前言
實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)和管理計算機化，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外工廠企業(yè)的重要任務(wù)和目標(biāo)，成為提高工業(yè)生產(chǎn)率及產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品制造成本的巨大推動力，同時也成為決定企業(yè)能否在日益激烈的競爭中立于不敗之地的關(guān)鍵因素之一。在工業(yè)生產(chǎn)中，新產(chǎn)品的開發(fā)和投產(chǎn)分為三個階段：產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品工藝規(guī)劃和產(chǎn)品制造。目前，這三個階段都在不同程度上實現(xiàn)計算機化，相應(yīng)地產(chǎn)生了計算機輔助設(shè)計（CAD、計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）。在計算機集成制造（CIM）環(huán)境中，計算機輔助工藝設(shè)計是CAD和CAM之間必不可少的聯(lián)接。在機械制造行業(yè)中，隨著產(chǎn)品的不斷更新?lián)Q代，便有大量的工藝過程編制工作。傳統(tǒng)的工藝過程編制是一種純粹的手工勞動，不僅勞動量大、工作繁瑣，而且編程質(zhì)量完全取決于技術(shù)人員的經(jīng)驗和知識水平，不同的人對同一零件所編制的工藝過程往往會大不相同，從而形成生產(chǎn)工藝的多樣化，將給組織生產(chǎn)造成許多不便和生產(chǎn)費用的浪費。況且一個工藝師要經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐，才能具備加工設(shè)備、刀具、夾具、技術(shù)測量等方面的廣泛知識，從而編制符合生產(chǎn)實際條件的工藝過程文件。
計算機輔助工藝過程編制（CAPP）系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以提高工藝規(guī)程的生成速度，短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，使廣大工藝人員從繁瑣和重復(fù)的勞動中解放出來，而且可以降低編制人員技能水平，即經(jīng)驗較少的工藝人員也可借助于CAPP系統(tǒng)設(shè)計出高質(zhì)量的工藝規(guī)程，促進了工藝過程的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。為此，自20世紀(jì)60年代以來，很多國家爭相進行了CAPP的研究，開發(fā)了許多實用的系統(tǒng)，取得了諸多理論成果。
1 國內(nèi)外CAPP研究綜述與分析
CAPP系統(tǒng)的研究和發(fā)展經(jīng)歷了較為漫長曲折的過程。自從1965年Niebel首次提出CAPP思想，迄今30多年，CAPP領(lǐng)域的研究得到了極大的發(fā)展，期間經(jīng)歷了檢索式、派生式、創(chuàng)成式、混合式、專家系統(tǒng)、開發(fā)工具等不同的發(fā)展階段，并涌現(xiàn)了一大批CAPP原型系統(tǒng)和商品化的CAPP系統(tǒng)。
早期的CAPP系統(tǒng)為檢索式（Retrieval）系統(tǒng)。它事先將設(shè)計好的零件加工工藝規(guī)程存儲在計算機中，在編制零件工藝規(guī)程時，根據(jù)零件圖號或名稱等檢索出存有的工藝規(guī)程，獲得工藝設(shè)計內(nèi)容。這類CAPP系統(tǒng)自動決策能力差，但最易建立，簡單實用，對于現(xiàn)行工藝規(guī)程比較穩(wěn)定的企業(yè)比較實用。檢索式CAPP系統(tǒng)主要用于已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的工藝過程設(shè)計。
隨著成組技術(shù)（GT）的推廣應(yīng)用，變異式或派生式CAPP（VariantCAPP）系統(tǒng)得到了開發(fā)和應(yīng)用。派生式CAPP系統(tǒng)以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，按零件結(jié)構(gòu)和工藝的相似性，將零件劃分為零件族，并給每一族的零件制定優(yōu)化的加工方案和典型工藝過程。挪威早期推出的AUTOPROS系統(tǒng)，美國麥克唐納.道格拉斯自動化公司與CAM-I開發(fā)的CAPP-CAM-I系統(tǒng)，英國曼徹斯特大學(xué)開發(fā)的AutoCAP系統(tǒng)等都是典型的派生式CAPP系統(tǒng)。派生式CAPP系統(tǒng)實質(zhì)上是根據(jù)零件編碼檢索出標(biāo)準(zhǔn)工藝，并在此基礎(chǔ)上進行編輯修改，系統(tǒng)構(gòu)建容易，有利于實現(xiàn)工藝設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化，而且有較為成熟的理論基礎(chǔ)（如成組技術(shù)等），故開發(fā)、維護方便。變異設(shè)計的思想與實際手工工藝設(shè)計的思路比較接近，故此類系統(tǒng)比較實用，發(fā)展較快，取得了一定的經(jīng)濟效益。
70年代中后期，美國普渡大學(xué)的Wysk博士在其博士論文中首次提出了基于工藝決策邏輯與算法的創(chuàng)成式CAPP（GenerativeCAPP）的概念，并開發(fā)出第一個創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)原型—APPAS（Automated Process Planning And Selection）系統(tǒng)，CAPP的研究進入了一個新的階段。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)能根據(jù)輸入的零件信息，通過邏輯推理、公式和算法等，作出工藝決策而自動地生成零件的工藝規(guī)程。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)是較為理想的系統(tǒng)模型，但由于制造過程的離散性、產(chǎn)品的多樣性、復(fù)雜性、制造環(huán)境的差異性、系統(tǒng)狀態(tài)的模糊性、工藝設(shè)計本身的經(jīng)驗性等因素，使得工藝過程的設(shè)計成為相當(dāng)復(fù)雜的決策過程，實現(xiàn)有一定適應(yīng)面的、工藝完全自動生成的創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)碾y度，已有的系統(tǒng)多是針對特定的零件類型（以回轉(zhuǎn)體為主）、特定的制造環(huán)境的專用系統(tǒng)。
鑒于創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中的困難，隨后研究人員提出了混合式CAPP（HybridCAPP）系統(tǒng)，它融合了派生式和創(chuàng)成式兩類CAPP系統(tǒng)的特點。混合式CAPP系統(tǒng)常采用派生的方法首先生成零件的典型加工順序，然后再根據(jù)零件信息，采用邏輯推理決策的方法生成零件的工序內(nèi)容，最后再人機交互式地編輯修改工藝規(guī)程。目前混合式的CAPP系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。
進入80年代，研究人員探討將人工智能（AI）技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于CAPP系統(tǒng)中，促進了以知識基（knowledge-based）和智能化為特征的CAPP專家系統(tǒng)的研制。專家系統(tǒng)CAPP與創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)主要區(qū)別在于工藝設(shè)計過程的決策方式不同：創(chuàng)成式CAPP是基于“邏輯算法+決策表”進行決策，專家系統(tǒng)CAPP則以“邏輯推理+知識”為核心，更強調(diào)工藝設(shè)計系統(tǒng)中工藝知識的表達、處理機制以及決策過程的自動化。1981年法國的Descotte等人開發(fā)的GARI系統(tǒng)是第一個利用人工智能技術(shù)開發(fā)的CAPP系統(tǒng)原型，該系統(tǒng)采用產(chǎn)生式規(guī)則來存儲加工知識并可完成加工方法選擇和工序排序工作。目前已有數(shù)百套專家系統(tǒng)CAPP問世，其中較為著名的是日本東京大學(xué)開發(fā)的TOM系統(tǒng)，英國UMIST大學(xué)開發(fā)的XCUT系統(tǒng)以及擴充后的XPLAN系統(tǒng)等。
80年代中后期，隨著CIM概念的提出和CIMS在制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，面向新的制造環(huán)境的集成化、智能化以及功能更完備的CAPP系統(tǒng)成為新的研究熱點，涌現(xiàn)出了集成化的CAPP系統(tǒng)，如德國阿亨工業(yè)大學(xué)Eversheim教授等開發(fā)的AUTOTAP系統(tǒng)；美國普渡大學(xué)的H.P.Wang與Wysk在CADCAM和APPAS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，經(jīng)擴充推出的TIPPS（Totally Integrated Process Planning System）系統(tǒng)以及清華大學(xué)開發(fā)的THCAPP系統(tǒng)等都是早期集成化CAPP系統(tǒng)的典范。
進入90年代，隨著產(chǎn)品設(shè)計方式的改進、企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的變化以及計算機技術(shù)的進步與發(fā)展，CAPP系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、功能、領(lǐng)域適應(yīng)性、擴充維護性、實用性等方面成為新的研究熱點。例如基于并行環(huán)境的CAPP、可重構(gòu)式CAPP系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)開發(fā)工具、面向?qū)ο蟮腃APP系統(tǒng)、CAPP與PPS集成均成為CAPP體系結(jié)構(gòu)研究的熱點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)、模糊綜合評判方法、基因算法等理論和方法也已應(yīng)用于CAPP的知識表達和工藝決策中。與此同時，CAPP系統(tǒng)的研究對象也從傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)體、箱體類零件擴大到焊接、鑄造、沖壓等領(lǐng)域中，極大地豐富了CAPP的研究內(nèi)涵。
我國對CAPP的理論研究和系統(tǒng)開發(fā)雖然起步較晚，但發(fā)展很快，出現(xiàn)了大量的學(xué)術(shù)性和實用性的各類CAPP系統(tǒng)。國內(nèi)高校例如同濟、清華、北航、南航、華中科大、西安交大、上海交大、西北工大等在CAPP的研究和開發(fā)方面起步較早，取得了卓有成效的成果，對我國CAPP的研究、普及和推廣應(yīng)用起到了很好的推動作用。比較有代表性的CAPP系統(tǒng)有TOJICAPP、THCAPP、BHCAPP、BITCAPP、NHCAPP、XJDCAPP、HUST_RCAP等。
在90年代中后期，國內(nèi)幾家從事制造業(yè)軟件開發(fā)與系統(tǒng)集成服務(wù)的公司在消化吸收CAPP研究成果的基礎(chǔ)上，并結(jié)合我國企業(yè)的實際需求，陸續(xù)推出了不少商品化的CAPP系統(tǒng)，其中具有代表性的有開目CAPP、天河CAPP、思普CAPP、金葉CAPP、大天CAPP、艾克斯特CAPP、天喻CAPP等，并分別在不同企業(yè)中得到了不同程度的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國自行研制開發(fā)的不同類型的CAPP系統(tǒng)已達100余套。國內(nèi)CAPP研究的深入程度、覆蓋面和發(fā)展水平如果保留地說還沒有超過國外，則至少也已處于并駕齊驅(qū)的階段。
2 CAPP的原理
CAPP的基本原理是：首先，將產(chǎn)品設(shè)計信息輸入計算機，并建立起產(chǎn)品信息的數(shù)據(jù)庫;其次，把工藝人員編制工藝的經(jīng)驗、工藝知識和邏輯思想以工藝決策規(guī)則的形式輸入計算機，建立起工藝決策庫（工藝知識庫）;再次，把制造資源和工藝參數(shù)以適當(dāng)?shù)男问捷斎胗嬎銠C，建立制造資源和工藝參數(shù)庫;最后，通過程序設(shè)計充分利用計算機的計算、邏輯分析判斷、儲以及查詢等功能來生成工藝規(guī)程。由此，不難看出，一般的CAPP系統(tǒng)通常由三個基本組成部分：產(chǎn)品信息輸入部分、工藝決策部分和產(chǎn)品工藝信息輸出部分。產(chǎn)品信息輸入是指將產(chǎn)品設(shè)計信息輸入計算機，并轉(zhuǎn)化為CAPP系統(tǒng)能“讀”懂的信息。目前信息輸入方法主要有兩種：一是以人機交互的方式輸入設(shè)計信息;另一種是直接從CAD系統(tǒng)中讀取產(chǎn)品設(shè)計信息。工藝決策是CAPP系統(tǒng)進行工藝設(shè)計的關(guān)鍵，其基本原理是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計信息，利用CAPP系統(tǒng)中決策機制，根據(jù)具體生產(chǎn)環(huán)境條件確定產(chǎn)品的工藝過程。產(chǎn)品工藝信息輸出是指最終的產(chǎn)品工藝過程信息要以工藝卡片的形式表示，在集成環(huán)境下，CAPP需要通過數(shù)據(jù)庫存儲產(chǎn)品工藝過程信息，以實現(xiàn)信息共享。
3 CAPP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
歸納起來，迄今為止所研究的CAPP系統(tǒng)可分為如圖1所示的體系結(jié)構(gòu)。
其中CAPP按其工作原理可分為檢索式、派生式（Vari-ant）和創(chuàng)成式（Generative）。
在檢索式CAPP系統(tǒng)中，設(shè)計好的零件標(biāo)準(zhǔn)工藝被編號，并存儲在計算機中;在制定零件的生產(chǎn)工藝時，可根據(jù)輸入的零件信息進行搜索，查找合適的標(biāo)準(zhǔn)工藝�？梢姡瑱z索式CAPP系統(tǒng)簡單實用，但是由于標(biāo)準(zhǔn)工藝為數(shù)有限，大量的零件不能被覆蓋，所以應(yīng)用范圍有限。
圖1 CAPP系統(tǒng)分類示意圖
在派生式LAPP系統(tǒng)中，根據(jù)成組技術(shù)（GroupTechnology）原理將零件劃分到不同的零件組，按零件組編制出標(biāo)準(zhǔn)工藝，并將其存儲到計算機中;在為新零件設(shè)計工藝時，輸入該零件的成組技術(shù)代碼，檢索到相應(yīng)零件組的工藝，而后根據(jù)該零件的特點，由計算機自動進行工藝參數(shù)的修改，從而產(chǎn)生新的工藝�？梢姡缮紺APP系統(tǒng)也不能適用于所有的零件，而且由派生法產(chǎn)生的工藝往往需要進一步修改。
在創(chuàng)成式CAPP中，不存入任何工藝，而是通過數(shù)學(xué)模型決策、邏輯推理決策或智能決策等方式結(jié)合制造資源庫自動生成零件的工藝。在輸入零件加工信息后，運行過程一般不需要人工干預(yù)。創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)具有較高的柔性，適應(yīng)范圍較廣，而且便于與CAD和CAM集成。但是，由于工藝設(shè)計過程的復(fù)雜性，目前尚難開發(fā)出自動化程度很高、功能完全的創(chuàng)成式系統(tǒng)。目前的創(chuàng)成式系統(tǒng)實際上只能說基本上是創(chuàng)成式的。
4 CAPP研究開發(fā)中存在的問題與分析
自從1965年Niebel首次提出CAPP思想，迄今30多年，CAPP領(lǐng)域的研究得到了極大的發(fā)展，涌現(xiàn)了一大批CAPP原型系統(tǒng)和商品化的CAPP系統(tǒng)。縱觀CAPP發(fā)展的歷程，可以看到CAPP的研究開發(fā)始終圍繞著兩方面的需要而展開：一是不斷完善自身在發(fā)展中出現(xiàn)的不足，二是不斷滿足新的制造技術(shù)、制造模式對其提出的新的要求。國內(nèi)外高等院校和研究機構(gòu)發(fā)表了數(shù)以千計的研究論文，取得了不少研究成果，大大地推動了CAPP的發(fā)展，部分研究成果已經(jīng)應(yīng)用于具體實際，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。但不可否認的是，從總體上看，CAPP的應(yīng)用和工程化的問題，至今并沒有得到很好的解決，這與層出不窮的新技術(shù)、新方法、新概念很不相稱。CAPP的研究仍然面臨著許多問題，其應(yīng)用的廣度和深度與企業(yè)的實際需求還相差較遠。
工藝設(shè)計受諸多因素的影響和制約，個性很強，不同的生產(chǎn)類型、制造資源環(huán)境等，都影響工藝設(shè)計的結(jié)果。在一個企業(yè)行之有效的工藝計劃到另一個企業(yè)可能根本就不適用。就一個企業(yè)而言，隨著新材料的出現(xiàn)、設(shè)備的更新，工藝也會跟著發(fā)生變化。因此很難有一個通用的CAPP系統(tǒng)可以滿足所有企業(yè)的所有需求。
傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)及其構(gòu)造方法，存在著以下主要的不足：
CAPP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)缺乏柔性、適應(yīng)性，傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)絕大多數(shù)是針對特定產(chǎn)品零件和特定制造環(huán)境進行開發(fā)的。當(dāng)零件的種類和制造環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)需要重新設(shè)計和構(gòu)造。
開放性差
大多是封閉系統(tǒng)，不支持用戶的修改和二次開發(fā)。
系統(tǒng)可重用性差，存在大量低水平的重復(fù)工作
傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)絕大多數(shù)采用結(jié)構(gòu)化程序分析方法和結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，使得CAPP系統(tǒng)的可維護性差、可重用性、繼承性差。大多數(shù)的CAPP系統(tǒng)的開發(fā)完全從零開始，功能模塊存在大量的低水平的重復(fù)工作，起點低，系統(tǒng)研制周期長，效率低。
對CAPP的實用性、產(chǎn)業(yè)化重視不夠，忽略對CAPP中的人機工程技術(shù)的研究
由于忽略了從客戶使用的角度驗證CAPP的功能實用性、完備性，使得大多數(shù)的CAPP系統(tǒng)為實驗室產(chǎn)品或原型產(chǎn)品，無法真正在企業(yè)中用起來。
隨著網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫的技術(shù)的應(yīng)用，原有單機模式的CAPP已不能滿足實際需求
CAPP應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一是有效分析工藝設(shè)計的資源信息和實踐經(jīng)驗，針對工藝設(shè)計個性很強的特點以及上述傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)的不足，研究和開發(fā)CAPP工具系統(tǒng)是解決問題，迎接挑戰(zhàn)的一條有效的途徑。工藝設(shè)計雖然“因廠而異”，但也遵循一些公共的規(guī)范，有規(guī)律可循。將工藝設(shè)計中的共性提取出來，創(chuàng)建系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架和設(shè)計模型；針對工藝設(shè)計中的個性問題，開發(fā)可重用、可維護的功能組件對象，通過功能組件對象的實例重用、繼承重用、多態(tài)性重用，提高系統(tǒng)的開放性和靈活性；通過不同功能組件的拼裝、升級、重用，避免不必要的、低水平的重復(fù)開發(fā)，實現(xiàn)CAPP系統(tǒng)開發(fā)和維護的高效。實踐證明這是開發(fā)CAPP系統(tǒng)的一種很有效的方法。
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本文標(biāo)題：淺析計算機輔助工藝設(shè)計（上）
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