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计算机辅助工艺过程设计 发布于:

CAPP(Computer Aided Process Planning)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于CAPP系统,可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。也是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛胚到成品的设计和制造过程。

CAPP 是Computer Aided Process Planning(计算机辅助工艺规划或设计)的英文缩写。由于长期以来采用手工方式进行的传统工艺过程设计不可避免地存在一些缺陷:对工艺设计人员要求高;工作量大,效率低下:难以保证数据的准确性;且信息不能共享等:同时,计算机技术的发展及其在机械制造业中的广泛应用,使得计算机辅助工艺设计(以即)应运而生,广度和深度也在不断发展中。

一般讲,CAPP就是利用计算机技术来辅助完成工艺过程的设计并输出工艺规程,可缩短工艺设计周期,对设计变更作出快速响应,提高工艺部门的工作效率和工作质量;但为满足CAD/CAPP/CAM集成系统及CIMS发展的需要,对CAPP的认识应进一步扩展,即对其广义的理解:CAPP的一头向生产规划最佳化及作业计划最佳化发展,作为M即n的一个重要组成部分;CAPP向另一头扩展能够生成NC指令,使其起到连接CAD和CMA及MRlPl等应用系统的桥梁作 用,成为现今许多先进制造技术的技术基础之一。

CAPP系统的构成,视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。CAPP系统基本的构成模块包括:

(1)控制模块。控制模块的主要任务是协调各模块的运行,是人机交互的窗口,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。

计算机辅助工艺过程设计系统按其工作原理可分为检索式、派生式、创成式等。

(1)检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的,将设计好的零件标准工艺进行编号,存储在计算机中,当制定零件的工艺过程时,可根据输入的零件信息进行搜索,查找合适的标准工艺。

(2)派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性,相似的零件有相似的工艺过程"这一原理,通过检索相似典型零件的工艺过程,加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。

(3)创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同,它是根据输入的零件信息,依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。

CAPP的基础技术包括:

(1)成组技术(Group Technology);

(2)零件信息的描述与获取;

(3)工艺设计决策机制;

(4)工艺知识的获取及表示;

(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。

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。

CAPP:计算机辅助工艺过程设计(computer aided process planning)

CAPP的开发、研制是从60年代末开始的,在制造自动化领域,CAPP的发展是最迟的部分。世界上最早研究CAPP的国家是挪威,始于1969年,并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS;1973年正式推出商品化的AUTOPROS系统。

在CAPP发展史上具有里程碑意义的是CAM-I于1976年推出的CAM-I’S Automated Process Planning系统。取其字首的第一个字母,称为CAPP系统。对CAPP这个缩写法虽然还有不同的解释,但把CAPP称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释义。

CAPP(computer aided process planning,计算机辅助工艺过程设计)的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订,把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等),由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。

计算机辅助工艺过程设计也常被译为计算机辅助工艺规划。国际生产工程研究会(CIRP)提出了计算机辅助规划(CAP-computer aided planning)、计算机自动工艺过程设计 (CAPP-computer automated process planning)等名称,CAPP一词强调了工艺过程自动设计。

实际上国外常用的一些,如制造规划(manufacturing planning)、材料处理(material processing)、工艺工程(process engineering)以及加工路线安排(machine routing)等在很大程度上都是指工艺过程设计。计算机辅助工艺规划属于工程分析与设计范畴,是重要的生产准备工作之一。

由于计算机集成制造系统(CIMS-computer integrated manufacturing system)的出现,计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计 (CAD-computer aided design)相接,下与计算机辅助制造(CAM-computer aided manufacturing)相连,是连接设计与制造之间的桥梁,设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息,设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。由此可见CAPP在实现生产自动化中的重要地位。

自从1965年Niebel首次提出CAPP思想,迄今50多年,CAPP领域的研究得到了极大的发展,期间经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系统、工具系统等不同的发展阶段,并涌现了一大批CAPP原型系统和商品化的CAPP系统。

在CAPP工具系统出现以前,CAPP的目标一直是开发代替工艺人员的自动化系统,而不是辅助系统,即强调工艺设计的自动化和智能化。但由于工艺设计领域的个性化、复杂性,工艺设计理论多是一些指导性原则、经验和技巧,因此让计算机完全替代工艺人员进行工艺设计的愿望是良好的,但研究和实践证明非常困难,能够部分得到应用的至多是一些针对特定行业、特定企业甚至是特定零件的专用CAPP系统,还没有能够真正大规模推广应用的实用的CAPP系统。

在总结以往经验教训的基础上,国内软件公司提出了CAPP工具化的思想:CAPP是将工艺人员从许多工艺设计工作中解脱出来的一种工具;自动化不是CAPP唯一的目标;实现CAPP系统的以人为本的宜人化的操作、高效的工艺编制手段、工艺信息自动统计汇总、与CAD/ERP/PDM系统的信息集成、具有良好的开放性与集成性是工具化CAPP系统研究和推广应用的主要目标。

工具化CAPP的思想在商业上获得了极大的成功,使得CAPP真正从实验室走向了市场和企业。借助于工具化的CAPP系统,上千家的企业实现了工艺设计效率的提升,促进了工艺标准化建设,实现了与企业其它应用系统CAD/PDM/ERP等的集成,有力地促进了企业信息化建设。

工具化CAPP以后,CAPP如何发展?在探讨这个问题之前,CAPP在应用中存在的不足和问题。

应用范围偏窄

绝大多数企业,CAPP的应用集中在机械加工工艺的设计。实际上,在制造企业中,产品在整个生命周期内的工艺设计通常涉及到产品装配工艺、机械加工工艺、锻造工艺、钣金冲压工艺、焊接工艺、热表处理工艺、毛坯制造工艺等各类工艺设计。CAPP在企业的应用缺乏应有的广度。CAPP应用应从以零组件为主体对象的局部应用走向以整个产品为对象的全生命周期的应用,实现产品工艺设计与管理的一体化,建立企业级的工艺信息系统。

应用水平偏浅

绝大部分企业CAPP的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇总、工艺流程和权限的管理与控制方面,有效地提高了工艺设计的效率和标准化水平,这是CAPP应用的基础。但CAPP应用的深度还不够,还不能有效地总结行业工艺 “设计经验”和“设计知识”,从根本上解决企业有经验的工艺师匮乏的问题。通用的CAPP 系统还无法实现对工艺知识的总结、积累和应用,如何提高CAPP系统的知识水平,实现CAPP的有限智能,是企业关心的问题,也是CAPP软件厂商需要考虑的问题。解决了工艺设计效率、标准化、集成的问题,下一步如何帮助企业总结工艺知识和经验是CAPP应用的关键。

基于三维CAD的工艺设计与管理

随着三维CAD在国内制造业的广泛推广应用,三维CAD在不远的将来会成为我国企业产品设计的主流设计工具。随着设计手段的变革,工艺设计跟着需要变革。工艺如何和三维CAD进行集成,工艺如何基于三维CAD进行加工工艺设计和装配工艺设计等等,在很多企业都有迫切的需求。现阶段,CAPP的应用基本上基于二维CAD进行,与三维CAD的集成应用还处于起步阶段,有待研究和突破。

CAPP系统与其它应用系统的集成

工艺是设计和制造的桥梁,工艺的数据是产品全生命周期中最重要的数据之一,工艺数据同时是企业编排生产计划、制定采购计划、生产调度的重要基础数据,在企业的整个产品开发及生产中起着重要的作用。CAPP需要与企业的各种应用系统进行集成,包括CAD/PDM/ERP/MES等等。由于不少企业CAD、CAPP、ERP的应用是分阶段、不同时期应用的,还存在着信息的孤岛,工艺数据的价值还没有得到有效的发挥和利用。

CAPP与PDM中的管理功能冲突

随着CAPP应用不断扩展,一些CAPP系统逐渐增加了工艺管理的内容,包括权限管理、流程管理、更改管理,并在工艺部门得到了一些应用。随着企业PDM的实施推广应用,随之带来的不可忽视的问题是:CAPP自身的管理功能和PDM的管理功能如何定位和相互集成。CAPP是连接设计与制造的桥梁,与上游要与PDM集成,下游要与ERP,MES系统集成。ERP,PLM,MES,CAPP中的管理功能各有偏重,有各自明确的分工和定位。因此CAPP的工艺管理功能与PDM中管理功能只要有很明确的分工和定位,就不会发生冲突和矛盾,更有利于各自系统发挥各自优势。

根据上述分析的CAPP发展趋势,开目公司提出了CAPP深化应用的内容及相应的解决方案。解决方案内容包括:

基于知识的CAPP系统--参数化工艺设计平台。

基于知识的CAPP系统,解决了企业工艺知识的积累、优化的问题,极大的提高了工艺设计的效率和水平,确保了工艺设计的质量。基于知识的CAPP系统,在上海锅炉厂有限公司得到了成功的应用。

基于三维CAD的加工工艺设计系统

提供基于三维CAD的加工工艺设计工具,可以基于3D模型定义加工工艺特征(孔、外圆、键槽、中心孔等),自动获取加工特征信息,可以基于特征加工知识进行辅助工艺决策,可以建立3D工艺装备库(机床、卡盘、顶尖、定位销、支撑钉等),可以生成3D工序简图,实现可视化的工艺装夹规划等。此项研究得到了“十五”国家863课题专项支持,已开发出原型系统。

基于三维CAD的可视化装配工艺设计

提供可视化的装配工艺设计工具。可以自动获取三维装配结构信息,可以可视化的指定零部件的装配路径和先后顺序,可以生成三维装配工序爆炸图,装配工序设计时,可以指定装配工装、工具信息,可以进行装配过程的实体仿真。仿真过程可以指定为整个装配过程或某一道工序的装配过程。此项研究得到了“十五”国家863课题专项的支持,已经开发出原型系统。

工艺执行系统

工艺执行系统是CAPP深化应用的重要内容,是充分利用和提升CAPP数据的重要途径和方法,拓展了CAPP应用的广度和深度。工艺执行系统主要包括3个方面的内容:工艺执行规划和管理、工艺执行质量管理和工艺执行过程管理。此项研究也得到了“十五”国家863课题专项支持,目前正在规划开发中。

基于平台技术、可重构的CAPP系统

基于IDE(集成开发平台)和IDP(集成数据库平台),可以实现CAPP各种层次的二次开发功能,充分满足工艺个性化需求,适应企业发展变化的需求。借助于平台技术,可以自定义界面,可加入任何标准的Windows控件,用户可编写C++或VB格式的脚本程序等。可以在CAPP平台上,开发专用的CAPP系统。通过平台技术,已经开发了专用的锻件CAPP系统。IDP(集成数据库平台)获得了“十五”国家863课题专项支持。

纵观CAPP发展的历程,可以看到CAPP的研究和应用始终围绕着两方面的需要而展开:一是不断完善自身在应用中出现的不足;二是不断满足新的技术、制造模式对其提出的新的要求。因此,未来CAPP的发展,将在应用范围、应用的深度和水平等方面进行拓展,表现为以下的发展趋势:

面向产品全生命周期的CAPP系统

CAPP的数据是产品数据的重要组成部分,CAPP与PDM/PLM的集成是关键。基于PDM/PLM,支持产品全生命周期的CAPP系统将是重要的发展方向。

基于知识的CAPP系统

CAPP已经很好的解决了工艺设计效率和标准化的问题,下一步如何有效地总结、沉淀企业的工艺设计知识,提高CAPP的知识水平,将会是CAPP应用和发展的重要方向。

基于三维CAD的CAPP系统

随着企业三维CAD的普及应用,工艺如何支持基于三维CAD的应用?特别是基于三维CAD的装配工艺设计正成为企业需求的热点。科技部在“十五”863现代集成制造系统技术主题,将“基于三维CAD的CAPP”专门立项研究和推广。可以预见,基于三维CAD的CAPP系统将成为研究的热点。国内开目、金叶等几家软件公司正在进行研究,并且开目公司已经推出了原型的应用系统。

基于平台技术、可重构式的CAPP系统

开放性是衡量CAPP的一个重要的因素。工艺的个性很强,同时企业的工艺需求可能会有变化,CAPP必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的CAPP系统将是重要的发展方向。


  CAPP(Computer Aided Process Planning,又称计算机辅助工艺设计)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制定零件的机械加工工艺过程。工艺设计是产品开发的重要环节,工艺设计的好坏直接决定零件的生产质量和生产效率以及成本。CAPP系统的实施就是为了缩短工艺编制的时间,优化工艺并实现工艺编制的自动化,减轻工艺编制人员的劳动强度;CAPP系统的应用还可以使企业的工艺文件实现标准化,实现企业内部数据的高度统一,标准化的工艺文件更加适合企业现代化的生产与管理环境,方便企业应用PDM,ERP等系统。
  自从1965年Niebel首次提出CAPP思想以来,各应用软件公司和研究所以及高校对CAPP领域的研究得到了极大的发展,主要经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系统和工具系统等不同的发展阶段,并涌现出了一大批商品化的CAPP系统。但是相对于其它信息管理系统的发展,CAPP的应用水平仍然比较滞后。
  总结国内大中小企业的CAPP应用现状,大多数企业CAPP的应用还存在一些不足和问题:
  (1)大多数企业CAPP的应用仅仅是对纸质工艺卡片的电子化管理,以及实现对工艺信息的电脑自动统计汇总和权限的管理与控制方面,这种程度仅仅是实现对传统工艺管理的电脑化管理。
  (2)大多数企业CAPP的应用还不能有效地完整地总结本企业(甚至是行业)的工艺设计经验和设计知识,因为没有标准化的有效的工艺知识库,造成企业的工艺编制仍然主要依靠有经验的工艺师,CAPP系统的的智能化程度仍然很低。
  (3)大多数企业的CAPP系统的绘图环境可以与CAXA软件集成,而与CAD软件还不能完全集成,而大部分企业设计部门所采用的绘图软件都是使用的CAD绘图软件,这样就造成了在CAPP系统里面进行工艺附图的设计和更改时比较费时费力。
  (4)现阶段,CAPP系统的绘图环境局限于二维绘图,能够实现三维绘图的很少。随着三维制图软件的发展的推广应用,三维制图在不远的将来肯定会成为我国制造企业产品设计的主要趋势。因此,CAPP系统的绘图环境还有待进一步提高和完善。

针对当前CAPP系统所存在的问题,如CAPP系统在智能性、实用性、通用性、集成性和柔性等方面的不足之处,必须对以下关键技术进一步研究,以提高CAPP的应用水平和效果:
  零件的分类编码方法
  实现CAPP系统的关键技术之一就是建立完善的零件分类编码系统,建立零件分类编码系统时,首先要提取每个零件的设计特征和制造特征,然后将零件的这些特征通过编码来识别。一般情况下,零件的特征越多,描述这些特征的编码也越复杂。常用的零件分类编码系统可以分为三种类型:以零件设计特征为基础的编码系统;以零件制造特征为基础的编码系统;以零件的设计和制造特征为基础的编码系统。
  工艺设计相关技术
  常用的工艺设计技术有:相似工艺自动检索技术、参数化工艺设计技术、模块化/单元化工艺设计技术等。
  采用相似工艺检索技术,可以大大提高企业对成熟工艺的有效利用,提高企业工艺编制的效率和质量,同时也可以减少工艺编制人员的重复性工作,减少人力成本。
  参数化工艺设计技术是一种快捷有效的工艺设计模式。首先需要建立完善的典型工艺数据库,每种零件对应一种典型工艺,只需要将对应的典型工艺数据库里面的参数进行修改,就可以自动形成高质量的工艺文件。
  模块化工艺设计技术的核心思想是将制造工艺过程分解为一系列规范化的操作和规则,这些规范化的操作和规则组成不同的模块,每个模块里面的操作参数可以针对不同产品进行设计更改,针对特定零件的制造工艺可以利用参数化设计技术、专家系统技术实现不同模块化的组合。
  集成环境下的工艺数据管理技术
  传统的CAPP系统工艺数据管理技术一般采用文件形式对工艺数据进行保存,对工艺数据的管理要求不高。但是,随着大量制造企业信息化水平的不断提高,大部分CAPP系统实在网络化环境下实施应用的,因此,大量的工艺数据是在网络环境下处理和共享以及存储的,传统的基于文件保存工艺数据的方式已经不适应网络化和集成化的环境,这就需要深入研究网络化集成环境下的工艺数据管理技术。总之,CAPP系统中的工艺数据管理的目的是要保证工艺数控的一致性、有效性和完整性。实现CAPP与CIMS其它子系统的信息集成和信息的充分共享。
  工艺知识库的建立技术
  工艺知识库的建立和有效管理是CAPP系统成功运行的重要环节。建立工艺知识库时应解决以下几个关键问题:共享性、完善性、柔性和安全性。在建立知识库前,首先要做大量的调研和分析,在此基础上,再从零散的资料中找出规律,建立起标准统一的知识库,使之能应用于各种生产条件下的各种类型零件,并不断地对知识库进行完善,以适应用户不断变化的需求。在知识库管理过程中,将那些可以不断被修改和扩充的知识与程序分离存储,称为外部知识库;将那些用户不能随意修改和扩充的知识固化在程序中,称为内部知识库。内部知识库和外部知识库的具体界定则是需要进一步研究的内容


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