计算机辅助工艺过程设计是什么

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计算机辅助工艺过程设计CAPP)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于CAPP系统,可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。

CAPP(Computer Aided Process Planning)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于 CAPP 系统,可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。也是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛胚到成品的设计和制造过程。

计算机辅助工艺过程设计是什么

简介

CAPP 是 Computer Aided Process Planning(计算机辅助工艺规划或设计)的英文缩写。由于长期以来采用手工方式进行的传统工艺过程设计不可避免地存在一些缺陷:对工艺设计人员要求高;工作量大,效率低下:难以保证数据的准确性;且信息不能共享等:同时,计算机技术的发展及其在机械制造业中的广泛应用,使得计算机辅助工艺设计(以即)应运而生,广度和深度也在不断发展中。

一般讲,CAPP 就是利用计算机技术来辅助完成工艺过程的设计并输出工艺规程,可缩短工艺设计周期,对设计变更作出快速响应,提高工艺部门的工作效率和工作质量;但为满足 CAD/CAPP/CAM 集成系统及 CIMS 发展的需要,对 CAPP 的认识应进一步扩展,即对其广义的理解:CAPP 的一头向生产规划最佳化及作业计划最佳化发展,作为 M 即 n 的一个重要组成部分;CAPP 向另一头扩展能够生成 NC 指令,使其起到连接 CAD 和 CMA 及 MRlPl 等应用系统的桥梁作用,成为现今许多先进制造技术的技术基础之一。

构成

CAPP 系统的构成,视其工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。CAPP 系统基本的构成模块包括:

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

(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。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。工序决策模块的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。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。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 指令代码系统,产生 NC 加工控制指令;

(7)输出模块。输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其它文档,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的到所需的工艺文件;

(8)加工过程动态仿真。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。

类型

计算机辅助工艺过程设计系统按其工作原理可分为检索式、派生式、创成式等。

(1)检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的,将设计好的零件标准工艺进行编号,存储在计算机中,当制定零件的工艺过程时,可根据输入的零件信息进行搜索,查找合适的标准工艺。

(2)派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性,相似的零件有相似的工艺过程”这一原理,通过检索相似典型零件的工艺过程,加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。

(3)创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同,它是根据输入的零件信息,依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。

技术

CAPP 的基础技术包括:

(1)成组技术(Group Technology);

(2)零件信息的描述与获取;

(3)工艺设计决策机制;

(4)工艺知识的获取及表示;

(5)工序图及其它文档的自动生成;

(6)NC 加工指令的自动生成及加工过程动态仿真;

(7)工艺数据库的建立。

功用

CAPP 是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节,是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带,同时也为企业的管理部门提供相关的数据,是企业信息交换的中间环节。

CAPP:计算机辅助工艺过程设计(computer aided process planning)

开发

CAPP 的开发、研制是从 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 AUTOPROS 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。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。

作用

CAPP(computer aided process planning,计算机辅助工艺过程设计)的作用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。

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(CAP-computer aided planning)、计算机自动工艺过程设计 (CAPP-computer automated process planning)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-computer integrated manufacturing system)的出现,计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计 (CAD-computer aided design)相接,下与计算机辅助制造(CAM-computer aided manufacturing)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,设计只能通过工艺设计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。

发展历史

自从 1965 年 Niebel 首次提出 CAPP 思想,迄今 50 多年,CAPP 领域的研究得到了极大的发展,期间经历了检索式、派生式、创成式、混合式、专家系统、工具系统等不同的发展阶段,并涌现了一大批 CAPP 原型系统和商品化的 CAPP 系统。

在 CAPP 工具系统出现以前,CAPP 的目标一直是开发代替工艺人员的自动化系统,而不是辅助系统,即强调工艺设计的自动化和智能化。但由于工艺设计领域的个性化、复杂性,工艺设计理论多是一些指导性原则、经验和技巧,因此让计算机完全替代工艺人员进行工艺设计的愿望是良好的,但研究和实践证明非常困难,能够部分得到应用的至多是一些针对特定行业、特定企业甚至是特定零件的专用 CAPP 系统,还没有能够真正大规模推广应用的实用的 CAPP 系统。

在总结以往经验教训的基础上,国内软件公司提出了 CAPP 工具化的思想:CAPP 是将工艺人员从许多工艺设计工作中解脱出来的一种工具;自动化不是 CAPP 唯一的目标;实现 CAPP 系统的以人为本的宜人化的操作、高效的工艺编制手段、工艺信息自动统计汇总、与 CAD/ERP/PDM 系统的信息集成、具有良好的开放性与集成性是工具化 CAPP 系统研究和推广应用的主要目标。

工具化 CAPP 的思想在商业上获得了极大的成功,使得 CAPP 真正从实验室走向了市场和企业。借助于工具化的 CAPP 系统,上千家的企业实现了工艺设计效率的提升,促进了工艺标准化建设,实现了与企业其它应用系统 CAD/PDM/ERP 等的集成,有力地促进了企业信息化建设。

工具化 CAPP 以后,CAPP 如何发展?在探讨这个问题之前,CAPP 在应用中存在的不足和问题。

不足问题

应用范围偏窄

绝大多数企业,CAPP 的应用集中在机械加工工艺的设计。实际上,在制造企业中,产品在整个生命周期内的工艺设计通常涉及到产品装配工艺、机械加工工艺、锻造工艺、钣金冲压工艺、焊接工艺、热表处理工艺、毛坯制造工艺等各类工艺设计。CAPP 在企业的应用缺乏应有的广度。CAPP 应用应从以零组件为主体对象的局部应用走向以整个产品为对象的全生命周期的应用,实现产品工艺设计与管理的一体化,建立企业级的工艺信息系统。

应用水平偏浅

绝大部分企业 CAPP 的应用停留在工艺卡片的编辑、工艺信息的统计汇总、工艺流程和权限的管理与控制方面,有效地提高了工艺设计的效率和标准化水平,这是 CAPP 应用的基础。但 CAPP 应用的深度还不够,还不能有效地总结行业工艺 “设计经验”和“设计知识”,从根本上解决企业有经验的工艺师匮乏的问题。通用的 CAPP 系统还无法实现对工艺知识的总结、积累和应用,如何提高 CAPP 系统的知识水平,实现 CAPP 的有限智能,是企业关心的问题,也是 CAPP 软件厂商需要考虑的问题。解决了工艺设计效率、标准化、集成的问题,下一步如何帮助企业总结工艺知识和经验是 CAPP 应用的关键。

基于三维 CAD 的工艺设计与管理

随着三维 CAD 在国内制造业的广泛推广应用,三维 CAD 在不远的将来会成为我国企业产品设计的主流设计工具。随着设计手段的变革,工艺设计跟着需要变革。工艺如何和三维 CAD 进行集成,工艺如何基于三维 CAD 进行加工工艺设计和装配工艺设计等等,在很多企业都有迫切的需求。现阶段,CAPP 的应用基本上基于二维 CAD 进行,与三维 CAD 的集成应用还处于起步阶段,有待研究和突破。

CAPP 系统与其它应用系统的集成

工艺是设计和制造的桥梁,工艺的数据是产品全生命周期中最重要的数据之一,工艺数据同时是企业编排生产计划、制定采购计划、生产调度的重要基础数据,在企业的整个产品开发及生产中起着重要的作用。CAPP 需要与企业的各种应用系统进行集成,包括 CAD/PDM/ERP/MES 等等。由于不少企业 CAD、CAPP、ERP 的应用是分阶段、不同时期应用的,还存在着信息的孤岛,工艺数据的价值还没有得到有效的发挥和利用。

CAPP 与 PDM 中的管理功能冲突

随着 CAPP 应用不断扩展,一些 CAPP 系统逐渐增加了工艺管理的内容,包括权限管理、流程管理、更改管理,并在工艺部门得到了一些应用。随着企业 PDM 的实施推广应用,随之带来的不可忽视的问题是: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 是连接设计与制造的桥梁,与上游要与 PDM 集成,下游要与 ERP,MES 系统集成。ERP,PLM,MES,CAPP 中的管理功能各有偏重,有各自明确的分工和定位。因此 CAPP 的工艺管理功能与 PDM 中管理功能只要有很明确的分工和定位,就不会发生冲突和矛盾,更有利于各自系统发挥各自优势。

解决方案

根据上述分析的 CAPP 发展趋势,开目公司提出了 CAPP 深化应用的内容及相应的解决方案。解决方案内容包括:

基于知识的 CAPP 系统--参数化工艺设计平台。

基于知识的 CAPP 系统,解决了企业工艺知识的积累、优化的问题,极大的提高了工艺设计的效率和水平,确保了工艺设计的质量。基于知识的 CAPP 系统,在上海锅炉厂有限公司得到了成功的应用。

基于三维 CAD 的加工工艺设计系统

提供基于三维 CAD 的加工工艺设计工具,可以基于 3D 模型定义加工工艺特征(孔、外圆、键槽、中心孔等),自动获取加工特征信息,可以基于特征加工知识进行辅助工艺决策,可以建立 3D 工艺装备库(机床、卡盘、顶尖、定位销、支撑钉等),可以生成 3D 工序简图,实现可视化的工艺装夹规划等。此项研究得到了“十五”国家 863 课题专项支持,已开发出原型系统。

基于三维 CAD 的可视化装配工艺设计

提供可视化的装配工艺设计工具。可以自动获取三维装配结构信息,可以可视化的指定零部件的装配路径和先后顺序,可以生成三维装配工序爆炸图,装配工序设计时,可以指定装配工装、工具信息,可以进行装配过程的实体仿真。仿真过程可以指定为整个装配过程或某一道工序的装配过程。此项研究得到了“十五”国家 863 课题专项的支持,已经开发出原型系统。

工艺执行系统

工艺执行系统是 CAPP 深化应用的重要内容,是充分利用和提升 CAPP 数据的重要途径和方法,拓展了 CAPP 应用的广度和深度。工艺执行系统主要包括 3 个方面的内容:工艺执行规划和管理、工艺执行质量管理和工艺执行过程管理。此项研究也得到了“十五”国家 863 课题专项支持,目前正在规划开发中。

基于平台技术、可重构的 CAPP 系统

基于 IDE(集成开发平台)和 IDP(集成数据库平台),可以实现 CAPP 各种层次的二次开发功能,充分满足工艺个性化需求,适应企业发展变化的需求。借助于平台技术,可以自定义界面,可加入任何标准的 Windows 控件,用户可编写 C++或 VB 格式的脚本程序等。可以在 CAPP 平台上,开发专用的 CAPP 系统。通过平台技术,已经开发了专用的锻件 CAPP 系统。IDP(集成数据库平台)获得了“十五”国家 863 课题专项支持。

发展趋势

纵观 CAPP 发展的历程,可以看到 CAPP 的研究和应用始终围绕着两方面的需要而展开:一是不断完善自身在应用中出现的不足;二是不断满足新的技术、制造模式对其提出的新的要求。因此,未来 CAPP 的发展,将在应用范围、应用的深度和水平等方面进行拓展,表现为以下的发展趋势:

面向产品全生命周期的 CAPP 系统

CAPP 的数据是产品数据的重要组成部分,CAPP 与 PDM/PLM 的集成是关键。基于 PDM/PLM,支持产品全生命周期的 CAPP 系统将是重要的发展方向。

基于知识的 CAPP 系统

CAPP 已经很好的解决了工艺设计效率和标准化的问题,下一步如何有效地总结、沉淀企业的工艺设计知识,提高 CAPP 的知识水平,将会是 CAPP 应用和发展的重要方向。

基于三维 CAD 的 CAPP 系统

随着企业三维 CAD 的普及应用,工艺如何支持基于三维 CAD 的应用?特别是基于三维 CAD 的装配工艺设计正成为企业需求的热点。科技部在“十五”863 现代集成制造系统技术主题,将“基于三维 CAD 的 CAPP”专门立项研究和推广。可以预见,基于三维 CAD 的 CAPP 系统将成为研究的热点。国内开目、金叶等几家软件公司正在进行研究,并且开目公司已经推出了原型的应用系统。

基于平台技术、可重构式的 CAPP 系统

开放性是衡量 CAPP 的一个重要的因素。工艺的个性很强,同时企业的工艺需求可能会有变化,CAPP 必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的 CAPP 系统将是重要的发展方向。