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    CAPP系統類型及關鍵技術研究
    發布日期:2010.01.05
    工藝設計已成為機械制造生產中技術工作的一項重要內容,是產品設計和制造的中間環節,是實踐性特征明顯的工作。而目前國內、市場對產品的要求是多品種小批量生產,新產品開發能力和開發周期要盡量縮短,這就要求工藝設計工作量和時間上要減少。在這樣一種背景下,計算機輔助工藝設計CAPP(Computer Aided Process Planning)在工藝設計過程中越來越重要。
    從全部國范圍來看,CAPP的研究始于60年代中期。其后發展速度較慢。80年代以來隨著機械制造業向CIMS的發展,把設計方面的信息如何有效地轉化為制造信息,CAPP體現出CAD與CAM集成化的真正橋梁作用。CAPP系統接受來自CAD的產品幾何信息、材料和精度等工藝方面的信息,完成人機交互,零件信息輸入,建立起產品的信息模型。根據此模型,CAPP系統再進行組合和排序,選擇機床和夾具等,確定切削用量,計算工時,后面完成技術文件和數據,CAPP再向CAM輸出所需的各種信息。進入90年代初,隨著人們對CIMS的技術理解和深入研究、并行工程的興起、敏捷制造等先進生產模式的提出,CAPP的集成化含義已大大拓寬。此時,CAPP已不是單純的工藝設計技術,而是制造系統中不可缺少的一個重要環節。在我國,1982年同濟大學推出了派生式系統TOJICAP,隨后許多大學和研究機構興起了研究CAPP的熱潮。經過多年的不懈努力,研究水平也在不斷提高,但與世界先進水平尚有差距。
    不同的CAPP系統具有各自不同的特點。CAPP開發中的—些關鍵技術需要注意。這些都需要在開發實用的CAPP系統時認真考慮。
    1 CAPP特點和主要類型
    CAPP系統主要有派生式、創成式、綜合式。
    1.1 派生式CAPP系統
    派生式CAPP系統是利用成組技術的原理,在一個零件族中根據相似性設計出一個典型樣件,建立一個標準典型工藝文件,存入下藝文件庫中。當要制訂一個零件的工藝過程,可將零件圖形輸入計算機,由計算機根據零件的成組分類編碼并識別出屬于哪一類零件族,調出相應零件族的典型工藝。根據具體的設計要求,可以進行修改,后面形成適合于該零件的工藝規程,這種類型的工作步驟如下:(1)選擇合適的編碼系統,完成對所需設計零件的描述和輸入。(2)檢索及判斷設計零件是否屬于某零件族,屬于則調出典型工藝,否則返回。(3)對標準工藝增加或刪除,編輯零件的工藝規程,記錄結果存儲和輸出。
    派生式系統要有樣板文件,因此它的適用范圍局限性很大。它只能針對某些具有相似性的零件產生工藝文件。在一個企業中這種零件町能只是一部分,那么其它零件的工藝文件派生式系統就無法解決。
    1.2 創成式CAPP系統
    創成式CAPP系統是由計算機軟件系統根據加工能力和工藝數據等信息及各種工藝決策邏輯,自動設計出零件的工藝規程,人的任務僅在于監督計算機上作,在計算機決策過程中作一些簡單問題的解決,對中間結果進行判斷和評估。這種類型的工作步驟如下:(1)確定零件的建模方式和系統讀取零件信息的方式。(2)工藝分析和工藝知識的信息輸入。(3)選擇合適的工藝決策和建立工藝加工數據庫。(4)系統主控模塊和人機接口的設計。(5)工藝文件的存儲和輸出。
    由于制訂工藝規程時的影響因素較多且復雜,目前創成式系統還只能部分決策邏輯,不能實現全部自動化的創成式系統。
    1.3 綜合式CAPP系統
    綜合式CAPP系統是將派生式與創成式結合起來,對新零件的工藝進行設計時,先通過計算機來檢索所屬零件族的標準工藝,再根據零件的具體情況,對標準工藝進行增加和刪除,而工步設計則采用自動決策產生,將派生式和創成式互相結合,各取每種方法的優點。
    綜合運用派生式與創成式等工藝設計模式不是簡單地疊加,而是有機地融合、滲透。用戶是工藝設計的主體,要充分發揮人的智能優勢,在系統應用過程中基于系統知識的支持,有效地輔助工藝人員,很好地發揮CAPP系統的效率。其目的是綜合派生式和創成式兩者的優勢,以避免派生式系統的局限陸和創成式系統的高難度。
    2 CAPP開發中的關鍵技術概述
    2.1 零件的分類編碼方法
    在建立零件分類編碼系統時,首先要檢查分析每個零件的設計和制造特征,而零件的這些特征也只有借助于編碼來識別。一般情況下,零件的特征越多,描述這些特征的編碼也越復雜。零件分類編碼系統可以分為三種類型:(1)以零件設計特征為基礎的編碼系統;(2)以零件制造特征為基礎的編碼系統;(3)以零件的設計和制造特征為基礎的編碼系統。一種類型用于檢索和增進設計標準化。二種類型用于計算機輔助下藝規程編制、刀具設計以及其他與產品有關的工程內容。第三種類型則兼而有之。在開發CAPP系統時要按產品的類型選擇相應的零件分類編碼方法。 2.2 工藝設計技術
    2.2.1 基于GT的相似工藝自動檢索
    采用相似工藝檢索技術,不僅可大大減少工藝人員的工作強度和對有經驗工藝人員的依賴,而且會提高產品工藝的繼承性和重用性,增進工藝的標準化。而在綜合式設計模式下,相似丁藝的自動檢索是基于實例的相似工藝自動檢索。成組技術、基于實例的技術、模糊邏輯等是實現基于GT的相似工藝自動檢索的基礎。
    2.2.2 基于GT的參數化工藝設計
    工藝的標準化、規范化為參數化工藝設計奠定了基礎,對于系列化產品以及大規模定制生產模式,參數化工藝設計是一種快捷有效的丁藝設計模式。通過總結歸納典型工藝,確定工藝的關鍵參數,建立參數化典型工藝數據庫,實現基于零部件工藝參數的檢索設計。
    2.2.3 模塊,單元化工藝設計
    是參數化工藝設計方式的進一步發展。其核心思想是制造工藝是由一系列規范化的操作根據某種規則組成的,而這些規范化操作的選用取決于零部件工藝參數、工藝要求及其相互關系。規范化操作可以是一個丁序、—個工步、多個工序的組合、多個工步的組合等。在建立好規范化操作數據庫的基礎上,利用參數化設計技術、專家系統技術,實現模塊/單元化工藝設計。
    2.2.4 基于信息模型驅動的工藝關聯設計
    通過系統分析工藝信息結構、內在聯系、工藝信息集成需求,建立工藝信息模型,并對上藝屬性進行約束,建立屬性之間的內在關系,建立系列化工藝關聯設計功能,如自動計算、約束選取、工藝資源信息選取、工藝資源數據庫動態聯接查詢用等,增進工藝信息的規范化、標準化,提高工藝信息的一致性、完整性。
    2.3 工藝管理技術
    工藝管理分為三個方面:(1)工藝信息管理;(2)工藝文檔管理;(3)工藝審批流程管理。工藝信息管理取決于工藝信息處理模式。采用基于結構化信息處理模式,由于數據庫的應用和數據的結構化,工藝文檔的輸出、工藝信息統計匯總、使報表、信息共享與集成非?旖,數據準確性高。工藝文檔管理與工藝審批流程管理等功能,基本采用類似于PDM的思想。其中工藝審批流程管理采用了工作流技術,綜合了計算機科學和管理科學中諸多研究領域的原理、方法和技術,在工藝領域進行工作流管理的研究、開發和應用,可實現產品開發過程和信息的集成統一,更加有效地對工藝信息和資源進行管理和控制,為企業實現并行工程、無紙工藝和生產奠定基礎,具有廣闊的應用前景。
    把工藝數據管理納入CAPP的范圍是近年來CAPP技術發展的結果。傳統CAPP技術只是針對單個零件的工藝自動生成,對工藝數據管理的要求小高,一般采用文件形式保存工藝數據。隨著基于集成環境面向產品的CAPP技術的提出,CAPP系統需要在網絡環境中處理大量工藝數據,傳統的基于文件保存工藝數據的方式不能有效的管理工藝數據,這要求對CAPP工藝數據管理技術深入研究。CAPP工藝數據管理的目的是保證產品工藝數據的有效性、完整性、一致性,實現上藝數據共享,實現CAPP與CIMS其它子系統有效的集成。
    3 CAPP面臨的研究課題
    經過30多年的發展,在CAPP系統研究開發上付出了巨大的努力,而且也開發了不少的CAPP系統,已開發的系統的實用性還不太令人滿意,另外,CAPP作為設計和生產的集成要素,它的發展落后于CAD和CAM的發展。隨著產品競爭的日益加劇以及技術革命的影響,制造廠家要補充具有足夠柔性的新型制造手段,以便迅速對產品制造的需求變化做出響應,這就為CAPP系統的研究質量和開發周期提出了更高要求。CAPP系統能快速地、柔性地響應產品和需求的變化,縮短工藝設計周期,提高開發效率,并實現與其它制造環節的集成。遺憾的是,目前的CAPP系統尚不能滿足上述要求,主要存在的問題是:(1)柔性差;(2)集成性差;(3)智能化低;(4)由于基于符號的知識表達方法和知識推理方法的局限性,存在工藝知識獲取的“瓶頸”問題與推理過程中出現的“匹配沖突”或“組合爆炸”等問題.正是由于存在上述的這些問題,長期以來CAPP的應用效果不能令人滿意,至今還沒有—個可以廣泛應用于企業的、適應性強、比較成熟的商品化CAPP系統。 4 CAPP的發展趨勢
    從工藝設計的本身角度看,隨著人工智能、神經網絡、虛擬現實等技術的進一步發展,使得對設計過程必然有更深的認識,對設計思維的描述必將得到新的境界。CAPP將使工藝設計朝著智能化、多元化、系統化,實用化的方向發展.從整個制造業的發展趨勢看,并行工程、智能制造、敏捷制造、虛擬制造、精益生產等制造模式代表了現代產品制造模式的發展方向,隨著技術的進一步發展,產品制造模式在信息化的基礎上,必將朝著柔性化、靈捷化、網絡化、智能化的方向發展.以下是CAPP技術的幾個重要的發展方向。
    4.1 CIMS環境下的CAPP技術
    由于CAD、CAPP和CAM各自的研究側重點不同并且是獨立發展的,它們的數據模犁彼此不相容。所以,CIMS集成的關鍵技術就是實現各獨立系統問信息的順暢傳遞,數據交換雙方要遵循統一的產品數據模型和數據交換機制。因而,產品數據管理和產品交換標準是實現CIMS的關鍵技術。目前,面向對象數據庫管理系統被認為是適合于CIMS中比較有希望的新型數據庫管理系統。異構分布式數據庫系統也得到某種的研究和開發。從而使CAPP技術得到了進一步的發展;谔卣鞯、支持統一產品信息模型(PDEShGES/sTEP)的CAPP系統是目前的重要研究方向。
    CIM制造技術對CAPP系統提出了一些新的要求,表現在CAPP系統要能夠與其他環節自動交換信息,實現信息集成,包括自動獲取CAD系統產生的產品數據信息,自動提供加上制造等環節所需要的各種信息。這些要求迫使CAPP系統要不斷完善其內部功能,擴展新的功能模塊,如零件特征自動識別模塊等,形成了面向信息集成的集成化CAPP系統系統和技術。
    4.2 并行工程環境下的CAPP技術
    傳統設計與制造環境下,信息與決策的傳遞是按先后順序進行的。隨著設計與制造概念的轉變及市場需求的變化,并行工程的概念應運而生,并日益為人們所接受。當前,實現并行設計與制造過程已成為企業實現盈利,快速占領市場的關鍵環節。并行工程(CE)環境下的CAPP系統不僅是信息集成的中樞,同時也是各子系統間功能協調的紐帶。CAPP要面向設計、面向制造、面向產品進行設計。它既能接收來自CAD的設計信息,并對設計結果進行可制造性評價,同時對不合理的設計提出修改建議,它還能提供給CAM工藝信息,并接收CAM反饋回來的信息,進行工藝設計、數控編程及加工動態仿真。其核心是在設計階段就考慮到產品生命周期中的所有因素,對各個環節功能進行協調,縮短產品開發與制造周期。
    并行環境下的CAPP與傳統的CAPP具有顯著的區別:
    (1)并行設計的CAPP要在產品的設計階段進行可制造性分析。通過產品結構工藝性評價和可加工性評價,在生成工藝計劃的同時提供改進設計方面的信息反饋,使產品設計更為合理;
    (2)并行設計中CAD與CAPP之間的雙向信息交互通訊具有動態隨機性。在產品設計的任何時候,CAPP隨時對CAD的設計合理性作出評價,并將改進意見反饋給CAD,即時改進當前狀態下的設計。
    4.3 聯盟制造環境下的CAPP技術
    由于產品市場由賣方市場向買方市場的轉變,產品樣式不斷更新,產品結構日趨復雜,所以,僅憑一個企業無法在短時問內完成產品的設計與制造的全過程,迅速響應市場的變化。在這種情形下,敏捷制造模式出現了,Intemet和WEB技術的發展使敏捷制造成為可能。聯盟制造是敏捷制造的較高形式。在聯盟制造環境下,快速重組技術是一個關鍵的技術問題。因此,此環境下的CAPP系統應具備適應動態變化的能力。各個設計與制造單元所使用的標準執行的功能不同,要求CAPP系統能做到協調作用。因而在開發時要考慮到變化與柔性對CAPP系統體系結構和功能模型的影響,所開發的系統應具有充分的靈活性、開放性、重構性和兼容性。工藝過程設計標準化和通用信息接口成為開發柔性CAPP系統的技術難點和研究熱點。
    為了適應敏捷制造模式的要求,—些學者提出了利用分布式人工智能的Agent技術及計算機網絡技術構成分布式的相互協同的CAPP系統的思想。雖然這方面的研究工作才剛剛開始,但開放性、動態性和分布陛將成為今后CAPP系統體系結構的重要特征。
    5 結論
    在制造自動化領域內,相對CAD、CAM來說CAPP是發展較遲的。雖然國內外已有上述一些種類的CAPP系統實例,但迄今為止,應用面廣、適應性強,得到生產實際考驗和令人滿意的系統還不多,目前我國對CAPP的應用還處于推廣階段。在大力發展先進制造技術的背景下,CAPP也要與各種先進生產模式相適應。因此,對于從事工藝設計自動化的科研工作者而言,任重而道遠。

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