計算機輔助工藝過程設計

CAPP ^[1]  是Computer Aided Process Planning(計算機輔助工藝規劃或設計)的英文縮寫。由於長期以來採用手工方式進行的傳統工藝過程設計不可避免地存在一些缺陷:對工藝設計人員要求高;工作量大,效率低下:難以保證數據的準確性;且信息不能共享等:同時,計算機技術的發展及其在機械製造業中的廣泛應用,使得計算機輔助工藝設計(以即)應運而生,廣度和深度也在不斷髮展中。

一般講,CAPP就是利用計算機技術來輔助完成工藝過程的設計並輸出工藝規程,可縮短工藝設計週期,對設計變更作出快速響應,提高工藝部門的工作效率和工作質量;但為滿足CAD/CAPP/CAM集成系統及CIMS發展的需要,對CAPP的認識應進一步擴展,即對其廣義的理解:CAPP的一頭向生產規劃最佳化及作業計劃最佳化發展,作為M即n的一個重要組成部分;CAPP向另一頭擴展能夠生成NC指令,使其起到連接CAD和CMA及MRlPl等應用系統的橋樑作 ^[1]  用,成為現今許多先進製造技術的技術基礎之一。

CAPP系統的構成，視其工作原理、產品對象、規模大小不同而有較大的差異。CAPP系統基本的構成模塊包括：

（1）控制模塊。控制模塊的主要任務是協調各模塊的運行，是人機交互的窗口，實現人機之間的信息交流，控制零件信息的獲取方式；

（2）零件信息輸入模塊。當零件信息不能從CAD系統直接獲取時，用此模塊實現零件信息的輸入；

（3）工藝過程設計模塊。工藝過程設計模塊進行加工工藝流程的決策，產生工藝過程卡，供加工及生產管理部門使用；

（4）工序決策模塊。工序決策模塊的主要任務是生成工序卡，對工序間尺寸進行計算，生成工序圖；

（5）工步決策模塊。工步決策模塊對工步內容進行設計，確定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件；

（6）NC加工指令生成模塊。NC加工指令生成模塊依據工步決策模塊所提供的刀位文件，調用NC指令代碼系統，產生NC加工控制指令；

（7）輸出模塊。輸出模塊可輸出工藝流程卡、工序卡、工步卡、工序圖及其它文檔，輸出亦可從現有工藝文件庫中調出各類工藝文件，利用編輯工具對現有工藝文件進行修改的到所需的工藝文件；

（8）加工過程動態仿真。加工過程動態仿真對所產生的加工過程進行模擬，檢查工藝的正確性。

計算機輔助工藝過程設計系統按其工作原理可分為檢索式、派生式、創成式等。

（1）檢索式工藝過程設計系統是針對標準工藝的，將設計好的零件標準工藝進行編號，存儲在計算機中，當制定零件的工藝過程時，可根據輸入的零件信息進行搜索，查找合適的標準工藝。

（2）派生式工藝過程設計就是利用零件有相似性，相似的零件有相似的工藝過程"這一原理，通過檢索相似典型零件的工藝過程，加以增刪或編輯而派生一個新零件的工藝過程。

（3）創成式工藝過程設計系統和派生式系統不同，它是根據輸入的零件信息，依靠系統中的工程數據和決策方法自動生成零件的工藝過程。

CAPP的基礎技術包括：

（1）成組技術（Group Technology）；

（2）零件信息的描述與獲取；

（3）工藝設計決策機制；

（4）工藝知識的獲取及表示；

（5）工序圖及其它文檔的自動生成；

（6）NC加工指令的自動生成及加工過程動態仿真；

（7）工藝數據庫的建立。

CAPP是將產品設計信息轉換為各種加工製造、管理信息的關鍵環節，是企業信息化建設中聯繫設計和生產的紐帶，同時也為企業的管理部門提供相關的數據，是企業信息交換的中間環節。

CAPP：計算機輔助工藝過程設計（computer aided process planning）

CAPP的開發、研製是從60年代末開始的，在製造自動化領域，CAPP的發展是最遲的部分。世界上最早研究CAPP的國家是挪威，始於1969年，並於1969年正式推出世界上第一個CAPP系統AUTOPROS；1973年正式推出商品化的AUTOPROS系統。

在CAPP發展史上具有里程碑意義的是CAM-I於1976年推出的CAM-I’S Automated Process Planning系統。取其字首的第一個字母，稱為CAPP系統。對CAPP這個縮寫法雖然還有不同的解釋，但把CAPP稱為計算機輔助工藝過程設計已經成為公認的釋義。

CAPP（computer aided process planning,計算機輔助工藝過程設計）的作用是利用計算機來進行零件加工工藝過程的制訂，把毛坯加工成工程圖紙上所要求的零件。它是通過向計算機輸入被加工零件的幾何信息（形狀、尺寸等）和工藝信息（材料、熱處理、批量等），由計算機自動輸出零件的工藝路線和工序內容等工藝文件的過程。

計算機輔助工藝過程設計也常被譯為計算機輔助工藝規劃。國際生產工程研究會（CIRP）提出了計算機輔助規劃(CAP-computer aided planning)、計算機自動工藝過程設計 (CAPP-computer automated process planning)等名稱，CAPP一詞強調了工藝過程自動設計。

實際上國外常用的一些，如製造規劃(manufacturing planning)、材料處理(material processing)、工藝工程(process engineering)以及加工路線安排(machine routing)等在很大程度上都是指工藝過程設計。計算機輔助工藝規劃屬於工程分析與設計範疇，是重要的生產準備工作之一。

由於計算機集成製造系統(CIMS-computer integrated manufacturing system)的出現，計算機輔助工藝規劃上與計算機輔助設計 (CAD-computer aided design)相接，下與計算機輔助製造（CAM-computer aided manufacturing）相連，是連接設計與製造之間的橋樑，設計信息只能通過工藝設計才能生成製造信息，設計只能通過工藝設計才能與製造實現功能和信息的集成。由此可見CAPP在實現生產自動化中的重要地位。

自從1965年Niebel首次提出CAPP思想，迄今50多年，CAPP領域的研究得到了極大的發展，期間經歷了檢索式、派生式、創成式、混合式、專家系統、工具系統等不同的發展階段，並湧現了一大批CAPP原型系統和商品化的CAPP系統。

在CAPP工具系統出現以前，CAPP的目標一直是開發代替工藝人員的自動化系統，而不是輔助系統，即強調工藝設計的自動化和智能化。但由於工藝設計領域的個性化、複雜性，工藝設計理論多是一些指導性原則、經驗和技巧，因此讓計算機完全替代工藝人員進行工藝設計的願望是良好的，但研究和實踐證明非常困難，能夠部分得到應用的至多是一些針對特定行業、特定企業甚至是特定零件的專用CAPP系統，還沒有能夠真正大規模推廣應用的實用的CAPP系統。

在總結以往經驗教訓的基礎上，國內軟件公司提出了CAPP工具化的思想：CAPP是將工藝人員從許多工藝設計工作中解脱出來的一種工具；自動化不是CAPP唯一的目標；實現CAPP系統的以人為本的宜人化的操作、高效的工藝編制手段、工藝信息自動統計彙總、與CAD/ERP/PDM系統的信息集成、具有良好的開放性與集成性是工具化CAPP系統研究和推廣應用的主要目標。

工具化CAPP的思想在商業上獲得了極大的成功，使得CAPP真正從實驗室走向了市場和企業。藉助於工具化的CAPP系統，上千家的企業實現了工藝設計效率的提升，促進了工藝標準化建設，實現了與企業其它應用系統CAD/PDM/ERP等的集成，有力地促進了企業信息化建設。

工具化CAPP以後，CAPP如何發展？在探討這個問題之前，CAPP在應用中存在的不足和問題。

絕大多數企業，CAPP的應用集中在機械加工工藝的設計。實際上，在製造企業中，產品在整個生命週期內的工藝設計通常涉及到產品裝配工藝、機械加工工藝、鍛造工藝、鈑金衝壓工藝、焊接工藝、熱表處理工藝、毛坯製造工藝等各類工藝設計。CAPP在企業的應用缺乏應有的廣度。CAPP應用應從以零組件為主體對象的局部應用走向以整個產品為對象的全生命週期的應用，實現產品工藝設計與管理的一體化，建立企業級的工藝信息系統。

絕大部分企業CAPP的應用停留在工藝卡片的編輯、工藝信息的統計彙總、工藝流程和權限的管理與控制方面，有效地提高了工藝設計的效率和標準化水平，這是CAPP應用的基礎。但CAPP應用的深度還不夠，還不能有效地總結行業工藝 “設計經驗”和“設計知識”，從根本上解決企業有經驗的工藝師匱乏的問題。通用的CAPP 系統還無法實現對工藝知識的總結、積累和應用，如何提高CAPP系統的知識水平，實現CAPP的有限智能，是企業關心的問題，也是CAPP軟件廠商需要考慮的問題。解決了工藝設計效率、標準化、集成的問題，下一步如何幫助企業總結工藝知識和經驗是CAPP應用的關鍵。

隨着三維CAD在國內製造業的廣泛推廣應用，三維CAD在不遠的將來會成為我國企業產品設計的主流設計工具。隨着設計手段的變革，工藝設計跟着需要變革。工藝如何和三維CAD進行集成，工藝如何基於三維CAD進行加工工藝設計和裝配工藝設計等等，在很多企業都有迫切的需求。現階段，CAPP的應用基本上基於二維CAD進行，與三維CAD的集成應用還處於起步階段，有待研究和突破。

工藝是設計和製造的橋樑，工藝的數據是產品全生命週期中最重要的數據之一，工藝數據同時是企業編排生產計劃、制定採購計劃、生產調度的重要基礎數據，在企業的整個產品開發及生產中起着重要的作用。CAPP需要與企業的各種應用系統進行集成，包括CAD/PDM/ERP/MES等等。由於不少企業CAD、CAPP、ERP的應用是分階段、不同時期應用的，還存在着信息的孤島，工藝數據的價值還沒有得到有效的發揮和利用。

CAPP與PDM中的管理功能衝突

隨着CAPP應用不斷擴展，一些CAPP系統逐漸增加了工藝管理的內容，包括權限管理、流程管理、更改管理，並在工藝部門得到了一些應用。隨着企業PDM的實施推廣應用，隨之帶來的不可忽視的問題是：CAPP自身的管理功能和PDM的管理功能如何定位和相互集成。CAPP是連接設計與製造的橋樑，與上游要與PDM集成，下游要與ERP，MES系統集成。ERP，PLM，MES，CAPP中的管理功能各有偏重，有各自明確的分工和定位。因此CAPP的工藝管理功能與PDM中管理功能只要有很明確的分工和定位，就不會發生衝突和矛盾，更有利於各自系統發揮各自優勢。

根據上述分析的CAPP發展趨勢，開目公司提出了CAPP深化應用的內容及相應的解決方案。解決方案內容包括：

基於知識的CAPP系統－－參數化工藝設計平台。

基於知識的CAPP系統，解決了企業工藝知識的積累、優化的問題，極大的提高了工藝設計的效率和水平，確保了工藝設計的質量。基於知識的CAPP系統，在上海鍋爐廠有限公司得到了成功的應用。

基於三維CAD的加工工藝設計系統

提供基於三維CAD的加工工藝設計工具，可以基於3D模型定義加工工藝特徵（孔、外圓、鍵槽、中心孔等），自動獲取加工特徵信息，可以基於特徵加工知識進行輔助工藝決策，可以建立3D工藝裝備庫（機牀、卡盤、頂尖、定位銷、支撐釘等），可以生成3D工序簡圖，實現可視化的工藝裝夾規劃等。此項研究得到了“十五”國家863課題專項支持，已開發出原型系統。

基於三維CAD的可視化裝配工藝設計

提供可視化的裝配工藝設計工具。可以自動獲取三維裝配結構信息，可以可視化的指定零部件的裝配路徑和先後順序，可以生成三維裝配工序爆炸圖，裝配工序設計時，可以指定裝配工裝、工具信息，可以進行裝配過程的實體仿真。仿真過程可以指定為整個裝配過程或某一道工序的裝配過程。此項研究得到了“十五”國家863課題專項的支持，已經開發出原型系統。

工藝執行系統

工藝執行系統是CAPP深化應用的重要內容，是充分利用和提升CAPP數據的重要途徑和方法，拓展了CAPP應用的廣度和深度。工藝執行系統主要包括3個方面的內容：工藝執行規劃和管理、工藝執行質量管理和工藝執行過程管理。此項研究也得到了“十五”國家863課題專項支持，目前正在規劃開發中。

基於平台技術、可重構的CAPP系統

基於IDE（集成開發平台）和IDP（集成數據庫平台），可以實現CAPP各種層次的二次開發功能，充分滿足工藝個性化需求，適應企業發展變化的需求。藉助於平台技術，可以自定義界面，可加入任何標準的Windows控件，用户可編寫C++或VB格式的腳本程序等。可以在CAPP平台上，開發專用的CAPP系統。通過平台技術，已經開發了專用的鍛件CAPP系統。IDP（集成數據庫平台）獲得了“十五”國家863課題專項支持。

縱觀CAPP發展的歷程，可以看到CAPP的研究和應用始終圍繞着兩方面的需要而展開：一是不斷完善自身在應用中出現的不足；二是不斷滿足新的技術、製造模式對其提出的新的要求。因此，未來CAPP的發展，將在應用範圍、應用的深度和水平等方面進行拓展，表現為以下的發展趨勢：

面向產品全生命週期的CAPP系統

CAPP的數據是產品數據的重要組成部分，CAPP與PDM/PLM的集成是關鍵。基於PDM/PLM，支持產品全生命週期的CAPP系統將是重要的發展方向。

基於知識的CAPP系統

CAPP已經很好的解決了工藝設計效率和標準化的問題，下一步如何有效地總結、沉澱企業的工藝設計知識，提高CAPP的知識水平，將會是CAPP應用和發展的重要方向。

基於三維CAD的CAPP系統

隨着企業三維CAD的普及應用，工藝如何支持基於三維CAD的應用？特別是基於三維CAD的裝配工藝設計正成為企業需求的熱點。科技部在“十五”863現代集成製造系統技術主題，將“基於三維CAD的CAPP”專門立項研究和推廣。可以預見，基於三維CAD的CAPP系統將成為研究的熱點。國內開目、金葉等幾家軟件公司正在進行研究，並且開目公司已經推出了原型的應用系統。

基於平台技術、可重構式的CAPP系統

開放性是衡量CAPP的一個重要的因素。工藝的個性很強，同時企業的工藝需求可能會有變化，CAPP必須能夠持續滿足客户的個性化和變化的需求。基於平台技術、具有二次開發功能、可重構的CAPP系統將是重要的發展方向。

CAPP(Computer Aided Process Planning，又稱計算機輔助工藝設計)是指藉助於計算機軟硬件技術和支撐環境，利用計算機進行數值計算、邏輯判斷和推理等功能來制定零件的機械加工工藝過程。工藝設計是產品開發的重要環節，工藝設計的好壞直接決定零件的生產質量和生產效率以及成本。CAPP系統的實施就是為了縮短工藝編制的時間，優化工藝並實現工藝編制的自動化，減輕工藝編制人員的勞動強度；CAPP系統的應用還可以使企業的工藝文件實現標準化，實現企業內部數據的高度統一，標準化的工藝文件更加適合企業現代化的生產與管理環境，方便企業應用PDM，ERP等系統。

自從1965年Niebel首次提出CAPP思想以來，各應用軟件公司和研究所以及高校對CAPP領域的研究得到了極大的發展，主要經歷了檢索式、派生式、創成式、混合式、專家系統和工具系統等不同的發展階段，並湧現出了一大批商品化的CAPP系統。但是相對於其它信息管理系統的發展，CAPP的應用水平仍然比較滯後。

總結國內大中小企業的CAPP應用現狀，大多數企業CAPP的應用還存在一些不足和問題：

(1)大多數企業CAPP的應用僅僅是對紙質工藝卡片的電子化管理，以及實現對工藝信息的電腦自動統計彙總和權限的管理與控制方面，這種程度僅僅是實現對傳統工藝管理的電腦化管理。

(2)大多數企業CAPP的應用還不能有效地完整地總結本企業（甚至是行業）的工藝設計經驗和設計知識，因為沒有標準化的有效的工藝知識庫，造成企業的工藝編制仍然主要依靠有經驗的工藝師，CAPP系統的的智能化程度仍然很低。

(3)大多數企業的CAPP系統的繪圖環境可以與CAXA軟件集成，而與CAD軟件還不能完全集成，而大部分企業設計部門所採用的繪圖軟件都是使用的CAD繪圖軟件，這樣就造成了在CAPP系統裏面進行工藝附圖的設計和更改時比較費時費力。

(4)現階段，CAPP系統的繪圖環境侷限於二維繪圖，能夠實現三維繪圖的很少。隨着三維製圖軟件的發展的推廣應用，三維製圖在不遠的將來肯定會成為我國製造企業產品設計的主要趨勢。因此，CAPP系統的繪圖環境還有待進一步提高和完善。

針對當前CAPP系統所存在的問題，如CAPP系統在智能性、實用性、通用性、集成性和柔性等方面的不足之處，必須對以下關鍵技術進一步研究，以提高CAPP的應用水平和效果：

零件的分類編碼方法

實現CAPP系統的關鍵技術之一就是建立完善的零件分類編碼系統，建立零件分類編碼系統時，首先要提取每個零件的設計特徵和製造特徵，然後將零件的這些特徵通過編碼來識別。一般情況下，零件的特徵越多，描述這些特徵的編碼也越複雜。常用的零件分類編碼系統可以分為三種類型：以零件設計特徵為基礎的編碼系統；以零件製造特徵為基礎的編碼系統；以零件的設計和製造特徵為基礎的編碼系統。

工藝設計相關技術

常用的工藝設計技術有：相似工藝自動檢索技術、參數化工藝設計技術、模塊化/單元化工藝設計技術等。

採用相似工藝檢索技術，可以大大提高企業對成熟工藝的有效利用，提高企業工藝編制的效率和質量，同時也可以減少工藝編制人員的重複性工作，減少人力成本。

參數化工藝設計技術是一種快捷有效的工藝設計模式。首先需要建立完善的典型工藝數據庫，每種零件對應一種典型工藝，只需要將對應的典型工藝數據庫裏面的參數進行修改，就可以自動形成高質量的工藝文件。

模塊化工藝設計技術的核心思想是將製造工藝過程分解為一系列規範化的操作和規則，這些規範化的操作和規則組成不同的模塊，每個模塊裏面的操作參數可以針對不同產品進行設計更改，針對特定零件的製造工藝可以利用參數化設計技術、專家系統技術實現不同模塊化的組合。

集成環境下的工藝數據管理技術

傳統的CAPP系統工藝數據管理技術一般採用文件形式對工藝數據進行保存，對工藝數據的管理要求不高。但是，隨着大量製造企業信息化水平的不斷提高，大部分CAPP系統實在網絡化環境下實施應用的，因此，大量的工藝數據是在網絡環境下處理和共享以及存儲的，傳統的基於文件保存工藝數據的方式已經不適應網絡化和集成化的環境，這就需要深入研究網絡化集成環境下的工藝數據管理技術。總之，CAPP系統中的工藝數據管理的目的是要保證工藝數控的一致性、有效性和完整性。實現CAPP與CIMS其它子系統的信息集成和信息的充分共享。

工藝知識庫的建立技術

工藝知識庫的建立和有效管理是CAPP系統成功運行的重要環節。建立工藝知識庫時應解決以下幾個關鍵問題：共享性、完善性、柔性和安全性。在建立知識庫前，首先要做大量的調研和分析，在此基礎上，再從零散的資料中找出規律，建立起標準統一的知識庫，使之能應用於各種生產條件下的各種類型零件，並不斷地對知識庫進行完善，以適應用户不斷變化的需求。在知識庫管理過程中，將那些可以不斷被修改和擴充的知識與程序分離存儲，稱為外部知識庫；將那些用户不能隨意修改和擴充的知識固化在程序中，稱為內部知識庫。內部知識庫和外部知識庫的具體界定則是需要進一步研究的內容