4.计算机辅助工艺规划CAPP

Manufacturing Engineering
Process Verification Analysis
Process Planning
Production & Manufacturing
Product Engineering
Product Lifecycle
Concept Design
Requirement & Plan
标准工艺 规程库
工艺规程 编辑器
工艺设计过程
5/11/2021
创成式CAPP
在创成式CAPP中不存在标准的工艺规程，但是 有一个收集了大量工艺数据的数据库和一个存贮 了工艺专家知识的知识库
依靠系统提供的各种决策逻辑(过程)以及各种有 关的制造工程数据信息，应用各种工艺决策规则， 从无到有，自动生成该零件的工艺规程
① 加工方法选择 工件材料 表面形状
先粗后精 先面后孔（槽） ③ 工序设计
尺寸、公差、表面粗糙度
加工设备和工艺辅具选择
生产批量 可供使用的机床设备等。
工步内容和次序安排 加工余量确定
② 工艺路线安排
工序尺寸和公差的确定
先基后面
切削用量确定
• 数值计算（工时定额、尺寸链、材料利用率等）
• 编辑（文字处理、制表工作等）
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决策模型
工艺过程设计是典型的复杂问题，设计各阶段所涉及 的决策过程的性质是多种多样的：
工序尺寸计算、切削用量选择、时间定额计算以及生产成本 费用计算等数值计算可以依靠数学模型。
大多数决策过程属于逻辑决策。只能依靠建立决策模型来实 现。
依靠大量的制造工程数据 依靠专家丰富的生产实践经验和技巧 产品信息描述是建立模型的基础
选择、工序图生成等等 工时定额估计 工艺仿真验证 工艺文件输出
工艺类型
零件的机械加工工艺、钣金件的冲压工艺、零件的铸造工 艺、锻造工艺、焊接工艺和热处理工艺等等
产品及其部件(包括组件和合件)的装配工艺
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5/11/2021
企业为什么需要CAPP？
减轻劳动量：工艺设计是很繁琐的工作，信息处理量大， 各种信息之间的关系极为错综复杂
1976年，美国的CAM-I公司研制出了可在微机上运行的 CAPP系统，其工作原理也是成组技术
随后的20余年时间里，出现了若干派生式、创成式以及混 合式CAPP系统，它们都以利用智能化和专家系统方法来 自动或半自动编制工艺规程为主要目标
迄今为止国内外还没有兼具实用性和通用性、真正商品化 的、能自动完成工艺设计的CAPP系统
检索式(Index)系统 派生式(Variant)系统
CAPP系统
创成式(Generative)系统
2021/5/11
混合式(Hybrid)系统
基于成组技术 基于特征
基于传统过程方式的决策 基于知识 基于推理机 派生式与创成式相结合 基于实例与知识 其他混合式
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检索式CAPP
检索式(Index)系统是最简单的CAPP系统
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决策模型
加工方法选择 工艺路线安排 工序设计
加工设备和工具选择 工步内容和次序安排 加工余量确定 工序尺寸和公差的确定 切削用量确定 时间定额计算 加工费用计算 加工过程优化
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决策模型（以加工方法选择为例）
加工方法选择：即是加工工序序列的选择
1）轴类特征识别齿轮类
套类
皮带轮类
端盖类 ... 自定义类
双 向 阶 梯 轴
单 向 阶 梯 轴
细 长 轴
齿 轮 轴
...
自 定 义 类
...
外 圆 齿 轮
多自
联 ... 定 齿 ..义.
轮类
轴 承 套
过 渡 套
花 键 套
自
... 定
义 类
皮 带 轮
链 轮
花 键 套
自
... 定
义 类
透 盖
ห้องสมุดไป่ตู้
自
闷 ... 定
零件识别
创成式CAPP
事实库
典型加工路线： 例如主轴
下料—粗车—粗倒角—调质—半精车—倒角—淬火—磨削
下料—粗车—粗倒角—调质—半精车—倒角—精车
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创成式CAPP
事实库
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加工设备
CA6140 车床1
CA6185 车床2 加工中心1 加工中心2
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工艺决策
• 选择加工方法、加工设备、切削用量、刀具等
现代集成制造系统
CAPP
目录
Part1: CAPP简介 Part2: CAPP关键技术 Part3: CAPP软件系统 Part4: CAPP发展趋势
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5/11/2021
工艺设计在PLM中所处的阶段
PLM(Product Lifecycle Management)
Simulation & Analysis
工艺设计是连接产品设计和实际生产的纽带，是 生产准备的重要环节
CAPP是Computer Aided Process Planning的 缩写
CAPP是CIMS的重要组成部分
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5/11/2021
工艺设计的工作内容和类型
工作内容
毛坯设计 工艺方案制定 工艺路线排序 详细工序设计：工装设计、工艺参数确定、机床和刀夹具
对该类零件进行工艺分析，从零件描述信息中直接 抽取或分析出加工特征，并为这些加工特征提供可 供选择的加工方法
建立各种加工方法的加工能力及加工精度等基本工 艺知识工程数据库
归纳和建立各种工艺决策逻辑和决策模型，形成知 识库(事实库、规则库等)
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5/11/2021
创成式CAPP
零件识别
回转类零件
派生式(变异式)CAPP
建立在成组技术(GT: Group Technology)基础上，基于零件 的相似性(尺寸相似、形状相似、工艺相似)原理来进行工艺设 计和工艺信息管理
零件工艺规程库的建立过程
将各种零件分类归族，形成零件组 对于每一零件族，选择或构造标准样件 对标准样件编制标准工艺规程 将该标准工艺规程存放在数据库中
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5/11/2021
CAPP的基本内涵
既是软件工具集
计算机辅助工具集(CAX)包括CAD/CAE/CAPP/CAM 等，其中CAPP工具集包括工艺方案选择、工艺路线排 序、工序内容决策、虚拟加工/装配、工艺报表输出等 基本子工具
又是管理系统
系统的基本输入是CAD数模文件和工程BOM 系统的基本输出是工艺规程文件和工艺BOM
CAM软件能进行虚拟加工 数字化工厂/数字化制造软件(Tecnomatix, DELMIA等)包含了工
艺规划和工艺验证等功能
然而，在中国国内，却存在一批商业化CAPP软件，它们 一般都提供了工艺文件管理、工艺规程编制和工艺流程管 理等功能，但工艺决策和工艺仿真功能相对欠缺
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5/11/2021
CAPP系统的分类
重复利用知识：将经验转化为知识，辅助工艺决策 信息共享：实现产品设计和工艺设计之间的并行工程
过程管理：实现工艺人员之间的协同工作，实现工艺发布 流程和变更流程的电子化
优化设计结果：工艺方案不但可行，还要尽量优化 仿真分析和验证：减少实际生产中因工艺错误造成的损失 规范化和标准化：一致的工艺文件格式、工艺术语等 最终缩短生产准备周期，降低成本
表面特征——表面加工方法的选择——加工工序序列
确定工序序列：
正向设计指的是从毛坯形状开始，逐步选择合适的加工工序， 直至能加工出符合最终目标要求的形状为止。
反向设计是反向的设计过程，即从零件形状特征的最终要求开 始，反向逐步选择合适的加工工序，直至选择出无需预加工为 止。为多数创成式CAPP系统所采用。
加工方法选择应考虑的因素：工件材料、表面形状、尺
寸、公差、表面粗糙度、生产批量、生产开销和可供使
用的机床设备等。
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决策方法
决策表 决策树 工艺设计专家系统
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决策表
某类零件半精加工的规则如下： （1） 如果加工精度低于E级，则不精车； （2） 如果加工精度高于E级，且L/D>45，各圆留余量 5mm； （3） 如果加工精度高于E级，且L/D≤45，各圆留余量 4mm；
当生产环境变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。
现有的创成式CAPP系统缺乏总结经验、发现问题的自学习能 力。
由于这些缺陷，促使人们将人工智能、专家系统的原理应用于 CAPP系统，开发出柔性高，具有自学功能，能够真正模拟人 类专家进行工艺设计的创成式CAPP系统。
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创成式CAPP
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5/11/2021
CAPP的发展历史(2)
目前在国际上，CAPP的核心功能一般不以一个独立的系 统存在，而是嵌入到其它系统中，比如：
PDM系统(Teamcenter Engineering, Windchill等)既能管理产品 设计数据，也能管理工艺数据
三维CAD软件(UG, Pro/E等)能进行虚拟装配
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决策树
某类零件半精加工的规则
<E级 半精加工 >=E级
不精车 L/D>45
留余量5mm
L/D<=45
留余量4mm
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工艺设计专家系统
在利用决策表和决策树的CAPP系统中，工艺知识和决策逻辑 都用程序设计语言编制在软件程序中，系统程序一旦编制、调 试完毕，其功能就确定下来，很不容易修改。
...
自 定 义 类
属性实例1 ... 属性实例o
...
... ...
... ...
... ...
... ...
属实 属实 属实 属实 性例 ... 性例 性例 ...性例
1i1j
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属实 属实 性例 ...性例
1k
属性实例1 ... 属性实例m
属性实例1 ... 属性实例n
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创成式CAPP
结果示例
2）工艺数据库
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各种CAPP的不足之处
检索式CAPP不具备任何智能 派生式系统必须有标准文件，因此它有一定的适用范
围局限性，只能针对某些具有相似性的零件产生工艺 文件 创成式系统虽然能自动生成工艺文件，但需输入全面 的零件信息，信息需求量极大，系统要确定零件的加 工路线、定位基准、装夹方式等，由于工艺设计的特 殊性及个性化特征，这些知识的表达和推理目前无法 很好的实现
Scrapping & Recycling
Test & Quality Assurance Sales
Services Support
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5/11/2021
工艺设计与CAPP
工艺设计的基本任务：将产品(包括零件)的设计结 果转换为要把原材料制造成为这样的产品所需要 的 一 系 列 操 作 (Operations) 及 资 源 需 求 (Resource Requirements)的描述
盖义 类
... ...
...
... ...
... ... ...
... ... ...
... ...
实 心 轴
...
自 定 义 类
直 齿 轮 轴
锥自
齿 ... 定
轮义 轴类
直 齿 轮 轴
锥自
齿 ... 定
轮义 轴类
滑 动 轴 承 套
滚 动 轴 承 套
...
自 定 义 类
平 皮 带 轮
三 角 皮 带 轮
系统所管理的信息包括：工艺资源、工艺知识、工艺 文件、工艺设计过程等等
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5/11/2021
CAPP的发展历史(1)
对CAPP的研究始于20世纪60年代，1969年挪威发表第 一个CAPP系统AUTOPROS，它是根据成组技术原理， 利用零件的相似性去检索和修改标准工艺过程的形式来形 成相应零件的工艺规程
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5/11/2021
目录
Part1: CAPP简介 Part2: CAPP关键技术 Part3: CAPP软件系统 Part4: CAPP发展趋势
创成式CAPP系统理论目前尚不完善，因此还未 出现一个纯粹的创成式CAPP系统
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创成式CAPP示意图
工艺数据库
零件输入
零件识别
工艺创成
输出
工艺文件
事实库 规则库
动态数据库
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5/11/2021
创成式CAPP的核心
核心是工艺决策逻辑和决策模型的建立
选定零件类型，建立零件描述信息模型
常应用于大批、大量生产模式。工件的种类很少， 零件变化不大且相似程度很高
不需要进行零件的编码，在建立系统时，将各类零 件的工艺规程输入计算机。计算机只起到存储、检 索、修改的作用
通常只需要对已建立的工艺规程进行管理即可
如果需要编制新零件的工艺规程，就将同类零件的 工艺规程调出并进行修改
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5/11/2021
新零件的工艺规程设计过程
输入该零件的成组技术代码 根据零件的成组技术代码得到标准工艺规程 修改编辑得到所需的工艺规程
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5/11/2021
派生式CAPP示意图
零件图
工艺路线 编辑器
基于GT的工艺规程库
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零件编码
零件特 征识别
工艺路线 生成
标准工艺 路线库
工艺路线
工艺设计 结果
工艺规程 设计