第七章 计算机辅助工艺设计
7.1 CAPP系统的结构组成
7.2 零件信息的描述与输入
7.3 CAPP系统的基本原理和方法
7.4 CAPP专家系统毛坯设计工艺路线工序设计工时定额工装设计余量分配切削用量工时定额机床刀具选用工序图绘制
7.1 CAPP系统的结构组成工艺设计,生产准备工作第一步，是连接设计与制造的桥梁，
工艺设计的结果是完成加工工艺规程。
工艺规程,决定零件加工方法、加工路线，是工装设计制造的主要依据。
CAPP
典型的工艺规程卡片
CAPP技术的发展：
交互式 CAPP→ 派生式 CAPP →
创成式CAPP → 智能型CAPP
面向零件CAPP → 面向产品CAPP → 面向企业CAPP
PP,加工工艺过程编制（Process Planning ）
→ 生产过程编制（ Production Planning）
CAPP系统结构组成
零件信息获取模块 有人机交互、由CAD模型转换等方法。
工艺决策 按预定的决策逻辑，进行比较、推理和决策加工工艺规程。
工艺数据库与知识库 包含工艺设计所要求的工艺数据和规则。
工艺数据：加工方法、加工余量、切削用量、刀夹量具等；
规则：决策规则、加工方法选择、工序工步归并规则等、
人机交互界面 是用户的操作环境。
工艺文件管理与输出 包括工艺文件格式化显示和打印输出等。
CAPP系统结构组成零件信息描述要求,
①描述应准确、完整，与实际生产要求相一致，适合计算机处理；
②应简洁易懂，易于理解和掌握，便于输入操作；
③数据结构要合理，利于提高处理效率，便于信息集成。
零件信息描述内容：
①零件几何信息,包括零件几何形状、尺寸、以及各几何元素间的拓扑关系。方法：可从零件三维模型进行描述 ；也可将结构分解，对分解的形体或型面单元分别进行描述。
②零件工艺信息,加工精度、表面粗糙度、零件材料、毛坯特征、热处理等。
③生产管理信息,加工批量、生产周期等。
7.2 零件信息的描述与输入
CAPP零件信息描述基本方法
1）零件分类编码描述法原理,基于成组技术原理，制订或选用一套编码系统，
对零件进行编码，通过编码实现对零件几何信息和工艺信息进行描述的目的。
特点,简单易行，但零件描述粗糙，无法对零件形状、
尺寸、精度进行详细描述，没有足够信息进行决策。
应用,适用于派生式CAPP系统。目前 CAPP系统很少单独使用该方法。
2）形状特征描述法原理,将零件形状特征按顺序输入计算机，按设定的数据结构进行组织，形成供 CAPP调用的零件信息模型。
优点：
①零件特征与加工方法相对应，便于推导加工工艺；
②零件特征包括尺寸、公差、粗糙度等信息，为工序设计、尺寸链计算、工艺路线的安排提供了方便。
应用,在众多 CAPP系统中得到了应用。
回转体零件加工二叉树结构表示
3）语言描述法 用计算机能够识别的语言对零件形状和工艺特征进行描述，需要用户学习掌握所选用语言的词法和语法，描述过程比较繁琐。
4）知识表示描述法 用人工智能中的知识表示方法来描述零件信息
，包括人工智能框架表示法、产生式规则法和谓词逻辑表示法等。
5）直接将CAD 作业结果作为CAPP 的输入 将CAPP系统与
CAD系统直接相连，使 CAPP操作所需的各种工艺信息直接来源于 CAD系统，避免繁杂和枯燥的手工信息输入。
在众多零件信息描述中，适合轴类零件的方法较多，箱体类等复杂零件信息描述仍是一个薄弱环节。
7.3 CAPP系统的基本原理和方法
1、派生式CAPP
工作原理,利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。要求先对零件编码，根据编码确定所属零件族，调 用该族零件标准工艺，经过编辑修改，最终获得零件工艺规程。
派生式
CAPP
工作原理零件族特征矩阵库派生式CAPP 开发过程
1)根据产品特点与生产情况，确定编码系统；
2)进行零件编码；
3)对零件分类，形成若干零件族，建立零件族特征矩阵库；
4)对各零件族构造,典型零件” ；
5)编制,典型零件” 标准工艺和相应的工序内容；
6)建立工艺数据库，存储常用工艺数据和规范；
7)编制系统程序，实现各功能模块。
派生式CAPP 特点
1)以成组技术为基础，理论上比较成熟；
2)应用范围比较广泛，有较好的实用性；
3)适用于结构比较简单的零件，尤其回转类零件；
4)继承企业较成熟的传统工艺，但系统柔性度较差；
5)对于相似性较差的复杂零件，难以编码描述。
派生式 CAPP举例
CAM－ I派生式CAPP 系统工作流程
（美国计算机辅助制造公司）
2、创成式CAPP
工作原理,根据零件模型和工艺信息，应用决策逻辑，模拟工艺人员决策过程，自动创成加工工艺规程，完成 机床刀具选择和工艺过程优化。
创成式 CAPP系统工作原理创成式CAPP开发过程
1)确定系统对象范围，是针对回转体零件还是非回转体零件；
2)确定零件描述方法，是型面单元描述还是体素组合语言描述；
3)确定和建立工艺决策模型，用决策表还是决策树；
4)建立加工资源数据库，包括机床、夹具、刀具、切削用量等；
5)设计系统主控模块、人机接口模块、工艺文件生成和输出模块。
创成式CAPP特点
1)通过逻辑推理，自动决策生成零件工艺规程，无需人为干预；
2)具有较高的柔性，适应范围广；
3)便于与CAD和CAM系统的集成；
4)系统实现较为困难，目前只能处理特定环境下的特定零件。
SIP系统结构组成,由制造资源模块、零件特征定义模块、工艺决策以及主控模块组成，其中工艺决策模块是 系统核心,零件信息是 决策对象，制造资源信息是 决策约束 。
创成式 CAPP举例 （上海交大SIP 系统）
制造资源的构成
车间层资源 包括粗加工、精加工、热处理、装配等生产车间。
设备层资源 包括不同的机床和工艺装备。
知识层资源 包括决策规则、切削参数、加工余量和工时定额等工艺数据。
工艺决策知识的表示决策表决策树
3、综合式CAPP
原理,综合派生式 CAPP采取派生与创成相结合的方法生成工艺规程，
即工艺设计采用派生法，工序设计则采用创成决策方法产生。
特点,综合派生式与创成式 CAPP两者优点，具有系统简洁、快捷、
灵活、实用性强的特点。
7.4 CAPP专家系统专家系统,是一种求解问题的智能软件系统，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理和控制策略，处理和解决只有专家才能解决的问题。
通常软件系统 ＝ 数据 ＋ 算法专家系统 ＝知识＋推理专家系统组成：
z
知识库 专家系统 核心，包含常识性知识和启发性知识。
启发性知识是专家系统逻辑推理的主要知识源。
数据库 用于存储用户输入的原始数据（事实）和推理过程的动态数据。
推理机 是一种具有推理能力的计算机软件程序，用来控制和协调整个系统运行的软件模块。
解释模块 对专家系统推理结果作出必要解释，使用户了解专家系统推理过程，接受所推理的结果。
知识获取模块 将人类专家的专门知识提取出来，经整理转化为计算机内部数据结构形式，是知识库建立和维护的工具和手段。
用户接口模块 将专家和用户输入的信息转换为系统可以接受的形式，
同时把系统的推理结论转换为人类易于理解的形式。
专家系统组成专家系统特点
启发性 能使用判别性知识以及已确定的理论知识进行推理；
透明性 能解释其推理过程；
灵活性 能把新知识不断加入已有知识库，使其逐步完善和精练。
专家系统的知识表示产生式规则法、语义网络法和框架表示法是目前较为流行的知识表示方法。
产生式规则法 是最常用的知识表示方法，其一般形式为：
IF <条件1>
AND/OR<条件 2>AND/OR……AND/OR<条件 n>
THEN <结论 1>或< 操作1>,
<结论 2>或< 操作2>,……< 结论n> 或< 操作n>
例：
IF <表面为外圆柱面 > AND <精度等级为IT8～IT10>
AND <表面粗糙度为 Ra≤0.8um >
THEN
<选用加工过程为：粗车→半精车→精车>
优点：
产生式规则结构接近人类专家思考问题方式；
各条规则相互独立，易于查询、修改和扩充；
容易添加解释功能，以便观察系统如何进行推理；
具有描述不确定知识的能力。
1）正向推理 从已知事实出发，按照给定控制策略，利用生产式规则最终推断出结论。在CAPP 系统中，由毛坯一步步推导出最终零件的整个加工工艺过程。
正向推理机应具有的功能,
能够根据已知的事实，知道运用知识库中哪些知识；
能将推理后得到的结论存入数据库，并记录整个推理过程；
能够判断何时结束系统推理；
必要时向用户提问，要求用户补充输入所需的推理条件。
正向推理不足－ 盲目推理，求解了许多与目标解无关的子目标；
专家系统推理方式
2）反向推理 先提出假设，然后反向寻找支持假设的证据。在 CAPP
系统中，由最终零件通过逐步加上加工余量，使之最终成为毛坯的推理过程。
反向推理机应具有的功能：
能够提出假设，并运用知识库中的知识判断假设的真假；
若为真，则记录使用了哪些知识（以备解释之用）；
若为假，则系统应重新提出新的假设，再进行判断；
能够判断何时结束推理；
必要时能够向用户提出补充条件要求。
反向推理不足－ 盲目选择目标，求解了许多假设的子目标。
3）双向推理,综合利用正向推理和反向推理优点，克服其不足。
先根据事实库中一些原始数据，利用正向推理帮助人们选择假设，
再利用反向推理进一步证明这些假设是否成立，如此反复，直至最后得出结论。
专家系统开发语言,Lisp、Prolog等智能型程序设计语言，
需逐个模块开发，开发效率很低。
专家系统开发工具,有骨架型、通用型、辅助型等。
EMYCIN为最早、最常用专家系统开发典型工具，它是将 MYCIN
专家系统中有关传染病诊断知识和内容移走，剩下 专家系统,骨架” （
Shell），包含不可缺少的推理机、知识获取、解释和控制功能模块,
被称之为基本 (Essential) 的 MYCIN,即EMYCIN 。
这样开发者仅需完成相关应用知识库的建立，便完成专家系统的开发，大大缩短专家系统开发周期。
成组技术(GT)，就是用科学的方法，在多品种生产中 将相似零件组织在一起(成组)进行生产,以相似产品零件的,叠加批量,取代原来的单一品种批量，采用近似大批量生产中的高效工艺、设备及生产组织形式来进行生产，从而提高生产率和经济效益。
成组技术是一门涉及多学科的综合性技术，其理论基础是研究如何识别和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题归类成组，寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。
成组技术的核心问题是成组工艺。成组工艺与计算机技术、
数控技术、相似论和方法论等结合才形成了成组技术。
成组技术在机械加工中，成组工艺是把零件的几何信息( 形状、尺寸、精度、表面粗糙度等) 和工艺信息
(材料、热处理、批量等) 相近似的零件组成一个个零件族 (组 )，
按零件族进行加工制造，从而减少了品种，扩大了批量，便于采用高效的生产方法，从而提高了劳动生产率和经济效益。
零件的相似性是实现成组工艺的基本条件。工艺相似性是指可采用相同的工艺方法进行加工，采用相似的夹具进行装夹，采用相似的量具进行检测等。
零件分类编码系统是实施成组技术的重要手段，也是成组技术的重要组成部分。
成组工艺首先是对产品零件按零件分类编码系统进行分组分类，制订零件的成组加工工艺，然后设计成组工艺装备和制造成组加工生产线等。
成组工艺的生产组织形式一般分为 单机或生产单元,混合生产线和成组生产线或柔性制造系统 等三大类。
随着成组技术的不断发展，出现了用计算机对零件进行分类编码。成组技术被系统地运用到产品设计、制造工艺、生产管理等各个领域，形成了计算机辅助设计CAD,计算机辅助工艺过程设计CAPP、计算机辅助制造CAM,以及有成组技术特色的计算机集成制造系统CIMS 。
7.1 CAPP系统的结构组成
7.2 零件信息的描述与输入
7.3 CAPP系统的基本原理和方法
7.4 CAPP专家系统毛坯设计工艺路线工序设计工时定额工装设计余量分配切削用量工时定额机床刀具选用工序图绘制
7.1 CAPP系统的结构组成工艺设计,生产准备工作第一步，是连接设计与制造的桥梁，
工艺设计的结果是完成加工工艺规程。
工艺规程,决定零件加工方法、加工路线，是工装设计制造的主要依据。
CAPP
典型的工艺规程卡片
CAPP技术的发展：
交互式 CAPP→ 派生式 CAPP →
创成式CAPP → 智能型CAPP
面向零件CAPP → 面向产品CAPP → 面向企业CAPP
PP,加工工艺过程编制（Process Planning ）
→ 生产过程编制（ Production Planning）
CAPP系统结构组成
零件信息获取模块 有人机交互、由CAD模型转换等方法。
工艺决策 按预定的决策逻辑，进行比较、推理和决策加工工艺规程。
工艺数据库与知识库 包含工艺设计所要求的工艺数据和规则。
工艺数据：加工方法、加工余量、切削用量、刀夹量具等；
规则：决策规则、加工方法选择、工序工步归并规则等、
人机交互界面 是用户的操作环境。
工艺文件管理与输出 包括工艺文件格式化显示和打印输出等。
CAPP系统结构组成零件信息描述要求,
①描述应准确、完整，与实际生产要求相一致，适合计算机处理；
②应简洁易懂，易于理解和掌握，便于输入操作；
③数据结构要合理，利于提高处理效率，便于信息集成。
零件信息描述内容：
①零件几何信息,包括零件几何形状、尺寸、以及各几何元素间的拓扑关系。方法：可从零件三维模型进行描述 ；也可将结构分解，对分解的形体或型面单元分别进行描述。
②零件工艺信息,加工精度、表面粗糙度、零件材料、毛坯特征、热处理等。
③生产管理信息,加工批量、生产周期等。
7.2 零件信息的描述与输入
CAPP零件信息描述基本方法
1）零件分类编码描述法原理,基于成组技术原理，制订或选用一套编码系统，
对零件进行编码，通过编码实现对零件几何信息和工艺信息进行描述的目的。
特点,简单易行，但零件描述粗糙，无法对零件形状、
尺寸、精度进行详细描述，没有足够信息进行决策。
应用,适用于派生式CAPP系统。目前 CAPP系统很少单独使用该方法。
2）形状特征描述法原理,将零件形状特征按顺序输入计算机，按设定的数据结构进行组织，形成供 CAPP调用的零件信息模型。
优点：
①零件特征与加工方法相对应，便于推导加工工艺；
②零件特征包括尺寸、公差、粗糙度等信息，为工序设计、尺寸链计算、工艺路线的安排提供了方便。
应用,在众多 CAPP系统中得到了应用。
回转体零件加工二叉树结构表示
3）语言描述法 用计算机能够识别的语言对零件形状和工艺特征进行描述，需要用户学习掌握所选用语言的词法和语法，描述过程比较繁琐。
4）知识表示描述法 用人工智能中的知识表示方法来描述零件信息
，包括人工智能框架表示法、产生式规则法和谓词逻辑表示法等。
5）直接将CAD 作业结果作为CAPP 的输入 将CAPP系统与
CAD系统直接相连，使 CAPP操作所需的各种工艺信息直接来源于 CAD系统，避免繁杂和枯燥的手工信息输入。
在众多零件信息描述中，适合轴类零件的方法较多，箱体类等复杂零件信息描述仍是一个薄弱环节。
7.3 CAPP系统的基本原理和方法
1、派生式CAPP
工作原理,利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。要求先对零件编码，根据编码确定所属零件族，调 用该族零件标准工艺，经过编辑修改，最终获得零件工艺规程。
派生式
CAPP
工作原理零件族特征矩阵库派生式CAPP 开发过程
1)根据产品特点与生产情况，确定编码系统；
2)进行零件编码；
3)对零件分类，形成若干零件族，建立零件族特征矩阵库；
4)对各零件族构造,典型零件” ；
5)编制,典型零件” 标准工艺和相应的工序内容；
6)建立工艺数据库，存储常用工艺数据和规范；
7)编制系统程序，实现各功能模块。
派生式CAPP 特点
1)以成组技术为基础，理论上比较成熟；
2)应用范围比较广泛，有较好的实用性；
3)适用于结构比较简单的零件，尤其回转类零件；
4)继承企业较成熟的传统工艺，但系统柔性度较差；
5)对于相似性较差的复杂零件，难以编码描述。
派生式 CAPP举例
CAM－ I派生式CAPP 系统工作流程
（美国计算机辅助制造公司）
2、创成式CAPP
工作原理,根据零件模型和工艺信息，应用决策逻辑，模拟工艺人员决策过程，自动创成加工工艺规程，完成 机床刀具选择和工艺过程优化。
创成式 CAPP系统工作原理创成式CAPP开发过程
1)确定系统对象范围，是针对回转体零件还是非回转体零件；
2)确定零件描述方法，是型面单元描述还是体素组合语言描述；
3)确定和建立工艺决策模型，用决策表还是决策树；
4)建立加工资源数据库，包括机床、夹具、刀具、切削用量等；
5)设计系统主控模块、人机接口模块、工艺文件生成和输出模块。
创成式CAPP特点
1)通过逻辑推理，自动决策生成零件工艺规程，无需人为干预；
2)具有较高的柔性，适应范围广；
3)便于与CAD和CAM系统的集成；
4)系统实现较为困难，目前只能处理特定环境下的特定零件。
SIP系统结构组成,由制造资源模块、零件特征定义模块、工艺决策以及主控模块组成，其中工艺决策模块是 系统核心,零件信息是 决策对象，制造资源信息是 决策约束 。
创成式 CAPP举例 （上海交大SIP 系统）
制造资源的构成
车间层资源 包括粗加工、精加工、热处理、装配等生产车间。
设备层资源 包括不同的机床和工艺装备。
知识层资源 包括决策规则、切削参数、加工余量和工时定额等工艺数据。
工艺决策知识的表示决策表决策树
3、综合式CAPP
原理,综合派生式 CAPP采取派生与创成相结合的方法生成工艺规程，
即工艺设计采用派生法，工序设计则采用创成决策方法产生。
特点,综合派生式与创成式 CAPP两者优点，具有系统简洁、快捷、
灵活、实用性强的特点。
7.4 CAPP专家系统专家系统,是一种求解问题的智能软件系统，它把人类专家的经验和知识表示成计算机能够接受和处理的符号形式，采用专家的推理和控制策略，处理和解决只有专家才能解决的问题。
通常软件系统 ＝ 数据 ＋ 算法专家系统 ＝知识＋推理专家系统组成：
z
知识库 专家系统 核心，包含常识性知识和启发性知识。
启发性知识是专家系统逻辑推理的主要知识源。
数据库 用于存储用户输入的原始数据（事实）和推理过程的动态数据。
推理机 是一种具有推理能力的计算机软件程序，用来控制和协调整个系统运行的软件模块。
解释模块 对专家系统推理结果作出必要解释，使用户了解专家系统推理过程，接受所推理的结果。
知识获取模块 将人类专家的专门知识提取出来，经整理转化为计算机内部数据结构形式，是知识库建立和维护的工具和手段。
用户接口模块 将专家和用户输入的信息转换为系统可以接受的形式，
同时把系统的推理结论转换为人类易于理解的形式。
专家系统组成专家系统特点
启发性 能使用判别性知识以及已确定的理论知识进行推理；
透明性 能解释其推理过程；
灵活性 能把新知识不断加入已有知识库，使其逐步完善和精练。
专家系统的知识表示产生式规则法、语义网络法和框架表示法是目前较为流行的知识表示方法。
产生式规则法 是最常用的知识表示方法，其一般形式为：
IF <条件1>
AND/OR<条件 2>AND/OR……AND/OR<条件 n>
THEN <结论 1>或< 操作1>,
<结论 2>或< 操作2>,……< 结论n> 或< 操作n>
例：
IF <表面为外圆柱面 > AND <精度等级为IT8～IT10>
AND <表面粗糙度为 Ra≤0.8um >
THEN
<选用加工过程为：粗车→半精车→精车>
优点：
产生式规则结构接近人类专家思考问题方式；
各条规则相互独立，易于查询、修改和扩充；
容易添加解释功能，以便观察系统如何进行推理；
具有描述不确定知识的能力。
1）正向推理 从已知事实出发，按照给定控制策略，利用生产式规则最终推断出结论。在CAPP 系统中，由毛坯一步步推导出最终零件的整个加工工艺过程。
正向推理机应具有的功能,
能够根据已知的事实，知道运用知识库中哪些知识；
能将推理后得到的结论存入数据库，并记录整个推理过程；
能够判断何时结束系统推理；
必要时向用户提问，要求用户补充输入所需的推理条件。
正向推理不足－ 盲目推理，求解了许多与目标解无关的子目标；
专家系统推理方式
2）反向推理 先提出假设，然后反向寻找支持假设的证据。在 CAPP
系统中，由最终零件通过逐步加上加工余量，使之最终成为毛坯的推理过程。
反向推理机应具有的功能：
能够提出假设，并运用知识库中的知识判断假设的真假；
若为真，则记录使用了哪些知识（以备解释之用）；
若为假，则系统应重新提出新的假设，再进行判断；
能够判断何时结束推理；
必要时能够向用户提出补充条件要求。
反向推理不足－ 盲目选择目标，求解了许多假设的子目标。
3）双向推理,综合利用正向推理和反向推理优点，克服其不足。
先根据事实库中一些原始数据，利用正向推理帮助人们选择假设，
再利用反向推理进一步证明这些假设是否成立，如此反复，直至最后得出结论。
专家系统开发语言,Lisp、Prolog等智能型程序设计语言，
需逐个模块开发，开发效率很低。
专家系统开发工具,有骨架型、通用型、辅助型等。
EMYCIN为最早、最常用专家系统开发典型工具，它是将 MYCIN
专家系统中有关传染病诊断知识和内容移走，剩下 专家系统,骨架” （
Shell），包含不可缺少的推理机、知识获取、解释和控制功能模块,
被称之为基本 (Essential) 的 MYCIN,即EMYCIN 。
这样开发者仅需完成相关应用知识库的建立，便完成专家系统的开发，大大缩短专家系统开发周期。
成组技术(GT)，就是用科学的方法，在多品种生产中 将相似零件组织在一起(成组)进行生产,以相似产品零件的,叠加批量,取代原来的单一品种批量，采用近似大批量生产中的高效工艺、设备及生产组织形式来进行生产，从而提高生产率和经济效益。
成组技术是一门涉及多学科的综合性技术，其理论基础是研究如何识别和发掘生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题归类成组，寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。
成组技术的核心问题是成组工艺。成组工艺与计算机技术、
数控技术、相似论和方法论等结合才形成了成组技术。
成组技术在机械加工中，成组工艺是把零件的几何信息( 形状、尺寸、精度、表面粗糙度等) 和工艺信息
(材料、热处理、批量等) 相近似的零件组成一个个零件族 (组 )，
按零件族进行加工制造，从而减少了品种，扩大了批量，便于采用高效的生产方法，从而提高了劳动生产率和经济效益。
零件的相似性是实现成组工艺的基本条件。工艺相似性是指可采用相同的工艺方法进行加工，采用相似的夹具进行装夹，采用相似的量具进行检测等。
零件分类编码系统是实施成组技术的重要手段，也是成组技术的重要组成部分。
成组工艺首先是对产品零件按零件分类编码系统进行分组分类，制订零件的成组加工工艺，然后设计成组工艺装备和制造成组加工生产线等。
成组工艺的生产组织形式一般分为 单机或生产单元,混合生产线和成组生产线或柔性制造系统 等三大类。
随着成组技术的不断发展，出现了用计算机对零件进行分类编码。成组技术被系统地运用到产品设计、制造工艺、生产管理等各个领域，形成了计算机辅助设计CAD,计算机辅助工艺过程设计CAPP、计算机辅助制造CAM,以及有成组技术特色的计算机集成制造系统CIMS 。
