系统的基本原理和方法

自1965年Niebel首次提出CAPP思想以来，CAPP系统经历了检索式（searches）、派生式（variant）、创成式（generative）、综合式（hybird）、CAPP专家系统、CAPP工具系统等发展阶段。尽管世界各国推出了许多面向不同对象、面向不同应用、采用不同方式、基于不同制造环境的CAPP系统，但是综合比较与分析结果表明，其基本原理与构成相同（图5-1），功能模块包括零件信息的描述与输入、工艺设计数据库/知识库、工艺决策等。将零件的特征信息以代码或数据形式输入计算机，建立零件信息库；把工艺人员的工艺经验、工艺知识和逻辑思想以系统能识别的形式输入计算机，建立工艺知识库；把制造资源、工艺参数输入计算机，建立工艺参数库；通过工艺决策的程序设计，利用计算机的计算、逻辑分析判断、存储以及编辑查询等功能生成工艺规程；最后输出结果。

图5-1　CAPP基本原理与构成

其中检索式CAPP系统最简单，在建立时将各类零件的现行工艺文件按产品或零件图号存入工艺文件库。新零件工艺设计时，只需根据图号在数据库中检索出相似零件的工艺文件，并按要求进行修改后输出，相当于类比设计，常用于品种少、批量大的生产模式以及零件变化不大且相似程度很高的场合。

5.2.1 派生式CAPP

派生式CAPP系统又称变异式或修订式CAPP系统，以成组技术为基础，其基本原理是相似零件有相似的加工工艺。将零件按几何形状及其工艺相似性进行分类归族，对于每一零件族，选择一个能包含该族中所有零件特征的零件为标准样件，或者构造一个并不存在但包含该族中所有零件特征的零件为标准样件，对标准样件编制成熟的、经过考验的标准工艺文件，存入工艺文件库中。新零件工艺设计时，首先输入该零件的成组编码或输入零件信息，由系统自动生成该零件的成组编码；根据零件的成组编码，系统自动判断零件所属零件族，并检索出该零件族的标准工艺文件；再根据零件的结构特点和工艺要求，对标准工艺文件进行修改，最后得到所需工艺文件。因此，派生式CAPP需要解决两个问题：首先，要实现零件图样信息代码化，以便让计算机了解被加工零件的技术要求；其次，要把工艺人员的经验、工艺知识和技能系统化、理论化、代码化，并存储到计算机中，以便计算机检索、识别和调用。

1）系统特点

派生式CAPP系统程序简单，易于实现，便于维护和使用，系统性能可靠，所以应用较广，但需人工参与决策，自动化程度不高，目前多用于回转体类零件CAPP系统。派生式CAPP系统工作分两个阶段：准备阶段和使用阶段，如图5-2所示。

图5-2　派生式CAPP系统工作的两个阶段

2）基本构成和工作过程

根据派生式CAPP系统的特殊性，将整个系统划分为以下功能模块：零件信息分类检索、零件信息输入、工艺编辑、标准工艺检索、工艺设计过程管理、工艺文件输出、用户管理、工艺数据査询、工艺尺寸链等。每个模块还可以根据情况进行细分。派生式CAPP系统工作时，按新零件代码确定其所属族别，并检索该族的标准工艺，再根据当前零件技术要求，对检索到的标准工艺进行编辑，从而形成新的加工工艺，并按规定格式输出，同时经工艺设计人员确认，还可以作为另一标准工艺存入标准工艺库中。以下是一个实用的派生式CAPP系统的基本构成，其主要功能模块及其工作流程如图5-3所示。

图5-3　派生式CAPP系统工作流程与流程框图

（1）零件成组编码。根据用户输入的零件号检索数据库的成组编码，若检索出来，则进入检索零件族模块；若检索不到，则按照系统选定的零件分类编码系统，对新零件进行成组编码。编码方法分手工编码和计算机编码两种。手工编码由工艺人员根据编码法则，对照零件图手工编出各码位的代码，这种方式效率低，工作量大，容易出错；计算机辅助编码采用人机交互方式，由计算机提问，操作人员回答，对编码系统的理解和判断由计算机软件自动完成。

（2）检查零件族。比较新零件成组编码与数据库中零件族编码，确定该零件所属零件族，即零件特征识别。若新零件属于某一零件族，则进入零件族标准工艺检索模块；若没有完全匹配的零件族，则进入零件信息输入模块，由用户手工输入零件信息。

（3）零件信息输入。工艺人员根据零件的具体情况，输入诸如零件图号、零件名称、工艺路线号、产品编号、材料编号、毛坯编号和毛坯尺寸等基本信息。

（4）检索零件族标准工艺。系统根据输入的或检索到的零件族代码，搜索标准工艺文件库，调出该零件族的标准工艺，如果没有完全匹配的标准工艺，系统则给出一个模糊匹配窗口，由用户来决定如何匹配标准工艺，然后由系统按一定的筛选逻辑，找出最接近的标准工艺。

（5）工艺文件编辑。对检索到的零件族标准工艺，用户按当前零件的具体技术要求进行必要的编辑就得到当前零件的工艺文件。为此，系统必须提供集成的工艺文件编辑功能，包括添加、删除、插入、工序对调、修改等。同时，系统应有一个大型数据库存放各种数据。

（6）工艺设计过程管理。工艺设计完成后，需要经过审核、标准化、会签和批准四个过程，才能成为正式工艺文件，用于实际生产。为进行工艺设计过程管理，首先需要对身份进行确认，从而决定用户操作类型。对于不合格工艺，将退回由工艺设计者重新修改。

（7）工艺文件输出。工艺文件经设计过程管理批准后，就可以按规定格式输出并用于实际生产，如工艺卡、工序卡、NC代码等。输出模块提供数据查询、零件统计分析和工艺尺寸链计算等工具，用来查询各种工艺数据、统计零件成组编码及分类归族情况等，进行工艺尺寸链计算包括组成环尺寸解算和封闭环公差解算等。

3）设计要点

（1）零件分类编码系统的合理选择。在系统设计的准备阶段，首先要选定或制定适合本企业的零件分类编码系统。企业可按实用原则根据本企业零件结构特点和要求选用，最好选用已有的比较成熟的编码系统；如果选择不到合适的，则可先任选一个作为基础，然后作局部修改。为了提高编码的准确性和速度，可通过二次开发软件辅助编码。

（2）零件的分类归族。确定编码系统后，对本企业生产的零件选择若干个具有代表性的进行分类归族并编码，目的是为了得到合理的零件族及其主样件。首先确定零件相似性准则作为分族依据，根据零件的几何形状特征及工艺要求，按相似性将零件编入不同的零件族。分族方法通常有视检法、生产流程法和编码分组法，其中编码分组法应用较为广泛，这种方法又可分为特征数据法和特征矩阵法。特征数据法是从零件代码中选择几位特征性强、对划分零件族影响较大的码位作为零件分族的主要依据，而忽略那些影响不大的码位；特征矩阵法是根据零件特征信息的统计分析结果，同时考虑实际加工水平、加工设备及其他条件，给每个码位定一个范围作为分族依据。每个零件代码均可以用矩阵表示，同样用一个矩阵也可以表示一个零件族，零件族矩阵称为码域，表示含有一定范围的零件特征矩阵，根据分族要求，可以确定若干个特征矩阵。排序、统计、分族均由系统自动完成。

零件族划分的多少，决定对标准工艺修改工作量的大小。族数越多，族内零件相似程度越高而相似零件数越少，对标准工艺的修改工作量就越小。零件族划分准则难以确定，若通过概率统计分析方法则可以动态地进行调整，这种方法在零件信息输入后对成组编码进行统计分析，形成一个分类归族分布图，根据分布情况可以动态确定零件族及其样件。

（3）主样件设计。按相似性分族的每个零件族都定义一个主样件。主样件应包含该族零件的全部特征，可以是一个最复杂的实际零件，也可以是一个虚拟零件，即零件族中所有零件各种特征的并集。

（4）标准工艺的制定。主样件的制造方法，即它所属零件族的公共制造方法，称为标准工艺。标准工艺必须满足零件族中所有零件的加工要求，并符合企业资源的实际情况及加工水平，才可能合理可行。其设计者应该是经验丰富的工艺人员或专家，在设计时应对零件族内的零件加工工艺进行认真分析和概括，通常采用复合工艺路线法，选择一个工序最多、加工过程安排合理的零件的加工工艺作为基础，考虑主样件的几何及工艺特征，对尚未包含在基本工艺之内的工序，按合理的顺序依次加入其中。

（5）工艺规程编辑器设计。工艺规程编辑器提供集成的工艺文件编辑功能，利用该编辑器能方便地添加、删除、修改标准工艺，如修改加工方法、加工路线、工序和工步内容（机床、刀具、夹具、量具、切削用量、加工尺寸和公差等参数）以及加工时间和加工费用的重新计算等。

（6）工艺数据库的建立与维护。为了生成工艺文件，系统必须有完善的工艺数据库支持，工艺数据库包括机床设备库、工装库、刀具库、切削用量库、材料库、毛坯库等。由于各企业加工设备、加工习惯以及操作人员技术水平各不相同，所以每个企业都应有自己的工艺数据库。因而系统应提供用户自定义工艺数据库的环境，以满足各企业不同的需求，同时系统应提供一套建立和维护工艺数据库的工具，用户通过这个特定工具，建立自己的数据库，使系统具有更好的适应性和灵活性。在CAD/CAM/PDM集成环境下，可以采用工程数据库管理系统，以保证数据的一致性、安全性、独立性和共享性，实现有组织地、动态地存储数据，加强管理机制。

（7）CAPP系统总程序设计。CAPP系统总体控制模块的设计，用于系统进行输入、输出数据，控制各功能模块的调用，以及系统文件的调用等。

5.2.2 创成式CAPP

1）工作原理及其特点

创成式CAPP系统工作原理模仿工艺专家的逻辑思维方式，首先将各种加工方法及其加工能力和适用对象、各种设备工装及其加工能力和适用范围等数据、各种工艺决策逻辑与一系列工艺规则等知识存入相对独立的工艺数据库和工艺知识库，供主程序调用。然后向创成式系统输入待加工零件的完整信息，创成式系统便以人机交互方式或自动运用程序所规定的各种工艺决策逻辑、规则与算法，对加工工艺进行一系列决策和计算，自动提取制造工艺数据，完成机床、刀夹量具、切削用量选择和加工过程的推理与优化，在没有人工干预的条件下，从无到有地自动创建该零件的各种工艺文件，用户不需或略加修改即可。

与派生式CAPP系统不同，创成式CAPP系统不需要标准工艺文件，工艺决策不需人工干预，易于保证工艺文件的一致性；有一个信息完整的工艺数据库和一个工艺知识库；对于复杂多变的制造环境，结构复杂多样的零件，实现创成式CAPP系统比较困难。创成式CAPP系统按其决策知识的应用形式分为常规程序和采用人工智能技术两种类型。前者对工艺决策知识利用决策表、决策树或公理模型等技术来实现；后者是CAPP专家系统，利用人工智能技术，综合运用工艺专家的知识和经验，进行自动推理和决策。

真正创成式CAPP系统要求很高，必须具有以下功能：能精确描述待加工零件信息，以便计算机识别；能识别和获取工艺设计逻辑决策知识；能把获取的工艺决策逻辑和零件描述信息进行综合，并存入统一的数据库中；能根据企业现有加工能力及专业知识和经验来消解工艺设计过程中出现的各种矛盾；在工艺决策过程中一般不需要人工进行技术性干预。因此，对用户的工艺水平要求较低，且所完成的工艺设计具有专家级水平。但创成式CAPP系统理论尚未完善，而且由于零件结构的多样性、工艺决策随环境变化的多变性及复杂性等诸多因素，导致目前还未出现一个纯粹的创成式CAPP系统用于生产实际。创成式CAPP系统的核心是工艺决策逻辑，而现有的创成式CAPP系统中只包含部分工艺决策逻辑，这是人工智能、专家系统发挥作用的大好领域。所以，应用专家系统原理的创成式CAPP系统将是今后研究的重点。

2）基本构成和工作过程

创成式CAPP系统由如下8个基本功能模块构成，如图5-4所示。

（1）控制模块。协调其他各模块的运行，是人机交互窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息获取方式。

（2）零件信息输入模块。零件信息输入方式有两种，既可通过与CAD系统的集成由接口程序直接转换为CAPP所需信息，也可通过人机交互输入。

图5-4　创成式CAPP系统功能框图

（3）工艺过程设计模块。系统首先将输入的零件信息作预处理，整理出各个表面要素，然后根据零件各表面要素的加工要求（加工精度、表面粗糙度等）、热处理情况、批量大小及毛坯形式，依靠决策逻辑，自动选择加工方法，进行加工工艺流程决策，安排加工路线，自动生成其加工链，对加工链进行拆分与再组合重构，创成出零件的加工工艺。该模块涉及表面要素图库、加工余量库、机床参数库、刀具参数库等。

（4）工序决策模块。设计工序（包括定位决策、夹紧决策、工序排序决策、热处理安排等），计算工序同尺寸并生成工序图，通过决策逻辑搜索工艺数据库，选择机床、刀夹量具等工艺装备，计算切削参数、加工时间、加工成本，生成工序卡。

（5）工步决策模块。设计工步内容，确定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件。

（6）NC加工指令生成模块。依据工步决策模块提供的刀位文件，调用NC代码库中适应于具体机床的NC指令系统代码，产生NC加工控制指令。

（7）输出模块。可输出工艺流程卡、工艺卡、工步卡、工序图及其他文档，输出也可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改得到所需的工艺文件。

（8）加工过程动态仿真。对所产生的加工过程进行模拟，检査工艺的正确性。

3）工艺决策逻辑

在创成式CAPP系统中，决策逻辑是软件的核心，它引导或控制程序的走向。决策逻辑可以用来确定加工方法、所用设备、加工顺序等，包括选择性决策逻辑（如毛坯类型选择、加工方法选择等）、规划性决策逻辑（如工序确定、工步确定等）和工艺裕度决策（如工艺能力确定、加工限度确定等）等。决策逻辑可以通过决策表或决策树实现。决策表和决策树是用来描述或规定条件与结果相关联的工具，可表示为“如果〈条件〉那么〈动作〉”的决策关系。

决策表由四部分组成，依次为：条件项、条件状态、决策项和决策结果，其中条件位于表的上部，动作放在表的下部，决策表结构如表5-1所示。例如，某类零件半精加工的规则如下：如果加工精度低于E级，则不精车；如果加工精度高于E级，且L/D＞45，各圆留余量5 mm；如果加工精度高于E级，且L/D≤45，各圆留余量4 mm。其中L表示零件总长度，D表示零件最大直径。用决策表表示以上加工规则，如表5-2所示，其中T表示“真”，F表示“假”，空格表示决策不受此条件影响，“√”表示动作，只有当表的一列中所有条件都满足时，该列的动作才会发生。

表5-1　决策表结构

表5-2　半精加工决策表

图5-5　半精加工决策树

决策树是一个树状图形，由树根、分支和树叶组成，树根表示决策项，分支表示条件，树叶表示决策结果，如图5-5所示。能用决策表表示的决策逻辑也能用决策树表示，反之亦然。用决策表可表示复杂的工程数据，当满足多个条件而导致多个动作的场合更为适合。

决策表或决策树是辅助形成决策的有效手段。由于决策规则必须包括所有可能性，所以在把它们用于工艺过程设计时必须经过周密的研究后才能确定。在设计一个决策表时必须考虑其完整性、精确性、冗余度和一致性等因素。完整性是指条件与动作要完全；精确性是指规定的规则明确而不含糊；由于规则的冗余和动作的不一致将导致决策的多义性与矛盾，在设计决策表或决策树时，要认真分析所收集的原始材料，对企业生产和技术能力进行综合考察，消除决策逻辑中的冗余和不一致性等问题。

在制定好决策表或决策树后，就可将其转换为程序流程图，流程图中用棱形框表示决策条件，方框表示对应其条件的动作。根据流程图，可以用“IF．．．THEN．．．”语句写出决策程序，每个条件语句之后，可以是一个动作，也可以是另一条件语句。

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程序的相应模块中，程序一旦编制、调试完毕，其功能就确定了，不容易修改。当生产环境变化时，缺乏足够的柔性适应这些变化。另外，现有的创成式CAPP系统缺乏经验总结和发现问题的自学能力。为此，人们将人工智能、专家系统原理应用于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CAPP专家系统。

4）设计要点

由于工艺设计经验性很强、条件多变、设计结果非唯一性，导致决策过程复杂，故创成式CAPP系统的性能依赖于其中制造知识的状况，有效收集、提取和表达工艺知识是实现创成式CAPP系统的关键。创成式CAPP系统开发时，应确定零件的建模方式，并考虑适应CAD/CAM集成的需要；确定CAPP系统获取零件信息的方式；分析工艺并总结工艺知识；建立工艺数据库；建立工艺决策模型；设计系统主控模块、人机接口、文件管理及输出模块。

5）加工链自动生成实例

首先，建立根据各种表面要素确定加工方法的规则，如若表面要素是外圆，且精度≤IT7级或表面粗糙度Ra≤1.6μm，则其最终加工方法为磨削，加工链为粗车→精车→磨削。磨削后的尺寸和表面粗糙度就是零件图样上的尺寸和表面粗糙度；通过加工余量数据库调出磨削余量，可以计算出磨削以前的尺寸，即精车的完工尺寸；同样方法可以分析计算出粗车的加工尺寸和表面粗糙度，再由粗车余量计算出毛坯尺寸。对于如图5-6所示的零件，系统经过判断，分析出各个表面要素，生成其加工链。该零件各个表面要素的加工链如图5-7所示。其中C1为粗车，C2为精车，M1为磨削外圆，X2为铣键槽。

图5-6　零件结构示意图

图5-7　各个表面要素加工链

可以看出，表面要素1（外圆）的加工链为：粗车→精车→磨削。系统对各个表面要素的加工链进行分解和整理，结果工艺链重构为C1—C2—X2—M1。处理时，相同的加工工序放在同一工序中，如表面要素1、3、4、5都有粗车加工，因此在粗车工序中，将组合为粗车1、3、4、5的各个工步。对于双向台阶的回转体零件，先装夹一端，进行加工，然后调头装夹，再加工另一端。因此，系统通过事先分析零件的外表面直径大小，确定最大直径是第几要素，那么在最大直径以左和以右的表面，其工步顺序自然分开。对于各个工序的先后顺序除了生成的工艺链顺序外（同一表面要素），系统（对不同要素）可以进行逻辑判断自动确定，如表面要素2为键槽，铣键槽工序安排在精车以后、磨削以前，就是通过“先粗后精、基面先行、先主后次、先面后孔”的工艺原则确定的。对于热处理的安排，系统分析零件的技术要求是预备热处理还是中间热处理或最终热处理，由热处理安排原则自动插在工艺的适当位置。至于工序集中与分散，通过零件的生产批量、加工精度和复杂程度等确定。

最后，生成整个零件的加工工序（不考虑热处理）为：粗车→精车→铣键槽→磨削外圆。

5.2.3 综合式CAPP

综合式CAPP又称半创成式CAPP，它将检索式、派生式和创成式CAPP的优点集为一体，并一定程度地运用了人工智能技术。其工作原理是：采取派生与创成有机结合的工作方式，将工艺设计过程中一些成熟的、变化少的内容用派生式原理进行设计，而将经验性强、变化大的内容用创成式原理进行决策，对一个新零件进行工艺设计时，先提供成组编码，检索它所属零件族的标准工艺，然后根据零件的具体情况，修改标准工艺，而工序设计则采用自动决策产生。其特点是避免了派生式系统的局限性和创成式系统的高难度，提高了集成化和自动化程度，功能更强大，通用性和实用性好。我国研发的CAPP系多属综合式。

目前，派生式和创成式CAPP系统使用较多，而派生式对于历史较长的企业较为适用，其主要原因是多年来企业在生产中积累了大量成熟的产品工艺方案，通过整理与完善，可制定出派生式系统所需要的标准工艺，可确定工艺规则知识。但派生式系统只能针对某些具有相似性的零件，依赖于标准工艺生成工艺文件，在一个企业里这种零件只是一小部分，对于复杂零件要建立覆盖面大的标准工艺很困难，使用时人工修改工作量大，因此适用零件种类有限；派生式系统利用成组技术和典型工艺依赖于人工进行工艺决策，经验性太强，自动化程度低，难以与CAD和数控编程系统集成。

创成式CAPP系统利用工艺决策算法（如决策表等）和逻辑推理方法进行工艺决策，能自动生成工艺文件，但存在着算法死板、结果唯一、系统不透明等缺点，且程序编制工作量大，修改困难。创成式系统在工作前必须输入零件的全面信息，由于零件的多样性、复杂性及工艺设计的经验性，一方面使工艺设计知识规则化表达和推理很难实现，另一方面对单个特征而言是正确的工艺决策，而对整个零件来说不一定是合适的，因此目前创成系系统实用性差。

CAPP专家系统则可以较好地解决上述不足，它基于人工智能技术构建，以推理机加知识库为其特征，可以自动生成工艺文件，属于智能型CAPP系统。但目前对于工艺知识的表达和推理还无法很好地实现工艺设计的特殊性及其个性化要求，自优化和自完善功能差，CAPP专家系统方法仍停留在理论研究和简单应用阶段。