《计算机辅助设计与制造》论文.doc

浅析CAPP系统的发展及其在制造业中的应用姓 名： 学 号： 指导教师： 摘要：计算机辅助工艺设计(CAPP)彻底改变了传统手工设计的落后面貌；它在现代自动化集成制造系统中起着极其重要的作用。对CAPP系统模式的探讨和CAPP技术的研究是制造业的重要任务。本文总结了CAPP系统的概念和分类，总结了CAPP的发展趋势及存在问题，详细综述了CAPP系统在制造业信息化建设中的应用。关键词：CAPP系统、发展概况、制造业应用计算机辅助工艺设计(CAPP: Computer-aided process planning)是指在人和计算机组成的系统中，根据约束条件和资源条件，将零件的设计信息转换为制造零件所需的一系列加工操作，并人机交互或自动地生成零件的加工工艺规程，也即是将产品设计信息与制造环境提供的所有可能的加工能力信息进行匹配与优化的过程1。传统上CAPP是狭义的，它只面向零件，主要是机械加工工艺的设计，而且常常是车间一级的。后来逐步扩充到各种专业的工艺过程设计乃至工艺信息管理。迄今为止，人们对CAPP的研究已进行了40多年，取得了许多重大的研究成果，获得了一定的经济效益，特别是将专家系统、神经网络和模糊逻辑等人工智能技术应用于CAPP之后，工艺知识获取、表达和运用的有效性和灵活性有了很大改观，CAPP系统的实用化和工程化水平得到了很大提高。1CAPP的发展概况计算机辅助工艺设计的研究在国际上始于20世纪60年代后期，其早期意图就是建立包括工艺卡片生成、工艺内容存储及工艺规程检索在内的计算机辅助系统.它只是将计算机当作存储、整理、计算和提取信息的工具，以帮助减少工艺人员所做的事务性工作，从而节省工艺设计的时间。这样的系统因为没有工艺决策能力和排序功能，所以不具有通用性。直到美国计算机辅助制造国际组织CAM-I于1976年开发出在CAPP发展史上具有里程碑意义的CAPP系统，计算机辅助工艺设计才正式命名为CAPP系统。1985年1月CIRP首次举行了CAPP专题研讨会，11月美国ASME冬季年会的主题定为“计算机辅助/智能工艺过程设计”，1987年6月CIRP又举行CAPP的专题学术研讨会2。经过这几次在国际上具有较大影响力的会议，使CAPP技术的研究工作在世界范围内广开来，进而掀起CAPP技术的研究高潮。国内CAPP技术的研究是从80年代开始的，国内最早开发的CAPP系统是同济大学的修订式TOJICAP系统和北京航空航天大学的创成式BHCAPP系统3，在这之后西北工业大学、西安交通大学、南京航空航天大学等单位也研制成功了适用于特定类型零件的CAPP系统。经过20多年的历程，国内外对CAPP技术已进行了大量的探讨与研究，无论在研究的深度上和广度上都不断取得进展。具有代表性的技术有:特征识别技术、成组技术、智能技术、专家系统技术、网络技术、数据库技术、集成技术等。近年来，除集成化、智能化继续受到重视外，实用化、工程化也已逐步受到人们的重视，而系统化、分布式、网络化已成为CAPP技术发展的新趋势。2典型CAPP系统CAPP按照工艺生成原理可分为派生式和创成式；按照系统的开发模式可分为专用型和工具型。国内已开发的CAPP的基本形态有派生型、创成型、交互型及综合型等。2.1创成式CAPP系统创成型CAPP系统继承和应用的不是标准(典型)工艺，而是依靠系统中的决策逻辑与算法以及有关的制造工程数据信息，从无到有自动生成零件工艺规程，其系统如图1所示。首先输入零件的主要信息，如名称、材质、热处理等，然后分段输入零件部分的代码及要求，确定出各表面的加工方法，经过计算机判断、修改、形成整个零件的加工方法及加工过程，并确定及计算每道工序中的各个工步的内容、加工先后顺序、切削参数等4。系统开发的关键技术是工艺决策规则的制订和制造工程知识的合理描述及工艺知识库/数据库建立方式。国内CTCAPP属创成型CAPP系统。创成型CAPP的特点是：（1）创成型CAPP系统适用于各种零件，因而对系统的要求也极高，它必须具有复杂的逻辑判断能力，能将零件用计算机易于识别的形式进行准确的描述，工艺知识库/数据库中必须包括工厂中所有加工方法的专业知识和经验，必须具备能生成可能后续工序的能力。（2）工艺设计结果是在没有人工干预的条件下根据工艺知识库/数据库的信息创造出来的。设计过程自动化程度高，易实现工艺过程的优化，有生成最新加工信息潜在可能性，工艺设计结果一致性好。（3）从设计角度看，该方法接近人类解决问题的思维方式。但是由于工艺设计的复杂性，工艺设计理论的不成熟，工艺知识的不确定性，使得通用的、全自动化的创成型CAPP系统的开发遇到了极大的困难。目前已开发的系统大多只能解决特定环境下的某类零件。创成型LAPP系统的理论和实践都还在探索中。输入零件信息零件加工顺序生成选择机床选择夹具选择刀具选择切削参数工艺生成输出图1 创成式CAPP系统工作流程图2.2派生式CAPP系统这种系统以成组技术(GT)为基础，用GT码来描述并输入零件信息。建立这种系统时，要对现有零件按相似性原则进行分组，形成零件族，建立零件族特征矩阵，为每个零件族制定一个标准(典型)工艺和相应的检索方法与逻辑。这些信息，数据均预先存入计算机数据库中。设计新零件的工艺时，首先根据GT码，由计算机检索出相应的零件族的标准(典型)工艺，然后根据具体的加工要求再对标准(典型)工艺进行删选、编辑，最后获得零件的工艺过程，如图25所示。这种系统有以下特点:（1）原理简单，针对性和实用性强。当一个企业的大多数零件相似程度较高，因而划分的零件族数较少，且每个族中包括的零件种数很多时，该系统有明显优点。（2）从设计角度看，派生式LAPP与手工设计的类比设计相同，也就是说用计算机模拟人工设计，因而继承和应用的是标准(典型)工艺，故不能摆脱对人的工艺知识和经验的依赖。（3）由于知识源划分粗大，不利于工艺知识源的开发，因此系统的柔性和可移植性较差。输入原始信息搜索零件组找到零件组转其他方式 Y调入标准工艺过程编辑标准工艺打印输出工艺文件图2 派生式CAPP系统工作流程图2.3综合型CAPP系统综合型CAPP系统是将派生式，创成式和人工智能相结合的一种混合式推理方法，以解决派生式系统的局限性和创成式系统开发难度大的问题。一般是将工艺设计中成熟的变化少的内容用派生式原理，而将经验性强，变化大的内容用创成式原理决策。2.4交互型CAPP系统交互型CAPP系统是一种在人机交互方式下工作的派生式和创成式相结合的CAPP系统。灵活性大，它将一些经验性强、难确定的、模糊的问题留给用户，因而有可能开发出较通用的CAPP系统。但系统运行效率低、对人的依赖性大、对用户界面的开发要求高。3CAPP系统分析3.1目前CAPP系统可实现的功能基础功能：工艺数据库和工艺卡片定义，卡片填写系统，打印输出；数据导出导入，词句库、符号库、系统资源库、用户资源库、单元工艺库维护及使用，汇总定义及服务，归档工艺库，典型/标准工艺库，查询检索系统，帮助系统，数据集成工具。网络功能：更改、浏览批注及版本控制系统，权限系统。集成功能:能与某些或特定的CAD软件进行简单的信息集成。3.2CAPP系统发展中存在的问题目前CAPP系统发展的不足之处:CAPP系统开发较多且有较大的片面性，真正投入实际生产使用的较少，许多单位存在着重复研究；商品系统较少，功能不足，应用范围较窄，现有的系统智能程度和知识水平不高，无法完成所有工艺设计功能；同CAD、CAM、MIS、PDM等相关计算机辅助技术没有达到真正的集成6，不能百分百的提取和获得制造所需信息;虽然已有部分成品软件但是通用化程度较差，不能根据不同企业的特殊性调整信息需求、工艺决策逻辑；透明度低，多数CAPP系统主要是基于符号推理，其数据和推理过程过于抽象。3.3CAPP系统的发展趋势为使CAPP系统实用性、适应性更强，CAPP除继续沿着智能化、集成化、柔性化、并行化的方向发展外，还进行通学模型、非传统规划等方面的研究，概括如下:（1） 由传统的CAPP系统向智能化的CAPP系统发展（2） 由弧立的CAPP系统向集成化的CAPP系统发展（3） 由开发研究性质和专用CAPP系统向企业化CAPP系统和CAPP开发系统和专家系统工具的方向发展（4） 由线性规划系统向非线性的、动态的、准时的、可选的工由线性规划系统向非线性的、动态的、准时的、可选的工艺规划系统发展（5） 由单领域规划向多领域的分布式规划发展（6） 从独立的CAPP系统向CAD,CAM同时考虑的并行化CAPP系统方向发展（7） 从考虑纯技术因素的CAPP系统向技术和社会、环境等因素同时考虑的绿色CAPP系统发展（8） 由传统的CAPP系统向非传统的CAPP系统发展，如检测CAPP、装配CAPP、板材加工CAPP、焊接CAPP、机器人任务规划等。4CAPP系统在制造业中的应用 CAPP系统是信息设计、制造、生成的桥梁，它将生产管理和产品设计联系在一起。制造业引入了CAPP系统之后，可以有效地提高生产制造的工作效率，降低生产成本，将企业推向信息化的发展道路。CAPP系统在制造业中的应用如下。（1）CAPP系统可以实现与CAM信息交换的目标。这主要是通过CAPP系统将生产、加工零件所必须的加工设备、切削参数、装夹参数、工装设备，再加上零件在切削过程中刀具的反映轨迹文件传输给CAM系统，并且可以随时接受CAM系统传来的修改信息7。（2）CAPP系统可以实现与CAD交换信息的目标。站在从属关系角度，CAD中包含了CAPP系统，根据CAD中结构、材料参数、精度、精细程度和几何特点等信息，生产出CAPP系统8。CAD是CAPP系统的原始输入源，并且能将结构工艺评价信息传输给CAD。（3）CAPP系统可以与管理信息系统产生信息交换。CAPP系统可以将设备、工装、工时、生产路线等信息传输给MIS。也可以从MIS那里接收到刀夹量具情况、原材料库存和准备计划等设备变化的信息。（4）CAPP系统可以与质量保证系统进行信息交换。CAPP系统可以利用质量检测规程和质量控制计划，将生产设备、工装和工序等工艺参数传输给CAQ。并且接收CAQ传输的返修信息。（5）CAPP系统可以与制造自动化进行信息交换，CAPP系统将每个工艺流程文件、刀具和夹具等一系列信息提供给MAS。并且实时接收MAS传输的工艺修改意见和道具使用报告9。（6）CAPP系统可以将ERP等直接从自身系统的工艺数据库中提取出来，或者向这些系统传输工艺参数。5总结通过对大量资料的分析与总结，弄清了CAPP系统的概念与种类，了解了CAPP系统的研究现状，发现了CAPP研究中存在的问题及发展趋势。CAPP是生产过程中不可少的关键环节。就目前设计和制造还没有完全集成的现状来说，CAPP系统不但要研究而且要下大力量研究，否则无法满足现代制造技术的要求。在大力发展先进制造技术的背景下，CAPP也必须与各种先进生产模式相适应。因此，对于从事工艺设计自动化的科研工作者而言，任重而道远。参考文献1 陈永府、王峰.CAPP发展趋势及面临问题J. 计算机工程与设计. 2004.2 Humphrey W S.小组软件开发过程 M. 人民邮电出版社.2000.3 Frederick P Brooks