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1、第六章 计算机辅助工艺设计,2学时,知识点,6.计算机辅助工艺设计6.1 概述6.2 CAPP系统的工作模式6.3 CAPP的意义,学习重点：CAPP的概念及工作原理。学习难点：型面特征描述；CAPP专家系统。学习建议：对比传统工艺设计和计算机辅助工艺设计的过程，理解其功能和意义；注意浏览参考书和期刊杂志中关于企业使用CAPP的示例，加深对本知识点的理解；在学习过程中，认真分析课件中给出的应用示例,6.1.1研究背景 工艺设计是机械制造生产过程的技术准备工作中一项重要内容，是产品设计与车间生产的纽带.当前，机械产品市场是多品种小批量生产起主导作用，传统的工艺设计方法已远不能适应机械制造行业发展
2、的需要。随着机械制造生产技术的发展和当今市场多品种、小批量生产的要求，特别是CAD/CAM系统向集成化、智能优方向发展，计算机辅助工艺设计（CAPP Computer Aided process Planning）也就日益得到了重视。,6.1 概述,6.1 概述,6.1.2 工艺设计自动化的重要意义 1.工艺规程设计的任务和主要内容 工艺规程设计的任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削条件的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。其主要内容有：选择加工方法和采用的机床、刀具、夹具及其它工装设备；安排合理加工顺序；选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公
3、差；选用合理的切削用量；计算时间定额和加工成本；编制包含上述所有资料的工艺文件。其核心内容是选择加工方法和安排合理的加工顺序。,用CAPP代替传统的工艺设计方法具有重要的意义，主要表现在：1）可以将工艺设计人员从繁琐和重复性的劳动中解放出来，转而从事新产品及新工艺开发等创造性的工作；2）可以大缩短工艺设计周期，提高产品在市场上的竞争力；3）有助于对工艺设计人员的宝贵经验进行总结和继承；4）为实现CIMS创造条件.,6.1 概述,例：某机床厂原来用377个工艺规程制造425种齿轮零件 应用成组技术对齿轮和工艺规程进行仔细分析后，发现可以只用71种标准工艺规程就可以生产出425种齿轮。例：某工厂，
4、要在10个星期内投产制造2100种零件，是否需要设计2100个工艺规程呢？后经统计发现，虽然投入生产的零件品种数不断增加，但很多零件有相似性，真正不同的工艺规程的增长率在下降、实际上最后可归纳为1200个工艺规程。从上述两个例子可以看到，生产的零件品种数和工艺规程数并不存一一对应的关系。目前工艺规程设计中存在的重复性和多样性，不仅本身是一种浪费，而巨还影响到工装设备的制造和使用，并直接影响产品的投产速度、交货日期、成本核算和企业的竞争能力。,6.1 概述,6.1 概述,6.1.3CAPP发展概况1.国外CAPP的发展概况 挪威于1969年正式发表了AUTOPROS系统，这是第一个CAPP系统；
5、美国的CAM-公司也研制出自己的CAPP系统。2.国内CAPP的发展概况 最早进行此项研究工作的是同济大学，他们于1982年研制成功TOJICAP系统；北京理工大学也研制出用于回转体零件的BITCAPP系统；北京航空航天大学发表了BHCAPP系统。,6.1.4 CAPP定义 从狭义的观点来看，CAPP是完成工艺过程设计，输出工艺规程。但是在CAD/CAM集成系统中，特别是并行工程工作模式，PP不再单纯理解为：Process Planning，而应增加Production Planning的涵义，这时，就产生CAPP的广义概念：即CAPP的一头向生产规划最佳化及作业计划最佳化发展，作为MRP的一
6、个重要组成部分；CAPP向另一头扩展能够生成NC指令。当然我们这里讨论的重点仍在传统的CAPP认识范围内。,6.1 概述,在CIMS环境下，CAPP与CIMS中其它系统的信息流如图6-1所示。,6.1 概述,1）CAPP接受来自CAD的产品几何拓朴、材料信息以及精度、粗糙度工艺信息；为满足并行产品设计的要求，需向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息；2）CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及反映零件切削过程的刀具轨迹文件；同时接收CAM反馈的工艺修改意见；3）CAPP向工装CAD提供工艺过程文件和工装设计任务书；,6.1 概述,4）CAPP向MIS（管理信息系统）提
7、供各种工艺过程文件和夹具、刀具等 信息；同时接受由MAS反馈的工作报告和工艺修改意见；5）CAPP向MAS（制造自动化系统）提供各种过程文件和夹具、刀具等信息；同时接受由MAS反馈的工作报告和工艺修改意见；6）CAPP向CAQ（质量保证系统）提供工序、设备、工装、检测等工艺数据，以生成质量控制计划和质量检测规程；同时接收CAQ反馈的控制数据，用以修改工艺过程；,6.1 概述,在并行环境下的CAPP，它接收产品设计信息，在完成工艺设计同时，一方面对产品结构工艺性进行评价，从加工工艺的角度对产品的结构提出改进建议，另一方面向生产规划及调度系统传递工艺设计结果。生产规划及调度系统根据车间资源的动态变
8、化情况，在满足资源合理配置的同时，对工艺设计所确定的工艺过程，在当前条件下地其加工过程可行性作出评价，如果当前的资源不能满足工艺设计的要求，则提出修改工艺过程的建议。因而并行环境下的CAPP，对在产品生命周期诸进程中作出全局最优决策也是至关重要的,6.1 概述,6.1 概述,6.1.5 CAPP的主要功能 检索标准工艺文件；选择加工方法，安排工艺路线；选择机床、刀具、夹具；选择切削用量，计算切削参数、加工时间和加工费用；确定工序尺寸和公差、选择毛坯；绘制工序图；给出刀具轨迹，自动进行NC编程，进行加工过程模拟。,6.1 概述,如:选择定位基准、拟订零件加工工艺路线、确定各工序的加工余量、计算工
9、艺尺寸和公差、选择加工设备和工艺装置、确定切削用量、确定重要工序的质量检测项目和检测方法、计算工时定额、编写各类工艺文件等，最后生成产品生产所需的各种工艺文件和数控加工编程、生产计划制定和作业计划制定所需的相关数据信息，作为数控加工程序的编制、生产管理与运行控制系统执行的基础信息。,6.1 概述,6.1.6 CAPP系统的工作过程与步骤（附图）6.1.7 CAPP的组成与基本结构（附图）,6.1 概述,1.控制模块：协调各模块的运行，实现人机之间的信息交流，控制产品设计信息获取方式。零件信息获取模块：用于产品设计信息输入。2.工艺过程设计模块：进行加工工艺流程的决策，生成工艺过程卡。3.工序决
10、策模块：选定加工设备、定位安装方式、加工要求，生成工序卡。,6.1 概述,4.工步决策模块：选择刀具轨迹、加工参数，确定加工质量要求，生成工步卡及提供形成NC指令所需的刀位文件。5.输出模块：输出工艺流程卡、工序和工步卡，工序图等各类文档。6.产品设计数据库：存放有CAD系统完成的产品设计信息。7.制造资源数据库：存放企业或车间的加工设备、工装工具等制造资源的相关信息。,6.1 概述,8.工艺知识数据库：存放产品制造工艺规则、工艺标准、工艺数据手册、工艺信息处理的相关算法和工具等。9.典型案例库：存放各零件族典型零件的工艺流程图、工序卡、工步卡、加工参数等数据，供系统参考使用。10.编辑工具库
11、：存放工艺流程图、工序卡、工步卡等系统输入输出模板、手工查询工具和系统操作工具集等。11.制造工艺数据库：存放由CAPP系统生成的产品制造工艺信息，供输出工艺文件、数控加工编程和生产管理与运行控制系统使用。,6.1.8CAPP的基本技术,6.1 概述,（1）成组技术（GT，Group Technology）我国CAPP系统的民开发可以说是与成组技术密切相关，早期的CAPP系统的开发一般多为以GT为基础的变异CAPP系统。,（2）零件信息的描述与获取 CAPP与CAD、CAM一样，其单元技术都是按照自己的特点而各自发展的。零件信息（几何拓扑及工艺信息）的输入是首当其冲的，即使在集成化、智能化的C
12、AD/CAPP/CAM系统，零件信息的生成与获取一项关键问题。,6.1 概述,（3）工艺设计决策机制 其核心为特征型面加工方法的选择，零件加工工序及工步的安排及组合，故其主要决策内容如下：工艺流程的决策；工序决策；工步决策；工艺参数决策。为保证工艺设计达到全局最优化，系统把这些内容集成在一起，进行综合分析，动态优化，交叉设计。,（4）工艺知识的获取及表示 工艺设计是随设计人员、资源条件、技术水平、工艺习惯而变。要使工艺设计在企业内得到广泛有效的应用，总结出适应本企业的零加工的典型工艺及工艺决策的方法，按所开发CAPP系统的要求，有不同的形式表示这些经验及决策逻辑。,（5）工序图及其它文档的自动
13、生成。（6）NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真。（7）工艺数据库的建立。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP的类型及其工作原理6.2.1、检索式CAPP系统工作原理 检索式CAPP系统是将企业现行各类工艺文件，根据产品和零件图号，存入计算机数据库中。进行工艺设计时，可以根据产品或零件图号，在工艺文件库中检索相类似零件的工艺文件，由工艺人员采用人机交互方式进行修改，最后由计算机按工艺文件要求进行打印输出。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2.2、派生式CAPP系统（变异型）一、工作原理 派生式CAPP系统是检索式CAPP系统的发展，是利用零件GT（成组技术）代码（或企业现
14、行零件图编码），将零件根据结构和工艺相似性进行分组，然后针对每个零件组编制典型工艺，又称主样件工艺。工艺设计时，首先根据零件的GT代码或零件图号，确定该零件所属的零件组，然后检索出该零件的典型工艺文件，最后根据该零件的GT代码和其它有关信息对典型工艺进行自动化或人机交互式修改，生成符合要求的工艺文件。,二、成组技术1.成组技术是利用事物相似性，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。,6.2 CAPP系统的工作模式,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，设计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
15、。应用这个概念，可以确定出一个主样件作为其它相似零件的设计基础，它集中了全族的所有功能要素。通常，主样件是人为地综合而成的。为此，一般可从零件族中选择一个结构复杂的零件为基础，把没有包括同族其它零件的功能要素逐个叠加上去，即可形成该族的假想的零件，即主样件。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP系统的工作模式,零件分类是依据零件的各方面特征来进行的，一般按以下3个方面的特征分类。(1)结构特征 零件的几何形状、尺寸大小、结构功能和毛坯类型等。(2)工艺特征 零件的毛坯形状、加工精度、表面粗糙度、加工方法、材料、定位夹紧方式，选用的机床类型等。(3)生产组织与计划特征 加工批量、制造
16、资源状况和工艺过程跨车间、工段及厂际协作等情况。,零件分类的基本依据,2.成组代码为了能对零件进行简洁的描述并便于归类成组，首先要根据成组技术原理制定GT编码系统，根据一套特定的规则，用一组顺序排列的字符（一般是数字）对零件的各有关特征进行描述和标识。按照GT编码的规则用字符标识零件特征的过程就是对零件进行编码，这种代码称为成组代码或GT代码。3、零件分类编码系统 零件编码系统是由代表零件的设计和（或）制造的特征符号所组成，这些符号代码可以是数字，也可以是字母，或者两者都有。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。,6.2 CAPP系统的工作模式,
17、6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP系统的工作模式,联邦德国Aachen工业大学H.Opitz教授提出的 Opitz 编码系统（P147）,6.2 CAPP系统的工作模式,前5位数（1，2，3，4，5）称为形状代码，用于描述零件的基本设计特征；后4位数（6，7，8，9）构成增补代码，用来描述对制造有用的特征（尺寸、原材料、毛坯形状和精度）。(十进制九位码),KK-3系统是由日本通产省机械技术研究所提出的草案，并经日本机械振兴协会成组技术研究会下属的零件分类编码系统分会次讨论修改而成,6.2 CAPP系统的工作模式,JLBM-1系统是我国原机械工业部为在机械加工中推行成组技术而开发的
18、一种零件分编码系统,6.2 CAPP系统的工作模式,4、系统的开发和工作过程开发一个变异式CAPP系统，一般要做以下几方面工作：1）根据产品的特点，选择合适的编码系统。2）制订计算机辅助编码系统或零件信息输入方式，以助于对已有零件的整理和设计零件的输入。3）按编码系统对零件分类归族，按族整理出每族主样件的标准工艺路线和相应的工序内容，并设计存储和检索方法。4）建立必要的工艺数据库或数据文件，以存储工艺数据和规范。5）进行系统总体设计，实现对标准工艺的存储、检索、编辑和结果输出。案例课件capp,6.2 CAPP系统的工作模式,分类编码结果,派生法CAPP系统实例,分类编码结果,派生法CAPP系
19、统实例,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2.3、创成式CAPP系统（附图）书图6-10 一、工作原理 依靠系统中的决策逻辑生成。收集了大量的工艺数据和加工知识，并以此规程为基础，在计算机软件基础上建立一系列的决策逻辑，形成了工艺数据库和加工知识库。在输入新零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员，应用各种工艺决策逻辑规则，在没有人工干预的条件下，自动生成零件的工艺规程。即根据具体零件，系统能自动产生零件所需要的各个工序和加工顺序，自动提取制造知识，自动完成机床选择、工具选择和加工过程的最优化；通过应用决策逻辑，可以模拟工艺设计人员的决策过程。,二、创成法CAPP系统的工艺决策逻辑 通常用决策
20、树或者决策表来实现（P151）第一种方法：决策树和决策表 是描述或规定条件与结果相关联的方法，即用来表示“如果条件那么动作”的决策关系。在决策树中，条件被放在树的分枝处，动作则放在各分枝的节点上。在决策表中，条件被放在表的上部，动作则放在表的下部,6.2 CAPP系统的工作模式,如车削装夹方法选择，可能有以下的决策逻辑：如果工件的长径比4，则采用卡盘如果工件的长径比4，而且10，则采用卡盘+尾顶尖：如果工件的长径比10，则采用横尖+跟刀架+尾顶类。T表示条件为真，F表示条件为假，空格表示决策不受此条件影响。只有当满足所列全部条件时，才采取该列之动作。有用决策表表示的决策逻辑也能用决策树表示，反
21、之亦然。而用决策表表示复杂的工程数据，或当满足多个条件而导致多个动作的场合更为合适,6.2 CAPP系统的工作模式,图中是旋转体零件装夹方法的决策树及其对应的程序流程图。在程序流程图中，各棱形框中是决策条件，方框中表示的是地应其条件的动作。,6.2 CAPP系统的工作模式,第二种方法：基于知识系统的工艺决策 1.基于规则的工艺推理过程工艺过程设计的目标是产生工艺过程，而同一零件可以采用不同的加工方法达到设计要求，因而同一零件的工艺过程可以不尽相同。因此工艺推理不宜采用目标驱动模式（反向推理策略），而适宜采用数据驱动模式（正向推理策略），即从零件的毛坯开始（此时工艺过程计算机模根据零件的基本信息
22、及资源信息调用工艺决策知识逐步形成工艺过程，最终完成工艺设计任务。图是工艺推理的基本过程。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP系统的工作模式,实现完全创成法CAPP要解决的关键问题 零件的信息必须要用计算机能识别的形式完全准确地描述。收集大量的工艺设计知识和工艺规程决策逻辑，并以计算机能识别的方式贮存。工艺规程的设计逻辑和零件信息的描述必须收集在统一的工艺数据库中。目前技术上存在的困难 零件图样上的各种信息要完全准确地描述还存在困难，特别是对复杂零件的三维模型的建立也还没有完全解决。工艺知识是一种经验型知识，如何建立完善的工艺决策模型，使计算机能够
23、识别、处理还有待进一步解决。工艺过程的优化理论还不完善，没有严格的理论和数学模型。,三、CAPP系统的开发和工作过程 由于工艺设计过程的复杂性，这种完全自动化的创成式系统是理想化的，很难实现。目前所开发出来的创成式系统实际上只是部分创成，即在系统中包含部分决策逻辑。随着计算机技术和人工智能领域研究成果的不断出现，将会促使完全创成式CAPP系统的早日出现。建立创成式CAPP系统的工作步骤如下：1）确定零件的建模方式；2）确定CAPP系统获取零件信息的方式；3）工艺分析和工艺知识总结；4）确定和建立工艺决策模型；5）建立工艺数据库；6）系统主控模块设计；7）人机接口设计；8）文件管理和输出模块设计
24、。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2.4、交互式CAPP系统 一、工作原理 交互式CAPP系统采用以人机交互为主的工作方式，操作人员在系统的提示引导下，回答工艺设计中的问题，对工艺过程进行决策。因此这种CAPP系统工艺过程设计的质量对人的依赖性很大。下面以回转体零件交互式CAPP系统为例来说明交互式CAPP系统的设计及其工作过程。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP系统的工作模式,系统的数据库由下列数据库文件所构成：工艺规程所用各种名称数据文件；加工方法数据文件；机床数据文件；装夹数据文件；刀具数据文件；毛坏长度放余量数据文件；毛坯直径放余量数据文件；工艺参数数据文件；切削
25、用量数据文件。系统通过人机交互输入，可产生下列文件：零件的加工工艺过程；零件的加工工艺工序卡；零件加工工艺过程进行动态模拟的刀位文件及NC加工指令。,系统针对回转体零件的表面特征，设置了表所示的工艺方法及其代码。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2.5、半创成式CAPP系统（综合式）工作原理 综合式CAPP系统也称为综合式综合式CAPP系统，它将变异式与创成式结合起来，即采取变异与自动决策相结合的工作方式。如需对一个新零件进行工艺设计时，先通过计算机检索它所属零件族的标准工艺，然后根据零件的具体情况，对标准工艺进行修改，工序设计则采用自动决策产生，这样较好地体现了变异与创成相结合的优点。下
26、面以一个实例来加以介绍。,6.2 CAPP系统的工作模式,例如：ZHCAPP系统是以成组技术为基础，以单件、中小批量生产企业为应用对象，采用变异与自动决策相结合的工作方式，适用于回转体零件的综合式CAPP系统。它所用的编码系统为JLBM-1。在设计工艺时，每个零件的工艺路线都是通过检索它所属零件族的标准工艺，再根据零件的具体情况，地标准工艺进行删改选择而得到；每一工序的内容则是根据零件的输入参数经过创成得到。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2.6、智能化CAPP（CAPP专家系统）,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP系统的工作模式,一、CAPP专家系统的工作原理 CAPP专
27、家系统与一般的CAPP系统的工作原理不同，结构上也有很大差别。CAPP专家系统由零件信息输入模块、知识库、推理机三部分组成。其中知识库和推理机是互相独立的。CAPP专家系统根据输入的零件信息频繁地去访问知识库，并通过推理机中控制策略，从知识库中搜索能够处理零件当前状态的规则，然后执行这条规则，并把每次执行规则得到的结论部分按照先后顺序记录下来，直到零件加工达到终结状态，这个记录就是零件加工所要求的工艺规程。CAPP专家系统能处理多义性和不确定的知识，可以在一定程度上达到模拟人脑进行工艺设计，使工艺设计中很多模糊问题得以解决。,CAPP专家系统与一般CAPP系统的原理比较,6.2 CAPP系统的
28、工作模式,二、CAPP专家系统中的零件信息描述 目前，多数CAPP专家系统都采用直接从CAD系统中获得零件信息的描述方法。也可以采用信息转换的方式获得零件有关信息。大致可采用以下几种方法：应用初始图形数据交换标准IGES 采用基于特征建模技术的数据接口文件 轮廓线法,三、工艺知识库的建立 在一般的CAPP系统中，都把工艺设计各阶段所用到的工艺知识归纳成工艺决策逻辑形式，编制在系统程序中。而在CAPP专家系统中，则是单独地建成工艺知识库。工艺知识在专家系统中属于过程性知识，它包括选择决策逻辑(如加工方法选择、工艺装备选择、切削用量选择等)，排序决策逻辑(如安排加工路线、确定工序中的加工步骤等)以
29、及加工方法知识(如加工能力、表面处理等)。一般都采用产生式规则来表示工艺决策知识。工艺知识库是一个完整的规则集，它可以划分为若干个规则子集。根据需要每个规则子集还可以划分成若干个规则组。,6.2 CAPP系统的工作模式,6.2 CAPP系统的工作模式,四、推理机的控制策略推理机是专家系统的控制机构，它规定了如何从知识库中选用适当的规则来进行工艺规程设计，只有在一定的控制策略下规则才能被启用。在CAPP专家系统中，一般都采用逆向搜索的方法。即从零件加工的最终状态开始，反向逐步选择合适的加工方法，直至选出无需预加工的毛坯状态为止，从而确定出加工计划。具体做法是，根据用户提出的零件设计要求，选用适当
30、的规则、确定出能满足零件设计要求的最终加工方法和加工参数，给出这种加工方法所需的预加工的零件状态，修改动态数据库，把预加工的零件状态作为新的要求。再选用适当的规则，确定出适当的加工方法和加工参数。,6.2 CAPP系统的工作模式,推理机的控制策略在CAPP专家系统的推理过程中，当有多条规则的条件部分被满足时，系统到底应该选用哪条规则予以执行，则由冲突解决策略来处理。对于不同的系统或不同的子任务可以采用不同的解决方法。一般常用的方法有以下几种：(1)按规则的存贮次序决定启用规则。(2)优先启用包含最多前提条件的规则。(3)按规则可信度选用，即可信度值大的规则为优先启用规则。,6.3 CAPP的作
31、用和意义,6.3 CAPP的作用与意义1.克服传统工艺设计的不足，促进工艺技术的发展2.大大提高工艺设计的效率和质量 3.将工艺设计人员从大量繁琐、重复性的手工劳动中解放出来 4.提高企业工艺设计的规范化、标准化水平，促进工艺设计水平的提高 5.能有效的积累和继承工艺设计人员的经验，提高企业工艺设计的继承性,6.为现代制造系统集成提供技术桥梁7.与计算机辅助设计（CAD）系统之间的信息交流 8.与计算机辅助制造（CAM）系统之间的信息交流 9.与生产管理系统（MIS）之间的信息交流 10.与制造自动化系统（MAS）之间的信息交流 11.与质量保证（CAQ）系统之间的信息交流,6.3 CAPP的作用和意义,1.简要分析CAPP系统的基本组成和功能。2.简要说明CAPP的作用与意义。3.叙述查询式CAPP系统、派生式CAPP系统、创成式CAPP系统的基本原理，并分析比较其异同。4.如何建立派生式CAPP系统、创成式CAPP系统？说明所要做的工作步骤？,思考题,
