第7章計算機輔助工藝規(guī)程設計

1、第7章 計算機輔助工藝規(guī)程設計第7章 計算機輔助工藝規(guī)程設計本章導讀工藝規(guī)程設計處理的信息量大，各種信息之間的關系又極為錯綜復雜，以前主要靠工藝師多年工作實踐總結出來的經(jīng)驗來進行。因此，工藝規(guī)程的設計質量完全取決于工藝人員的技術水平和經(jīng)驗。另一方面熟練的工藝人員日益短缺，而年輕的工藝人員則需要時間來積累經(jīng)驗，這一切原因都使得工藝設計成為機械制造過程中的薄弱環(huán)節(jié)。CAPP技術的出現(xiàn)和發(fā)展使利用計算機輔助編制工藝規(guī)程成為可能。通過本章的學習，要求學生充分認識計算機技術在設計制造中應用的重要性，了解CAPP在CAD/CAM中的地位和作用及其發(fā)展趨勢；理解計算機輔助工藝規(guī)程設計的基本概念及其功能；掌握

2、CAPP的類型及其工作原理和工作過程。本章重點：CAPP的基本概念、CAPP的組成、CAPP的類型本章難點：CAPP的類型及其工作原理教學建議：要求學生對比傳統(tǒng)工藝設計和計算機輔助工藝設計的過程，理解其功能和意義；要求學生注意瀏覽參考書和期刊雜志中關于企業(yè)使用CAPP的示例，加深對本知識點的理解；在學習過程中，認真分析課件中給出的應用示例，并積極參與本課件中的虛擬實驗。講授課程1學時。7.1 CAPP的基本概念隨著產品制造中采用了計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)，而CAD的結果能否有效地應用于生產實踐，NC機床能否充分發(fā)揮效益，CAD與CAM能否真正實現(xiàn)集成，都與工藝設計的自

3、動化有著密切的關系，作為連接產品設計和制造的中間環(huán)節(jié)，工藝過程的設計也必須實現(xiàn)自動化才能與之相適應，于是，計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP，Computer Aided Process Planning）就應運而生，并且受到愈來愈廣泛的重視。CAPP就是利用計算機技術輔助工藝人員設計零件從毛坯到成品的制造方法，是將企業(yè)產品設計數(shù)據(jù)轉換為產品制造數(shù)據(jù)的一種技術，是計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的重要組成部分。采用計算機輔助工藝規(guī)程設計不僅能減輕工藝人員的重復勞動并顯著提高工藝設計的效率，而且將更可靠和更有效地保證了同類零件工藝上的一致性，所以CAPP在國內外正引起越來越多的重視和研究，一些先進實

4、用的系統(tǒng)在技術發(fā)達的國家中已得到廣泛的應用，并取得了很好的效果。用CAPP代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工藝設計方法具有重要的意義，主要表現(xiàn)在：（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出來，使他們能將主要精力投入到新產品的開發(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，保證工藝設計的質量，提高產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）能有效的積累和繼承工藝設計人員的經(jīng)驗，提高企業(yè)工藝設計的繼承性；（5）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)造必要的技術基礎。7.2 CA

5、PP的組成與基本結構CAPP系統(tǒng)的組成與其開發(fā)環(huán)境、產品對象及其規(guī)模大小等有關。圖7-1所示的系統(tǒng)構成是根據(jù)CAD/CAPP/CAM集成的要求而擬定的，其基本模塊如下：圖7-1 CAPP的組成與基本結構l 控制模塊：協(xié)調各模塊的運行，實現(xiàn)人機之間的信息交流，控制產品設計信息獲取方式。l 零件信息獲取模塊：用于產品設計信息輸入。零件信息輸入可以有下列兩種方式：人工交互輸入，或從CAD系統(tǒng)直接獲取或來自集成環(huán)境下統(tǒng)一的產品數(shù)據(jù)模型。l 工藝過程設計模塊：進行加工工藝流程的決策，生成工藝過程卡。 l 工序決策模塊：選定加工設備、定位安裝方式、加工要求，生成工序卡。 l 工步?jīng)Q策模塊：選擇刀具軌跡、加

6、工參數(shù)，確定加工質量要求，生成工步卡及提供形成NC指令所需的刀位文件。l 輸出模塊：輸出工藝流程卡、工序和工步卡，工序圖等各類文檔，亦可從現(xiàn)有工藝文件庫中調出各類工藝文件，利用編輯工具對現(xiàn)有文件進行修改后得到所需的工藝文件。l 產品設計數(shù)據(jù)庫：存放有CAD系統(tǒng)完成的產品設計信息。l 制造資源數(shù)據(jù)庫：存放企業(yè)或車間的加工設備、工裝工具等制造資源的相關信息。 l 工藝知識數(shù)據(jù)庫：用于存放產品制造工藝規(guī)則、工藝標準、工藝數(shù)據(jù)手冊、工藝信息處理的相關算法和工具等。 l 典型案例庫：存放各零件族典型零件的工藝流程圖、工序卡、工步卡、加工參數(shù)等數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)參考使用。 l 編輯工具庫：存放工藝流程圖、工序卡

7、、工步卡等系統(tǒng)輸入輸出模板、手工查詢工具和系統(tǒng)操作工具集等。 l 制造工藝數(shù)據(jù)庫：存放由CAPP系統(tǒng)生成的產品制造工藝信息，供輸出工藝文件、數(shù)控加工編程和生產管理與運行控制系統(tǒng)使用。 上述的CAPP系統(tǒng)結構是一個比較完整、廣義的CAPP系統(tǒng)，實際上，并不一定所有的CAPP系統(tǒng)都必須包括上述全部內容。實際系統(tǒng)組成可以根據(jù)實際生產的需要而調整，但它們的共同點應使CAPP的結構滿足層次化、模塊化的要求，具有開放性，便于擴充和維護。7.3 CAPP的基本技術CAPP的基本技術主要包括一下幾個方面：（1）成組技術（GT，Group Technology） 我國CAPP系統(tǒng)的開發(fā)可以說是與成組技術密切相關

8、，早期的CAPP系統(tǒng)的開發(fā)一般多為以GT為基礎的變異CAPP系統(tǒng)。（2）零件信息的描述與獲取 CAPP與CAD、CAM一樣，其單元技術都是按照自己的特點而各自發(fā)展的。零件信息（幾何拓撲及工藝信息）的輸入是首當其沖的，即使在集成化、智能化的CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)，零件信息的生成與獲取一項關鍵問題。（3）工藝設計決策機制 其核心為特征型面加工方法的選擇，零件加工工序及工步的安排及組合，故其主要決策內容如下：工藝流程的決策；工序決策；工步?jīng)Q策；工藝參數(shù)決策。為保證工藝設計達到全局最優(yōu)化，系統(tǒng)把這些內容集成在一起，進行綜合分析，動態(tài)優(yōu)化，交叉設計。（4）工藝知識的獲取及表示 工藝設計通常隨設計人

9、員、資源條件、生產技術水平和工藝習慣而變。要使工藝設計在企業(yè)內得到廣泛有效的應用， 總結出適應本企業(yè)的零加工的典型工藝及工藝決策的方法，按所開發(fā)CAPP系統(tǒng)的要求采用不同的形式表示這些經(jīng)驗及決策邏輯。（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。7.4 CAPP的類型及其工作原理由于零件及制造環(huán)境的不同，很難用一種通用的CAPP軟件來滿足各種不同制造對象的需要。按照工藝決策方式的不同，CAPP系統(tǒng)主要分為下述類型：一、檢索式CAPP系統(tǒng)檢索式CAPP系統(tǒng)常應用于大批大量生產模式，工件的種類很少，零件變化不大且相似程度很高。檢索式CAP

10、P系統(tǒng)不需要進行零件的編碼，在建立系統(tǒng)時，只需要將各類零件的工藝規(guī)程輸入計算機。一般情況下，只需要對已建立的工藝規(guī)程進行管理即可。如果需要編制新零件的工藝規(guī)程，將同類零件的工藝規(guī)程調出并進行修改即可。這是最簡單的CAPP系統(tǒng)。檢索式CAPP系統(tǒng)是針對標準工藝的，將設計好的零件標準工藝進行編號，存儲在計算機中，當制定零件的工藝過程時，可根據(jù)輸入的零件信息進行搜索，查找合適的標準工藝。工作原理 檢索式CAPP系統(tǒng)是將企業(yè)現(xiàn)行各類工藝文件，根據(jù)產品和零件圖號，存入計算機數(shù)據(jù)庫中。進行工藝設計時，可以根據(jù)產品或零件圖號，在工藝文件庫中檢索相類似零件的工藝文件，由工藝人員采用人機交互方式進行修改，最后由

11、計算機按工藝文件要求進行打印輸出。（見圖7-2）二、派生式CAPP系統(tǒng)這是一種建立在成組技術基礎上的CAPP系統(tǒng)。首先對生產對象進行分析，根據(jù)成組技術原理（幾何形狀和工藝上的相似性）將各種零件分類歸族，形成零件組；對于每一零件族，選擇一個能包含該組中所有零件特征的零件為標準樣件，也可以構造一個并不存在但包含該組中所有零件特征的零件為標準樣件；對標準樣件編制成熟的，經(jīng)過考驗的標準工藝規(guī)程；然后將該標準工藝規(guī)程存放在數(shù)據(jù)庫中；當要為新零件設計工藝規(guī)程時，首先輸入該零件的成組技術代碼，也可以輸入零件信息，由系統(tǒng)自動生成該零件的成組技術代碼；更具零件的成組技術代碼，系統(tǒng)自動判斷零件所屬的零件組，并檢索

12、出該零件族的標準工藝規(guī)程；然后根據(jù)零件的結構形狀特點和尺寸及公差，利用系統(tǒng)提供的修改編輯功能，對標準工藝規(guī)程進行修改編輯，最后得到所需的工藝規(guī)程。派生式CAPP系統(tǒng)具有結構簡單，系統(tǒng)容易建立，便于維護和使用，系統(tǒng)性能可靠、成熟等優(yōu)點，所以應用比較廣泛。目前大多數(shù)實用型CAPP系統(tǒng)都屬于這種類型。派生式CAPP是利用“零件有相似性，相似的零件有相似的工藝過程”原理，通過檢索相似典型零件的工藝過程，加以增刪或編輯而派生一個新零件的工藝過程。工作原理 派生式CAPP系統(tǒng)是檢索式CAPP系統(tǒng)的發(fā)展，是利用零件GT（成組技術）代碼（或企業(yè)現(xiàn)行零件圖編碼），將零件根據(jù)結構和工藝相似性進行分組，然后針對每個

13、零件組編制典型工藝，又稱主樣件工藝。工藝設計時，首先根據(jù)零件的GT代碼或零件圖號，確定該零件所屬的零件組，然后檢索出該零件的典型工藝文件，最后根據(jù)該零件的GT代碼和其它有關信息對典型工藝進行自動化或人機交互式修改，生成符合要求的工藝文件。（見圖7-3）三、創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)與派生式CAPP系統(tǒng)不同，創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)中不存在標準工藝規(guī)程，但是有一個收集有大量工藝數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫和一個存貯工藝專家知識的知識庫。當輸入零件的有關信息后，系統(tǒng)可以模仿工藝專家，應用各種工藝決策規(guī)則，在沒有人工干預的條件下，從無到有，自動生成該零件的工藝規(guī)程。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)理論目前尚不完善，因此還未出現(xiàn)一個純粹的創(chuàng)成式

14、CAPP系統(tǒng)。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的核心是工藝決策邏輯，這是人工智能、專家系統(tǒng)發(fā)揮作用的大好領域。所以，應用專家系統(tǒng)原理的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)將是今后研究的重點。 圖7-2 檢索式CAPP系統(tǒng)原理圖 圖7-3 派生式CAPP系統(tǒng)原理圖創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)和派生式系統(tǒng)不同，它是根據(jù)輸入的零件信息，依靠系統(tǒng)中的工程數(shù)據(jù)和決策方法自動生成零件的工藝過程。工作原理 依靠系統(tǒng)中的決策邏輯生成。收集了大量的工藝數(shù)據(jù)和加工知識，并以此規(guī)程為基礎，在計算機軟件基礎上建立一系列的決策邏輯，形成了工藝數(shù)據(jù)庫和加工知識庫。在輸入新零件的有關信息后，系統(tǒng)可以模仿工藝人員，應用各種工藝決策邏輯規(guī)則，在沒有人工干預的條件下，自

15、動生成零件的工藝規(guī)程。四、綜合式CAPP系統(tǒng)從工藝過程設計的多樣化、工藝決策方法和知識的多樣化，以及生產環(huán)境約束條件的多樣化出發(fā)，專家認為智能化、集成化的CAPP系統(tǒng)應是多種決策方式、多種程序結構和多層次的綜合性集成體，是模擬專家組的工作方式。從生產實際出發(fā)，產品零件及其品種和批量的不同，所使用的CAPP系統(tǒng)的工作模式也應該不同。為此，有些學者提出了一種集純檢索式、派生式和創(chuàng)成式為一體的綜合式CAPP系統(tǒng)。綜合式CAPP系統(tǒng)的工作原理流程如圖7-5所示。從以上四種CAPP系統(tǒng)中工藝文件產生的方式我們可以看出，派生式系統(tǒng)必須有樣板文件，因此它的適用范圍局限性很大，它只能針對某些具有相似性的零件產

16、生工藝文件。在一個企業(yè)中這種零件只是一部分，那么其它零件的工藝文件派生式系統(tǒng)就無法解決。創(chuàng)成式系統(tǒng)雖然基于專家系統(tǒng)，自動生成工藝文件，但需輸入全面的零件信息，包括工藝加工的信息。信息需求量極大，極全面，系統(tǒng)要確定零件的加工路線、定位基準、裝夾方式等，從工藝設計的特殊性及其個性化分析，這些知識的表達和推理無法很好的實現(xiàn)；正是由于知識表達的“瓶頸”與理論推理的“匹配沖突”至今無法很好地解決，自優(yōu)化和自完善功能差，CAPP的專家系統(tǒng)方法仍停留在理論研究和簡單應用的階段。圖7-5 綜合式CAPP系統(tǒng)工作原理流程圖7.5 CAPP的發(fā)展趨勢隨著CAD、CAPP、CAM單元技術日益不斷發(fā)展成熟，同時又由于

17、CIMS及IMS的提出和發(fā)展，企業(yè)信息化建設的不斷深入，促使CAPP向智能化、集成化和實用化方向發(fā)展。一、智能化無論從理論研究，還是實際應用上講，CAPP技術的智能化研究對當今CAPP所取得成績功不可沒。CAPP的智能化，指的是人工智能技術（AI）和專家系統(tǒng)技術(ES)在CAPP中的應用。以“推理+知識”為特征，包括知識庫和推理機。其中，知識庫是由零件設計信息和表達工藝決策的規(guī)劃集組成，而推理機是根據(jù)當前事實，通過激活知識庫的規(guī)則集，而得到工藝設計結果。圖7-6 一般CAPP系統(tǒng)與CAPP專家系統(tǒng)的結構工藝設計是一個典型的復雜工程問題，在很大程度上依賴于具體制造資源和設計者的經(jīng)驗和技巧。專家系

18、統(tǒng)技術可以靈活和有效地處理工藝決策和領域專家知識。專家系統(tǒng)采用獨立的知識庫，知識的擴充和修改與程序無關，使得CAPP系統(tǒng)可以靈活地適應各種具體場合，擴充功能。模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術在CAPP中的應用正受到越來越多的重視，它們與專家系統(tǒng)的有機結合，使得CAPP系統(tǒng)更具柔性，能處理更為復雜的工藝過程設計問題。二、集成化隨著企業(yè)信息化建設的不斷深入，各種單元系統(tǒng)在企業(yè)均得到很好應用，如CAD、CAM、CAE、MIS、PDM、ERP等，但各單元系統(tǒng)之間信息得不到充分的利用，甚至很多信息需要重新輸入，這是企業(yè)所不能接受的。尤其CAPP在整個信息中起到的是橋梁作用（CAPP是CAD和CAM或ERP的橋

19、梁），是CIMS各子系統(tǒng)信息匯集處，是實現(xiàn)CAD/CAM真正集成的關鍵環(huán)節(jié)，所以集成CAPP系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢。在并行工程思想的指導下實現(xiàn)CADCAMCAPP的全面集成，進一步發(fā)揮CAPP在整個生產活動中的信息中樞和功能調節(jié)作用，這包括：與產品設計實現(xiàn)雙向的信息交換與傳送；與生產計劃調度系統(tǒng)實現(xiàn)有效集成；與質量控制系統(tǒng)建立內在聯(lián)系。CAPP集成化的基礎是CAPP的信息集成，開放式結構、分布式網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是CAPP集成化應用的支撐環(huán)境。集成化CAPP的研究主要包括兩個方面：1）CAD/CAPP的集成。這種集成主要是系統(tǒng)信息的集成。它是克服CAPP系統(tǒng)信息輸入困難的根本途徑，也是CAD/CA

20、PP/CAM集成成敗的關鍵。2）CAPP/PPS的集成。這種集成主要是系統(tǒng)功能的集成。其實現(xiàn)方法主要有非線性工藝規(guī)劃、動態(tài)工藝規(guī)劃和準時工藝規(guī)劃等，其實質就是根據(jù)制造系統(tǒng)底層的狀態(tài)以及提供的信息生成適應性的最優(yōu)工藝規(guī)程。在CIMS環(huán)境下，CAPP與CIMS中其它系統(tǒng)的信息流如圖7-7所示。圖7-7 CAPP與CIMS中其它系統(tǒng)的信息流三、工具化 為了能使CAPP系統(tǒng)在企業(yè)中更好的推廣應用，CAPP系統(tǒng)應提供更好的開發(fā)模式。傳統(tǒng)專用型CAPP系統(tǒng)雖然針對性強，但由于開發(fā)周期長，缺乏商品化的標準模塊，適應性差，很難適應企業(yè)的產品類型、工藝方法和制造環(huán)境的發(fā)展和變化。而應用面廣、適應性強的平臺型（工

21、具式）CAPP系統(tǒng)，已經(jīng)成為開發(fā)和應用的趨勢。平臺型CAPP系統(tǒng)把系統(tǒng)的功能分解成一個個相對獨立的工具，用戶可以通過友好的用戶界面根據(jù)本企業(yè)的情況輸入數(shù)據(jù)和知識，針對不同的應用環(huán)境，形成面向特定的制造環(huán)境和工藝習慣的具體的CAPP系統(tǒng)，通常也可以將開發(fā)平臺提供給用戶，使用戶可以進行CAPP系統(tǒng)的二次開發(fā)，在開發(fā)平臺上構造符合用戶需要的CAPP系統(tǒng)。從理論上講，它可以適應各種應用環(huán)境，具有較好通用性和柔性；而且由于還具有二次開發(fā)能力，能適應企業(yè)內部發(fā)生的較大的變化。四、并行化并行CAPP是以并行設計理論為指導、在集成化和智能化的基礎之上進一步發(fā)展起來。并行設計是并行工程（CE）的核心內容。在傳統(tǒng)

22、的串行模式中，工藝設計按照一個固定的串行次序來進行。他完全根據(jù)設計之后的零件信息生成工藝規(guī)程，一旦在制造中發(fā)現(xiàn)產品設計或工藝設計上的缺陷，就必須重新返回來修改設計和工藝，這是一個設計上的“大循環(huán)”。而在并行設計模式中，工藝設計的各個子過程是并行工作的，它強調在產品設計的同時，考慮與制造相關的各種因素，盡早發(fā)現(xiàn)設計中存在的與制造相關的問題，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時反饋，以保證產品的可制造性。這樣就可通過一個個串行的多次“小循環(huán)”來避免產生“大循環(huán)”，在不斷的小循環(huán)中達到并行的效果，這正是并行設計的實質。五、網(wǎng)絡化迅速發(fā)展的Internet技術給CAPP應用領域帶來了新的活力，網(wǎng)絡化CAPP正是在這種環(huán)境下提出來的。它著重強調的是數(shù)據(jù)交換和資源共享。隨著計算機集成制造系統(tǒng)、敏捷制造和虛擬制造等新模式的出現(xiàn)，現(xiàn)代企業(yè)已越來越趨向于群體化、協(xié)作化和國際化。因此，建立在開放式、分布式的CAPP系統(tǒng)體系結構、支持動態(tài)工藝設計的數(shù)據(jù)模型、支持開發(fā)工具的功能抽象方法和信息抽象方法、統(tǒng)一數(shù)據(jù)結構以及協(xié)同決策機制和評價體系、規(guī)范、方法等方面的研究已成為CAPP技術發(fā)展的主要趨勢。六、人機一體化