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1、1,计算机辅助工艺设计CAPP,2,第一节计算机辅助工艺设计概念,3,一、计算机辅助工艺设计的概念,概念：计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning,CAPP)是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛坯到成品的设计和制造过程，是将产品的设计信息转换为制造信息的一种技术。是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容的过程。,4,CAPP概念示意图,成品,CAPP概念,CAPP被公认为是CAD/CAM真正集成的关键，是许多先进制造系统的技术基础之一。近年来，随着计算机集成制造
2、系统（CIMS）、并行工程（CE）、智能制造系统（IMS）、虚拟制造系统（VMS）、敏捷制造（AM）等先进制造系统的发展，无论从广度上还是从深度上，都对CAPP的发展提出了更新更高的要求。,CIMS集成环境下 CAPP信息流向图,7,二、工艺设计,是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造的桥梁。工艺设计的主要任务 为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件。,8,二、工艺设计,工艺设计的主要包括 根据产品图样，分析产品零件的结构特点以及技术要求；了解产品生产纲领及批量；选择加工方法及采用的机床、刀具、夹具和其他工装设备等；安排合理的加工顺序；选
3、择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差；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和各类统计汇总卡片。,9,二、工艺设计,工艺设计的基本流程,10,二、工艺设计,传统工艺设计对工艺人员的要求 丰富的生产实践经验 熟知企业内部各种加工方法及相应设备的使用情况 熟知企业内部各种与生产加工有关的规范和规章制度 能与各方面保持友好合作。,11,三、CAPP发展背景,传统的工艺设计存在的问题 劳动强度大，效率低 设计周期长，不能适应市场瞬息多变的需求 依赖于工艺师的水平 标准化和最优化差，经验的继承性困难。,12,三、CAPP发展背景,工艺在生产制造中的重要地位
4、桥梁、加工依据 质量保证、提高生产率 降低成本 传统工艺设计的工作特点 手工编制工艺的工作量很大 零件图上的信息量大 加工制造信息复杂多样 企业工艺文件形式的多样化,基本工作步骤,市场需求,CAD,CAPP,CAM,产品输出,13,三、CAPP发展背景,CAPP与传统工艺设计比较,14,四、CAPP发展过程和趋势,1965年由挪威人Niebel首次提出CAPP思想 1976年推出CAMISAutomated Process Planning.经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系统、开发工具等不同的发展阶段,国外CAPP系统,CS/CAPP是美国CIMX公司的系列化产品之一，其主要特点：
5、可完全控制工艺设计过程。系统通过共享数据对象创建详细工艺规程，从而代替了“填卡片式”的工作指令系统。促进并行设计。友好的用户界面，允许多用户对同一工艺的不同工序进行编辑，并提供严格的版本控制功能。提供高质量标准化的工艺指令文件。可通过基于Web的车间工艺浏览器CIMx ShopBrowserTM,使工人直接阅读工艺从而代替纸质的工艺文件。,国外CAPP系统,HMSCAPP系统是美国HMS软件公司系列产品之一，该系统强调制造数据的管理。是一个非常通用的工具，支持ORACLE、INGRES、SYBASE和INFORMIX等TexhoTIPO(工艺设计)系统是由莫斯科工业大学研究开发的CAPP系统。
6、Texhopo系统可以积累和保存企业在工艺设计方面的经验，并可以图形方式进行机械加工过程仿真。MetCAPP系统是美国The Institute of Advanced Manufacturing Sciences,Inc.（先进制造科学研究所）推出的知识基CAPP软件产品。MetCAPP系统提供四个主要层次的设计功能：工艺路线层（Routing）、工序层(Operation)、特征层(Feature)和切削数据层(Cutdata)，每一层包含该层描述住处和一系列的构成元素。,17,四、CAPP发展过程和趋势,我国的CAPP起步于20世纪80年代 同济、清华、北航、华中科大、西安交大、上海交大
7、、西北工大等都是较早研究CAPP的。商业化的CAPP系统有：开目CAPP 天河CAPP 思普CAPP 金叶CAPP 大天CAPP 艾克斯特CAPP 天喻CAPP CAXA-CAPP等。,18,四、CAPP发展过程和趋势,CAPP系统发展的热点和趋势 产品信息模型的生成与获取 CAPP体系结构研究及CAPP工具系统的开发 并行工程（CE）模式下的CAPP系统 基于分布型人工智能技术的分布型CAPP系统 人工神经网络技术与专家系统在CAPP中的应用 面向实用化的CAPP系统 CAPP与自动生产高度系统的集成,19,五、CAPP的基本类型,检索式CAPP系统 派生式CAPP系统 创成式CAPP系统
8、半创成式CAPP系统 交互式CAPP系统 智能型CAPP系统,20,五、CAPP的基本类型,检索式CAPP系统 适用范围：大批量生产模式，工件种类少，零件变化不大且相似程度高。工作原理：事先将设计好的各类零件加工工艺规程存储在计算机中，对已建立的工艺规程进行管理。在编制新零件工艺规程时，检索出同类零件存有的工艺规程，并进行修改。特点：大批量生产模式，工件种类少，零件变化不大且相似程度高。简单实用，易建立，自动决策能力差。,21,五、CAPP的基本类型,派生式CAPP系统 适用范围：广泛。工作原理：以成组技术为基础，按零件结构和工艺的相似性，将零件分类归组，形成零件族，并给每一族的零件制定优化的
9、加工方案和典型工艺规程。使用时根据零件编码检索出标准工艺，并在此基础上进行编辑修改。特点：建立在成组技术基础上.结构简单,易构建、易开发和维护、有系统性能可靠成熟等优点。,22,五、CAPP的基本类型,派生式CAPP系统的工作流程：,23,五、CAPP的基本类型,创成式CAPP系统 上世纪70年代后期美国普渡大学的Wysk博士提出 适用范围：理想范围很广泛，实际目前应用少 工作原理：根据输入的零件信息，通过逻辑推理、公式和算法等，作出工艺决策而自动地生成零件的工艺规程。它需要有一个收集工艺数据的数据库和一个存储工艺专家知识的知识库。特点：不存在标准工艺规程,有一个收集工艺数据的数据库和一个存储
10、工艺专家知识的知识库,以逻辑算法加决策表为其特征.,24,五、CAPP的基本类型,半创成式CAPP系统（综合式）适用范围：广泛。工作原理：是派生式和创成式CAPP的综合，采用派生的方法首先生成零件的典型加工顺序，然后再根据零件信息，采用逻辑推理决策的方法生成零件的工序内容，最后再人机交互式地编辑修改工艺规程。特点：是派生式和创成式CAPP的综合,便于结合企业的具体情况进行开发.,25,五、CAPP的基本类型,交互式CAPP系统 适用范围：适合不同的生产模式。工作原理：以人机对话的方式完成工艺规程的设计。实际上是按“修订型+创成型+人工干预”方式开发的一种系统。特点：包括多种CAPP模式,根据不
11、同的生产情况系统可自动选择适用的模式.,26,五、CAPP的基本类型,智能CAPP系统 工作原理：将人工智能技术应用在CAPP系统。特点：加入推理机制。以人工智能、专家系统技术为基础的CAPP系统。强调工艺设计系统中工艺知识的表达、处理机制以及决策过程的自动化。创成式CAPP：“逻辑算法决策表”专家系统CAPP：“逻辑推理知识”上世纪80年代法国的Descotte开发第一个利用人工智能技术的CAPP系统GARI系统,27,五、CAPP的基本类型,28,六、CAPP的基本构成,CAPP包含的技术：成组技术（Group Technology)零件信息的描述与获取 工艺设计决策机制 工艺知识的获取及
12、表示 工序图及其他文档的生成 NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真 工艺数据库的建立,29,六、CAPP的基本构成,基本构成模块 控制模块：协调各模块的运行 零件信息输入模块：实现零件信息的输入 工艺过程设计模块：形成加工工艺流程和工艺过程卡 工序决策模块：生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图 工步决策模块：确定切削用量，形成NC加工控制指令所需的刀位文件 NC加工指令生成模块：调用NC指令代码系统，产生NC加工控制指令 输出模块：输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其他文档 加工过程动态仿真：对加工过程进行动态模拟仿真,30,第二节计算机辅助工艺设计的步骤,31,一、计算机辅
13、助工艺设计的步骤,产品图样信息输入,加工设备和工艺装备的确定,工艺参数计算,输出工艺文件,工艺路线和工序内容的拟定,32,1、产品图样信息输入,内容 产品零件图 几何信息：待加工表面的形状、尺寸、几何坐标及与其它表面的相互关系 工艺信息：尽寸公差、形位公差、表面粗糙度 材料：材料类型、性质、热处理等 辅助信息：零件名称、编号、专用工具、加工车间等 要求 信息要完整 易于计算机接受和处理 易于被工艺师理解和掌握：直观、明了 利用零件的相似性，减少信息量 便于实现信息共享,33,2、工艺路线和工序内容的拟定,内容 定位和夹紧方案的选择 加工方法的选择 加工顺序的安排 CAPP的关键，工作量大 多采
14、用人工智能、模糊决策方法,34,3、加工设备和工艺装备的确定,内容 加工设备的选择 工艺装备确定：夹具、刀具、辅助工具等 4、工艺参数计算 内容 切削用量 加工余量 时间定额 工序尺寸 公差 其他,35,5、输出工艺文件,内容 工艺流程卡 工序卡 工步卡 工序图 其他文档,36,零件信息,CAD零件几何和工艺信息,产品零件图纸,毛坯形式规格,毛坯选择和设计,零件信息输入,毛坯信息认定,材料,工具和夹具,加工方法,机床,刀具量具,切削用量,加工余量,时间定额,成本核算,整理文件,定位和夹紧方案选择,加工方法选择,加工顺序安排,通用 加工设备 选择 专用 设计,切削用量确定,加工余量 工序尺寸及公
15、差计算,时间定额计算,技术经济方案分析,工艺文件输出,通用 工艺装备 选择 专用 设计,工艺路线和 工序内容拟定,加工设备和 工艺装备的确定,工艺参数计算,工艺方案确定,工艺文件输出,计算机辅助工艺设计的详细步骤,37,第三节关键技术,38,一、成组技术的概念,广义概念 成组技术(GT-Group Technology)是一门生产技术科学和管理科学，它是识别、开发和利用生产系统的相似性，以优化生产过程，取得最佳经济效益的技术。狭义概念 成组技术(GT-Group Technology)是机械制造过程中一种先进的科学的生产和组织管理方法，它旨在识别和开发机械制造过程中各环节诸种信息间的相似性，采
16、取适当的组织形式和先进技术，实现其工作的合理化、科学化，使多品种、中小批和单件生产的企业获得较好的经济和社会效益。以相似性为理论基础，以成组工艺为其核心，与计算机技术、数控技术、相似论、方法论、系统论等相结合，形成了成组技术。,39,一、成组技术的概念,相似性 基本相似性：几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等。派生相似性：在制造、装配的生产、经营、管理等方面所导出的相似性。成组工艺 成组工艺是以零件结构和加工工艺相似为依据，把这些零件划归为相似性零 件组，组成零件族，按零件族制定出每一组的工艺规程，以扩大批量，减少品种，提高效率的生产方式。,40,一、成组技术的概念,成组工艺设计方法 复合零
17、件法：又称为样件法，它是利用一种所谓的复合零件来设计成组工艺的方法。由于复合零件包含了零件组的全部待加工表面,41,一、成组技术的概念,成组工艺设计方法 复合路线法：是在零件分类成组基础上，把同组零件的 工艺过程文件收集在一起，然后从中选择 一个工序最多、安排合理的、有代表性的 工艺路线作为加工该组零件的基本路线，再将此基本路线与组内其它零件的工艺路 线进行比较，并把其它零件有的、而基本 路线没有的工序按合理顺序一一添入，便 可最终得出一个工序齐全、安排合理的满 足全组零件要求的成组工艺。主要针对非 回转零件。,42,二成组技术的核心技术,零件的相似性 机械零件分类：复杂件或特殊件：结构差别大
18、，再用性低（如机床床身）相似件：有一定通用性（轴类）标准件：,43,二成组技术的核心技术,零件的分组方法 视检法 视检法是由有生产经验的人员通过对零件图纸仔细阅读和判断，把具有某些特征属性的一些零件归结为一类。它的效果主要取决于个人的生产经验，带有主观性和片面性。生产流程分析法 生产流程分析法 PFA（Production Flow Analysis）是以零件生产流程为依据，通过对零件生产流程的分析，可以把工艺流程相似的零件归结为一类。由工厂流程分析、车间流程分析和生产单元流程分析组成。需要有较完整的工艺流程及生产设备明细表等技术文件，采用此法分类的正确性与分析方法和依据的工厂技术资料有关。编
19、码分类法 根据零件特征，将零件的设计信息、制造信息和管理信息等转译成代码，按照相似标准直接编码进行分类。此法比较科学，有助于应用计算机辅助成组技术的实施。难点是相似性标准的确定。,44,二成组技术的核心技术,零件分类编码系统 概念 用数字、字母或符号，将机械零件图上的各种特征进行描述和标识的一套特定的法则和规定。基本编码结构 层次结构 链式结构 混合结构,每一个后级符号的意义取决于前级符号的值。特点：密实，能以有限个位数传递大量有关零件信息,有序符号的意义是固定的，与前级符号无关。特点：处理具有特殊属性的零件方便，识别性好。,是层次结构与链式结构组合而成。特点：具有两者的优点，实用性强。,45
20、,二成组技术的核心技术,常用分类编码系统 Opitz编码系统(德国)KK-3编码系统(日本)JLBM-1编码系统(中国)SULZER系统(瑞士)米特洛凡诺夫系统(前苏联),是一个十进制9位代码的混合结构编码系统。,是一个十进制21位代码的混合结构编码系统。,是一个十进制15位代码的混合结构编码系统。,46,二成组技术的核心技术,OPITZ系统分类编码示例法兰盘,零件信息描述技术,零件分类编码描述法 形面要素描述法 图论描述法 面向零件特征要素法 拓扑描述法 知识表示描述法 将CAPP与CAD系统直接相连的方法，使得CAPP所需的各种信息直接来源于CAD系统，避免繁琐的手工输入。在CIMS环境下
21、，CAPP系统将是CAD、CAM之间的桥梁。因此，CAPP系统中零件信息输入最为理想的途径就是直接来自CAD系统内部的数据信息。,48,第四节半创成式CAPP系统,49,一概念,概念 是派生式和创成式的综合，以成组技术为基础，采用检索与自动决策相结合的工作方式自动生成工艺规程的系统。首先设计工艺路线，再设计工序。工艺路线的设计是通过检索其零件族的标准工艺，由计算机根据具体零件的几何形状、加工精度和工艺参数经过编辑得到，而每一具体工序内容是根据零件的信息经过自动决策创成而得到。特点 既有派生式可行成熟、结构简单、便于使用和维护，又有创成式能够存储、积累、应用工艺专家知识的优点。检索零件工艺路线的
22、设计 创成具体工序 应用对象 适合以单件、中小批量生产的企业,50,二系统基本构成,主程序,辅助编码,数据准备工艺路线设计,工序设计,工序尺寸计算,编辑输出,工艺设计报告,数据库维护,工 艺 基 础 数 据 库,成组编码,输入和编辑,图样数据库,工艺文件库,编码操作,51,三工艺设计准备,零件设计信息的输入 形面要素输入（主要形面要素、次要形面要素、辅助形面要素）轴向尺寸输入（各段从左到右依次递增，且要连续）其他信息输入（表头、热处理、中心孔要求、表面质量等）数据准备 主要形面要素排序，建立磨削面指针 构造车削加工树 建立各非车削加工形面要素的指针 计算机辅助编码与自动编码,52,四工艺过程设
23、计,工艺路线的确定 零件的成组编码零件族标准工艺路线删减整理零件工艺路线 机床选择 机床类型的选择由加工方法及标准工艺决定，机床型号的选择根据零件的尺寸参数确定。工序设计 包括确定工步操作内容和刀、夹、量具等。工艺设计结果的编辑与输出,53,决策表,决策表的基本结构 条件根：罗列与解决问题有关的条件 T表示条件为“真”F表示条件为“假”而空格表示“无关”(即此条件不是影响因素)。动作根：列举所有可能采取的动作。“表示执行该动作，而空格则表示不执行。,54,决策表表示方法例子,如果该圆柱表面有螺纹，还有退刀槽，则进行车外圆、车退刀槽、车螺纹工序；如果该圆柱表面有螺纹，没有退刀槽，则进行车外圆、车
24、螺纹工序；如果该圆柱表面没有螺纹，但有功能槽，则进行车外圆、车功能槽工序；如果该圆柱表面没有螺纹，也没有功能槽，则进行车外圆加工。圆柱表面加工决策表的表示方法,55,决策树,表面,圆柱面,直径12,精度低于IT7,钻孔,精度高于等于IT7,钻孔、手工铰孔,直径12,精度低于IT7,精度高于等于IT7,钻孔、扩孔,钻孔、扩孔、机铰,树根,分支,树叶,56,第五节人工智能技术,57,一基本概念,人工智能（AI）：（Artificial Intelligence)主要运用知识进行问题求解，以知识为对象，研究知识的表示、知识的运用和知识的获取。研究领域：分布式人工智能、知识工程与专家系统、自然语言处理
25、、机器人、机器学习和人工神经网络、模式识别、定理证明、自动程序设计、智能数据库、智能检索等,58,二专家系统（Expert System),概念 是人工智能的一个分支，即运用知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题。基本构成 以知识库（knowledge Base,KB)和推理机（Inference Engine,IE)为主体，再加入知识获取、解释系统、人机交互界面等功能模块。,59,二专家系统（Expert System),60,二专家系统（Expert System),知识库 知识库是专家知识、经验的集合。建立步骤：先建立一个子集，再利用知识库开发系统修改和扩充知识库，并对其中的的知
26、识进行检验。特点：所保存的知识是永久的。知识的复制与传播不受时间和空间的限制。能集中某一领域中所有专家所长，综合取优，避免了局限性。,61,二专家系统（Expert System),推理机 根据有关问题的控制型知识、选择控制策略、将规则与事实进行匹配，控制并利用知识进行推理，求解问题。推理步骤：匹配：判断规则条件是否成立 冲突解决：选择可调用的规则 操作：执行规则的动作,62,三知识表示及推理,知识表示概念 知识表示是对知识的一种描述或者说是一组约定，是计算机可以接受的、用于描述知 识的数据结构，以便于计算机的存储和利用。知识表示的方法 谓词逻辑表示法 语义网络表示法 产生式规则表示法 框架表
27、示法 状态空间表示法 特征表示法 过程表示法 面向对象表示法,63,三知识表示及推理,产生式规则表示法 产生式系统（Production System)是用来描述以产生式规则或者产生式条 件和操作为基础的基本概念。是专家系统中应用最多的一种知识表示方法。其知识分两部分：用事实表示的静态知识 有产生式规则表示的推理过程和行为 产生式系统包含的三个部分 事实库（综合数据库）规则库 推理机（规则解释）,64,三知识表示及推理,产生式系统的基本结构,65,三知识表示及推理,框架表示法 框架概念是MMinsky依据对人的心理学模型的研究论证而提出来的。以节点槽侧面这样的数据结构(或图形)在机器中的表示称
28、为框架(或画面)。结构形式：节点槽侧面 槽描述对象的某一方面属性，所具有的属性值称为槽值。侧面描述相应属性的一个方面，所具有的属性值为侧面值。,66,框架表示法例子,67,三知识表示及推理,框架推理的基本过程 把问题用框架表示与知识库中的框架匹配 框架的不确定性匹配 两个框架的对应槽值不能完全一致，但满足预先指定的条件。框架推理 以框架网络的层次结构为基础，按照一定的搜索策略，不断寻找可匹配的框 架并进行填槽的过程。,智能化CAPP系统结构图,69,第六节网络化CAPP系统,70,一网络化CAPP系统的基本构成,网络化CAPP系统以网络数据库为基础，实现工艺卡片的定制、用户管理和工艺资源管理。
29、基本构成如下：,71,二各模块的功能,主控模块 是系统的主工作界面，协调各部分的工作。系统管理模块 提供系统的高级管理 权限管理 系统数据库管理 工艺库管理 资源库管理 系统帮助,72,二各模块的功能,网络数据库 为CAPP系统提供可靠的基础数据。包括：产品基本数据库、材料库、工装库、设备库、工种车间库、工时定额库、典型工艺库、管理信息数据库和知识库等。,73,二各模块的功能,工艺制定模块 指工艺卡片的编制，完成零件的工 艺设计和制定。实现方式有三种：直接编制新的工艺卡片。通过卡片检索功能，检索出已有的相似卡片，修改得。由计算机模仿工艺师的逻辑思维进行各种决策和计算得到。,74,智能工艺制定模块 零件信息描述 形面描述法 元（体）素描述法 从CAD数据库获取零件信息 工艺决策逻辑 工艺设计专家系统,75,二各模块的功能,五工艺管理模块 功能：工艺卡片的打印、预览功能 工艺卡片的审核功能,
