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1、第10 计算机辅助工艺设计(CAPP) 10.1 概述 10.1.1 CAPP的提出 CAPP（Computer Aided Process Planning）是计算机辅助工艺设计的简称。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之间的桥梁。 工艺设计必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理以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、加工成本及工时定额，甚至传统习惯等方面的信息。 工艺设计包括查阅资料和手册，确定零件的加工方法，安排加工路线，选择设备、工装（必要时还要设计工装）、切削参数、计算工序尺寸、绘
2、制工序图、填写工艺卡片和表格文件等工作。,手工设计工艺规程存在以下几方面的问题： 1由于每个工艺人员的经验有限，习惯不同，技术水平也不一样，所以由人工设计工艺规程一致性差、质量不易稳定、难以达到优化目标和不便于工艺规程的标准化 2手工设计工艺规程设计效率低下，存在大量的重复劳动。 3手工设计工艺规程不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护。 4手工设计工艺规程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。 5当代机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，社会需求趋向多样化，显然，传统的手工工艺设计方法已不能满足上述要求。 高速发展的计算机科技为工艺设计的自动化奠定了基础，于是计算
3、机辅助工艺设计（CAPP）便应运而生。,10.1.2 CAPP的基本功能和作用 1CAPP系统的基本功能 一个CAPP系统可以完成以下的基本功能： （1）自动选择毛坯和材料； （2）自动选择加工方法； （3）自动选择机床； （4）自动选择装夹定位方法； （5）自动确定加工顺序； （6）自动选择刀具量具； （7）自动确定切削用量和方差； （8）自动确定工时定额。,2CAPP系统在CAD/CAM集成系统中的作用 在CAD/CAPP/CAM集成系统中，CAPP是连接CAD与CAM之间的桥梁和纽带。集成化的CAPP系统能直接接收CAD的零件信息，进行工艺规划，生成有关工艺文件（必要时还可向CAD系统反
4、馈有关工艺评价信息），并以工艺设计结果和零件信息为依据，经过适当的后置处理，生成NC程序，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成。CAD、CAPP与CAM之间的关系如图10.1所示。图中，向右的箭头表示信息传递，向左的箭头表示信息反馈。 图10.1,10.1.3 CAPP的发展概况 世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家是挪威。他们从1966年开始研制，到1969年正式发表了AUTOPROS系统。这是世界上第一个CAPP系统，它是根据成组技术原理，利用零件的相似性去检索和修改标准工艺来制定相应零件的工艺规程。 在AUTOPROS之后，1976年美国CAM-I公司也研制出了CAPP系统。这是一种
5、可在微型机上运行的结构简单的小型系统 CAPP从60年代末开始研制，到目前虽只有30多年的历史，但已研制出很多CAPP系统，而且有不少系统已投入生产实践使用。 在设计方式上主要有两种不同的系统，即派生式系统和创成式系统。 从80年代初期起，我国一些高等院校和工厂在推广和应用成组技术的基础上，也开始研究和开发计算机辅助工艺规程设计系统。,10.1.4 CAPP系统的基本结构和方案 CAPP系统从六十年代发展至今有很多类型，主要的类型如图9.3所示： 图 10.3 CAPP系统分类,10.1.4 CAPP系统的基本结构和方案 CAPP系统从六十年代发展至今有很多类型，主要的类型如图9.3所示： 尽
6、管CAPP系统的种类很多，但其基本结构都离不开零件信息的输入、工艺决策、工艺数据/知识库、人机界面与工艺文件输出/编辑等五大部分。 1零件信息的输入 零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，如何输入和描述零件信息是CAPP最关键的问题之一。 2工艺决策 工艺决策是系统的控制指挥中心。 3工艺数据/知识库 工艺数据/知识库是系统的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的所有工艺数据和规则。 4人机界面 人机界面是用户的工作平台。 5工艺文件管理与输出 一个系统可能有成百上千个工艺文件，如何管理和维护这些文件是既是CAPP系统的重要内容，也是整个CAD/CAPP/CAM集成系统的重要组成部分。,10.2
7、.1 图纸信息的描述与人机交互式输入 1分类编码描述法（GT法）与输入 其基本思路是预先制订一种GT码，然后GT码对零件图上的信息进行编码，并将GT码输入计算机，这种GT码所表达的信息是计算机能够识别的。 2语言描述与输入法 该方法的关键是开发一种计算机能识别的语言来对零件信息进行描述。用户首先用这种语言规定的词汇、语句和语法对零件信息进行描述，然后由相应的计算机编译系统对描述结果进行编译，形成计算机能够识别的零件信息代码。 3知识表示描述法 在人工智能（AI）领域，零件信息实际上就是一种知识或对象，所以原则上讲可用人工智能中的知识描述方法来描述零件信息甚至整个产品的信息。 4基于形状特征或表
8、面元素的描述与输入法 这种方法要求将组成零件的各个形状特征按一定顺序逐个地输入到计算机中去，输入过程中、由计算机界面引导，并将这些信息按事先确定的数据结构进行组织，在计算机内部形成所谓的零件模型。,10.2.2 从CAD系统直接输入零件信息 1特征识别法 特征识别法（feature ecognition）就是要对CAD的输出结果进行分析，按一定的算法识别、抽取出CAPP系统能识别的基于特征的工艺信息。但存在以下几个难点： （1）一般的CAD系统都是以解析几何作为其绘图基础上的，其绘图的基本单元是点、线、面等要素，其输出的结果一般是点、线、面以及它们之间的拓扑关系等底层的信息。要从这些底层信息中
9、抽取加工表面特征这样一些高层次的工艺信息非常困难。 （2）在CAD的图形文件中，没有诸如公差、粗糙度、表面热处理等工艺信息，即使对这些信息进行了标注，也很难抽取这些信息，更谈不上把它们和它们所依附的加工表面联系在一起。 （3）目前CAD系统种类繁多，即使CAPP系统能接收一种CAD的系统输出的零件信息，也不一定能接收其它CAD系统的输出的零件信息。,2基于特征拼装的计算机绘图与零件信息的描述和输入方法 这种CAD系统的绘图基本单元是参数化的几何形状特征（或表面要素），如圆柱面、圆锥面、倒角、键槽等。设计者在拼装各个特征的同时，即赋予了各个形状特征（或几何表面）的尺寸、公差、粗糙度等工艺信息，其
10、输出的信息也是以这些形状特征为基础来进行组织的，所以CAPP系统能够接收。 3基于三维特征造型的零件信息描述与输入方法 这种方法与上述基于特征拼装的计算机绘图与零件信息的描述和输入方法的基本原理和思路基本相同，只是在三维空间对零件进行特征造型比二维绘图难度更大，但这是实现机械制造CAD/CAPP/CAM集成的一种趋势。 4基于产品数据交换规范（STEP等）的产品建模与信息输入方法 这个模型是用通用的数据结构规范来实现的。只要各CAD系统对产品或零件的描述符合这个数据规范，其输出的信息既包含了点、线、面以及它们之间的拓扑关系等底层的信息，又包含了几何形状特征以及加工和管理等方面信息，那么CAD系
11、统的输出结果就能被其下游工程，如CAPP、CAM等系统接收。,10.2.3 图形扫描及识别技术的输入方式 这种方法就是用图形扫描仪将工程图纸上的信息扫描输入到计算机中，然后对扫描所得到的信息进行一定的分析与处理，在计算机上还原出工程图纸，并形成相应的图形文件，然后再对图形文件进行分析与识别，抽取出CAPP系统能识别的几何形状信息与加工信息。 工程图形的扫描与识别技术最常用的研究方法有以下两种： （1）图象级的处理方法。该方法致力于光栅图象的编辑修改、压缩存储和管理图象文件等方面的研究； （2）矢量化的识别处理方法。该方法的研究路线是，寻求更为有效的矢量化方法，对扫描后的图象信息进行矢量化处理。
12、,10.3 派生式CAPP系统 派生式工艺过程设计系统也称检索式或变异式工艺设计系统。根据零件信息的描述与输入方法不同，派生式CAPP系统又分为基于成组技术（GT）的派生式与基于特征的派生式CAPP系统。 10.3.1 基于GT的派生式CAPP系统 1系统的基本工作原理 这种系统用GT码描述与输入零件信息。系统要预先对现有零件进行分组，得到所谓的零件族或样件（可以是实现零件或虚构零件）；每个零件族或样件有一通用的制造过程，即样件的标准工艺规程。,2系统的设计过程 (1) 选择零件分类编码系统 首先要选择或制订合适的零件分类编码系统（即GT码）。 (2) 零件分组 为了合理制订样件，必须对零件分
13、组。一个相似零件组就是一个零件族，一个零件组一般包含了若干个相似零件，可以把每个相似零件组或零件族用一个样件来代表。 (3) 样件的设计 样件是一个零件组或零件族的抽象，可见样件是一个复合零件，也可以说一个零件族矩阵就是一个样件。 (4) 设计标准工艺规程 标准工艺规程应能满足该零件组所有零件的加工要求，并能反映工厂实际工艺水平，尽可能是合理可行的。,(5) 标准工艺规程的表达与工艺规程筛选方法 标准工艺规程可以用工序代码和工步代码来表示。不同的表达方式其工艺规程的筛选方法是不同的，此处介绍一种基于工步代码的工艺规程筛选方法。 1）工步代码 为了便于对标准工艺规程以及工艺规程的表达、存储，以及
14、便于对标准工艺规程的调用与筛选，可用代码来表达工步内容，所形成的文件叫工步代码文件 2）基于工步代码的工艺规程筛选方法 当计算机检索到标准工艺规程的某一工步时，只要根据工步代码的第三位数值，查看该零件的JLBM-1编码中的这一码位的数值是否在工步代码的第四位和第五位数值范围内，如果在这一范围内，就在标准工艺规程中保留这一工步，直至将标准工步的所有工步代码筛选完毕为此。,(6) 建立切削数据文件 CAPP所要处理的数据，其种类和数量都非常大，而且其中许多数据是和其它系统共享的。为此必须建立大量的切削数据文件。为了生成工艺规程，还必须要建立各种工艺数据文件 (7) 设计各种功能子程序 由于CAPP
15、系统中要应用各种计算方法，为此需预先将各种计算公式和求解方法编成各种功能子程序，如切削参数的计算，加工余量、工序尺寸公差的计算，切削时间和加工费用的计算，工艺尺寸链的求解，切削用量的优化和工艺方案的优化等。 (8) CAPP系统总程序设计 上述各项准备工作完成以后，用一个主程序和界面把所有子程序连接起来，就构成CAPP系统的总程序。,3派生法CAPP系统实例 (1) TOJICAP系统 该系统用于生成回转体零件的工艺规程。工艺规程内容详细完整，有棒料规格或锻坯尺寸，机械加工的工序及设备，各工序中的工步、刀具、切削参数、加工尺寸、工步时间（机动时间加辅助时间），以及工序时间、定额和工序加工费用等
16、。并可绘制出锻件图和车削工序图，是一个功能较完整的系统。 该系统可转接夹具CAD模块以生成夹具数据，经绘图仪绘制加工用的夹具。还可转接NC模块，产生针对本厂数控机床用的数控程序。,(2) WLCAPP系统 WLCAPP系统是北京理工大学近年来为航天部某卫星制造厂开发的派生法CAPP系统。针对工厂产品零件的具体情况，系统方案设计时采用一种分布式CAPP系统的结构原理，由检索法、派生法、创成法等多种形式的CAPP系统集成实现卫星零件的计算机辅助工艺设计。 WLCAPP系统是根据成组技术的相似性原理，将零件划分成若干个相似零件组，根据已有的零件工艺文件，进行总结归纳，编制出相似零件组的标准工艺规程，并以文件形式贮存在数据库中。 WLCAPP系统是针对工厂的生产实际、从实用角度出发而设计的。目前本系统所生成的工艺文件与原先用手工编制的文件比较，大大提高了零件工艺编制的速度。,10.3.2 基于特征的派生式CAPP系统 1系统的主要思路 (1) 用基于特征的零件信息模型来取代GT码，用工序一工步二叉树（或其它模型）来描述零件的工艺规程（
