CAD/CAM应用：工艺过程设计技术

3．4计算机辅助工艺过程设计技术

3．4．1CAPP的基本概念

工艺规程设计是机械制造生产过程中一项重要的技术准备工作，是产品从设计到制造的中间环节。以文件形式确定下来的工艺规程是进行工装制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有直接的影响，因此是生产中的关键性工作。工艺设计的主要任务是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。

进行工艺设计必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图样上有关零件结构形状、尺寸公差、材料及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及时间定额(工时定额)，甚至传统习惯等方面的信息。由于各种信息之间的关系极为复杂，进行工艺设计时必须全面而周密地对这些信息加以分析和处理。

工艺设计包含的内容和基本流程为:产品由设计部门设计完图纸后，首先要转到工艺部门进行工艺审查，工艺审查的目的是了解设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理方法等方面的信息，对其进行工艺性(指所设计的产品在能满足使用要求的前提下，加工制造、维修的可行性和经济性)分析和审查。经过工艺审查后，工艺部门提出修改意见返回设计部门进行设计图的修改，此时产生的工艺文件是“工艺审查记录单”。

在设计部门进行产品图纸修改时，工艺部门同时要做的是工艺总方案的设计及编写，此时的工艺文件是“工艺总方案”。

修改后的设计图纸转到工艺部门后，工艺要进行工艺路线的编制及工艺规程的编制。基于工艺规程，工艺人员要完成如“设备汇总”“工装汇总”等工作。对需要进行工艺装备设计的提出工装申请，进行工装的设计。在此之后，制造部门及物资供应部门将以此为依据，进行物资供应及生产的组织、调度。在生产过程中，部分工艺规程的内容会有所调整和修改，相应的工艺汇总文件必须修改相关的内容。所有的工艺文件还要经过设计、校对、批准、标准化、会签等工作流程。

产品经试制、修改到最后定型。定型后的产品其图纸、工艺都要随之定型，定型后的工艺要进行分类归档。定型后的工艺是不能随意改动。需修改时，除同设计部门一样需填写“工艺更改通知单”外，还要经过非常严格的审批。

通常，产品都要经过如上的工艺设计过程，对于不同的企业，因其规模、企业性质等的不同，工艺设计的具体过程可能有所不同，但内容大同小异。在工艺设计过程中产生的许多重要的工艺文件对指导企业制造系统和物料供应系统的调度有着直接的影响。

传统的工艺设计方式已经严重地阻碍了设计生产效率的提高，主要表现在以下几个方面:

(1)对工艺设计人员要求高。传统的工艺设计是由工艺人员手工进行设计，工艺文件的合理性、可操作性以及编制时间的长短主要取决于工艺人员的经验和熟练程度。这样就会导致工艺文件的设计周期和质量不易保证。因此，传统的工艺设计要求工艺人员具有丰富的生产经验。

(2)传统的工艺设计是人工编制的，劳动强度大，效率低，是一项繁琐、重复性的工作。

(3)难以保证数据的准确性。工艺设计需要处理大量的图形信息、数据信息，并通过工艺设计产生大量的工艺文件和工艺数据。传统的设计方式需要人工处理图形及数据信息，由于数据繁多且很分散，因此，处理起来繁琐、易出错。

(4)工艺设计最优化、标准化较差，工艺设计经验的继承性亦较困难。设计效率低下，存在大量的重复劳动。由于每个工艺规程都要靠手工编写，光是花费在书写工艺表格上的时间就占30%左右，而工艺设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和经验。当产品更换时，原有的工艺规程就不再使用，必须重新设计一套产品的工艺规程，既使新产品中某些零件与过去生产的零件相同，也必须重新设计。

(5)无法利用CAD的图形、数据。二维CAD技术在企业中的应用已很普及，各部门之间通过电子图档进行交流，然而由于工艺设计部门仍采用人工方式进行设计，这样就无法有效利用CAD的图形及数据。

(6)不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护。

(7)信息不能共享，随着企业计算机应用的深入，各部门所产生的数据可以通过计算机进行数据交流和共享，如果工艺部门仍采用手工方式，其他部门的数据就只能通过手工查询，工作效率低且易出错;所产生的工艺数据也无法方便地与其他部门进行交流和共享。

(8)不便于将工艺专家的经验和知识集中起来加以充分地利用。

(9)当代制造领域中，多品种小批量生产的企业大量增加，制造系统正逐渐从刚性(高效率的大批量生产模式)向柔性(高效率多品种小批量生产模式)转变，这要求将计算机贯穿于产品策划、设计、工艺规化、制造与管理的全过程。显然，传统的手工设计方式已不能满足上述要求。

(10)工艺设计工作贯穿于企业的整个生产活动中，在各个方面都充满着“个性”。工艺设计所涉及的因素不仅是大量的，而且是极其错综复杂的，如企业的生产类型、产品结构、工艺准备、生产技术发展等的影响，甚至受到管理体制的制约。上述因素中的任何变化，均可能导致工艺设计方案的变化。因此说工艺是企业生产活动中最活跃的因素，工艺设计对使用环境的极大依赖性就必然导致工艺设计的动态性。而传统的手工方式显然不能满足要求。

计算机辅助工艺过程设计的基本原理正是基于人工设计的过程及需要解决的问题而提出的。随着机械制造生产技术的发展及多品种小批量生产的要求，特别是CAD/CAM系统向集成化、智能化方向发展，传统的工艺设计的方法，已远远不能满足要求。计算机辅助工艺过程设计(CAPP)也就应运而生，用CAPP代替传统的工艺设计克服了上述的缺点。它对于机械制造业具有重要意义，其主要表现如下:

(1)可以将工艺设计人员从大量繁重的、重复性的手工劳动中解放出来，使他们能从事新产品的开发、工艺装备的改进及新工艺的研究等创造性的工作。

(2)可以大大地缩短工艺设计周期，保证工艺设计的质量，提高产品在市场上的竞争能力。

(3)能继承有经验的工艺设计人员的经验，提高企业工艺的继承性，特别是在当前国内外机械制造企业有经验的工艺设计人员日益短缺的情况下，它具有特殊意义。

(4)可以提高企业工艺设计的标准化，并有利于工艺设计的最优化工作。

(5)为适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要和实现计算机集成制造系统(CIMS)创造必要的技术基础。

(6)工艺人员的工艺经验、工艺知识能够得到充分的利用和共享。

(7)制造资源、工艺参数等以适当的形式建立制造资源和工艺参数库。

(8)能充分利用标准(典型)工艺生成新的工艺文件。

计算机辅助工艺过程设计(CAPP)是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它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等工艺文件的过程。

CAPP的开发、研制是从20世纪60年代末开始的，在制造自动化领域，CAPP的发展是最迟的部分。世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1969年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS;1973年正式推出商品化的AUTO-PROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是CAM－I于1976年推出的CAM－I＇S Automated Process Planning系统。取其字首的第一个字母，称为CAPP系统。目前对CAPP这个缩写法虽然还有不同的解释，但把CAPP称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释义。

计算机辅助工艺过程设计也常被译为计算机辅助工艺规划。国际生产工程研究会(CIRP)提出了计算机辅助规划(Computer Aided Planning，CAP)、计算机自动工艺过程设计(Computer Automated Process Planning，CAPP)等名称，CAPP一词强调了工艺过程自动设计。实际上国外常用的一些如制造规划(manufacturing planning)、材料处理(material processing)、工艺工程(process engineering)以及加工路线安排(machine routing)等在很大程度上都是指工艺过程设计。计算机辅助工艺规划属于工程分析与设计范畴，是重要的生产准备工作之一。

由于计算机集成制造系统(CIMS)的出现，计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计(CAD)相接，下与计算机辅助制造(CAM)相连，是连接设计与制造之间的桥梁，设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息，才能与制造实现功能和信息的集成。由此可见CAPP在实现生产自动化中的重要地位。

3．4．2CAPP的功能

从国内外已发表的CAPP系统可以看出，它们主要具有以下功能:

(1)产品零件信息输入。

(2)检索标准工艺文件。

(3)选择加工方法。(www.xing528.com)

(4)安排加工路线。

(5)加工设备和工艺装备确定。

(6)工艺参数计算。

(7)进行工艺流程的优化及多工序、单工序切削用量的优化。

(8)确定工序尺寸和公差及选择毛坯等。

(9)绘制工序图。

(10)产生刀具运动轨迹，自动进行数控编程。

(11)模拟加工过程，显示刀具的运动轨迹。

其中有些功能是所有的CAPP系统都具备的，而有些功能则是部分系统才具备的。有少数CAPP系统能与CAD，CAM系统相连接从而具备了更多的功能。

3．4．3CAPP的结构组成

CAPP系统的结构，视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。如图3－2是根据CAD/CAPP/CAM集成要求而拟定的一个例子，其基本的模块如下:

图3－2　CAPP系统的构成

(1)控制模块，其主要任务是协调各模块的运行，是人机交互窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息获取方式。

(2)零件信息输入模块，当零件信息不能从CAD系统直接获取时，用此模块实现零件信息的输入。

(3)工艺过程设计模块，进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用。

(4)工序决策模块，其主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图。

(5)工步决策模块，对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件。

(6)NC加工指令生成模块，依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用NC代码库中适应于具体机床的NC指令系统代码，产生NC加工控制指令。

(7)输出模块，可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其他文档，输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改而得到所需的工艺文件。

(8)加工过程动态仿真，对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。

3．4．4CAPP系统的分类

CAPP从其设计原理上可以分为派生式CAPP系统和创成式CAPP系统两大类。

派生式CAPP系统利用零件结构的相似性，通过对系统中已有零件工艺规程的检索得到相似零件的工艺规程，并对此进行编辑修改。派生式CAPP系统是以企业现有的工艺规程为基础，同时让设计人员参与工艺的规划，充分发挥了人的主观能动性，是目前企业常用的系统。

创成式CAPP系统是利用人工智能的方法，在知识库的基础上，通过相应的决策逻辑推理，创造性地解决工艺设计问题。创成式CAPP系统实现了工艺规程生成的自动化，减轻了工艺设计人员的工作量，但知识提取的困难、人工智能技术本身的不成熟和推理机构的局限性，造成创成式CAPP系统远没有进入实用阶段。

混合式CAPP系统是利用派生式系统的框架，在具体工艺设计的环节上采用创成式工艺生成的方法，充分利用工艺设计人员和计算机系统各自的优势，将派生式CAPP系统中的数据库检索、管理的优势，与创成式CAPP系统中针对某种特定零件工艺自动生成的优势集合为一体，在与企业制造资源联系比较紧密、计算机判断容易出错的地方，仍由设计人员进行交互处理，可以大大增加系统的运行效率。

3．4．5CAPP的发展

由于制造技术的发展，先进制造技术的应用，尤其是先进制造技术的基础技术，从建立企业工艺标准化体系到计算机软硬件及网络通信技术的发展，以及企业应用计算机从单一系统向集成化系统发展，加上企业正面对新经济时代的市场竞争，在这样的新基础、新形势下，CAPP的发展趋势将是:

(1)在优化产品设计的同时，必须优化工艺设计，才能为优化管理打好基础。因此，CAPP不能是简单地在卡片填写方式上用计算机代替手工，而必须通过应用CAPP系统提高工艺设计的优化、标准化水平(标准化不仅仅是文件格式的标准化，而且是内容的标准化)，以指导生产过程与生产管理，获得良好的效果，使企业经营进入良性循环的轨道。

(2)应用相似性原理、成组技术、标准化技术开展工艺标准化工作，建立工艺标准化体系，解决工艺设计的多样性，为开发CAPP应用软件及其系统的通用化、商品化打下牢固的基础，使企业工艺工作适应市场经济的发展。

(3)一个企业的实用的、可行的CAPP系统，必须首先以企业中占70%以上的可以实现工艺标准化的零件及产品工艺信息为主体，形成多种CAPP技术方式的应用系统。

(4)在应用CAPP工艺设计系统的同时，开展工艺信息管理系统的开发与应用。用系统工程的原理与方法对企业工艺系统的全部工作进行系统分析、设计，形成完整的工艺信息系统，不但使工艺工作实现信息化，同时为企业工作的信息化提供坚实的基础，明确CAPP与CAD，PDM，ERP的关系。

为了实现以上的目的，CAPP系统必须在以下几个方向进一步发展。

(1)集成化。计算机集成制造是现代制造业的发展趋势，作为集成系统中的一个单元技术，CAPP系统集成化也是必然的发展方向。在并行工程思想的指导下实现CAD/CAPP/CAM的全面集成，进一步发挥CAPP在整个生产活动中的信息中枢和功能调节作用，这包括:与产品设计实现双向的信息交换与传送;与生产计划调度系统实现有效集成;与质量控制系统建立内在联系。

(2)工具化。为了能使CAPP系统在企业中更好地推广应用，CAPP系统应提供更好的开发模式。传统专用型CAPP系统虽然针对性强，但由于开发周期长，缺乏商品化的标准模块，适应性差，很难适应企业的产品类型、工艺方法和制造环境的发展和变化。而应用面广、适应性强的平台型(工具式)CAPP系统，已经成为开发和应用的趋势。

平台型CAPP系统把系统的功能分解成一个个相对独立的工具，用户可以通过友好的用户界面根据本企业的情况输入数据和知识，针对不同的应用环境，形成面向特定的制造环境和工艺习惯的具体的CAPP系统。也可以将开发平台提供给用户，使用户可以进行CAPP系统的二次开发，在开发平台上构造符合用户需要的CAPP系统。从理论上讲，它可以适应各种应用环境，具有较好通用性和柔性;而且由于还具有二次开发能力，能适应企业内部发生的较大的变化。

(3)智能化。CAPP系统必将在获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性上有进一步的发展。CAPP是CIMS工程中的一个重要模块，也是企业信息化建设的关键环节。前几年，由于CAPP软件的发展走了一些弯路，导致CAPP应用成为计算机辅助技术领域的薄弱环节和企业实施推广CIMS工程的瓶颈所在。许多企业在尚未深化CAD，CAPP应用的情况下实施ERP系统，导致ERP系统所需的BOM信息、工艺路线、工时定额等数据只能重复手工输入，严重影响了ERP系统的应用效果，甚至导致ERP系统实施的失败。近几年CAPP软件的发展取得了长足的进步，为全面推广CAPP应用奠定了基础，相信在未来几年，CAPP应用必将取得丰硕的成果。