CIMS组成与体系-CAPP

专题二：CIMS组成与体系之CAx(下)现代集成制造系统朱海平[e-mail]机械学院制造装备数字化国家工程中心/工业工程系目录Part1:CAPP简介Part2:CAPP关键技术Part3:CAPP软件系统Part4:CAPP发展趋势7/31/20192工艺设计在PLM中所处的阶段Test&QualityAssurancePLM(ProductLifecycleManagement)7/31/20193Requirement&PlanConceptDesignSimulation&AnalysisProductEngineeringManufacturingEngineeringProcessVerificationAnalysisProduction&ManufacturingSalesServicesSupportScrapping&RecyclingProductLifecycleProcessPlanning工艺设计与CAPP工艺设计的基本任务：将产品(包括零件)的设计结果转换为要把原材料制造成为这样的产品所需要的一系列操作(Operations)及资源需求(ResourceRequirements)的描述工艺设计是连接产品设计和实际生产的纽带，是生产准备的重要环节CAPP是ComputerAidedProcessPlanning的缩写CAPP是CIMS的重要组成部分7/31/20194工艺设计的工作内容和类型工作内容毛坯设计工艺方案制定工艺路线排序详细工序设计：工装设计、工艺参数确定、机床和刀夹具选择、工序图生成等等工时定额估计工艺仿真验证工艺文件输出工艺类型零件的机械加工工艺、钣金件的冲压工艺、零件的铸造工艺、锻造工艺、焊接工艺和热处理工艺等等产品及其部件(包括组件和合件)的装配工艺7/31/20195企业为什么需要CAPP？减轻劳动量：工艺设计是很繁琐的工作，信息处理量大，各种信息之间的关系极为错综复杂重复利用知识：将经验转化为知识，辅助工艺决策信息共享：实现产品设计和工艺设计之间的并行工程过程管理：实现工艺人员之间的协同工作，实现工艺发布流程和变更流程的电子化优化设计结果：工艺方案不但可行，还要尽量优化仿真分析和验证：减少实际生产中因工艺错误造成的损失规范化和标准化：一致的工艺文件格式、工艺术语等最终缩短生产准备周期，降低成本7/31/20196CAPP的基本内涵既是软件工具集计算机辅助工具集(CAX)包括CAD/CAE/CAPP/CAM等，其中CAPP工具集包括工艺方案选择、工艺路线排序、工序内容决策、虚拟加工/装配、工艺报表输出等基本子工具又是管理系统系统的基本输入是CAD数模文件和工程BOM系统的基本输出是工艺规程文件和工艺BOM系统所管理的信息包括：工艺资源、工艺知识、工艺文件、工艺设计过程等等7/31/20197CAPP的发展历史(1)对CAPP的研究始于20世纪60年代，1969年挪威发表第一个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来形成相应零件的工艺规程1976年，美国的CAM-I公司研制出了可在微机上运行的CAPP系统，其工作原理也是成组技术随后的20余年时间里，出现了若干派生式、创成式以及混合式CAPP系统，它们都以利用智能化和专家系统方法来自动或半自动编制工艺规程为主要目标迄今为止国内外还没有兼具实用性和通用性、真正商品化的、能自动完成工艺设计的CAPP系统7/31/20198CAPP的发展历史(2)目前在国际上，CAPP的核心功能一般不以一个独立的系统存在，而是嵌入到其它系统中，比如：PDM系统(TeamcenterEngineering,Windchill等)既能管理产品设计数据，也能管理工艺数据三维CAD软件(UG,Pro/E等)能进行虚拟装配CAM软件能进行虚拟加工数字化工厂/数字化制造软件(Tecnomatix,DELMIA等)包含了工艺规划和工艺验证等功能然而，在中国国内，却存在一批商业化CAPP软件，它们一般都提供了工艺文件管理、工艺规程编制和工艺流程管理等功能，但工艺决策和工艺仿真功能相对欠缺7/31/20199102019/7/31CAPP系统的分类CAPP系统检索式(Index)系统派生式(Variant)系统创成式(Generative)系统混合式(Hybrid)系统基于成组技术基于特征基于传统过程方式的决策基于知识基于推理机派生式与创成式相结合基于实例与知识其他混合式检索式CAPP检索式(Index)系统是最简单的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不需要进行零件的编码，在建立系统时，将各类零件的工艺规程输入计算机。计算机只起到存储、检索、修改的作用通常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，就将同类零件的工艺规程调出并进行修改7/31/201911派生式(变异式)CAPP建立在成组技术(GT:GroupTechnology)基础上，基于零件的相似性(尺寸相似、形状相似、工艺相似)原理来进行工艺设计和工艺信息管理零件工艺规程库的建立过程将各种零件分类归族，形成零件组对于每一零件族，选择或构造标准样件对标准样件编制标准工艺规程将该标准工艺规程存放在数据库中新零件的工艺规程设计过程输入该零件的成组技术代码根据零件的成组技术代码得到标准工艺规程修改编辑得到所需的工艺规程7/31/201912派生式CAPP示意图7/31/201913基于GT的工艺规程库工艺设计过程零件图零件编码工艺路线编辑器工艺路线生成零件特征识别工艺路线工艺设计结果工艺规程设计工艺规程编辑器标准工艺路线库标准工艺规程库创成式CAPP在创成式CAPP中不存在标准的工艺规程，但是有一个收集了大量工艺数据的数据库和一个存贮了工艺专家知识的知识库依靠系统提供的各种决策逻辑(过程)以及各种有关的制造工程数据信息，应用各种工艺决策规则，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7/31/201914创成式CAPP示意图7/31/201915零件识别零件输入输出工艺创成工艺文件工艺数据库事实库规则库动态数据库创成式CAPP的核心核心是工艺决策逻辑和决策模型的建立选定零件类型，建立零件描述信息模型对该类零件进行工艺分析，从零件描述信息中直接抽取或分析出加工特征，并为这些加工特征提供可供选择的加工方法建立各种加工方法的加工能力及加工精度等基本工艺知识工程数据库归纳和建立各种工艺决策逻辑和决策模型，形成知识库(事实库、规则库等)7/31/201916172019/7/311）特征识别.................................................................................回转类零件轴类齿轮类套类皮带轮类端盖类双向阶梯轴单向阶梯轴细长轴齿轮轴自定义类实心轴...实例1实例i直齿轮轴锥齿轮轴自定义类自定义类...实例1实例j外圆齿轮多联齿轮自定义类直齿轮轴锥齿轮轴自定义类.........实例1实例k轴承套过渡套自定义类滑动轴承套滚动轴承套自定义类.........实例m花键套实例1皮带轮链轮自定义类平皮带轮三角皮带轮自定义类.........实例n花键套实例1透盖闷盖自定义类...实例o实例1自定义类......属性属性属性属性属性属性属性属性属性属性属性属性零件识别创成式CAPP零件识别创成式CAPP192019/7/31事实库典型加工路线：例如主轴下料—粗车—粗倒角—调质—半精车—倒角—淬火—磨削下料—粗车—粗倒角—调质—半精车—倒角—精车创成式CAPP202019/7/31事实库加工设备CA6140车床1CA6185车床2加工中心1加工中心2创成式CAPP①加工方法选择工件材料表面形状尺寸、公差、表面粗糙度生产批量可供使用的机床设备等。②工艺路线安排先基后面先粗后精先面后孔（槽）③工序设计加工设备和工艺辅具选择工步内容和次序安排加工余量确定工序尺寸和公差的确定切削用量确定212019/7/31工艺决策•选择加工方法、加工设备、切削用量、刀具等•数值计算（工时定额、尺寸链、材料利用率等）•编辑（文字处理、制表工作等）222019/7/31决策模型工艺过程设计是典型的复杂问题，设计各阶段所涉及的决策过程的性质是多种多样的：工序尺寸计算、切削用量选择、时间定额计算以及生产成本费用计算等数值计算可以依靠数学模型。大多数决策过程属于逻辑决策。只能依靠建立决策模型来实现。依靠大量的制造工程数据依靠专家丰富的生产实践经验和技巧产品信息描述是建立模型的基础232019/7/31决策模型加工方法选择工艺路线安排工序设计加工设备和工具选择工步内容和次序安排加工余量确定工序尺寸和公差的确定切削用量确定时间定额计算加工费用计算加工过程优化242019/7/31决策模型（以加工方法选择为例）加工方法选择：即是加工工序序列的选择表面特征——表面加工方法的选择——加工工序序列确定工序序列：正向设计指的是从毛坯形状开始，逐步选择合适的加工工序，直至能加工出符合最终目标要求的形状为止。反向设计是反向的设计过程，即从零件形状特征的最终要求开始，反向逐步选择合适的加工工序，直至选择出无需预加工为止。为多数创成式CAPP系统所采用。加工方法选择应考虑的因素：工件材料、表面形状、尺寸、公差、表面粗糙度、生产批量、生产开销和可供使用的机床设备等。252019/7/31决策方法决策表决策树工艺设计专家系统262019/7/31决策表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/D45，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；272019/7/31决策树某类零件半精加工的规则=E级半精加工E级L/D45L/D=45不精车留余量5mm留余量4mm282019/7/31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。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。292019/7/312）工艺数据库创成式CAPP结果示例各种CAPP的不足之处检索式CAPP不具备任何智能派生式系统必须有标准文件，因此它有一定的适用范围局限性，只能针对某些具有相似性的零件产生工艺文件创成式系统虽然能自动生成工艺文件，但需输入全面的零件信息，信息需求量极大，系统要确定零件的加工路线、定位基准、装夹方式等，由于工艺设计的特殊性及个性化特征，这些知识的表达和推理目前无法很好的实现7/31/201930目录Part1:CAPP简介Part2:CAPP关键技术Part3:CAPP软件系统Part4:CAPP发展趋势7/31/201931CAPP关键技术1.面向工艺设计的产品信息模型获取2.工艺知识的获取与描述3.工艺方案的多目标决策4.工艺路线排序5.基于相似性原理的变异式工艺设计6.参数化加工工艺设计7.装配工艺规划与验证8.工艺BOM的生成与管理7/31/2019321.面向工艺设计的产品信息模型获取从三维CAD系统中提取所需的零件特征，建立工艺信息模型，从而对产品设计工作进行工艺性评价，并根据零件几何特征和加工工艺特征来进行工艺设计CAD/CAPP的集