CAPP系統(tǒng)構(gòu)成及工藝過程

1、CAPP系統(tǒng)構(gòu)成及工藝過程摘要：針對機械制造企業(yè)CAPP的現(xiàn)狀和對CAPP系統(tǒng)的需求特點，采用基于成組技術(shù)的方法構(gòu)建了變異式CAPP系統(tǒng)和創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)。重點闡述了該系統(tǒng)的零件信息描述、工藝規(guī)程生成、工藝資源管理、與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成等主要功能。關(guān)鍵詞：成組技術(shù)；變異式；創(chuàng)成式；工藝。1引言工藝設(shè)計是機械制造過程中技術(shù)準備的一項重要內(nèi)容，是產(chǎn)品設(shè)計與制造的橋梁，也是連接產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)管理的重要紐帶。隨著機械制造技術(shù)的發(fā)展，特別是CAD/CAE系統(tǒng)向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化方向的發(fā)展，計算機輔助工藝設(shè)計越來越受到人們所重視。但是CAPP的技術(shù)發(fā)展與CAD/CAE等技術(shù)發(fā)展相比顯得滯后，

2、其主要原因就是工藝因素的錯綜復(fù)雜，工藝理論尚未完全成熟，且早期的CAPP過分強調(diào)工藝生成的智能化等等。因此，目前通用性較強，能在企業(yè)大面積推廣的商品化CAPP軟件很少。2變異式CAPP系統(tǒng)2.1變異式CAPP系統(tǒng)的的需求分析機械制造企業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占據(jù)著相當?shù)谋壤?，由于零件種類繁雜，其CAPPX作的開展更加艱難。多數(shù)企業(yè)工藝設(shè)計仍然采用手工設(shè)計的方式進行，這嚴重阻礙了企業(yè)信息化的發(fā)展。但在這類企業(yè)中，絕大多數(shù)零件可以運用成組技術(shù)將它們歸類成族，制定零件族零件的典型工藝規(guī)程，供相似零件工藝編制時借鑒參考。真正需要對零件進行全面的工藝分析，采用全新制造工藝的零件并不多見，因此，這類企業(yè)的CAP

3、P系統(tǒng)功能應(yīng)該主要集中在以下幾個方面：對現(xiàn)有的工藝信息進行分類、整理，便于工藝人員查詢；建立各種工藝參數(shù)、技術(shù)手冊；能方便的生成和處理各種工藝文件；在典型工藝規(guī)程的基礎(chǔ)上可派生出各類零件工藝規(guī)程，并采用交互式方式對相應(yīng)工藝規(guī)程進行修改，以滿足新一類零件的工藝設(shè)計要求；與企業(yè)其他信息系統(tǒng)的集成等等。根據(jù)以上分析，企業(yè)所需的CAPP系統(tǒng)應(yīng)是一個以整個產(chǎn)品為應(yīng)用對象，以產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)為中心的集工藝過程設(shè)計、工藝信息管理為一體的交互式計算機應(yīng)用系統(tǒng)和開發(fā)平臺，通過融合檢索、修訂等技術(shù)，逐步實現(xiàn)工藝設(shè)計和工藝管理的自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)運用Delphi7為開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)庫采用Server7.0,在Windows

4、操作平臺上運行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?？债愂紺APP最駆幣發(fā)平否逹戰(zhàn)計|丁藝情耀X產(chǎn)閥耿眩怦理工聲信克輸A工TSW工工藝圖形輸出工工藝監(jiān)黑醬鋰1-工藝丈需理-T乘掘暫竄由戶枚限需理UUUUUUUUU圈變畀式CAPP條統(tǒng)站構(gòu)圖2.2變異式CAPP系統(tǒng)的主要功能設(shè)計2.2.1零件信息的描述零件信息主要指零件結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、精度等方面的信息，CAPP系統(tǒng)需要在“理解”這些零件信息的基礎(chǔ)上，才能進行工藝設(shè)計。常見的零件信息描述方法主要有：零件分類編碼描述法、形狀特征描述法、直接將CAD作業(yè)結(jié)果作為CAPP的輸入等方法。目前CAPP還不能完全接受CAD零件圖中的相關(guān)信息，因此如何準確組織和描述零件信息，使C

5、APP懂得零件圖中的相關(guān)信息，是CAPP應(yīng)用研究面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。本系統(tǒng)選用零件分類編碼描述法描述零件信息，該方法的基本思路是預(yù)先制定一套基于成組技術(shù)的編碼系統(tǒng)，然后用該編碼系統(tǒng)對零件圖上的信息進行編碼。這種方法能粗略描述零件的信息，簡單易行，適用于檢索式與變異式CAPP系統(tǒng)。制定編碼系統(tǒng)時，如果編碼過長，將增加系統(tǒng)典型工藝規(guī)程的數(shù)量和工藝編制過程復(fù)雜性；如果編碼過短，將不能充分表達零件的主要信息，從而增加工藝編制過程中的編輯修改工作量。本系統(tǒng)所采用的編碼系統(tǒng)是根據(jù)某機械制造企業(yè)產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)的特點，在結(jié)合其它類型的編碼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上得到的一個10位編碼系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如表1所示。SL10位編碼

6、系統(tǒng)融一二=四五六七八丸十分攬零件類零件婁外部主內(nèi)部主橫向泉縱向量材料毛坯附加碼頊目別祖分別軸莎罷特征要特征犬尺寸大尺寸分貳分婁2.3變異式CAPP系統(tǒng)工藝規(guī)程的制定2.3.1成組編碼的具體應(yīng)用模式工藝規(guī)程是CAPP系統(tǒng)的核心。變異式CAPP系統(tǒng)是利用零件相似性來檢索現(xiàn)有工藝規(guī)程的一種軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)是建立在成組技術(shù)基礎(chǔ)上，按照零件幾何形狀或工藝的相似性將零件歸類成族，建立該零件族零件的典型工藝規(guī)程。一個零件的工藝設(shè)計，就是按照該零件的成組編碼，確定其所屬零件族，檢索該族零件的典型工藝規(guī)程，然后進行篩選、編輯而得到該零件的工藝規(guī)程。其具體應(yīng)用模式如圖2所示。該類型CAPP系統(tǒng)的特點是：以成組技

7、術(shù)為理論基礎(chǔ)，理論上比較成熟；與常規(guī)手工工藝設(shè)計方法較類似，繼承和應(yīng)用了企業(yè)較成熟的傳統(tǒng)工藝；應(yīng)用范圍比較廣泛，有較好的實用性等等。2.3.2工藝規(guī)程的查詢與報表的生成為了有效地組織和管理各類工藝規(guī)程，用戶可以根據(jù)零件圖號、零件編碼、零件名稱、編制人、產(chǎn)品名稱、設(shè)計日期、舊版次零件圖號等分類項查詢零件工藝規(guī)程，可以根據(jù)需要編輯工藝規(guī)程。工藝設(shè)計的另一個重要組成部分是工藝報表的生成與輸出。工藝報表主要包括工藝過程卡、工序卡等，它融數(shù)據(jù)庫、圖形、表格、文字編輯于一體，圖文并茂，所見即所得。祝有亠于相同杵旗中所桶岡濟I也有相同i+】1若馭I需11曲職*;irl丑11的罔全#AWP1f選簿合適工藝.變

8、舁工藝設(shè)卄112成址第碼在變斤式CAPP統(tǒng)中的應(yīng)用模式2.4變異式CAPP系統(tǒng)工序圖的研究工序圖的處理是CAPP系統(tǒng)開發(fā)過程中的一個關(guān)鍵所在，它涉及到工序圖庫的建立，相應(yīng)工序圖的查找、插入、編輯及鏈接等問題。系統(tǒng)開發(fā)時在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中添加“工序圖”字段名，記錄相應(yīng)的工序圖文件名稱（文件名格式：“零件編碼+工序號”）。當在編制工藝規(guī)程時，“工序圖”字段自動保存每一工序的圖形文件名稱（若事先沒有繪制工序圖，則文件名稱為“新工序.dwg”的空圖檔文件），當某一工序需要一幅工序圖作為輔助描述時，系統(tǒng)在相應(yīng)的“工序圖”的字段名下尋找工序圖文件并自動鏈接到AutoCAD中。若該文件存在，則打開相應(yīng)的文件

9、；否則打開空圖檔文件。當完成工序圖的編輯與保存后，只要正常退出AutoCAD,就可重新返回到原來的工藝系統(tǒng)中。由于是將AutoCAD鏈接到Delphi中的，所以為了防止系統(tǒng)找不到相應(yīng)的程序，系統(tǒng)安裝時，需要指定AutoCAD的安裝位置。工序圖的繪制工作流程如圖3所示。圖S丁序圖的繪制范程2.5工藝資源的管理CAPP工藝資源包括設(shè)備、工裝、工藝術(shù)語、工藝參數(shù)、工藝規(guī)則、材料牌號、材料規(guī)格、產(chǎn)品、零件、毛坯、車間、工段、刀具、量具、加工余量等任何可供共享和重復(fù)使用的工藝數(shù)據(jù)。它廣泛應(yīng)用于工藝設(shè)計、工藝管理的各個方面，因此必須對各種工藝資源進行有效的管理和維護。工程上使用的方法是將本企業(yè)可供使用的資

10、源及工程手冊進行數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)采用數(shù)表的數(shù)據(jù)庫處理，即將大量的工程手冊中的各類數(shù)表進行整理，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的強大功能，在計算機內(nèi)建立各類數(shù)據(jù)庫，以便對工程數(shù)表進行直接訪問和調(diào)用。該方法的優(yōu)點是保持程序與數(shù)據(jù)的獨立性，保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性。這樣可以減少工藝人員手工輸入文字及查找工藝數(shù)據(jù)等繁瑣的工作，同時可以規(guī)范工藝內(nèi)容，提高工藝表述的一致性和標準化程度。2.6與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成構(gòu)建系統(tǒng)時必須考慮如何將CAPP系統(tǒng)與企業(yè)的信息系統(tǒng)集成在一起，充分發(fā)揮信息的共享優(yōu)勢。PDM是理想的CAD/CAPP/CAM集成平臺和工具，其中CAPP系統(tǒng)是連接CAD、CAM的橋梁，構(gòu)架在該平臺上的CAD/

11、CAPP/CAM系統(tǒng)的所有信息傳遞與交換都可通過PDM來完成，實現(xiàn)真正意義上的3C無縫集成；同時通過PDM系統(tǒng)可以及時地將CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中的有關(guān)信息傳遞到企業(yè)的ERP系統(tǒng)中，ERP產(chǎn)生的信息也是通過PDM傳遞給CAD/CAPP/CAM的，如CAPP系統(tǒng)中工時定額、原材料定額等數(shù)據(jù)將直接為財務(wù)系統(tǒng)專用，工序匯總數(shù)據(jù)為生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供生成生產(chǎn)計劃的依據(jù)?？梢奝DM系統(tǒng)是CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)之間信息傳遞的橋梁。變異式CAPP系統(tǒng)與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成策略如圖4所示。圖4系統(tǒng)與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成框架。生產(chǎn)IT理PIJM系址CAM圏4條統(tǒng)企業(yè)信息殺統(tǒng)的臬成梅架3創(chuàng)成式CA

12、PP系統(tǒng)3.1創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工作原理創(chuàng)成式系統(tǒng)也稱為生成式系統(tǒng)。其基本思路是將人們設(shè)計工藝過程時用的推理和決策方法轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的決策模型、算法及程序代碼，從而依靠系統(tǒng)決策，自動生成零件的工藝過程。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)主要依靠邏輯決策進行工藝設(shè)計。常見的三種邏輯決策方式有決策樹、決策表以及專家系統(tǒng)技術(shù)。此外還需要一個數(shù)據(jù)庫，庫中存放各種加工方法、加工能力、機床、刀具、切削用量等有關(guān)數(shù)據(jù)。當向系統(tǒng)輸入零件信息后，首先分析組成零件的各種幾何特征，然后從數(shù)據(jù)庫中找出與這些特征相對應(yīng)的加工方法、加工順序及加工參數(shù)等，通過邏輯決策模仿工藝師的決策過程，自動生成這個零件的工藝路線及工序，并輸出工

13、藝文件。圖5表示了創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工作原理。雖然在理論上創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是一個完整的系統(tǒng)：它的軟件中應(yīng)含有一切工藝決策邏輯，具有工藝規(guī)程設(shè)計所需要的所有信息，但這種系統(tǒng)需要建立龐大的工藝數(shù)據(jù)庫和知識庫。由于產(chǎn)品品種的多樣性，各種零件的加工過程和描述方法也不同，所用的工藝決策邏輯也不圖5創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工作原理一樣，所以現(xiàn)有的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)都是針對某一產(chǎn)品或某一工廠專門設(shè)計的。到目前為止，還沒有開發(fā)出功能齊全、完全自動化的生成式系統(tǒng)。即使自動化程度較高的CAPP系統(tǒng)的某些工藝決策仍需有一定程度的人工干預(yù)。3.2創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的設(shè)計過程由于創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)開發(fā)方法的不成熟性和多

14、樣性，所以很難給出統(tǒng)一的固定模式，下面介紹建立一個創(chuàng)成式工藝過程設(shè)計系統(tǒng)時，需要進行的一些工作。確定系統(tǒng)的對象范圍，通常分為非回轉(zhuǎn)體零件、回轉(zhuǎn)體零件，或更小范圍的某類零件。設(shè)計零件信息描述方法，一般多采用型面系統(tǒng)描述、形體法描述或特征描述法。零件信息描述還應(yīng)考慮與計算機輔助設(shè)計的集成，如果有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準，如STEP/PDES，應(yīng)采用之，并能與零件信息描述系統(tǒng)集成；若CAD系統(tǒng)未采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標準，則應(yīng)設(shè)計CAD處理系統(tǒng)，以便與零件信息描述系統(tǒng)集成。確定工藝過程設(shè)計中各項工藝問題的決策邏輯或決策法則，如零件加工時的定位夾緊方案選擇、各加工表面加工方法的選擇，以及加工順序的排列等，對創(chuàng)成式

15、CAPP系統(tǒng)，這些決策邏輯是以決策表或決策樹的形式來表達的，對于CAPP專家系統(tǒng)，則是基于規(guī)則的形式來表達的。建立可用的加工資源庫，如機床庫、夾具庫、刀具庫、切削用量庫等，以備在制訂工藝過程時選用，同時也是在制訂工藝過程時的實約束條件。設(shè)計工藝文件的生成和輸出系統(tǒng)。3.3創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)成法CAPP系統(tǒng)能很方便地設(shè)計出新零件的工藝規(guī)程，有很大的柔性，適應(yīng)范圍廣，一般分為回轉(zhuǎn)體零件和非回轉(zhuǎn)體零件兩大類。另外還可以和CAD系統(tǒng)以及自動化的加工系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)CAD/CAE/CAM的一體化。表8-6列舉了幾種國內(nèi)外典型創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)。例如，BITCAPP系統(tǒng)是由北京理工大學針對兵器零件

16、而開發(fā)的。該系統(tǒng)在SUN或HP工作站、中文Motif軟件環(huán)境下運行，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，用C+語言編程，通過數(shù)據(jù)接口文件與CAD和NCP(NumericalControlPlanning)進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM集成。系統(tǒng)主要由兵器零件信息輸入、工藝過程設(shè)計、工藝知識庫、工藝數(shù)據(jù)庫和工藝文件輸出部分組成。零件信息采用基于特征的方法進行描述，其輸入可采用兩種方法實現(xiàn)：一種是通過交互窗口界面，采用人機交互方法；另一種是系統(tǒng)從CAD數(shù)據(jù)庫中直接讀入零件信息。工藝決策采用面向?qū)ο蟮姆椒▽崿F(xiàn)，可確定不同的加工方法、機床、刀具、切削參數(shù)等。系統(tǒng)共生成兩類工藝文件：一類是工藝規(guī)程文

17、件，并可通過圖形軟件繪制工序圖；另一類是輸出CAPP與NCP的接口文件，直接向NC編程系統(tǒng)傳輸零件加工信息。表8-6國內(nèi)外典型創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)序號系統(tǒng)名稱適用對彖系統(tǒng)特點研制時間研制單位A1MST回轉(zhuǎn)杵與CAD/CAE/CA.M連接1988即SUNTBuffaloed）2APLAN回轉(zhuǎn)件、箱體件1985即Gebr.HonsbergC德）3APP齊種零件與CAD連接1987即GE和LA（天）4ETTCAPP回轉(zhuǎn)杵於狀要素法輸入1937即北京理L大學中5CAOS回轉(zhuǎn)件單軸自動車床用1986年汕北工業(yè)大學中6CAPSY回轉(zhuǎn)杵人機空輸入1978年IPK（德7DTSAP齊種零件AUTAP的擴展1981

18、年WZU8ICAPP與CAD連接1981年UMTST（英）9THCAPP回轉(zhuǎn)杵、屮回轉(zhuǎn)件、焊接杵、服裝CAD/CAPP/CAM集成1994即清華大學中）10T1PPS鉆削點削與CAD連接1983即VPT和SU（美3.4創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的原理與關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的工藝規(guī)程是根據(jù)CAPP系統(tǒng)中的決策邏輯和制造工程數(shù)據(jù)信息生成的，這些信息主要是有關(guān)各種加工方法的加工能力和對象、各種設(shè)備及刀具的適用范圍等等一系列的基本知識。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)可分為一般創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)和基于計算機人工智能（AI）或?qū)＜蚁到y(tǒng)的CAPP系統(tǒng)。一般的CAPP系統(tǒng)是將工藝決策中的各種決策邏輯直接植于程序代碼中，而基

19、于人工智能或?qū)＜蚁到y(tǒng)的CAPP系統(tǒng)是將工藝決策中的各種決策邏輯以規(guī)則的形式存入相對獨立的工藝知識庫中供主程序調(diào)用，是當前創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)開發(fā)的主要趨勢，其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可用圖7.8簡要表示。圖T飛創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的核心是零件信息庫、工藝知識庫和推理機（即控制程序）三部分、必須解決下面四項關(guān)鍵技術(shù)。工藝知識的獲取與表達方法；工藝知識庫的建立方法，即如何將工藝知識代碼化并存入計算機；推理機，即控制程序的設(shè)計，主要是推理方式和控制策略，以及運行庫、生成庫的管理.這主要涉及人工智能技術(shù)和軟件設(shè)計方法；零件信息庫和工藝數(shù)據(jù)庫的建立與管理。4總結(jié)隨著產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)

20、對工藝信息系統(tǒng)的需求日益迫切，傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)僅局限于制定工藝規(guī)程，已經(jīng)不能滿足企業(yè)信息化的需求。下面介紹一下CAPP系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。4.1集成化、網(wǎng)絡(luò)化的CAPPCAPP作為CAD和CAM的橋梁，為CAQ、PDM17及ERP提供重要的產(chǎn)品信息，同時也需要CAD提供產(chǎn)品設(shè)計模型的特征信息?？墒沁@些系統(tǒng)發(fā)展相對不平衡，使數(shù)據(jù)信息不能順利傳遞，也就無法實現(xiàn)并行工程思想。傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)多數(shù)只針對機械加工過程，其他方面很少涉及。這就要求研究者在統(tǒng)一標準化工藝的基礎(chǔ)上，開發(fā)出適應(yīng)性、并行化強的集成化CAPP系統(tǒng)。集成包括：與產(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)雙向的信與質(zhì)量控制系統(tǒng)建立內(nèi)在聯(lián)系。網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代系統(tǒng)集成應(yīng)用的必然要求，CAPP要想更有效的實現(xiàn)功能，網(wǎng)絡(luò)化是必不可少的技術(shù)支撐。4.2工具化、工程化的CAPP工藝的制定是一個及其復(fù)雜的過程，企業(yè)產(chǎn)品更是千差萬別，想要設(shè)計一個適合所有企業(yè)一切產(chǎn)品的大而全的通用CAPP系統(tǒng)是不符合實際的。而要根據(jù)不同企業(yè)開發(fā)專用的CAPP系統(tǒng)，不但工作重復(fù)性大，而且會浪費大量的時間、金錢，不符合現(xiàn)代市場經(jīng)濟的需要。這就需要開發(fā)出一種工具型的CAPP系統(tǒng)，將系統(tǒng)功能分解為一個個相對獨立的工具，用戶可以根據(jù)自己的不同要求，通過簡單的二次開發(fā)來開發(fā)出適合