计算机辅助工艺过程设计

1. 计算机辅助工艺过程设计 主讲：薛善良 周燕飞 吕常魁

2. 计算机辅助工艺过程设计 一、计算机辅助工艺过程概述 二、成组技术及其在工艺中的应用 三、计算机辅助工艺过程设计

3. 一 计算机辅助工艺设计概述 1 . 1工艺设计概述 1.2 CAPP概念 1.3 CAPP在CAD／CAM集成系统中的作用 1.4 CAPP技术的产生、发展 1.5 CAPP的分类 1.6 CAPP系统的基本结构 思考题

4. 1.1 工艺设计的概念 • 工艺规程是规定产品加工工艺过程和操作方法的工艺文件。 • 工艺规程的作用： • 1） 它是企业生产计划、调度、工人操作和质量检查等活动的依据； • 2)它是生产准备的依据； • 3）它是企业规划的依据。

5. 工艺规程的编制过程称为工艺设计。 一般认为，工艺设计包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。其中，工序设计又可包含装夹设备选择或设计、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。

6. 工艺设计的地位和作用 工艺设计是生产技术准备工作的第一步，也是连接产品设计与产品制造之间的桥梁。工艺设计决定零件加工方法与加工路线。其产生的技术文件——工艺规程是进行工装设计和制造的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有着直接的影响。因此，工艺设计是生产中的关键工作。

7. 工艺设计必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理以及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额，甚至传统习惯等方面的信息。工艺设计必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理以及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额，甚至传统习惯等方面的信息。 工艺设计的工作内容 包括查阅资料和手册，确定零件的加工方法，安排加工路线，选择设备、工装（必要时还要设计工装）、切削参数、计算工序尺寸、绘制工序图、填写工艺卡片和表格文件等工作。

8. 手工设计工艺规程存在以下几方面的问题： 1．手工设计工艺规程一致性差、质量不易稳定、难以达到优化目标和不便于工艺规程的标准化。

11. 2．手工设计工艺规程设计效率低下，不能适应机械制造业中日益增强的产品更新换代快的要求；一个新产品问世，要经历设计-生产准备-加工生产等三个大阶段。生产准备包括工艺过程设计、专用夹具和刀具设计、专用机器及其它工艺装备设计等。工艺过程设计所占的比重，约为整个生产准备时间的40％。 3．手工设计工艺规程不便于计算机对工艺技术文件进行统一的管理和维护。 4．手工设计工艺规程不便于将工艺专家的经验和知识集中起来加以充分地利用。 5．手工工艺设计方法已不能满足产品设计、工艺、制造与管理的全过程计算机化的需求。

12. 1.2 CAPP概念 CAPP（计算机辅助工艺设计，Computer Aided Process Planning）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的技术。 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、工艺路线制定和工时定额计算等。其中，工序设计又可包含装夹设备选择或设计、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。

13. 高速发展的计算机科技为工艺设计的自动化奠定了基础。计算机能有效地管理大量数据，进行快速、准确的计算，进行各种形式的比较和选择，自动绘图，编制表格文件和提供便利的编辑手段等。可见计算机的这些优势正好是工艺设计所需要的，于是计算机辅助工艺设计（CAPP）便应运而生。高速发展的计算机科技为工艺设计的自动化奠定了基础。计算机能有效地管理大量数据，进行快速、准确的计算，进行各种形式的比较和选择，自动绘图，编制表格文件和提供便利的编辑手段等。可见计算机的这些优势正好是工艺设计所需要的，于是计算机辅助工艺设计（CAPP）便应运而生。 CAPP的作用CAPP系统不但能利用工艺人员的经验知识和各种工艺数据进行科学的决策、自动生成工艺规程，还能自动计算工序尺寸、绘制工序图、选择切削参数和对工艺设计结果进行优化等，从而设计出一致性良好的、高质量的工艺规程，也使工艺设计与CAD，CAM乃至MIS等系统的集成成为可能。另外，由于计算机中存储的信息可以反复利用，从而大大提高了工艺设计的效率。

14. CAPP的效果 CAPP的成功开发和应用是制造企业化的的先决条件。即使在常规方式生产的企业中，CAPP的应用也能带来以下效果： 1.节省工艺过程编制时间和编制费用； 2.提高相似和相同零件工艺过程的一致性； 3.提高工艺过程合理化的程度； 4.降低对工艺过程编制人员知识与经验水平的要求； 5.减少所需的工装种类； 6.减少生产费用； 7.缩短生产准备周期； 8.提高企业适应能力。

15. 1.3 CAPP在CAD／CAM集成系统中的作用 在CAD／CAPP／CAM集成系统中， CAPP是连接 CAD与 CAM之间的桥梁和钮带。集成化的CAPP系统能直接接收CAD的零件信息，进行工艺规划，生成有关工艺文件（必要时还可向CAD系统反馈有关工艺评价信息），并以工艺设计结果和零件信息为依据，经过适当的后置处理，生成 NC程序，从而实现 CAD／CAPP／CAM的集成。CAD、CAPP与CAM之间的关系如图所示。图中，向右的箭头表示信息传递，向左的箭头表示信息反馈。

16. 1.4 CAPP技术的产生、发展 CAPP的研究始于60年代后期，第一个CAPP系统是挪威1969年推出的AUTOPROS系统。到现在为止，虽然CAPP的研制历史仅有20多年，但在工业界和学术界的双重推动下，已有大量的CAPP系统问世。表l一1列出了国外一些比较著名的CAPP系统。

17. 从80年代初期起，我国一些高等院校和工厂在推广应用成组技术的基础上，也开始研究和开发CAPP系统。据初步统计，迄今为止，在国内学术会议和刊物上正式发表的CAPP系统已有50多个，有少数系统已正式在工厂使用。表1－2列出了国内研制的部分系统。从80年代初期起，我国一些高等院校和工厂在推广应用成组技术的基础上，也开始研究和开发CAPP系统。据初步统计，迄今为止，在国内学术会议和刊物上正式发表的CAPP系统已有50多个，有少数系统已正式在工厂使用。表1－2列出了国内研制的部分系统。

18. 经过20多年的发展，CAPP在生成原理、系统结构、决策方法等方面，都已取得了很大的进展，综观目前国内外CAPP的研究和开发状况，CAPP的发展趋势是集成化和柔性化。经过20多年的发展，CAPP在生成原理、系统结构、决策方法等方面，都已取得了很大的进展，综观目前国内外CAPP的研究和开发状况，CAPP的发展趋势是集成化和柔性化。 集成化是指CAPP系统与其它集成化系统信息及时传输与共享。在工程设计领域，通常是指与CAD和CAM系统的集成，若推广到整个工厂范围，则还包括与生产管理、质量保证等系统的集成。CAPP与其它系统的集成、从局部自动化走向全面自动化，这是自动化技术发展的必然趋势。 柔性化是指CAPP软件经过一定程度的修改和调整后，能用于不同零件和不同的生产环境。这种修改和调整越容易，柔性化程度就越高。当前国内外所开发的CAPP系统，都是针对某一具体生产环境的，一般不具备通用性。造成这一问题的最主要的原因在于工艺设计对制造环境强烈的依赖性，环境不同或类型不同，必然导致工艺设计结果的不同。因此，开发一个通用的CAPP系统几乎是不可能的。为此，国内外不少研究人员正致力于提高CAPP的柔性化程度，使用户经过简单的二次开发即可实际应用。柔性化也有助于CAPP早日走上商品化的道路。

19. 1.5 CAPP的分类

20. 检索式系统 是最早的一类CAPP系统，这类系统运行时，首先检索出适合一组相似零件的标准工艺，然后通过编辑修改生成具体零件的工艺并输出。与传统工艺设计相比，应用检索式CAPP系统能大大减少工艺是重复繁琐的修改抄写工作， 并能提高工艺文件质量。 • 派生式（Variant）系统已从单纯的检索式发展成为今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原则和方法。 • 创成式（Generative）系统的研究与开发始于70年代中期，而且很快得到普遍重视，被认为是有前途的方法。 • 从80年代开始探索将人工智能（AI）、专家系统技术等技术应用于CAPP系统的研究和开发，研制成功了所谓基于知识的（Knowledge一based）创成式CAPP系统或CAPP专家系统。

21. 近几年来，有人将人工神经元网络技术、模糊推理以及基于实例的推理等用于CAPP之中，也有人提出了CAPP系统建造工具的思路，并进行了卓有成效的实践。还有人将传统派生法、传统创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了所谓的混合式（Hybrid）CAPP系统。近几年来，有人将人工神经元网络技术、模糊推理以及基于实例的推理等用于CAPP之中，也有人提出了CAPP系统建造工具的思路，并进行了卓有成效的实践。还有人将传统派生法、传统创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了所谓的混合式（Hybrid）CAPP系统。 • 目前国内外已有许多上述各类系统的实例，一般是针对某类零件的专用CAPP系统，但迄今为止已得到生产实际考验和令人满意的系统还不多。我国对CAPP的研究始于80年代初，但与世界先进水平相距不远。

22. 1.6 CAPP系统的基本结构 尽管CAPP系统的种类很多，但其基本结构都以下五大部分。 1．零件信息的输入 2．工艺决策 3．人机界面 4．工艺数据／知识库 5．工艺文件管理与输出

23. 零件信息的输入零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，计算机目前还不能象人一样识别零件图上的所有信息，所以在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述，如何输入和描述零件信息是CAPP最关键的问题之一。零件信息的输入零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，计算机目前还不能象人一样识别零件图上的所有信息，所以在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述，如何输入和描述零件信息是CAPP最关键的问题之一。 工艺决策工艺决策是系统的控制指挥中心，它的作用是：以零件信息为依据，按预先规定的）顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程。 人机界面人机界面是用户的工作平台，包括系统菜单、工艺设计的界面、工艺数据／知识的输人和管理界面，以及工艺文件的显示、编辑与管理界面等。

24. 工艺数据／知识库工艺数据／知识库是系统的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的所有工艺数据（如加工方法、余量、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等众多内容，如加工方法选择规则、与排序规则等）。如何组织和管理这些信息，并便于使用、扩充和维护，使之适用于各种不同的企业和产品，是当今CAPP系统需要迫切解决的问题。工艺数据／知识库工艺数据／知识库是系统的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的所有工艺数据（如加工方法、余量、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等众多内容，如加工方法选择规则、与排序规则等）。如何组织和管理这些信息，并便于使用、扩充和维护，使之适用于各种不同的企业和产品，是当今CAPP系统需要迫切解决的问题。 工艺文件管理与输出一个系统可能有成百上干个工艺文件，如何管理和维护这些文件是既是 CAPP系统的重要内容，也是整个 CAD／CAPP／CAM集成系统的重要组成部分。输出部分包括工艺文件的格式化显示、存盘、打印等。系统一般能输出各种格式的工艺文件，有些系统还允许用户自定义输出格式，有些系统还能直接输出零件的NC程序。

25. 二、成组技术及其在工艺中的应用 1．现代机械工业的基本任务和特点 基本任务 充分利用现代科学技术最新成就，按照高效、优质、低成本的要求，不断生产出各种节能省料的新产品

26. 基本特点 • 从历来单一品种的生产方式向多品种生产方式转化，从而使得多品种生产在机械工业的生产结构中占有绝对优势的比重 • 现代生产技术和制造过程必须拥有较高的自动化水平和灵活应变的能力，即实现生产技术和制造过程的柔性化

27. 2．生产系统和制造系统 • 生产系统 • 将机械制造的全过程及其组成部分看成一个整体，用系统的观点来分析和研究，对机械制造过程实行最有效的管理和控制，以期取得最佳经济效果的技术和管理系统

28. 生产活动的三个阶段： • 决策阶段 • 研究和开发阶段 • 产品制造阶段

29. 生产过程的载体 • 物质流：以生产对象、机床设备、工艺装备为中心 • 信息流：以生产管理和信息处理等管理技术为中心 • 能量流：以保证生产正常运行的能源等为中心

30. 制造系统 • 直接将输入的原材料或毛坯加工成成品的系统 • 由机械设备、工具、各种制造过程组成

31. 3．中、小批量生产的几种模式 • 传统的制造模式： 即用通用机床或专用工艺装备进行生产，产品质量和生产效率依赖于工艺装备和工人的技术水平

32. 现代的制造模式：即计算机参与整个机械制造工业，实现计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助编制工艺规程（CAPP）和管理信息系统（MIS），采用若干台数控机床（主要是加工中心），并备有物料传输和装卸、中间存储仓库组成的柔性制造系统（FMS）；整个工厂由一个多级的网络控制，配合一套将设计、制造、管理综合为一个软件系统，形成工厂全盘自动化的最高型式——计算机集成制造系统（CIMS）现代的制造模式：即计算机参与整个机械制造工业，实现计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助编制工艺规程（CAPP）和管理信息系统（MIS），采用若干台数控机床（主要是加工中心），并备有物料传输和装卸、中间存储仓库组成的柔性制造系统（FMS）；整个工厂由一个多级的网络控制，配合一套将设计、制造、管理综合为一个软件系统，形成工厂全盘自动化的最高型式——计算机集成制造系统（CIMS）

33. 4．成组技术的基本概念 • 传统小批量生产方式的缺点 • 产量小，生产周期长，限制了先进技术的采用，生产效率低 • 生产准备工作量大 • 生产计划、组织管理复杂化

34. 零件的相似性原理和成组技术的诞生 • 大量统计资料表明，机械产品中相似件占70%（结构形状和加工工艺等相似） • 成组技术正是研究和利用了有关事物的相似性，将企业的各种产品、部件和零件，按一定的相似性准则分类编组，并以这些组为基础，组织生产环节，实现多品种、中小批量生产的产品设计、制造、管理的合理化

36. 成组技术的实质 • 复杂而多样的事物或信息中，有许多问题具有相似性，把相似问题分组，就能使复杂问题简化，从而找出解决这一组问题的同一方法或答案，并节省时间和精力

37. 实质：按零件的形状、尺寸、制造工艺的相似性，将零件分类归并成组（族），扩大零件的工艺批量，以便采用高效率的工艺方法和设备，使中小批量生产也能获得类似大批量流水生产的经济效益实质：按零件的形状、尺寸、制造工艺的相似性，将零件分类归并成组（族），扩大零件的工艺批量，以便采用高效率的工艺方法和设备，使中小批量生产也能获得类似大批量流水生产的经济效益 • 成组技术成了CAD、CAPP、CAM、FMS等的技术基础

38. 5．成组生产的组织形式 • 根据目前成组加工的实际应用情况，成组加工系统有三种基本形式： • 成组单机；成组生产单元；成组生产流水线

39. 成组单机 • 把一组工序相同或相似的零件族集中在一台机床上加工 • 特点：针对从毛坯到成品多数工序可以在同一类型的设备上完成的工件；也可以只完成其中某几道工序 • 功用：成组技术的最初形式，是成组技术发展的基础；减少机床调整时间，有一定经济效果

40. 成组生产单元 • 指一组或几组工艺上相似零件的全部工艺过程，由相应的一组机床完成，该组机床即构成车间的一个封闭生产单元 • 特点：把几种类型机床组成一个封闭的生产系统；完成一组或几组相似零件的全部工艺过程；有一定的独立性，并有明确的职责 • 功用：设备利用率高；缩短了生产周期；简化了生产管理

41. 6．成组技术中的零件编码 • 零件分类编码的基本原理 • 概念 • 分类——把事物划分成不同组的过程 • 编码——对不同组的事物给予不同的代码 • 零件分类编码——抽象地反映零件名称、功能、结构、形状、工艺特性、精度等信息的代码（符号） • 编码法则——对代码代表的意义所作出的明确规定和说明

42. 原理 • 成组技术的编码，必须充分反映机械零件的各种特征，这些特征包括：零件的结构和形状、各组成表面的类别及配置关系、零件材料及热处理、几何尺寸、加工精度和表面质量 • 代码必须能唯一地区分产品零件族

43. 对零件分类编码系统的要求： • 充分、全面、准确地描述零件信息 • 系统逻辑层次分明，结构合理 • 容易被计算机理解和处理 • 考虑与CAD、CAM的链接和企业的应用要求 • 易于被工程人员理解，易于编程

44. 代码结构的类型 • 层次式（又称单元码）：每一代码的含义都由前一级代码限定（各分支都必须定义） • 链式（矩阵式）（又称多元码）：码位上每一个数字都代表不同的信息，与前面的码位无关 • 混合式（层次式和链式混合）：综合层次式和混合式代码的长处

45. 零件的编码系统 常用的分类编码系统有如下两种： • 奥匹兹（Opitz）分类编码系统 • 由德国亚琛工业大学的H·奥匹兹教授领导研制成功的

46. 基本结构 奥匹兹代码采用混合式代码结构；由9位代码组成，前5位为几何码（又称主码），分别代表零件的种类、基本形状、回转表面加工、平面加工、辅助孔、轮齿、型面加工；后4位为辅助码，分别代表主要尺寸（直径或边长）、材料类型、毛坯形状、加工精度；每一个码位有10个特征码

48. JLBM-1分类编码系统 • 这是“机械工业成组技术零件分类编码系统”的汉语拼音缩写 • 1985年由我国机械电子工业部设计研究总院负责制订

49. 也是采用混合式代码结构；由15位代码组成，第1、2位代码代表零件名称类别；第3~9位是形状与加工码（为主码）；第10~15位代码为辅助码，分别代表材料、毛坯原始形状、热处理、主要尺寸、加工精度；每一个码位有10个特征码也是采用混合式代码结构；由15位代码组成，第1、2位代码代表零件名称类别；第3~9位是形状与加工码（为主码）；第10~15位代码为辅助码，分别代表材料、毛坯原始形状、热处理、主要尺寸、加工精度；每一个码位有10个特征码