CAPP——計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助工藝人員設(shè)計(jì)零件從毛坯到成品的制造方法，是將企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)的一種技術(shù)，它從60年代末誕生以來，其研究開發(fā)工作一直在國內(nèi)外蓬勃發(fā)展，而且逐漸引起越來越多的人們的重視。

　　CAPP的基本概念

　　工藝規(guī)程設(shè)計(jì)是機(jī)械制造生產(chǎn)過程中一項(xiàng)重要的技術(shù)準(zhǔn)備工作，是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造的中心環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)是由工藝人員編制工藝文件，這些工藝文件有工藝規(guī)程卡和工序卡等。零件工程圖中規(guī)定的形狀，尺寸及公差，表面粗糙度，材料類型及加工數(shù)量等，都是影響工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的重要因素。在工藝文件中，不僅要根據(jù)采用的加工方法確定零件的加工順序和工序內(nèi)容，還須包含機(jī)床，刀具，夾具的選擇，切削用量的選擇和工時(shí)定額的計(jì)算等。

　　工藝設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與車間生產(chǎn)的紐帶，是經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)且影響因素很多的決策過程。當(dāng)前機(jī)械產(chǎn)品市場是多品種小批量生產(chǎn)起主導(dǎo)作用，傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方法已遠(yuǎn)不能適合當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的需要。

　　隨著計(jì)算機(jī)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工程中的普及應(yīng)用，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工藝的輔助設(shè)計(jì)已成為可能。計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)CAPP(Computer Aided Process Planning)受到愈來愈廣泛的重視。所謂CAPP是指通過計(jì)算機(jī)輸入被加工零件的原始數(shù)據(jù)，加工條件和加工要求，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)地進(jìn)行編碼，編程，繪圖直至最后輸出經(jīng)過優(yōu)化的工藝規(guī)程卡片。使用CAPP不僅克服了傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)缺點(diǎn)，適應(yīng)當(dāng)前日趨自動(dòng)化的現(xiàn)代制造環(huán)節(jié)的需要，而且為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢

　　2.1 國內(nèi)外研究概況

　　CAPP 技術(shù)作為制造業(yè)信息化的重要組成部分，是產(chǎn)品制造信息的集成地，也是先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)之一。CAPP系統(tǒng)作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)/制造一體化的橋梁，是 CAD/CAM 系統(tǒng)與PDM、MRP、ERP 等其他企業(yè)管理軟件實(shí)現(xiàn)集成的關(guān)鍵，是企業(yè)管理信息化的基礎(chǔ)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、并行工程(CE)、智能制造系統(tǒng)(IMS)、虛擬制造系統(tǒng)(VMS)、敏捷制造(AM)等先進(jìn)制造系統(tǒng)的發(fā)展，對 CAPP 技術(shù)從應(yīng)用的廣度與深度上，都提出了更高、更新的要求。

　　在國外，經(jīng)過十多年的努力，特別是以美國、法國為代表的西方制造廠商，如Boeing、Airbus等著名公司在工藝與過程管理集成及優(yōu)化方面，開發(fā)和集成了大量的CAPP 工程應(yīng)用軟件和制造數(shù)據(jù)管理軟件，建立了各類工程數(shù)據(jù)庫、材料庫、設(shè)計(jì)和制造特征數(shù)據(jù)庫、典型工藝庫、典型零件庫等，初步解決了產(chǎn)品技術(shù)準(zhǔn)備階段的信息集成與共享問題(如CAD/CAPP/CAM 集成)，制定了相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并成功地應(yīng)用于新型飛機(jī)的研制和型號技術(shù)改造中，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短了研制周期、降低了開發(fā)成本。

　　國內(nèi)對CAPP的研究始于80年代初，但發(fā)展很快，特別是在國家863/CIMS計(jì)劃的支持和指導(dǎo)下，近年來CAPP技術(shù)已取得了很大的成績，在國內(nèi)得到一定程度應(yīng)用的CAPP系統(tǒng)有華中理工大學(xué)的開目CAPP，浙江大學(xué)的GS-CAPP，清華大學(xué)的TH-CAPP等。經(jīng)過30多年的發(fā)展，CAPP經(jīng)歷了檢索式、派生式、創(chuàng)成式的發(fā)展階段，在生產(chǎn)原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、決策方法等方面日趨合理、完善。但由于CAPP系統(tǒng)所涉及問題的復(fù)雜性和對企業(yè)應(yīng)用環(huán)境的依賴性，更由于近幾年國內(nèi)外對CAPP系統(tǒng)的研究過分追求決策自動(dòng)化，使得所開發(fā)的CAPP系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性很差。大多數(shù)系統(tǒng)仍停留在原型系統(tǒng)階段，主要存在一下幾個(gè)問題： (1)CAPP系統(tǒng)研究與開發(fā)的目標(biāo)有很大的片面性。

　　長期以來，CAPP的目標(biāo)一直是開發(fā)一種能代替工藝人員的自動(dòng)化系統(tǒng)，而不是輔助系統(tǒng)，過分依賴人工智能技術(shù)，缺乏自己獨(dú)立的研究思想和發(fā)展主線，降低工藝人員主觀能動(dòng)性的發(fā)揮，使人在工藝設(shè)計(jì)中只能被動(dòng)地為系統(tǒng)服務(wù)，工藝人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技能很難融入到設(shè)計(jì)過程中去，人的形象思維和創(chuàng)造性得不到充分發(fā)揮。

　　(2)CAPP系統(tǒng)的通用性差，柔性不足。

　　由于CAPP系統(tǒng)涉及問題的復(fù)雜性和對企業(yè)應(yīng)用環(huán)境的依賴性，CAPP系統(tǒng)的開發(fā)基本以零件為主體對象，且主要在機(jī)械加王工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域，缺乏從整個(gè)產(chǎn)品的角度研究和規(guī)劃CAPP的應(yīng)用與集成，使CAPP與CAD和CAM的集成變得非常困難，也使得所開發(fā)的系統(tǒng)通用性差、柔性不足，難以適應(yīng)現(xiàn)代化的生產(chǎn)模式。

　　(3)CAPP系統(tǒng)開發(fā)方法與軟件生成模式研究不夠。

　　在CAPP系統(tǒng)的發(fā)展過程中，盡管各種新概念、新方法、新技術(shù)在CAPP系統(tǒng)中不斷獲得應(yīng)用，一定程度上推動(dòng)了CAPP的發(fā)展進(jìn)程，但概括起來都是主要針對各種工藝決策功能，而對CAPP系統(tǒng)開發(fā)方法和軟件生成模式研究不夠。

　　2.2 CAPP的發(fā)展趨勢

　　1) 集成化

　　由于CAPP是CIMS各子系統(tǒng)信息匯集處，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM真正集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以集成CAPP系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢。CAPP集成化的基礎(chǔ)是CAPP的信息集成，開放式結(jié)構(gòu)、分布式網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是CAPP集成化應(yīng)用的支撐環(huán)境。集成化CAPP的研究主要包括兩個(gè)方面：

　　CAD/CAPP的集成。這種集成主要是系統(tǒng)信息的集成。它是克服CAPP系統(tǒng)信息輸入困難的根本途徑，也是CAD/CAPP/CAM集成成敗的關(guān)鍵。

　　CAPP/PPS的集成。這種集成主要是系統(tǒng)功能的集成。其實(shí)現(xiàn)方法主要有非線性工藝規(guī)劃、動(dòng)態(tài)工藝規(guī)劃和準(zhǔn)時(shí)工藝規(guī)劃等，其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)制造系統(tǒng)底層的狀態(tài)以及提供的信息生成適應(yīng)性淖鈑毆ひ展娉獺?BR> 2) 智能化

　　智能化也是CAPP發(fā)展的一個(gè)趨勢。CAPP的智能化，指的是人工智能技術(shù)(AI)和專家系統(tǒng)技術(shù)(ES)在CAPP中的應(yīng)用。工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的復(fù)雜工程問題，在很大程度上依賴于具體制造資源和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和技巧。專家系統(tǒng)技術(shù)可以靈活和有效地處理工藝決策和領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)。專家系統(tǒng)采用獨(dú)立的知識(shí)庫，知識(shí)的擴(kuò)充和修改與程序無關(guān)，使得CAPP系統(tǒng)可以靈活地適應(yīng)各種具體場合，擴(kuò)充功能。模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在CAPP中的應(yīng)用正受到越來越多的重視，它們與專家系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，使得 CAPP系統(tǒng)更具柔性，能處理更為復(fù)雜的工藝過程設(shè)計(jì)問題。

　　3) 并行化

　　并行CAPP是以并行設(shè)計(jì)理論為指導(dǎo)、在集成化和智能化的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步發(fā)展起來。并行設(shè)計(jì)是并行工程(CE)的核心內(nèi)容。在傳統(tǒng)的串行模式中，工藝設(shè)計(jì)按照一個(gè)固定的串行次序來進(jìn)行。他完全根據(jù)設(shè)計(jì)之后的零件信息生成工藝規(guī)程，一旦在制造中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)上的缺陷，就必須重新返回來修改設(shè)計(jì)和工藝，這是一個(gè)設(shè)計(jì)上的“大循環(huán)”。而在并行設(shè)計(jì)模式中，工藝設(shè)計(jì)的各個(gè)子過程是并行工作的，它強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)，考慮與制造相關(guān)的各種因素，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的與制造相關(guān)的問題，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)反饋，以保證產(chǎn)品的可制造性。這樣就可通過一個(gè)個(gè)串行的多次“小循環(huán)”來避免產(chǎn)生“大循環(huán)”，在不斷的小循環(huán)中達(dá)到并行的效果，這正是并行設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)。

　　4) 網(wǎng)絡(luò)化

　　迅速發(fā)展的Internet技術(shù)給CAPP應(yīng)用領(lǐng)域帶來了新的活力，網(wǎng)絡(luò)化CAPP正是在這種環(huán)境下提出來的。它著重強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)交換和資源共享。隨著計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、敏捷制造和虛擬制造等新模式的出現(xiàn)，現(xiàn)代企業(yè)已越來越趨向于群體化、協(xié)作化和國際化。因此，建立在開放式、分布式的CAPP系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、支持動(dòng)態(tài)工藝設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型、支持開發(fā)工具的功能抽象方法和信息抽象方法、統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及協(xié)同決策機(jī)制和評價(jià)體系、規(guī)范、方法等方面的研究 已成為CAPP技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

　　5) 人機(jī)一體化

　　所謂人機(jī)一體化就是在人與計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，采取以人為中心、人機(jī)一體的技術(shù)路線，人與計(jì)算機(jī)平等合作，各自完成自己最擅長的工作。人類智能與人工智能相互補(bǔ)充，以合理的代價(jià)實(shí)現(xiàn)較高的智能，進(jìn)而達(dá)到甚至超過人的能力乃至智能的水平。人機(jī)一體化CAPP系統(tǒng)就是基于“以人為中心的人機(jī)一體化”的思想，將人工智能和人類智能結(jié)合起來，由此開發(fā)CAPP系統(tǒng)。

　　縱觀CAPP發(fā)展的歷程，可以看到CAPP的研究和應(yīng)用始終圍繞著兩方面的需要而展開：一是不斷完善自身在應(yīng)用中出現(xiàn)的不足;二是不斷滿足新的技術(shù)、制造模式對其提出的新的要求。因此，未來CAPP的發(fā)展，將在應(yīng)用的范圍、應(yīng)用的深度和水平等方面進(jìn)行拓展，表現(xiàn)為以下的發(fā)展趨勢：

　　面向產(chǎn)品全生命周期的CAPP系統(tǒng)。CAPP的數(shù)據(jù)是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的重要組成部分，CAPP與PDM/PLM的集成是關(guān)鍵。基于此點(diǎn)，支持產(chǎn)品生命周期的CAPP系統(tǒng)將是重要的發(fā)展方向。

　　基于知識(shí)的CAPP系統(tǒng)。CAPP目前已經(jīng)很好的解決了工藝設(shè)計(jì)效率和標(biāo)準(zhǔn)化的問題，下一步如何有效地總結(jié)、沉淀企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)知識(shí)，提高CAPP的知識(shí)水平，將會(huì)是CAPP應(yīng)用和發(fā)展的重要方向。

　　基于三維CAD的CAPP系統(tǒng)。隨著企業(yè)三維CAD的普及應(yīng)用，工藝如何支持基于三維CAD的應(yīng)用，特別是基于三維CAD的裝配工藝設(shè)計(jì)正成為企業(yè)需求的熱點(diǎn)。科技部在“十五”863現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)技術(shù)主題，將“基于三維CAD的CAPP”專門立項(xiàng)研究和推廣。可以預(yù)見，基于三維CAD的CAPP系統(tǒng)將成為研究的熱點(diǎn)。

　　基于平臺(tái)技術(shù)、可重構(gòu)式的CAPP系統(tǒng)。開放性是衡量CAPP的一個(gè)重要的因素。工藝的個(gè)性很強(qiáng)，同時(shí)企業(yè)的工藝需求可能會(huì)有變化，CAPP必須能夠持續(xù)滿足客戶的個(gè)性化和變化的需求。基于平臺(tái)技術(shù)、具有二次開發(fā)功能、可重構(gòu)的CAPP系統(tǒng)將是重要的發(fā)展方向。

　　CAPP在模具生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　模具作為高效率、大批量成形零件的重要工藝裝備，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。但是，模具產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及模具行業(yè)典型的單件小批量訂單式生產(chǎn)，決定了模具產(chǎn)品的制造過程不同于一般的機(jī)械產(chǎn)品。模具產(chǎn)品制造過程復(fù)雜，涉及產(chǎn)品成形分析、毛坯制造、各種機(jī)加工過程、裝配調(diào)整、試模調(diào)整以及模具修理等多個(gè)環(huán)節(jié)。以上各環(huán)節(jié)基本都要進(jìn)行工藝規(guī)程設(shè)計(jì)并產(chǎn)生大量的工藝資源，主要包括工藝路線信息、材料信息、工藝流程卡、試模工藝單、修模報(bào)告、工藝調(diào)整計(jì)劃、模具明細(xì)表和模具成本統(tǒng)計(jì)單等各種數(shù)據(jù)和文件。

　　模具制造各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的大量工藝數(shù)據(jù)，是產(chǎn)品生命周期中的寶貴資源，因此，對工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理并與企業(yè)其它應(yīng)用系統(tǒng)有效集成，可以提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，為企業(yè)生產(chǎn)提供快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，確保模具制造過程的不同階段所需信息的準(zhǔn)確一致和實(shí)時(shí)有效，使工藝不僅成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造的橋梁，更會(huì)成為企業(yè)制造技術(shù)和經(jīng)營管理實(shí)現(xiàn)集成的關(guān)鍵。

　　模具CAPP 特點(diǎn)有：①模具種類繁多;②必須與相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)機(jī)制相吻合;③必須符合企業(yè)(和行業(yè)) 的標(biāo)準(zhǔn)化要求;④能夠?qū)崿F(xiàn)信息的集成管理。模具CAPP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是：以通用模具的工藝設(shè)計(jì)為研究對象，與模具的生產(chǎn)管理機(jī)制相吻合，符合企業(yè)(和行業(yè)) 的標(biāo)準(zhǔn)化要求，能夠?qū)崿F(xiàn)工藝信息的集成管理。

　　在模具設(shè)計(jì)的過程中，利用CAPP系統(tǒng)完成零件的工藝設(shè)計(jì)工作，可以大大的提高模具設(shè)計(jì)的效率，縮短模具生產(chǎn)的周期，降低模具的成本。同時(shí)利用CAPP系統(tǒng)的有效的信息和資源來完成模具其他的制造工藝信息，例如材料定額、工時(shí)定額、模具成本核算、各種明細(xì)表等等。為企業(yè)生產(chǎn)提供快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，確保模具制造過程的不同階段所需信息的準(zhǔn)確一致和實(shí)時(shí)有效。如圖1所示，為CAPP系統(tǒng)中零件工藝設(shè)計(jì)、材料定額、成本核算、工時(shí)定額的一種集成。

　　模具制造工藝信息中的材料定額、工時(shí)定額、成本設(shè)計(jì)以及各種BOM表都和零件的工藝設(shè)計(jì)密切相關(guān)的。傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)可完成工藝過程的設(shè)計(jì)工作，但是很少涉及工藝的所有工作，尤其是大量、煩瑣的工藝管理工作。為了有效利用設(shè)計(jì)工程的信息，縮短模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期、降低模具成本，擴(kuò)充CAPP的功能。創(chuàng)建基于CAPP系統(tǒng)的子系統(tǒng)來生成大量的報(bào)表，材料清單、模具成本核算系統(tǒng)等。例如，對于模具成本核算系統(tǒng)，其工作過程如下：

　　(1) 根據(jù)模具類型進(jìn)行初步CAPP設(shè)計(jì)，如果是常用類型(已入模具類型庫) ，調(diào)用其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工序庫或?qū)ζ渖宰鲂薷?如果是新類型(模具類型庫中沒有記載)，以人機(jī)交互的方式在一定的范圍內(nèi)選擇加工工序。

　　(2) 按照初步定出的工序，針對不同零件特征，以人機(jī)交互方式提供加工數(shù)據(jù)，通過工時(shí)定額子系統(tǒng)計(jì)算出零件的工時(shí)定額。

　　(3) 調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)費(fèi)用庫，利用上一步算出的時(shí)間計(jì)算出制造費(fèi)用。實(shí)際上應(yīng)將非制造成本攤派到工時(shí)費(fèi)用中才能使最后估算值更貼近實(shí)際，因此這里稱的“制造費(fèi)用”是為了簡單起見。

　　(4) 根據(jù)特殊工序要求(淬火、調(diào)質(zhì)處理等)，按加工型面大小計(jì)算特殊處理費(fèi)用。

　　(5) 按照尺寸大小與所選材料，調(diào)用材料價(jià)格庫，計(jì)算出材料費(fèi)用。如果模架和模塊采用標(biāo)準(zhǔn)件(外購) ，調(diào)用外購件價(jià)格庫，得到外購標(biāo)準(zhǔn)件費(fèi)用。

　　(6) 計(jì)算總和，即為預(yù)測成本。

　　總結(jié)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，企業(yè)信息化建設(shè)的不斷深入，實(shí)用化、集成化和智能化是現(xiàn)代CAPP技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。在模具制造業(yè)中開發(fā)研究模具CAPP系統(tǒng)，將從根本上改變企業(yè)工藝設(shè)計(jì)方式，提高模具設(shè)計(jì)及制造工藝水平，從而提高模具制造企業(yè)的生產(chǎn)力