浅析计算机辅助工艺设计

浅析计算机辅助工艺设计摘要：计算机辅助工艺设计(CAPP)是提高设计效率和工业生产率的理想工具，是联系CAD与('AM的纽带，也是实现计算机集成制造的关键因素之一。应用CAPP技术，可以使工艺人员从繁琐重复的事务中解放出来，迅速编制出完整而详尽的工艺文件，缩短生产准备周期，提高产品制造质量，进而缩短整个产品的生命周期。其全面系统的介绍了计算机辅助系统CAPP的发展历程、工作原理、CAPP系统的分类及其在研究开发中存在的问题与分析，在详细分析当前CAPP在焊接领域的应用现状的基础上，提出CAPP向集成化、智能化、网络化、通用化发展的趋势。关键词:CAPP;发展;原理;分类;应用;趋势中图分类号:TH1162文献标志码：ASimpleanalysisofaidedprocessplanningtechnologyAbstract：AbstractComputer-aidedprocessprogramming(CAPP)isanidealtooltoreducedesigntimeandtoincreasepro-ductivity.ItisthelinkbetweenCADandCAM,andisanessentialkeyforachievingCIM(ComputerIntegratedManu-facture).ApplicationofCAPPtechnology,canmaketheprocessofstaffliberatedfromthetediousrepetitiveaffairs，improvingthequalityofproducts,andshortentheproductlifecycle.Itsystematicallyintroducedthedevelopmentprocess、workingprincipleofCAPPandtheproblemsandanalysisexistingintheresearchdevelopment,aswellastheclassificationofitssystem.HavinganalyzedthepresentapplicationinweldingitputforwardthedevelopmenttrendofCAPPforitsintegratization,intelligentizationandnetworkization.Keywords：CAPP;development;principle;classification;analysis;developmenttrends前言实现工业生产和管理计算机化，目前已经成为国内外工厂企业的重要任务和目标，成为提高工业生产率及产品质量，降低产品制造成本的巨大推动力，同时也成为决定企业能否在日益激烈的竞争中立于不败之地的关键因素之一。在工业生产中，新产品的开发和投产分为三个阶段:产品设计、产品工艺规划和产品制造。目前，这三个阶段都在不同程度上实现计算机化，相应地产生了计算机辅助设计(CAD、计算机辅助工艺设计(CAPP)和计算机辅助制造(CAM）[1]。在计算机集成制造(CIM)环境中，计算机辅助工艺设计是CAD和CAM之间必不可少的联接[2]。在机械制造行业中，随着产品的不断更新换代，便有大量的工艺过程编制工作。传统的工艺过程编制是一种纯粹的手工劳动，不仅劳动量大、工作繁琐，而且编程质量完全取决于技术人员的经验和知识水平，不同的人对同一零件所编制的工艺过程往往会大不相同，从而形成生产工艺的多样化，将给组织生产造成许多不便和生产费用的浪费。况且一个工艺师要经过长期的生产实践，才能具备加工设备、刀具、夹具、技术测量等方面的广泛知识，从而编制符合生产实际条件的工艺过程文件。计算机辅助工艺过程编制(CAPP)系统的应用，不仅可以提高工艺规程的生成速度，短生产准备周期，使广大工艺人员从繁琐和重复的劳动中解放出来，而且可以降低编制人员技能水平，即经验较少的工艺人员也可借助于CAPP系统设计出高质量的工艺规程，促进了工艺过程的规范化和标准化[3]。为此，自20世纪60年代以来，很多国家争相进行了CAPP的研究，开发了许多实用的系统，取得了诸多理论成果。1国内外CAPP研究综述与分析CAPP系统的研究和发展经历了较为漫长曲折的过程。自从1965年Niebel首次提出CAPP思想，迄今30多年，CAPP领域的研究得到了极大的发展，期间经历了检索式、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，并涌现了一大批CAPP原型系统和商品化的CAPP系统。早期的CAPP系统为检索式（Retrieval）系统。它事先将设计好的零件加工工艺规程存储在计算机中，在编制零件工艺规程时，根据零件图号或名称等检索出存有的工艺规程，获得工艺设计内容。这类CAPP系统自动决策能力差，但最易建立，简单实用，对于现行工艺规程比较稳定的企业比较实用。检索式CAPP系统主要用于已经标准化的工艺过程设计。随着成组技术（GT）的推广应用，变异式或派生式CAPP（VariantCAPP）系统得到了开发和应用。派生式CAPP系统以成组技术为基础，按零件结构和工艺的相似性，将零件划分为零件族，并给每一族的零件制定优化的加工方案和典型工艺过程。挪威早期推出的AUTOPROS系统，美国麦克唐纳.道格拉斯自动化公司与CAM-I开发的CAPP-CAM-I系统，英国曼彻斯特大学开发的AutoCAP系统等都是典型的派生式CAPP系统。派生式CAPP系统实质上是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，系统构建容易，有利于实现工艺设计的标准化和规格化，而且有较为成熟的理论基础（如成组技术等），故开发、维护方便。变异设计的思想与实际手工工艺设计的思路比较接近，故此类系统比较实用，发展较快，取得了一定的经济效益。70年代中后期，美国普渡大学的Wysk博士在其博士论文中首次提出了基于工艺决策逻辑与算法的创成式CAPP（GenerativeCAPP）的概念，并开发出第一个创成式CAPP系统原型—APPAS（AutomatedProcessPlanningAndSelection）系统，CAPP的研究进入了一个新的阶段。创成式CAPP系统能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。创成式CAPP系统是较为理想的系统模型，但由于制造过程的离散性、产品的多样性、复杂性、制造环境的差异性、系统状态的模糊性、工艺设计本身的经验性等因素，使得工艺过程的设计成为相当复杂的决策过程，实现有一定适应面的、工艺完全自动生成的创成式CAPP系统具有相当的难度，已有的系统多是针对特定的零件类型（以回转体为主）、特定的制造环境的专用系统。鉴于创成式CAPP系统设计开发中的困难，随后研究人员提出了混合式CAPP（HybridCAPP）系统，它融合了派生式和创成式两类CAPP系统的特点。混合式CAPP系统常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。目前混合式的CAPP系统应用较为广泛。进入80年代，研究人员探讨将人工智能（AI）技术、专家系统技术应用于CAPP系统中，促进了以知识基（knowledge-based）和智能化为特征的CAPP专家系统的研制。专家系统CAPP与创成式CAPP系统主要区别在于工艺设计过程的决策方式不同：创成式CAPP是基于“逻辑算法+决策表”进行决策，专家系统CAPP则以“逻辑推理+知识”为核心，更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。1981年法国的Descotte等人开发的GARI系统是第一个利用人工智能技术开发的CAPP系统原型，该系统采用产生式规则来存储加工知识并可完成加工方法选择和工序排序工作。目前已有数百套专家系统CAPP问世，其中较为著名的是日本东京大学开发的TOM系统，英国UMIST大学开发的XCUT系统以及扩充后的XPLAN系统等。80年代中后期，随着CIM概念的提出和CIMS在制造领域的推广应用，面向新的制造环境的集成化、智能化以及功能更完备的CAPP系统成为新的研究热点，涌现出了集成化的CAPP系统，如德国阿亨工业大学Eversheim教授等开发的AUTOTAP系统；美国普渡大学的H.P.Wang与Wysk在CADCAM和APPAS系统的基础上，经扩充推出的TIPPS(TotallyIntegratedProcessPlanningSystem)系统以及清华大学开发的THCAPP系统等都是早期集成化CAPP系统的典范。进入90年代，随着产品设计方式的改进、企业生产环境的变化以及计算机技术的进步与发展，CAPP系统体系结构、功能、领域适应性、扩充维护性、实用性等方面成为新的研究热点。例如基于并行环境的CAPP、可重构式CAPP系统、CAPP系统开发工具、面向对象的CAPP系统、CAPP与PPS集成均成为CAPP体系结构研究的热点。人工神经网络（ANN）技术、模糊综合评判方法、基因算法等理论和方法也已应用于CAPP的知识表达和工艺决策中。与此同时，CAPP系统的研究对象也从传统的回转体、箱体类零件扩大到焊接、铸造、冲压等领域中，极大地丰富了CAPP的研究内涵。我国对CAPP的理论研究和系统开发虽然起步较晚，但发展很快，出现了大量的学术性和实用性的各类CAPP系统。国内高校例如同济、清华、北航、南航、华中科大、西安交大、上海交大、西北工大等在CAPP的研究和开发方面起步较早，取得了卓有成效的成果，对我国CAPP的研究、普及和推广应用起到了很好的推动作用。比较有代表性的CAPP系统有TOJICAPP、THCAPP、BHCAPP、BITCAPP、NHCAPP、XJDCAPP、HUST_RCAP等。在90年代中后期，国内几家从事制造业软件开发与系统集成服务的公司在消化吸收CAPP研究成果的基础上，并结合我国企业的实际需求，陆续推出了不少商品化的CAPP系统，其中具有代表性的有开目CAPP、天河CAPP、思普CAPP、金叶CAPP、大天CAPP、艾克斯特CAPP、天喻CAPP等，并分别在不同企业中得到了不同程度的应用。据不完全统计，目前我国自行研制开发的不同类型的CAPP系统已达100余套。国内CAPP研究的深入程度、覆盖面和发展水平如果保留地说还没有超过国外，则至少也已处于并驾齐驱的阶段[4]。2CAPP的原理CAPP的基本原理是:首先，将产品设计信息输入计算机，并建立起产品信息的数据库;其次，把工艺人员编制工艺的经验、工艺知识和逻辑思想以工艺决策规则的形式输入计算机，建立起工艺决策库(工艺知识库);再次，把制造资源和工艺参数以适当的形式输入计算机，建立制造资源和工艺参数库;最后，通过程序设计充分利用计算机的计算、逻辑分析判断、储以及查询等功能来生成工艺规程。由此，不难看出，一般的CAPP系统通常由三个基本组成部分:产品信息输入部分、工艺决策部分和产品工艺信息输出部分。产品信息输入是指将产品设计信息输入计算机，并转化为CAPP系统能“读”懂的信息。目前信息输入方法主要有两种:一是以人机交互的方式输入设计信息;另一种是直接从CAD系统中读取产品设计信息。工艺决策是CAPP系统进行工艺设计的关键，其基本原理是根据产品设计信息，利用CAPP系统中决策机制，根据具体生产环境条件确定产品的工艺过程。产品工艺信息输出是指最终的产品工艺过程信息要以工艺卡片的形式表示，在集成环境下，CAPP需要通过数据库存储产品工艺过程信息，以实现信息共享[5]。3CAPP系统的体系结构归纳起来，迄今为止所研究的CAPP系统可分为如图1所示的体系结构。其中CAPP按其工作原理可分为检索式、派生式(Vari-ant)和创成式(Generative)。在检索式CAPP系统中，设计好的零件标准工艺被编号，并存储在计算机中;在制定零件的生产工艺时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。可见