第11章制造系统的工艺自动化

第11章制造系统的工艺自动化

本章主要内容包括：11.1工艺自动化系统概述11.2计算机辅助工艺设计11.3CAPP技术发展趋势第一页，共六十三页。11.1工艺自动化系统概述

本节内容包括：11.1.1工艺设计自动化的意义11.1.2CAPP的基本概念11.1.3CAPP的结构组成11.1.4CAPP的基本技术11.1.5CAPP系统应用的社会经济效益（看书解释）第二页，共六十三页。11.1.1工艺设计自动化的意义

随着科学技术的飞速发展，产品更新换代日益频繁，多品种、小批量的生产模式已占主导地位，传统的工艺设计方法已不能适应机械制造业的发展需要，因此，计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）受到了工艺设计领域的高度重视，用CAPP系统代替传统的工艺设计具有重要意义，主要表现在以下四个方面：第三页，共六十三页。11.1.1工艺设计自动化的意义

（1）CAPP可以使工艺设计人员摆脱大量、烦琐的重复劳动，将主要精力转向新产品、新工艺、新装备和新技术的研究与开发。

（2）CAPP有助于工艺设计的最优化、标准化及自动化工作，提高工艺的继承性，最大限度地利用现有资源，缩短工艺设计周期，降低生产成本，提高产品的市场竞争能力。

（3）CAPP有助于对工艺设计人员的宝贵经验进行总结和继承。

（4）CAPP是企业推行信息集成和制造业信息化工程的重要基础之一。第四页，共六十三页。11.1.2CAPP的基本概念

CAPP是指在人和计算机组成的系统中，依据产品设计信息、设备约束和资源条件，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能来制订零件加工的工艺路线、工序内容和管理信息等工艺文件，将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术，也是一种将产品设计信息与制造环境提供的所有可能的加工能力信息进行匹配与优化的过程。第五页，共六十三页。11.1.2CAPP的基本概念20世纪80年代以来，随着机械制造业向CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）或IMS（IntelligenceManufacturingSystem）的发展，CAD/CAM（CompuerAidedManufacturing）集成化的要求越来越强烈，CAPP在CAD、CAM中起到桥梁和纽带作用。第六页，共六十三页。11.1.2CAPP的基本概念在CAD/CAM集成系统中，CAPP必须能直接从CAD模块中获取零件的几何信息、材料信息、工艺信息等，以代替人机交互的零件信息输入，CAPP的输出是CAM所需的各种信息。随着CIMS的深入研究与推广应用，人们已认识到CAPP是CIMS的主要技术基础之一，因此，CAPP从更高、更新的意义上再次受到广泛的重视。在CIMS环境下，CAPP与CIMS中其他系统的信息流如图11.1所示。第七页，共六十三页。11.1.2CAPP的基本概念

第八页，共六十三页。11.1.2CAPP的基本概念

如图11.1所示解释如下：

（1）CAPP接收来自CAD的产品几何拓扑、材料信息以及精度、粗糙度等工艺信息；为满足产品设计的要求，需向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息。

（2）CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及反映零件切削过程的刀具轨迹文件、NC指令；同时接收CAM反馈的工艺修改意见。第九页，共六十三页。11.1.2CAPP的基本概念

如图11.1所示解释如下：

（3）CAPP向工装CAD提供工艺过程文件和工装设计任务书。

（4）CAPP向企业资源计划（EnterpriseResourcesPlanning，ERP）提供工艺过程文件、设备工装、工时、材料定额等信息；同时接收由ERP发出的技术准备计划、原材料库存、刀量具状况及设备更改等信息。第十页，共六十三页。11.1.2CAPP的基本概念

如图11.1所示解释如下：

（5）CAPP向制造自动化系统（ManufacturingAutomationSystem，MAS）提供各种过程文件和夹具、刀具等信息；同时接收由MAS反馈的工作报告和工艺修改意见。

（6）CAPP向计算机辅助质量管理（ComputerAidedQuality，CAQ）提供工序、设备、工装、检测等工艺数据，以生成质量控制计划和质量检测规程；同时接收CAQ反馈的控制数据，用以修改工艺过程。第十一页，共六十三页。11.1.3CAPP的结构组成

如图11.2所示的系统构成是一个比较完整的CAPP系统，其基本模块如下所示。第十二页，共六十三页。11.1.3CAPP的结构组成

如图11.2所示解释如下：

（1）控制模块。对整个系统进行控制和管理，协调各模块的运行，是实现人机信息交互的窗口。

（2）零件信息输入模块。零件信息输入可以有2种方式：一是人工交互输入；二是从CAD系统直接获取或来自集成环境下统一的产品数据模型。

（3）工艺过程设计模块。进行加工工艺流程的决策，生成工艺过程卡。第十三页，共六十三页。11.1.3CAPP的结构组成

如图11.2所示解释如下：

（4）工序决策模块。生成工序卡。

（5）工步决策模块。对工步内容进行设计，形成NC指令所需的刀位文件。

（6）NC加工指令生成模块。根据刀位文件，生成控制数控机床的NC加工指令。

（7）输出模块。输出工艺过程卡、工序卡、工序图等各类文档，并可利用编辑工具对现有文件进行修改后得到所需的工艺文件。第十四页，共六十三页。11.1.3CAPP的结构组成

如图11.2所示解释如下：

（8）加工过程动态仿真。可检查工艺过程及NC指令的正确性。上述的CAPP系统结构是一个比较完整、广义的CAPP系统，实际上，并不一定所有的CAPP系统都必须包括上述全部内容。例如，传统概念的CAPP不包括NC指令生成及加工过程动态仿真，实际CAPP系统组成可以根据生产实际的需要而调整。但它们的共同点应使CAPP的结构满足层次化、模块化的要求，具有开放性，便于不断扩充和维护。第十五页，共六十三页。11.1.4CAPP的基本技术

（1）成组技术（GroupTechnology，GT）。我国CAPP系统的开发可以说是与GT密切相关，早期开发的CAPP系统大多为以GT为基础派生式CAPP系统。

（2）产品零件信息的描述与获取。CAPP与CAD、CAM一样，其单元技术都是按照自己的特点而各自发展的。零件信息（几何拓扑及工艺信息）的输入是首要的，即使在集成化、智能化、网络化、可视化的CAD/CAPP/CAM系统，零件信息的描述与获取也是一项关键问题。第十六页，共六十三页。11.1.4CAPP的基本技术

（3）工艺设计决策方法。其核心为特征型面加工方法的选择、零件加工工序及工步的安排及组合。其主要决策内容包括工艺流程决策、工序决策、工步决策、工艺参数决策、制造资源决策。为保证工艺设计达到全局最优化，系统把这些内容集成在一起，进行综合分析，动态优化，交叉设计。第十七页，共六十三页。11.1.4CAPP的基本技术

（4）工艺知识的获取及表示。工艺设计是随着设计人员、资源条件、技术水平、工艺习惯的变化而变化。要使工艺设计在企业内得到有效的应用，必须总结出适应本企业零件加工的典型工艺及工艺决策方法，按所开发CAPP系统的要求，用相应的形式表示这些工艺经验及决策逻辑。

（5）工序图及其他文档的自动生成。（6）NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真技术。（7）工艺数据库的建立。

第十八页，共六十三页。11.2计算机辅助工艺设计CAPP系统按照系统工作原理、零件类型、工艺类型和开发技术方法可以对CAPP系统进行不同分类，下面将对以下CAPP系统作概要介绍。11.2.1派生式CAPP系统11.2.2创成式CAPP系统11.2.3半创成式CAPP系统11.2.4CAPP专家系统简介第十九页，共六十三页。11.2.1派生式CAPP系统

本节主要内容包括：

1.派生式CAPP系统的工作原理2.派生式CAPP系统的使用过程3.派生式CAPP系统的特点第二十页，共六十三页。1.派生式CAPP系统的工作原理

根据成组技术相似性原理，如果零件的结构形状相似，则它们的工艺过程也有相似性。对于每一个相似零件族，可以采用一个公共的制造方法来加工，这种公共的制造方法以标准工艺的形式出现。通过专家、工艺人员的集体智慧和经验及生产实践的总结制定出标准工艺文件，然后储存在计算机中。

第二十一页，共六十三页。1.派生式CAPP系统的工作原理当为一个新零件设计工艺规程时，从计算机中检索标准工艺文件，然后经过一定的编辑和修改，就可以得到该零件的工艺规程，派生一词由此得名。派生式CAPP系统又称检索式或变异式、经验法或样件法CAPP系统。第二十二页，共六十三页。1.派生式CAPP系统的工作原理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CAPP系统与基于特征的派生式CAPP系统。前者用GT码描述零件信息，后者用特征来描述零件信息，后者是在前者的基础上发展起来的。基于成组技术的派生式CAPP系统的工作流程如图11.3所示。第二十三页，共六十三页。1.派生式CAPP系统的工作原理

第二十四页，共六十三页。2.派生式CAPP系统的使用过程派生式CAPP系统使用过程主要包括以下六个步骤。

（1）按照已选定的零件分类编码系统，给新零件编码。

（2）根据零件编码判断新零件是否包括在系统已有的零件族内。

（3）如果新零件包括在已有零件族内，则调出该零件族的标准工艺过程；如果不在，则计算机将告知用户，必要时需创建新的零件族。第二十五页，共六十三页。2.派生式CAPP系统的使用过程

（4）计算机根据输入代码和已确定的逻辑，对标准工艺过程进行筛选。

（5）用户对已选出的工艺过程进行编辑、增删或修改。

（6）将编好的工艺过程存储起来，并按指定格式打印输出。第二十六页，共六十三页。3.派生式CAPP系统的特点派生式CAPP系统有如下四个的特点：

（1）派生式CAPP系统以成组技术为理论基础，利用相似性原理和零件分类编码系统，因此有系统理论指导，比较成熟。

（2）有较好的实用价值，问世较早，应用范围比较广泛。第二十七页，共六十三页。3.派生式CAPP系统的特点

（3）适用于结构比较简单的零件，在回转体类零件中应用更为广泛。由于派生式工艺过程设计的零件多采用编码描述，对于复杂的或不规则的零件则不易胜任。

（4）对于相似性差的零件，难以形成零件族，不适于用派生式方法，因此派生式CAPP系统多用于相似性较强的零件。

第二十八页，共六十三页。11.2.2创成式CAPP系统

本节主要内容包括：1.创成式CAPP系统的工作原理2.逆向设计原理3.工序设计（看书自学）4.创成式CAPP系统的特点第二十九页，共六十三页。1.创成式CAPP系统的工作原理

创成式CAPP系统与派生式CAPP系统不同，它的生成并不是通过修改或编辑相似零件的复合工艺实现的，而是利用系统中的决策逻辑和相关工艺数据信息，通过一定的算法对加工工艺进行一系列的决，从无到有，自动地生成零件的工艺过程。创成式CAPP系统的工作原理如图11.4所示。

第三十页，共六十三页。1.创成式CAPP系统的工作原理

第三十一页，共六十三页。1.创成式CAPP系统的工作原理创成式CAPP系统按工艺生成步骤划分为若干功能模块，每个模块按其功能要求对应的决策表或决策树编制；系统各模块工作时所需要的各种数据均以数据库形式存储；系统工作时，根据零件信息，自动提取制造知识，按有关决策逻辑生成零件上各待加工表面的加工顺序和各表面的加工链，产生零件加工的各工序和工步内容；自动完成机床、夹具、刀具、工具的选择和切削参数的优化；最后，系统自动进行编排并输出工艺规程。

第三十二页，共六十三页。1.创成式CAPP系统的工作原理要实现完全创成式CAPP系统，必须解决三个关键问题：

①零件的信息必须要用计算机能识别的形式完全精确地描述。

②收集大量的工艺决策逻辑和工艺过程设计逻辑，并以计算机能识别的方式存储。

③工艺过程的设计逻辑和零件信息的描述必须收集在统一的加工数据库中。

第三十三页，共六十三页。1.创成式CAPP系统的工作原理由于工艺过程设计的复杂性，要使一个创成式CAPP系统包含所有的工艺决策，并能完全自动地生成理想的工艺过程是比较困难的。再则，利用现有的创成式CAPP系统生成的工艺，有时还需要用户进行一些编辑修改。由于目前对创成式CAPP系统的研究还不够完善，加上工艺过程设计本身的复杂性，所以，创成式CAPP系统的设计还没有统一、标准化的方法。第三十四页，共六十三页。2.逆向设计原理在创成式CAPP系统中，工艺规程设计有两种方法：一种是从零件毛坯开始进行分析，选择一定的加工方法和顺序，直到能加工出符合最终目标要求的零件形状，这种方法称为正向设计。另一种方法是从零件最终的几何形状和技术条件开始分析，反向选择合适的加工顺序，直到零件恢复成无须加工的毛坯，这种方法称为逆向设计。第三十五页，共六十三页。2.逆向设计原理传统上，工艺人员都采用正向设计方法，即从毛坯开始进行工艺设计。由于正向设计的起始点是毛坯粗表面，其前提条件不是很明确，导致零件在加工过程中的状态也不明确。若根据不明确的前提进行工艺规程的自动设计，则其包含的设计自由度较多，会导致工艺规程的自动设计走弯路。第三十六页，共六十三页。2.逆向设计原理在逆向设计原理中，以零件的最终状态作为前提，这样出发点就很明确。一个零件的工艺规程设计是从图样上规定的几何形状和技术条件开始考虑，然后填补金属材料，逐步降低公差和粗糙度要求。

很明显，金属填补过程要优于金属切除过程。第三十七页，共六十三页。2.逆向设计原理采用金属填补这种方法，很容易满足最终目标的要求，而且其加工过程的中间状态也容易确定，即从已知要求出发选择预加工方法的要求比较容易满足，从而易于保证零件的加工质量。另外，逆向设计还便于确定零件在加工过程中的工序尺寸、公差以及工序图的自动绘制等。所以，在已开发的创成式CAPP系统中，逆向设计原理得到了较多的应用。第三十八页，共六十三页。4.创成式CAPP系统的特点

（1）该系统不依赖于操作人员的知识、经验，不需人工干预，能保证相似零件工艺过程的高度相似性和相同零件工艺过程的高度一致性。

（2）该系统能实现工艺过程合理化和优化，容易适应生产技术和生产方式的发展。

（3）便于CAD/CAM的集成。

（4）系统一切从零开始，对一些显而易见的工艺决策问题显得浪费计算机的时空资源，系统规模庞大，开发技术难度大。第三十九页，共六十三页。11.2.3半创成式CAPP系统半创成式CAPP系统，又称为混合式、综合式CAPP系统。半创成式CAPP系统是将派生式CAPP系统与创成式CAPP系统相结合，利用这两种方法的优点，克服各自的缺点。半创成式CAPP系统沿用派生式CAPP系统的检索编辑原理，在生成和编辑工序时却引入了创成式CAPP系统的决策逻辑。第四十页，共六十三页。11.2.3半创成式CAPP系统由于CAPP系统是面向企业的实用软件，所以，要建立完全创成式CAPP系统是很困难的，因此，半创成式CAPP系统是目前实用型CAPP系统的主要形式。

1.半创成式CAPP系统的工作原理2.半创成式CAPP系统的工艺生成方法第四十一页，共六十三页。1.半创成式CAPP系统的工作原理半创成式CAPP系统综合了派生式CAPP系统与创成式CAPP系统的方法和原理，采取派生与自动决策相结合的方法生成工艺规程，如需对一个新零件进行工艺设计时，先通过计算机检索零件所属零件族的标准工艺，然后根据零件的具体情况，对标准工艺进行自动修改，工序设计则采用自动决策，进行机床、刀具、工装夹具以及切削用量的选择，输出所需的工艺文件。第四十二页，共六十三页。1.半创成式CAPP系统的工作原理

半创成式CAPP系统的工作原理如图11.5所示。半创成式CAPP系统兼顾了派生式CAPP系统与创成式CAPP系统两者的优点，克服了各自的不足，既具有系统的简洁性，又具有系统的快捷和灵活性，具有很强的实际应用性。第四十三页，共六十三页。1.半创成式CAPP系统的工作原理第四十四页，共六十三页。2.半创成式CAPP系统的工艺生成方法

在CAPP的设计中，最为关键的是工艺文件的生成，由于该部分涉及面广，包括工艺路线决策、工步的确定、机床的选择和工艺装备的选择等任务，因此，需要分别建立其相应的功能模块。其中关键部分是采用不同表面生成不同加工链方法，然后通过相关模块的逻辑判断，很好地解决工艺的生成。第四十五页，共六十三页。工艺路线决策生成合理的工艺路线是CAPP系统的关键。半创成式CAPP系统工艺路线的生成是利用派生式原理，也就是按成组技术原理，对零件进行分类编码、划分零件族并编制标准工艺的。在生成具体零件工艺时，对检索的零件族标准工艺进行编辑修改，生成零件的工艺路线，而工艺路线的编辑是依据零件GT码，并由工艺决策模型自动进行筛选的。第四十六页，共六十三页。工艺路线决策

工艺路线决策模型是根据生成的零件特征表面加工链文件，对标准工艺文件的各主要工序进行匹配比较来编辑工艺，也就是根据输入的几何信息和工艺信息，生成零件各特征表面的加工链，再根据加工链对标准工艺进行编辑。

第四十七页，共六十三页。工艺路线决策编辑过程的原理如下：首先对标准工艺路线的主要加工工序进行搜索，把搜索到的主要工序与零件的加工链文件中的特征表面加工链的工序序列进行比较，如两者能对应，就保留该工序，否则就删除。

第四十八页，共六十三页。工步的确定通过以上的加工链可以看出，各个工序对应表面的加工内容就是工步。例如：在完成精车外圆的工步后，所获得的尺寸就是零件的标注尺寸，精车之前的尺寸即半精车后的尺寸，依此类推，可以计算出该表面要素的各个工序尺寸。第四十九页，共六十三页。机床的选择系统中将各类机床的加工精度、规格等通过数据库的形式存放在计算机中，根据零件表面要素的加工方法、加工精度、加工尺寸等，通过决策逻辑自动确定所用的机床。如车床的确定取决于零件的最大外圆尺寸、零件的总长以及是粗加工还是精加工等因素确定。第五十页，共六十三页。工艺装备的选择系统中的刀具、量具及夹具是通过决策逻辑搜索对应刀具、量具、夹具库，找出相匹配的元素来确定的。第五十一页，共六十三页。11.2.4CAPP专家系统简介

本节主要内容包括：

1.CAPP专家系统的工作原理2.CAPP专家系统的知识表达及知识库的建立（看书解释）3.推理机的控制策略（看书解释）第五十二页，共六十三页。1.CAPP专家系统的工作原理

CAPP系统是以计算机为工具，能够模仿工艺人员完成工艺规程的设计，使工艺设计的效率大大提高。但工艺设计知识和工艺决策方法没有固定的模式，不能用统一的数学模型来进行描述。设计水平的高低很大程度取决于工艺人员的实践经验，因此很难用传统的计算机程序来描述清楚。人工智能技术（ArtificialIntelligence，AI）的发展，为CAPP的进一步发展开辟了新的道路。第五十三页，共六十三页。1.CAPP专家系统的工作原理

进入20世纪80年代后，以AI技术为基础的CAPP专家系统已成为制造业研究的主要课题之一，由于CAPP专家系统具有较大的灵活性以及处理不确定性和多义性的特点，因此CAPP专家系统克服了传统CAPP系统的缺点。同时，CAPP专家系统还具有对话能力和学习能力，使计算机能真正模拟工艺人员进行工艺设计。第五十四页，共六十三页。1.CAPP专家系统的工作原理

CAPP专家系统与一般的CAPP系统的工作原理不同，两者在结构上也有很大差别，如图11.6所示。

第五十五页，共六十三页。1.CAPP专家系统的工作原理

一般CAPP系统结构主要由两部分组成，即零件信息输入模块和工艺规程生成模块。其中工艺规程生成模块是CAPP系统的核心，它包括工艺设计知识和决策方法，而且这些知识都使用计算机能识别的程序语言编制在系统程序中。第五十六页，共六十三页。1.CAPP专家系统的工作原理

当输入零件的描述信息后，系统经过一系列的判断，调用相应的子程序或程序段，生成工艺规程。当使用环境有变化时，就必须修改系统程序，这对于用户来说是比较困难的，所以一般CAPP系统的适应性较差。第五十七页，共六十三页。1.CAPP专家系统的工作原理

CAPP专家系统由零件信息输入模块、知识库、推理机三部分组成，其工作原理如图11.7所示。第五十八页，共六十三页。1.CAPP专家系统的工作原理

其中知识库和推理机是相互独立的，CAPP专家系统不再像一般CAPP系统一样，在程序的运行中直接生成工艺规程，而