计算机辅助工艺设计CAPP

计算机辅助工艺设计CAPP摘要：计算机辅助工艺过程设计做为连接CAD系统和CAM系统的桥梁，在产品设计和制造整个过程中担任着至关重要的角色。本文通过对分析国内外的CAPP的发展历程，介绍了CAPP的组成以及开发中存在的问题。最后概括了CAPP的发展趋势。关键词：CAPP；工艺决策；工艺路线优化Abstract：ComPuterAidedProcessPlanning,asthebridgeconnectingCADsystemandCAMsystem,isavitalroleinthewholeprocessofproductdesignandmanufacture.thepaperintroducethebxsiccompositiveandcunrentresearchproblemindevelopment.Finally,generalizecurrentofdevelopmentofCAPP.Keywords：CAPP;Processdecision;Optimizationofprocessroute1引言1.1CAPP的基本概念计算机辅助工艺规程设计，即ComputerAidedProcessPlanning，简称CAPP，是通过计算机技术辅助工艺设计人员，以系统、科学的方法确定零件从毛坯到成品的整个技术过程，即工艺规程[1]。具体的说，CAPP就是利用计算机的信息处理和信息管理优势，采用先进的信息处理技术和智能技术，帮助工艺设计人员完成工艺设计中的各项任务，如选择定位基准、拟订零件加工工艺路线、确定各工序的加工余量、计算工艺尺寸和公差、选择加工设备和工艺装置、确定切削用量、确定重要工序的质量检测项目和检测方法、计算工时定额、编写各类工艺文件等，最后生成产品生产所需的各种工艺文件和数控加工编程、生产计划制定和作业计划制定所需的相关数据信息，作为数控加工程序的编制、生产管理与运行控制系统执行的基础信息。计算机辅助工艺设计CAPP2在企业生产中，工艺设计处于产品设计和加工制造的接口处，必须分析和处理大量信息。既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、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关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额、甚至传统习惯等方面的信息，因此，工艺设计是一个典型的复杂问题。此外，工业设计受到诸如企业的生产环境、产品类型、制造资源、生产批量、工艺习惯、工艺方法、工艺师工艺水平等因素的影响，甚至受到组织与管理方式的制约。因此，工艺在各个方面都有其“个性”。随着市场竞争的不断加剧，产品升级换代的周期越来越短，产品品种急剧增加，产品要求质量也越来越高。但系列产品的工艺具有很多的继承性，不同产品中的相同或相似零部件具有相似的工艺，因此工艺卡片中存在大量的重复信息。传统的工艺设计存在以下缺陷：1、工艺数据重复填写、重复计算，存在大量的重复劳动，效率低、周期长；2、要求工艺设计人员具有丰富的生产经验，熟悉企业内部各种加工方法及相应的设备使用情况，熟悉企业内部各种生产价格规范和规章制度[2]；3、同一零件由不同工艺员编制工艺时，往往得到不同的工艺文件；即使同一工艺员，每次设计结果也可能不完全相同，人工设计的工艺一致性差，且设计质量也取决于工艺员的技术水平与工作经验，难以保证工艺文件中数据的准确性和工艺质量，难以实现规范化、标准化；4、繁琐而重复的密集型劳动会束缚工艺人员的设计思想，妨碍他们进行创造性工作，并且工艺人员的知识积累过程太慢，而服务时间相对过短，不利于工艺水平的迅速提高，不能适应市场瞬息多变的需求；5、不能利用计算机来统一管理和维护工艺文件，实现企业之间工艺信息的共享，不能充分利用企业的制造资源。当今，计算机技术已深入到企业的各个领域，如应用其辅助编制工艺，必然可极大地提高信息处理能力。因此，传统的设计方法与现代制造技术的发展不相适应了。1.2CAPP发展及分类CAPP的研究开发始于20世纪60年代末，第一个CAPP系统是于1969年诞生于挪威的AUTOPROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是美国计算机辅助工艺设计CAPP3计算机辅助制造公司(CAM-I)于1976年开发的CAM-I’SAutomatedProcessingPlanning系统。随后，美国、德国、匈牙利、英国、日本等国的研究人员相继研究开发出了一批通用和实用型的CAPP系统，并取得了一定得经济效益。我国的CAPP系统研究始于80年代初，同济大学于1982年研制出国内第一个CAPP系统——TOJICAPP系统[3]，之后具有代表性的有清华大学开发的THCAPP系统[4]，北京航空航天大学开发的EXCAPP系统，西北工业大学开发的GNCAPP系统，南京航空航天大学开发的NHCAPP系统等等。经过40年的开发研究，涌现出一大批CAPP系统，就其原理可分为派生式CAPP系统、创成式CAPP系统和CAPP专家系统。(1)派生式CAPP系统派生式(Variant)CAPP系统也称作变异式、修订式CAPP系统，它是建立在成组技术基础上，零件按照几何相似性或工艺相似性归类成族，建立该零件族的主样件及其典型工艺规程即标准工艺规程，并以文件形式储存在计算机中。当要为新零件进行工艺设计时，输入该零件的成组技术编码，由计算机判别零件属于哪一个零件族，检索出该零件族的标准工艺规程，再根据零件的结构形状特点和尺寸公差，进行编辑修改，获得适合于该零件的工艺规程。挪威于1969年开发的AUTOPROS系统，美国计算机辅助制造公司1976年开发的CAM-I’SAutomatedProcessingPlanning系统，我国同济大学于1982年开发的TOJICAPP系统等都属于派生式CAPP系统。派生式CAPP系统原理简单、开发周期短、投资少和易于取得实际效益，是中小企业常采用的方式。但由于系统中存储的是标准工艺，当设计的新零件找不到相应的零件族时，系统就不能发挥作用。系统针对性强，只适用于特定的工厂，不便于移植。(2)创成式CAPP系统创成式(Generative)CAPP系统不以原有的工艺规程为基础，在计算机软件系统中，收集了大量的工艺数据和知识，并在此基础上建立了一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。当输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的情况下，自动的生成零件的工艺规程。但是，CAPP专家系统仍有许多问题有待人们解决或提出更有效的方法，比如工艺知识的获取和表示，工艺模糊知识的处理、工艺推理过程中自行解决冲突问题的最佳路径，自学习功能的实现等等。美国普渡大学1977年开发的APPAS系统、德国阿亨大学于1980年开发的计算机辅助工艺设计CAPP4AYTAP系统、我国南京航空航天大学1988年开发的NHCAPP系统等都属于创成式CAPP系统[5]。创成式CAPP系统通过逻辑推理决策自动生成零件的工艺规程，保存和继承了工艺设计的经验和知识，摆脱了具体工艺设计过程中对工艺人员经验和知识的依赖，具有较高的柔性，适应范围广。但是系统没有自动获取知识的能力，缺乏解释机制，容错能力差，不能适应环境的变化。(3)CAPP专家系统从80年代中期起，创成式CAPP系统的研究转向人工智能的专家系统(ExpertSystems)方面。例如美国联合工艺研究中心于1984年开发的XPS-E系统、英国南安普顿大学1986年开发的SIPPS系统，我国清华大学于1989年开发的THCAPP系统等。知识库和推理机是专家系统的两大主要组成部分。知识库存储从工艺专家那里得到的工艺知识，它是专家系统的核心。工艺知识是人们在工艺设计实践中积累的认识和经验的总和。推理机控制并执行对问题的求解，它根据已知事实，利用知识库中的知识，按一定的推理方法和控制策略进行推理，得到问题的答案。推理机是专家系统的控制中心。在用CAPP专家系统为零件设计工艺规程时，推理机从产品的设计信息(零件特征信息)等原始信息出发，按某种策略在知识库中搜寻相应的知识，从而得出中间结论(如选择出特征的加工方法)，然后再以这些结论为事实推出进一步结论(如安排出工艺路线)，如此反复进行，直到退出最终结论，即产品的工艺规程。CAPP专家系统实现了工艺知识库和推理机的分离，当生产环境发生变化时，可以修改或扩充知识库，而不需从头进行系统开发。而且CAPP专家系统在一定程度上模拟工艺人员进行工艺设计，使许多模糊问题得以解决，对于结构形状复杂，加工工序多，工艺流程长的箱体、壳体类零件，可能存在多种加工方案，工艺设计的优劣取决于人的经验和智慧，因此一般的CAPP系统很难满足这类复杂零件的工艺设计要求，而CAPP专家系统汇集众多工艺专家的经验和智慧，并充分利用这些知识，进行逻辑推理，探索解决问题的途径和方法，因而能给出合理的甚至最优的工艺决策。但是，CAPP专家系统仍有许多问题有待人们解决或提出更有效的方法，比如工艺知识的获取和表示，工艺模糊知识的处理、工艺推理过程中计算机辅助工艺设计CAPP5自行解决冲突问题的最佳路径，自学习功能的实现等等。2、CAPP的基本组成由于工艺设计是一个极为复杂的过程，涉及的因素也非常多，企业中具体应用的CAPP系统对制造环境依赖性很大，所以各个CAPP系统组成千差万别。尽管不同的设计思想及不同的制造环境，但CAPP系统的基本构成都是相似的，一般都包括以下五部分[6]。(1)零件信息的获取零件信息是CAPP系统进行工艺设计的对象和依据，零件信息的获取是CAPP系统的重要组成部分。目前计算机还不能像人一样识别零件上的所有信息，因此在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述，如何输入并描述零件信息是CAPP最关键问题之一。(2)工艺决策工艺决策是CAPP系统的核心，其作用是以获取的零件信息为依据，按照预先规定的顺序和逻辑，调用相关的工艺数据和规则，进行必要的计算、比较和决策，生成零件的加工工艺规程。(3)工艺数据库/知识库工艺数据库/知识库是CAPP系统的支撑工具，其集合了工艺设计所需要的所有信息资源，主要包括工艺数据(如加工方法、切削用量、加工余量、机床、刀具、夹具、量具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息)和规则(包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等内容，如加工方法选择规则、工序或工步排序规则等)。如何组织和管理这些信息，使之便于使用、扩充和维护，并适应于各种不同的企业和产品，是当今CAPP系统迫切需要解决的问题。(4)人机交互界面人机交互界面是用户的工作平台，包括系统菜单、零件信息获取界面、工艺设计界面、工艺数据/知识输入和管理界面以及工艺文件的显示、编辑与管理界面等等。这些界面元素必须符合现代标准的用户接口规范。(5)工艺文件的管理/输出工艺文件是CAPP系统提交给用户的最终产品。一个系统可能有成千上百个工艺文件，如何管理和维护这些文件，按什么格式输出这些文件，是CAPP系统的主要内容，也是整个CAD/CAPP/CAM集成系统的重要组成部分。输出部分包括文件的格式化显示、存盘和打印等。系统一般要能输出各种格式的工艺文件，有些系统还能直接输出零件的NC程序。图1是CAPP系统的工作过程与步骤，图2是CAPP的结构组成。CAPP的组成与基本结构：计算机辅助工艺设计CAPP6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。图1CAPP系统的工作过程与步骤零件信息获取模块：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。