CAPP的发展趋势及在模具生产中的应用

　　CAPP——计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning）利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术，它从60年代末诞生以来，其研究开发工作一直在国内外蓬勃发展，而且逐渐引起越来越多的人们的重视。

　　CAPP的基本概念

　　工艺规程设计是机械制造生产过程中一项重要的技术准备工作，是产品从设计到制造的中心环节。在传统生产中，工艺规程的设计是由工艺人员编制工艺文件，这些工艺文件有工艺规程卡和工序卡等。零件工程图中规定的形状，尺寸及公差，表面粗糙度，材料类型及加工数量等，都是影响工艺规程设计的重要因素。在工艺文件中，不仅要根据采用的加工方法确定零件的加工顺序和工序内容，还须包含机床，刀具，夹具的选择，切削用量的选择和工时定额的计算等。

　　工艺设计是产品设计与车间生产的纽带，是经验性很强且影响因素很多的决策过程。当前机械产品市场是多品种小批量生产起主导作用，传统工艺设计方法已远不能适合当前机械制造行业发展的需要。

　　随着计算机在产品设计和制造工程中的普及应用，应用计算机进行工艺的辅助设计已成为可能。计算机辅助工艺规程设计CAPP（Computer Aided Process Planning）受到愈来愈广泛的重视。所谓CAPP是指通过计算机输入被加工零件的原始数据，加工条件和加工要求，由计算机自动地进行编码，编程，绘图直至最后输出经过优化的工艺规程卡片。使用CAPP不仅克服了传统工艺设计中的各项缺点，适应当前日趋自动化的现代制造环节的需要，而且为实现计算机集成制造提供了必要的技术基础。

　　国内外研究概况及发展趋势

　　2.1 国内外研究概况

　　CAPP 技术作为制造业信息化的重要组成部分，是产品制造信息的集成地，也是先进制造系统的重要支撑技术之一。CAPP系统作为产品设计/制造一体化的桥梁，是 CAD/CAM 系统与PDM、MRP、ERP 等其他企业管理软件实现集成的关键，是企业管理信息化的基础。近年来，随着计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程（CE）、智能制造系统（IMS）、虚拟制造系统（VMS）、敏捷制造（AM）等先进制造系统的发展，对 CAPP 技术从应用的广度与深度上，都提出了更高、更新的要求。

　　在国外，经过十多年的努力，特别是以美国、法国为代表的西方制造厂商，如Boeing、Airbus等著名公司在工艺与过程管理集成及优化方面，开发和集成了大量的CAPP 工程应用软件和制造数据管理软件，建立了各类工程数据库、材料库、设计和制造特征数据库、典型工艺库、典型零件库等，初步解决了产品技术准备阶段的信息集成与共享问题（如CAD/CAPP/CAM 集成），制定了相应的企业标准规范，并成功地应用于新型飞机的研制和型号技术改造中，大大提高了设计质量、缩短了研制周期、降低了开发成本。

　　国内对CAPP的研究始于80年代初，但发展很快，特别是在国家863/CIMS计划的支持和指导下，近年来CAPP技术已取得了很大的成绩，在国内得到一定程度应用的CAPP系统有华中理工大学的开目CAPP，浙江大学的GS-CAPP，清华大学的TH-CAPP等。经过30多年的发展，CAPP经历了检索式、派生式、创成式的发展阶段，在生产原理、系统结构、决策方法等方面日趋合理、完善。但由于CAPP系统所涉及问题的复杂性和对企业应用环境的依赖性，更由于近几年国内外对CAPP系统的研究过分追求决策自动化，使得所开发的CAPP系统的通用性和实用性很差。大多数系统仍停留在原型系统阶段，主要存在一下几个问题： (1)CAPP系统研究与开发的目标有很大的片面性。

　　长期以来，CAPP的目标一直是开发一种能代替工艺人员的自动化系统，而不是辅助系统，过分依赖人工智能技术，缺乏自己独立的研究思想和发展主线，降低工艺人员主观能动性的发挥，使人在工艺设计中只能被动地为系统服务，工艺人员的知识、经验和技能很难融入到设计过程中去，人的形象思维和创造性得不到充分发挥。

　　(2)CAPP系统的通用性差，柔性不足。

　　由于CAPP系统涉及问题的复杂性和对企业应用环境的依赖性，CAPP系统的开发基本以零件为主体对象，且主要在机械加王工艺设计领域，缺乏从整个产品的角度研究和规划CAPP的应用与集成，使CAPP与CAD和CAM的集成变得非常困难，也使得所开发的系统通用性差、柔性不足，难以适应现代化的生产模式。

　　(3)CAPP系统开发方法与软件生成模式研究不够。

　　在CAPP系统的发展过程中，尽管各种新概念、新方法、新技术在CAPP系统中不断获得应用，一定程度上推动了CAPP的发展进程，但概括起来都是主要针对各种工艺决策功能，而对CAPP系统开发方法和软件生成模式研究不够。

　　2.2 CAPP的发展趋势

　　1) 集成化

　　由于CAPP是CIMS各子系统信息汇集处，是实现CAD/CAM真正集成的关键环节，所以集成CAPP系统是发展的必然趋势。CAPP集成化的基础是CAPP的信息集成，开放式结构、分布式网络和数据库系统是CAPP集成化应用的支撑环境。集成化CAPP的研究主要包括两个方面：

　　CAD/CAPP的集成。这种集成主要是系统信息的集成。它是克服CAPP系统信息输入困难的根本途径，也是CAD/CAPP/CAM集成成败的关键。

　　CAPP/PPS的集成。这种集成主要是系统功能的集成。其实现方法主要有非线性工艺规划、动态工艺规划和准时工艺规划等，其实质就是根据制造系统底层的状态以及提供的信息生成适应性。

　　 2) 智能化

　　智能化也是CAPP发展的一个趋势。CAPP的智能化，指的是人工智能技术（AI）和专家系统技术(ES)在CAPP中的应用。工艺设计是一个典型的复杂工程问题，在很大程度上依赖于具体制造资源和设计者的经验和技巧。专家系统技术可以灵活和有效地处理工艺决策和领域专家知识。专家系统采用独立的知识库，知识的扩充和修改与程序无关，使得CAPP系统可以灵活地适应各种具体场合，扩充功能。模糊理论和人工神经网络技术在CAPP中的应用正受到越来越多的重视，它们与专家系统的有机结合，使得 CAPP系统更具柔性，能处理更为复杂的工艺过程设计问题。

　　3) 并行化

　　并行CAPP是以并行设计理论为指导、在集成化和智能化的基础之上进一步发展起来。并行设计是并行工程（CE）的核心内容。在传统的串行模式中，工艺设计按照一个固定的串行次序来进行。他完全根据设计之后的零件信息生成工艺规程，一旦在制造中发现产品设计或工艺设计上的缺陷，就必须重新返回来修改设计和工艺，这是一个设计上的“大循环”。而在并行设计模式中，工艺设计的各个子过程是并行工作的，它强调在产品设计的同时，考虑与制造相关的各种因素，尽早发现设计中存在的与制造相关的问题，一旦发现问题及时反馈，以保证产品的可制造性。这样就可通过一个个串行的多次“小循环”来避免产生“大循环”，在不断的小循环中达到并行的效果，这正是并行设计的实质。

　　4) 网络化

　　迅速发展的Internet技术给CAPP应用领域带来了新的活力，网络化CAPP正是在这种环境下提出来的。它着重强调的是数据交换和资源共享。随着计算机集成制造系统、敏捷制造和虚拟制造等新模式的出现，现代企业已越来越趋向于群体化、协作化和国际化。因此，建立在开放式、分布式的CAPP系统体系结构、支持动态工艺设计的数据模型、支持开发工具的功能抽象方法和信息抽象方法、统一数据结构以及协同决策机制和评价体系、规范、方法等方面的研究 已成为CAPP技术发展的主要趋势。

　　5) 人机一体化

　　所谓人机一体化就是在人与计算机组成的系统中，采取以人为中心、人机一体的技术路线，人与计算机平等合作，各自完成自己最擅长的工作。人类智能与人工智能相互补充，以合理的代价实现较高的智能，进而达到甚至超过人的能力乃至智能的水平。人机一体化CAPP系统就是基于“以人为中心的人机一体化”的思想，将人工智能和人类智能结合起来，由此开发CAPP系统。

　　纵观CAPP发展的历程，可以看到CAPP的研究和应用始终围绕着两方面的需要而展开：一是不断完善自身在应用中出现的不足；二是不断满足新的技术、制造模式对其提出的新的要求。因此，未来CAPP的发展，将在应用的范围、应用的深度和水平等方面进行拓展，表现为以下发展趋势：

　　面向产品全生命周期的CAPP系统。CAPP的数据是产品数据的重要组成部分，CAPP与PDM/PLM的集成是关键。基于此点，支持产品生命周期的CAPP系统将是重要的发展方向。

　　基于知识的CAPP系统。CAPP目前已经很好的解决了工艺设计效率和标准化的问题，下一步如何有效地总结、沉淀企业的工艺设计知识，提高CAPP的知识水平，将会是CAPP应用和发展的重要方向。

　　基于三维CAD的CAPP系统。随着企业三维CAD的普及应用，工艺如何支持基于三维CAD的应用，特别是基于三维CAD的装配工艺设计正成为企业需求的热点。科技部在“十五”863现代集成制造系统技术主题，将“基于三维CAD的CAPP”专门立项研究和推广。可以预见，基于三维CAD的CAPP系统将成为研究的热点。

　　基于平台技术、可重构式的CAPP系统。开放性是衡量CAPP的一个重要的因素。工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，CAPP必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的CAPP系统将是重要的发展方向。

　　CAPP在模具生产中的应用

　　模具作为高效率、大批量成形零件的重要工艺装备，在工业生产中被广泛应用。但是，模具产品本身结构的复杂性以及模具行业典型的单件小批量订单式生产，决定了模具产品的制造过程不同于一般的机械产品。模具产品制造过程复杂，涉及产品成形分析、毛坯制造、各种机加工过程、装配调整、试模调整以及模具修理等多个环节。以上各环节基本都要进行工艺规程设计并产生大量的工艺资源，主要包括工艺路线信息、材料信息、工艺流程卡、试模工艺单、修模报告、工艺调整计划、模具明细表和模具成本统计单等各种数据和文件。

　　模具制造各环节所产生的大量工艺数据，是产品生命周期中的宝贵资源，因此，对工艺数据进行有效管理并与企业其它应用系统有效集成，可以提高工艺设计质量，为企业生产提供快速、准确的数据源，确保模具制造过程的不同阶段所需信息的准确一致和实时有效，使工艺不仅成为产品设计与生产制造的桥梁，更会成为企业制造技术和经营管理实现集成的关键。

　　模具CAPP 特点有：①模具种类繁多；②必须与相关行业的生产机制相吻合；③必须符合企业(和行业) 的标准化要求；④能够实现信息的集成管理。模具CAPP 系统设计的目的是：以通用模具的工艺设计为研究对象，与模具的生产管理机制相吻合，符合企业(和行业) 的标准化要求，能够实现工艺信息的集成管理。

　　在模具设计的过程中，利用CAPP系统完成零件的工艺设计工作，可以大大的提高模具设计的效率，缩短模具生产的周期，降低模具的成本。同时利用CAPP系统的有效的信息和资源来完成模具其他的制造工艺信息，例如材料定额、工时定额、模具成本核算、各种明细表等等。为企业生产提供快速、准确的数据源，确保模具制造过程的不同阶段所需信息的准确一致和实时有效。如图1所示，为CAPP系统中零件工艺设计、材料定额、成本核算、工时定额的一种集成。

　　模具制造工艺信息中的材料定额、工时定额、成本设计以及各种BOM表都和零件的工艺设计密切相关的。传统的CAPP系统可完成工艺过程的设计工作，但是很少涉及工艺的所有工作，尤其是大量、烦琐的工艺管理工作。为了有效利用设计工程的信息，缩短模具设计生产周期、降低模具成本，扩充CAPP的功能。创建基于CAPP系统的子系统来生成大量的报表，材料清单、模具成本核算系统等。例如，对于模具成本核算系统，其工作过程如下：

　　(1) 根据模具类型进行初步CAPP设计，如果是常用类型(已入模具类型库) ，调用其对应的标准工序库或对其稍做修改；如果是新类型(模具类型库中没有记载)，以人机交互的方式在一定的范围内选择加工工序。

　　(2) 按照初步定出的工序，针对不同零件特征，以人机交互方式提供加工数据，通过工时定额子系统计算出零件的工时定额。

　　(3) 调用标准工时费用库，利用上一步算出的时间计算出制造费用。实际上应将非制造成本摊派到工时费用中才能使最后估算值更贴近实际，因此这里称的“制造费用”是为了简单起见。

　　(4) 根据特殊工序要求(淬火、调质处理等)，按加工型面大小计算特殊处理费用。

　　(5) 按照尺寸大小与所选材料，调用材料价格库，计算出材料费用。如果模架和模块采用标准件(外购) ，调用外购件价格库，得到外购标准件费用。

　　(6) 计算总和，即为预测成本。

　　总结

　　随着科学技术的不断发展，企业信息化建设的不断深入，实用化、集成化和智能化是现代CAPP技术发展的必然趋势。在模具制造业中开发研究模具CAPP系统，将从根本上改变企业工艺设计方式，提高模具设计及制造工艺水平，从而提高模具制造企业的生产力。

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