電腦輔助工藝規劃

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電腦輔助工藝規劃(CAPP-Computer Aided Process Planning)

目錄

什麼是電腦輔助工藝規劃(CAPP)

  電腦輔助工藝規劃也被譯為電腦輔助工藝過程設計。國際生產工程研究會(CIRP)提出了電腦輔助規劃(CAP)、電腦自動工藝過程設計(CAPP)等名稱,CAPP一詞強調了工藝過程自動設計。

  由於電腦集成製造系統(CIMS)的出現,電腦輔助工藝規划上與電腦輔助設計(CAD)相接,下與電腦輔助製造(CAM)相連,是連接設計與製造之間的橋梁,設計信息只能通過工藝設計才能生成製造信息,設計只能通過工藝設計才能與製造實現功能和信息的集成。

  電腦輔助工藝規劃(CAPP)是通過向電腦輸入被加工零件的原始數據,加工條件和加工要求,由電腦自動地進行編碼,編程直至最後輸出經過優化的工藝規程卡片的過程。在集成化CAD/CAPP/CAM系統中,由於設計時在公共資料庫中所建立的產品模型不僅僅包含了幾何數據,也記錄了有關工藝需要的數據,以供電腦輔助工藝規劃利用。電腦輔助工藝規劃的設計結果也存回公共資料庫中供CAM的數控編程。集成化的作用不僅僅在於節省了人工傳遞信息和數據,更有利於產品生產的整體考慮。從公共資料庫中,設計工程師可以獲得並考察他所設計產品的加工信息製造工程師可以從中清楚地知道產品的設計需求。全面地考察這些信息,可以使產品生產獲得更大的效益。

電腦輔助工藝規劃(CAPP)利用電腦來進行零件加工工藝過程的制訂,把毛坯加工成工程圖紙上所要求的零件,瞎一過程稱為電腦輔助工藝規劃。它是通過向電腦輸入被加工零件的幾何信息(形狀、尺寸等)和工藝信息(材料、熱處理、批量等),由電腦自動輸出零件的工藝路線和工序內容等工藝文件的過程。

CAPP系統

基本構成

  視CAPP系統的工作原理、產品對象、規模大小不同而有較大的差異。CAPP系統基本的構成包括:

  (1) 控制模塊。控制模塊的主要任務是協調各模塊的運行,是人機交互的視窗,實現人機之間的信息交流,控制零件信息的獲取方式;

  (2) 零件信息輸入模塊。當零件信息不能從CAD系統直接獲取時,用此模塊實現零件信息的輸入;

  (3) 工藝過程設計模塊。工藝過程設計模塊進行加工工藝流程的決策,產生工藝過程卡,供加工及生產管理部門使用;

  (4) 工序決策模塊。工序決策模塊的主要任務是生成工序卡,對工序間尺寸進行計算,生成工序圖;

  (5) 工步決策模塊。工步決策模塊對工步內容進行設計,確定切削用量,提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件;

  (6) NC加工指令生成模塊。NC加工指令生成模塊依據工步決策模塊所提供的刀位文件,調用NC指令代碼系統,產生NC加工控制指令;

  (7) 輸出模塊。輸出模塊可輸出工藝流程卡、工序卡、工步卡、工序圖及其它文檔,輸出亦可從現有工藝文件庫中調出各類工藝文件,利用編輯工具對現有工藝文件進行修改得到所需的工藝文件;

  (8) 加工過程動態模擬。加工過程動態模擬對所產生的加工過程進行模擬,檢查工藝的正確性。

內容

  CAPP的內容主要有:毛坯的選擇及毛坯圖的生成;定位基準與夾緊方案的選擇;加工

  方法的選擇;加工順序的安排;通用機床、刀具、夾具、量具等工藝裝備的選擇;工藝參數的計算;專用機床、刀具、夾具、量具等工藝裝備設計方 案的提出;工藝文件的輸出。

步驟

  CAPP的步驟共分為5步:

  (1)輸入產品圖紙信息;

  (2)擬定工藝路線和工序內容;

  (3)確定加工設備和工藝裝備;

  (4)計算工藝參數;

  (5)輸出工藝文件。

分類

  系統按其工作原理可分為檢索式、派生式、創成式等。

  檢索式工藝過程設計系統是針對標準工藝的,將設計好的零件標準工藝進行編號,存儲在電腦中,當制定零件的工藝過程時,可根據輸入的零件信息進行搜索,查找合適的標準工藝。

  派生式工藝過程設計就是利用零件有相似性,相似的零件有相似的工藝過程這一原理,通過檢索相似典型零件的工藝過程,加以增刪或編輯而派生一個新零件的工藝過程。

  創成式工藝過程設計系統和派生式系統不同,它是根據輸入的零件信息,依靠系統中的工程數據和決策方法自動生成零件的工藝過程。

CAPP的基礎技術

CAPP的基礎技術包括:

  (1)成組技術(Group Technology)。

  成組工藝是把尺寸、形狀、工藝相近似的零件組成一個個零件族[3],如圖3所示,按零件族制定工藝進行生產製造,這樣就擴大了批量,減少了品種,便於採用高效率的生產方式 從而提高了勞動生產率,為多品種、小批量生產提高經濟效益開闢了一條途徑。

  零件在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性。以基本相似性為基礎,在製造、裝配的生產、經營、管理等方面所導出的相似性,稱為二次相似性或派生相似性。因此,二次相似性是基本相似性的發展,具有重要的理論意義和實用價值。

  成組工藝的基本原理表明,零件的相似性是實現成組工藝的基本條件。成組技術就是揭示和利用基本相似性和二次相似性,是工業企業得到統一的數據和信息,獲得經濟效益,併為建立集成信息系統打下基礎。

  (2)零件信息的描述與獲取;

  輸入零件信息是進行電腦輔助工藝過程設計的第一步,零件信息描述是CAPP的關鍵,其技術難度大、工作量大,是影響整個工藝設計效率的重要因素。

  零件信息描述的準確性、科學性和完整性將直接影響所設計的工藝過程的質量可靠性和效率。因此,對零件的信息描述應滿足以下要求:

  [1]信息描述要準確、完整。所謂完整是指要能夠滿足在進行電腦輔助工藝設計時的需要,而不是要描述全部信息;

  [2]信息描述要易於被電腦接受和處理,界面友好,使用方便,工效高;

  [3]信息描述要易於被工程技術人員理解和掌握,便於被操作人員運用;

  [4]由於是電腦輔助工藝設計,信息描述系統(模塊或軟體)應考慮電腦輔助設計、電腦輔助製造、電腦輔助檢測等多方面的要求,以便能夠信息共用

  (3)工藝設計決策機制;

  (4)工藝知識的獲取及表示;

  (5)工序圖及其它文檔的自動生成;

  (6)NC加工指令的自動生成及加工過程動態模擬;

  (7)工藝資料庫的建立。

CAPP在CAD/CAM集成系統中的作用

  20世紀80年代中後期,CAD、CAM的單元技術日趨成熟。隨著機械製造業向CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)和IMS(Intelligent Manufacturing System)方向的發展,CAD/CAM的集成化要求是亟待解決的問題。CAD/CAM集成系統實際上是CAD/CAPP/CAM集成系統。CAPP從CAD系統中獲得零件的幾何拓撲信息、工藝信息,並從工程資料庫中獲得企業的生產條件、資源情況及企業工人技術水平等信息,進行工藝設計,形成工藝流程卡、工序卡、工步卡及NC加工控制指令,在CAD、CAM中起紐帶作用。為達到此目的,在集成系統中必須解決下列幾方面問題:

  (1)CAPP模塊能直接從CAD模塊中獲取零件的幾何信息、材料信息、工藝信息等,以代替零件信息描述的輸入;

  (2)CAD模塊的幾何建模系統,除提供幾何形狀及拓撲信息外,還必須提供零件的工藝信息、檢測信息、組織信息及結構分析信息等;

  (3)須適應多種數控系統NC加工控制指令的生成。

CAPP的發展趨勢

  隨著CAD、CAPP、CAM單元技術日益成熟,同時又由於CIMS及IMS的提出和發展,促使CAPP向智能化、集成化和實用化方向發展。當前,研究開發CAPP系統的熱點問題有:

  (1)產品信息模型的生成與獲取;

  (2)CAPP體繫結構研究及CAPP工具系統的開發;

  (3)並行工程模式下的CAPP系統;

  (4)基於分佈型人工智慧技術的分佈型CAPP專機系統;

  (5)人工神經網路技術與專家系統在CAPP中的綜合應用;

  (6)面向企業的實用化CAPP系統;

  (7)CAPP與自動生產調度系統的集成。

電腦輔助工藝規劃案例分析

案例一:企業CAPP應用分析[1]

  國內企業CAPP應用尚屬起步推廣階段,成功應用CAPP的企業還不多見,但隨著CA甩圖板工程的結束,隨著CAPP軟體產品的不斷成熟,CAPP應用需求日益迫切,越來越多的企業開始關註CAPP,醞釀、策劃實施CAPP,這表明CAPP應用正在蓬勃興起。

  CAPP在現代製造業中,具有重要的理論意義和廣泛迫切的實際需求。因為CAPP系統的應用,不僅可以提高工藝規程設計效率和設計質量,縮短技術準備周期,為廣大工藝人員從繁瑣、重覆的勞動中解放出來提供了一條切實可行的途徑,工藝人員可以更多地投入工藝試驗和工藝攻關,而且可以保證工藝設計的一致性、規範化,有利於推進工藝的標準化。更重要的是工藝BOM數據是指導企業物資採購、生產計劃調度、組織生產、資源平衡成本核算等的重要依據,CAPP系統的應用將為企業數據信息的集成打下堅實的基礎。

  二、企業工藝特點及存在的問題

  1、企業工藝特點

  工藝設計是優化配置工藝資源,合理編排工藝過程的一門藝術,它是連接產品設計與產品製造的橋梁。工藝規程是進行零件加工的主要依據,工藝設計的主要任務是為被加工零件選擇合理的加工方法和加工順序,以便能按設計要求生產出合格的成品零件。

  一般的工藝編製過程是:

  按設計白圖、零件清單進行工藝會審(工藝評定、工藝試驗),制定工藝方案  按設計蠟圖、零件清單劃分工藝路線  按設計藍圖、零件清單編製工藝規程,選擇加工方法,排出加工工序過程,選擇各工序的加工餘量、參數、刀具、工藝裝備,繪製必要的工序簡圖,編製工藝卡片,計算工時定額,材料定額,編製工裝彙總、工藝關鍵件明細表、外協件明細表、焊接件明細表、鍛件明細表、熱處理明細表等工藝文件。

  工藝設計處於產品設計和加工製造的介面處,必須分析和處理大量信息,既要考慮產品設計圖樣上有關零件結構形狀、尺寸公差、材料及批量等方面的信息,又要瞭解加工製造中有關加工方法、加工設備、生產條件、加工成本工時定額,甚至傳統習慣等方面的信息。工藝因素錯綜複雜,工藝理論又不成熟,因此說工藝是一個典型的複雜問題。

  工藝設計受到諸如企業的生產環境、產品類型、製造資源、生產批量、工藝習慣、工藝方法、工藝師經驗水平等因素的影響,甚至受到生產組織與管理方式的制約。上述因素中的任何變化,都將導致工藝設計方案的改變,因此說工藝在各個方面都充滿著“個性”。

  工藝設計產生大量的工藝數據,這些工藝數據是指導企業物資採購、生產計劃調度、組織生產、資源平衡、成本核算等的重要依據,因此說工藝設計是企業的一項關鍵性工作。

  隨著市場競爭的不斷加劇,產品升級換代的周期越來越短,產品品種急劇增加,但系列產品的工藝具有很大的繼承性。不同產品中的相同或相似零部件具有相似的工藝,工藝卡片上的產品、組件、零件屬性等信息源於設計圖紙,工藝卡片之間信息聯繫密切,相同數據重覆率很大。因此說工藝卡片中存在大量的重覆信息。

  2、企業技術部門電腦應用現狀

  近幾年,在國家科委CAD“甩圖板”工程的推動下,大部分企業成功甩掉圖板,相當比例的企業應用了三維設計軟體,CAD應用取得良好成效。但是在絕大多數企業中,工藝部門的電腦應用嚴重滯後於設計部門,許多企業還在使用手工進行工藝設計,一些企業使用CAD軟體或辦公軟體來“畫”工藝卡片,另外一些企業,雖然通過與高校、科研單位合作,開發了專用的CAPP軟體,但在圖形處理、數據共用、實用性等方面存在明顯缺陷,應用效果並不理想。技術部門一般沿用傳統的管理模式,數據信息不能共用,很少有單位能成功應用PDM。

  3、手工編製工藝存在的問題

  以手工方式進行的工藝設計存在如下問題:

  • 工藝數據重覆填寫、重覆計算,存在大量的重覆勞動,無法直接利用CAD信息,工藝設計 工作量大、效率低、周期長、易出錯。
  • 工藝設計質量完全取決於工藝人員的技術水平和工作經驗,難以保證工藝數據的準確性,工藝質量無法保證。
  • 工藝方法因人而異,難以實現工藝設計的繼承性、規範性、標準化和最優化,不能有效地降低生產成本
  • 無法實現工藝文件電腦統一管理和維護,工藝信息不能與其他部門共用。
  • 不能將工藝專家的經驗和知識集中起來加以充分地利用,不能充分利用企業製造資源、工藝資源。
  • 對工藝設計人員要求高,要求工藝師具有豐富的生產經驗,熟悉企業內部各種加工方法及相應設備使用情況,熟悉企業內部各種生產加工規範和規章制度
  • 工藝師培養成本高,缺乏有經驗的工藝師。

  4、工藝工作面臨的挑戰

  日趨激烈、日益多變的市場競爭要求企業能不斷推出新產品,企業對客戶的要求必須作出快速的響應,與此同時,產品的技術要求越來越高,交貨期也越來越短,所有這一切對企業的技術能力、工藝能力是個嚴峻的挑戰,手工編製工藝將無法適應殘酷的市場競爭,企業迫切需要建立工藝快速反應能力。電腦輔助技術能有效提高企業的技術能力,CAPP是提高工藝設計效率的有效手段。實施CAPP系統,推進企業技術部門信息化是企業當前發展的重要課題。

  三、實施CAPP系統,提高工藝設計水平

  1、企業對CAPP軟體的要求

  新一代CAPP工具系統通過提供功能通用、強大的編輯工具、工藝資源管理工具、計算工具、彙總工具、配置工具、開發工具等給予工藝人員最大的幫助,輔助工藝人員提高工藝設計效率和設計質量。同時CAPP系統向企業推薦和引進國家標準的工藝設計和工藝管理規範,推進工藝規範化、標準化,提高工藝設計水平。

  企業需要應用面廣、實用性強、集成型好的平臺型CAPP工具系統,CAPP應是“一個以整個產品為應用對象,以產品工藝數據為中心的集工藝過程設計、工藝信息管理為一體的互動式電腦應用系統和開發平臺,通過融合檢索、修訂、創成等技術,逐步實現工藝設計和管理的自動化、信息化

  對CAPP軟體的具體要求如下:安裝簡單、人機界面友好、實用性強、開放性好、穩定安全柔性的網路版CAPP系統。

  CAPP系統應兼備工藝設計和工藝管理功能:

  • CAPP系統必須能實現與CAD、PDM、MISERP等系統的集成

  

  • CAPP系統應提供功能強大的工藝卡片設計工具,融資料庫、圖形、圖象、表格、文字編輯於一體,圖文並茂,提供可視化的工藝設計環境,100%所見即所得。能編製工藝路線、工藝過程卡、工序卡、工藝BOM等工藝文件。數據信息一次輸入、全程共用、互相關聯,杜絕數據重覆輸入操作。具有自動換行、自動續頁、自動增刪頁、自動編號、自動編排頁次功能。直接繪製工藝簡圖,可藉助零件圖產生工藝簡圖,支持特殊工程符號的定義與編輯。CAD圖紙上有關信息自動填入工藝卡片,自動關聯工藝資源資料庫快速獲取數據。具有工藝卡片集中列印管理功能。
  • CAPP系統應提供樹形結構的工藝資源管理功能,工藝資源包括:設備、工裝、工藝術語、工藝參數、工藝規則、工藝簡圖、材料牌號、材料規格、產品、零件、毛坯、車間、工段、典型工藝、計算公式等任何可供共用和重覆使用的工藝數據、工藝知識。支持資源庫結構自由定義和數據自由擴充,實現與工藝卡片的自定義關聯、自動引用。規範工藝內容,提高標準化程度。
  • 應具有公式計算和公式管理器功能,提供材料定額計算和工時定額計算公式庫,用戶可自行擴充專用公式。系統按公式定義自動計算,計算結果自動填入工藝文件。
  • CAPP系統必須提供簡單靈活的配置定製工具,以適應企業所有專業的工藝設計要求,並具有統一的應用環境和數據結構
  • 提供工藝卡片模板定製工具,可由用戶繪製、定義、擴充工藝卡片格式。支持工藝文件在不丟失任何信息的基礎上由一種卡片格式轉換到另一種卡片格式,保護歷史工藝數據資源。
  • 能讀取CAD系統產生的產品結構信息,能夠由工藝卡片自動生成工藝BOM。
  • 必須提供完善的二次開發工具和開發介面,用戶可以自行開發專用CAPP模塊,如定型工藝自動生成。
  • 應能檢索典型工藝、標準工藝,並能迅速派生工藝。

  2、實施CAPP系統達到的目標

  應用CAPP系統進行工藝設計,能夠:

  • 提高工藝設計工作效率,加快市場響應速度,縮短技術準備周期。
  • 提高工藝設計質量,減少產品退修費用。
  • 幫助工藝工程師從繁瑣、重覆的低層次勞動中解放出來,有更多的精力投入工藝試驗、工藝攻關,優化工藝設計,促進技術進步。
  • 繼承和共用工藝專家的經驗和知識,一般的工藝人員就能設計出較好的工藝過程,可以解決缺乏經驗豐富的工藝師的問題,同時能加快工藝師的培養。
  • 推進工藝標準化建設,提高工藝設計水平。

  3、CAPP實施的關鍵

  企業應用CAPP軟體是一個系統工程,必須總體規劃,分步實施。由於工藝處於設計和生產的介面處,CAPP的實施既要實現與現有CAD系統的集成,又要考慮將來與企業ERP等管理軟體的全面集成,因此CAPP 系統的實施關係重大,關係到企業信息系統的集成和企業信息化建設的成敗。同時由於工藝的個性化、複雜性及CAPP發展的局限性,給CAPP軟體的實施帶來了不小的困難。

  CAPP系統的實施一般包括需求分析、總體規劃、軟體實施與培訓、定製開發等過程。系統實施之前必須進行詳細的需求分析、工藝知識的收集和整理,並根據企業自身特點選擇合適的CAPP軟體產品,制定CAPP系統實施方案。

  由於工藝的個性化特征,即每家單位的工藝都有自己的特點,因此CAPP系統實施中的開發工作量極大,商品化的CAPP軟體必須經過二次開發才能適合企業的實際應用。所以,CAPP系統的實施前期必須提出明確、全面的開發需求,制定詳盡的技術協議,這是系統實施與驗收的依據。技術協議應對軟體的系統結構、總體要求、功能需求、集成需求提出了具體的技術要求,為CAPP系統的實施制定框架協議與驗收標準。這是CAPP系統實施成功的關鍵所在。CAPP二次開發主要包括:CAPP編輯平臺的用戶化開發、BOM自動生成模塊、專業工藝自動化生成模塊等。在系統實施中,企業技術人員必須全面參與開發工作,掌握系統定製與開發技術,能夠在今後的應用中不斷擴充和完善CAPP系統。

  四、CAPP的集成應用

  CAPP的集成應用是關係到CAPP應用水平的關鍵因素,面向產品信息的CAPP集成目標首先是實現工藝部門內部的信息共用及工藝設計與管理的一體化,工藝數據必須做到一次輸入、互相關聯、全程共用,並具有統一的數據結構,CAPP軟體必須實現這一層次的集成應用。

  CAPP集成應用的第二層次是CAPP與CAD的集成。CAPP必須能讀取CAD產生的產品結構信息與圖形信息,避免重覆輸入。這需要一個前提,就是 CAD系統應能自動生成設計BOM信息(設計BOM由CAD圖紙自動生成),為CAPP系統提供完整、一致、正確的BOM信息和圖紙數據。要實現這一點,除了需要BOM軟體工具的支持以外,還必須對電子文檔進行有效的管理,能保證電腦上存儲的電子文檔的完整性、一致性和正確性。目前大部分企業在完成 CAD甩圖板工程以後,只是利用目錄結構對電子文檔進行簡單的管理,沒有許可權控制、沒有版本控制、沒有層次結構、沒有入庫提交機制,無法保證電腦中電子文檔的完整性、一致性和正確性,在這種情況下,即使有BOM生成工具,也無法向CAPP系統提供完整、一致、正確的的設計BOM信息和圖紙數據。

  CAPP集成應用的第三層次是逐步實現與MRPII/ERP等管理信息系統的集成,為這些系統提供產品結構樹、產品零部件工藝路線表、工時定額表、材料定額表、工裝彙總表、工藝明細表等工藝信息。

  CAPP第二層次和第三層次的集成應用以PDM系統為集成平臺。由PDM負責電子文檔的管理,保證電子文檔的完整性、一致性和正確性,在PDM的管理下,BOM工具自動生成設計BOM,並由PDM為CAPP系統提供完整、一致、正確的設計BOM信息和圖紙信息。CAPP系統產生的工藝數據也交給PDM 系統管理,並由PDM系統提供給MRPII/ERP等管理信息系統。

  為了提高CAPP應用水平,也為了提高CAD系統、CAPP系統的應用效益,我們認為,在普及CAD應用的基礎上,實施CAPP的同時應實施PDM系統或圖文檔管理系統(如不具備實施PDM的條件,可以先實施PDM中的一個模塊:圖文檔管理),以實現CAD/CAPP的集成,穩步推進企業技術部門的信息化建設,併為企業信息化打下堅實的基礎。

  CAPP是CIMS工程中的一個重要模塊,也是企業信息化建設的關鍵環節。前幾年,由於CAPP軟體的發展走了一些彎路,導致CAPP應用成為電腦輔助技術領域的薄弱環節和企業實施推廣CIMS工程的瓶頸所在。許多企業在尚未深化CAD、CAPP應用的情況下實施ERP系統,導致ERP系統所需的 BOM信息、工藝路線、工時定額等數據只能重覆手工輸入,嚴重影響了ERP系統的應用效果,甚至導致ERP系統實施的失敗。近幾年CAPP軟體的發展取得了長足的進步,為全面推廣CAPP應用奠定了基礎,國家機械工業局也於今年開始推廣CAPP技術,可以說實施CAPP系統的有利時機已經來臨,相信在未來幾年,CAPP應用必將取得豐碩的成果。

參考文獻

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