计算机辅助设计与制造技术ppt电子课件教案第5章计算机辅助工艺过程设计

第五章 计算机辅助工艺过程设计 5.1 CAPP的基本概念 5.2 CAPP系统的结构组成 5.3 零件信息的描述与输入 5.4 CAPP系统的基本原理和方法 5.5 CAPP专家系统 5.6 CAPP今后的发展趋势 5.1 CAPP的基本概念 CAPP的产生 l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，由计算机自动进行编码、编程直至最后输出经过优化 的工艺规程卡片的过程，称为CAPP。 lCAPP是随着产品设计和产品制造采用计算机辅助手段之后 ，作为中间环节，工艺过程的自动化亦应运而生。 CAPP的发展 l最初，CAPP仅用于工艺规程的检索和管理； l而今，能直接输入零件图形和加工要求，通过系统的逻辑判 断功能，自动地直接生成零件的工艺过程。 5.1 CAPP的基本概念 CAD/CAM集成系统实际上是CAD/CAPP/CAM集成系 统。CAPP从CAD系统中获得零件的几何拓扑信息、工艺信 息，并从工程数据库中获得企业的生产条件、资源情况及企 业工人技术水平等信息，进行工艺设计，形成工艺流程卡、 工序卡、工步卡及NC加工控制指令，在CAD、CAM中起纽 带作用。 5.1 CAPP的基本概念 为达到此目的，在集成系统中必须解决下列几方面问题： 1）CAPP模块能直接从CAD模块中获取零件的几何信息 、材料信息、工艺信息等，以代替零件信息描述的输入； 2）CAD模块的几何建模系统，除提供几何形状及拓扑信 息外，还必须提供零件的工艺信息、检测信息、组织信息及结 构分析信息等； 3）须适应多种数控系统NC加工控制指令的生成。 毛坯 设计 工艺 路线 工序 设计 工时 定额 工装 设计 余量 分配 切削 用量 工时 定额 机床刀 具选用 工序图 绘制 5.2 CAPP系统的结构组成 工艺设计：生产准备工作第一步，是连接设计与制造的桥梁， 工艺设计的结果是完成加工工艺规程。 工艺规程：决定零件加工方法、加工路线，是工装设计制造的 主要依据。 CAPP CAPP技术的发展： 交互式CAPP 派生式CAPP 创成式CAPP 智能型CAPP 面向零件CAPP 面向产品CAPP 面向企业CAPP PP：加工工艺过程编制（Process Planning） 生产过程编制（ Production Planning） CAPP系统结构组成 零件信息获取模块 有人机交互、由CAD模型转换等方法。 工艺决策 按预定的决策逻辑，进行比较、推理和决策加工工艺 规程。 工艺数据库与知识库 包含工艺设计所要求的工艺数据和规则。 工艺数据：加工方法、加工余量、切削用量、刀夹量具等； 规则：决策规则、加工方法选择、工序工步归并规则等、 人机交互界面 是用户的操作环境。 工艺文件管理与输出 包括工艺文件格式化显示和打印输出等。 CAPP系统结构组成 零件信息描述要求： 描述应准确、完整，与实际生产要求相一致，适合计算机处理； 应简洁易懂，易于理解和掌握，便于输入操作； 数据结构要合理，利于提高处理效率，便于信息集成。 零件信息描述内容： 零件几何信息：包括零件几何形状、尺寸、以及各几何元素间的拓扑 关系。方法：可从零件三维模型进行描述；也可将结构分解，对分解的形 体或型面单元分别进行描述。 零件工艺信息：加工精度、表面粗糙度、零件材料、毛坯特征、热处 理等。 生产管理信息：加工批量、生产周期等。 5.3 零件信息的描述与输入 CAPP零件信息描述基本方法 1）零件分类编码描述法 原理：基于成组技术原理，制订或选用一套编码系统， 对零件进行编码，通过编码实现对零件几何信息和工艺信 息进行描述的目的。 特点：简单易行，但零件描述粗糙，无法对零件形状、 尺寸、精度进行详细描述，没有足够信息进行决策。 应用：适用于派生式CAPP系统。目前CAPP系统很少单独 使用该方法。 2）形状特征描述法 原理：将零件形状特征按顺序输入计算机，按设定的数据结构进行组 织，形成供CAPP调用的零件信息模型。 优点： 零件特征与加工方法相对应，便于推导加工工艺； 零件特征包括尺寸、公差、粗糙度等信息，为工序设计、尺寸链 计算、工艺路线的安排提供了方便。 应用：在众多CAPP系统中得到了应用。 回转 体零 件加 工二 叉树 结构 表示 3）语言描述法 用计算机能够识别的语言对零件形状和工 艺特征进行描述，需要用户学习掌握所选用语言的词法和语 法，描述过程比较繁琐。 4）知识表示描述法 用人工智能中的知识表示方法来描述 零件信息，包括人工智能框架表示法、产生式规则法和谓词 逻辑表示法等。 5）直接将CAD作业结果作为CAPP的输入 将CAPP系统与 CAD系统直接相连，使CAPP操作所需的各种工艺信息直接 来源于CAD系统，避免繁杂和枯燥的手工信息输入。 在众多零件信息描述中，适合轴类零件的方法较多，箱体 类等复杂零件信息描述仍是一个薄弱环节。 5.4 CAPP系统的基本原理和方法 1、派生式CAPP 工作原理：利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。要求先对 零件编码，根据编码确定所属零件族，调用该族零件标准工艺，经过编辑 修改，最终获得零件工艺规程。 生成过程：先编码建立特征矩阵将若干零件归类分组建立零件族 特征矩阵制定标准工艺规程存入计算机使用时调出零件族特征矩阵 根据现有实际零件修改成该零件的单独工艺规程 派 生 式 CAPP 工 作 原 理 5.4 CAPP系统的基本原理和方法 1、派生式CAPP 零件族特征矩阵库 派生式CAPP开发过程 1)根据产品特点与生产情况，确定编码系统； 2)进行零件编码； 3)对零件分类，形成若干零件族，建立零件族特征矩阵库； 4)对各零件族构造“典型零件”； 5)编制“典型零件”标准工艺和相应的工序内容； 6)建立工艺数据库，存储常用工艺数据和规范； 7)编制系统程序，实现各功能模块。 派生式CAPP特点 1)以成组技术为基础，理论上比较成熟； 2)应用范围比较广泛，有较好的实用性； 3)适用于结构比较简单的零件，尤其回转类零件； 4)继承企业较成熟的传统工艺，但系统柔性度较差； 5)对于相似性较差的复杂零件，难以编码描述。 派生式CAPP举例 CAMI派生式CAPP系统工作流程 （美国计算机辅助制造公司） 2、创成式CAPP 工作原理 ：根据零件模型和工艺信息，应用决策逻辑，模拟工艺人员 决策过程，自动创成加工工艺规程，完成机床刀具选择和工艺过程优化。 创成式CAPP系统工作原理 创成式CAPP开发过程 1)确定系统对象范围，是针对回转体零件还是非回转体零件； 2)确定零件描述方法，是型面单元描述还是体素组合语言描述； 3)确定和建立工艺决策模型，用决策表还是决策树； 4)建立加工资源数据库，包括机床、夹具、刀具、切削用量等； 5)设计系统主控模块、人机接口模块、工艺文件生成和输出模块。 创成式CAPP特点 1)通过逻辑推理，自动决策生成零件工艺规程，无需人为干预； 2)具有较高的柔性，适应范围广； 3)便于与CAD和CAM系统的集成； 4)系统实现较为困难，目前只能处理特定环境下的特定零件。 SIP系统结构组成：由制造资源模块、零件特征定义模块、工艺决策 以及主控模块组成，其中工艺决策模块是系统核心，零件信息是决策对象 ，制造资源信息是决策约束。 创成式CAPP举例（上海交大SIP系统） 制造资源的构成 车间层资源 包括粗加工、精加工、热处理、装配等生产车间。 设备层资源 包括不同的机床和工艺装备。 知识层资源 包括决策规则、切削参数、加工余量和工时定额等工艺数据。 3、综合式CAPP 原理：综合派生式CAPP采取派生与创成相结合的方法生成工艺规程 ，即工艺设计采用派生法，工序设计则采用创成决策方法产生。 特点：综合派生式与创成式CAPP两者优点，具有系统简洁、快捷 、灵活、实用性强的特点。 5.5 CAPP专家系统 专家系统：是一种求解问题的智能软件系统，它把人类专家的经验和 知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理和控制 策略，处理和解决只有专家才能解决的问题。 通常软件系统 数据 算法 专 家 系 统 知识 推理 专家系统组成： l 知识库 专家系统核心，包含常识性知识和启发性知识。 启发性知识是专家系统逻辑推理的主要知识源。 数据库 用于存储用户输入的原始数据（事实）和推理过程的动态数据。 推理机 是一种具有推理能力的计算机软件程序，用来控制和协调整个 系统运行的软件模块。 解释模块 对专家系统推理结果作出必要解释，使用户了解专家系统 推理过程，接受所推理的结果。 知识获取模块 将人类专家的专门知识提取出来，经整理转化为计算机 内部数据结构形式，是知识库建立和维护的工具和手段。 用户接口模块 将专家和用户输入的信息转换为系统可以接受的形式， 同时把系统的推理结论转换为人类易于理解的形式。 专家系统组成 专家系统特点 启发性 能使用判别性知识以及已确定的理论 知识进行推理； 透明性 能解释其推理过程； 灵活性 能把新知识不断加入已有知识库，使其 逐步完善和精练。 专家系统的知识表示 产生式规则法、语义网络法和框架表示法是目前较 为流行的知识表示方法。 产生式规则法 是最常用的知识表示方法，其一般形式为： IF AND/ORAND/ORAND/OR THEN 或， 或,或 例： IF AND AND THEN 优点： 产生式规则结构接近人类专家思考问题方式； 各条规则相互独立，易于查询、修改和扩充； 容易添加解释功能，以便观察系统如何进行推理； 具有描述不确定知识的能力。 1）正向推理 从已知事实出发，按照给定控制策略，利用生产式规则 最终推断出结论。在CAPP系统中，由毛坯一步步推导出最终零件的整 个加工工艺过程。 正向推理机应具有的功能： 能够根据已知的事实，知道运用知识库中哪些知识； 能将推理后得到的结论存入数据库，并记录整个推理过程； 能够判断何时结束系统推理； 必要时向用户提问，要求用户补充输入所需的推理条件。 专家系统推理方式 正向推理不足盲目推理，求解了许多与目标解无关的子目标； 2）反向推理 先提出假设，然后反向寻找支持假设的证据。在CAPP 系统中，由最终零件通过逐步加上加工余量，使之最终成为毛坯的推理 过程。 反向推理机应具有的功能： 能够提出假设，并运用知识库中的知识判断假设的真假； 若为真，则记录使用了哪些知识（以备解释之用）； 若为假，则系统应重新提出新的假设，再进行判断； 能够判断何时结束推理； 必要时能够向用户提出补充条件要求。 反向推理不足盲目选择目标，求解了许多假设的子目标。 3）双向推理： 综合利用正向推理和反向推理优点，克服其 不足。 先根据事实库中一些原始数据，利用正向推理帮助人们 选择假设，再利用反向推理进一步证明这些假设是否成立 ，如此反复，直至最后得出结论。 专家系统开发语言：Lisp、Prolog等智能型程序设计语言， 需逐个模块开发，开发效率很低。 专家系统开发工具: 有骨架型、通用型、辅助型等。 EMYCIN为最早、最常用专家系统开发典型工具，它是将MYCIN 专家系统中有关传染病诊断知识和内容移走，剩下专家系统“骨架”（ Shell），包含不可缺少的推理机、知识获取、解释和控制功能模块， 被称之为基本(Essential) 的MYCIN ，即EMYCIN。 这样开发者仅需完成相关应用知识库的建立，便完成专家系统的开 发，大大缩短专家系统开发周期。 CAPP专家系统 CAPP专家系统 CAPP专家系统 CAPP专家系统 CAPP专家系统 CAPP专家系统 工艺知识的获取与表达方式 CAPP专家系统 工艺知识的获取与表达方式 CAPP专家系统 工艺知识的获取与表达方式 CAPP专家系统 工艺知识的获取与表达方式 CAPP专家系统 工艺知识的获取与表达方式 CAPP专家系统 推理机设计 CAPP数据库 包括文件： l工艺规程组成文件 l机床和工艺装备文件 l材料及其主要物理-力学性能 l加工余量、切削用量、工时定额资料 l有关加工成本的经济资料 l修订法所需零件族矩阵文件和主样件标准工艺规程 l创成法所需各种逻辑原则和资料数据 5.6 CAPP的发展趋势 随着CAD、CAPP、CAM单元技术日益成熟，同时又由于 CIMS及IMS的提出和发展，促使CAPP向智能化、集成化和实 用化方向发展。研究开发CAPP系统的热点问题有： 1）产品信息模型的生成与获取； 2）CAPP体系结构研究及CAPP工具系统的开发； 3）并行工程模式下的CAPP系统； 4）基于分布型人工智能技术的分布型CAPP专机系统； 5）人工神经网络技术与专家系统在CAPP中的综合应用； 6）面向企业的实用化CAPP系统； 7）CAPP与自动生产调度系统的集成 CAPP技术与系统的发展趋势 (1) 知识化、智能化 CAPP系统不会停留在以解决事务性、管理性工作为主的阶段。基于知识的 CAPP系统除了作为工艺设计辅助工具，而且还有将工艺专家的经验和知识积累起来 并加以充分利用的任务。在知识化的基础上，CAPP系统应从实际出发，从工艺设计 在工序、特征形体层面或在全过程提供备选的工艺方案，并根据操作者的工作记录 进行各种层次的自学习、自适应。 (2) 工具化、工程化 各企业的工艺环境、管理模式千差万别，CAPP既要适应各企业的具体情况，又 要控制针对具体企业的实施工作量、提高通用性，就需要加强CAPP系统的工具化和 工程化。将CAPP系统的功能分解成一个个相对独立