工程(CE,Concurrent Engineering)的基础的基础3
29、/26/202335三维轻量化工艺信息模型三维轻量化工艺信息模型(1)n传统的传统的CAPP中，工艺信息以数据库表格和二维图中，工艺信息以数据库表格和二维图(AutoCAD等等)的形式存在，不够直观的形式存在，不够直观n三维轻量化工艺信息模型的优点三维轻量化工艺信息模型的优点形象直观，易于实现可视化工艺设计导航形象直观，易于实现可视化工艺设计导航数据量小，易于实现网络传输和浏览数据量小，易于实现网络传输和浏览支持空间尺寸链的自动计算支持空间尺寸链的自动计算n许多许多CAD软件产商正致力于三维轻量化软件产商正致力于三维轻量化CAD模型模型的研究和格式制定，比如的研究和格式制定，比如VRML格式、
30、格式、UGS的的JT文文件、件、Spatial的的HSF文件等等文件等等3/26/202336三维轻量化工艺信息模型三维轻量化工艺信息模型(2)n产品的三维设计模型和工艺模型存在较大的差产品的三维设计模型和工艺模型存在较大的差异异设计人员和工艺人员习惯于从不同的视设计人员和工艺人员习惯于从不同的视角来看待产品，前者关心产品的造型和功能，角来看待产品，前者关心产品的造型和功能，后者则更关注产品加工和装配的实现途径。因后者则更关注产品加工和装配的实现途径。因此设计模型和工艺模型之间是一对多的关系，此设计模型和工艺模型之间是一对多的关系，需要解决以下关键技术：需要解决以下关键技术：从设计域到工艺域的
31、特征映射方法从设计域到工艺域的特征映射方法面向可视化工艺的特征简化和模型轻量化方法面向可视化工艺的特征简化和模型轻量化方法建立能支持不同建立能支持不同CAD软件的中性文件格式软件的中性文件格式3/26/2023372.工艺知识的描述与获取工艺知识的描述与获取(1)n工艺知识表现为一系列的决策规则，它是实现工艺过工艺知识表现为一系列的决策规则，它是实现工艺过程辅助决策支持的基础。工艺经验和工艺标准最终都程辅助决策支持的基础。工艺经验和工艺标准最终都可以转化为工艺知识可以转化为工艺知识n加工方法的多样性和工艺人员的主观性使得工艺知识加工方法的多样性和工艺人员的主观性使得工艺知识的形式多样，并且往往
32、存在不确定性的形式多样，并且往往存在不确定性n常用的工艺知识描述方法常用的工艺知识描述方法决策表决策表决策树决策树IFThen规则规则神经网络神经网络3/26/202338半精加工半精加工不精车不精车留余量留余量5mm留余量留余量4mm45E级级L/D45半精加工决策树的例子半精加工决策树的例子工艺知识发现方法工艺知识发现方法n手工地将已知的工艺经验和工艺标准转换为工艺手工地将已知的工艺经验和工艺标准转换为工艺知识描述知识描述n许多工艺知识隐含在历史工艺模型和文件中，可许多工艺知识隐含在历史工艺模型和文件中，可以通过知识发现方法来进行相关知识的挖掘以通过知识发现方法来进行相关知识的挖掘n常用的
33、数据挖掘方法常用的数据挖掘方法聚类分析方法聚类分析方法关联分析方法关联分析方法基于粗糙集的制造序列知识挖掘方法基于粗糙集的制造序列知识挖掘方法神经网络分类方法神经网络分类方法3/26/2023393.工艺方案的多目标决策工艺方案的多目标决策n同一零件的加工往往有多种工艺方案可以选择，比如同一零件的加工往往有多种工艺方案可以选择，比如某道工序既可以车、也可以铣某道工序既可以车、也可以铣n在确定最终工艺方案时，需要综合考虑时间、成本、在确定最终工艺方案时，需要综合考虑时间、成本、质量、绿色等目标，因此是一个多目标决策过程。常质量、绿色等目标，因此是一个多目标决策过程。常用的多目标决策方法是层次分析
34、法用的多目标决策方法是层次分析法(AHP)n传统的工艺规划过程中，一般要在生产计划和调度之传统的工艺规划过程中，一般要在生产计划和调度之前完成最终工艺方案的确定前完成最终工艺方案的确定单工艺方案单工艺方案n单工艺方案降低了生产过程柔性，难以应对设备故障单工艺方案降低了生产过程柔性，难以应对设备故障等不确定因素，因此柔性工艺规划正成为新的趋势等不确定因素，因此柔性工艺规划正成为新的趋势3/26/202340柔性工艺规划的描述方法柔性工艺规划的描述方法n非线性工艺非线性工艺(Nonlinear Process Planning,NLPP)模模型型在每个零件进入车间之前生成所有可能的工艺，并根据工艺
35、在每个零件进入车间之前生成所有可能的工艺，并根据工艺规划的优化目标给每个可选工艺方案赋予一定的优先级，最规划的优化目标给每个可选工艺方案赋予一定的优先级，最终用于生产的工艺方案的确定工作由调度系统完成终用于生产的工艺方案的确定工作由调度系统完成可采用可采用XML扩展的扩展的PSL规范规范(简称为简称为PSL/XML)来描述柔性工来描述柔性工艺规划。艺规划。PSL(Process Specification Language)是美国国是美国国家标准局家标准局(NIST)公布的工艺过程定义语言公布的工艺过程定义语言3/26/202341非线性工艺的基本思想非线性工艺的基本思想4.工艺路线排序工艺路
36、线排序nCAPP的主要任务之一是生成工艺路线，即在明确零的主要任务之一是生成工艺路线，即在明确零件所有工艺特征和加工方法的基础上，进行工艺路线件所有工艺特征和加工方法的基础上，进行工艺路线决策和特征加工过程的工序决策和特征加工过程的工序/工步排序，其目标是合理工步排序，其目标是合理安排一系列的操作，使得加工顺序满足由零件和工具安排一系列的操作，使得加工顺序满足由零件和工具确立的特征优先约束，并尽量提高加工效率确立的特征优先约束，并尽量提高加工效率n工艺过程排序是一个典型的组合优化问题，对于加工工艺过程排序是一个典型的组合优化问题，对于加工特征众多的复杂零件来说，特征之间的约束数量多，特征众多的
37、复杂零件来说，特征之间的约束数量多，类型复杂，并且存在许多矛盾情况。工艺过程排序是类型复杂，并且存在许多矛盾情况。工艺过程排序是一个一个NP-Hard数学问题数学问题3/26/202342两类特征加工先后顺序约束两类特征加工先后顺序约束n复杂零件的不同工艺特征之间存在着各种约束关复杂零件的不同工艺特征之间存在着各种约束关系，按照强制性程度的不同，可将它们分为合理系，按照强制性程度的不同，可将它们分为合理性约束和最优性约束，在工序性约束和最优性约束，在工序/工步排序过程中，工步排序过程中，前者是必须满足的，后者则要求尽量满足前者是必须满足的，后者则要求尽量满足n合理性约束：先基准面后其它、先面后
38、孔、先主合理性约束：先基准面后其它、先面后孔、先主后次、非破坏性约束关系等等后次、非破坏性约束关系等等n最优性约束：尽量减少装夹次数、尽量减少换刀最优性约束：尽量减少装夹次数、尽量减少换刀次数、某些特征的加工最好在一次装夹中完成等次数、某些特征的加工最好在一次装夹中完成等3/26/202343基于遗传算法的工艺路线排序方法基于遗传算法的工艺路线排序方法n遗传算法是求解优化工艺路线序列的较好方法遗传算法是求解优化工艺路线序列的较好方法首先建立特征关系图首先建立特征关系图(FRG：Feature Relation Graph)遗传算法的基本步骤如下：遗传算法的基本步骤如下：3/26/202344特
39、征关系图特征关系图遗传算法的基本步骤遗传算法的基本步骤5.基于相似性原理的变异式工艺设计基于相似性原理的变异式工艺设计n许多制造企业都存在大量的变异式工艺设计，特别是许多制造企业都存在大量的变异式工艺设计，特别是在机加工工艺过程中，工艺人员往往凭经验找到相似在机加工工艺过程中，工艺人员往往凭经验找到相似零件的工艺文件，然后进行修改并生成新零件的工艺零件的工艺文件，然后进行修改并生成新零件的工艺n零件的工艺相似性表示为不同特征的相似度加权和，零件的工艺相似性表示为不同特征的相似度加权和，因此需要确定：因此需要确定：不同特征在零件工艺相似性中所占的权重不同特征在零件工艺相似性中所占的权重特征的相似
40、度计算公式特征的相似度计算公式n一旦确定出以上两点，一旦确定出以上两点，CAPP就可以自动判断零件的就可以自动判断零件的工艺相似性，并找到与当前零件相似的老工艺规程工艺相似性，并找到与当前零件相似的老工艺规程3/26/202345变异式工艺设计的基本步骤变异式工艺设计的基本步骤3/26/202346n基本思想是利用已有零件的工艺规程来快速生成相似新零基本思想是利用已有零件的工艺规程来快速生成相似新零件的工艺规程，分为零件特征识别和定义、零件的检索、件的工艺规程，分为零件特征识别和定义、零件的检索、相似性判断、工艺规程实例的抽取、工艺规程筛选、工艺相似性判断、工艺规程实例的抽取、工艺规程筛选、工
41、艺过程修正等六个基本步骤过程修正等六个基本步骤新零件新零件(新工艺设计问题新工艺设计问题)特征的识别和定义特征的识别和定义零件特征库零件特征库零件检索零件检索相似性判断相似性判断足够相似？足够相似？相似零件工艺规程的抽取相似零件工艺规程的抽取工艺规程筛选工艺规程筛选工艺规程修正工艺规程修正工艺文件库工艺文件库可用？可用？工艺知识库工艺知识库特征信息表特征信息表工艺资源库工艺资源库工艺规程重新设计工艺规程重新设计是是否否否否是是工艺相似性判断工艺相似性判断nCAPP的零件特征模型在三维实体的基础上添加了诸如的零件特征模型在三维实体的基础上添加了诸如毛坯类型、加工批量、热处理方式等工艺特征信息。以
42、毛坯类型、加工批量、热处理方式等工艺特征信息。以特征模型所含的特征信息为相似元进行实例搜索，可提特征模型所含的特征信息为相似元进行实例搜索，可提高搜索效率，并得到更为精确的相似零件高搜索效率，并得到更为精确的相似零件n相似性判断通过计算零件的特征相似度来实现。主要考相似性判断通过计算零件的特征相似度来实现。主要考虑材料相似性、毛坯相似性、热处理方式相似性、主要虑材料相似性、毛坯相似性、热处理方式相似性、主要面加工精度相似性、主要面粗糙度相似性、加工批量相面加工精度相似性、主要面粗糙度相似性、加工批量相似性和形状相似性，对这些相似性按照似性和形状相似性，对这些相似性按照04级标度量化级标度量化成
43、相似度，并且不同的相似度赋予不同的权重。对所有成相似度，并且不同的相似度赋予不同的权重。对所有相似度求取加权和就得到总的相似度相似度求取加权和就得到总的相似度3/26/2023476.参数化加工工艺设计参数化加工工艺设计n零件的加工工艺设计通常包括如下任务零件的加工工艺设计通常包括如下任务加工路线规划：确定零件的加工方法和顺序加工路线规划：确定零件的加工方法和顺序装夹规划：确定每道工序的定位装夹方式与工装等装夹规划：确定每道工序的定位装夹方式与工装等工序设计：确定出每道工序的详细内容工序设计：确定出每道工序的详细内容n参数化工艺设计的基本思想参数化工艺设计的基本思想将工艺决策知识转化为参数化工
44、艺流程图模板将工艺决策知识转化为参数化工艺流程图模板工艺设计导航过程中，通过手工或自动的方式输入参工艺设计导航过程中，通过手工或自动的方式输入参数取值，逐步完成工艺流程图模板的实例化数取值，逐步完成工艺流程图模板的实例化最终的工艺流程图实例即为零件的加工工艺最终的工艺流程图实例即为零件的加工工艺3/26/202348工艺设计的多阶段多层次决策模型u工艺过程设计是典型的复杂问题，工工艺过程设计是典型的复杂问题，工艺设计各阶段所涉及的决策问题的性艺设计各阶段所涉及的决策问题的性质多种多样质多种多样3/26/202349加工方法选择加工方法选择工艺路线安排工艺路线安排工序设计工序设计装夹规划装夹规划
45、加工方法选择加工方法选择加工序列确定加工序列确定半精加工半精加工粗加工粗加工精加工精加工定位方式确定定位方式确定利用旧夹具利用旧夹具或重新设计或重新设计加工余量确定加工余量确定切削用量确定切削用量确定加工设备和工具选择加工设备和工具选择工步内容和次序安排工步内容和次序安排工序尺寸和公差的确定工序尺寸和公差的确定阶段阶段1阶段阶段2阶段阶段3阶段阶段4工艺知识的参数化描述工艺知识的参数化描述n工艺知识比较适合于用参数化工艺流程图模板的形式工艺知识比较适合于用参数化工艺流程图模板的形式来描述，其优点在于：来描述，其优点在于：形象直观，便于工程师理解形象直观，便于工程师理解可以有选择的定义参数变量，
46、以适应不同的情况可以有选择的定义参数变量，以适应不同的情况解析的过程和工艺人员进行工艺决策的过程能够有机结合解析的过程和工艺人员进行工艺决策的过程能够有机结合3/26/202350参数化工艺设计导航参数化工艺设计导航n针对工艺设计任务，在工艺流程图模板的直接驱动下，以三维针对工艺设计任务，在工艺流程图模板的直接驱动下，以三维工艺模型和特征库为数据源，结合参数的自动辨识技术，通过工艺模型和特征库为数据源，结合参数的自动辨识技术，通过半自动的人机交互方式，实现工艺设计导航半自动的人机交互方式，实现工艺设计导航3/26/202351典型模板工艺库典型工艺模板选择，规则解析参数化工艺数据生成典型工序图
47、自动选取典型单元工序图库参数驱动生成适当工序图工艺规程生成与后处理工艺规程库典型零件库参数计算与处理特征识别零件库聚类分析修改及入库新零件按参数化实现规则处理l序列知识挖掘l参数约简l规则描述l流程图模板建立工艺设计导航7.装配工艺规划与验证装配工艺规划与验证n计算机辅助装配规划计算机辅助装配规划(CAAP:Computer Aided Assembly Planning)：利用计算机进行装配过程仿真来验证产品的可：利用计算机进行装配过程仿真来验证产品的可装配性，并生成优化的装配序列装配性，并生成优化的装配序列nCAAP 经历了几个不同的发展阶段，出现了经历了几个不同的发展阶段，出现了4种代表
48、性方法：种代表性方法：经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法法和协同装配规划方法n目前目前CAAP中研究的热点是装配序列规划，即以产品的三维中研究的热点是装配序列规划，即以产品的三维CAD装配模型为基础，采用几何推理、软计算、决策理论和装配模型为基础，采用几何推理、软计算、决策理论和方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持导和支持3/2
49、6/202352通过自动拆卸生成装配序列通过自动拆卸生成装配序列n拆卸是装配的逆过程，如果按照某种序列可以拆卸产拆卸是装配的逆过程，如果按照某种序列可以拆卸产品，则该序列的逆过程一定是一种可行的装配序列品，则该序列的逆过程一定是一种可行的装配序列n对于复杂产品而言，拆卸序列的数量是及其庞大的，对于复杂产品而言，拆卸序列的数量是及其庞大的，只能通过计算机手段进行拆卸序列的自动搜索只能通过计算机手段进行拆卸序列的自动搜索n在进行干涉检查时，既要考虑零件之间的潜在干涉，在进行干涉检查时，既要考虑零件之间的潜在干涉，也要考虑零件和工装、夹具之间的干涉也要考虑零件和工装、夹具之间的干涉n通过自动拆卸最终
50、生成可行拆卸序列集通过自动拆卸最终生成可行拆卸序列集3/26/202353拆卸序列的寻优与验证拆卸序列的寻优与验证n可行拆卸序列集的寻优是一个组合优化问题可行拆卸序列集的寻优是一个组合优化问题(NP-Hard难题难题)，一般通过进化算法来求解一般通过进化算法来求解n利用传统的装配仿真方法只能验证装配序列是否存在零件间的利用传统的装配仿真方法只能验证装配序列是否存在零件间的几何干涉现象几何干涉现象n为了进一步确保在车间中装配序列的可行性和合理性，还需要为了进一步确保在车间中装配序列的可行性和合理性，还需要在仿真建模过程中，将夹具、设备等因素都考虑进来，建立真在仿真建模过程中，将夹具、设备等因素都