CAPP基础知识及发展综述PDF11

CAPP基础知识及发展综述n前言计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning，简称CAPP）是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。智能化的CAPP系统可以继承和学习工艺专家的经验和知识，用于指导工艺设计，在一定程度上可以弥补技术熟练、具有丰富生产经验的工艺专家普遍存在不足的缺憾。所以CAPP自诞生以来，一直受到工业界和学术界的广泛重视，CIRP、ASME等的重要学术会议均把CAPP研究作为重要的议题。CAPP是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是连接CAD、CAM的桥梁，是制造业企业信息化建设的信息中枢，是支撑CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）的核心单元技术，作用和意义重大。n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，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，并分别在企业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。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。图1CAPP系统分类示意图nCAPP研究开发中存在的问题与分析自从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，涌现了一大批CAPP原型系统和商品化的CAPP系统。纵观CAPP发展的历程，可以看到CAPP的研究开发始终围绕着两方面的需要而展开：一是不断完善自身在发展中出现的不足，二是不断满足新的制造技术、制造模式对其提出的新的要求。国内外高等院校和研究机构发表了数以千计的研究论文，取得了不少研究成果，大大地推动了CAPP的发展，部分研究成果已经应用于具体实际，取得了较好的社会效益和经济效益。但不可否认的是，从总体上看，CAPP的应用和工程化的问题，至今并没有得到很好的解决，这与层出不穷的新CAPP系统工作原理零件类型工艺类型工艺数据组织形式系统实现技术与其它系统的集成箱体类零件盘套类零件杆件类零件板块类零件检索式CAPP派生式CAPP创成式CAPP混合式CAPP专家系统CAPP回转体零件非回转体零件机加工CAPP焊接CAPP冲压CAPP......装配CAPP文件型CAPP数据库型CAPP文件与数据库混合型CAPP基于结构化技术的CAPP基于面向对象技术的CAPP基于组件技术的CAPP单元CAPP集成化的CAPP技术、新方法、新概念很不相称。CAPP的研究仍然面临着许多问题，其应用的广度和深度与企业的实际需求还相差较远。工艺设计受诸多因素的影响和制约，个性很强，不同的生产类型、制造资源环境等，都影响工艺设计的结果。在一个企业行之有效的工艺计划到另一个企业可能根本就不适用。就一个企业而言，随着新材料的出现、设备的更新，工艺也会跟着发生变化。因此很难有一个通用的CAPP系统可以满足所有企业的所有需求。传统的CAPP系统及其构造方法，存在着以下主要的不足：CAPP系统的体系结构缺乏柔性、适应性传统的CAPP系统绝大多数是针对特定产品零件和特定制造环境进行开发的。当零件的种类和制造环境发生变化时，系统需要重新设计和构造。开放性差大多是封闭系统，不支持用户的修改和二次开发。系统可重用性差，存在大量低水平的重复工作传统的CAPP系统绝大多数采用结构化程序分析方法和结构化设计方法，使得CAPP系统的可维护性差、可重用性、继承性差。大多数的CAPP系统的开发完全从零开始，功能模块存在大量的低水平的重复工作，起点低，系统研制周期长，效率低。对CAPP的实用性、产业化重视不够，忽略对CAPP中的人机工程技术的研究由于忽略了从客户使用的角度验证CAPP的功能实用性、完备性，使得大多数的CAPP系统为实验室产品或原型产品，无法真正在企业中用起来。随着网络、数据库技术的应用，原有单机模式的CAPP已不能满足实际需求。针对工艺设计个性很强的特点以及上述传统CAPP系统的不足，研究和开发CAPP工具系统是解决问题，迎接挑战的一条有效的途径。工艺设计虽然“因厂而异”，但也遵循一些公共的规范，有规律可循。将工艺设计中的共性提取出来，创建系统总体结构框架和设计模型；针对工艺设计中的个性问题，开发可重用、可维护的功能组件对象，通过功能组件对象的实例重用、继承重用、多态性重用，提高系统的开放性和灵活性；通过不同功能组件的拼装、升级、重用，避免不必要的、低水平的重复开发，实现CAPP系统开发和维护的高效。实践证明这是开发CAPP系统的一种很有效的方法。n不断发展的CAPP内涵随着科学技术的进步特别是计算机技术的发展以及知识经济的来临，制造业正经历着巨大的变革。知识经济使得制造活动和销售经营分散化、网络化、全球化，形成了全球性的大市场。每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球化市场经济竞争。为了提高企业的竞争力，制造企业必须解决其新产品的T、Q、C、S、E难题，即以最快的上市速度（T-TimetoMarket），最好的质量（Q－Quality），最低的成本（C－Cost），最优的服务（S-Service）及最清洁的环境（E-Environment）来满足不同顾客对产品的需求和企业可持续发展的要求。为了适应制造领域发展的上述变革，各种新的制造技术、产品设计制造模式以及生产组织形式相继提出并得到不同程度的应用实施。例如计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）、并行工程CE（ConcurrentEngineering）、精益生产LP（LeanProduction）、准时制JIT（JustinTime）、智能制造IM（IntelligentManufacturing）、敏捷制造AM（AgileManufacturing）、先进制造技术AMT（AdvancedManufacturingTech