计算机辅助工艺过程设计

计算机辅助工艺过程设计5/9/20241计算机辅助工艺过程设计本章

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5/9/20242计算机辅助工艺过程设计1.概述CAPP的基本概念CAPP在集成制造系统中的地位和作用CAPP类型及基本原理CAPP结构组成及基本技术CAPP发展趋势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5/9/20243计算机辅助工艺过程设计CAPP基本概念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5/9/20244计算机辅助工艺过程设计CAPP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5/9/20245计算机辅助工艺过程设计CAPP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……5/9/20246计算机辅助工艺过程设计CAPP系统工作过程与步骤5/9/20247计算机辅助工艺过程设计CAPP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5/9/20248计算机辅助工艺过程设计自动化制造系统

自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下，将原材料加工成零件或将零件组装成产品，在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括产品的优化设计；程序的编制及工艺的生成；设备的组织及协调；材料的计划与分配；环境的监控等。自动化制造系统包括刚性制造和柔性制造系统。CAPP集成制造系统中的地位和作用5/9/20249计算机辅助工艺过程设计管理信息系统所谓MIS（管理信息系统--ManagementInformationSystem）系统，是一个以人为主导，利用计算机硬件、软件及其他办公设备进行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统，以企业战略竞优、提高收益和效率为目的，支持企业高层决策、中层控制和基层操作。CAPP集成制造系统中的地位和作用5/9/202410计算机辅助工艺过程设计质量保证系统（体系）质量保证体系（QualityAssuranceSystem/QAS）是指企业以提高和保证产品质量为目标，运用系统方法，依靠必要的组织结构，把组织内各部门、各环节的质量管理活动严密组织起来，将产品研制、设计制造、销售服务和情报反馈的整个过程中影响产品质量的一切因素统统控制起来，形成的一个有明确任务、职责、权限，相互协调、相互促进的质量管理的有机整体。质量保证体系相应分为内部质量保证体系和外部质量保证体系。CAPP集成制造系统中的地位和作用5/9/202411计算机辅助工艺过程设计CAPP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5/9/202412计算机辅助工艺过程设计CAPP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5/9/202413计算机辅助工艺过程设计检索式CAPP系统检索式CAPP系统是基于成组技术或基于特征的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5/9/202414计算机辅助工艺过程设计派生式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5/9/202415计算机辅助工艺过程设计创成式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5/9/202416计算机辅助工艺过程设计综合式CAPP系统将派生式与创成式结合起来，采取派生与自动决策相结合的工作方式，也称半创成式CAPP系统新零件进行工艺设计时，首先用计算机检索它所属零件族的标准工艺，再根据新零件具体情况，对标准工艺进行删改与选择，工序设计则采用创成式CAPP系统自动决策产生体现了派生式与创成式相结合的优点

文件维护辅助编码控制数据准备工艺文件工序设计工序尺寸计算编辑输出分组矩阵标准工艺名称字典机床加工余量经济精度成族编码编码操作输入图样数据工艺文件报告5/9/202417计算机辅助工艺过程设计CAPP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…5/9/202418计算机辅助工艺过程设计CAPP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5/9/202419计算机辅助工艺过程设计CAPP发展趋势（1）集成化趋势（2）工具化趋势（3）智能化趋势5/9/202420计算机辅助工艺过程设计（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5/9/202421计算机辅助工艺过程设计（2）实用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实用化思想主要表现：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5/9/202422计算机辅助工艺过程设计（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的需要专家系统技术以及其它人工智能技术在获取、表达和处理各种知识的灵活性和有效性给CAPP系统的发展带来生机。人工智能技术已越来越广泛地应用于各种类型的CAPP系统之中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”5/9/202423计算机辅助工艺过程设计2.成组技术成组技术（GT）被公认为是提高多品种、中小批量生产企业经济效益的有效途径，是发展柔性制造技术和计算机集成制造系统的重要基础成组技术是一门生产技术科学，即研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用事物的相似性，把相似问题归类成组，寻求解决这一类问题相对统一的最优方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益机械制造中的成组技术是将多种零件按其相似性归类成组，并以这些组为基础组织生产，从而实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造工艺和生产管理的合理化20世纪50年代起，成组技术由苏联学者斯•帕•米特洛凡诺夫总结并在机械工业中推广应用成组技术的发展：成组加工→成组工艺→成组技术→成组生产系统

5/9/202424计算机辅助工艺过程设计GT存在的理由：1）批量法则：中小批量生产成本是大批量的30～50倍，中小批量生产占总生产的70%左右2）设备利用：大批量生产为专用设备，而中小批量生产所使用的设备利用不充分。如普通车床CW6140加工的零件直径D最大可达400mm，零件直径D<100mm的加工占总加工量的80%以上。3）制造周期：制造周期中，大约95%左右的时间为非加工时间

5/9/202425计算机辅助工艺过程设计GT的相似性零件的结构特征相似性包括：

结构相似性（零件的形状相似、尺寸相似、精度相似…）

材料相似性（零件种类相似、毛坯形状相似、热处理方法相似…）

工艺相似性（加工工艺相似、加工设备相似、工艺装备相似…）

…GT的核心问题是充分利用生产系统中的各种相似性信息5/9/202426计算机辅助工艺过程设计码位间结构层次结构

链式结构混合结构利用零件分类编码描述零件，可在宏观上描述零件而不涉及零件的细节码位内的信息排列：遵循从小→大、从简单→复杂、从易→难、常见→少见的规律

零件编码系统符号代码可以是字母，也可以是数字，或者两者都有，大多数分类编码系统一般情况下只使用数字

分类编码系统是用各种各样的符号，对零件的有关特征进行描述和识别的一套规则和依据5/9/202427计算机辅助工艺过程设计编码：15XXX含义：回转体零件，长径比0.33层次结构也称为单码结构或树状结构

每一个后级符号的含义取决于前级符号的值编码：65XXX含义：非回转体零件，长宽比0.59尺寸比例几何外形XXXXX5/9/202428计算机辅助工艺过程设计链式结构也称多码结构

有序符号的意义是固定的，各码位之间相互独立，后级与前级符号无关系材料批量最大尺寸外部形状1524回转体零件，最大直径150中批生产，45＃钢2534非回转体零件，最大长度150大批生产，45＃钢5/9/202429计算机辅助工艺过程设计混合结构工业上大多数商业零件编码系统都是由上述两种编码系统组合而成的，形成混合结构。典型的混合结构由一系列较小的多码结构组成，这些结构链中的数字都是独立的，在整个混合代码中，需要有一个或几个数字来表示零件的类别。混合结构能最好地满足设计和制造的需要。混合结构具有单码结构和多码结构共同的优点5/9/202430计算机辅助工艺过程设计零件分类编码系统

零件分类编码由代表零件设计和制造的特征符号组成，利用成组技术正确抽出零件图纸中为制定工艺过程所必需的必要信息常见编码系统：

Opitz编码系统

KK-3系统

JLBM-1系统

柔性编码系统

设计属性制造属性其他实例：

身份证号430－304－860628－894图书分类号TH166.111.8XXXXXXXX5/9/202431计算机辅助工艺过程设计Opitz编码系统内外表面形状内部

形状平面加工辅助孔及齿形加工主要形状外表面形状平面加工辅助孔及齿形加工主要形状主要形状主要形状主要孔平面加工辅助孔及齿形加工主要尺寸材料及热处理处理毛坯原始形状加工精度0回转体零件L/D≤0.510.5<L/D<32L/D≥33L/D≤2有异形4L/D>2有异形5特殊的6非回转体零件A/B≤3,A/C≥37A/B>38A/B≤3,A/C<49特殊的第3位内回转表面形状第一位零件分类第2位外表面形状形状代码1~5位增补代码6~9位9位8位7位6位第5位第4位Opitz编码系统：123456789ABCD前9位数字码用来传送设计和制造信息，最后4位数ABCD用于识别生产操作类型和顺序，称辅助代码，由各单位根据特殊需要设计安排,第一位为零件类别编码,将零件分为回转体和非回转体,2~4位描述零件细节.5/9/202432计算机辅助工艺过程设计系统的结构较简单，便于记忆和手工分类系统的分类标志虽然形式上偏重于零件的结构特征，但是实际上隐含着工艺信息

如零件的尺寸标志，既反映零件在结构上的大小，同时也反映零件在加工中所用的机床和工艺设备的规格大小系统虽考虑了精度标志，但只用一位码来标识不够充分系统的分类标志尚欠严密和准确系统从总体结构上看虽属简单，但从局部结构看，则仍十分复杂最著名的分类编码系统,德国Aachen工业大学H•Opitz教授开创Opitz编码系统特点

5/9/202433计算机辅助工艺过程设计Opitz编码实例5/9/202434计算机辅助工艺过程设计KK-3系统供大型企业使用的十进制21位代码的混合结构系统

KK-3系统特点：在码位及顺序安排上，基本上考虑到各部分形状加工顺序的关系，它是一个结构、工艺并重的分类编码系统KK-3系统前7位代码作为设计专用代码，便于设计部门使用在分类标志配置和排列上，便于记忆和应用采用按功能和名称作为分类标志，特别便于设计部门检索主要缺点是环节多

在某些环节上，零件出现率较低，意味着环节设置不当KK-3系统是日本通产省机械技术研究所提出草案，经日本机械振兴协会成组技术研究会下属零件分类编码系统分会修改而成5/9/202435计算机辅助工艺过程设计KK-3机械加工零件分类编码系统基本结构回转体非切削加工特殊孔规则排列内平面与内周期面内曲面内廓形状周期性表面成形平面异形部分功能槽同心螺纹外廓形状D直径L长度细分类粗分类细分类粗分类辅助孔端面内表面外表面各部形状与加工外廓形状与尺寸比主要尺寸材料名称分类项目2019181716151413121110987654321码位外廓形状与尺寸比21特殊孔形状方向螺纹与成形面方向与阶梯周期面与辅助成形面主成形平面外曲面外平面弯曲角度弯曲方向B直径A长度细分类粗分类细分类粗分类辅助孔主孔以外的内表面主孔外表面弯曲

形状各部形状与加工外廓形状与尺寸比主要尺寸材料名称分类项目19181716151413121110987654321码位非切削加工2021精度非回转体5/9/202436计算机辅助工艺过程设计5/9/202437计算机辅助工艺过程设计JLBM-1系统我国机械工业部为推行成组技术而开发的一种零件分类编码系统经过先后四次修改，于1984年作为机械工业部的技术指导资料颁布JLBM-1系统是一个十进制15位代码的混合结构分类编码系统JLBM-1系统结构基本上和Opitz系统相似，吸取了KK-3系统的特点，克服Opitz系统分类标志不全和KK-3系统环节过多的缺点为弥补Opitz系统不足，摒弃Opitz系统的开头加工码，把Opitz系统的零件类别码改为零件功能名称码，把热处理标志从Opitz系统中的材料、热处理码中独立出来