现代CAPP的应用与发展趋势兴化

现代CAPP的应用与发展趋势

现代CAPP的应用与发展趋势 2011： 一、引言 60年代末，人们就开始了CAPP的研究与开发，最早研究CAPP技术的国家有挪威及前苏联等。但在CAPP发展史上具有里程碑意义的是设在美国的国际性组织CAM-I于1976年开发的CAPP(CAM-I’s Automated Process Planning)系统。国内最早开发的CAPP系统是同济大学的修订式TOJICAP系统和西北工业大学的创成式CAOS系统，其完成的时间都在80年代初。经过20多年的历程，国内外对CAPP技术已进行了大量的探讨与研究，无论在研究的深度上和广度上都不断取得进展。但是，同CAD、CAM等计算机辅助技术相比，CAPP在应用方面仍是薄弱环节。一方面，这是由工艺设计问题的复杂性和特性所决定的；另一方面，也受CAPP发展的大背景和指导思想影响。因此，尽管在国内外CAPP研究中，各种新概念、新方法不断涌现，但CAPP的发展缺乏坚实的实践基础是公认的事实。本文从CAPP的应用角度，回顾CAPP的发展历程、探讨CAPP未来的发展，以期为制造业信息化中的CAPP应用提供一些思路。二、基于自动化思想的修订/创成式CAPP系统在传统的CAPP研究开发中，人们依据工艺决策方式，将CAPP系统划分为两大类：修订式(Variant，亦称派生式)CAPP系统和创成式(Generative，亦称生成式)CAPP系统。根据技术发展及实际开发需求，也有兼容上述两种方法的混合式系统，以及影响更大的应用人工智能（AI）及专家系统（ES）技术的CAPP专家系统。这类系统以自动化为唯一目标，以期在工艺设计上代替工艺人员，因此，造成开发应用中的诸多问题：系统开发周期长、费用高、难度大；工艺人员在使用中需交互输入大量的零件信息，麻烦而又容易出错，难以掌握系统的使用；系统功能和应用范围有限(局限性大)，缺乏适应生产环境变化的灵活性和适用性，难以推广应用。为了解决上述问题，国内外不断地在开发工具（包括专家系统开发工具）的开发、面向对象(O-O)技术的应用、CAD/CAPP集成应用等方面进行探索，但未能有效推进CAPP的实用化。三、基于计算机化思想的实用化CAPP系统20世纪90年代以来，CAPP的实用化问题引起研究者和企业技术工作者的重视，以实现工艺设计的计算机化为目标或强调CAPP应用中计算机的辅助作用的实用化CAPP系统成为新的主题。这些实用CAPP系统或是专用开发或是基于商品化系统的应用开发，大致可分为以下两大类。1．基于Word/Excel/AutoCAD及其他图形系统的工艺卡片填写系统由于以自动化为目标的修订/创成式CAPP应用存在的问题，许多企业自行基于Word/Excel/AutoCAD等通用软件开发工艺卡片填写系统。在这些系统中，很多只是基于简单模板的计算机卡片，仅取得了一定的应用效果，但也有不少是企业在工艺标准化、规范化的基础上花费大量人力、物力所开发出来的，取得了很好的应用效果。1997年以来，国内推出了几个商品化CAPP系统，其中许多是基于AutoCAD和其他一些图形系统的工艺卡片填写工具系统。这类系统片面强调工艺设计的“所见即所得”，完全以文档为核心，忽视企业信息化中产品工艺数据的重要性，存在难以保证产品工艺数据准确性、一致性和进行工艺信息集成的致命问题。这类系统基以文件形式进行管理，有些虽然宣称数据库管理，事实上是基于文件封装概念的管理，产品工艺数据的准确性、一致性和工艺信息集成等问题仍无法解决。2．基于结构化数据的CAPP系统从信息系统开发角度，分析产品工艺文件中所涉及的数据/信息，建立结构化的数据模型，并以模型驱动进行工艺设计。一些企业开发的专用CAPP系统基本属于该类系统，大都采用通用数据库管理系统进行开发。CAPPFramework作为商品化CAPP应用框架，以面向对象分析与信息建模为基础，采用ODBC技术来适应各类关系型数据库系统，并实现了模型驱动下的“所见即所得”工艺设计界面，为工艺信息的可靠、有效集成和CAPP的深入应用奠定了良好的基础。在国内推出的商品化CAPP系统中，有些虽然也强调了产品工艺数据的重要性，但仍以文档为核心组织数据，因此数据结构化程度低。这类系统只能称其为基于半结构化数据的CAPP系统。实用化CAPP系统的发展趋势，看上去是回退到CAPP系统发展的初级阶段，但实际上并非如此。目前实用化CAPP系统在开发应用过程中，其目与传统目标有很大的不同，这类CAPP系统在国内越来越多的企业得到应用，短短几年已取得相当显著的效果。目前，CAPP的发展正在逐步体现现代先进制造思想，向工艺设计与工艺管理一体化的制造工艺信息系统发展。四、面向产品的CAPP应用与制造工艺信息系统在制造企业中，最终产品在整个生命周期内的工艺设计通常涉及到产品装配工艺、机械加工工艺、钣金冲压工艺、焊接工艺、热表处理工艺、毛坯制造工艺、返修处理工艺等各类工艺设计，在一般产品的机械加工工艺中通常涉及到回转体类零件、箱体类零件、支架类零件等各种零件类型。显然，若采用以零组件为主体对象的CAPP应用模式，CAPP在企业的应用只能是局部的应用，CAPP的应用缺乏应有的广度，从而使CAPP的发展缺乏坚实的实践基础。从企业发展长远看，必将造成企业工艺管理上的不一致与不协调，将在根本上阻碍CAPP的应用和发展。CAPP应用应从以零组件为主体对象的局部应用走向以整个产品为对象的全面应用，实现产品工艺设计与管理的一体化，建立企业制造工艺信息系统。1．面向产品的CAPP方法论面向产品的CAPP方法论的基本内容是：CAPP系统首先应是以产品工艺数据为中心的集工艺设计与信息管理为一体的交互式计算机应用系统，并逐步集成检索、修订、创成等多工艺决策混合技术及多人工智能技术，实现人机混合智能(Human-machine Hybrid Intelligence)和人、技术与管理的集成，逐步和部分实现工艺设计与管理的自动化，从设计和管理等多方面提高工艺人员的工作效率，且在应用中不断积累工艺设计人员的经验。(1)CAPP系统首先应是交互式计算机应用系统在以交互式为基础的CAPP系统模式下，工艺人员是工艺决策的主体，系统采用检索、修订、创成等多工艺决策混合技术及多人工智能技术将着眼于局部工艺决策功能的自动化，并作为从整体上提高工艺人员的工作效率的手段之一，而不是简单地实现工艺决策全过程的自动化，更不应成为CAPP所要实现的唯一或主要目标。(2)产品工艺数据是CAPP系统的中心产品工艺数据是产品数据的重要组成部分，也是企业生产信息的汇集处。产品工艺数据的完整性、一致性及企业产品工艺信息的集成与共享对于企业信息化具有重要的意义，而工艺卡片是工艺数据的格式化表现形式，完全可由系统自动生成。在此基础上，CAPP也完全可自动完成各个层次(产品层、部件层、零件层)的工装设备、材料、工艺关键件、外协外制件、工艺分配工时定额、辅助用料、关键工序等各类统计汇总功能，并自动生成汇总统计报表（明细表），这样不仅可以极大地提高工艺文件的编制效率，而且可最大限度地减少不必要的人为失误。(3)产品工艺设计及管理的一体化从企业管理来看，工装设备、材料、工艺关键件、外协外制件、工时定额、辅助用料、关键工序等各类统计汇总、产品工艺文件的更改与归档管理等产品工艺管理工作占有十分重要的地位；有的企业工艺数据的汇总、计算、抄写等重复性劳动占全部工作量的50-60%。工艺人员的很大部分时间用于工艺数据的汇总统计等重复性劳动工作，不仅工作效率低，而且很难保证工艺文件的准确性、一致性。随着CIMS、敏捷制造等新的生产方式和哲理的出现和发展，在企业为了增强市场竞争力和快速响应市场的变化而采用这些新技术的环境下，仅仅实现工艺规程编制的计算机化难以满足企业信息化的需求。除了方便的计算机辅助工艺规程编制功能外，更要包含对企业制造工艺信息及工艺工作流进行快速有效的管理，实现产品工艺设计及管理一体化，建立企业完整的制造工艺信息系统。2．制造工艺信息系统在企业中，完整的制造工艺信息系统要以各专业工艺的计算机辅助设计为基础，实现基础工艺信息管理、面向制造的产品结构管理、材料定额编制、工艺分工与工艺设计流程管理、产品工艺数据综合管理等工艺管理功能以及与CAD/PDM、ERP的集成和资源共享。五、基于知识的CAPP综合智能化建立以交互式CAPP为基础的制造工艺信息系统，并不排斥在CAPP智能化方向的努力。在建立丰富的工艺知识库基础上，应用各种人工智能决策技术，实现各阶段各种有效的智能化在线辅助，仍是CAPP发展的重要目标。在一个企业CAPP应用的早期阶段，交互式设计是主要的设计方式。随着工艺数据与知识的大量积累，不仅交互式设计的效率将大大提高，更为重要的是为各种智能决策功能的开发提供了很好的条件和基础。1.计算机辅助工艺标准化、规范化CAPP的应用将大大促进工艺的标准化；反过来，工艺的标准化是提高CAPP应用效果的重要方面，并将从根本上提高工艺设计的质量。无论是早期的成组工艺，还是企业内部开展的标准化工作，由于受计算机应用基础的限制，所取得的实际效果有限。在面向产品的CAPP应用模式下，工艺的标准化、规范化可贯穿在CAPP的应用过程中，并可开发工艺标准化、规范化的计算机辅助工具软件。2.基于实例的相似工艺自动检索采用相似工艺检索技术，不仅可大大减少工艺人员的工作强度和对有经验工艺人员的依赖，而且会提高产品工艺的继承性和重用性，促进工艺的标准化。在传统的修订式CAPP系统开发中，需要事先花费大量的人力、物力和财力进行零件的编码与标准工艺规程的编制等准备工作。而在面向产品的CAPP应用模式下，相似工艺的自动检索是基于实例的相似工艺自动检索。成组技术(GT)、基于实例(Case-Based)的技术、模糊逻辑等是实现基于实例的相似工艺自动检索的基础。3.工艺知识自动获取学习是智能的重要特征。机器学习是CAPP智能化的重要方面，国内外在应用ANN等人工智能技术进行工艺知识自动获取方面作了许多的研究工作，但受训练样本等的限制，存在一定的局限性。随着CAPP的广泛应用，企业将积累丰富的产品工艺数据库，数据挖掘与知识发现技术将为充分利用这些企业的宝贵财富提高CAPP系统的智能化程度提供新的方法。显然，面向产品的CAPP应用为开发各阶段各种有效的智能化在线辅助决策功能提供了坚实的实践基础，也必将CAPP的智能化推向一个新的阶段。六、结束语工艺过程设计是典型的复杂问题，包含了分析、选择、规划、优化等不同性质的各种功能要求，所涉及的范围十分广泛，用到的信息量相当庞大，又与具体的生产环境及个人经验水平密切相关。而长期以来，CAPP的研究开发忽视了对工艺准备活动所涉及的基础任务、方法和数据的深入研究和探索，缺乏一种对工艺业务活动的整体把握，过多的局限于某些局部环节，从而造成开发、实施具体应用系统的困难，也使新概念、新技术、新方法的采用一直缺乏应用和理论基础。因而，从现代制造业整个产品生命周期对工艺工作的需求出发，以未来虚拟企业和网络化全球制造为背景，以CAPP的全面应用为基础，建立工艺设计与管理一体化的制造工艺信息系统，是制造企业信息化的重要基础。(end)

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