CAPP系统

用于制定零件机械加工的计算系统

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。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。

简介

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）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。实际上国外常见的一些，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。

系统构成

基本构成

视CAPP系统的工作原理、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得到所需的工艺文件；

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。

内容

CAPP的内容主要有：毛坯的选择及毛坯图的生成；定位基准与夹紧方案的选择；加工方法的选择；加工顺序的安排；通用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备的选择；工艺参数的计算；专用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备设计方案的提出；工艺文件的输出。

步骤

CAPP的步骤，共分为5步：

1.输入产品图纸信息；

2.拟定工艺路线和工序内容；

3.确定加工设备和工艺装备；

4.计算工艺参数；

5.输出工艺文件。

分类

系统按其工作原理可分为检索式、派生式、创成式[2]等。

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。

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。

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。

基础技术

CAPP的基础技术包括：

1.成组技术（Group Technology）。

成组工艺是把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成一个个零件族[3]，按零件族制定工艺进行生产制造，这样就扩大了批量，减少了品种，便于采用高效率的生产方式，从而提高了劳动生产率，为多品种、小批量生产提高经济效益开辟了一条途径。

零件在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性。以基本相似性为基础，在制造、装配的生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性。因此，二次相似性是基本相似性的发展，具有重要的理论意义和实用价值。

成组工艺的基本原理表明，零件的相似性是实现成组工艺的基本条件。成组技术就是揭示和利用基本相似性和二次相似性，是工业企业得到统一的数据和信息，获得经济效益，并为建立集成信息系统打下基础。

2.零件信息的描述与获取；

输入零件信息是进行计算机辅助工艺过程设计的第一步，零件信息描述是CAPP的关键，其技术难度大、工作量大，是影响整个工艺设计效率的重要因素。

零件信息描述的准确性、科学性和完整性将直接影响所设计的工艺过程的质量、可靠性和效率。因此，对零件的信息描述应满足以下要求：

⑴信息描述要准确、完整。所谓完整是指要能够满足在进行计算机辅助工艺设计时的需要，而不是要描述全部信息；

⑵信息描述要易于被计算机接受和处理，界面友好，使用方便，工效高；

⑶信息描述要易于被工程技术人员理解和掌握，便于被操作人员运用；

⑷由于是计算机辅助工艺设计，信息描述系统（模块或软件）应考虑计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助检测等多方面的要求，以便能够信息共享。

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。

作用

20世纪80年代中后期，CAD、CAM的单元技术日趋成熟。随着机械制造业向CIMS[4]（Computer Integrated Manufacturing System）和IMS[4]（Intelligent Manufacturing System）方向的发展，CAD/CAM的集成化要求是亟待解决的问题。CAD/CAM集成系统实际上是CAD/CAPP/CAM集成系统。CAPP从CAD系统中获得零件的几何拓扑信息、工艺信息，并从工程数据库中获得企业的生产条件、资源情况及企业工人技术水平等信息，进行工艺设计，形成工艺流程卡、工序卡、工步卡及NC加工控制指令，在CAD、CAM中起纽带作用。为达到此目的，在集成系统中必须解决下列几方面问题：

1.CAPP模块能直接从CAD模块中获取零件的几何信息、材料信息、工艺信息等，以代替零件信息描述的输入；

2.CAD模块的几何建模系统，除提供几何形状及拓扑信息外，还必须提供零件的工艺信息、检测信息、组织信息及结构分析信息等；

3.须适应多种数控系统NC加工控制指令的生成。

发展趋势

随着CAD、CAPP、CAM单元技术日益成熟，同时又由于CIMS及IMS的提出和发展，促使CAPP向智能化、集成化和实用化方向发展。当前，研究开发CAPP系统的热点问题有：

1.产品信息模型的生成与获取；

2.CAPP体系结构研究及CAPP工具系统的开发；

3.并行工程模式下的CAPP系统；

4.基于分布型人工智能技术的分布型CAPP专机系统；

5.人工神经网络技术与专家系统在CAPP中的综合应用；

6.面向企业的实用化CAPP系统；

7.CAPP与自动生产调度系统的集成。

提供商

西安星天外软件科技有限公司、达索公司（Dassault Systèmes）、参数技术公司（PTC）、西门子PLM公司（Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.）、欧特克公司（Autodesk,Inc.）、CAXA等。

结论

计算机辅助工艺设计的重要意义在于：可以将工艺设计人员从大量繁重的重复性的手工劳动中解放出来，使他们能将主要精力投入到新产品的开发、工艺装备的改进及新工艺的研究等具有创造性的工作中；可以大大缩短工艺设计周期，保证工艺设计的质量，提高产品在市场上的竞争能力；可以提高企业工艺设计的标准化，并有利于工艺设计的最优化工作；能够适应当前日趋自动化现代制造环节的需要，并为实现计算机集成制造系统创造必要的技术基础。

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