CAPP——計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning)利用計算機技術輔助工藝人員設計零件從毛坯到成品的制造方法，是將企業(yè)產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)轉換為產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)的一種技術，它從60年代末誕生以來，其研究開發(fā)工作一直在國內外蓬勃發(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)程設計是機械制造生產(chǎn)過程中一項重要的技術準備工作，是產(chǎn)品從設計到制造的中心環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，工藝規(guī)程的設計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)程設計的重要因素。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容，還須包含機床，刀具，夾具的選擇，切削用量的選擇和工時定額的計算等。

　　工藝設計是產(chǎn)品設計與車間生產(chǎn)的紐帶，是經(jīng)驗性很強且影響因素很多的決策過程。當前機械產(chǎn)品市場是多品種小批量生產(chǎn)起主導作用，傳統(tǒng)工藝設計方法已遠不能適合當前機械制造行業(yè)發(fā)展的需要。

　　隨著計算機在產(chǎn)品設計和制造工程中的普及應用，應用計算機進行工藝的輔助設計已成為可能。計算機輔助工藝規(guī)程設計CAPP(Computer Aided Process Planning)受到愈來愈廣泛的重視。所謂CAPP是指通過計算機輸入被加工零件的原始數(shù)據(jù)，加工條件和加工要求，由計算機自動地進行編碼，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)工藝設計中的各項缺點，適應當前日趨自動化的現(xiàn)代制造環(huán)節(jié)的需要，而且為實現(xiàn)計算機集成制造提供了必要的技術基礎。

　　國內外研究概況及發(fā)展趨勢

　　2.1 國內外研究概況

　　CAPP 技術作為制造業(yè)信息化的重要組成部分，是產(chǎn)品制造信息的集成地，也是先進制造系統(tǒng)的重要支撐技術之一。CAPP系統(tǒng)作為產(chǎn)品設計/制造一體化的橋梁，是 CAD/CAM 系統(tǒng)與PDM、MRP、ERP 等其他企業(yè)管理軟件實現(xiàn)集成的關鍵，是企業(yè)管理信息化的基礎。近年來，隨著計算機集成制造系統(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)等先進制造系統(tǒng)的發(fā)展，對 CAPP 技術從應用的廣度與深度上，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、設計和制造特征數(shù)據(jù)庫、典型工藝庫、典型零件庫等，初步解決了產(chǎn)品技術準備階段的信息集成與共享問題(如CAD/CAPP/CAM 集成)，制定了相應的企業(yè)標準規(guī)范，并成功地應用于新型飛機的研制和型號技術改造中，大大提高了設計質量、縮短了研制周期、降低了開發(fā)成本。

　　國內對CAPP的研究始于80年代初，但發(fā)展很快，特別是在國家863/CIMS計劃的支持和指導下，近年來CAPP技術已取得了很大的成績，在國內得到一定程度應用的CAPP系統(tǒng)有華中理工大學的開目CAPP，浙江大學的GS-CAPP，清華大學的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)結構、決策方法等方面日趨合理、完善。但由于CAPP系統(tǒng)所涉及問題的復雜性和對企業(yè)應用環(huán)境的依賴性，更由于近幾年國內外對CAPP系統(tǒng)的研究過分追求決策自動化，使得所開發(fā)的CAPP系統(tǒng)的通用性和實用性很差。大多數(shù)系統(tǒng)仍停留在原型系統(tǒng)階段，主要存在一下幾個問題： (1)CAPP系統(tǒng)研究與開發(fā)的目標有很大的片面性。

　　長期以來，CAPP的目標一直是開發(fā)一種能代替工藝人員的自動化系統(tǒng)，而不是輔助系統(tǒng)，過分依賴人工智能技術，缺乏自己獨立的研究思想和發(fā)展主線，降低工藝人員主觀能動性的發(fā)揮，使人在工藝設計中只能被動地為系統(tǒng)服務，工藝人員的知識、經(jīng)驗和技能很難融入到設計過程中去，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)涉及問題的復雜性和對企業(yè)應用環(huán)境的依賴性，CAPP系統(tǒng)的開發(fā)基本以零件為主體對象，且主要在機械加王工藝設計領域，缺乏從整個產(chǎn)品的角度研究和規(guī)劃CAPP的應用與集成，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、新技術在CAPP系統(tǒng)中不斷獲得應用，一定程度上推動了CAPP的發(fā)展進程，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，是實現(xiàn)CAD/CAM真正集成的關鍵環(huán)節(jié)，所以集成CAPP系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢。CAPP集成化的基礎是CAPP的信息集成，開放式結構、分布式網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是CAPP集成化應用的支撐環(huán)境。集成化CAPP的研究主要包括兩個方面：

　　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集成成敗的關鍵。

　　CAPP/PPS的集成。這種集成主要是系統(tǒng)功能的集成。其實現(xiàn)方法主要有非線性工藝規(guī)劃、動態(tài)工藝規(guī)劃和準時工藝規(guī)劃等，其實質就是根據(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)展的一個趨勢。CAPP的智能化，指的是人工智能技術(AI)和專家系統(tǒng)技術(ES)在CAPP中的應用。工藝設計是一個典型的復雜工程問題，在很大程度上依賴于具體制造資源和設計者的經(jīng)驗和技巧。專家系統(tǒng)技術可以靈活和有效地處理工藝決策和領域專家知識。專家系統(tǒng)采用獨立的知識庫，知識的擴充和修改與程序無關，使得CAPP系統(tǒng)可以靈活地適應各種具體場合，擴充功能。模糊理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術在CAPP中的應用正受到越來越多的重視，它們與專家系統(tǒng)的有機結合，使得 CAPP系統(tǒng)更具柔性，能處理更為復雜的工藝過程設計問題。

　　3) 并行化

　　并行CAPP是以并行設計理論為指導、在集成化和智能化的基礎之上進一步發(fā)展起來。并行設計是并行工程(CE)的核心內容。在傳統(tǒng)的串行模式中，工藝設計按照一個固定的串行次序來進行。他完全根據(jù)設計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)品設計或工藝設計上的缺陷，就必須重新返回來修改設計和工藝，這是一個設計上的“大循環(huán)”。而在并行設計模式中，工藝設計的各個子過程是并行工作的，它強調在產(chǎn)品設計的同時，考慮與制造相關的各種因素，盡早發(fā)現(xiàn)設計中存在的與制造相關的問題，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時反饋，以保證產(chǎn)品的可制造性。這樣就可通過一個個串行的多次“小循環(huán)”來避免產(chǎn)生“大循環(huán)”，在不斷的小循環(huán)中達到并行的效果，這正是并行設計的實質。

　　4) 網(wǎng)絡化

　　迅速發(fā)展的Internet技術給CAPP應用領域帶來了新的活力，網(wǎng)絡化CAPP正是在這種環(huán)境下提出來的。它著重強調的是數(shù)據(jù)交換和資源共享。隨著計算機集成制造系統(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)體系結構、支持動態(tài)工藝設計的數(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)結構以及協(xié)同決策機制和評價體系、規(guī)范、方法等方面的研究 已成為CAPP技術發(fā)展的主要趨勢。

　　5) 人機一體化

　　所謂人機一體化就是在人與計算機組成的系統(tǒng)中，采取以人為中心、人機一體的技術路線，人與計算機平等合作，各自完成自己最擅長的工作。人類智能與人工智能相互補充，以合理的代價實現(xiàn)較高的智能，進而達到甚至超過人的能力乃至智能的水平。人機一體化CAPP系統(tǒng)就是基于“以人為中心的人機一體化”的思想，將人工智能和人類智能結合起來，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用中出現(xiàn)的不足;二是不斷滿足新的技術、制造模式對其提出的新的要求。因此，未來CAPP的發(fā)展，將在應用的范圍、應用的深度和水平等方面進行拓展，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的集成是關鍵。基于此點，支持產(chǎn)品生命周期的CAPP系統(tǒng)將是重要的發(fā)展方向。

　　基于知識的CAPP系統(tǒng)。CAPP目前已經(jīng)很好的解決了工藝設計效率和標準化的問題，下一步如何有效地總結、沉淀企業(yè)的工藝設計知識，提高CAPP的知識水平，將會是CAPP應用和發(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的普及應用，工藝如何支持基于三維CAD的應用，特別是基于三維CAD的裝配工藝設計正成為企業(yè)需求的熱點。科技部在“十五”863現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)技術主題，將“基于三維CAD的CAPP”專門立項研究和推廣。可以預見，基于三維CAD的CAPP系統(tǒng)將成為研究的熱點。

　　基于平臺技術、可重構式的CAPP系統(tǒng)。開放性是衡量CAPP的一個重要的因素。工藝的個性很強，同時企業(yè)的工藝需求可能會有變化，CAPP必須能夠持續(xù)滿足客戶的個性化和變化的需求。基于平臺技術、具有二次開發(fā)功能、可重構的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)中被廣泛應用。但是，模具產(chǎn)品本身結構的復雜性以及模具行業(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械產(chǎn)品。模具產(chǎn)品制造過程復雜，涉及產(chǎn)品成形分析、毛坯制造、各種機加工過程、裝配調整、試模調整以及模具修理等多個環(huán)節(jié)。以上各環(huán)節(jié)基本都要進行工藝規(guī)程設計并產(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、修模報告、工藝調整計劃、模具明細表和模具成本統(tǒng)計單等各種數(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)進行有效管理并與企業(yè)其它應用系統(tǒng)有效集成，可以提高工藝設計質量，為企業(yè)生產(chǎn)提供快速、準確的數(shù)據(jù)源，確保模具制造過程的不同階段所需信息的準確一致和實時有效，使工藝不僅成為產(chǎn)品設計與生產(chǎn)制造的橋梁，更會成為企業(yè)制造技術和經(jīng)營管理實現(xiàn)集成的關鍵。

　　模具CAPP 特點有：①模具種類繁多;②必須與相關行業(yè)的生產(chǎn)機制相吻合;③必須符合企業(yè)(和行業(yè)) 的標準化要求;④能夠實現(xiàn)信息的集成管理。模具CAPP 系統(tǒng)設計的目的是：以通用模具的工藝設計為研究對象，與模具的生產(chǎn)管理機制相吻合，符合企業(yè)(和行業(yè)) 的標準化要求，能夠實現(xiàn)工藝信息的集成管理。

　　在模具設計的過程中，利用CAPP系統(tǒng)完成零件的工藝設計工作，可以大大的提高模具設計的效率，縮短模具生產(chǎn)的周期，降低模具的成本。同時利用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、工時定額、模具成本核算、各種明細表等等。為企業(yè)生產(chǎn)提供快速、準確的數(shù)據(jù)源，確保模具制造過程的不同階段所需信息的準確一致和實時有效。如圖1所示，為CAPP系統(tǒng)中零件工藝設計、材料定額、成本核算、工時定額的一種集成。

　　模具制造工藝信息中的材料定額、工時定額、成本設計以及各種BOM表都和零件的工藝設計密切相關的。傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)可完成工藝過程的設計工作，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。為了有效利用設計工程的信息，縮短模具設計生產(chǎn)周期、降低模具成本，擴充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)模具類型進行初步CAPP設計，如果是常用類型(已入模具類型庫) ，調用其對應的標準工序庫或對其稍做修改;如果是新類型(模具類型庫中沒有記載)，以人機交互的方式在一定的范圍內選擇加工工序。

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

　　(3) 調用標準工時費用庫，利用上一步算出的時間計算出制造費用。實際上應將非制造成本攤派到工時費用中才能使最后估算值更貼近實際，因此這里稱的“制造費用”是為了簡單起見。

　　(4) 根據(jù)特殊工序要求(淬火、調質處理等)，按加工型面大小計算特殊處理費用。

　　(5) 按照尺寸大小與所選材料，調用材料價格庫，計算出材料費用。如果模架和模塊采用標準件(外購) ，調用外購件價格庫，得到外購標準件費用。

　　(6) 計算總和，即為預測成本。

　　總結

　　隨著科學技術的不斷發(fā)展，企業(yè)信息化建設的不斷深入，實用化、集成化和智能化是現(xiàn)代CAPP技術發(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)工藝設計方式，提高模具設計及制造工藝水平，從而提高模具制造企業(yè)的生產(chǎn)力