基于CAPP技术的柔性工艺路线探讨-计算机辅助工艺设计

基于CAPP技术的柔性工艺路线探讨-计算机辅助工艺设计摘要：计算机的快速发展及其在机械制造业中的广泛应用,使计算机辅助工艺设计成为可能。计算机辅助工艺设计技术已经成为一门独立的成熟技术,在现代制造业中发挥着重要作用,对现代制造业具有重要的理论意义和广泛的实际需求。论述了在机械制造业实行计算机辅助工艺设计(CAPP)的必要性，分析了CAPP系统国内外现状，介绍了计算机辅助工艺的原理、决策模块及其实际生产活动中的柔性化应用，分析柔性CAPP系统特点和工艺方案 , 提出了CAPP的发展趋势必将向智能化、工具化、集成化以及柔性化方向进一步发展。为研发人员开发和完善CAPP系统提供了借鉴。关键词：CAPP技术；决策模块；工艺路线；柔性化；发展趋势Abstract: the rapid development of computer and its wide application in machinery manufacturing make computer aided process design possible. Computer aided process planning (CAPP) has become an independent mature technology, playing an important role in modern manufacturing industry. It has important theoretical significance and broad practical demand for modern manufacturing industry. It discussed the implementation of computer aided process design in mechanical manufacturing industry (CAPP) the necessity, analyzing the present situation of CAPP system at home and abroad, introducing the flexible application of computer aided technology principle, decision-making module and the actual production activities, analysis of flexible CAPP system characteristic and process, proposing the development trend of CAPP is bound to the intelligent the tool, integrated and flexible direction for further development. The CAPP system provides a reference for developers to develop and improve.1、 前言随着计算机技术的发展，计算机技术在越来越多的领域得到广泛应用。多个领域的技术都实现对计算机技术的利用，在工艺设计领域,应用计算机技术后,计算机辅助工艺设计(CAPPComputer Aided Process Planning)便应运而生，不但提高了工艺设计水平，而且发挥了工艺设计的优势，更好的为现代机械制造业服务。工艺设计主要是分析和处理加工信息，进行计算、选择、绘制工艺图，在此基础上编制工艺文件等。计算机能有效管理大量的数据，进行准确、快速的计算，进行多种形式的比较、筛选和选择，这些功能完全适应工艺设计的需要。CAPP系统的使用不仅可以极大地提高各种工艺文件的设计效率和质量，而且能够保证工艺设计的规范化、一致性和资源共享。世界上最早出现的CAPP始见于1969年,并于1969年推出世界上第一个CAPP系统AUTORTOS。1976年推出的CAM-Is Automated Process Planning是CAPP发展史上具有里程碑意义的系统1。CAPP能够帮助工艺设计人员减少繁琐大量的重复劳动，把主要精力投向新产品、新技术和新工艺的研发上面；能够增强工艺产品的继承性，可以实现现有资源利用的最大化，进而减少生产成本；能够让并没有很多经验的设计师完成出高质量的工艺作品，实现缓解制造业设计任务繁重的目的。目前计算机辅助工艺设计技术已经成为一门独立的技术，在现代制造业中发挥着重要作用，对现代制造业起到广泛而重要的指导意义。因此，对于CAPP系统的研究和开发是机械制造业的迫切需要。2、 国内外研究现状CAPP系统的开发和研制是从上世纪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CAAP发展史上具有里程碑意义的是CAM-，即于1976年推出的CAM-Is Automated Process Planning系统。取其字首的第一个字母,称为CAPP系统。目前对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设计已经成为公认的释义。我国对CAPP的研究始于80年代初，迄今为止，在国内学术会议、刊物上发表的CAPP系统已有50多个，但被工厂和企业正式应用的系统只是少数，真正形成商品化的CAPP系统还不多。通过对国内部分设计院和企业所做的调研，大部分企业对CAPP系统的应用情况并不令人乐观11。企业应用CAPP系统最具代表性的情况有如下几种: 1) 大部分企业的工艺设计仍然采用手工设计的 方式,CAPP的应用仍是空白。较偏远地区的企业，特别是那些中小企业，不光CAPP的应用是一片空白，计算机的应用状况也令人担忧。 2) 部分企业在计算机技术和CAD的应用较为普及以后，工艺设计成为企业的薄弱环节。有些企业 自己在Word、Excel或AutoCAD上绘制出工艺卡片的 空白表格,在此基础上进行工艺规程的设计。此种设计方式也是利用计算机进行辅助工艺设计 ,因此,也可 称作 CAPP, 但此类CAP所生成的工艺规程是以文本 文件的形式存在的，工艺部门只生成文本文件，企业无法对工艺数据进行有效地管理。 3) 部分企业已充分认识到工艺设计的重要性，并购买了部分商品化的CAPP系统，但由于企业对 CAPP的认识还存在一些误区，选用软件产品功能受限，生成的数据信息还没有完全数据库化、网络化、共享化。因此，CAPP的应用还不尽人意。目前,国内商品化的CAPP系统也有不少，经调查了解有:深圳乔纳森的“超级工程师”、武汉的“开目CAPP”、上海的“思普CAPP”、陕西金叶的“ CAPPFramework”、北京艾克斯特的“艾克斯特工艺信息管理系统(XTCAPP)”、 武汉的“天喻计算机辅助工艺规划 系统 InteCAPP”、众望的“ZoomCAPP”、无锡的“利星CAPP”、山东的“华特 CAPP”等软件系统。他们按其功能原理大致可分为以下几类 : 1） 简单工艺卡片式。使用 Word、Excel、AutoCAD 或再开发的CAPP系统。它能帮助工艺人员快速地利用通用软件生成以文本形式存在的工艺卡片。此类CAPP系统所生成的工艺文件，无法生成工艺数据，对工艺数据进行管理也存在困难。 2） 常规数据库式。使用了常规的数据库管理系统，工艺设计信息可以保存在数据库中，工艺卡片使用 Form、Report或在AutoCAD上绘制而成。此类CAPP系统工艺数据的调用和工艺卡片的生成是由程序设计完成的，工艺卡片的填写无法实现所见所得，如果企业的生产状况或卡片形式发生变化的话就需要更改原程序。3） 专用工艺设计式。此类CAPP系统一般有数据化的工艺设计系统和工艺卡片设计系统，通过定义工艺卡片中表格与数据库之间的属性关系后，生成所需的工艺卡。部分工艺信息保存在了大型数据库中，工艺数据是分散在各个工艺卡片当中的，对工艺数据的集中管理有一定困难。注重卡片的生成，但工艺数据的管理功能较弱。 4） 集成工艺管理式。采用“所见即所得”的交互式填表方式+工艺数据管理、集成的综合式CAPP系统。此类 CAPP系统的填表方式更符合工艺设计人员的工作习惯，工艺设计的全部信息都以数据形式保存在数据库中，能方便地与企业的PDM系统集成，管理产品的工艺数据，并为MRP、MIS等系统提供有效的生产和管理用的工艺数据。3、 CAPP技术的基本原理 传统工艺都是手工方式进行工艺设计，手工进行工艺设计时，通常要经过如下过程：根据产品图纸，分析产品零件的结构特点以及技术要求，了解产品生产的具体要求和批量。根据实际情况进行工艺决策，确定加工方法和工艺路线。按企业的设备和人员等实际情况，具体确定机床设备、工艺装备、切削用量。按照规定格式生成正式工艺规程。计算机辅助工艺设计(CAPP)的基本原理正是基于人工设计的过程和需要解决的问题而提出的2。 1） 应该充分利用产品零件的数据信息, 并建立零件信息的数据库。 2） CA PP系统必须保证充分利用和共享工艺设计人员的工艺经验、工艺知识。 3） 制造资源、工艺参数等以适当的形式建立制造资源库和工艺参数库。 4） 充分利用典型(标准)工艺生成新的相关工艺文件。 CAPP系统的应用可以缩短生产准备周期，提高工艺设计质量，提高工作效率，可以充分共享工艺设计人员的知识和经验，积累老工艺师的经验。计算机辅助工艺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。4、 CAPP/计算机辅助制造(CAM)的集成CAPP/CAM的集成实现了从工艺设计到制造的一体化。其过程是应用UG软件中的UG /CAM模块读取CAPP中零件每个工步的刀具和切削参数文件及特征文件，以提供合理的加工方法和加工参数。通过UG/Postprocessing模块的通用后置处理器(GPM)和加工数据文件生成器(MDFG)生成NC代码。该过程采用C函数库编写API实现。CAPP/CAM集成框架参见文献3。5、 CAPP工艺决策模块工艺决策模块是CAPP的核心部分之一，它可以根据工艺设计人员输入的零件信息、工艺数据库和知识库中的数据、知识及规则，通过推理机和各种算法，实现零件加工工艺的决策，包括加工方法的选择，确定定位夹装，加工方法排序，选择加工设备、刀具，夹具和量具，确定加工余量等4。图2 CAPP工艺决策模块的构造6、 柔性CAPP系统分析6.1 柔性CAPP系统的特点 传统的CAPP系统主要存在全局优化和柔性两方面缺陷。一方面，传统的CAPP系统生成的单一、刚性的工艺方案，都限制了生产计划及调度系统对全局的优化5。在具体实施时，由于没能有效的考虑车间资源的随机动态情况，可能造成加工等待，甚至无法加工，使工艺方案重新修改或使一些性能好但价格高的资源重复使用，而另外一些资源却很少利用6。另一方面，在CAPP系统的应用环境（如生产技术的发展、制造资源的变动、产品结构和生产类型的变化）发生改变后，原有的系统不能再适用或者经过修改后系统的稳定性很差，这极大的影响了CAPP系统的应用和发展。 一个理想实用的CAPP系统不但能产生柔性的工艺，同时系统还应有较好的应用柔性，以适应不同类型企业的需要。柔性CAPP应具有以下三方面的特点：1） 系统应用方面 CAPP系统应具有较好的柔性，能适应企业不同生产要求，能满足不同的经营目标和生产计划方案。 2） 系统结构方面 CAPP系统的组织结构应具有可重构性，对数据的表达方式、知识的表达以及功能都能够根据应用环境的变化而动态地重新选择、组织和构造。 3） 柔性工艺 工艺柔性化主要表现在工艺的多样性和可选性，以适应车间不同优化目标的需要。 6.2 柔性工艺方案可选因素 通常在给定资源的条件下，多数零件的加工方案不止一种，主要因素是7：1） 特征与加工方法、加工方法与刀具、设备类型与具体设备均存在一对多的关系。2） 零件的某个特征型面存在多种实现方法。3） 对于选定后的一系列加工方法的工序间排序也存在柔性，如工序集中和工序分散的确定，加工工序次序选择。4） 从加工方法链的角度来看，由于毛坯、预加工、粗加工等选取的不同而使后续的加工方法变化很大。5） 对同一台设备采用不同的刀具和夹具使其工艺内容亦有很大的变化8。零件的某一特征型面可能由多种加工方法实现，尤其是随着先进制造设备的发展，使得某些加工方法的界限划分不很明确。这样，某一特征型面的加工方法存在一个可选集合Opi（Op1、Op2、Op3、Opn），均能满足加工工艺要求，集合的大小由设备资源和具备这种加工能力设备的数量来决定，即每一个Opi都有一个设备集合Mic（Mi1、Mi2、Mi3、Mil），而每一个Mic的选定包括三方面的内容：1） 某加工方法可由多种类型设备完成而选一类型；2） 某一类型含有多种型号而选一型号；3） 某一型号含多台机床而选定一台。工序的排序也存在柔性，它包含两方面：一方面，存在工序集中和工序分散的选择；另一方面某些零件的加工工序次序可调换，有些零件的某几个加工工序调换并不影响零件的质量及技术要求。主要体现在：有些工序之间不存在工艺技术要求上的先后次序；有些工序原则上不能调换，但是通过某些工艺方面的改进，如工装、夹具、定位基准等使工序次序可调换。虽然零件加工工艺的柔性增加了工艺设计和过程规划的复杂性，但是它对提高动态生产调度的适应性，改善生产系统运行指标具有积极的作用 9。7、 单件小批量生产中的 CAPP 柔性化应用在单件小批量生产类型的企业实际工艺工作中，绝大多数零件的工艺通过成组技术的分类，可以制定出各类零件的典型工艺，供工艺编制时借鉴参考。真正需要进行全面的工艺分析，采用全新工艺的零件并不多见。其CAPP的主要功能应能集中大量的工艺信息，进行分类、整理，便于工艺人员查询，在典型工艺的基础上派生出零件工艺；同时应建立各种工艺参数、技术手册、企业实际生产过程中积累的经验数据的数据库，便于查询和帮助决策；能方便地生成和处理各种工艺文件及便于文件的电子化管理。单件小批量生产类型企业的 CAPP，应避开工艺生成智能化这一拦路虎，将CAPP的主攻方向调整到建立企业的工艺快速反应能力上，为提高企业的工艺标准化水平和工艺管理水平，缩短工艺技术准备周期，提供高度信息化的工具10。7.1 强调CAPP柔性化的思想，满足企业工艺设计和工艺管理个性化的需求 1） 工艺设计和工艺管理的各种卡片，用户可以自定义、自扩充。工艺卡片的更新不影响工艺信息的完整性。2） 用户可自定义企业共享的工艺资源数据库。系统不但提供了丰富的符合国际标准的刀具、量具、标准工艺术语等工艺资源库，还允许用户通过可视化的操作界面添加扩充企业专用的工艺资源，例如专用工装、机床设备等。3） 可自定义的工艺规程的种类。用户可根据企业实际，自定义和扩充机加工、热处理、冲压、焊接等各种工艺规程，制定输出的工艺文件的格式。4） 用户可自定义工艺表格的填写规范，可以方便地定义工艺卡片的各填写区域的填写内容、格式、字体、对应的企业工艺资源库等，实现工艺信息与工艺卡片的信息映射，确保企业工艺文件的标准化、规范化，提高工艺编制的效率。5） 提供计算公式管理工具，允许用户添加各类计算公式，并实现在工艺规程设计时智能筛选公式。内置有国际推荐的材料重量计算、工时定额计算公式库。6） 允许用户自定义工艺决策知识和决策流程，创建参数化的典型工艺库。独创的参数化CAPP开发工具允许用户自定义、自组织典型工艺知识，模仿和学习工艺设计师的工艺设计过程，总结和继承企业宝贵的工艺设计知识。 7.2 遵循企业CAPP项目实施总体规划、分布实施、重点突破、效益驱动的原则1） 强调让CAPP在企业真正使用起来，并给企业带来明显的改变，例如工艺设计和工艺管理效率的提高、工艺设计手段的改进、工艺标准化的贯彻、工艺信息的安全有效的集成等。 2） 注重采用软件设计中的人机工程的原则、方法，界面简洁、清晰，人机交互快捷，独创的工艺信息广播功能，使信息录入量少，一次输入，全程共享；适时在线CAD/CAPP/CAM/CAE的工艺知识提醒，可以辅助工艺人员的工艺决策。 3） 强调功能的完备性，融数据库、图形、图像、表格、文字编辑于一体，图文并茂，100%所见即所得。 4） 提供强大的表格填写和编辑功能，体现以人为本的设计思想。表格填写时可以自动还行，自动压缩，自动续页；可以进行块拷贝、行拷贝；工艺设计时，可以任意更换工艺卡片的格式，指定工序的附页；实现工序的批量申请、复制、删除；实现工序的追加、插入、交换；可以自动按指定的工序号编排规律对工序排序。8、 CAPP发展趋势 在制造业企业信息化建设如火如荼的今天，CAPP的重要性和意义已得到企业界的认可。CAD下一步深化应用的重点就是在工艺部门普及应用CAPP，国家经贸委提出的实施企业信息化的战略部署，表明CAPP的应用推广具有广阔的前景和市场。面临工艺个性各异的巨大的市场，很难设想采用传统的定做开发的方式逐一满足企业的需求，研究和开发集成的、开 放的CAPP工具系统是有效的途径。在这样的形势下，CAPP技术和系统的发展趋势将是：1） 智能化 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 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的工具。用户或软件公司的实施服务人员根据企业具体情况输入数据和知识，形成面向特定的制造和管理环境的CAPP系统；用户可以在实施服务人员指导下进行二次开发。在工程化方面，不加考虑地完全服从用户原有的环境和模式，去构建具体的CAPP系统并不完全合理，有必要根据对国家、国际标准和先进制造技术的分析，结合各类企业工艺的根本需求，引导企业的工艺活动，促进工艺活动的规范化，从而规范CAPP系统的实施过程，使大部分企业使用的CAPP系统是主体相似的工程产品而不是个性独特的艺术品；3） 集成化 CAPP是CAD与CAM之间的桥梁，是CAQ、PDM及 ERP的重要产品信息来源，同时也需要由CAD提供产品设计模型的特征信息。这些系统的发展可以相对不平衡，但必须在并行工程思想的指导下实现CAPP与CAD、CAM等系统的全面集成，发挥CAPP在整个生产活动中的信息中枢和功能调节作用。这包括：与产品设计实现双向的信息交换与传送；与生产计划调度系统实现有效集成；与质量控制系统建立内在联系。网络化是现代系统集成应用的必然要求，CAPP对内各种角色、工种的并行工艺设计，对外与CAD的双向数据交换，与 CAQ、CAM、PDM等的集成应用都需要网络技术支撑，才能实现企业级乃至更大范用的信息化； 当然，CAPP系统用来帮助而不是取代工艺设计人员，实用、通用的CAPP工具系统不宜追求完全的自动化。操作者要有足够的工艺知识和判断能力，关键决策要由操作者做出。决策、判断对具备足够工艺判断能力的工艺人员不是很困难很繁琐的工作；但对计算机而言可能难以胜任。知识库及其使用法则需要逐步建立、验证、完善，商品化的、基于知识的CAPP工具系统需要有目标、有计划的渐进式发展12。9、 结论 CAPP自诞生以来，一直受到工业界和学术界的广泛重视，CIRP、ASME等的重要学术会议均把CAPP研究作为重要的议题。今天，