工藝設(shè)計(jì)已成為機(jī)械制造生產(chǎn)中技術(shù)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的中間環(huán)節(jié)，是實(shí)踐性特征明顯的工作。而目前國內(nèi)、國際市場對(duì)產(chǎn)品的要求是多品種小批量生產(chǎn)，新產(chǎn)品開發(fā)能力和開發(fā)周期要盡量縮短，這就要求工藝設(shè)計(jì)工作量和時(shí)間上要減少。在這樣一種背景下，計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)CAPP(Computer Aided Process Planning)在工藝設(shè)計(jì)過程中越來越重要。

　　從全球范圍來看，CAPP的研究始于60年代中期。其后發(fā)展速度較慢。80年代以來隨著機(jī)械制造業(yè)向CIMS的發(fā)展，把設(shè)計(jì)方面的信息如何有效地轉(zhuǎn)化為制造信息，CAPP體現(xiàn)出CAD與CAM集成化的真正橋梁作用。CAPP系統(tǒng)接受來自CAD的產(chǎn)品幾何信息、材料和精度等工藝方面的信息，完成人機(jī)交互，零件信息輸入，建立起產(chǎn)品的信息模型。根據(jù)此模型，CAPP系統(tǒng)再進(jìn)行組合和排序，選擇機(jī)床和夾具等，確定切削用量，計(jì)算工時(shí)，最后完成技術(shù)文件和數(shù)據(jù)，CAPP再向CAM輸出所需的各種信息。進(jìn)入90年代初，隨著人們對(duì)CIMS的技術(shù)理解和深入研究、并行工程的興起、敏捷制造等先進(jìn)生產(chǎn)模式的提出，CAPP的集成化含義已大大拓寬。此時(shí)，CAPP已不是單純的工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，而是制造系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在我國，1982年同濟(jì)大學(xué)推出了派生式系統(tǒng)TOJICAP，隨后許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)興起了研究CAPP的熱潮。經(jīng)過多年的不懈努力，研究水平也在不斷提高，但與世界先進(jìn)水平尚有一定的差距。

　　不同的CAPP系統(tǒng)具有各自不同的特點(diǎn)。CAPP開發(fā)中的—些關(guān)鍵技術(shù)需要注意。這些都需要在開發(fā)實(shí)用的CAPP系統(tǒng)時(shí)認(rèn)真考慮。

　　1 CAPP特點(diǎn)和主要類型

　　CAPP系統(tǒng)主要有派生式、創(chuàng)成式、綜合式。

　　1.1派生式CAPP系統(tǒng)

　　派生式CAPP系統(tǒng)是利用成組技術(shù)的原理，在一個(gè)零件族中根據(jù)相似性設(shè)計(jì)出一個(gè)典型樣件，建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)典型工藝文件，存入下藝文件庫中。當(dāng)要制訂一個(gè)零件的工藝過程，可將零件圖形輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)零件的成組分類編碼并識(shí)別出屬于哪一類零件族，調(diào)出相應(yīng)零件族的典型工藝。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行修改，最后形成適合于該零件的工藝規(guī)程，這種類型的工作步驟如下：(1)選擇合適的編碼系統(tǒng)，完成對(duì)所需設(shè)計(jì)零件的描述和輸入。(2)檢索及判斷設(shè)計(jì)零件是否屬于某零件族，屬于則調(diào)出典型工藝，否則返回。(3)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝增加或刪除，編輯零件的工藝規(guī)程，記錄結(jié)果存儲(chǔ)和輸出。如圖1所示。

　　圖1派生式CAPP系統(tǒng)示意圖

　　派生式系統(tǒng)必須有樣板文件，因此它的適用范圍局限性很大。它只能針對(duì)某些具有相似性的零件產(chǎn)生工藝文件。在一個(gè)企業(yè)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(tǒng)就無法解決。

　　1.2創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)

　　創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)加工能力和工藝數(shù)據(jù)等信息及各種工藝決策邏輯，自動(dòng)設(shè)計(jì)出零件的工藝規(guī)程，人的任務(wù)僅在于監(jiān)督計(jì)算機(jī)上作，在計(jì)算機(jī)決策過程中作一些簡單問題的解決，對(duì)中間結(jié)果進(jìn)行判斷和評(píng)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(tǒng)讀取零件信息的方式。(2)工藝分析和工藝知識(shí)的信息輸入。(3)選擇合適的工藝決策和建立工藝加工數(shù)據(jù)庫。(4)系統(tǒng)主控模塊和人機(jī)接口的設(shè)計(jì)。(5)工藝文件的存儲(chǔ)和輸出，如圖2所示。

　　圖2創(chuàng)成式CAPP示意圖

　　由于制訂工藝規(guī)程時(shí)的影響因素較多且復(fù)雜，目前創(chuàng)成式系統(tǒng)還只能部分決策邏輯，不能實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的創(chuàng)成式系統(tǒng)。

　　1.3綜合式CAPP系統(tǒng)

　　綜合式CAPP系統(tǒng)是將派生式與創(chuàng)成式結(jié)合起來，對(duì)新零件的工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，先通過計(jì)算機(jī)來檢索所屬零件族的標(biāo)準(zhǔn)工藝，再根據(jù)零件的具體情況，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝進(jìn)行增加和刪除，而工步設(shè)計(jì)則采用自動(dòng)決策產(chǎn)生，將派生式和創(chuàng)成式互相結(jié)合，各取每種方法的優(yōu)點(diǎn)，如圖3所示。

　　圖3綜合式CAPP示意圖

　　綜合運(yùn)用派生式與創(chuàng)成式等工藝設(shè)計(jì)模式不是簡單地疊加，而是有機(jī)地融合、滲透。用戶是工藝設(shè)計(jì)的主體，要充分發(fā)揮人的智能優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中基于系統(tǒng)知識(shí)的支持，有效地輔助工藝人員，更好地發(fā)揮CAPP系統(tǒng)的效率。其目的是綜合派生式和創(chuàng)成式兩者的優(yōu)勢(shì)，以避免派生式系統(tǒng)的局限陸和創(chuàng)成式系統(tǒng)的高難度。

　　2 CAPP開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)概述

　　2.1零件的分類編碼方法

　　在建立零件分類編碼系統(tǒng)時(shí)，首先要檢查分析每個(gè)零件的設(shè)計(jì)和制造特征，而零件的這些特征也只有借助于編碼來識(shí)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(fù)雜。零件分類編碼系統(tǒng)可以分為三種類型：(1)以零件設(shè)計(jì)特征為基礎(chǔ)的編碼系統(tǒng);(2)以零件制造特征為基礎(chǔ)的編碼系統(tǒng);(3)以零件的設(shè)計(jì)和制造特征為基礎(chǔ)的編碼系統(tǒng)。第一種類型用于檢索和促進(jìn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。第二種類型用于計(jì)算機(jī)輔助下藝規(guī)程編制、刀具設(shè)計(jì)以及其他與產(chǎn)品有關(guān)的工程內(nèi)容。第三種類型則兼而有之。在開發(fā)CAPP系統(tǒng)時(shí)要按產(chǎn)品的類型選擇相應(yīng)的零件分類編碼方法。

　　2.2工藝設(shè)計(jì)技術(shù)

　　2.2.1基于GT的相似工藝自動(dòng)檢索

　　采用相似工藝檢索技術(shù)，不僅可大大減少工藝人員的工作強(qiáng)度和對(duì)有經(jīng)驗(yàn)工藝人員的依賴，而且會(huì)提高產(chǎn)品工藝的繼承性和重用性，促進(jìn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。而在綜合式設(shè)計(jì)模式下，相似丁藝的自動(dòng)檢索是基于實(shí)例的相似工藝自動(dòng)檢索。成組技術(shù)、基于實(shí)例的技術(shù)、模糊邏輯等是實(shí)現(xiàn)基于GT的相似工藝自動(dòng)檢索的基礎(chǔ)。

　　2.2.2基于GT的參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)

　　工藝的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化為參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于系列化產(chǎn)品以及大規(guī)模定制生產(chǎn)模式，參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)是一種快捷有效的丁藝設(shè)計(jì)模式。通過總結(jié)歸納典型工藝，確定工藝的關(guān)鍵參數(shù)，建立參數(shù)化典型工藝數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)基于零部件工藝參數(shù)的檢索設(shè)計(jì)。

　　2.2.3模塊，單元化工藝設(shè)計(jì)

　　是參數(shù)化工藝設(shè)計(jì)方式的進(jìn)一步發(fā)展。其核心思想是制造工藝是由一系列規(guī)范化的操作根據(jù)一定規(guī)則組成的，而這些規(guī)范化操作的選用取決于零部件工藝參數(shù)、工藝要求及其相互關(guān)系。規(guī)范化操作可以是一個(gè)丁序、—個(gè)工步、多個(gè)工序的組合、多個(gè)工步的組合等。在建立好規(guī)范化操作數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模塊/單元化工藝設(shè)計(jì)。

　　2.2.4基于信息模型驅(qū)動(dòng)的工藝關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

　　通過系統(tǒng)分析工藝信息結(jié)構(gòu)、內(nèi)在聯(lián)系、工藝信息集成需求，建立工藝信息模型，并對(duì)上藝屬性進(jìn)行約束，建立屬性之間的內(nèi)在關(guān)系，建立系列化工藝關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)功能，如自動(dòng)計(jì)算、約束選取、工藝資源信息選取、工藝資源數(shù)據(jù)庫動(dòng)態(tài)聯(lián)接查詢用等，促進(jìn)工藝信息的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高工藝信息的一致性、完整性。

　　2.3工藝管理技術(shù)

　　工藝管理分為三個(gè)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(jié)構(gòu)化信息處理模式，由于數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化，工藝文檔的輸出、工藝信息統(tǒng)計(jì)匯總、使報(bào)表、信息共享與集成非常快捷，數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(shù)，綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)和管理科學(xué)中諸多研究領(lǐng)域的原理、方法和技術(shù)，在工藝領(lǐng)域進(jìn)行工作流管理的研究、開發(fā)和應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)過程和信息的集成統(tǒng)一，更加有效地對(duì)工藝信息和資源進(jìn)行管理和控制，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)并行工程、無紙工藝和生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　把工藝數(shù)據(jù)管理納入CAPP的范圍是近年來CAPP技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。傳統(tǒng)CAPP技術(shù)只是針對(duì)單個(gè)零件的工藝自動(dòng)生成，對(duì)工藝數(shù)據(jù)管理的要求小高，一般采用文件形式保存工藝數(shù)據(jù)。隨著基于集成環(huán)境面向產(chǎn)品的CAPP技術(shù)的提出，CAPP系統(tǒng)需要在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中處理大量工藝數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的基于文件保存工藝數(shù)據(jù)的方式不能有效的管理工藝數(shù)據(jù)，這要求對(duì)CAPP工藝數(shù)據(jù)管理技術(shù)深入研究。CAPP工藝數(shù)據(jù)管理的目的是保證產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)的有效性、完整性、一致性，實(shí)現(xiàn)上藝數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)CAPP與CIMS其它子系統(tǒng)有效的集成。

　　3 CAPP面臨的研究課題

　　經(jīng)過30多年的發(fā)展，在CAPP系統(tǒng)研究開發(fā)上付出了巨大的努力，而且也開發(fā)了不少的CAPP系統(tǒng)，已開發(fā)的系統(tǒng)的實(shí)用性還不太令人滿意，另外，CAPP作為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的集成要素，它的發(fā)展落后于CAD和CAM的發(fā)展。隨著產(chǎn)品競爭的日益加劇以及技術(shù)革命的影響，制造廠家必須補(bǔ)充具有足夠柔性的新型制造手段，以便迅速對(duì)產(chǎn)品制造的需求變化做出響應(yīng)，這就為CAPP系統(tǒng)的研究質(zhì)量和開發(fā)周期提出了更高要求。CAPP系統(tǒng)必須能快速地、柔性地響應(yīng)產(chǎn)品和需求的變化，縮短工藝設(shè)計(jì)周期，提高開發(fā)效率，并實(shí)現(xiàn)與其它制造環(huán)節(jié)的集成。遺憾的是，目前的CAPP系統(tǒng)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(hào)的知識(shí)表達(dá)方法和知識(shí)推理方法的局限性，存在工藝知識(shí)獲取的“瓶頸”問題與推理過程中出現(xiàn)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(yīng)用效果不能令人滿意，至今還沒有—個(gè)可以廣泛應(yīng)用于企業(yè)的、適應(yīng)性強(qiáng)、比較成熟的商品化CAPP系統(tǒng)。

　　4 CAPP的發(fā)展趨勢(shì)

　　從工藝設(shè)計(jì)的本身角度看，隨著人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使得對(duì)設(shè)計(jì)過程必然有更深的認(rèn)識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)思維的描述必將得到新的境界。CAPP將使工藝設(shè)計(jì)朝著智能化、多元化、系統(tǒng)化，實(shí)用化的方向發(fā)展.從整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)看，并行工程、智能制造、敏捷制造、虛擬制造、精益生產(chǎn)等制造模式代表了現(xiàn)代產(chǎn)品制造模式的發(fā)展方向，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)品制造模式在信息化的基礎(chǔ)上，必將朝著柔性化、靈捷化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展.以下是CAPP技術(shù)的幾個(gè)重要的發(fā)展方向。

　　4.1 CIMS環(huán)境下的CAPP技術(shù)

　　由于CAD、CAPP和CAM各自的研究側(cè)重點(diǎn)不同并且是獨(dú)立發(fā)展的，它們的數(shù)據(jù)模犁彼此不相容。所以，CIMS集成的關(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立系統(tǒng)問信息的順暢傳遞，數(shù)據(jù)交換雙方必須遵循統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)交換機(jī)制。因而，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和產(chǎn)品交換標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)CIMS的關(guān)鍵技術(shù)。目前，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)被認(rèn)為是適合于CIMS中最有希望的新型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也得到一定的研究和開發(fā)。從而使CAPP技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展?；谔卣鞯?、支持統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型(PDEShGES/sTEP)的CAPP系統(tǒng)是目前的重要研究方向。

　　CIM制造技術(shù)對(duì)CAPP系統(tǒng)提出了一些新的要求，表現(xiàn)在CAPP系統(tǒng)要能夠與其他環(huán)節(jié)自動(dòng)交換信息，實(shí)現(xiàn)信息集成，包括自動(dòng)獲取CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)提供加上制造等環(huán)節(jié)所需要的各種信息。這些要求迫使CAPP系統(tǒng)必須不斷完善其內(nèi)部功能，擴(kuò)展新的功能模塊，如零件特征自動(dòng)識(shí)別模塊等，形成了面向信息集成的集成化CAPP系統(tǒng)系統(tǒng)和技術(shù)。

　　4.2并行工程環(huán)境下的CAPP技術(shù)

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造環(huán)境下，信息與決策的傳遞是按先后順序進(jìn)行的。隨著設(shè)計(jì)與制造概念的轉(zhuǎn)變及市場需求的變化，并行工程的概念應(yīng)運(yùn)而生，并日益為人們所接受。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)與制造過程已成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)盈利，快速占領(lǐng)市場的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。并行工程(CE)環(huán)境下的CAPP系統(tǒng)不僅是信息集成的中樞，同時(shí)也是各子系統(tǒng)間功能協(xié)調(diào)的紐帶。CAPP必須面向設(shè)計(jì)、面向制造、面向產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。它既能接收來自CAD的設(shè)計(jì)信息，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行可制造性評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)不合理的設(shè)計(jì)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(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程及加工動(dòng)態(tài)仿真。其核心是在設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品生命周期中的所有因素，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)功能進(jìn)行協(xié)調(diào)，縮短產(chǎn)品開發(fā)與制造周期。

　　并行環(huán)境下的CAPP與傳統(tǒng)的CAPP具有顯著的區(qū)別：

　　(1)并行設(shè)計(jì)的CAPP必須在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可制造性分析。通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性評(píng)價(jià)和可加工性評(píng)價(jià)，在生成工藝計(jì)劃的同時(shí)提供改進(jìn)設(shè)計(jì)方面的信息反饋，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為合理;

　　(2)并行設(shè)計(jì)中CAD與CAPP之間的雙向信息交互通訊具有動(dòng)態(tài)隨機(jī)性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的任何時(shí)候，CAPP隨時(shí)對(duì)CAD的設(shè)計(jì)合理性作出評(píng)價(jià)，并將改進(jìn)意見反饋給CAD，即時(shí)改進(jìn)當(dāng)前狀態(tài)下的設(shè)計(jì)。

　　4.3聯(lián)盟制造環(huán)境下的CAPP技術(shù)

　　由于產(chǎn)品市場由賣方市場向買方市場的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品樣式不斷更新，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，所以，僅憑一個(gè)企業(yè)無法在短時(shí)問內(nèi)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造的全過程，迅速響應(yīng)市場的變化。在這種情形下，敏捷制造模式出現(xiàn)了，Intemet和WEB技術(shù)的發(fā)展使敏捷制造成為可能。聯(lián)盟制造是敏捷制造的最高形式。在聯(lián)盟制造環(huán)境下，快速重組技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題。因此，此環(huán)境下的CAPP系統(tǒng)應(yīng)具備適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的能力。各個(gè)設(shè)計(jì)與制造單元所使用的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的功能不同，要求CAPP系統(tǒng)能做到協(xié)調(diào)作用。因而在開發(fā)時(shí)要考慮到變化與柔性對(duì)CAPP系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能模型的影響，所開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)具有充分的靈活性、開放性、重構(gòu)性和兼容性。工藝過程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和通用信息接口成為開發(fā)柔性CAPP系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。

　　為了適應(yīng)敏捷制造模式的要求，—些學(xué)者提出了利用分布式人工智能的Agent技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成分布式的相互協(xié)同的CAPP系統(tǒng)的思想。雖然這方面的研究工作才剛剛開始，但開放性、動(dòng)態(tài)性和分布陛將成為今后CAPP系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的重要特征。

　　5結(jié)論

　　在制造自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，相對(duì)CAD、CAM來說CAPP是發(fā)展最遲的。雖然國內(nèi)外已有上述一些種類的CAPP系統(tǒng)實(shí)例，但迄今為止，應(yīng)用面廣、適應(yīng)性強(qiáng)，得到生產(chǎn)實(shí)際考驗(yàn)和令人滿意的系統(tǒng)還不多，目前我國對(duì)CAPP的應(yīng)用還處于推廣階段。在大力發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的背景下，CAPP也必須與各種先進(jìn)生產(chǎn)模式相適應(yīng)。因此，對(duì)于從事工藝設(shè)計(jì)自動(dòng)化的科研工作者而言，任重而道遠(yuǎn)。