計算機輔助工藝規(guī)程設計CAPP概述

1、計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP）概述摘要：計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning，簡稱CAPP）是通過計算機技術(shù)輔助工藝設計人員，以系統(tǒng)、科學的方法確定零件從毛坯到成品的整個技術(shù)過程，即工藝規(guī)程。是連接CAD系統(tǒng)和CAM系統(tǒng)的橋梁，在產(chǎn)品設計和制造整個過程的重要角色。本文介紹了國內(nèi)外的CAPP的發(fā)展歷程，CAPP的基本組成部分和關鍵技術(shù)以及目前存在的問題。關鍵詞：計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP），工藝決策，成組技術(shù)1.CAPP的基本概念計算機輔助工藝規(guī)程設計（Computer Aided Process Planning，簡稱CAPP）是通過

2、計算機技術(shù)輔助工藝設計人員，以系統(tǒng)、科學的方法確定零件從毛坯到成品的整個技術(shù)過程，即工藝規(guī)程。通常是指機械產(chǎn)品制造工藝過程的計算機輔助設計與文檔編制。CAPP系統(tǒng)的主要任務是通過計算機輔助工藝過程設計完成產(chǎn)品設計信息向制造信息的傳遞、是連接CAD與CAM的橋梁。    CAPP就是計算機的信息處理和信息管理優(yōu)勢，采用先進的信息處理技術(shù)和智能技術(shù)，幫助工藝設計人員完成工藝設計中的各項任務，如選擇定位基準、擬訂零件加工工藝路線、確定各工序的加工余量、計算工藝尺寸和公差、選擇加工設備和工藝裝置、確定切削用量、確定重要工序的質(zhì)量檢測項目和檢測方法、計算工時定額、編寫各類工

3、藝文件等，最后生成產(chǎn)品生產(chǎn)所需的各種工藝文件和數(shù)控加工編程、生產(chǎn)計劃制定和作業(yè)計劃制定所需的相關數(shù)據(jù)信息，作為數(shù)控加工程序的編制、生產(chǎn)管理與運行控制系統(tǒng)執(zhí)行的基礎信息。CAPP是將產(chǎn)品設計信息轉(zhuǎn)換為各種加工制造、管理信息的關鍵環(huán)節(jié)，是企業(yè)信息化建設中聯(lián)系設計和生產(chǎn)的紐帶，同時也為企業(yè)的管理部門提供相關的數(shù)據(jù)，是企業(yè)信息交換的中間環(huán)節(jié)。在企業(yè)生產(chǎn)中，工藝設計處于產(chǎn)品設計和加工制造的接口處，必須分析和處理大量信息。既要考慮產(chǎn)品設計圖樣上有關零件結(jié)構(gòu)形狀、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關加工方法、加工設備、生產(chǎn)條件、加工成本及工時定額、甚至傳統(tǒng)習慣等方面的信息，因此，工藝設計

4、是一個典型的復雜問題。此外，工業(yè)設計受到諸如企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)品類型、制造資源、生產(chǎn)批量、工藝習慣、工藝方法、工藝師工藝水平等因素的影響，甚至受到組織與管理方式的制約。因此，工藝在各個方面都有其“個性”。工藝設計是機械制造生產(chǎn)過程的技術(shù)準備工作的一個重要內(nèi)容，是產(chǎn)品設計與車間的實際生產(chǎn)的紐帶，是經(jīng)驗性很強且隨環(huán)境變化而多變的決策過程。當前，機械產(chǎn)品市場是多品種小批量生產(chǎn)起主導作用，傳統(tǒng)的工藝設計方法遠不能適應當前機械制造行業(yè)發(fā)展的要求，其主要表現(xiàn)為：（1）傳統(tǒng)的工藝設計是人工編制的，勞動強度大，效率低，是一項繁瑣的重復性工作；（2）設計周期長，不能適應市場瞬息多變的需求；（3）工藝設計是經(jīng)驗性

5、很強的工作，它是隨產(chǎn)品技術(shù)要求、生產(chǎn)環(huán)境、資源條件、工人技術(shù)水平、企業(yè)及社會的技術(shù)經(jīng)濟要求而多變，甚至完全相同的零件，在不同的企業(yè)，其工藝也可能不一樣，即使在同一企業(yè)，也因工藝設計人員的不同而異。工藝設計質(zhì)量依賴于工藝設計人員的水平；（4）工藝設計最優(yōu)化、標準化較差，工藝設計經(jīng)驗的繼承性也較困難。隨著機械制造生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展及多品種、小批量生產(chǎn)的要求，特別是計算機輔助設計及制造（CAD&CAM）系統(tǒng)向集成化、智能化方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的工藝設計方法已遠遠不能滿足要求。計算機輔助工藝規(guī)程設計也應運而生。計算機輔助工藝設計的重要意義在于：（1）可以將工藝設計人員從大量繁重的重復性的手工勞動中解放

6、出來，使他們能將主要精力投入到新產(chǎn)品的開發(fā)、工藝裝備的改進及新工藝的研究等具有創(chuàng)造性的工作中；（2）可以大大縮短工藝設計周期，保證工藝設計的質(zhì)量，提高產(chǎn)品在市場上的競爭能力；（3）可以提高企業(yè)工藝設計的標準化，并有利于工藝設計的最優(yōu)化工作；（4）能夠適應當前日趨自動化的現(xiàn)代制造環(huán)節(jié)的需要，并為實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)創(chuàng)造必要的技術(shù)基礎。2. CAPP 發(fā)展歷程CAPP是在20世紀60年代后期出現(xiàn)的一個新的技術(shù)領域。第一個CAPP 系統(tǒng)是挪威在1969 年推出的AUTOPROS 系統(tǒng)，它是根據(jù)成組技術(shù)原理，利用零件的相似性去檢索和修改標準工藝來制定相應的零件規(guī)程， 1973 年正式推出商品化AUT

7、OPROS 系統(tǒng)。美國是20 世紀60 年代末70 年代初開始研究CAPP 的，并于1976 年由CAM-I 公司推出頗具有影響力的CAM-IS Automated ProcessPlanning 系統(tǒng)，成為CAPP 發(fā)展史的里程碑。以上早期的CAPP 軟件采用的都是所謂的“標準工藝法”，即派生式（Variant）CAPP 系統(tǒng)，圖1為派生式統(tǒng)工作原理圖。70 年代中期開始了創(chuàng)成式(Generative)系統(tǒng)的研究和開發(fā)，而且很快被認為是最有前途的方法,圖2 為創(chuàng)成式系統(tǒng)工作原理圖。理想的創(chuàng)成式CAPP 系統(tǒng)是通過決策邏輯效仿人的思維，在無需人工干預的情況下自動生成工藝。1977年Wysk首次

8、提出了一個創(chuàng)成式CAPP 系統(tǒng)APPAS.可是經(jīng)過多年的努力，這種理想的CAPP 系統(tǒng)也未能達到真正意義上的創(chuàng)成式。因此有人提出了半創(chuàng)成式系統(tǒng)，即綜合派生法和創(chuàng)成法，在多數(shù)情況下使用派生法，在沒有典型工藝的情況下使用創(chuàng)成法生成工藝。這種半創(chuàng)成式系統(tǒng)目前被認為是最有前途的發(fā)展方向之一。我國對CAPP 的研究始于20 世紀80 年代初，1982 年上海同濟大學正式推出了我國第一個CAPP系統(tǒng)TOJICAP. 在此之后，國內(nèi)掀起了研究CAPP的熱潮。特別在“九五”期間隨著機械設計“甩圖板”工程和計算機輔助技術(shù)的應用，企業(yè)對CAPP的需求更加迫切。近幾年來，我國市場上出現(xiàn)了幾種有代表性的CAPP 軟件

9、，包括武漢開發(fā)CAPP 軟件，上海思普SIPM/CAPP 軟件系統(tǒng)和清華天河CAPP 軟件系統(tǒng)等，這在一定程度上滿足了國內(nèi)企業(yè)的需求。圖1 派生式系統(tǒng)工作原理圖2 創(chuàng)成式系統(tǒng)工作原理3、CAPP的基本組成由于工藝設計是一個極為復雜的過程，涉及的因素也非常多，企業(yè)中具體應用的CAPP系統(tǒng)對制造環(huán)境依賴性很大，所以各個CAPP系統(tǒng)組成千差萬別。盡管不同的設計思想及不同的制造環(huán)境，但CAPP系統(tǒng)的基本構(gòu)成都是相似的，一般都包括以下五部分。(1)零件信息的獲取 零件信息是CAPP系統(tǒng)進行工藝設計的對象和依據(jù)，零件信息的獲取是CAPP系統(tǒng)的重要組成部分。目前計算機還不能像人一樣識別零件上的所有信息，因此

10、在計算機內(nèi)部必須有一個專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來對零件信息進行描述，如何輸入并描述零件信息是CAPP最關鍵問題之一。(2)工藝決策 工藝決策是CAPP系統(tǒng)的核心，其作用是以獲取的零件信息為依據(jù)，按照預先規(guī)定的順序和邏輯，調(diào)用相關的工藝數(shù)據(jù)和規(guī)則，進行必要的計算、比較和決策，生成零件的加工工藝規(guī)程。(3)工藝數(shù)據(jù)庫/知識庫 工藝數(shù)據(jù)庫/知識庫是CAPP系統(tǒng)的支撐工具，其集合了工藝設計所需要的所有信息資源，主要包括工藝數(shù)據(jù)(如加工方法、切削用量、加工余量、機床、刀具、夾具、量具以及材料、工時、成本核算等多方面的信息)和規(guī)則(包括工藝決策邏輯、決策習慣、經(jīng)驗等內(nèi)容，如加工方法選擇規(guī)則、工序或工步排序規(guī)則等)。

11、如何組織和管理這些信息，使之便于使用、擴充和維護，并適應于各種不同的企業(yè)和產(chǎn)品，是當今 CAPP系統(tǒng)迫切需要解決的問題。(4)人機交互界面 人機交互界面是用戶的工作平臺，包括系統(tǒng)菜單、零件信息獲取界面、工藝設計界面、工藝數(shù)據(jù)/知識輸入和管理界面以及工藝文件的顯示、編輯與管理界面等等。這些界面元素必須符合現(xiàn)代標準的用戶接口規(guī)范。(5)工藝文件的管理/輸出 工藝文件是 CAPP系統(tǒng)提交給用戶的最終產(chǎn)品。一個系統(tǒng)可能有成千上百個工藝文件，如何管理和維護這些文件，按什么格式輸出這些文件，是 CAPP 系統(tǒng)的主要內(nèi)容，也是整個CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的重要組成部分。輸出部分包括文件的格式化顯示、

12、存盤和打印等。系統(tǒng)一般要能輸出各種格式的工藝文件，有些系統(tǒng)還能直接輸出零件的 NC 程序。圖3 CAPP系統(tǒng)的工作過程與步驟CAPP的組成與基本結(jié)構(gòu)：（1）控制模塊。控制模塊的主要任務是協(xié)調(diào)各模塊的運行，使人機交互的窗口，實現(xiàn)人機之間的信息交流，控制零件信息的獲取方式；（2）零件信息輸入模塊。當零件信息不能從CAD系統(tǒng)直接獲取時，用此模塊實現(xiàn)零件信息的輸入；（3）工藝過程設計模塊。工藝過程設計模塊進行加工工藝流程的決策，產(chǎn)生工藝過程卡，供加工及生產(chǎn)管理部門使用；（4）工序決策模塊。工序決策模塊的主要任務是生成工序卡，對工序間尺寸進行計算，生成工序圖；（5）工步?jīng)Q策模塊。工步?jīng)Q策模塊對工步內(nèi)容進

13、行設計，確定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件；（6）NC加工指令生成模塊。NC加工指令生成模塊依據(jù)工步?jīng)Q策模塊所提供的刀位文件，調(diào)用NC指令代碼系統(tǒng)，產(chǎn)生NC加工控制指令；（7）輸出模塊。輸出模塊可輸出工藝流程卡、工序卡、工步卡、工序圖及其它文檔，輸出亦可從現(xiàn)有工藝文件庫中調(diào)出各類工藝文件，利用編輯工具對現(xiàn)有工藝文件進行修改的到所需的工藝文件；（8）加工過程動態(tài)仿真。加工過程動態(tài)仿真對所產(chǎn)生的加工過程進行模擬，檢查工藝的正確性。圖4 CAPP的結(jié)構(gòu)組成4.CAPP的基礎技術(shù)CAPP的基礎技術(shù)包括： （1）成組技術(shù)（Group Technology）； （2）零件信息的描述與獲取

14、； （3）工藝設計決策機制； （4）工藝知識的獲取及表示； （5）工序圖及其它文檔的自動生成； （6）NC加工指令的自動生成及加工過程動態(tài)仿真； （7）工藝數(shù)據(jù)庫的建立。 4.1成組技術(shù)（Group Technobey簡稱 GT）CAPP的基礎技術(shù)之一是成組技術(shù)。CAPP是通過向計算機輸入被加工零件的原始數(shù)據(jù)、加工條件和加工要求，由計算機進行編碼、編程直至最后輸出優(yōu)化的工藝規(guī)程。成組技術(shù)的基本概念將企業(yè)的多種產(chǎn)品、部件和零件，按一定的相似性準則分類編組，并以這些組為基礎組織生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)多品種小批量生產(chǎn)，使產(chǎn)品設計、制造和管理的合理化的技術(shù)。在機械加工中，它是將多種零件按上述準則分類以

15、形成零件族（組），并對一個零件族設計一種工藝方法或工藝路線，使該族中的零件都能用該工藝方法和路線進行加工。4.2零件的分類編碼 用數(shù)字描述零件的幾何形狀、尺寸大小和工藝特征，即將零件的特征數(shù)字化。它是標識零件相似性的手段。目前采用的零件分類編碼系統(tǒng)很多，其中德國的奧匹茲（Opitz）分類編碼系統(tǒng)應用最廣。我國于1984年底制定了“機械零件編碼系統(tǒng)”（簡稱JLBMl系統(tǒng)），如圖5所示。圖5 JLBMl分類編碼系統(tǒng)該系統(tǒng)由功能名稱代碼、形狀及加工碼、輔助碼三部分共15個碼位組成，每一碼位均有10個特征項來描述零件的各種信息。系統(tǒng)的特點是零件類別按名稱類別矩陣劃分，便于檢索；碼位適中又有足夠的描述信

16、息的容量。各碼位及其特征項號的具體內(nèi)容可查閱機械制造工藝手冊。4.3成組工藝1劃分零件族（組）根據(jù)零件編碼劃分零件族（組）的方法主要有：（1）特征碼位法 特征碼位法是將對某種目的要求影響最大的碼位作為劃分零件組的依據(jù)，而不考慮那些影響不大的碼位。例如制造部門從加工要求的相似性出發(fā)，往往把影響最大的零件類別、外形、尺寸和材料等碼位作為特征碼位。如果采用奧匹茲系統(tǒng)，即將一、二、六、七等四個碼位相同的零件劃分為一組。根據(jù)這個規(guī)定，編碼為043603072、041103070、047023072的這三個零件可劃分為同一組。（2）碼域法 碼域法是將每個碼位上的特征碼規(guī)定一定的允許變動范圍，凡零件的代碼在

17、這個允許范圍內(nèi)的，就屬于這個零件組。例如可以規(guī)定某一組零件的第一碼位的特征碼只允許取0和1，第二碼位的特征碼只允許取0、1、2、3等。（3）特征位碼域法 在分組時，若采用特征碼位法，則分組數(shù)多，但每組中的零件種數(shù)少。而采用碼域法分組時，由于在非主要碼位上對零件的相似程度也進行了限制，而那些被摒棄在外的零件特征并不一定影響成組技術(shù)的效果，這對擴大零件組中的零件數(shù)也是不利的。因此通常將上述兩種方法結(jié)合起來使用，既按要求選取特征性較強的特征碼位，又規(guī)定這些碼位上特征碼允許的變化范圍（碼域），并以此作為零件分組的依據(jù)。2擬定成組工藝路線在零件組組成以后，選擇一個能包括組內(nèi)所有零件結(jié)構(gòu)要素的復合零件，復

18、合零件既可以是實際零件，也可以是假想的（人為虛擬的）零件。對結(jié)構(gòu)復雜的零件，要將組內(nèi)全部形狀結(jié)構(gòu)要素綜合而形成一個復合零件，常常是困難的。此時可采用流程分析法，即分析組內(nèi)各零件的工藝路線，綜合成為一個工序完整、安排合理、適合全組零件的工藝路線，編制出成組工藝卡片。3選擇設備并確定生產(chǎn)組織形式根據(jù)擬定的工藝過程，選擇合理的高生產(chǎn)率機床（或進行改裝）將它們編制成機床組，井按工藝流程原則布置這一機床組。隨著成組技術(shù)的推廣和發(fā)展，它的組織形式已由初級形式的成組單機加工逐步發(fā)展到成組生產(chǎn)單元、成組流水線和自動線，以至現(xiàn)代最先進的柔性制造系統(tǒng)和全盤無人化工廠。4設計成組夾具、刀具的結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案在成組加工

19、中，更換工件時，機床上的夾具并不更換，只作適當?shù)恼{(diào)整，但要求調(diào)整簡便、迅速。根據(jù)這個原則，設計成組夾具及刀具的結(jié)構(gòu)和調(diào)整方案。4.4計算機輔助工藝設計方法1樣件法在成組技術(shù)的基礎上將編碼相同或相近的零件組成零件組（族），并設計一個能集中反映該組零件全部結(jié)構(gòu)特征和工藝特征的主樣件（綜合零件），然后按主樣件設計適合本廠生產(chǎn)條件的典型工藝規(guī)程。當需要設計某一零件的工藝規(guī)程時，輸入該零件的編碼，計算機自動識別它所屬的零件組（族），并調(diào)用該組主樣件的典型工藝文件，然后根據(jù)形面編碼、加工精度和表面質(zhì)量要求，從典型工藝文件中篩選出有關工序，并進行切削用量計算。對所編制的工藝規(guī)程還可以通過人機對話方式進行修改

20、，最后輸出零件的工藝規(guī)程。這種方法的特點是系統(tǒng)簡單，但要求工藝人員參與并進行決策，所編制的工藝規(guī)程只局限于特定的工廠和產(chǎn)品。2創(chuàng)成法創(chuàng)成法是只要輸入零件的圖形和工藝信息，由計算機軟件系統(tǒng)按照各種工藝決策的算法和邏輯步驟，自動生成工藝規(guī)程。其特點是自動化程度高，但系統(tǒng)復雜，技術(shù)上尚不成熟，其通用系統(tǒng)有待于進一步研究開發(fā)。5.CAPP 存在的主要問題雖然CAPP 經(jīng)過了幾十年的發(fā)展取得了一定的成果，但是還存在很多不容忽視的問題：CAPP系統(tǒng)的實用化程度不高，雖然國內(nèi)外在系統(tǒng)的開發(fā)與研究上已經(jīng)投入大量的人力和資金，可是真正投入生產(chǎn)實際的系統(tǒng)并不多，很多單位還存在重復研究；現(xiàn)已研制成功的CAPP 系統(tǒng)

21、應用范圍也比較狹窄，功能不足，智能化水平不高，無法完成所有工藝設計功能；CAPP 系統(tǒng)未能真正實現(xiàn)同CAD、CAM、MIS、PDM 等的集成，零件信息不能真正共享，無法全面提取和獲得制造所需要的信息；現(xiàn)有的成品CAPP 軟件通用程度較低，柔性差，不能根據(jù)不同企業(yè)的特殊性調(diào)整信息需求； CAPP 系統(tǒng)的透明度低，多數(shù)是基于符號推理，其數(shù)據(jù)和推理過程過于抽象。6.結(jié)語伴隨著計算機輔助設計技術(shù)的日益成熟，以及制造企業(yè)信息化工程的推動，逐漸多的制造業(yè)企業(yè)很大程度上需要利用CAPP來提高工藝設計的過程和結(jié)果。CAPP系統(tǒng)作為CAD系統(tǒng)和CAM系統(tǒng)的中間連接部分，其重要性相當突出，但是最近幾年CAPP系統(tǒng)的發(fā)展遇到很多“瓶頸”。