计算机辅助设计与制造：第八章 计算机辅助工艺过程设计

1计算机辅助工艺过程设计2本章

学习目标

了解CAPP在CAD/CAM中的地位和作用掌握CAPP的基本工作原理和工作过程学习和理解CAPP中零件信息描述方法掌握不同类型CAPP系统关键技术重点：CAPP的概念及工作原理3CAPP概述

CAPP类型及基本原理

CAPP结构组成及基本技术

CAPP发展现状和发展趋势

CAPP系统软件简介

计算机辅助工艺过程设计(CAPP)是将产品数据转换成面向制造的指令性数据的重要环节，起着承上(产品设计)启下(加工制造与管理)、连接CAD与CAM及MRP等应用系统的桥梁作用7.CAPP47.1CAPP概述

计算机辅助工艺规程设计（CAPP,ComputerAidedProcessPlanning），是通过计算机技术辅助工艺设计人员，以系统、科学的方法确定零件从毛坯到成品的整个技术过程(即工艺规程)CAPP彻底改变了手工编制工艺文件的方式和对人的依赖，大大提高了编制工效，缩短了生产周期，保证工艺文件的一致性和工艺规程的精确性，避免不必要的差错，为实现工艺过程优化、集成制造创造条件

输入设计信息选择工艺路线、决定工序内容及所使用的机床、刀具、夹具…

决定切削用量估算工时与成本输出工艺文件…

CAPP系统的基本功能：常见工艺流程5工艺过程设计工艺过程设计主要包括以下内容：确定工艺路线

通过零件的成组编码找到零件所属的零件族，然后以该零件族的序号为关键字进行检索，得到此零件族的标准工艺路线。

选择机床

根据标准工艺和加工方法对机床类型进行选择，并根据零件的尺寸参数选择机床型号。

例如，根据零件的长度和最大直径选取车床；根据零件上待加工孔的最大直径选取钻床…工序设计在工序设计时，首先需要提取当前工序的加工表面要素，然后再对它们按照一定的工艺决策逻辑进行整理排序，最后调出标准工序模块进行工序设计，得到详细的工序内容。

工序设计包括确定每个工步的操作内容，以及所用的刀具、夹具、量具等。每个标准工序模块均由多个工步组成，而每个工步用工步名称代号、所用刀具类型代号和所用量具类型代号这三项数据进行描述。工艺设计实例

附录A图4-1所示齿轮轴零件的工艺过程表A1零件图毛坯图1234

附录A图4-1所示齿轮轴零件的工艺过程表A112341.加工顺序：1）—5）12341）12345）12343）12342）12344）

附录A图4-1所示齿轮轴零件的工艺过程表A1毛坯图2.辅助工艺12341）车端面2）打中心孔

附录A图4-1所示齿轮轴零件的工艺过程表A13.安排工序12341）车端面2）打中心孔3）车外圆4）调头车外圆5）热处理（调质处理等）6）铰中心孔7）磨外圆第九章计算机辅助工艺规划（CAPP）

附录A图4-1所示齿轮轴零件的工艺过程表A14.确定工步12342）打中心孔（1）钻（2）扩（3）铰1）车端面3）车外圆（1）车（2）车（3）车4）调头车外圆（1）车（2）车5）热处理6）铰中心孔7）磨外圆（1）磨2（2）磨3（3）磨4（4）调头磨1第九章计算机辅助工艺规划（CAPP）

附录A图4-1所示齿轮轴零件的工艺过程表A15.确定切削用量1234

根据机床、刀具、加工精度及被加工零件的刚度等因素，综合确定各工序（工步）的切削深度、进给量、速度。12制造资源加工过程加工方法/工艺类型原材料毛坯辅助材料设备工装工具生产线车间/工厂工序：一个（或一组）工人在一个工作地对同一个（或同时对几个）工件所连续完成的那一部分工艺过程工步：工件（或装配单元）经一次装夹后所完成的那一部分工序机械加工冲压焊接热处理喷涂装配检验电装CAPP相关概念13工艺文件CAPP相关概念14工艺工步工序车间、机床工装、模具、量具、刀具、工具参装零组件辅助材料工序图刀具、量具切削/技术参数辅助材料技术要求NC文件精度信息CAPP相关概念工艺设计数据关系15工艺设计任务树工艺设计

确定毛坯类型

确定表面特征元素

制订工艺流程

工序设计

识别工件材料类别

确定毛坯类别

外部特征元素

内部特征元素

确定毛坯尺寸

选择表面的各准备工序

确定工艺流程内容

工序规划

机床选择

选择装夹方式

通用工夹量具选择

专用工夹量具设计规划

工序内容设计

工序图设计

确定工序中的各工步内容和次序

工步设计

工时成本计算

选择切削用量

确定工艺尺寸

选择加工余量

16CAPP的主要内容信息建模工艺决策工艺设计数据管理与输出产品信息建模制造资源建模工艺数据建模数据浏览与查询数据输出加工方法选择切削参数计算加工顺序安排……

17

工艺资源工艺规程制定工艺设计阶段零件信息CAD零件几何和工艺信息产品零件图纸毛坯形式规格

毛坯选择和设计零件信息输入毛坯信息认定

材料

工具和夹具加工方法机床刀具量具切削用量加工余量时间定额成本核算整理文件定位和夹紧方案选择加工方法选择加工顺序安排通用

加工设备

选择专用

设计

切削用量确定加工余量工序尺寸及公差计算时间定额计算技术经济方案分析工艺文件输出通用

工艺装备

选择专用

设计

工艺路线和工序内容拟定

加工设备和工艺装备的确定

工艺参数计算

工艺方案确定

工艺文件输出

计算机辅助工艺设计的详细步骤18CAPP应用意义：

将工艺设计人员从繁琐和重复性的劳动中解放出来，可以从事新产品及新工艺开发等创造性的工作节省工艺过程编制时间和编制费用，缩短工艺设计周期，降低生产成本，提高产品在市场上的竞争力有助于对工艺设计人员的宝贵经验进行集中、总结和继承，提高工艺过程合理化的程度，从而实现计算机优化设计

较少依赖于个人经验，有利于实现工艺过程的标准化，提高相似或相同零件工艺过程的一致性降低对工艺过程编制人员知识水平和经验水平的要求

减少所需的工装种类，提高企业的适应能力CAPP是CAD与CAM的桥梁，为实现CIMS创造条件19CAPP集成制造系统中的地位和作用

计算机集成制造系统（CIMS）的关键是系统集成，CAPP系统解决了CAD和CAM的连接问题，真正实现CAD/CAM集成

CAD工装CADCAMCAPPMISMASCAQ

接受CAD的几何拓扑信息、材料信息以及精度、粗糙度等工艺信息；

向CAD反馈产品的机构工艺性评价信息,满足并行产品设计要求

向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数及反映零件切削过程的刀具轨迹文件；

接收CAM反馈的工艺修改意见

向工装CAD提供工艺过程文件和工装设计任务书

向MIS(管理信息系统)提供各种工艺过程文件和夹具、刀具…信息；接受MIS反馈的工作报告和工艺修改意见

向MAS（制造自动化系统）提供各种过程文件和夹具、刀具等信息；

接受MAS反馈的工作报告和工艺修改意见

向CAQ（质量保证系统）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；接收CAQ反馈的控制数据，修改工艺过程20CAPP的发展历程

研究派生式

CAPP

推出典型系统

CAM－I1976年

研究创成式

CAPP系统智能化工艺决策方法零件信息自动获取60年末～80年代初80年代初～90年代中

深入研究派生式CAPPCAPP进入实用化

CAPP数据

管理与应用提出CAPP

研究新的

CAPP系统结构与方法

CAPP性能提高90年代中～本世纪初本世纪初～1965年Niebel首次提出CAPP思想217.2CAPP类型及基本原理CAPP系统按照工艺决策方法主要分为：检索式CAPP系统

派生式CAPP系统

创成式CAPP系统

综合式CAPP系统

由于零件及制造环境的不同，很难用一种通用的CAPP软件来满足各种不同的制造对象将派生式、创成式与人工智能结合综合而成，目的是综合派生式和创成式两者的优势，避免派生式系统的局限性和创成式系统的高难度22检索式CAPP系统检索式CAPP系统是基于工艺文件数据库的CAPP系统基本原理：按照零件编码或图号将企业现行各类工艺文件存入计算机数据库

设计时根据零件编码或图号，在工艺文件库中检索类似零件的工艺文件，由工艺人员采用人机交互方式修改、编辑

检索式CAPP系统实际上是一个工艺文件数据库的管理系统，功能较弱、自动决策能力差；开发难度小，操作方便，实用性强，与企业现有设计工作方式相一致，得到很多企业的认可，具有很高的推广价值23派生式CAPP系统基本原理：利用成组技术(GT)代码或企业现行零件图编码，根据结构和工艺相似性将零件进行分组，然后针对每个零件组编制典型工艺（主样件工艺）

设计时根据零件的GT代码和其它有关信息，按编码搜索零件族，对典型工艺进行自动化或人机交互式修改，生成符合要求的工艺文件

可看成检索式CAPP系统的发展，又称变异式CAPP系统

派生式CAPP系统柔性差，只能针对企业具体产品零件的特点开发，可移植性差，不能用于全新结构的零件工艺设计

工作原理简单，容易开发，实际投入运行的系统大多是派生式系统24创成式CAPP系统基本原理：与检索式和派生式方法不同，不是直接对相似零件工艺文件进行检索与修改，而是根据零件的信息，通过逻辑推理规则、公式和算法等，做出工艺决策而自动地“创成”一个零件的工艺规程

创成式CAPP系统包括：基于传统过程性程序结构与决策形式的CAPP系统、基于知识的CAPP专家系统、基于神经网络的CAPP系统、CAPP工具系统或骨架系统…

创成式方法接近人类解决问题的创新思维方式由于大多数工艺过程问题不能建立实用的数学模型和通用算法，工艺规程的知识难以形成程序代码，因此只能处理简单的、特定环境下的某类特定零件25基于人工神经元网络的CAPP系统

基于实例与知识的CAPP系统ANN（人工神经网络，ArtificialNeuralNetwork）理论是近年来得到迅速发展的一个国际前沿领域，也为解决现有CAPP系统存在的问题开辟了新的途径

基本原理：通过系统本身的工艺设计实例来“自我”总结、组织、学习和更新工艺设计“经验”，当经验积累到一定程度时，系统将成为一个“聪明的设计者”

特征提取与转换转换成以字符表示的加工方法训练网络样本集…

…

…

零件信息各特征加工方法应用阶段学习阶段26

CAPP系统工作原理检索式CAPP派生式CAPP创成式CAPP混合式CAPP专家系统CAPP零件类型回转体零件非回转体零件盘套类零件箱体类零件杆件类零件板块类零件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机加工CAPP焊接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CAPPCAPP的基本类型27

CAPP的基本原理成组技术的概念成组技术(GT--GroupTechnology)是机械制造过程中一种先进的科学的生产和组织管理方法，它旨在识别和开发机械制造过程中各环节诸种信息间的相似性，采取适当的组织形式和先进技术，实现其工作的合理化、科学化，使多品种、中小批和单件生产的企业获得较好的经济和社会效益。以相似性为理论基础，以成组工艺为其核心，与计算机技术、数控技术、相似论、方法论、系统论等相结合，形成了成组技术。28

成组技术相似性基本相似性

：

几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等。派生相似性：

在制造、装配的生产、经营、管理等方面所导出的相似性。成组工艺成组工艺是以零件结构和加工工艺相似为依据，把这些零件划归为相似性零件组，组成零件族，按零件族制定出每一组的工艺规程，以扩大批量，减少品种，提高效率的生产方式。29

成组工艺设计方法复合零件法：又称为样件法，它是利用一种所谓的复合零件来设计成组工艺的方法。复合路线法：以一个工序最多、安排合理的、有代表性的工艺路线作为加工该组零件的基本路线，再将其它零件有的、而基本路线没有的工序按合理顺序一一添入，便可最终得出一个工序齐全、安排合理的满足全组零件要求的成组工艺。主要针对非回转零件。复合零件法示例c1—车端外圆c2—车另一端外圆、螺纹、倒角X1—铣键槽Z—钻径向辅助孔复合工艺路线法示例X1铣一面

x2铣另—面

Z预钻待铣槽孔或钻孔C车端面及镗孔

X铣槽30

零件分类编码系统概念

用数字、字母或符号，将机械零件图上的各种特征进行描述和标识的一套特定的法则和规定。基本编码结构层次结构链式结构混合结构每一个后级符号的意义取决于前级符号的值。特点：密实，能以有限个位数传递大量有关零件信息有序符号的意义是固定的，与前级符号无关。特点：处理具有特殊属性的零件方便，识别性好。是层次结构与链式结构组合而成。特点：具有两者的优点，实用性强。编码分类法根据零件特征，将零件的设计信息、制造信息和管理信息等转译成代码，按照相似标准直接编码进行分类。此法比较科学，有助于应用计算机辅助成组技术的实施。难点是相似性标准的确定。31

常用分类编码系统Opitz编码系统(德国)

KK-3编码系统(日本)JLBM-1编码系统(中国)SULZER系统(瑞士)米特洛凡诺夫系统(前苏联)是一个十进制9位代码的混合结构编码系统。是一个十进制21位代码的混合结构编码系统。是一个十进制15位代码的混合结构编码系统。32

OPITZ系统分类编码示例——法兰盘逻辑推理决策

在工艺过程设计中，诸如各种型面加工方法的选择、工序工步排序、刀具选择、机床选择等问题，都可以来用确定性的逻辑推理来决策。常用的逻辑推理决策有决策树和决策表两种形式，但其原理是相同的，只是表现形式不同。可视其适用场合选择，并可互相转换。决策树1．决策树的原理和结构

决策树又称判定树，它是用树状结构来描述和处理“条件”和“动作”之间的关系和方法。决策树是一种由结点和分支(边)构成的图。

结点有根结点、中间结点和终结点之分，它表示一次测试或一个动作，最后拟采取的动作一般放在终结点上。分支(边)连接两次测试和动作。

由根结点到终结点的一条路径表示一条决策规则。决策树2.加工方法选择用的决策树下图表示了孔、沟槽、内螺纹的加工方法选择所用的决策树，其中孔的加工方法选择要考虑孔径、位置度和孔径公差等问题，所选用的加工方法各有不同。决策表1．决策表的结构

决策表又称判定表，它是用表格结构来描述和处理“条件”和“动作”之间的关系。决策表是用符号描述事件之间逻辑关系的一种表格，它用横竖两条双线或粗线将表格划分成4个区域.其中，左上方区列出所有条件．左下方区列出根据条件组合可能出现的所有动作；竖双线右侧为一个矩阵，其中上方“为条件(可能)组合，下方为对应的动作即采取的决策。因此．矩阵的每一列可看成是一条决策规则。37

决策表表示方法例子如果该圆柱表面有螺纹，还有退刀槽，则进行车外圆、车退刀槽、车螺纹工序；如果该圆柱表面有螺纹，没有退刀槽，则进行车外圆、车螺纹工序；如果该圆柱表面没有螺纹，但有功能槽，则进行车外圆、车功能槽工序；如果该圆柱表面没有螺纹，也没有功能槽，则进行车外圆加工。

圆柱表面加工决策表的表示方法有螺纹TTFF有功能槽TF有退刀槽TF车退刀槽、车外圆、车螺纹X车外圆、车功能槽X车外圆、X车外圆、车螺纹X智能思维决策

在工艺过程设计中，有些问题的决策往往依赖于工艺人员的经验和智能思维能力，因此需要应用人工智能。

智能是运用知识解决问题的能力，学习、推理和联想三大功能是智能的重要因素。人工智能(Artificialintelligence，AI)在计算机科学中设计智能计算机系统，这些系统呈现出与人类的智能行为如理解语言、学习、推理、联想和解决问题等有关特性。

智能思维决策有专家系统、模糊逻辑、神经网络、遗传算法、蚊群算法等方法。39

智能CAPP系统特点：加入推理机制。以人工智能、专家系统技术为基础的CAPP系统。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。

创成式CAPP：“逻辑算法＋决策表”

专家系统CAPP：“逻辑推理＋知识”

专家用户知识库开发系统知识库解释系统推理机知识获取知识应用人机接口407.3CAPP的结构组成及基本技术CAPP系统构成与开发环境、产品对象、规模的大小等因素相关

存放CAD系统完成的产品设计信息存放企业加工设备、工装工具等制造资源的相关信息存放产品制造工艺规则、工艺标准、工艺数据手册、工艺信息处理的相关算法和工具…

存放零件族典型零件的工序卡、工步卡、工艺流程图、加工参数…，供系统参考使用存放CAPP系统生成的产品制造工艺信息，供输出工艺文件、数控加工编程和生产管理与运行控制系统使用存放工艺流程图、工序卡、工步卡等系统输入输出模板、手工查询工具和系统操作工具集…

417.3CAPP的结构组成及基本技术CAPP系统构成与开发环境、产品对象、规模的大小等因素相关

控制模块：协调各模块的运行，实现人机间信息交流，控制产品设计信息获取方式零件信息获取模块：产品设计信息输入工艺路线设计模块：加工工艺流程决策，生成工艺过程卡工序决策模块：选定加工设备、定位安装方式、加工要求，生成工序卡输出模块：输出工艺流程卡、工序和工步卡，工序图…

工步决策模块：选择刀具轨迹、加工参数，确定加工质量要求，生成工步卡及提供形成NC指令所需的刀位文件427.4CAPP发展现状和发展趋势CAPP与CAD的零件信息输入问题，直接关系CAPP系统能否真正实现实用化和商品化

CAD/CAPP/CAM集成理想方法：用通用数据结构规范产品设计与制造全过程的产品定义模型机械制造业迫切需要研究开发新型CAD系统，建立CAD，CAPP，CAM统一的零件模型1）CAPP系统零件信息的描述与输入2）CAPP系统的通用性3）系统的柔性4）工艺数据库与知识库的建造5）探索有效的工艺决策方法和系统结构6）工序尺寸的自动确定和工序图自动生成CAPP发展现状43CAPP发展现状

工艺设计是个性很强工作

CAPP系统通用化需解决CAPP系统结构和方法上的许多基础问题，如：使CAPP所用的工艺决策规则与系统各工艺决策模块完全独立，修改和添加有关规则而不必修改源程序就能满足不同用户的需要；

对工艺设计进行规范化和标准化工作；

建立通用化、标准化和开放性的工艺数据和知识库…1）CAPP系统零件信息的描述与输入2）CAPP系统的通用性3）系统的柔性4）工艺数据库与知识库的建造5）探索有效的工艺决策方法和系统结构6）工序尺寸的自动确定和工序图自动生成44CAPP发展现状CAPP应用环境千差万别系统应同时具有基于典型工艺或实例的检索式设计功能，基于实例的派生式设计功能与基于知识的创成式设计等功能满足不同用户系统不但能生成面向普通机床的工艺文件，还应能生成面向数控加工环境的工艺文件，输出各种格式的工艺文件1）CAPP系统零件信息的描述与输入2）CAPP系统的通用性3）系统的柔性4）工艺数据库与知识库的建造5）探索有效的工艺决策方法和系统结构6）工序尺寸的自动确定和工序图自动生成45CAPP发展现状CAPP系统所需工艺知识与规则，包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验、规则…，工艺决策知识的收集和整理是建立CAPP专家系统最基本和最重要的工作之一组织和管理工艺决策所用的数据信息，使之适用于各种不同的企业和产品，并便于扩充和维护，是目前CAPP系统需要迫切解决的问题1）CAPP系统零件信息的描述与输入2）CAPP系统的通用性3）系统的柔性4）工艺数据库与知识库的建造5）探索有效的工艺决策方法和系统结构6）工序尺寸的自动确定和工序图自动生成46CAPP发展现状

研究CAPP专家系统开发工具使系统具有柔性和通用性；开发基于神经元网络的CAPP系统使系统具有自适应、自组织、自学习和联想记忆功能，并避免推理过程中的组合爆炸…；建造基于实例与知识的CAPP系统，使系统能从已设计过的实例中自动总结、归纳和记忆有关经验（即知识），并以此为基础进行工艺设计，从而提高系统的工作效率…1）CAPP系统零件信息的描述与输入2）CAPP系统的通用性3）系统的柔性4）工艺数据库与知识库的建造5）探索有效的工艺决策方法和系统结构6）工序尺寸的自动确定和工序图自动生成47CAPP发展现状

工序尺寸的计算与确定（包括毛坯尺寸确定…），以及参数化的基于特征的工序图生成方法，成为目前CAPP要解决的重要问题1）CAPP系统零件信息的描述与输入2）CAPP系统的通用性3）系统的柔性4）工艺数据库与知识库的建造5）探索有效的工艺决策方法和系统结构6）工序尺寸的自动确定和工序图自动生成48CAPP发展趋势（1）集成化趋势（2）工具化趋势（3）智能化趋势49（1）集成化趋势集成化系统优势：与CAD系统集成从根本上解决CAPP系统的零件信息输入问题集成化系统采用统一的数据规范便于对各种数据的统一处理集成化是CAPP系统的一个重要发展趋势CADCAPPCAM工艺设计信息：

对工步全面、详细的规范描述，输出符合NC加工的工艺原则、数控加工工序决策结果零件详细信息

零件的几何工艺特征集成化指CAD/CAPP/CAM的局部集成50（2）工具化趋势工艺设计的共性与个性分开处理工艺决策方式多样化具有功能强大、使用方便和统一标准的数据与知识库管理平台智能化输出工具化思想主要表现：

共性主要包括：推理控制策略和一些公共算法以及通用的、标准化的工艺数据与工艺决策知识个性主要包括：与特定加工环境相关的工艺数据及工艺决策知识

具有友好统一的人机工作界面具有功能强大、便利的数据与知识库管理系统，便于用户对各种工艺数据与知识的获取、表达、管理与维护

系统可按标准格式输出各种工艺文件，还可输出由用户自定义的工艺文件

单一的推理控制策略不能满足用户的需要，系统应能给用户提供多种工艺设计方法51（3）智能化趋势

依靠传统的过程性软件设计技术，如利用决策表或决策树进行工艺决策软件的设计等，已不能满足工程实际对CAPP的