什么是CAPP系统？

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。

CAPP技术的研究和发展源于20世纪60年代。1969年挪威推出了世界上第一个CAPP系统AUTOPROS，并于1973年商品化。美国于20世纪60年代末70年代初着手于CAPP系统。

CAPP系统的结构组成：基本结构由零件信息的获取、工艺决策、工艺数据库/知识库、人机界面、工艺文件管理/输出等五大模块组成。

在集成化的CAD/CAPP/CAM系统中，由于设计时在公共数据库中所建立的产品模型不仅仅包含了几何数据，也记录了有关工艺需要的数据，以供计算机辅助工艺规划利用。计算机辅助工艺规划的设计结果也存回公共数据库中供CAM的数控编程。

集成化的作用不仅仅在于节省了人工传递信息和数据，更有利于产品生产的整体考虑。从公共数据库中，设计工程师可以获得并考察他所设计产品的加工信息，制造工程师可以从中清楚地知道产品的设计需求。全面地考察这些信息，可以使产品生产获得更大的效益。

焊接板材特征拼装CAPP开发环境的研究与实践

摘要：简要介绍了CAPP系统的开发及原理，以集成环境下支座类、箱体类等焊接零件CAPP系统的开发为例，重点讨论了焊接类零件CAPP系统在集成环境下的开发及实践的问题。

关键词：CAPP；集成环境；焊接零件； 知识库

引言 CAPP（Computer Aided Process Planning）技术愈来愈受到人们的重视，近年来发展迅速。CAPP是连接CAD和CAM的桥梁和纽带，是集成生产环境中的一个重要环节。工艺过程设计作为机械制造企业生产准备的主要内容，对于保证产品质量，缩短生产周期，降低成本和提高经济效益都起着重要作用。

1 CAPP原理

CAPP是利用计算机生成工艺的基本原理，是把经过标准化或优化的工艺或编制工艺的逻辑思想（长期以来工艺人员积累的知识和经验），通过CAPP系统存入计算机，在计算机生成工艺时，CAPP系统首先读取有关零件的信息，然后识别并检索一个零件族的复合工艺和有关工序，经过删减和编辑（派生式）；或按工艺决策逻辑进行推理（创成式）自动生成具体零件的工艺。计算机只能按CAPP软件规定的方式生成工艺过程，而不能创造新的工艺方法，新的加工参数。

2 CAPP开发研制策略

（1）产品信息的描述应满足不同企业的要求。产品信息描述可概括为两个方面 ：（1） 产品图纸信息描述法；（2）CAD信息描述法。由于许多企业的CAD和CAPP之间要实现集成还有许多困难和相当长的时间，因此对这类企业，在若干年内还需使用产品图纸信息描述法。另外，对于一些计算机应用条件好的企业，需要实现CAD/CAPP/CAM的集成，在设计开发工具时，应以STEP文件为依据，配以信息转换工具以识别和利用CAD对零件描述的各种信息，生成工艺规程。在先进的CAPP体系结构基础上，按照不同类型CAPP的功能需求，划分各任务功能模块，研制各模块对应的构造工具，如零件信息构造工具，工序设计构造工具等。 （2）开发设计中应引入专家系统、特征造型技术、面向对象的程序和图形设计的并行工程技术和信息集成技术等新技术，以使用此工具生成的CAPP系统适应制造技术的发展，便于CIMS的集成，同时注意系统的通用性和先进性及灵活性并存。 （3）CAPP开发应具有工艺设计方式的多样性。根据多年CAPP的研究实践可知，满足各类零件工艺设计的要求，CAPP系统必须具备多种控制策略。 （4）CA1PP开发工具的原理研制CAPP开发工具的目的是使开发工具具有通用性，它为建立不同生产环境下不同类型产品的CAPP系统提供一个设计环境，用户通过这个工具经过必要的输入预准备和简单的、标准化的二次能快速生成实用的面向某类产品的CAPP系统；同时使开发工具构造成的CAPP系统具有不同的知识库内容，每个知识库中的知识简单先进，代表当前工艺和制造技术的发展水平，跟踪高技术的发展[1]。把问题抽象并成为构件用户利用CAPP开发工具提供的构造一个实用系统工程的原型，用户在友好界面的引导下，按具体规定输入有关工艺设计知识和数据，就可构成一个面向特定加工对象、特定制造环境、特定工艺习惯的具体CAPP系统。

3 集成环境下CAPP系统的开发研究

CAPP克服了人工进行工艺设计时设计效率低一致性差和标准化程度低的不足。计算机集成制造系统（CIMS）是工厂组织现代化生产的一种新型模式，它把各个分散的自动化通过相关技术集成一个优化的整体CAD/CAPP/CAM是公认的CIMS的关键，而CAPP又是连接CAD和CAPP纽带。本文所介绍的焊接板材组合类零件需求量较多且实用性好的焊接拼装类零件CAPP系统十分急需。

3.1 焊接板材特征拼装零件CAPP及组成

焊接板材特征单元 对焊接拼装支座类、箱体类零件进行分折，可以得出有以下特点：零件形状结构尺寸相差大、多变性，但局部结构基本定型或类似的特点，将其分为标准结构或非标准结构(同类结构或典型结构)，再将非标准结构统计归纳成典型结构。如果用派生方式，按照零件形状或工艺相似性来划分零件族，则较为困难若兼顾支座展示件轮廓形状的工艺性，则可按零件各功能特征进行划分。划分各展开件的原则是建立在成组技术的思想上，即按形状的结构、功能、辅助特征划分为若干个单元，各单元经过交互式生成，并逐步拼装成整个零件。图2列出了支座类零件部分展开件轮廓特征单元。在完成图形拼装的同时，为体现设计者所选择的各种特征的先序，系统中用特征代码加以区别。基于上述设计思想和功能的需要，本系统采用知识集成、模块化分层并行结构、数据管理与图形处理一体化的结构，使之在系统控制下同步达到图形参数化及自动拼装过程。系统总体结构如图3所示。整个系统主要由两个相对独立的模块组成 ：CAD设计模块 ；CAPP设计模块。

3.2 CAPP系统的决策机制

本系统的工艺设计模块为创成式工艺设计模式。

（1）工艺决策知识库传统检索式CAPP系统是针对某个成组编码存储典型工艺规程，工件则需要匹配全部码位；同时，成组编码与工艺规程一一对应，不能表达零件具有的多种可行工艺。本系统零件采用创成方式进行决策，并以基于知识的专家系统方式来实现。系统中创成功能模块的工艺知识获取是针对焊接类零件自身状况制定并符合实际的工艺决策规则。如焊接支座类零件的下料，切割或冲裁工艺往往较为一致，如图2所示焊接板材的底板类、支板类、加强板类、筋板类等类零件往往不需要弯曲、拉深等工序，仅通过下料、冲裁工序便可得到最终形状。由此，可将工艺设计任务划分为3个子模块，并针对每个子模块建立相应的知识库，即①根据不同的板材零件类型选取加工所必需的冲压（切割）工序；②针对已经确定的零件加工工序序列进行详细设计； ③对前两个模块形成的零件加工工序序列，逐次选择相应的加工设备、工艺装备等。 经过子模块的分解，将原来规模较大的设计任务按照设计过程的不同阶段划分成规模较小的设计任务。这样不仅减少了求解规模，使设计目标更加明确，而且容易建立各子模块对应的知识库，同时规则表达简单，使推理速度更快。 （2）工艺决策规则的制定 ① 工序选择知识库 由于冲压或切割板材件的形状、尺寸、精度要求、批量大小、原材料性能不同，所采用的冲压工艺方法也不同，但概括起来冲压工艺可以分为分离工序和成形工序两大类。分离工序包括剪切、冲裁、切口、切边、修整等；成形工序包括弯曲、拉延、局部成形等。工序选择规则是用来判断当前设计的零件在加工中需要上述冲压硬度工序中的哪几种。 ② 工序设计知识库 工序设计是针对已确定使用的工序每个进行详细决策设计、分析这些工序是分散还是集中进行，最后形成加工工序序列。为了减小知识规则集的搜索空间，明确各工序设计范围，将工序设计规则集分成规则子集，每一规则子集中的规则是面向某一个冲压工序对象制定的。这样使得规则集的结构更清晰，决策速度快，并且容错性好。 ③ 辅助设计知识库为了使CAPP系统达到实用的程度，仅有上述推理的工序序列是不够的，还需要能形成符合生产实际的工艺文件。这样，CAPP系统就具备有工序内容设计的决策知识，具体包括：机床选择规则集、工装选择规则集等，最后才能生成详细的工艺规程。

3.3 数据存储与交换

在集成环境下，用户所选择或输入的信息需要保存到数据库中才能使用。本系统采用的是文档—视图类结构来保存和交换信息，即CAD、CAPP所需的信息和直接由用户输入的动态数据都保存在文档类中，即把它们定义成文档类的公有数据成员，使视图类也可调用[2]。 在集成环境下如图3所示，文档—视图类用以存储零件初始信息、中间信息和最终设计结果。系统将知识库分为工序选择知识库、工序设计知识库和规则集3部分。前两部分存储叙述性知识，如工序集、工步集以及表头信息集等；后者存储过程性知识，如加工方法选择、工艺路线安排及工装、设备选择等工艺决策性知识。由于系统采用VisualC 面向对象的程序开发语言，系统更注重的是各个类对象之间的关系、类对象内部的凝聚，使得知识的表达相当自如，搜索匹配方便、迅速。

3.4 CAPP推理机的实现

系统推理模块分为3步进行：（1）、工序选择推理；（2）、工序设计推理；（3）、选择设备、工装及辅助设计推理。焊接板材支座类零件工艺设计一般按照下面步骤进行：首先将焊接板材支座，如底板类、支板类、加强板类、筋板类等非平板冲压件展开成平面，算出展开件尺寸，并确定下料尺寸；然后按零件特征归类成特征图形菜单及冲压工艺性，决定板材所需的各工序类型及支座特征拼装工序组合形式；最后根据已确定的各板材的工序，选择机床、工装、确定工时等，最终并行完成支座类零件的2维工程图、3维立体图和板材的工艺设计。如图4（a）、（b）由系统自动生成的焊接板材特征拼装3维零件立体图。图5所示为CAPP推理流程图。图中推理机根据保存在文档类数据Code[ ]中特征代码，推出加工板材零件各个特征表面的工序。这些工序以数字来表示，并保存在一个int型2维数组中。然后进行排序、删除重复工序，最后构成加工工序链。整个推理逻辑按照混合推理的方法更符合工艺设计人员对支座类零件进行工艺设计的思路。系统按照这一推理过程，将产生的数据是一系列的数字，通过这些数字与工序选择知识库、工序设计知识库中相应工序内容对应起来，并生成最终的工艺数据[3]。图3中CAPP所需的最终工艺数据在视图类完成。视图类数据生成后并指向文档类的指针，从文档类取出基本数据，经过逻辑推理的转换，产生工艺文件所需的数据，最后在视图里输出完整的零件工艺规程。

4 结束语

在集成环境下研究焊接板材特征拼装CAPP系统，其数据库采用文档—视图结构，对目前大多数在研究集成环境下采用专用的数据库技术，提出了一种新的方法。利用该集成环境下的研究CAPP的基本思路，不仅对焊接板材类零件的实际应用取得良好效果，同时对进一步研究其它非回转体零件在集成环境下的CAPP以及类似的集成系统有一定的参考价值。

CAPP技术的研究和发展源于20世纪60年代。1969年挪威推出了世界上第一个CAPP系统AUTOPROS，并于1973年商品化。美国于20世纪60年代末70年代初着手于CAPP系统。

CAPP系统的结构组成：基本结构由零件信息的获取、工艺决策、工艺数据库/知识库、人机界面、工艺文件管理/输出等五大模块组成

CAPP的地位：⑴可以将工艺设计人员从繁琐和重复性的劳动中解脱出来，以更多的时间和精力从事更具创造性的工作。⑵可以大大缩短工艺设计周期，提高企业对瞬息变化的市场需求作出快速反应的能力，提高企业产品在市场上的竞争能力。⑶有助于对工艺设计人员的宝贵经验进行总结和继承。⑷有利于对工艺设计的最优化和标准化。⑸为实现企业信息集成创造条件，进而便于实现并行工程、敏捷制造等先进生产制作模式。

CAPP(Computer Aided Process Planning，中文意思是计算机辅助工艺规划）是通过向计算机输入被加工零件的原始数据，加工条件和加工要求，由计算机自动地进行编码，编程直至最后输出经过优化的工艺规程卡片的过程。这项工作需要有丰富生产经验的工程师进行复杂的规划，并借助计算机图形学、工程数据库以及专家系统等计算机科学技术来实现的。计算机辅助工艺规划常是联结计算机辅助设计(CAD）和计算机辅助制造（CAM）的桥梁。

在集成化的CAD/CAPP/CAM系统中，由于设计时在公共数据库中所建立的产品模型不仅仅包含了几何数据，也记录了有关工艺需要的数据，以供计算机辅助工艺规划利用。计算机辅助工艺规划的设计结果也存回公共数据库中供CAM的数控编程。集成化的作用不仅仅在于节省了人工传递信息和数据，更有利于产品生产的整体考虑。从公共数据库中，设计工程师可以获得并考察他所设计产品的加工信息，制造工程师可以从中清楚地知道产品的设计需求。全面地考察这些信息，可以使产品生产获得更大的效益。

计算机辅助工艺规划（CAPP-computer aided process planning）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，这一过程称为计算机辅助工艺规划。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。

计算机辅助工艺规划通常多被译为计算机辅助工艺过程设计。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。实际上国外常风的一些 ，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。

计算机辅助工艺规划的内容主要有：

①产品零件信息输入；②毛坯选择及毛坯图生成；③定位夹紧方案选择；④加工方法选择；⑤加工顺序安排；⑥加工设备和工艺装备确定；⑦工艺参数计算；⑧工艺信息（文件）输出。

进行计算机辅助工艺计划的方法有：①检索式；②派生式（variant），亦称变异式、修订式、样件式等；③生成式（generative），亦称创成式；④综合式等。

1976年美国的国际计算机辅助制造公司CAM-I(Computer-Alded Manufacturing-International,Inc）所推出的CAPP系统最著名、应用最广泛，在发展历史上具有里程碑意义。此后，世界上有众多CAPP系统问世，上海同济大学在1982年开发出中国第一个CAPP系统，即TOJICAP系统。计算机辅助工艺规划可以大大减轻工艺工程师的繁重劳动、提高工艺设计质量、缩短生产准备周期、提高生产率、减少制造成本等，无论是对单件小批多品种生产还是对大批量生产都有重要意义。

当前，计算机辅助工艺规划正在向集成化、智能化、柔性化方向发展，对柔性CAPP（非线性CAPP、可选CAPP）、动态CAPP（闭环CAPP 、实时CAPP）、分布式CAPP、可重构CAPP、集成环境下CAPP、并行工程环境下 CAPP以及智能CAPP等系统进行了研究和开发。

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