CAPP系统类型及关键技术研究

　　工艺设计已成为机械制造生产中技术工作的一项重要内容，是产品设计和制造的中间环节，是实践性特征明显的工作。而目前国内、国际市场对产品的要求是多品种小批量生产，新产品开发能力和开发周期要尽量缩短，这就要求工艺设计工作量和时间上要减少。在这样一种背景下，计算机辅助工艺设计CAPP(Computer Aided Process Planning)在工艺设计过程中越来越重要。

　　从全球范围来看，CAPP的研究始于60年代中期。其后发展速度较慢。80年代以来随着机械制造业向CIMS的发展，把设计方面的信息如何有效地转化为制造信息，CAPP体现出CAD与CAM集成化的真正桥梁作用。CAPP系统接受来自CAD的产品几何信息、材料和精度等工艺方面的信息，完成人机交互，零件信息输入，建立起产品的信息模型。根据此模型，CAPP系统再进行组合和排序，选择机床和夹具等，确定切削用量，计算工时，最后完成技术文件和数据，CAPP再向CAM输出所需的各种信息。进入90年代初，随着人们对CIMS的技术理解和深入研究、并行工程的兴起、敏捷制造等先进生产模式的提出，CAPP的集成化含义已大大拓宽。此时，CAPP已不是单纯的工艺设计技术，而是制造系统中不可缺少的一个重要环节。在我国，1982年同济大学推出了派生式系统TOJICAP，随后许多大学和研究机构兴起了研究CAPP的热潮。经过多年的不懈努力，研究水平也在不断提高，但与世界先进水平尚有一定的差距。

　　不同的CAPP系统具有各自不同的特点。CAPP开发中的—些关键技术需要注意。这些都需要在开发实用的CAPP系统时认真考虑。

　　1 CAPP特点和主要类型

　　CAPP系统主要有派生式、创成式、综合式。

　　1.1派生式CAPP系统

　　派生式CAPP系统是利用成组技术的原理，在一个零件族中根据相似性设计出一个典型样件，建立一个标准典型工艺文件，存入下艺文件库中。当要制订一个零件的工艺过程，可将零件图形输入计算机，由计算机根据零件的成组分类编码并识别出属于哪一类零件族，调出相应零件族的典型工艺。根据具体的设计要求，可以进行修改，最后形成适合于该零件的工艺规程，这种类型的工作步骤如下：(1)选择合适的编码系统，完成对所需设计零件的描述和输入。(2)检索及判断设计零件是否属于某零件族，属于则调出典型工艺，否则返回。(3)对标准工艺增加或删除，编辑零件的工艺规程，记录结果存储和输出。如图1所示。

　　图1派生式CAPP系统示意图

　　派生式系统必须有样板文件，因此它的适用范围局限性很大。它只能针对某些具有相似性的零件产生工艺文件。在一个企业中这种零件町能只是一部分，那么其它零件的工艺文件派生式系统就无法解决。

　　1.2创成式CAPP系统

　　创成式CAPP系统是由计算机软件系统根据加工能力和工艺数据等信息及各种工艺决策逻辑，自动设计出零件的工艺规程，人的任务仅在于监督计算机上作，在计算机决策过程中作一些简单问题的解决，对中间结果进行判断和评估。这种类型的工作步骤如下：(1)确定零件的建模方式和系统读取零件信息的方式。(2)工艺分析和工艺知识的信息输入。(3)选择合适的工艺决策和建立工艺加工数据库。(4)系统主控模块和人机接口的设计。(5)工艺文件的存储和输出，如图2所示。

　　图2创成式CAPP示意图

　　由于制订工艺规程时的影响因素较多且复杂，目前创成式系统还只能部分决策逻辑，不能实现完全自动化的创成式系统。

　　1.3综合式CAPP系统

　　综合式CAPP系统是将派生式与创成式结合起来，对新零件的工艺进行设计时，先通过计算机来检索所属零件族的标准工艺，再根据零件的具体情况，对标准工艺进行增加和删除，而工步设计则采用自动决策产生，将派生式和创成式互相结合，各取每种方法的优点，如图3所示。

　　图3综合式CAPP示意图

　　综合运用派生式与创成式等工艺设计模式不是简单地叠加，而是有机地融合、渗透。用户是工艺设计的主体，要充分发挥人的智能优势，在系统应用过程中基于系统知识的支持，有效地辅助工艺人员，更好地发挥CAPP系统的效率。其目的是综合派生式和创成式两者的优势，以避免派生式系统的局限陆和创成式系统的高难度。

　　2 CAPP开发中的关键技术概述

　　2.1零件的分类编码方法

　　在建立零件分类编码系统时，首先要检查分析每个零件的设计和制造特征，而零件的这些特征也只有借助于编码来识别。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。零件分类编码系统可以分为三种类型：(1)以零件设计特征为基础的编码系统;(2)以零件制造特征为基础的编码系统;(3)以零件的设计和制造特征为基础的编码系统。第一种类型用于检索和促进设计标准化。第二种类型用于计算机辅助下艺规程编制、刀具设计以及其他与产品有关的工程内容。第三种类型则兼而有之。在开发CAPP系统时要按产品的类型选择相应的零件分类编码方法。

　　2.2工艺设计技术

　　2.2.1基于GT的相似工艺自动检索

　　采用相似工艺检索技术，不仅可大大减少工艺人员的工作强度和对有经验工艺人员的依赖，而且会提高产品工艺的继承性和重用性，促进工艺的标准化。而在综合式设计模式下，相似丁艺的自动检索是基于实例的相似工艺自动检索。成组技术、基于实例的技术、模糊逻辑等是实现基于GT的相似工艺自动检索的基础。

　　2.2.2基于GT的参数化工艺设计

　　工艺的标准化、规范化为参数化工艺设计奠定了基础，对于系列化产品以及大规模定制生产模式，参数化工艺设计是一种快捷有效的丁艺设计模式。通过总结归纳典型工艺，确定工艺的关键参数，建立参数化典型工艺数据库，实现基于零部件工艺参数的检索设计。

　　2.2.3模块，单元化工艺设计

　　是参数化工艺设计方式的进一步发展。其核心思想是制造工艺是由一系列规范化的操作根据一定规则组成的，而这些规范化操作的选用取决于零部件工艺参数、工艺要求及其相互关系。规范化操作可以是一个丁序、—个工步、多个工序的组合、多个工步的组合等。在建立好规范化操作数据库的基础上，利用参数化设计技术、专家系统技术，实现模块/单元化工艺设计。

　　2.2.4基于信息模型驱动的工艺关联设计

　　通过系统分析工艺信息结构、内在联系、工艺信息集成需求，建立工艺信息模型，并对上艺属性进行约束，建立属性之间的内在关系，建立系列化工艺关联设计功能，如自动计算、约束选取、工艺资源信息选取、工艺资源数据库动态联接查询用等，促进工艺信息的规范化、标准化，提高工艺信息的一致性、完整性。

　　2.3工艺管理技术

　　工艺管理分为三个方面：(1)工艺信息管理;(2)工艺文档管理;(3)工艺审批流程管理。工艺信息管理取决于工艺信息处理模式。采用基于结构化信息处理模式，由于数据库的应用和数据的结构化，工艺文档的输出、工艺信息统计汇总、使报表、信息共享与集成非常快捷，数据准确性高。工艺文档管理与工艺审批流程管理等功能，基本采用类似于PDM的思想。其中工艺审批流程管理采用了工作流技术，综合了计算机科学和管理科学中诸多研究领域的原理、方法和技术，在工艺领域进行工作流管理的研究、开发和应用，可实现产品开发过程和信息的集成统一，更加有效地对工艺信息和资源进行管理和控制，为企业实现并行工程、无纸工艺和生产奠定基础，具有广阔的应用前景。

　　把工艺数据管理纳入CAPP的范围是近年来CAPP技术发展的结果。传统CAPP技术只是针对单个零件的工艺自动生成，对工艺数据管理的要求小高，一般采用文件形式保存工艺数据。随着基于集成环境面向产品的CAPP技术的提出，CAPP系统需要在网络环境中处理大量工艺数据，传统的基于文件保存工艺数据的方式不能有效的管理工艺数据，这要求对CAPP工艺数据管理技术深入研究。CAPP工艺数据管理的目的是保证产品工艺数据的有效性、完整性、一致性，实现上艺数据共享，实现CAPP与CIMS其它子系统有效的集成。

　　3 CAPP面临的研究课题

　　经过30多年的发展，在CAPP系统研究开发上付出了巨大的努力，而且也开发了不少的CAPP系统，已开发的系统的实用性还不太令人满意，另外，CAPP作为设计和生产的集成要素，它的发展落后于CAD和CAM的发展。随着产品竞争的日益加剧以及技术革命的影响，制造厂家必须补充具有足够柔性的新型制造手段，以便迅速对产品制造的需求变化做出响应，这就为CAPP系统的研究质量和开发周期提出了更高要求。CAPP系统必须能快速地、柔性地响应产品和需求的变化，缩短工艺设计周期，提高开发效率，并实现与其它制造环节的集成。遗憾的是，目前的CAPP系统尚不能满足上述要求，主要存在的问题是：(1)柔性差;(2)集成性差;(3)智能化低;(4)由于基于符号的知识表达方法和知识推理方法的局限性，存在工艺知识获取的“瓶颈”问题与推理过程中出现的“匹配冲突”或“组合爆炸”等问题.正是由于存在上述的这些问题，长期以来CAPP的应用效果不能令人满意，至今还没有—个可以广泛应用于企业的、适应性强、比较成熟的商品化CAPP系统。

　　4 CAPP的发展趋势

　　从工艺设计的本身角度看，随着人工智能、神经网络、虚拟现实等技术的进一步发展，使得对设计过程必然有更深的认识，对设计思维的描述必将得到新的境界。CAPP将使工艺设计朝着智能化、多元化、系统化，实用化的方向发展.从整个制造业的发展趋势看，并行工程、智能制造、敏捷制造、虚拟制造、精益生产等制造模式代表了现代产品制造模式的发展方向，随着技术的进一步发展，产品制造模式在信息化的基础上，必将朝着柔性化、灵捷化、网络化、智能化的方向发展.以下是CAPP技术的几个重要的发展方向。

　　4.1 CIMS环境下的CAPP技术

　　由于CAD、CAPP和CAM各自的研究侧重点不同并且是独立发展的，它们的数据模犁彼此不相容。所以，CIMS集成的关键技术就是实现各独立系统问信息的顺畅传递，数据交换双方必须遵循统一的产品数据模型和数据交换机制。因而，产品数据管理和产品交换标准是实现CIMS的关键技术。目前，面向对象数据库管理系统被认为是适合于CIMS中最有希望的新型数据库管理系统。异构分布式数据库系统也得到一定的研究和开发。从而使CAPP技术得到了进一步的发展。基于特征的、支持统一产品信息模型(PDEShGES/sTEP)的CAPP系统是目前的重要研究方向。

　　CIM制造技术对CAPP系统提出了一些新的要求，表现在CAPP系统要能够与其他环节自动交换信息，实现信息集成，包括自动获取CAD系统产生的产品数据信息，自动提供加上制造等环节所需要的各种信息。这些要求迫使CAPP系统必须不断完善其内部功能，扩展新的功能模块，如零件特征自动识别模块等，形成了面向信息集成的集成化CAPP系统系统和技术。

　　4.2并行工程环境下的CAPP技术

　　传统设计与制造环境下，信息与决策的传递是按先后顺序进行的。随着设计与制造概念的转变及市场需求的变化，并行工程的概念应运而生，并日益为人们所接受。当前，实现并行设计与制造过程已成为企业实现盈利，快速占领市场的关键环节。并行工程(CE)环境下的CAPP系统不仅是信息集成的中枢，同时也是各子系统间功能协调的纽带。CAPP必须面向设计、面向制造、面向产品进行设计。它既能接收来自CAD的设计信息，并对设计结果进行可制造性评价，同时对不合理的设计提出修改建议，它还能提供给CAM工艺信息，并接收CAM反馈回来的信息，进行工艺设计、数控编程及加工动态仿真。其核心是在设计阶段就考虑到产品生命周期中的所有因素，对各个环节功能进行协调，缩短产品开发与制造周期。

　　并行环境下的CAPP与传统的CAPP具有显著的区别：

　　(1)并行设计的CAPP必须在产品的设计阶段进行可制造性分析。通过产品结构工艺性评价和可加工性评价，在生成工艺计划的同时提供改进设计方面的信息反馈，使产品设计更为合理;

　　(2)并行设计中CAD与CAPP之间的双向信息交互通讯具有动态随机性。在产品设计的任何时候，CAPP随时对CAD的设计合理性作出评价，并将改进意见反馈给CAD，即时改进当前状态下的设计。

　　4.3联盟制造环境下的CAPP技术

　　由于产品市场由卖方市场向买方市场的转变，产品样式不断更新，产品结构日趋复杂，所以，仅凭一个企业无法在短时问内完成产品的设计与制造的全过程，迅速响应市场的变化。在这种情形下，敏捷制造模式出现了，Intemet和WEB技术的发展使敏捷制造成为可能。联盟制造是敏捷制造的最高形式。在联盟制造环境下，快速重组技术是一个关键的技术问题。因此，此环境下的CAPP系统应具备适应动态变化的能力。各个设计与制造单元所使用的标准执行的功能不同，要求CAPP系统能做到协调作用。因而在开发时要考虑到变化与柔性对CAPP系统体系结构和功能模型的影响，所开发的系统应具有充分的灵活性、开放性、重构性和兼容性。工艺过程设计标准化和通用信息接口成为开发柔性CAPP系统的技术难点和研究热点。

　　为了适应敏捷制造模式的要求，—些学者提出了利用分布式人工智能的Agent技术及计算机网络技术构成分布式的相互协同的CAPP系统的思想。虽然这方面的研究工作才刚刚开始，但开放性、动态性和分布陛将成为今后CAPP系统体系结构的重要特征。

　　5结论

　　在制造自动化领域内，相对CAD、CAM来说CAPP是发展最迟的。虽然国内外已有上述一些种类的CAPP系统实例，但迄今为止，应用面广、适应性强，得到生产实际考验和令人满意的系统还不多，目前我国对CAPP的应用还处于推广阶段。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。