1、,计算机辅助工艺过程设计,CAD/CAM技术,学习内容,概述 CAPP系统工作原理 派生式CAPP系统 创成式CAPP系统,重点：CAPP的概念及工作原理,CAD/CAM技术,CAPP基本概念,计算机辅助工艺规程设计（CAPP, Computer Aided Process Planning），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),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,1. 概述,CAD/CAM技术,CAPP的发展历
2、程,1965年Niebel首次提出CAPP思想,CAD/CAM技术,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,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
3、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,CAD/CAM技术,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,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,CAD/CAM技术,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
4、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，最后由计算机按工艺文件要求进行打印输出。,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,CAD/CAM技术,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
5、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,CAD/CAM技术,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
6、 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,CAD/CAM技术,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
7、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,CAD/CAM技术,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
8、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,CAD/CAM技术,2. 派生式CAPP系统,成组技术 零件分类编码系统 基于GT的派生式CAPP系统 派生式CAPP系统开发过程 派生式CAPP系统工作过程,派生式工艺过程设计系统也称变异式工艺设计系统 派生式CAPP系统根据零件信息的描述与输入方法不同分为： 基于GT码描述零件信息的派生式CAPP系统 基于特征描述零件信息的派生式CAPP系统,派生式CAPP系统建立在成组技术基础上,CAD/CAM技术,成组技术,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
9、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,CAD/CAM技术,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
10、是充分利用生产系统中的各种相似性信息,CAD/CAM技术,GT的应用：,加工过程： 成组技术可充分利用零件的几何形状及加工工艺相似性组织生产，以获得最大的经济效益 同族零件加工采用类似的工艺过程，可以组建一个加工单元制造同族零件，对每一个加工单元只考虑类似零件，使生产计划工艺及其控制变得容易,设计过程： 由于许多零件具有类似的形状，可将它们归并为设计族，新零件设计可以通过修改一个现有同族典型零件(主样件)而形成 主样件是人为地综合而成的。一般可从零件族中选择一个结构复杂的零件为基础，把没有包括同族其它零件的功能要素逐个叠加上去，形成该族的假想零件作为其它相似零件的设计基础,CAD/CAM技术,
11、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,XXXXXXXX,根据成组技术原理制定GT编码系统，按一套特定的规则，用一组顺序排列的字符（一般是数字）对零件的各有关特征进行描述和标识。这种代码称为成组代码或GT代码。,CAD/CAM技术,零件分类依据,CAD/CAM技术,分类编码系统结构,CAD/CAM技术,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,
12、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,CAD/CAM技术,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,CAD/CAM技术,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,CAD/CAM技术,混合结构,工业上大多
13、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,CAD/CAM技术,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,第3位 内回转表面形状,第一位 零件分类,第2位
14、 外表面形状,形状代码15位,增补代码69位,9 位,8 位,7 位,6 位,第5位,第4位,Opitz编码系统：12345 6789 ABCD 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,CAD/CAM技术,Opitz编码系统,CAD/CAM技术,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
15、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HOpitz教授开创,Opitz编码系统特点,CAD/CAM技术,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
16、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,CAD/CAM技术,KK-3机械加工零件分类编码系统基本结构,回转体,非回转体,CAD/CAM技术,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Opi
17、tz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，主要尺寸由一个环节扩大为两个环节 JLBM-1系统增加了形状加工环节，比Opitz系统可以容纳较多的分类标，在系统的总体组成上要比Opitz系统简单，易于使用,CAD/CAM技术,JLBM-1零件分类编码系统,CAD/CAM技术,CAD/CAM技术,JLBM-1系统,CAD/CAM技术,JLBM-1系统,CAD/CAM技术,JLBM-1系统,CAD/CAM技术,JLBM-1系统,CAD/CAM技术,基于GT的派生式CAPP系统,把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成一个零件族，对每个零件族设计出一个能
18、覆盖族中零件所有特征的主样件，再对每个族的主样件制订一个最优的工艺规程 当制订某个零件的工艺规程时，用GT码描述和输入零件信息（包括有关几何和工艺参数等），经分类识别找到此零件隶属的族，调出该族的主样件工艺文件，进行交互编辑、修改，形成新的工艺规程,派生式CAPP系统带有浓厚的企业特色，通用性较差，应用范围有局限性,CAD/CAM技术,派生式CAPP系统开发过程,将零件图上的信息代码化：根据产品的特点，选择或制订合适的零件分类编码系统（即GT码） 手工编码、计算机编码,按编码系统对零件分类归族 零件分组的一条通用规则：组内所有的零件必须具有相似性,主样件是一个零件组或零件族的抽象，故其是一个复
19、合零件 设计主样件的目的是为了制订标准工艺和便于对标准工艺检索,选择零件分类编码系统,零件分类归族,设计主样件,CAD/CAM技术,派生式CAPP系统开发过程,选择零件分类编码系统,零件分类归族,设计主样件,制订标准工艺规程,标准工艺规程的表达 工艺规程的筛选,建立工艺数据库或数据文件,系统总体设计,按族整理出每族主样件的标准工艺路线和相应的工序内容，即标准工艺规程 标准工艺规程包括主样件加工内容、加工设备、刀具、夹具等信息，集中了专家和工艺人员的集体智慧与经验,标准工艺规程可以用工序代码和工步代码来表示 用工步代码表示标准工艺规程为存储和调用标准工艺规程文件提供了便利，而且从标准工艺规程中筛
20、选出当前零件的工艺规程也很方便,划分CAPP模块 各模块程序设计 CAPP系统联调,CAD/CAM技术,派生式CAPP系统工作过程,对欲编 工艺零件 进行编码,检索该零件 所属零件族,调出典型零件 的工艺过程,编辑修改典型 零件工艺,输出 零件工艺,工艺 文件,零件,CAD/CAM技术,3. 创成式CAPP系统,概述 创成式CAPP系统开发过程 一般创成式CAPP系统的工艺决策 基于专家系统的工艺决策方法 CAPP系统中的工序设计,创成式CAPP系统是一种自动进行工艺设计的方法，一般不需要人的干预自动制订出工艺规程,创成式系统克服了派生式CAPP系统存在的不足,根据具体零件，系统自动产生出当前
21、零件所需的各个工序和加工顺序；自动提取制造知识；自动完成选择机床、刀具和最优化加工过程；通过应用决策逻辑，模拟工艺设计人员的决策过程,CAD/CAM技术,创成式CAPP系统概述,创成式CAPP系统是根据零件信息，运用计算机的工艺决策进行搜索及逻辑推理，自动地为新零件制订工艺规程，且用户对工艺规程无需作大的改动的系统,现有创成式CAPP系统都是针对某一产品或某一工厂专门设计 到目前为止还没有一种创成式CAPP系统宣称能适用于所有类型的零件，也没有一种系统能全部自动化,创成式CAPP系统主要用来确定工艺路线、进行工序设计 工艺路线包括：工序与工步的确定，以及各工序的定位与装夹表面 工序设计包括：工
22、序尺寸的计算、设备与工装的选择、确定切削用量、计算工时定额以及生成工序图,前者是后者的基础，后者是对前者的补充,CAD/CAM技术,创成式CAPP系统的开发过程,1准备阶段 基础性工作阶段，需要大量的调查研究和仔细的分析归纳。具体工作大体包括下述内容： (1) 明确开发系统的设计对象 (2) 对本类零件进行工艺分析 确认该类零件由哪些基本表面或形状特征构成?每种基本表面的加工方法是什么? (3) 搜集和整理各种加工方法的加工能力范围和经济加工精度 (4) 收集、整理和归纳各种工艺设计决策逻辑或决策法则,创成式CAPP系统的设计，一般包括准备阶段和软件编程阶段,2软件设计阶段 将准备阶段所收集整
23、理到的数据和决策逻辑用计算机语言实现,CAD/CAM技术,一般创成式CAPP系统的工艺决策,工艺决策通常包括： 选择性决策逻辑 如毛坯类型及其尺寸的选择，加工方法的选择，机床及刀具、夹具、量具的选择，切削用量的选择 规划型决策逻辑 如工艺路线安排、工序加工步骤确定 加工方法决策 如加工能力、加工限度、预加工要求 ,工艺设计是一项复杂的、多层次、多任务的决策过程，且工艺决策涉及面较广，影响工艺决策的因素较多，在实际应用中的不确定性也较大,决策表达通常用决策树或决策表来实现,CAD/CAM技术,决策树,决策树是系统工程中决策支持系统常用的方法，也是传统的系统分析和设计的有效实用方法,决策树由各种节
24、点和分支构成,树是一种连通而无回路的图，不仅可作为数据结构描述树状关系信息，也可以用来表达决策逻辑,决策树表达决策逻辑简单、直观，容易建立和维护，扩充和修改，且便于用逻辑流程图和程序代码实现 适合工艺过程设计 作为数据结构可用存储决策知识信息,CAD/CAM技术,决策树的软件实现,CAD/CAM技术,决策表,将一组用语言表达的决策逻辑关系用一个表格表达，方便计算机语言表达该决策逻辑，是计算机软件设计的基本工具,决策表由表头和表元素两部分组成 表头又分成条件和动作两部分，其中条件放在表上部，而动作放在表下部,车削装夹方法选择的决策,决策表清晰、紧凑、易读、易懂、易改，方便作逻辑一致性和完备性检查
25、,CAD/CAM技术,基于专家系统的工艺决策方法,以应用 AI 技术为基础的创成式CAPP系统即CAPP专家系统是制造业关注的课题,CAPP专家系统特征是： 知识库：由零件设计信息和表达工艺决策的规则集组成 推理机：根据当前的事实，通过激活知识库的规则集得到工艺设计结果,CAPP专家系统特点 专家系统的开发 CAPP专家系统的工作过程 基于知识与黑板推理的工艺规程生成方法,将AI（Artificial Intelligence，人工智能）技术应用在CAPP系统中所形成的专家系统，也称智能化CAPP系统,CAD/CAM技术,CAPP专家系统特点,专家系统具有处理不确定性和多意性知识的特长 工艺过
26、程设计中，主要的工作不是计算，工艺决策方法主要依靠工艺人员长期的生产实际中积累起来的经验性知识 专家系统具有对话能力 用户可向机器“寻问”推理过程,专家系统具有较大灵活性 专家系统求解问题不是按预先确定的步骤进行，而是根据环境条件及达到的目标，在控制策略（推理机）指导下，通过搜索来寻找问题的解答 CAPP专家系统可以具有学习功能,一般创成式CAPP系统以“逻辑算法 + 决策表”为特征 CAPP专家系统是以“推理 + 知识”为特征,CAD/CAM技术,专家系统的开发,CAD/CAM技术,CAPP专家系统的开发工具,目前的专家系统开发工具从功能方面分： 骨架型工具：被实践证明了的有实用价值的专家系
27、统中，抽出了实际领域的知识背景并保留系统中推理机的结构而形成的一类工具 知识描述的方式以及推理机制和扩展策略均保持不变，使得这类工具的实时应变能力差。因针对性太强、适应性差，推广应用受到较大局限 通用型工具：根据专家系统的不同应用领域和人工智能活动的特征研制出来的，适于开发多种类型专家系统的开发工具，实际上可以认为是语言环境 领域专家不易掌握其程序设计技巧，也不易使用。使用这类开发工具研制实用化、商品化的专家系统时，特别是针对某个具体应用领域时，需要知识工程师和领域专家密切配合，且要做大量的二次开发工作 辅助型工具：介于前两类工具之间的工具。根据专家系统基本结构中的开发机、推理机和人机界面三部
28、分的逻辑功能而设计的工具系统,不借助专用生成工具，要想建立一个实用的工艺设计专家系统需要花费大量的人力、物力及需较长的开发周期,CAD/CAM技术,工艺设计专家系统开发工具的组成,知识库开发和管理工具 零件信息获取工具 推理机 解释机 工艺规程（工艺卡、工序图、工步卡）生成工具 设备及工具、夹具、量具管理工具 数控加工指令生成器 加工过程仿真工具,CAD/CAM技术,CAPP专家系统的工作过程,毛坯的选择 各表面最终加工方法的选择 工艺路线的确定 工序设计 零件模型的修改 机床和夹具选择 加工余量选择 切削用量的选择,CAD/CAM技术,CAPP系统中的工序设计,为了简化工艺决策过程，按照分级
29、规划与决策的策略，一般创成式CAPP系统在工艺决策时只生成零件的工艺规程主干 工艺决策后，还必须进行详细的工序设计，即分步对工艺规程主干进行扩充。,对机械加工工艺而言，工序设计内容包括： 1） 零件在进行机械加工时，对机床的选择 2） 对工艺装备的选择（包括夹具、刀具、量具、） 3） 确定出毛坯及各工序（或工步）的加工余量 4） 各工序尺寸的计算，并确定出其所对应的公差 5） 生成机械加工中各工序对应的工序图 6） 确定出切削速度、进给量和吃刀深度 7） 确定零件在加工时的工时定额 8） 零件加工费用的估算 9） 工艺文件的编辑与输出 10）对工艺过程进行优化 11） 对材料、工艺装备等进行统计,
