计算机辅助工艺规程设计(CAPP)

一、概述

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，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。工艺规程设计的难度极大，因为要处理的信息量大，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。这样编制出来的工

艺规程一致性差，也不可能得到最佳方案。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，再加上老工艺人员退休时无法将他们的“经验知识”留下来，这一切原因都使得

工艺设计成为机械制造过程中的薄弱缓解。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。对CAPP的研究始于60年代中期，1969年挪威发表的第一个CAPP系统AUTOPROS，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形成相应零件的工艺规程。AUTOPROS系统的出现，引起世界各国的普遍重视。接着于1976年，美国的CAM-Ⅰ公司也研制出

自己的CAPP系统。这是一种可在微机上运行的结构简单的小型程序系统，其工作原理也是基于成组

技术原理。图3-2-1为该系统的流程框图。

CAPP系统从60年代中期开始研制，到目前为止，已研制出很多CAPP系统，而且有不少系统已

投入生产实践使用。在已应用系统中，针对回转类零件的CAPP应用比较成熟，而且多应用于单件小

批量生产类型。国内则于80年代开始这项研究，已开发出不少CAPP系统，有的CAPP系统在实践中

应用取得良好的效果。

二、CAPP系统的功能

一个CAPP系统应具有以下功能：①检索标准工艺文件；②选择加工方法；③安排加工路线；④

选择机床、刀具、量具、夹具等；⑤选择装夹方式和装夹表面；⑥优化选择切削用量；⑦计算加工时

间和加工费用；⑧确定工序尺寸和公差及选择毛坯；⑨绘制工序图及编写工序卡。有的CAPP系统还

具有计算刀具轨迹，自动进行NC编程和进行加工过程模拟的功能，有些专家认为这些功能属于CAM 的范畴。

三、CAPP系统的分类

按其工作原理来分，有7种类型的CAPP系统(在分类方面有多种说法，在后面的章节中我们还会

接触到一种分类方式，相互之间并没有矛盾)。

1、检索式CAPP系统

这种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。

2、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。

3、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。

4、半创成式CAPP系统

从原理上看，半创成式CAPP系统是派生式和创出式CAPP原理的综合。也就是说，这种系统是

在派生式CAPP的基础上，增加若干创成功能而形成的系统。这种系统既有派生式可靠成熟、结构简单、便于使用和维护的优点，又有创成式能够存贮、积累、应用工艺专家知识的优点。这种系统非常

灵活，便于结合企业的具体情况进行开发，是一种实用性很强，很有发展前途的CAPP模式。

5、广义CAPP系统

又称综合式CAPP系统或多元化CAPP系统，这种系统将传统CAPP系统的概念扩充到生产计划

编制，车间调度和生产负荷平衡等领域，它同时还包括多种CAPP模式（检索式、派生式、创成式），根据不同的生产情况，系统可以自动选择适用的模式。

6、CAPP开发平台（见CAPP系统的柔性化）

7、智能CAPP系统

四、CAPP系统的柔性化

到目前为止，国内外开发的CAPP系统都是针对某一具体生产环境专门设计的、不具有通用性，

也无法实现软件的商品化。国外某公司曾与某大学合作，投资几百万美元，试图开发完全通用的

CAPP系统，虽然在某些局部技术上取得一些进展，但最终不得不宣告失败。可见，目前技术条件下，开发完全通用的CAPP系统几乎不可能。而开发专用CAPP系统工作量大，开发周期长、开发费用高，这种情况对于广大工厂企业迫切希望采用CAPP技术的愿望极不适应。因此，需要提高CAPP系统的

柔性，建立一个CAPP开发平台，并提供众多实用性二次开发工具，使开发平台商品化。用户在购得

开发平台后，只需经过不十分复杂的标准化的二次开发，即可得到符合用户具体情况的、满足用户使

用要求的CAPP系统。为了实现通用的CAPP开发平台，应在零件信息描述、工艺决策逻辑归纳等方

面进行努力：

1、零件信息描述的标准化和统一化

2、工艺决策逻辑的统一化、代码化和开放性

3、软件设计的模块化

4、统一的工程数据库

五、派生式CAPP系统

如前所述，派生式CAPP是基于成组技术原理的，其功能框图如图3-2-2所示。

（一）零件编码

零件编码的目的是将零件图上的信息代码化，使计算机易于识别和处理。常用的系统有Opitz、JLBM等系统、编码分为手工编码和计算机编码两种。手工编码是由编码人员根据编码法则，对照零件图用手工方式编出各码位的代码。这种方式的效率低，劳动强度大，一致性差，容易出错。计算机辅助编码采用人机对话的方式，由计算机提问，操作人员回答，对编码系统的理解和判断是由计算机软件自动完成的。这种系统明显优于人工编码。

（二）零件特征识别

零件特征识别的目的是将输入零件的代码与存在计算机中的零件组相比较，确定零件所属的零件族，以便检索出标准工艺。

（三）工艺规程编辑器

系统应提供对工艺文件进行编辑的功能，应能方便地删除、添加、修改标准工艺规程。修改包括加工工艺路线（加工方法、加工路线等）和工序内容（机床、刀具、夹具、量具、切削参数、加工尺寸和公差）的修改以及加工时间和加工费用的重新计算。为此，系统应有一个大型数据库存放大量的切削数据。

六、成式CAPP系统

在创成式CAPP系统中，由计算机模仿工艺人员的逻辑思维能力，以人机交互的方式或自动地进行各种决策和计算。图3-2-3为创成式CAPP系统的功能框图。

（一）零件信息描述

创成式CAPP系统中零件的描述方法很多，最常用的有以下三种：

1、型面描述法

这种描述方法将零件视为由若干种基本型面按一定规律组合而成，而每种型面都可用一组特征参

数来确定，型面种类及它的特征参数及型面间的关系可用代码表示。例如，外圆柱面可以用直径和长

度来确定，其描述为：CYLE/D，L1。另外，每种型面对应着一组加工方法，可根据其精度和表面质

量要求来确定。型面可以有三种：圆柱面，圆锥面及平面等基本型面；螺纹、花键、沟槽、齿形面等

复合型面；退刀槽、边缘、台阶面、均布螺钉孔等型面域。

2、元（体）素描述法

元素是零件上可分解的最基本的三维几何体，如圆锥体、圆柱体、六面体、圆环体及球体等。元

素描述法把零件看成是由若干种基本几何体按一定位置关系组合而成。元素描述法往往更乐于为工艺

人员采用，因为它更符合工艺人员的习惯。但由于元素的加工最后都落实在它们的表面形成上，所以，型面描述法本质上更合适些。

3、从CAD数据库获取零件信息

这种方法是利用中间接口或其他的传输手段，将零件的设计信息直接由CAD数据库传给CAPP系统，用以进行工艺规程设计。采用这种方法可以省去工艺设计前对零件的二次描述，并可获得完整的

零件信息，实现CAD/CAPP/CAM的一体化。这种方法尽管目前还无法完全实现，但它是CAPP零件

信息获取的最佳方法。

（二）工艺决策逻辑

在创成式工艺设计系统中，决策逻辑是软件的核心，它引导程序的走向。创成式系统就是决策逻

辑的应用，它将工艺知识用决策表或决策树的形式来表示。例如，某类零件半精加工的规则如下：

（1）如果加工精度低于E级，则不精车；

（2）如果加工精度高于E级，且L/D>45，各圆留余量5mm；

（3）如果加工精度高于E级，且L/D≤45，各圆留余量4mm；

低于E级T F F L/D>45 T F 不精车×留余量5mm ×留余量4mm ×

其中L表示零件总长度，D表示零件最大直径。用决策表表示以上加工规则，如表1所示。在决策表中，T表示“真”，F表示“假”，“×”表示动作，只有当表中一例中所有条件都满足时，动作才会发生。可见，决策表由四个部分组成，依次为：条件项目、条件状态、决策项目和决策行动。

决策树是和决策表类似的工具，是一个树状图形，由树根、分支和树叶组成，树根表示需要决策的项目，分支表示条件，树叶表示决策结果。对应于决策表1的决策树如图3-2-4所示。

（三）工艺设计专家系统

在利用决策表和决策树的CAPP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、调试完毕，其功能就确定下来，很不容易修改。当生产环境变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。另外，现有的创成式CAPP系统缺乏总结经验、发现问题的自学习能力。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CAPP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CAPP系统。图3-2-5表示一个工艺设计专家系统的基本组成。