精品课程 Digital Design and Manufacture 数字化设计制造第四章计算机辅助工艺规划第一节概述第二节 CAPP系统的基本原理第三节 CAPP技术应用

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数字化设计制造

第四章计算机辅助工艺规划第一节概述

第二节 CAPP 系统的基本原理

第三节 CAPP 技术应用

计算机辅助工艺规划概述



传统的狭义 CAPP 概念 : Computer Aided Process Planning 完成工艺过程设计并输出工艺规程

CIMS 环境下的广义 CAPP: Computer Aided Production Planning 一方面向生产规划和作业计划最佳化发展另一方面则向生成 NC 指令扩展

一 . CAPP 的概念




二 . CAPP 与 CAD 、 CAM 的关系在 CAD/CAM 系统中 CAPP 直接从 CAD 模块获取零件的几何信息、材料信息、

工艺信息等，以代替人机交互的零件信息输入，其输出是CAM 所需的各种输入信息。

在计算机集成制造系统中 CAPP 接受来自 CAD 系统的工艺信息，并将产品的结构

工艺性评价信息反馈给 CAD 系统； CAPP 向 CAM 提供加工零件所需的设备、工装、切削参数、装夹参数、加工过程以及反映零件切削过程的刀具轨迹文件，同时接收CAM 反馈的工艺修改意见。

计算机辅助工艺规划概述精品课程

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三 . 成组技术1.1. 多品种、中小批量生产中存在的问题多品种、中小批量生产中存在的问题

批量法则批量法则在大批量生产中，由于采用专用、高效和自动化的生产设备，可以获得高的生产率，低的生产成本，短的生产周期；而多品种、小批量生产则相反。机床利用率机床利用率例： CA6140 车床，最大加工直径 φ400 ，实际加工 90％以上工件直径不足 100mm ，机床利用率极低。制造周期制造周期在多品种、中小批量生产中，加工时间仅占生产时间的约5 ％，其余 95 ％均为周转等待时间；加工时间中真正进行切削的时间不足 30% 。




◆◆ 目前，单件小批量生产的产品占机械产品总数的 70 ％以上，并有继续增大的趋势。解决多品种、中小批量生产的有效途径是采用 GT 。

5 ％ 95 ％

调整、装夹、对刀、检测等切削

30 ％ 70 ％

加工时间运输与等待时间制造周期

加工时间

图 1-13 多品种、中小批量生产的时间分配




2. 2. GTGT 的客观基础的客观基础

二次相似性

结构（形状、尺寸、精度…）材料（材质、毛坯、热处理…）工艺（加工方法、加工设备…）

一次相似性

机械零件之间存在相似性机械零件之间存在相似性

这种相似性主要表现在三个方面：

机械产品中各类零件出现有明显的规律性机械产品中各类零件出现有明显的规律性

正是由于正是由于 70%70% 左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的左右的零件属于相似件，构成实施成组技术的客观基础。客观基础。




标准件复杂件相似件

20 ～25%

70% 5 ～ 10%

零件复杂程度

零件出现频数

机械产品中不同复杂程度零件分布规律



结构相似零件组

工艺相似零件组




3.3.GTGT定义定义一般性定义：一般性定义： GTGT 是一门生产技术科学，研究和发掘生是一门生产技术科学，研究和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方问题分类成组，寻求解决这一组问题的相对统一的最优方案，以取得最佳效果。案，以取得最佳效果。

机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品）按其机械制造领域中定义：将多种零件（部件或产品）按其相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为相似性分类成组，并以这些零件组（部件组或产品组）为基础组织生产，实现多品种、中小批量生产的产品设计、基础组织生产，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。制造工艺和生产管理的合理化。

GTGT 被认为是一种被认为是一种“制造哲理”“制造哲理”——（（ Manufacturing Manufacturing Philosophy Philosophy ）），是现代制造技术的一个，是现代制造技术的一个重要重要理论基础。理论基础。

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成组技术基本原理

产品

部件

零件

零件组

A B C

A1

A2

A3

B1

B2

C1 C2 C3 C4

将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量将多种零件按其相似性分类成组，人为扩大生产批量

重复使用原则：重复使用原则：◆ ◆ 资源重复使用，降低生产成本；资源重复使用，降低生产成本； ◆ ◆ 作业熟练程度增加，提高生产率。作业熟练程度增加，提高生产率。

4.4.GTGT 工作原理工作原理



成组技术基本原理示意成组技术基本原理示意

产品产品

分解分解

归并归并

标准化标准化




5.5.GT GT 发展简况发展简况★★ 20世纪 50年代，前苏联院士 Митрофанов 在其著作“成组工艺科学原理”中首次提出“成组技术”。★★ 20世纪 60年代，西欧研究 GT 形成高潮，代表人物首推阿亨工业大学 Opitz 教授，他所领导的小组进行了大量的调查研究工作，为成组技术提供了重要的理论依据。★★ 20世纪 70年代，美国、日本接受成组技术，并迅速与计算机技术联系在一起，使其得到更好的应用。★★ 20世纪 80 、 90年代， GT 与各种新的制造方式相结合，成为现代制造技术的基础。★★ GT 发展过程：成组加工→成组工艺→成组技术→成组生产系统




6.6.我国我国 GT GT 发展简况发展简况

★ ★ 20世纪 50末、 60初学习苏联，首先在纺织机械行业试点实行，有清华大学、西安交大等高校参与。

★ ★ 20世纪 70末、 80初，机械部推出 4 个试点单位，并组织制定了两个编码系统（ JCBM-1 ， JLBM-1 ），对 GT 发展起到了推动作用。

★ ★ 20世纪 80年代中期后，计划经济向市场经济转轨，采用 GT 成为企业自发的行为。

计算机辅助工艺规划 CAPP 系统的基本原理



派生式

CAPP工作原理

1. 工作原理：利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。要求先对零件编码，根据编码确定所属零件族，调用该族零件标准工艺，经过编辑修改，最终获得零件工艺规程。

一 . 派生式 CAPP




零件族特征矩阵库




2. 派生式 CAPP 开发过程 1)根据产品特点与生产情况，确定编码系统； 2) 进行零件编码； 3) 对零件分类，形成若干零件族，建立零件族特征矩阵库； 4) 对各零件族构造“典型零件”； 5)编制“典型零件”标准工艺和相应的工序内容； 6)建立工艺数据库，存储常用工艺数据和规范； 7)编制系统程序，实现各功能模块。




3. 派生式 CAPP 特点 1) 以成组技术为基础，理论上比较成熟；

2) 应用范围比较广泛，有较好的实用性；

3)适用于结构比较简单的零件，尤其回转类零件；

4) 继承企业较成熟的传统工艺，但系统柔性度较差；

5) 对于相似性较差的复杂零件，难以编码描述。




二 . 创成式 CAPP ：1. 工作原理：根据零件模型和工艺信息，应用决策逻辑，模拟工艺人员决

策过程，自动创成加工工艺规程，完成机床刀具选择和工艺过程优化。

创成式

CAPP工作原理




2. 创成式 CAPP 开发过程

1)确定系统对象范围，是针对回转体零件还是非回转体零件；

2)确定零件描述方法，是型面单元描述还是体素组合语言描述；

3)确定和建立工艺决策模型，用决策表还是决策树；

4)建立加工资源数据库，包括机床、夹具、刀具、切削用量等；

5) 设计系统主控模块、人机接口模块、工艺文件生成和输出模块。




3. 创成式 CAPP 特点1)通过逻辑推理，自动决策生成零件工艺规程，无需人为干预；2) 具有较高的柔性，适应范围广；3)便于与 CAD 和 CAM 系统的集成；4) 系统实现较为困难，目前只能处理特定环境下的特定零件。




三 . 综合式 CAPP:

1. 工作原理：综合派生式 CAPP 采取派生与创成相结合的方法生成工艺规程，即工艺设计采用派生法，工序设计则采用创成决策方法产生。




特点：综合派生式与创成式 CAPP 两者优点，

具有系统简洁、快捷、灵活、实用性强的特点。




四 . 零件信息的描述与输入

1. 零件分类编码描述法　原理：基于成组技术原理，制订或选用一套编码系统，

对零件进行编码，通过编码实现对零件几何信息和工艺信息进行描述的目的。

特点：简单易行，但零件描述粗糙，无法对零件形状、尺寸、精度进行详细描述，没有足够信息进行决策。

应用：适用于派生式 CAPP 系统。目前 CAPP 系统很少单独使用该方法。




2. 形状特征描述法　原理：将零件形状特征按顺序输入计算机，按设定的数据结构进行组织，形成供 CAPP 调用的零件信息模型。优点： ① 零件特征与加工方法相对应，便于推导加工工艺； ② 零件特征包括尺寸、公差、粗糙度等信息，为工序设计、尺寸链计算、工艺路线的安排提供了方便。应用：在众多 CAPP 系统中得到了应用。

回转体零件加工二叉树结构表示




3. 语言描述法用计算机能够识别的语言对零件形状和工艺特征进行描述，需要用户学习掌握所选用语言的词法和语法，描述过程比较繁琐。

4. 知识表示描述法用人工智能中的知识表示方法来描述零件信息，包括人工智能框架表示法、产生式规则法和谓词逻辑表示法等。

5. 直接将 CAD 作业结果作为 CAPP 的输入将 CAPP 系统与CAD 系统直接相连，使 CAPP 操作所需的各种工艺信息直接来源于 CAD 系统，避免繁杂和枯燥的手工信息输入。

在众多零件信息描述中，适合轴类零件的方法较多，箱体类等复杂零件信息描述仍是一个薄弱环节。

计算机辅助工艺规划 CAPP 专家系统



一 . CAPP 专家系统的概念

专家系统：是一种求解问题的智能软件系统，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理和控制策略，处理和解决只有专家才能解决的问题。通常软件系统＝数据＋算法

专家系统＝知识＋推理




二 . 专家系统组成：




三 . 专家系统特点

1.启发性能使用判别性知识以及已确定的理论

知识进行推理；

2.透明性能解释其推理过程；

3. 灵活性能把新知识不断加入已有知识库，使其

逐步完善和精练。




1.正向推理从已知事实出发，按照给定控制策略，利用生产式规则

最终推断出结论。在 CAPP 系统中，由毛坯一步步推导出最终零件的整个加工工艺过程。

正向推理机应具有的功能：• 能够根据已知的事实，知道运用知识库中哪些知识；• 能将推理后得到的结论存入数据库，并记录整个推理过程；• 能够判断何时结束系统推理；•必要时向用户提问，要求用户补充输入所需的推理条件。

四 . 专家系统推理方式

正向推理不足－盲目推理，求解了许多与目标解无关的子目标；




2.反向推理先提出假设，然后反向寻找支持假设的证据。在 CAPP 系统中，由最终零件通过逐步加上加工余量，使之最终成为毛坯的推理过程。

反向推理机应具有的功能：

• 能够提出假设，并运用知识库中的知识判断假设的真假；

• 若为真，则记录使用了哪些知识（以备解释之用）；

• 若为假，则系统应重新提出新的假设，再进行判断；

• 能够判断何时结束推理；

• 必要时能够向用户提出补充条件要求。

反向推理不足：盲目选择目标，求解了许多假设的子目标。




3.双向推理：综合利用正向推理和反向推理优点，克服其不足。

先根据事实库中一些原始数据，利用正向推理帮助人们选择假设，再利用反向推理进一步证明这些假设是否成立，如此反复，直至最后得出结论。

　　专家系统开发语言： Lisp 、 Prolog 等智能型程序设计语言，需逐个模块开发，开发效率很低。

　专家系统开发工具 : 有骨架型、通用型、辅助型等。 EMYCIN 为最早、最常用专家系统开发典型工具，它是将MYCIN 专家系统中有关传染病诊断知识和内容移走，剩下专家系统“

骨架”（ Shell），包含不可缺少的推理机、知识获取、解释和控制功能模块，被称之为基本 (Essential) 的 MYCIN ，即 EMYCIN 。这样开发者仅需完成相关应用知识库的建立，便完成专家系统的开发，大大缩短专家系统开发周期。




　　专家系统开发语言： Lisp 、 Prolog 等智能型程序设计语言，需逐个模块开发，开发效率很低。

　专家系统开发工具 : 有骨架型、通用型、辅助型等。 EMYCIN 为最早、最常用专家系统开发典型工具，它是将 MYCIN 专家系统中有关传染病诊断知识和内容移走，剩下专家系统“骨架”（ Shell），包含不可缺少的推理机、知识获取、解释和控制功能模块，被称之为基本 (Essential) 的 MYCIN ，即 EMYCIN 。这样开发者仅需完成相关应用知识库的建立，便完成专家系统的开发，大大缩短专家系统开发周期。

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