CAPP在中小型制造企业中的应用分析.doc

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上海大学2013～2014学年秋季学期研究生课程考试

（小论文）

课程名称：

计算机辅助设计制造专题课程编号：

论文题目:

CAPP在中小型制造企业中的应用分析

研究生姓名:

学号:

论文评语:

成绩:

任课教师:

评阅日期:

CAPP在中小型制造企业中的应用分

（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）

摘要：

计算机辅助工艺过程设计（CAPP）是连接CAD与CAM的桥梁，是许多先进制造系统的技术基础之一。

中小型制造企业是我国国民经济的重要组成部分，中小型制造企业要想在当今激烈的竞争中占有一席之地，企业的信息化势在必行，而CAPP是企业信息化建设的关键环节。

针对中小型机械制造企业的特点，分析了CAPP在中小型制造企业中的应用。

对中小型制造企业的计算机辅助工艺设计的研究和开发具有一定的借鉴作用。

关键词：

计算机辅助工艺过程设计（CAPP）；中小型制造企业；企业的信息化

TheAnalysisofApplicationofCAPPInSmallAndMedium-sizedManufacturingEnterprises

（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China）

Abstract:

CAPP（computeraidedprocessdesign）isthebridgebetweenCADandCAM,isoneofthemanytechnicalfoundationofadvancedmanufacturingsystem.Smallandmedium-sizedmanufacturingenterprisesisanimportantpartofournationaleconomy,smallandmedium-sizedmanufacturingenterprisestooccupiesaplaceintoday'sfiercecompetition,enterprise'sinformationizationisimperative,andCAPPisakeylinkintheprocessofenterpriseinformationconstruction.Accordingtothecharacteristicsofsmallandmedium-sizedmachinerymanufacturingenterprises,thepaperanalyzestheCAPPapplicationinsmallandmedium-sizedmanufacturingenterprises.Computeraidedprocessdesignforsmallandmedium-sizedmanufacturingenterpriseresearchanddevelopmenthasacertainreference.

Keywords:

Computeraidedprocessdesign;Thesmallandmedium-sizedmanufacturingenterprises;

Theenterpriseinformatization

中小型制造加工企业的工艺文件的特点是：

小批量、多品种、文件按产品归档；企业各个部门之间的相互协调和沟通限制在纸质文件方式；对产品整个生命周期的数据管理没有系统化，这些都严重影响了企业效益的提高。

主要表现在：

基于手工或在Word、Excel、AutoCAD上绘制工艺卡片的工艺设计；产品数据没有实现共享，工艺专家的经验和知识没有实现积累；产品设计过程缺乏管理和控制；工艺资源没有实现优化配置。

全面分析了传统工艺的发展和不足的基础上,研究了制造信息化环境下CAPP系统的建模和工艺的表达方法。

通过模块间的结构重构和模块的功能重用,建立了系统框架模型,实现了系统信息化制造。

为了更好地解决零件信息输入,根据零件的几何特点以及企业的现状和实际情况将基于成组技术的分类编码和基于特征的方位描述法结合起来,使零件信息输入更加简洁,迅速。

将基于成组技术的分类编码和基于特征的方位描述法结合起来的零件信息输入法,不但反映了工艺规程动态性,而且实现了CAPP工艺规程数据与生产管理数据表达的一致和统一性,为实现CAPP的工艺过程和生产过程的集成和整体优化提供了有效的方法。

1CAPP系统概述

1.1CAPP的定义

计算机辅助工艺过程设计（ComputerAidedProcessPlanning），简称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是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计。

一般认为，CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定等。

其中，工序设计又可包含装夹设备的选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具和夹具的选择、必要的工序图生成等。

1.2CAPP的研究背景

很多中小企业他们往往借助自身力量，与大专院校合作，在CAD、CAPP等单元技术的开发应用方面取得了一定的成果。

但这些应用多数是分别进行CAD、CAPP的开发或是委托给不同的单位分别独立开发，开发的过程中没有很好地进行信息交流和技术协调，使CAD、CAPP形成了“自动化孤岛”。

因此，亟待解决这些企业中各个自动化孤岛之间的信息交换与共享问题，从而将这些零散的模块集成起来，以最大限度地发挥其潜能。

目前，各机械制造企业多采用AUTOCAD14或AUTOCAD2000进行产品设计，设计输出图纸和有关的技术文档。

其缺点是不能实现全尺寸驱动，使系列化零件的设计不太方便。

CAPP大多为厂企合作开发，CAPP系统中，需将图纸、文档等纸面上的信息通过人机交互的方式输入给CAPP系统，这样，零件信息的输入不仅要花费大量时间，而且容易输错，从而生成不恰当的工艺过程。

开发CAD/CAPP集成系统，实现CAD/CAPP一体化，使得机械产品的零件在完成设计的同时就得到了其加工工艺规程，可提高产品质量，缩短产品开发周期，提高企业的市场竞争能力，对机械行业的繁荣和发展，对深入推广CAD、CAPP技术和CIMS高新技术，具有重要的推动作用，该项研究具有显著的经济效益和社会效益。

1.3研究CAPP的意义

CAPP是计算机技术运用于机械制造领域的一个重要方面，其主要意义在于：

实现工艺设计的计算机化；对于广大工艺设计人员可以使他们从繁重和重复劳动中得以解放，逐步“丢笔甩图板”、告别工艺手册；对于整个企业的管理可克服工艺设计的不一致性，促进工艺文件的规范化、条理化、标准化，便于实施科学化、系统化管理；同时，CAPP作为生产信息的处理中枢前镶后嵌于CAD、CAM之间，为生产信息数据的传递、共享，建立了一座桥梁。

首先，实践经验较少的工艺人员能应用CAPP系统设计出较好的工艺过程，这样不仅可以弥补有经验高级工艺师的难求和不足，而且能使人量有经验的工艺师从目前繁琐的重复劳动中解放出来，去从事不断研究新工艺和改进现有工艺的工作，促进工厂技术进步，提高生产率。

其次,采用CAPP系统不仅可以充分发挥计算机高速处理信息的能力，而且由于将工艺专家的集体智慧融合在以即系统中，所以保证了高速获得高质量优化的工艺规程。

再者，应用CAPP广系统还可获得综合经济效益。

2面向中小型制造企业的CAPP系统

2.1CAPP的系统类型

日前已有的CAPP系统基本上多是在派生式和创成式两种原理上开发的，划分的原则是根据其工艺决策的方式。

具体存在形式有六种，即检索式、派生式、创成式、综合式、交互式和智能式。

检索式CAPP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，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。

这是最简单的CAPP系统，常应用于工件种类少，零件变化不大且相似程度较高的情况。

派生式CAPP系统，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。

派生式CAPP系统原理简单，针对性和实用性，可以大幅度地提高工艺编制速度，免人的重复劳动，在一定程度上保持工艺设计的一致性。

创成式CAPP系统，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。

具有设计过程自动化程度高、易实现工艺过程的优化等优点。

但由于零件结构多样性，决策随环境变化的多变性及复杂性等诸多因素，设计这样的系统技求难度大、开发费用高。

混合式CAPP系统，融合了派生式和创成式两类系统的特点。

混合式CAPP系统常采用派生的方法首先生成零件的典型加工顺序，然后再根据零件的信息，采用逻辑推理决策的方法生成零件的工序内容最后人机交修改互工艺过程。

交互式CAPP系统，是以人机对话的方式完成工艺规程的设计，实际上是按派生式+创成式+人工干预的方式开发的一种CAPP系统。

综合式CAPP系统，综合式CAPP系统又称为半创成式CAPP系统，它介于派生式CAPP系统和创成式CAPP系统之间，将派生和创成结合起来，利用两者的优点，避开备自的缺点。

智能式CAPP系统，是以“逻辑推理+知识”为核心，强调工艺设计系中工艺知识的表达，处理机制以及决策过程的自动化。

其主要特征是强调智能化，智能式CAPP系统是CAPP系统发展的方向。

2.2CAPP系统的构成

CAPP所包含的内容是在原有的基础上,向两端发展，向上扩展为生产规划最佳化及作业计划最佳化。

一个完整的CAPP系统基本构成模块有：

（1）控制模块，其主要任务是协调各模块的运行，完成人机交互窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息获取方式。

（2）零件信息输入模块，获取零件的信息以便能生成工艺，可以由CAD系统直接输入或由其它方式输入。

（3）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，其主要任务是主成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图。

（5）工步决策模块，对工步内容进行设计，确定切削用量和其它工艺参数。

（6）工序图及工艺卡片的编辑模块，绘制工序图和输出工序卡片。

（7）工艺输出模块，系统提供了两种输出方式：

一是在AutoCAD下输出工艺卡片及其他一些文件；二是本系统还提供了在Excel下进行输出工艺卡片的功能。

（8）辅助功能模块，本模块的主要功能就是为用户提供一些辅助的工具,它包括操作日志、记事本、计算器、信件收发等。

图1CAPP系统的基本构成

Fig.1ThebasicstructureoftheCAPPsystem

2.3CAPP系统的关键技术

（1）零件信息的获取

成组编码法：

采用零件的成组编码作为零件的信息输入，充分反映零件在结构、工艺、材料三个方面的总特征。

但不能详尽描述每个加工面特征。

故多用于制作简单工艺的场合且只适用派生式CAPP系统的场合；

形面描述法：

采用菜单形式和交互形式输入零件信息，可完整的描述零件的几何和工艺信息。

其思路：

加工表面均由基本型面构成；各形面组合有规律；每个形面均可用一组特征参数详尽描述；各种形面需要均与一定的加工方法相对应；

CAD获取法：

目前CAD系统多以实体造型为基础，致使CAD系统所设计的零件缺少工艺信息，因此需采用特征识别方法补充输入工艺信息。

从CAD系统直接获取零件信息，根本的是要发展基于特征造型的CAD系统。

（2）零件特征加工方案的产生

零件特征加工方案的产生是CAPP的基础，它直接影响加工路线的优化决策和制造资源的选择。

零件特征加工方案的产生实际上就是先将零件表面分解为一些基本特征，如圆柱面、内孔、平面等，再根据其它条件确定这些基本特征的加工方案。

决策树与决策表是CAPP系统中常用的两种逻辑决策工具。

决策树由节点和分支构成。

节点有根节点、终节点和中间节点之分。

根节点表示决策行为的出发点；终节点列出应采取的行动，它没有后继节点。

中间节点则都具有一个前驱节点和一个以上的后继节点，中间节点表示一次测试或判断，由中间节点处可引出新的分支。

分支连接两个节点，分支的上方给出向某一种状态转换的可能性或条件（确定性条件）。

若条件满足，则继续沿分支前进；若条件不满足，则回到出发节点，并转向另一分支。

采用决策树进行决策的特点是直观，易于理解，便于编程。

缺点是难于扩展和修改。

决策表是表达各种事物间逻辑关系的一种表格。

在决策表中用双线将表划分为4个区域。

上面两个区域表示条件，其中左上区是条件说明，即列举出各种可能的条件；右上区为满足条件的各种组合（每一列代表一种组合），用T表示满足所在行的条件。

下面两个区表示决策行动。

左下区是决策说明，即列举出各种可能的决策行动。

右下区为各列所对应的决策行动，用×表示将采取所在行的决策行动。

决策表右部每列均可视为一条决策规则。

决策表条件之间是"与"的关系，决策行动之间也是"与"的关系。

（3）CAPP与PDM的数据交换技术

CAPP与PDM的数据交换包括两个方面：

从PDM中获取CAPP所需要的CAD数据；将CAPP最终生成的工艺数据和文档在PDM中进行保存。

CAPP从PDM中主要获取产品设计信息、产品图形信息、产品结构树信息。

目前商品化的PDM系统一般都提供应用编程接口库（API），可较方便地实现CAPP系统的数据导入导出。

图2CAPP系统的关键技术

Fig.2ThekeytechnologyofCAPPsystem

2.4在中小型制造企业中应用CAPP技术存在的问题

迄今为止，国家在CAPP技术的研究与系统的开发上已经投入大量的资金与力量，已经开发出为数众多的CAPP系统。

在所开发的CAPP系统中，有些系统已得到实际应用，少数已商品化。

但总地看来，CAPP的研究和开发方向存在一定的偏差，从应用角度看，已取得的实际效益和投入的力量很不相称，研究和实际需求相去甚远。

主要表现在：

（1）CAPP技术虽然实现了CAD/CAPP的集成，但远未达到工程化，一般只提供简单的人机界面，而且决策过程中很少考虑人的有效参与。

这就导致了下列问题：

系统开发周期长，开发费用高，开发难度大，使用人员很难参与，适用性差，难以推广应用；工艺人员难以掌握系统的使用，而且在使用中仍需交互输入大量的信息，麻烦而又容易出错；工艺设计与管理不能集成，不仅工作效率低，而且很难保证工艺信息和文件的准确性和一致性；CAPP的研究与开发只能以零件为主体对象，常常针对特定制造对象、特定制造环境（特定企业、特定车间甚至特定设备）进行。

开发出的系统功能和应用范围有限（局限性大），缺乏适应生产环境变化的灵活性和适用性。

为了解决上述问题,国内外不断地在CAPP开发工具的开发及面向对象技术的应用上进行探索,但仍受限于以自动化为目标和以零件为主体对象,问题并未得到解决。

这种现状不仅难以满足先进制造系统对CAPP的应用和发展日益增长的需求,而且势必造成大量重复劳动和人力、财力、物力的浪费,严重限制CAPP应用的广度和深度。

（2）CAPP系统的应用范围过于狭窄

由于CAPP系统涉及问题的复杂性和对应用环境的依赖性,更由于对决策自动化的目标定得过高，CAPP的研究与开发基本以零件为主体对象，且主要集中在机械加工工艺设计领域，每一种系统只适用于少数几种零件。

普遍认为难以、甚至不可能开发通用化系统，却没有认识到工艺基本数据结构及基本设计功能的普遍性、通用性。

这种缺乏从整个产品的角度研究CAPP的应用和集成问题，而且忽视工艺管理功能的研究与开发，难以适用于企业中的大多数零件，更难以满足先进制造系统的应用和发展需求，甚至在计算机应用比较广泛一些的企业中也会失去应有的重要价值。

（3）对CAPP的系统化、实用化、工程化研究重视不够

尽管各种新概念、新方法、新技术在CAPP中不断获得应用，但主要是针对各种决策功能，而始终缺乏对CAPP的系统化、实用化、工程化的研究,缺乏各种技术之间及技术与管理、与人之间的集成，使得这些新技术、新概念、新方法所起作用甚小，也使得CAPP的整体发展缺乏坚实的实践基础和动力。

近年来,国内外己开始认识到CAPP应用和工程化问题对CAPP发展的影响。

这已几乎成为当前CAPP发展的绊脚石。

（4）CAPP的基础性技术和方法有待进一步深入研究

工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的各种功能要求，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量相当庞大，又与具体的生产环境及个人经验水平密切相关；生产环境不同、产品对象不同、生产批量不同，生产设备、工艺方法和工艺习惯都不一样，使得产品工艺差别很大。

而长期以来，CAPP的研究与开发者忽视对工艺设计问题所涉及的通用基础性技术、方法和数据的深入研究和探索，各种新概念、新方法、新技术的采用既缺乏应用基础，也缺乏系统化基础。

一些研究者过分强调了CAPP系统开发中计算机程序设计的重要性而忽视了工艺设计的原理和方法，因此绝不可能开发出高水平的CAPP系统。

3CAPP的发展趋势

（1）工具化和工程化

各企业的工艺环境、管理模式千差万别，CAPP系统要适应各企业的具体情况，提高其通性，就要加强CAPP系统的工具化和工程化。

开发CAPP系统时，应将CAPP系统分解为多个相对独立的工具进行开发。

根据分析，结合用户的需求，引导用户的工艺设计进程，促进工艺设计规范化，从而规范CAPP系统的实施过程，在统一的标准化工艺基础上开发出适应一般企业工艺规程的CAPP系统，使大部分企业使用的CAPP系统成为具有个性特征的主体相似的工程化产品。

（2）集成化和网络化

CAPP是CAD、CAM间的桥梁，是CAD、PDM和ERP的重要产品信息来源。

因此，必须在并行工程思想指导下实现CAD/CAPP/CAM的全面集成，充分发挥CAPP系统在整个生产过程中的信息中枢和功能协调作用，实现与生产计划、调度系统的有效集成；建立与质量控制系统的内在联系。

网络化是系统集成应用的必要条件。

CAPP对实现各种角与CAD实现双向数据交换，与CAQ、CAM、PDM等的集成应用都需要网络化作为技术支撑，才能实现真正的信息化和自动化。

在数据库管理系统的支持下，工艺数据的安全性和一致性得到保证，各系统的数据交换和传输接口也得到统一，使企业能够敏捷地响应市场的需求，增强企业的市场竞争力。

（3）知识化和智能化

随着复合智能系统、专家系统、人工神经网络技术和模糊推理技术的发展和应用，CAPP系统不会停留在以解决事务性、管理性工作为主的阶段。

基于知识的CAPP系统除了作为工艺设计的辅助工具，还有将工艺专家的经验和知识积累起来并加以充分利用的任务。

使得现代CAPP系统向着知识化和智能化方向发展。

国内外商品化软件中已推出CAPP专家系统外壳，由用户定义各种决策规则、工艺数据和计算公式，具有较大的智能化特征。

当生产环境改变时，专家系统只要输入新的知识就能适应；系统还能随时向用户提供运行的过程和理由，并向用户作出各种解释，便于工艺人员作出干预和选择，以制定出优化的工艺过程；专家系统还可以不断补充和更新知识，从而随着科技的发展和生产条件的改进而不断提高工艺设计的水平。

现代CAPP系统在知识化的基础上，从实际出发，为工艺人员提供多个备选工艺方案，并能够根据操作者的工作记录进行各种层次的自学习和自适应，具有一定的智能性。

（4）柔性化和规范化

CAPP系统是用来辅助工艺设计人员进行工作的，不宜取代工艺设计人员而追求完全自动化。

在方式上实行人机协作，关键决策由工艺人员作出。

决策和判断一个复杂繁琐的问题，对具备足够的工艺知识和判断能力的工艺人员来说并不困难，但对计算机来说却可能难以胜任；同时，知识库及其使用法则需要逐步建立、验证和完善，是一个渐进式的过程。

现代CAPP系统必须体现柔性化，即以交互式设计为基础，以工艺知识库为核心，以工艺知识库管理和工艺卡片格式编辑器为应用支持工具，面向产品实现工艺设计与管理的柔性化。

为了提高系统的商品化和实用化，CAPP系统必须规范化，包括工艺设计内容的规范化和文件格式的规范化，在规范化基础上开发出适应企业需求的CAPP系统。

致谢感教授对本工作的大力支持，在此表示感谢！

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