CAPP系列讲座（一）--- CAPP基础及基本原理，目前企...

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一、引论

    在整个生产过程中，工艺工作贯穿其中。工艺设计工作不仅涉及到企业的生产类型、产品结构、工艺装备、生产技术水平等，甚至还要受到工艺人员实际经验和生产管理体制的制约，其中的任何一个因素发生变化，都可能导致工艺设计方案的变化。因此说工艺设计是企业生产活动中最活跃的因素，工艺设计对其使用环境的依赖就必然导致工艺设计的动态性和经验性。

随着计算机在制造型企业中的应用，通过计算机进行工艺的辅助设计已成为可能，CAPP的应用将为提高工艺文件的质量，缩短生产准备周期，并为广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来提供一条切实可行的途径。应用计算机辅助工艺设计的必要性已被越来越多的企业所认识，选取一个适宜本企业生产及管理环境的CAPP系统不但能充分发挥计算机辅助工艺设计的优越性，更能为企业数据信息的集成及管理打下良好的基础。

二、CAPP的基本概念及其基本原理

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 AutomatedProcess 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、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。

手工进行工艺设计时，通常要经过如下过程：

l  根据产品图纸，分析产品零件的结构特点以及技术要求

l  了解产品生产的纲领及批量

l  进行工艺决策，确定加工方法和工艺路线

l  按企业的实际情况，具体确定机床设备、切削用量、工艺装备以及工时定额

l  按规定格式生成正式工艺规程

计算机辅助工艺设计的基本原理正是基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的：首先，产品零件的数据信息应能利用，并建立零件信息的数据库；其次，工艺人员的工艺经验、工艺知识能够得到充分的利用和共享；第三，制造资源、工艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库；第四，充分利用标准（典型）工艺生成新的工艺文件。

三、目前CAPP系统的分类

自从第一个CAPP系统诞生以来，各国对使用计算机进行工艺的辅助设计进行了大量的研究，并取得了一定的成果，目前，按照传统的设计方式CAPP可分为以下三类：

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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.gif                                              基于特征的CAPP系统

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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.gif                                              基于神经网络的CAPP系统

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file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.gif                                              基于实例与知识的混合式CAPP系统

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.gif                                              其它混合式系统

1．   派生式CAPP系统

建立在成组技术（GT）的基础上，它的基本原理是利用零件的相似性即相似零件有相似工艺规程。一个新零件的工艺规程是通过检索系统中已有的相似零件的工艺规程并加以筛选或编辑而成的。计算机内存储的是一些标准工艺过程和标准工序；从设计角度看，与常规工艺设计的类比设计相同，也就是用计算机模拟人工设计的方式，其继承和应用的是标准工艺。

派生式系统必须有一定量的样板（标准）工艺文件，在已有工艺文件的基础上修改编制生成新的工艺文件。

2．   创成式CAPP系统

创成式系统的工艺规程是根据程序中所反映的决策逻辑和制造工程数据信息生成的，这些信息主要是有关各种加工方法的加工能力和对象，各种设备及刀具的适用范围等一系列的基本知识。工艺决策中的各种决策逻辑存入相对独立的工艺知识库，供主程序调用。向创成式系统输入待加工零件的信息后，系统能自动生成各种工艺规程文件，用户不需或略加修改即可。

创成式系统不需要派生法中的样板工艺文件，在创成系统中只有决策逻辑与规则，系统必须读取零件的全面信息，在此基础上按照程序所规定的逻辑规则自动生成工艺文件。

3．综合式CAPP系统

综合式系统是将派生式、创成式与人工智能结合在一起，综合而成的。

从以上三种CAPP系统中工艺文件产生的方式我们可以看出，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。创成式系统虽然基于专家系统，自动生成工艺文件，但需输入全面的零件信息，包括工艺加工的信息。信息需求量极大，极全面，系统要确定零件的加工路线、定位基准、装夹方式等，从工艺设计的特殊性及其个性化分析，这些知识的表达和推理无法很好的实现；正是由于知识表达的“瓶颈”与理论推理的“匹配冲突”至今无法很好地解决，自优化和自完善功能差，CAPP的专家系统方法仍停留在理论研究和简单应用的阶段。

目前，国内商品化的CAPP系统可分为以下几种：

1、使用Word、Excel、AutoCAD或再开发的CAPP系统。

此类CAPP系统所生成的工艺文件是以文件的形式存在的，无法生成工艺数据，更谈不上工艺数据的管理。

2、常规的数据库管理系统，工艺卡片使用Form、Report或在AutoCAD上绘制卡片的CAPP系统。

此类CAPP系统所生成的工艺卡片是由程序设计生成的，工艺卡片的填写无法实现所见所得，如果企业的卡片形式需要更新的话就需要更改原程序。

3、注重卡片的生成，但工艺数据的管理功能较弱的CAPP系统。

此类CAPP系统的工艺数据是分散在各个工艺卡片当中的，很难做到对工艺数据的集中管理。

4、采用“所见所得”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，方便地与企业的PDM系统集成，管理产品的工艺数据，并为MRPⅡ、MIS等系统提供有效的生产和管理用的工艺数据。

四、发展CAPP技术的意义

传统上，工艺设计应由具有丰富生产经验的工程师负责。作为一个好的工艺设计工程师必须具备：

l  丰富的生产经验；

l  熟知企业的各种设备的使用情况；

l  熟知企业内各种生产工艺方法；

l  熟知企业内各种与生产加工有关的规范；

l  熟知与生产管理有关的各种规章制度；

l  能与有关各方保持友好协作。

具有丰富经验的工艺工程师，在发达国家常常感到人数不足。在美国，工艺设计人员一般年龄在40岁以上，并有丰富的生产车间工作经验；在英国，工艺工程师平均年龄为55岁。通过对年龄数据的统计，反映了工艺设计要求工艺工程师有多年的生产实践经验。

传统的工艺设计都是由人工进行的，这就不可避免的存在一些缺点：

1、   对工艺设计人员要求高；

传统的工艺设计是由工艺人员手工进行设计的，工艺文件的合理性、可操作性以及编制时间的长短主要取决于工艺人员的经验和熟练程度。这样就不可避免的会导致工艺文件的设计周期和质量不易保证。因此，传统的工艺设计要求工艺人员具有丰富的生产经验。

2、工作量大，效率低下；

工艺设计需要生成大量的工艺文件，这些工艺文件多以表格、卡片的形式存在。手工进行工艺规程设计一般要经过以下步骤：由工艺人员按零件设计工艺过程；填写工艺卡片、绘制工序草图等；校对；审核；眷写、描图；晒图；装订成册。另外，工艺人员还要进行大量的汇总工作，如：工装汇总、设备汇总等。这些工作的工作量很大，需要花费很长时间。

3、无法利用CAD的图形、数据；

随着国家科委“甩图板工程”的实施，二维CAD技术在企业中的应用已很普及，各部门之间通过电子图档进行交流，然而由于工艺设计部门仍采用人工方式进行设计，这样就无法有效利用CAD的图形及数据。

4、难以保证数据的准确性；

   工艺设计需要处理大量的图形信息、数据信息，并通过工艺设计产生大量的工艺文件和工艺数据；传统的设计方式需要人工处理图形及数据信息，由于数据繁多且很分散，因此，处理起来繁琐、易出错。

5、信息不能共享

随着企业计算机应用的深入，各部门所产生的数据可以通过计算机进行数据交流和共享，如果工艺部门仍采用手工方式，其他部门的数据就只能通过手工查询，工作效率低且易出错；所产生的工艺数据也无法方便地与其他部门进行交流和共享。

目前，计算机技术的应用已深入到工厂企业的各个领域，在进行工艺设计时，如应用计算机进行工艺的设计，必然大大的提高工艺部门的工作效率、工作质量，提高信息处理能力和企业各部门间信息的交流能力。应用CAPP技术将缩短设计周期，对修改和变更设计能快速作出响应；工艺人员的经验能够得到充分的积累和继承；减小编制工艺文件的工作量和产生错误的可能性并为建立计算机制造系统打下基础。

五、目前国内企业应用CAPP技术的现状

通过对国内部分设计院、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。企业应用CAPP系统的情况最具代表性的有如下几种：

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，也可称做CAPP，但此类CAPP所生成的工艺规程是以文件的形式存在的，企业无法对工艺数据进行有效的管理和利用。

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，所选系统具有很大的局限性，CAPP的应用还不尽如人意。

目前大部分企业都已意识到了CAPP技术应用的必要性，但企业在CAPP系统的选择和应用上还存在较多的误区和较大的盲目性；主要表现在盲目追求设计的自动化、最优化，而不注重基础数据的准备、基础技术的稳固发展和人员素质的提高。

l  误区之一：认为CAPP就是由计算机自动生成工艺规程。

首先，工艺设计是一个典型的复杂问题，所涉及的因素是大量的，而且是错综复杂的，它涉及到零件信息、制造资源、工艺专家知识等众多信息（数据）的组织和管理，它不仅涉及到单纯的数值运算，也要处理图象、字符、表格等复杂的数据，因此，CAPP系统的核心和难点都是数据的处理。其次，由于工艺设计对使用环境有着极大的依赖性，且工艺设计中许多工艺知识不具备精确的定义和严密的数学模型，许多问题是非确定性的，至今工艺设计仍处于经验决策阶段，这就导致工艺设计的动态性和经验性。正是由于以上原因，自动化的CAPP系统目前只能针对某种特定零件，如回转体；通用的自动化的CAPP系统还只能处于研究阶段，而无法应用到实际当中。目前CAPP当中的A是辅助（Aided）而不是自动化（Automatic）。

l  误区之二：认为CAPP只是基于零件即可，而不必基于产品结构。

在企业中，所有生产活动都是围绕着产品结构而展开的，一个产品的生产过程实际上就是这个产品所有属性的生成过程。每一份工艺文件虽然是针对一个具体的零、部件，但作为产品的属性之一，工艺文件也应在工艺设计计划的指导下，围绕着产品结构展开，这样就可以清晰地描述产品的装配关系，并可直接读取产品的明细表数据文件将CAD中的产品设计数据自动带入到CAPP系统中。因此，基于产品结构的CAPP系统更适应企业的生产环境。

l  误区之三：认为CAPP只是解决工艺卡片的填写和生成，而不注重工艺数据的利用和管理。

工艺卡片的填写和生成是CAPP系统必须首要解决的问题，但在计算机集成制造系统中CAPP是连接CAD与CAM之间的桥梁与纽带。集成化的CAPP系统应能直接接收CAD的零件信息，进行工艺规划，生成有关的工艺文件，并以工艺设计的结果和零件信息依据，经过适当的后置处理，生成NC程序，从而实现CAD/CAPP/CAM的系统的集成，其核心是数据库 。因此，CAPP系统必需能够生成工艺数据并进行管理而不只是完成工艺卡片的填写。

l  误区之四：要求各部门间数据的管理、传输、任务的分配等本应由PDM完成的工作由CAPP系统完成。

六、结束语

总之，CAPP系统的实施应能提高工艺设计的质量，缩短生产准备周期，并将工艺设计人员从大量繁琐、重复的劳动中解放出来，但企业应充分考虑自身的实际情况选择CAPP软件。综上所述，适应于目前企业生产情况的CAPP系统应具备如下特点：

l 从多方面：设计、管理、集成等解决企业的工艺设计问题；

l 从工艺设计平台（数据库平台）解决工艺设计问题，而不是围绕工艺卡片（图形平台）；

l 采用“所见所得”的交互式操作方式，符合Windows的使用风格和习惯；

l 能够智能化的利用企业制造资源，解决工艺数据的利用和管理；

l 采用开放的体系结构，方便用户进行二次开发；

l 基于数据库，能与其它系统集成，共享产品数据库和权限数据库。

企业在选择CAPP系统时，不但应考虑系统应具备的功能，还应考虑到企业的具体情况统一规划、分步实施，确保资金的有效利用。

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