3計算機輔助工藝過程設計

計算機輔助設計與制造技術計算機輔助工藝設計制作：彭浩舸本章

學習目標

了解CAPP在CAD/CAM中的地位和作用掌握CAPP的基本工作原理和工作過程學習和理解CAPP中零件信息描述方法掌握不同類型CAPP系統(tǒng)關鍵技術重點：CAPP的概念及工作原理1.概述CAPP的基本概念CAPP在集成制造系統(tǒng)中的地位和作用CAPP類型及基本原理CAPP結構組成及基本技術CAPP發(fā)展趨勢計算機輔助工藝過程設計(CAPP)是將產品數(shù)據(jù)轉換成面向制造的指令性數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)，起著承上(產品設計)啟下(加工制造與管理)、連接CAD與CAM及MRP等應用系統(tǒng)的橋梁作用CAPP基本概念計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP,ComputerAidedProcessPlanning），是通過計算機技術輔助工藝設計人員，以系統(tǒng)、科學的方法確定零件從毛坯到成品的整個技術過程(即工藝規(guī)程)CAPP徹底改變了手工編制工藝文件的方式和對人的依賴，大大提高了編制工效，縮短了生產周期，保證工藝文件的一致性和工藝規(guī)程的精確性，避免不必要的差錯，為實現(xiàn)工藝過程優(yōu)化、集成制造創(chuàng)造條件輸入設計信息選擇工藝路線、決定工序內容及所使用的機床、刀具、夾具…決定切削用量估算工時與成本輸出工藝文件…CAPP系統(tǒng)的基本功能：常見工藝流程CAPP的發(fā)展歷程

研究派生式CAPP推出典型系統(tǒng)CAM－I1976年

研究創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)智能化工藝決策方法零件信息自動獲取60年末～80年代初80年代初～90年代中

深入研究派生式CAPPCAPP進入實用化CAPP數(shù)據(jù)

管理與應用提出CAPP

研究新的CAPP系統(tǒng)結構與方法CAPP性能提高90年代中～本世紀初本世紀初～1965年Niebel首次提出CAPP思想CAPP的主要內容信息建模工藝決策工藝設計數(shù)據(jù)管理與輸出產品信息建模制造資源建模工藝數(shù)據(jù)建模數(shù)據(jù)瀏覽與查詢數(shù)據(jù)輸出加工方法選擇切削參數(shù)計算加工順序安排……CAPP系統(tǒng)工作過程與步驟CAPP應用意義：

將工藝設計人員從繁瑣和重復性的勞動中解放出來，可以從事新產品及新工藝開發(fā)等創(chuàng)造性的工作節(jié)省工藝過程編制時間和編制費用，縮短工藝設計周期，降低生產成本，提高產品在市場上的競爭力有助于對工藝設計人員的寶貴經(jīng)驗進行集中、總結和繼承，提高工藝過程合理化的程度，從而實現(xiàn)計算機優(yōu)化設計較少依賴于個人經(jīng)驗，有利于實現(xiàn)工藝過程的標準化，提高相似或相同零件工藝過程的一致性降低對工藝過程編制人員知識水平和經(jīng)驗水平的要求減少所需的工裝種類，提高企業(yè)的適應能力CAPP是CAD與CAM的橋梁，為實現(xiàn)CIMS創(chuàng)造條件自動化制造系統(tǒng)

自動化制造系統(tǒng)是指在較少的人工直接或間接干預下，將原材料加工成零件或將零件組裝成產品，在加工過程中實現(xiàn)管理過程和工藝過程自動化。管理過程包括產品的優(yōu)化設計；程序的編制及工藝的生成；設備的組織及協(xié)調；材料的計劃與分配；環(huán)境的監(jiān)控等。自動化制造系統(tǒng)包括剛性制造和柔性制造系統(tǒng)。CAPP集成制造系統(tǒng)中的地位和作用管理信息系統(tǒng)所謂MIS（管理信息系統(tǒng)--ManagementInformationSystem）系統(tǒng)，是一個以人為主導，利用計算機硬件、軟件及其他辦公設備進行信息的收集、傳遞、存貯、加工、維護和使用的系統(tǒng)，以企業(yè)戰(zhàn)略競優(yōu)、提高收益和效率為目的，支持企業(yè)高層決策、中層控制和基層操作。CAPP集成制造系統(tǒng)中的地位和作用質量保證系統(tǒng)（體系）質量保證體系（QualityAssuranceSystem/QAS）是指企業(yè)以提高和保證產品質量為目標，運用系統(tǒng)方法，依靠必要的組織結構，把組織內各部門、各環(huán)節(jié)的質量管理活動嚴密組織起來，將產品研制、設計制造、銷售服務和情報反饋的整個過程中影響產品質量的一切因素統(tǒng)統(tǒng)控制起來，形成的一個有明確任務、職責、權限，相互協(xié)調、相互促進的質量管理的有機整體。質量保證體系相應分為內部質量保證體系和外部質量保證體系。CAPP集成制造系統(tǒng)中的地位和作用CAPP集成制造系統(tǒng)中的地位和作用計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的關鍵是系統(tǒng)集成，CAPP系統(tǒng)解決了CAD和CAM的連接問題，真正實現(xiàn)CAD/CAM集成

CAD工裝CADCAMCAPPMISMASCAQ接受CAD的幾何拓撲信息、材料信息以及精度、粗糙度等工藝信息；

向CAD反饋產品的機構工藝性評價信息,滿足并行產品設計要求向CAM提供零件加工所需的設備、工裝、切削參數(shù)、裝夾參數(shù)及反映零件切削過程的刀具軌跡文件；

接收CAM反饋的工藝修改意見向工裝CAD提供工藝過程文件和工裝設計任務書向MIS(管理信息系統(tǒng))提供各種工藝過程文件和夾具、刀具…信息；接受MIS反饋的工作報告和工藝修改意見向MAS（制造自動化系統(tǒng)）提供各種過程文件和夾具、刀具等信息；

接受MAS反饋的工作報告和工藝修改意見向CAQ（質量保證系統(tǒng)）提供工序、設備、工裝、檢測等工藝數(shù)據(jù)，以生成質量控制計劃和質量檢測規(guī)程；接收CAQ反饋的控制數(shù)據(jù)，修改工藝過程CAPP類型及基本原理CAPP系統(tǒng)按照工藝決策方法主要分為：檢索式CAPP系統(tǒng)派生式CAPP系統(tǒng)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)綜合式CAPP系統(tǒng)由于零件及制造環(huán)境的不同，很難用一種通用的CAPP軟件來滿足各種不同的制造對象將派生式、創(chuàng)成式與人工智能結合綜合而成，目的是綜合派生式和創(chuàng)成式兩者的優(yōu)勢，避免派生式系統(tǒng)的局限性和創(chuàng)成式系統(tǒng)的高難度檢索式CAPP系統(tǒng)檢索式CAPP系統(tǒng)是基于成組技術或基于特征的CAPP系統(tǒng)基本原理：按照零件編碼或圖號將企業(yè)現(xiàn)行各類工藝文件存入計算機數(shù)據(jù)庫

設計時根據(jù)零件編碼或圖號，在工藝文件庫中檢索類似零件的工藝文件，由工藝人員采用人機交互方式修改、編輯檢索式CAPP系統(tǒng)實際上是一個工藝文件數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)，功能較弱、自動決策能力差開發(fā)難度小，操作方便，實用性強，與企業(yè)現(xiàn)有設計工作方式相一致，得到很多企業(yè)的認可，具有很高的推廣價值派生式CAPP系統(tǒng)基本原理：利用成組技術(GT)代碼或企業(yè)現(xiàn)行零件圖編碼，根據(jù)結構和工藝相似性將零件進行分組，然后針對每個零件組編制典型工藝（主樣件工藝）

設計時根據(jù)零件的GT代碼和其它有關信息，按編碼搜索零件族，對典型工藝進行自動化或人機交互式修改，生成符合要求的工藝文件

可看成檢索式CAPP系統(tǒng)的發(fā)展，又稱變異式CAPP系統(tǒng)派生式CAPP系統(tǒng)柔性差，只能針對企業(yè)具體產品零件的特點開發(fā)，可移植性差，不能用于全新結構的零件工藝設計工作原理簡單，容易開發(fā)，實際投入運行的系統(tǒng)大多是派生式系統(tǒng)創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)基本原理：與檢索式和派生式方法不同，不是直接對相似零件工藝文件進行檢索與修改，而是根據(jù)零件的信息，通過邏輯推理規(guī)則、公式和算法等，做出工藝決策而自動地“創(chuàng)成”一個零件的工藝規(guī)程創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)包括：基于傳統(tǒng)過程性程序結構與決策形式的CAPP系統(tǒng)、基于知識的CAPP專家系統(tǒng)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的CAPP系統(tǒng)、CAPP工具系統(tǒng)或骨架系統(tǒng)…創(chuàng)成式方法接近人類解決問題的創(chuàng)新思維方式由于大多數(shù)工藝過程問題不能建立實用的數(shù)學模型和通用算法，工藝規(guī)程的知識難以形成程序代碼，因此只能處理簡單的、特定環(huán)境下的某類特定零件綜合式CAPP系統(tǒng)將派生式與創(chuàng)成式結合起來，采取派生與自動決策相結合的工作方式，也稱半創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)新零件進行工藝設計時，首先用計算機檢索它所屬零件族的標準工藝，再根據(jù)新零件具體情況，對標準工藝進行刪改與選擇，工序設計則采用創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)自動決策產生體現(xiàn)了派生式與創(chuàng)成式相結合的優(yōu)點

文件維護輔助編碼控制數(shù)據(jù)準備工藝文件工序設計工序尺寸計算編輯輸出分組矩陣標準工藝名稱字典機床加工余量經(jīng)濟精度成族編碼編碼操作輸入圖樣數(shù)據(jù)工藝文件報告CAPP的結構組成及基本技術CAPP系統(tǒng)構成與開發(fā)環(huán)境、產品對象、規(guī)模的大小等因素相關存放CAD系統(tǒng)完成的產品設計信息存放企業(yè)加工設備、工裝工具等制造資源的相關信息存放產品制造工藝規(guī)則、工藝標準、工藝數(shù)據(jù)手冊、工藝信息處理的相關算法和工具…存放零件族典型零件的工序卡、工步卡、工藝流程圖、加工參數(shù)…，供系統(tǒng)參考使用存放CAPP系統(tǒng)生成的產品制造工藝信息，供輸出工藝文件、數(shù)控加工編程和生產管理與運行控制系統(tǒng)使用存放工藝流程圖、工序卡、工步卡等系統(tǒng)輸入輸出模板、手工查詢工具和系統(tǒng)操作工具集…CAPP的結構組成及基本技術CAPP系統(tǒng)構成與開發(fā)環(huán)境、產品對象、規(guī)模的大小等因素相關控制模塊：協(xié)調各模塊的運行，實現(xiàn)人機間信息交流，控制產品設計信息獲取方式零件信息獲取模塊：產品設計信息輸入工藝路線設計模塊：加工工藝流程決策，生成工藝過程卡工序決策模塊：選定加工設備、定位安裝方式、加工要求，生成工序卡輸出模塊：輸出工藝流程卡、工序和工步卡，工序圖…工步?jīng)Q策模塊：選擇刀具軌跡、加工參數(shù)，確定加工質量要求，生成工步卡及提供形成NC指令所需的刀位文件CAPP發(fā)展趨勢（1）集成化趨勢（2）工具化趨勢（3）智能化趨勢（1）集成化趨勢集成化系統(tǒng)優(yōu)勢：與CAD系統(tǒng)集成從根本上解決CAPP系統(tǒng)的零件信息輸入問題集成化系統(tǒng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范便于對各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理集成化是CAPP系統(tǒng)的一個重要發(fā)展趨勢CADCAPPCAM工藝設計信息：對工步全面、詳細的規(guī)范描述，輸出符合NC加工的工藝原則數(shù)控加工工序決策結果零件詳細信息

零件的幾何工藝特征集成化指CAD/CAPP/CAM的局部集成（2）實用化趨勢工藝設計的共性與個性分開處理工藝決策方式多樣化具有功能強大、使用方便和統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)與知識庫管理平臺智能化輸出實用化思想主要表現(xiàn)：共性主要包括：推理控制策略和一些公共算法以及通用的、標準化的工藝數(shù)據(jù)與工藝決策知識個性主要包括：與特定加工環(huán)境相關的工藝數(shù)據(jù)及工藝決策知識具有友好統(tǒng)一的人機工作界面具有功能強大、便利的數(shù)據(jù)與知識庫管理系統(tǒng)，便于用戶對各種工藝數(shù)據(jù)與知識的獲取、表達、管理與維護系統(tǒng)可按標準格式輸出各種工藝文件，還可輸出由用戶自定義的工藝文件單一的推理控制策略不能滿足用戶的需要，系統(tǒng)應能給用戶提供多種工藝設計方法（3）智能化趨勢依靠傳統(tǒng)的過程性軟件設計技術，如利用決策表或決策樹進行工藝決策軟件的設計等，已不能滿足工程實際對CAPP的需要專家系統(tǒng)技術以及其它人工智能技術在獲取、表達和處理各種知識的靈活性和有效性給CAPP系統(tǒng)的發(fā)展帶來生機。人工智能技術已越來越廣泛地應用于各種類型的CAPP系統(tǒng)之中基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡的CAPP系統(tǒng)基于實例與知識的CAPP系統(tǒng)ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡，ArtificialNeuralNetwork）理論是近年來得到迅速發(fā)展的一個國際前沿領域，也為解決現(xiàn)有CAPP系統(tǒng)存在的問題開辟了新的途徑基本原理：通過系統(tǒng)本身的工藝設計實例來“自我”總結、組織、學習和更新工藝設計“經(jīng)驗”，當經(jīng)驗積累到一定程度時，系統(tǒng)將成為一個“聰明的設計者”2.成組技術成組技術（GT）被公認為是提高多品種、中小批量生產企業(yè)經(jīng)濟效益的有效途徑，是發(fā)展柔性制造技術和計算機集成制造系統(tǒng)的重要基礎成組技術是一門生產技術科學，即研究和發(fā)掘生產活動中有關事物的相似性，并充分利用事物的相似性，把相似問題歸類成組，尋求解決這一類問題相對統(tǒng)一的最優(yōu)方案，從而節(jié)約時間和精力以取得所期望的經(jīng)濟效益機械制造中的成組技術是將多種零件按其相似性歸類成組，并以這些組為基礎組織生產，從而實現(xiàn)多品種、中小批量生產的產品設計、制造工藝和生產管理的合理化20世紀50年代起，成組技術由蘇聯(lián)學者斯?帕?米特洛凡諾夫總結并在機械工業(yè)中推廣應用成組技術的發(fā)展：成組加工→成組工藝→成組技術→成組生產系統(tǒng)

GT存在的理由：1）批量法則：中小批量生產成本是大批量的30～50倍，中小批量生產占總生產的70%左右2）設備利用：大批量生產為專用設備，而中小批量生產所使用的設備利用不充分。如普通車床CW6140加工的零件直徑D最大可達400mm，零件直徑D<100mm的加工占總加工量的80%以上。3）制造周期：制造周期中，大約95%左右的時間為非加工時間

GT的相似性零件的結構特征相似性包括：

結構相似性（零件的形狀相似、尺寸相似、精度相似…）

材料相似性（零件種類相似、毛坯形狀相似、熱處理方法相似…）

工藝相似性（加工工藝相似、加工設備相似、工藝裝備相似…）

…GT的核心問題是充分利用生產系統(tǒng)中的各種相似性信息碼位間結構層次結構

鏈式結構混合結構利用零件分類編碼描述零件，可在宏觀上描述零件而不涉及零件的細節(jié)碼位內的信息排列：遵循從小→大、從簡單→復雜、從易→難、常見→少見的規(guī)律

零件編碼系統(tǒng)符號代碼可以是字母，也可以是數(shù)字，或者兩者都有，大多數(shù)分類編碼系統(tǒng)一般情況下只使用數(shù)字

分類編碼系統(tǒng)是用各種各樣的符號，對零件的有關特征進行描述和識別的一套規(guī)則和依據(jù)編碼：15XXX含義：回轉體零件，長徑比0.33層次結構也稱為單碼結構或樹狀結構

每一個后級符號的含義取決于前級符號的值編碼：65XXX含義：非回轉體零件，長寬比0.59尺寸比例幾何外形XXXXX鏈式結構也稱多碼結構

有序符號的意義是固定的，各碼位之間相互獨立，后級與前級符號無關系材料批量最大尺寸外部形狀1524回轉體零件，最大直徑150中批生產，45＃鋼2534非回轉體零件，最大長度150大批生產，45＃鋼混合結構工業(yè)上大多數(shù)商業(yè)零件編碼系統(tǒng)都是由上述兩種編碼系統(tǒng)組合而成的，形成混合結構。典型的混合結構由一系列較小的多碼結構組成，這些結構鏈中的數(shù)字都是獨立的，在整個混合代碼中，需要有一個或幾個數(shù)字來表示零件的類別。混合結構能最好地滿足設計和制造的需要。混合結構具有單碼結構和多碼結構共同的優(yōu)點零件分類編碼系統(tǒng)

零件分類編碼由代表零件設計和制造的特征符號組成，利用成組技術正確抽出零件圖紙中為制定工藝過程所必需的必要信息常見編碼系統(tǒng)：

Opitz編碼系統(tǒng)

KK-3系統(tǒng)

JLBM-1系統(tǒng)

柔性編碼系統(tǒng)

設計屬性制造屬性其他實例：

身份證號430－304－860628－894圖書分類號TH166.111.8XXXXXXXXOpitz編碼系統(tǒng)內外表面形狀內部

形狀平面加工輔助孔及齒形加工主要形狀外表面形狀平面加工輔助孔及齒形加工主要形狀主要形狀主要形狀主要孔平面加工輔助孔及齒形加工主要尺寸材料及熱處理處理毛坯原始形狀加工精度0回轉體零件L/D≤0.510.5<L/D<32L/D≥33L/D≤2有異形4L/D>2有異形5特殊的6非回轉體零件A/B≤3,A/C≥37A/B>38A/B≤3,A/C<49特殊的第3位內回轉表面形狀第一位零件分類第2位外表面形狀形狀代碼1~5位增補代碼6~9位9位8位7位6位第5位第4位Opitz編碼系統(tǒng)：123456789ABCD前9位數(shù)字碼用來傳送設計和制造信息，最后4位數(shù)ABCD用于識別生產操作類型和順序，稱輔助代碼，由各單位根據(jù)特殊需要設計安排,第一位為零件類別編碼,將零件分為回轉體和非回轉體,2~4位描述零件細節(jié).系統(tǒng)的結構較簡單，便于記憶和手工分類系統(tǒng)的分類標志雖然形式上偏重于零件的結構特征，但是實際上隱含著工藝信息

如零件的尺寸標志，既反映零件在結構上的大小，同時也反映零件在加工中所用的機床和工藝設備的規(guī)格大小系統(tǒng)雖考慮了精度標志，但只用一位碼來標識不夠充分系統(tǒng)的分類標志尚欠嚴密和準確系統(tǒng)從總體結構上看雖屬簡單，但從局部結構看，則仍十分復雜最著名的分類編碼系統(tǒng),德國Aachen工業(yè)大學H?Opitz教授開創(chuàng)Opitz編碼系統(tǒng)特點

Opitz編碼實例KK-3系統(tǒng)供大型企業(yè)使用的十進制21位代碼的混合結構系統(tǒng)

KK-3系統(tǒng)特點：在碼位及順序安排上，基本上考慮到各部分形狀加工順序的關系，它是一個結構、工藝并重的分類編碼系統(tǒng)KK-3系統(tǒng)前7位代碼作為設計專用代碼，便于設計部門使用在分類標志配置和排列上，便于記憶和應用采用按功能和名稱作為分類標志，特別便于設計部門檢索主要缺點是環(huán)節(jié)多

在某些環(huán)節(jié)上，零件出現(xiàn)率較低，意味著環(huán)節(jié)設置不當KK-3系統(tǒng)是日本通產省機械技術研究所提出草案，經(jīng)日本機械振興協(xié)會成組技術研究會下屬零件分類編碼系統(tǒng)分會修改而成KK-3機械加工零件分類編碼系統(tǒng)基本結構回轉體非切削加工特殊孔規(guī)則排列內平面與內周期面內曲面內廓形狀周期性表面成形平面異形部分功能槽同心螺紋外廓形狀D直徑L長度細分類粗分類細分類粗分類輔助孔端面內表面外表面各部形狀與加工外廓形狀與尺寸比主要尺寸材料名稱分類項目2019181716151413121110987654321碼位外廓形狀與尺寸比21特殊孔形狀方向螺紋與成形面方向與階梯周期面與輔助成形面主成形平面外曲面外平面彎曲角度彎曲方向B直徑A長度細分類粗分類細分類粗分類輔助孔主孔以外的內表面主孔外表面彎曲

形狀各部形狀與加工外廓形狀與尺寸比主要尺寸材料名稱分類項目19181716151413121110987654321碼位非切削加工2021精度非回轉體JLBM-1系統(tǒng)我國機械工業(yè)部為推行成組技術而開發(fā)的一種零件分類編碼系統(tǒng)經(jīng)過先后四次修改，于1984年作為機械工業(yè)部的技術指導資料頒布JLBM-1系統(tǒng)是一個十進制15位代碼的混合結構分類編碼系統(tǒng)JLBM-1系統(tǒng)結構基本上和Opitz系統(tǒng)相似，吸取了KK-3系統(tǒng)的特點，克服Opitz系統(tǒng)分類標志不全和KK-3系統(tǒng)環(huán)節(jié)過多的缺點為彌補Opitz系統(tǒng)不足，摒棄Opitz系統(tǒng)的開頭加工碼，把Opitz系統(tǒng)的零件類別碼改為零件功能名稱碼，把熱處理標志從Opitz系統(tǒng)中的材料、熱處理碼中獨立出來，主要尺寸由一個環(huán)節(jié)擴大為兩個環(huán)節(jié)JLBM-1系統(tǒng)增加了形狀加工環(huán)節(jié)，比Opitz系統(tǒng)可以容納較多的分類標，在系統(tǒng)的總體組成上要比Opitz系統(tǒng)簡單，易于使用

JLBM-1系統(tǒng)的基本結構圖工藝過程設計工藝