计算机辅助工艺规程设计CAPP概述

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1、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）概述摘要：计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，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。是连接CAD系统和CAM系统的桥梁，在产品设计和制造整个过程的重要角色。本文介绍了国内外的CAPP的发展历程，CAPP的基本组成部分和关键技术以及目前存在的问题。关键词：计算机辅助工艺规程设计（CAPP），工艺决策，成组技术1.CAPP的基本概念计算机辅助工艺规程设计（Computer Aided Process Planning，简称CAPP）是通过

2、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。通常是指机械产品制造工艺过程的计算机辅助设计和文档编制。CAPP系统的主要任务是通过计算机辅助工艺过程设计完成产品设计信息向制造信息的传递、是连接CAD和CAM的桥梁。 CAPP就是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

3、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、生产管理和运行控制系统执行的基础信息。CAPP是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时也为企业的管理部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节。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

4、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，甚至受到组织和管理方式的制约。因此，工艺在各个方面都有其“个性”。工艺设计是机械制造生产过程的技术准备工作的一个重要内容，是产品设计和车间的实际生产的纽带，是经验性很强且随环境变化而多变的决策过程。当前，机械产品市场是多品种小批量生产起主导作用，传统的工艺设计方法远不能适应当前机械制造行业发展的要求，其主要表现为：（1）传统的工艺设计是人工编制的，劳动强度大，效率低，是一项繁琐的重复性工作；（2）设计周期长，不能适应市场瞬息多变的需求；（3）工艺设计是经验性很强的工作，它是随产品技术要求、生产

5、环境、资源条件、工人技术水平、企业及社会的技术经济要求而多变，甚至完全相同的零件，在不同的企业，其工艺也可能不一样，即使在同一企业，也因工艺设计人员的不同而异。工艺设计质量依赖于工艺设计人员的水平；（4）工艺设计最优化、标准化较差，工艺设计经验的继承性也较困难。随着机械制造生产技术的发展及多品种、小批量生产的要求，特别是计算机辅助设计及制造（CAD&CAM）系统向集成化、智能化方向的发展，传统的工艺设计方法已远远不能满足要求。计算机辅助工艺规程设计也应运而生。计算机辅助工艺设计的重要意义在于：（1）可以将工艺设计人员从大量繁重的重复性的手工劳动中解放出来，使他们能将主要精力投入到新产品的开发、

6、工艺装备的改进及新工艺的研究等具有创造性的工作中；（2）可以大大缩短工艺设计周期，保证工艺设计的质量，提高产品在市场上的竞争能力；（3）可以提高企业工艺设计的标准化，并有利于工艺设计的最优化工作；（4）能够适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要，并为实现计算机集成制造系统创造必要的技术基础。2. CAPP 发展历程CAPP是在20世纪60年代后期出现的一个新的技术领域。第一个CAPP 系统是挪威在1969 年推出的AUTOPROS 系统，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来制定相应的零件规程， 1973 年正式推出商品化AUTOPROS 系统。美国是20 世纪60 年代

7、末70 年代初开始研究CAPP 的，并于1976 年由CAM-I 公司推出颇具有影响力的CAM-IS Automated ProcessPlanning 系统，成为CAPP 发展史的里程碑。以上早期的CAPP 软件采用的都是所谓的“标准工艺法”，即派生式（Variant）CAPP 系统，图1为派生式统工作原理图。70 年代中期开始了创成式(Generative)系统的研究和开发，而且很快被认为是最有前途的方法,图2 为创成式系统工作原理图。理想的创成式CAPP 系统是通过决策逻辑效仿人的思维，在无需人工干预的情况下自动生成工艺。1977年Wysk首次提出了一个创成式CAPP 系统APPAS.可

8、是经过多年的努力，这种理想的CAPP 系统也未能达到真正意义上的创成式。因此有人提出了半创成式系统，即综合派生法和创成法，在多数情况下使用派生法，在没有典型工艺的情况下使用创成法生成工艺。这种半创成式系统目前被认为是最有前途的发展方向之一。我国对CAPP 的研究始于20 世纪80 年代初，1982 年上海同济大学正式推出了我国第一个CAPP系统TOJICAP. 在此之后，国内掀起了研究CAPP的热潮。特别在“九五”期间随着机械设计“甩图板”工程和计算机辅助技术的应用，企业对CAPP的需求更加迫切。近几年来，我国市场上出现了几种有代表性的CAPP 软件，包括武汉开发CAPP 软件，上海思普SIP

9、M/CAPP 软件系统和清华天河CAPP 软件系统等，这在一定程度上满足了国内企业的需求。图1 派生式系统工作原理图2 创成式系统工作原理3、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。(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

10、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

11、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、编辑和管理界面等等。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

12、文件，有些系统还能直接输出零件的 NC 程序。图3 CAPP系统的工作过程和步骤CAPP的组成和基本结构：（1）控制模块。控制模块的主要任务是协调各模块的运行，使人机交互的窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式；（2）零件信息输入模块。当零件信息不能从CAD系统直接获取时，用此模块实现零件信息的输入；（3）工艺过程设计模块。工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用；（4）工序决策模块。工序决策模块的主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图；（5）工步决策模块。工步决策模块对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工控制指

13、令所需的刀位文件；（6）NC加工指令生成模块。NC加工指令生成模块依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用NC指令代码系统，产生NC加工控制指令；（7）输出模块。输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其它文档，输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改的到所需的工艺文件；（8）加工过程动态仿真。加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。图4 CAPP的结构组成4.CAPP的基础技术CAPP的基础技术包括： （1）成组技术（Group Technology）； （2）零件信息的描述和获取； （3）工艺设计决策机制； （4）工艺知识

14、的获取及表示； （5）工序图及其它文档的自动生成； （6）NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真； （7）工艺数据库的建立。 4.1成组技术（Group Technobey简称 GT）CAPP的基础技术之一是成组技术。CAPP是通过向计算机输入被加工零件的原始数据、加工条件和加工要求，由计算机进行编码、编程直至最后输出优化的工艺规程。成组技术的基本概念将企业的多种产品、部件和零件，按一定的相似性准则分类编组，并以这些组为基础组织生产各个环节，从而实现多品种小批量生产，使产品设计、制造和管理的合理化的技术。在机械加工中，它是将多种零件按上述准则分类以形成零件族（组），并对一个零件族设计一种工艺

15、方法或工艺路线，使该族中的零件都能用该工艺方法和路线进行加工。4.2零件的分类编码 用数字描述零件的几何形状、尺寸大小和工艺特征，即将零件的特征数字化。它是标识零件相似性的手段。目前采用的零件分类编码系统很多，其中德国的奥匹兹（Opitz）分类编码系统应用最广。我国于1984年底制定了“机械零件编码系统”（简称JLBMl系统），如图5所示。图5 JLBMl分类编码系统该系统由功能名称代码、形状及加工码、辅助码三部分共15个码位组成，每一码位均有10个特征项来描述零件的各种信息。系统的特点是零件类别按名称类别矩阵划分，便于检索；码位适中又有足够的描述信息的容量。各码位及其特征项号的具体内容可查阅

16、机械制造工艺手册。4.3成组工艺1划分零件族（组）根据零件编码划分零件族（组）的方法主要有：（1）特征码位法 特征码位法是将对某种目的要求影响最大的码位作为划分零件组的依据，而不考虑那些影响不大的码位。例如制造部门从加工要求的相似性出发，往往把影响最大的零件类别、外形、尺寸和材料等码位作为特征码位。如果采用奥匹兹系统，即将一、二、六、七等四个码位相同的零件划分为一组。根据这个规定，编码为043603072、041103070、047023072的这三个零件可划分为同一组。（2）码域法 码域法是将每个码位上的特征码规定一定的允许变动范围，凡零件的代码在这个允许范围内的，就属于这个零件组。例如可以

17、规定某一组零件的第一码位的特征码只允许取0和1，第二码位的特征码只允许取0、1、2、3等。（3）特征位码域法 在分组时，若采用特征码位法，则分组数多，但每组中的零件种数少。而采用码域法分组时，由于在非主要码位上对零件的相似程度也进行了限制，而那些被摒弃在外的零件特征并不一定影响成组技术的效果，这对扩大零件组中的零件数也是不利的。因此通常将上述两种方法结合起来使用，既按要求选取特征性较强的特征码位，又规定这些码位上特征码允许的变化范围（码域），并以此作为零件分组的依据。2拟定成组工艺路线在零件组组成以后，选择一个能包括组内所有零件结构要素的复合零件，复合零件既可以是实际零件，也可以是假想的（人为

18、虚拟的）零件。对结构复杂的零件，要将组内全部形状结构要素综合而形成一个复合零件，常常是困难的。此时可采用流程分析法，即分析组内各零件的工艺路线，综合成为一个工序完整、安排合理、适合全组零件的工艺路线，编制出成组工艺卡片。3选择设备并确定生产组织形式根据拟定的工艺过程，选择合理的高生产率机床（或进行改装）将它们编制成机床组，井按工艺流程原则布置这一机床组。随着成组技术的推广和发展，它的组织形式已由初级形式的成组单机加工逐步发展到成组生产单元、成组流水线和自动线，以至现代最先进的柔性制造系统和全盘无人化工厂。4设计成组夹具、刀具的结构和调整方案在成组加工中，更换工件时，机床上的夹具并不更换，只作适

19、当的调整，但要求调整简便、迅速。根据这个原则，设计成组夹具及刀具的结构和调整方案。4.4计算机辅助工艺设计方法1样件法在成组技术的基础上将编码相同或相近的零件组成零件组（族），并设计一个能集中反映该组零件全部结构特征和工艺特征的主样件（综合零件），然后按主样件设计适合本厂生产条件的典型工艺规程。当需要设计某一零件的工艺规程时，输入该零件的编码，计算机自动识别它所属的零件组（族），并调用该组主样件的典型工艺文件，然后根据形面编码、加工精度和表面质量要求，从典型工艺文件中筛选出有关工序，并进行切削用量计算。对所编制的工艺规程还可以通过人机对话方式进行修改，最后输出零件的工艺规程。这种方法的特点是系

20、统简单，但要求工艺人员参和并进行决策，所编制的工艺规程只局限于特定的工厂和产品。2创成法创成法是只要输入零件的图形和工艺信息，由计算机软件系统按照各种工艺决策的算法和逻辑步骤，自动生成工艺规程。其特点是自动化程度高，但系统复杂，技术上尚不成熟，其通用系统有待于进一步研究开发。5.CAPP 存在的主要问题虽然CAPP 经过了几十年的发展取得了一定的成果，但是还存在很多不容忽视的问题：CAPP系统的实用化程度不高，虽然国内外在系统的开发和研究上已经投入大量的人力和资金，可是真正投入生产实际的系统并不多，很多单位还存在重复研究；现已研制成功的CAPP 系统应用范围也比较狭窄，功能不足，智能化水平不高

21、，无法完成所有工艺设计功能；CAPP 系统未能真正实现同CAD、CAM、MIS、PDM 等的集成，零件信息不能真正共享，无法全面提取和获得制造所需要的信息；现有的成品CAPP 软件通用程度较低，柔性差，不能根据不同企业的特殊性调整信息需求； CAPP 系统的透明度低，多数是基于符号推理，其数据和推理过程过于抽象。6.结语伴随着计算机辅助设计技术的日益成熟，以及制造企业信息化工程的推动，逐渐多的制造业企业很大程度上需要利用CAPP来提高工艺设计的过程和结果。CAPP系统作为CAD系统和CAM系统的中间连接部分，其重要性相当突出，但是最近几年CAPP系统的发展遇到很多“瓶颈”。虽然对CAPP的研究

22、投入很多，各方面支撑技术都得到了提高，从理论到方法，再到技术都得到发展，但是作为整个系统，CAPP系统的推广和开发应用都很困难。这也是为什么到目前还没有在世界范围内出现共识的CAPP商品软件。只有打破传统CAPP在人们思想中已经固化了的概念，从整个企业的角度，建立面向企业工艺技术发展和工艺管理的CAPP系统，才是现代CAPP系统发展的新出路。参考文献1乔良，李原，杨海成，基于特征的 CAD/CAPP/CAM 集成方法研究，机械工业自动化，2000，23(01)：34362自英彩，唐治文，余巍，计算机集成制造系统:CIMS概论【M】，北京，清华大学山版社，1997.123孙波，赵汝嘉，计算机辅助

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