CAPP的原理及应用(一)

CAPP的原理及应用（一）

发表时间：2011-2-27

关键字：CAPP CAPP原理CAPP应用工艺设计

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CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺设计）系统的功能是指利用计算机软硬件作为辅助工具，依据产品设计所给出的信息，对产品的加工、装配等制造过程进行设计。一般认为，CAPP包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额的计算等。其中，工序设计又可包含工装夹具的选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具的选择、必要的工序图生成等。

CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺设计）系统的功能是指利用计算机软硬件作为辅助工具，依据产品设计所给出的信息，对产品的加工、装配等制造过程进行设计。一般认为，CAPP包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额的计算等。其中，工序设计又可包含工装夹具的选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具的选择、必要的工序图生成等。

概述

工艺设计是制造企业技术部门的主要工作之一，其设计效率和质量对生产的组织、产品质量、生产率、产品成本、生产周期等有着极大的影响。长期以来，工艺人员根据个人的经验以手工方式进行工艺设计，这种传统的设计方法存在以下的缺陷：

① 设计效率低。工艺设计人员不仅要考虑工艺方案的设计，还必须进行大量的计算、查阅手册、填写表格、工艺数据的统计等繁琐重复性的工作。

② 设计质量不稳定、标准化程度差。工艺设计是经验性很强的工作，设计质量、所用术语、工艺习惯因人而异，难以统一标准与优化，且随着工艺设计人员的变动使工艺设计经验难以继承。

③ 不能实现信息集成。目前越来越多的企业已采用CAD，CAM，ERP等先进的设计、制造与管理技术。随着制造业信息化的发展，企业进一步要求实现基于网络和数据库的CAD/CAM以及技术信息系统和管理信息系统的集成，而手工工艺设计已不能满足系统信息集成的要求。

1、CAPP的基本结构

尽管CAPP系统的种类很多，但其基本结构都离不开系统控制与人机界面、零件信息描述与输入、工艺决策、工艺数据／知识库、工艺文件管理与输出等五大部分。

（1）系统控制与人机界面的主要任务就是控制与协调系统各模块的运行，是用户的工作平台。它通过包括系统菜单、工艺设计的界面、工艺数据／知识的输入和管理界面、以及工艺文件的显示、编辑与管理等人机界面实现人机之间的信息交流。

（2）零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，计算机目前还不能像人一样识别零件图上的所有信息，所以必须采用一定的方式和数据结构来对零件信息进行描述。如何输入和描述零件信息是CAPP最关键的问题之一。

（3）工艺决策的作用是以零件信息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺

数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程；或者调用已有的零件组标准工艺规程，编辑成零件的工艺规程。如何将人工智能的理论与方法应用于工艺决策是CAPP目前研究的热门课题。

（4）工艺数据／知识库是系统的支撑工具，包含了工艺设计所要求的所有工艺数据（如加工方法、余量、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等众多内容，如加工方法选择规则、排序规则等）。如何组织和管理这些信息，便于使用、扩充和维护，使之适用于各种不同的企业和产品，是CAPP系统需要妥善解决的问题。

（5）随着系统运行时间的增长，系统生成的工艺文件会越来越多，如何管理和维护这些文件将是CAPP系统的重要工作内容。同时，随着CIMS的实施与应用，迫切要求CAD/CAPP/CAM集成系统与生产管理系统进行信息集成，工艺文件管理与输出模块则担负着与其他系统进行信息集成的重任。

2、 CAPP的基本类型

CAPP系统就其工作原理主要可以分为派生式、创成式、综合式和交互式四大类。

（1）派生式（Variant）CAPP系统是利用成组技术原理将零件按几何形状和工艺相似性分类、归组，每一零件组有一个典型样件，并为典型样件设计出相应的标准样件工艺，存入工艺文件库中。当需设计一个零件的工艺时，输入零件的成组编码，计算机按此编码检索出相应的零件组的标准样件工艺，并可根据零件的具体结构及工艺要求由计算机自动编辑修改或人工编辑修改，从而得到所需的工艺规程。派生式CAPP系统的基础是成组技术，它依赖于事先归纳整理出来的典型工艺。

（2）创成式（Generative）CAPP系统由系统中的工艺决策逻辑与算法根据输入的详细零件特征信息对零件的加工工艺进行一系列的决策，从无到有自动地生成零件的工艺规程。创成式CAPP系统人工干预少，自动化程度高，易于保证工艺的一致性和实现优化。但由于零件结构的多样性、复杂性以及工艺决策逻辑随环境变化等因素的影响，应用面较宽的全面创成系统还不多见。但创成式CAPP系统代表着CAPP的发展方向，目前人们较多的是将人工智能技术如专家系统、人工神经网络、遗传基因算法等引入到CAPP系统的开发中，这为创成式CAPP系统的研究与开发增添了新的活力。

（3）综合式（Hybrid）CAPP系统，亦称半创成式系统。它是将派生式与创成式相结合，利用各自的优点而开发的CAPP系统。这种模式目前应用较多，如基于实例与知识的混合式CAPP系统、将成组技术与专家系统相结合的混合式CAPP系统等。

（4）交互式（Interactive)CAPP系统就是基于这样的背景而提出的。它以人机交互的形式完成工艺规程的设计，强调CAPP中的A是Aid（辅助）而不是Automatic（自动化）。在以交互式为基础的系统模式下，工艺人员是工艺决策的主体，CAPP系统的主要功能是帮助用户“甩笔”、“告别手册”。交互式CAPP是一种框架系统，它含有适用于不同环境、不同需求的基本功能，而对用户的特定工艺数据、工艺知识和文件格式将在系统提供的各种帮助下逐步定义和添加，还可以根据用户的特殊需求进行特定功能的定制和二次开发。系统将根据使用中积累的数据和知识，渐进式地逐步形成一种人机混合的决策功能。此外，在交互式CAPP系统中，产品工艺文件的管理是其重要组成部分,也是保证产品工艺数据的完整

性、一致性，实现企业产品工艺信息的集成与共享的基础。在此基础上，系统完全可以自动完成工装设备、工具、材料、工艺关键件、外协外制件、工艺分配工时定额、辅助用料、关键工序等各类统计汇总以及大量的各种工艺文件的归档和日常管理工作，可以极大地提高工艺文件的编制及管理效率。

3、成组技术

成组技术（Group Technology，简称GT）是一门生产技术科学，是CAPP的重要技术基础。它利用事物相似性，把相似问题归类成组，寻求解决这一类问题相对统一的最优方案，从而节约时间和精力，以取得所期望的经济效益。在生产系统中，成组技术可以应用于不同领域。对零件设计来说，由于许多零件具有类似的形状，可将它们归并为设计族，一个新的零件可以通过修改一个现有同族典型零件而形成。对工艺设计来说，形状相似的零件有相似的加工过程，即同族零件要求类似的工艺过程，从而使工艺设计得到简化；对生产组织来说，可以组建一个加工单元来制造同族零件，对每一个加工单元只考虑类似零件，从而提高了加工系统的柔性，也使得生产计划及其控制变得相对容易。所以GT的核心问题就是充分揭示和利用生产系统中出现的各种相似信息，使企业以最有效的工作方式得到统一的数据和信息，为企业建立集成信息系统打下基础，以获得最大的经济效益。

（1）零件分类编码系统

要揭示与利用零件的相似性，零件的分类编码则必不可少。零件编码系统是由代表零件的设计和（或）制造特征符号所组成。这些符号代码可以是数字，也可以是字母，或者两者的组合。在一般情况下，大多数分类编码系统只使用数字，在成组技术实际应用中，有三种基本编码结构。

在树式结构中，码位之间是隶属关系，即除第一码位内的特征码外，其他各码位的确切含义都要根据前一码位来确定（如图6.1a）。由树式代码组成的层次结构具有相对密实性，能以有限个位数传递大量有关零件信息。

在链式结构中，那些有序符号的意义是固定的，每个码位内的各特征码具有独立的含义，与前后位无关（如图6.1b）。链式结构所包含的特征信息量比树式结构少，但结构简单，编码和识别也比较方便。

工业上大多数商业零件编码系统都是由上述两种编码系统组合而成，形成混合结构。混合结构具有树式结构和链式结构共同的优点（如图6.1c），它能最好地满足设计和制造的需要。

图6.1 分类编码的结构

（2）JLBM-l系统

JLBM-1系统如图6.2所示，它是一个十进制15位代码的混合结构分类编码系统，每一码位用0到9十个数码表示不同的特征项号。15个码位中，第一、二位码为名称类别特征矩阵，第三至九码位为形状与加工码位，第十至十五码位为辅助码位。图6.3a、图6.3b分别表示回转类零件和非回转类零件的编码示例。

JLBM-1分类编码系统

(a) 回转体类零件

(b) 非回转体类零件

图6.3 JLBM-1分类编码系统的分类编码示例

（3）柔性编码系统

Opitz，KK-3，JLBM-1等属刚性分类编码系统，存在下列特点：

① 系统结构较简单，便于记忆和分类。

② 便于检索和辨识。

③ 由于码位长度有限，不能完整、详尽地描述零件结构特征和工艺特征。

④ 同一码位当中存在高数值代码掩盖低数值代码的问题。

⑤ 不能满足生产系统中不同层次、不同方面的需要，特别是不能满足系统集成的需要。

刚性分类编码系统存在的缺点，用传统分类编码的概念和理论是无法解决的。所以，人们提出了柔性编码系统的概念和理论。柔性分类编码是指分类编码系统横向码位长度可以根据描述对象的复杂程度变化，即没有固定的码位设置和码位含义。柔性编码系统既要克服刚性编码系统的缺点，又要继承刚性编码的优点，所以，零件的柔性编码结构模型为：

柔性编码=固定码位+柔性码位

固定码位用于描述零件的综合信息，如类别、总体尺寸、材料、毛坯等，与传统编码系统相似；柔性码位主要描述零件各部分详细信息，如形面的尺寸、精度、形位公差等。固定码要充分体现传统GT编码简单明了、便于检索和识别的优点，因此宜选用或参考码位不太长的传统分类编码系统；柔性码要能充分的描述零件详细信息，又不引起信息冗余。柔性编码的实现一般是以计算机辅助（自动）编码技术为手段进行的。

（4）零件分组方法

成组技术的核心是利用事物的相似性，将相似的问题归类成组，以便提出统一的最佳解决方案。零件分组正是寻求零件的相似性，将相似的零件归并为零件族，这是实施成组技术的基础。这里所说的零件相似性，一般包含了两个方面的内容，即零件形状的相似性与零件的加工方法（工艺）的相似性。常用的零件的分组方法有视检法、生产流程分组法、特征编码分组法等。当被加工的零件数量不太多时，可以用视检法。生产流程分组法是以工厂现行的工艺过程等有关技术资料为依据的，其目的是寻求工厂本已客观存在的零件加工族及其相应的加工设备组。这个方法比较全面地应用了现有生产条件的相似性，广泛地应用于零件分类。特征编码分组法是通过零件编码来分组的，该方法也叫特征数据法或特征矩阵法。

(A) 特征矩阵法是从零件编码中选择几位特征性强并对划分零件组影响较大的码位作为零件分组的主要依据，而忽略那些影响不大的码位。当采用的零件编码较长时一般采用此法。这种方法是根据零件特征信息的统计分析结果，并考虑到车间的加工水平、工装设备条件、设备负荷、管理水平等条件，对每一位代码划定一个范围作为分组的依据，每个特征矩阵对应一个码域，即一个零件组。分组步骤如下：

① 零件编码。首先用零件编码系统对要分组的零件进行编码，这是零件分组的基础。

② 零件代码排序。为了便于零件分组，也为了便于管理和检索，需要对零件代码按从小到大的顺序排序。排序完成后可得到零件代码顺序表或代码清单，代码清单上的每一个零件代码都与其零件图号相对应。

③ 零件结构特征统计分析。零件结构特征统计分析的目的是了解产品零件的各种结构和形状信息的分布情况，为制定零件分组方案和建立特征矩阵提供定量依据。统计分析的关键是要对零件编码进行分解，以了解零件代码每一位的数值，并把出现的次数累计入相应的数组中，同时求出每位数值所占的百分比。

④ 分组。在对零件的结构特征信息分布情况进行统计分析的基础上，制定出分组标准，按此标准确定若干特征矩阵，并用特征矩阵对零件进行分组。

采用特征矩阵法对零件分组是依据每一个零件的代码均可用矩阵来表示的原理。如代码为021051101260513（JLBM-1码）的零件可用矩阵来表示，而一个矩阵也可以表示一个零件组。该矩阵是含有一定范围的零件特征的矩阵，即特征矩阵。根据分组标准，可以确定若干个特征矩阵，作为划分零件组的依据。分组时，将零件代码矩阵与特征矩阵相比较，如果零件代码各个位的数值相对应的位置上都是1，则认为该零件与此矩阵相匹配，该零件就分入这个组；如果与零件代码相对应的矩阵位置上有一位不是1，而是0，则认为该零件与此矩阵不匹配，该零件就不能分入这个组。分组的方法是先用一个特征矩阵与所有零件相比较，把与此矩阵相匹配的零件划分为一个组，同时打印出此特征矩阵和属于该组的零件图号和代码；再用第二个矩阵与剩下的零件相比较，划分出第二个零件组，重复这个过程，直到所有特征矩阵对零件筛选完毕；最后把所有与特征矩阵不匹配的零件单独编成一组，打印出它们的图号和零件编码。

图6.5 一个零件的特征矩阵

图6.6 一组零件的特征矩阵

(B) 生产流程分析法

生产流程分析是研究工厂生产活动中物料流程客观规律的一种统计分析方法。它着重分析生产过程中从原材料到产品的物料流程，研究最佳的物料流程系统。因此，生产流程分析

可应用手工厂规划、设计和物料科学管理等方面。生产流程分析一般可以包括以下三个主要步骤：

(1) 工厂流程分析，

(2) 车间流程分析；

(3) 生产单元(小组)流程分析。

工厂流程分析是对全厂的物料流进行统计分析，以正确地组成和区划各个生产车间和管理部门，使工厂全生产过程有合理的物料流程。通过工厂流程分析可决定各车间的生产任务和设备。

车间流程分析是对本车间生产的全部零件的工艺过程进行统计分析，按工艺过程将零件划分为加工族，与此同时也寻求出加工各加工族的相应的一组设备(机床组)。因此，车间生产流程分析有助于正确地规划车间的组成和简化车间物料流程。

生产单元流程分析是以单元内生产零件为对象，通过进一步对工艺过程的分析，可以寻求单元最合理的设备平面布置。对单元内生产零件的加工工艺过程分析，还可以把加工族细分为具有某些工艺特征的零件小组，这将有助于成组工艺过程，成组工艺调整方案和成组夹具等方面的设计工作。

车间生产流程分析的原始资料是车间的生产零件明细表，零件工艺规程卡片及设备明细表等工艺技术资料。图a是根据25个零件(代表件)的工艺过程卡片绘制的零件——机床图表(矩阵表)。

图b表示的是用生产流程分析法使零件成组后的零件——机床图表，图表清晰地表明分类后形成的三个加工族及其相应的机床组。零件代号为21的零件为特殊件，因为经过分析，按其工艺过程不宜归属于相应的加工族。