計算機輔助工藝過程設計（Computer AidedProcess Pianning）即CAPP，通常指機械產品零件制造工藝過程的計算機輔助設計與文檔編制。傳統上CAPP 是狹義的，它只面向零件，主要是機械加工工藝的設計，而且常常是車間一級的。后來逐步擴充到各種專業的工藝過程設計乃至工藝信息管理。
近年來，隨著計算機集成制造系統（CIMS）、并行工程（CE）、智能制造系統（IMS）、虛擬制造系統（VMS）、敏捷制造（AM）等先進制造系統的發展，無論從廣度上還是從深度上，都對CAPP 的發展提出了更新更高的要求。
工藝過程設計是連接產品設計與制造的橋梁，是整個制造系統中的重要環節，對產品質量和制造成本具有極為重要的影響。應用CAPP(ComputerAided Process Planning)技術，可以使工藝人員從繁瑣重復的事務性工作中解脫出來，迅速編制出完整而詳盡的工藝文件，縮短生產準備周期，提高產品制造質量，進而縮短整個產品的開發周期。從發展看，CAPP可以從根本上改變工藝過程設計的“個體”勞動與“手工”勞動性質，提高工藝設計質量，并為制定先進合理的工時定額，改善企業管理提供科學依據；同時還可以逐步實現工藝過程設計的自動化及工藝過程的規范化、標準化與優化。企業信息化將信息技術、自動化技術、現代管理技術與制造技術相結合，帶動產品設計方法和工具的創新，企業管理模式的創新，企業間協作關系的創新，實現產品設計制造和企業管理的信息化、生產過程控制的智能化、制造裝備的數字化、咨詢服務的網絡化，全面提升企業的競爭力。
我國企業信息化工程帶動了CAPP技術的深入應用和發展，通過應用CAPP技術，開發工藝信息管理系統，以解決企業中關鍵的工藝信息共享瓶頸問題。本文將通過分析CAPP研究現狀及企業信息化工程對CAPP的需求，論述現代CAPP技術及其發展趨勢。
1 CAPP技術研究現狀分析
從20世紀80年代以來，國內外在CAPP技術的研究與系統的開發上已投入大量的資金與力量，在智能化決策及與其它應用系統的集成化方面提出了許多技術方案，并已開發出為數眾多的CAPP系統。主要技術研究成果集中在零件信息描述、工程知識處理、工藝決策專家系統、CAD／CAPP／CAM集成等方面。在所開發的CAPP系統中，有些系統已得到實際應用，少數已商品化。但總的來看，在商品化軟件出現以前，CAPP的研究開發方向存在與實際應用嚴重脫節的偏差。主要是應用范圍劃得過窄、決策技術目標定得過高、工藝信息及文件管理沒有考慮、軟件的工程化／商品化重視不夠，導致大多數軟件實用水平很差，或者很難擴大應用范圍，同CAD、CAM、MIS、PDM等相關計算機輔助技術相比，在應用范圍和水平上差距相當大。從1995年前后，CAPP的實用化問題引起研究者和企業技術工作者的重視，以實現工藝設計的計算機化為目標或強調CAPP應用中計算機的輔助作用的實用化CAPP系統成為新的主題。許多企業應用了基于Office或CAD等通用軟件開發工藝卡片填寫系統。在這些系統中，很多只是基于簡單模板的計算機出卡片，僅取得了一定的應用效果，但也有不少是企業在工藝標準化、規范化的基礎上花費大量人力、物力所開發出來的，且取得的很好的應用效果。許多企業應用了基于Office或CAD等通用軟件開發工藝卡片填寫系統。在這些系統中，很多只是基于簡單模板的計算機出卡片，僅取得了一定的應用效果，但也有不少是企業在工藝標準化、規范化的基礎上花費大量人力、物力所開發出來的，且取得的很好的應用效果。1997年以來，國內推出了幾個商品化CAPP系統，其中許多是基于AutoCAD和其它一些圖形系統的工藝卡片填寫工具系統。這類系統片面強調工設計的“所見即所得”，完全以文檔為核心，忽視企業信息化中產品工藝數據的重要性，存在難以保證產品工藝數據準確性、一致性和進行工藝信息集成的致命問題。這類系統基本為文件形式進行管理，有些雖然宣稱以數據庫管理，事實上是基于文件封裝概念的管理，產品工藝數據的準確性、一致性和工藝信息集成等問題仍無法解決。也有一些CAPP系統從信息系統開發角度，分析產品工藝文件中所涉及的數據／信息，建立結構化的數據模型，并以模型驅動進行工藝設計，并實現了模型驅動下的“所見即所得”工藝設計界面，為工藝信息的可靠、有效集成和CAPP的深入應用奠定了良好的基礎。這類的CAPP系統采用結構化數據，工藝理易于實現，能夠保證產品工藝數據準確性、一致性和進行工藝信息集成，實現了工藝設計與工藝管理一體化、工藝信息的數字化和集成化，體現了企業信息化技術及現代先進制造思想，是當前CAPP發展和應用的主流。企業對CAPP的應用越來越重視，目前很多企業都在不同程度上應用了CAPP技術，對CAPP提出了更多需求，將大大推動CAPP技術研究及工程化發展。
2 CAPP的最新技術
2.1 并行CAPP
（l）CAPP與CAD的并行。
主要體現在CAPP能在CAD產品設計的過程中，為CAD提供產品設計工藝性反饋，對設計方案和結果進行可制造性分析和評價，盡早發現設計中的問題，確保設計的合理性，減少設計反復。目前主要的方法是建立可制造性綜合評價功能模塊或子系統，根據零件信息、制造資源信息，在一定工藝原則指導下，建立評價函數，對零件結構工藝性、加工工藝性等進行分析評價。
（2）CAPP與車間作業計劃的并行集成。
非線性工藝設計：通過產生被加工零件的多個具有不同優先級并可供選擇的工藝方案，為車間調度提供一定程度的柔性；
閉環工藝設計：通過接收車間資源信息的動態反饋，產生實時優化的工藝方案；
分布式工藝設計：通過劃分階段，如預設計階段、詳細設計階段等，在不同的階段分別實現CAPP與車間作業計劃之間交互、協調、合作的工作方式，兩者之間并行集成。所采用的階段劃分、分布、并行的方法，被認為是一種理想的集成方法。
2.2 智能CAPP
80年代專家系統被引入CAPP，專家系統反映智能技術中的符號主義，通過符號處理和推理機制實現人類的邏輯推理能力。CAPP專家系統主要研究知識表達及處理技術，工藝決策過程模型及算法。多年來專家系統技術不僅在創成式系統中得到廣泛應用，而且在修訂式系統中也得到一定程度的應用，比如基于實例的推理技術就是其一。近來，還興起了復合智能系統的研究，即將專家系統和人工神經網絡技術結合起來，發揮各自的優勢，以獲得更高的智能；以及多智能體技術的應用等。此外，遺傳算法、模糊推理技術也在若干原型系統中得到采用。
2.3 分布式CAPP
縱向分布式：CAPP系統的工作具有明顯的層次性，不同層次的子系統或功能模塊可組成分布式系統，稱為縱向分布。在這種系統中，工藝路線設計及原材料、毛坯計劃由廠級計算機完成；而工序設計、特別是NC編程由車間級計算機系統完成。各級計算機系統是通過網絡互連的，且工程數據庫及工藝知識庫是分布式共享的。橫向分布式：實際生產環境中，零件類別是多種多樣的，不同類別的零件所適用的CAPP設計方法也是不同的，可以采用一種由檢索式、派生式、生成式等各種子系統組成的分布式CAPP系統。系統通過測定零件類別，選擇最合適的設計方法，各子系統可以通過公用數據庫相互聯系，共同完成設計任務。縱向分布式系統基本上還處于有意義的設想階段，而橫向分布式已在國內外的一些系統中得到不同程度的體現。
3 CAPP技術的發展趨勢
3.1 企業對CAPP技術的需求
企業對CAPP的技術需求可以分為以下幾個方面：
•標準化需求
工藝標準化是CAPP深入應用的重要保證。工藝標準化利于提高企業工藝工作的科學化、規范化水平，有利于推廣先進的工藝技術和實現多品種單件小批量生產的專業化、自動化，從而縮短產品開發周期，提高質量，降低產品成本。工藝標準化的基本內容包括各類工藝術語、工藝數據、典型工藝等不同層次進行規范化、標準化、典型化研究等。工藝標準化對企業實現制造信息化十分關鍵，是企業信息標準化的重要組成部分。企業希望通過CAPP技術的應用，總結歸納企業工藝規范，不斷積累典型工藝、工藝知識、工藝參數和經驗，不斷優化和提高企業工藝技術水平。
•工藝模式變革需求
現有工藝工作是基于手工傳統工作方式形成的工藝設計和管理的組織結構、業務流程和工作模式，面臨企業制造信息化和PDM、ERP及OA的集成應用，工藝信息化工作必須符合整個企業信息化工程的需要，工藝模式也應進行相應的變革，適應企業信息化工程需要，提高工藝工作效率和質量。工藝模式的研究包括工藝組織結構和功能、審批流程、工藝信息結構、工藝業務流程和信息流程等。
•功能需求
企業中工藝工作一般分為兩個部分：總體工藝管理和專業化工藝規劃。企業需要CAPP系統能夠全面覆蓋這兩個方面的工作，包括產品BOM管理、產品工藝性審查、工藝總方案設計、材料定額、工藝分工計劃、工藝編制、工藝設計過程管理、工藝更改控制管理、工藝信息管理、各種各樣工藝技術文件管理等，同時滿足產品研發不同階段工藝設計和管理需求。
•面向企業信息化工程的集成需求
工藝信息是企業信息集成一個關鍵環節、企業過程集成的重要組成部分。企業信息化工程對CAPP系統的應用提出了很高的要求：以信息集成、功能集成、過程集成為目標，實現與PDM/ERP/CAD/CAM/MIS等系統的集成，系統具有較好的開放性等。系統實施采用工程化方法，按照“效益驅動原則”、“標準化原則”、“集成原則”、“改革原則”、“面向用戶原則”等，提高工藝領域及企業管理的工作效率和質量。
3.2 CAPP技術發展趨勢
CAPP技術的發展必須符合企業及企業信息化工程的需要，當前CAPP系統及商品化軟件在企業中得到了較好的推廣和應用，但還很大程度上不能夠滿足企業當前及未來發展的要求。
(1)CAPP體系結構
系統的體系結構反映了系統的研發理念和主導思想。隨著CAPP本身和企業信息化技術的不斷深入發展、信息技術的不斷提升，CAPP的體系結構應體現以下幾個特點：
•Client/Server(C/S)模式與Browser/Server(B/S)模式相結合
隨著企業信息化工程的不斷深入，企業對工藝管理越來越重視，更多地需要企業全局的工藝信息查詢管理、網絡化的工藝工作協同和過程控制、工藝資源的優化配置和利用等。目前，大多CAPP系統采用單機模式或C/S模式，不能實現跨平臺的數據共享、信息集成和過程集成，現代CAPP必須解決這方面問題，采用B/S系統模式實現工藝信息、過程的管理與控制。另一方面，計算機技術在網絡化工作、Web方面得到進一步發展，包括J2EE/EJB、ASP、．NET等方面，為現代CAPP采用B/S結構提供了條件。但對于工藝設計、工序圖編輯等工作采用C/S結構更加合適，因此現代CAPP系統應是C/S模式與B／S模式有機結合，各取所長。
•廣泛采用組件技術、面向對象技術、數據庫和知識庫技術的層次化結構
企業工藝工作情況各種各樣、應用環境千差萬別、工藝技術標準各不相同，要求CAPP系統能夠適應這種變化，快速定制形成企業實用化CAPP系統，現代CAPP應廣泛采用組件技術、對象處理技術及數據庫技術，實現數據層／對象層、對象操作層、事務處理層、功能層的嚴格分離，并且還實現應用服務器、數據庫服務器、文件服務器的獨立，實現CAPP系統的組件化，保證系統的開放性和可擴充性。
•基于三維CAD或/和PDM系統進行開發，實現信息、功能及過程的集成
信息集成是CAPP永久關注的焦點，基于二維CAD開發、信息模型驅動的CAPP系統難以完全滿足CAD/CAPP，CAM集成的需要，如三維產品模型不能用于工序圖編輯，二維工序圖信息不能為CAM進行數控編程使用；另外，三維的裝配參裝件圖也提高了裝配工藝的質量和實用性。因此，基于三維CAD開發和應用CAPP是現代CAPP技術發展的一個重要方向。PDM系統是企業信息化工程的集成框架，這一認識得到了普遍的認同和實踐。PDM在電子文檔的管理、產品BOM的管理、工作流程管理等方面具有較為完善的機制和功能，同時作為企業信息化工程工作平臺，要求相關應用系統包括CAD、CAPP、CAM等與PDM系統緊密集成。利用PDM作為工作平臺、利用PDM現有機制和功能，進行緊密集成開發，是現代CAPP的又一重要方向。
(2)CAPP的功能
傳統意義上的CAPP僅完成工藝設計活動，并沒有完整地涉及到企業工藝技術部門的所有工藝工作，尤其是大量、煩瑣的工藝信息的動態管理工作。而在實際生產中，工藝設計只是工藝信息生成和處理全過程中的一部分工作，因而僅僅提高工藝設計局部高效率并不能帶來整個企業工藝技術工作整體的高效率。為了滿足企業對工藝設計及工藝管理工作的需求，現代CAPP系統必須具有以下幾個方面的功能：
•綜合工藝設計與管理功能：
主要包括產品BOM管理、工藝分工路線、材料定額、工藝任務分工等方面；
•工藝設計功能：
提供各種快速有效的工藝設計方式實現各種類型工藝規程、工藝指令文件的編制、存儲等，實現基于知識的跨平臺的多工藝部門/人員的協同工藝設計；
•工藝管理功能：
包括工藝信息管理(各種統計匯總報表、制造BOM等)、工藝文檔(工藝規程、技術指令文件、相關圖形文件、NC文件等)管理、業務過程(文件編制、審批發布過程、更改)管理、信息集成等方面；
•工藝知識管理功能：
工藝知識是工藝設計的基礎，對工藝知識的管理有利于企業工藝知識、經驗的積累和工藝優化。包括工藝信息建模、典型工藝管理、工藝標準管理、工藝術語/切削參數、材料管理等。
•制造資源管理功能：
包括機床、刀具、夾具、模具、物料庫存等管理，實現動態管理，及時掌握制造資源狀態，進行制造資源的優化配置。
•綜合管理決策支持功能：
提供企業管理人員進行管理決策的信息支持，包括工藝信息、工藝文件、技術準備進度、工藝裝備、產品配置等方面全方位的信息查詢、瀏覽等。
•系統管理功能：
用戶管理、應用環境配置、系統安全管理等方面。從現代CAPP功能結構可以看出，現代CAPP必然走向面向制造數據管理的企業工藝信息集成系統。
(3)工藝設計方式
工藝設計方式總的可以分為交互式(Interactive)、修訂式(Variant)和創成式(Generative)等。交互式工藝設計模式，缺少智能決策功能，完全依靠工藝人員的知識和工作經驗。以至目前工藝工作強度仍然很大，并且編出的工藝規程的規范性差，難以保證工藝規程的質量、工藝信息的完整性和一致性，不能充分利用企業積累的工藝經驗與數據，不利于企業信息集成。檢索修訂式CAPP系統是利用相似工藝檢索技術，不僅可以大大減少工藝工作強度和對有經驗工藝人員的依賴，而且還可以提高產品工藝的繼承性和重用性，從而能夠在不同條件下解決工藝與工裝的規范化與標準化。但是用傳統方法編碼體系的建立非常困難，總結歸納典型工藝費時費力，開發周期較長，且不夠靈活。創成式CAPP系統智能化程度高，工藝規范化好，工藝設計效率高，但工藝知識的獲取和維護需要耗費大量的人力、物力和財力，成為系統開發與應用的瓶頸，而且應用規模窄，系統適應性差。由于工藝設計環境和任務的復雜性和多樣性，難以實現通用的工藝決策全過程自動化；而且交互式、檢索修訂式和創成式CAPP各有其特點和局限，片面地強調CAPP的智能化或自動化是不合適的。同時，計算機的工作模式有它的特點和局限性，比如它適合處理復雜重復繁瑣的工作，而對抽象性綜合性強的、難以描述的決策任務不能勝任，這些恰恰是工藝人員的特長，充分發揮工藝人員的技能技巧有著重要的實際意義。在文獻中作者提出了基于知識的綜合智能化工藝設計方法。基于知識的綜合智能化工藝設計指的是充分發揮計算機和工藝人員的特點和特長，綜合運用交互式、檢索修訂式以及智能決策方式等工藝設計模式，最大限度地提高工藝設計效率和質量、保證工藝信息的完整性和一致性、增強系統的集成性。
所謂綜合運用交互式、檢索修訂式以及智能決策方式等工藝設計模式不是簡單地疊加，而是有機地融合、滲透，用戶是工藝決策的主體，要充分發揮人的智能優勢，在系統應用過程中不斷實現系統智能，有效地輔助工藝人員，更好地發揮CAPP系統的效率。其主要技術方法包括：計算機輔助工藝標準化、規范化、基于信息模型驅動的工藝設計技術、工藝資源及工程數據庫關聯設計技術、相似工藝/典型工藝的自動檢索設計、參數化/模塊化/單元化工藝設計技術、基于對象的推理及專家系統技術、工程知識處理技術、工藝知識及工藝資源的自動獲取等方面。基于知識的協同設計是現代CAPP的一個發展趨勢，在知識有效管理和廣泛共享的基礎上，不同工藝部門、人員之間進行協調工藝決策，使工藝經驗和知識發揮更大作用更好地進行工藝優化，減少技術部門之間的往復的、低水平的協調，縮短了工藝準備周期。基于知識的綜合智能化工藝設計研究，將進一步引發針對行業、專業工程知識處理技術的研究及具有專業化特色的決策功能研究，具有行業特色、專業特色的工藝知識庫、工藝資源庫的建立和應用將具有很大的發展潛力。
可以看到，當前基于知識的綜合智能化工藝設計技術研究局限于對現有直接知識的處理和利用，缺乏相關知識和技術資料的管理和應用。工藝設計過程中需要企業及其行業相關技術成果、工藝試驗、工藝案例、作業指導書、工藝標準以及材料／元器件信息、性能及熱表處理、工具工裝、工藝技術等相關知識，工藝人員在工藝規劃及編制過程中，如能得到相關技術知識的快速響應支持，將會大大增強企業工藝創新能力，因此基于知識的工藝創新設計平臺的研究開發將是現代CAPP的重要發展領域。
(4)系統的集成性和開放性
信息似企業的神經。信息反映企業生產經營運作的狀態，信息的質量影響決策質量，信息共享的程度影響企業資源與企業知識的利用程度，信息的傳遞速度影響企業運作的節奏和效率。工藝信息是制造工程數據的源頭和重要組成部分，是CAD/CAPP/CAM、CAD/PDM/CAPP/ERP等集成的關鍵環節，工藝信息數字化及集成共享是提高工作效率、縮短技術準備周期的關鍵技術。實現工藝部門內部的工藝信息共享及工藝設計與管理的一體化，逐步實現與PDM、MIS等相關系統對產品工藝信息的全面集成和產品設計、工藝設計、生產計劃調度的全過程集成是各企業信息化工程的共識，企業將更加重視工藝的數字化及CAPP系統的集成性、開放性。進一步發展和研究完善CAPP系統的集成性和開放性，將成為現代CAPP研究的一個重要目標，產品數據交換標準STEP及可擴展標示語言XML的發展和應用也促進了現代CAPP的集成性和開放性研究。
4 結束語
隨著企業信息化工程及CAPP技術的不斷深入應用，現代CAPP的發展將呈現以下特點：
(1)CAPP系統的體系結構由單機模式、C/S模式向C/S模式與基于Web技術的B/S模式相結合、組件化、層次結構化方向發展；
(2)CAPP系統的功能覆蓋企業整個工藝領域，向集成化制造數據管理方向發展；
(3)工藝設計模式向基于知識的分布協同決策的快速設計技術發展；
(4)CAPP的應用更加強調系統的集成性和開放性等。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://m.hanmeixuan.com/
本文標題：現代CAPP技術及其發展研究
相關文章
