计算机辅助工艺规程设计(教案1)

第九章计算机辅助工艺设计

第九章计算机辅助工艺设计

9.1 概述

计算机辅助工艺规程设计是随着计算机科学和技术的发展在20世纪60年代兴起的一种工艺规程设计技术。CAPP系统研究开发始终是以克服传统工艺设计缺点和推进工艺设计自动化为主要目标的，目前正向设计和制造继承和智能化方向发展。在工业界推广使用CAPP系统产生了良好的社会和经济效益，特别是20世纪80年代以来，随着CIMS日益受到人们的重视，CAPP系统作为CAD/CAM集成的关键性中间环节，CAPP系统研究成为当今各国的研究的重要内容之一。

9.1.1 计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning, CAPP)

指在工艺人员借助于计算机，根据产品设计阶段给出的信息和产品制造工艺要求，交互地或自动地确定产品加工方法和方案，如加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。如图所示CAPP系统功能模型。

9.1.2工艺设计自动化的意义

1、工艺规程设计的任务

工艺规程设计是工厂工艺部门的一项经常性的技术工作，是连接产品设计和产品制造的桥梁。以文件形式确定下来的工艺规程是后续工艺装备制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期、改善劳动条件都有着直接的影响，是生产中的关键性工作。

工艺规程设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工夹量具、以及切削用量的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。

2、传统的工艺规程设计方法

长期以来，传统的工艺规程设计一直是由工艺人员根据他们多年从事工厂生产活动而积累卡的经验，以手工方式进行的。包括查阅资料和手册，进行工艺计算，绘制工序图，填写工艺卡片和表格文件等。其中花费在书写工艺文件上的时间占30%，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。

由于工艺规程设计处于产品设计和制造之间的中间环节，传统的工艺设计方法要求工艺设计人员具有丰富的生产经验，不仅要熟悉产品设计方面的信息，还要了解有关制造方面的指示。要成为一名熟练的工艺师，需要长时间经验的积累，目前国内外都却犯这样熟练的工艺设计人员。而且由于每个工艺人员的经验都带有一定的主观因素，所以工艺编制的工艺规程往往因人而异，很难得到最佳的工艺规程。

目前手工工艺规程设计中，每个零件都要设计一个工艺规程，存在着大量重复劳动。根据成组技术原理，各种机械产品中的许多零件都在一定程度上具有相似性，所以它们的工艺规程也具有一定的相似性，而不是每一个零件都必须设计一个工艺规程。例如，美国辛辛那提工厂生产的425种齿轮类零件，原来需要377种不同的工艺规程，使用成组技术对齿轮共工艺规程进行仔细分析后发现只用71种标准工艺就可以生产全部425种零件。由此可见，生产的零件品种书和工艺规程数并不存在一一对应的关系。手工工艺设计存在着大量的重复工作，不仅是一种浪费，而且会影响整个企业的生产效率、经济效益和竞争能力。

3、利用计算机进行工艺规程设计

计算机能有效地管理大量的数据，进行快速、准确的计算，进行各种方案的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件，这些功能恰恰适应了工艺规程设计的需要，于是出现了计算机辅助工艺规程设计这样一种技术。CAPP不仅使工艺设计自动化，还能把CAD和CAM信息联机起来，实现CAD/CAM一体化，使集成制造技术的关键性中间环节。

4、CAPP在CIMS中的重要作用

计算机集成制造系统被认为是未来机械制造工业的生产模式。CIMS的关键是信息的集成，而CAD和CAM的集成又是实现CIMS的关键之一。在CAD/CAPP/CAM集成系统中，CAPP是连接CAD和CAM的桥梁和纽带。理想的CAPP系统能够直接接收CAD系统的信息，进行工艺设计，生成工艺文件，并以工艺设计结构和零件信息为依据，仅过适当的侯志处理后，生成NC代码，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成。所以为推进CAD和CAM的真正继承，CAPP的研究已成为CIMS中最迫切的的任务之一。

CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若干工艺设计原则及方法转换成工艺决策模型，并建立科学的决策逻辑，从而编制出最优的制造方案。另外，CAPP 是CAD和CAM之间的桥梁，是实现CAD/CAM一体化，建立CIMS的关键环节

9.1.3CAPP技术的发展

在机械制造领域内，工艺设计自动化是发展最迟的部分，NC技术、CAD技术早在20世纪50~60年代已使用于实践，而工艺设计由于设计的因素很多，随机性很大，很难用简单的数学模型进行理论分析，所以工艺设计长期处于手工操作、凭经验办事、效率很低的状态。

世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家是挪威，他们从1966年开始研制，1969年，挪威工业公司开发AUTOPROS系统，是最早的CAPP系统。该系统以成组技术为基础把零件分类归并成族，制定出各零件族相应的典型工艺过程，根据每个零件的具体信息生成工艺规程，称为派生式CAPP。这类系统开发周期短、费用低、易于取得实效，适用于中小企业。美国在1976年推出了具有里程碑意义的CAM-I’S Automated Proc ess Planning 系统（简称CAM-I’S CAPP系统）。CAPP从20世纪60年代末研制，到目前虽只有30多年的历史，但已研制出很多的CAPP系统，而且有不少系统已投入生产实践使用，目前各国的CAPP 系统主要用于回转体零件，其次为棱柱体零件和板块类零件，其他非回转体零件使用较少，而且多用于但见小批量生产类型。

20世纪70年代后期，创成式CAPP成为研究重点。采用一定的逻辑算法，对输入的几何要素等信息进行处理，并确定加工要素，自动生成工艺规程。

20世纪80年代中期，创成式CAPP系统的研究转向具有人工智能的专家系统方面，这是CAPP未来的发展趋势。系统可以模仿工艺专家的逻辑思维方式，利用专家的知识对非确定性的工艺过程设计进行逻辑决策。目前，各国学者正致力于专家系统的实用化和工具化。20世纪80年代起，我国一些高校和工厂在推广和使用成组技术的基础上，也开始研究和开发计算机辅助工艺规程设计系统。最早进行这项研究工作的是同济大学，在1982年研制成功了TOJICAPP系统，并通过了原国家教委组织的鉴定，并于1985年在国际（CIRP国际生产工程学会）会议上正式发表。随后北京理工大学也研制出适用于车辆中回转体零件设计的BITCAPP系统，北京航空航天大学发表了BHCAPP系统，还有一些高校和工厂合作研制的CAPP系统也相继获得成功。1996年华中科技大学开目公司开始研制CAPP，1999年问世。

目前，CAPP系统主要使用于零件的机械加工方面，但已逐渐向其它工艺领域扩展，如热处理、锻造、冲压和装配等，使用前景是广阔的。

现在的CAPP系统主要用于回转体零件，其次为棱柱形零件和板块类零件。其他回转体零件也有使用。

9.1.4 CAPP系统的效益

和传统工艺设计方法相比，CAPP的优点是显而易见的。

1、有利于工艺规程的合理化、标准化和最优化CAPP系统将工艺专家的集体智慧融合到

工艺规程设计的计算机软件中，使的工艺方案更趋于合理和优化，而且计算机自动处理工艺过程，其结果的一致性更好，避免了各个设计者的主观性，有利于实现工艺规程的标准化。

2、提高工艺规程的设计效率CAPP系统可以充分发挥计算机高速、准确处理信息的能力，减少了手工抄写和绘制的工作量及错误，计算机自动生成的工艺文件简洁、统一，可读性好，因此大大提高了工艺人员的工作效率，加快了工艺规程设计的速度，缩短了生产准备时间。例如美国洛克希德-乔治亚飞机公司采用CAPP技术后，工艺规程设计的书写工作量减少了75%，设计工艺规程的能力比以前手工提高了300%。

3、可获得良好的经济效益采用CAPP系统后，可以减少工艺设计费用，降低制造成本。据国外统计，采用CAPP后，工艺设计劳动量减少了20%~40% 工艺设计费用降低了20~50%，总制造成本降低了9.6%。

4、有利于CAD/CAPP/CAM的集成CAPP是连接CAD和CAM的桥梁和纽带，只有实

现工艺设计的自动化，才能真正实现CAD/CAPP/CAM一

体化。

9.2CAPP系统的分类

一个企业要使用CAPP，首先要由有经验的工艺工程师进

行工艺设计标准化工作，选出优化的工艺路线或生成工艺

的决策逻辑，以及各种工艺参数，然后依据这些原始数据

和其他要求开发的CAPP系统，所以用CAPP系统生成的

工艺规程是企业工艺专家们的智慧结晶。使用CAPP系统

的工艺人员，并不要求他们具有丰富的工艺知识和经验，

只要求他们能有一定的工艺知识并会使用CAPP系统，就

能输出合乎要求的工艺规程。这样不仅可以弥补高级工艺师的缺乏，而且能使大量有经验的工艺师从繁琐的重复劳动中解放出来，去从事不断研究新工艺、改进现有工艺的工作，促进企业的技术进步。

现在虽然商用CAPP系统有几十种，但就其工作原理而言，主要有四类，一是派生法CAPP 系统，另一类是创成法CAPP系统、混合式和专家系统。

9.2.1派生法CAPP系统

如何让从事工艺设计时间较短的工艺人员利用计算机及CAPP系统进行工艺设计呢？必须解决两个主要问题：一是要实现零件图纸信息代码化，即让计算机能够了解零件的技术要求。二是要把工艺人员的经验和技能系统化、理论化、代码化，即把工艺人员的加工能力知识库有规律地储存起来，需要是可用代码随时调用，以便工艺人员共享。

1、定义：该系统是根据成组技术的原理将零件划分为相似零件组，按零件组编制出标准工

包括在基本路线内的工序，按合理顺序加到基本路线中去，构成代表零件组的复合工艺路线。5）建立工步代码文件

标准工艺规程时有各种加工工序组成的，一个工序又可分为多个操作工步，所以工步是工艺规程中最基本的组成要素。如车外圆，钻孔、铣平面等。标准工艺规程如何存储在计算机中，怎样随时调用，又怎样进行筛选、主要依靠工步代码文件。工步代码随所采用的零件编码系统不同而异。

6）建立切削数据文件

切削数据包括：进给量、切削深度、切削速度。

7）设计各种功能子程序

由于CAPP系统中要使用各种计算方式，为此需预先将各种计算公式和求解方法编成各种功能子程序，如切削参数的计算，加工余量、工序尺寸公差的计算、切削时间和加工费用的计算，工艺尺寸链的求解，切削用量的优化和工艺方案的优化等。

8）CAPP系统总程序设计

上述各项工作完成之后，用一个主程序把所有子程序连接起来，构成CAPP系统。

9.2.2创成法CAPP系统

1、定义：

该系统不以原有的工艺规程为基础，而在计算机软件系统中收集了大量的工艺数据和加工知识，并在此基础上建立一系列的决策逻辑，形成工艺数据库和加工知识库，在无需人工干预

的情况下，自动生成零件的工艺规程。

目前的大部分CAPP系统属于派生法系统，这种

系统比较成熟，使用十分广泛。创成法系统尚不

完善，还没有一个纯粹的创成法CAPP系统出现，

有的也只是在部分功能上使用了创成原理，所以

只能称为半创成式系统。

2、工作原理

创成法CAPP系统不以对标准工艺规程的检索

和修改为基础，而是由系统根据加工能力知识库

和工艺数据库中加工工艺信息和各种工艺决策逻

辑，自动设计出零件的工艺规程。有关零件的信息可直接从CAD系统中获取。

这种方法在原理上比较理想，就是让系统模仿工艺人员的逻辑思维能力，自动进行各种决策，选择零件的加工方法，安排工艺路线，选择机床、刀具、夹具、设计切削参数和加工时

间、加工成本，以及对工艺过程进行优化等。创成法CAPP系统很容易设计出新零件的加工工艺，具有很大的柔性，容易实现CAD/CAPP/CAM一体化。

要实现完全创成法CAPP系统，必须解决三个关键问题：一是零件的信息要用计算机能识别的形式完全准确地描述；二是收集大量的工艺决策逻辑和工艺规程设计逻辑，并以计算仅能识别的方式存储；三是工艺规程的设计逻辑和零件信息的描述必须收集在统一的加工数据库中。这是因为，零件图纸上的各种信息要完全准确地描述还存在困难；如何建立完善的工艺决策模型。使计算机能识别和处理还有待进一步解决；工艺过程的优化理论还不完善。

9.2.3混合式（Hybrid）

将传统派生法、传统创成法和人工智能结合在一起，综合他们的优点，构造了混合式CAPP 系统，这种工艺设计系统沿用以派生式为主的检索——编辑原理，当零件不能归入系统已存在的零件组时，则采用创成式原理进行工艺设计，或在工艺编辑是引入创成式的决策逻辑进行工艺设计，或在工艺编辑时引入创成式决策逻辑原理。

9.2.4专家系统

将人工智能技术、专家系统等技术使用于CAPP系统的研究和开发。CAPP专家系统由零件信息输入模块、知识库、推理机三部分组成，其中知识库和推理机是互相独立的。CAPP专家系统根据输入的零件信息频繁地去访问知识库，并通过推理机中的控制策略，在知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每一次执行规则得到的结论部分按照先后顺序记录下来，直到零件加工达到一个终结状态，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。

9.3.3组成和基本结构

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。零件信息获取模块：用于产品设计信息输入。

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。

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。

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和运行控制系统使用。

9.4 CAPP系统的发展趋势

1、集成化趋势

计算机集成制造系统（CIM）是现代制造业的发展趋势。因此，未来的CAPP系统除了和CAD和CAM集成外，应能和制造自动哈系统，信息管理系统以及质量检测和控制系统的集成。这种继承已不是普通意义上的集成，而是统一在工程数据库上的集成。

2、通用化趋势

通用化是制约CAPP系统使用化和商品化的一个重要因素。为此，有人提出了CAPP专家系统建造工具的思想，以应付生产实际中变化多端的问题，力求使CAPP系统也能像CAD系统那样具有广泛的通用性。使CAPP系统各设计模块和系统所需的工艺数据和知识完全独立，即把工艺设计中的共性（如标准化的工艺数据和工艺决策知识）和个性（如和特定环境相关的工艺数据及工艺决策知识等）分开，是实现通用化的前提。

3、智能化趋势

CAPP所涉及的是典型的跨科学的复杂问题，不仅业务内容广泛、性质各异，而且许多决策都依赖于专家个人的经验、技术和技巧。另一方面，制造业生产环境的差别也十分显著。要求CAPP系统具有很强的适应性和灵活性。

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