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计算机集成制造读书报告 CAPP发展情况与展望
摘要：计算机辅助工艺设计（CAPP）
一、引言
是连接产品设计与制造的桥梁和纽带,对产品制造的质量和成本有着重要的影响。本文论述了CAPP的历史、研究现状以及发展趋势，并且提出智能化、集成化是CAPP系统研究的主要方向。
关键词:CAPP发展历史、CAPP研究现状、CAPP发展趋势、计算机集成制造系统、先进制造系统、工艺设计
Abstract: Computer Aided Proce Planning(CAPP)acts as the bridge between Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing, which has an important effect on the quality and cost of product development.This paper discues the history, research status and development trend of CAPP, and the proposed intelligent, integrated CAPP system is the main direction of research Keywords: The history of CAPP development、The present research situation of CAPP、The development trend of CAPP、Computer integrated manufacturing system、Advanced manufacturing system、Proce design
21世纪，世界政治、经济和技术发生了前所未有的巨大变化，形成了全球化的经济。在当今全球化的经济竞争中，计算机集成制造系统(Computer Integrated
Manufacturing System, CIMS)技术不仅成为制造业不断推出新产品，快速响应市场并赢得竞争的主要手段，而且正深刻地改变着制造业。为了占领先进制造和自动化技术的制高点，世界各国在研究、开发与应用先进制造技术时均十分重视发展制造系统集成技术，许多国家都提出了跨世纪的战略报告，例如美国的《美国国家关键技术报告》、欧共体的《尤里卡计划(EUREKA)))和《信息技术研究发展战略计划(ESPRIT)))、德国的《制造2000计划》、日本的《智能制造系统(
Planning CAPP)是CIMS的重要环节，是连接计算机辅助设计
(Computer Aided Design, CAD)和计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)的桥梁和纽带[4]。在CIMS环境中，CAPP是将产品设计信息转换为各种加工、管理信息的关键环节。CAPP系统接收来自CAD系统的产品几何、结构、材料、精度、粗糙度等信息作为LAPP系统的原始输入，向CAD系统反馈产品的工艺性评价信息。
CAPP系统向CAM系统提供NC编程所需的设备信息、工装信息和切削参数、加工起始点与终止点坐标、刀具补偿量等工艺信息，接收CAM反馈的工艺修改意见。CAPP系统向计算机辅助夹具设计(Computer Aided Fixture Design > CAFD)系统提供工艺规程文件和夹具设计任务书。
CAPP系统接收来自企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)系统的生产计划信息和技术准备计划等信息，向ERP系统提供工艺路线、设备需求、工装需求、工时定额、材料定额等信息。CAPP系统向制造执行系统(Manufacturing Excute System, MES)提供各种工艺规程文件、设备需求和工装需求信息，接收MES系统的设备变更信息、工装状况信息和工艺修改意见。
CAPP系统向计算机辅助质量C Computer Aided Quality)系统提供加工质量要求信息，接收CAQ系统反馈的质量控制数据。
由此可见，LAPP系统对于保证CIMS中信息的畅通，实现真正意义上的集成是至关重要的。
二、CAPP系统概述
(一)CAPP的含义
计算机辅助工艺过程设计(computer aided proce
planning CAPP)是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(图形)和加工工艺信息(材料、热处理、批量等)，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。Computer Aided Proce
Planning又可译为计算机辅助工艺过程规划。国际生产工程研究会提出计算机辅助规划(computer aided planning, CAP)、计算机自动工艺过程设计(computer automated
proce planning, LAPP)等名称，可见CAPP一词强调了工艺过程自动设计。
（二）CAPP系统发展的历史及现状
世界上最早研究CAPP的国家是娜威，于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统—AUTOPROS } 1973年正式推出商化的AUTOPROS系统。在CAPP发展史上具有里程碑意义的是美国计算机辅助制造公司(CAM-I)于1976年推出的CAM-I' S Automated
Proce Planning系统，取其字首的第一个字母，称为CAPP。目前，对CAPP这个缩写法虽然还有不同的解释，但把CAPP称为计算机辅助工艺过程设计已经成为公认的释义。
我国的CAPP研究始于80年代初，1983年同济大学研制出国内第一个CAPP系统—TOJICAP。经过国外30多年和国内近20年的开发研究，涌现出了一大批
CAPP系统，就其原理归纳起来可以分为派生式系统、创成式系统以及综合式系统等。
1、什么是派生式CAPP系统 派生式CAPP系统也叫变异式、计所需要的知识用决策表、决策树或者公理模型等技术实现，在决策逻辑程序的控制下，根据零件的输样件式、修订式CAPP系统。该类系统的共同特点是建立在成组技术(Group Technology, GT)和数据库技术的基础之上，利用相似零件具有相似工艺过程的原理进行设计。在设计派生式CAPP系统时，首先将零件进行分类、归族，每一个族有一个主样件，根据此样件建立典型工艺规程，并存入工艺库中。当设计一个新零件的工艺规程时，通过该零件的成组编码确定其所属的零件族，由计算机检索出相应零件簇的典型工艺规程，并对其进行修改，最后得到所需的工艺规程。由于典型工艺事先是由工艺人员拟定，其工序间的逻辑关系己经确定，新零件工艺设计仅仅是对工艺的删减，工艺工序完全由人工决定。
派生式以即系统具有开发原理简单、开发周期短、投资少、易于取得实际效用等优点。但是，由于新零件工艺的设计依赖于系统中存储的典型工艺，一旦查找不到相应的零件族，系统就不能发挥其作用。因此，此类系统具有针对性强、不便于移植等局限性。
典型的派生式CAPP系统有:1969年挪威开发的AUTOPROS系统以及其后出现的许多系统，如美国CAM一工公司于1976开发的CAPP系统、英国曼彻斯特大学于1980年开发的AUTOCAP系统、我国同济大学开发的TOJICAP等都属于这类系统。
2、什么是创成式CAPP系统
创成式以即系统可定义为一个能综合加工信息并自动地为新零件制定出工艺规程的系统。即将工艺设
入信息，在没有人工干预的条件下，生成零件所需要的各个工序和工步的加工内容，自动完成机床、工具的选择以及加工过程的最优化，从而自动创成零件的工艺规程。创成式以即系统具有较高的柔性，适应范围广，能通过逻辑推理决策自动生成零件的工艺等优点。但是，由于全面描述零件的输入信息比较困难，知识表达存在“瓶颈”以及逻辑推理“匹配冲突”至今都无法很好解决等诸多现实问题，加之工艺设计本身所具有的特殊性以及对环境的依赖性，使得该类CAPP系统只能处理特定环境下的某类简单零件。
典型的创成式CAPP系统有:1977年美国普渡大学开发的APPAS系统、1980年德国阿亨大学开发的AYTAP系统以及1988年我国南京航空航天大学开发的NHCAP系统等。
3、什么是综合式CAPP系统 为了兼顾派生式CAPP系统和创成式CAPP系统的优点，弥补二者的不足，将派生式、创成式与人工智能以及专家系统结合在一起的综合式CAPP系统便应运而生了。当需要对新零件进行工艺设计时，首先通过计算机检索它所属零件族的典型工艺，然后根据零件的具体情况，对典型工艺进行修改，工序设计采用自动决策，进行机床、刀具、工装夹具以及切削用量的选择，最后输出所需的工艺文件。如果检索不到新零件的工艺规程，系统则采用创成方式或者基于知识库加推理机为特征的以即专家系统生成零件的工艺规程。综合式以即系统在一定程度上提高了CAPP系统的适用性和柔性。典型的综合式CAPP系统有清华大学开发的TH-CAPP系统、西北工业大学开发的金叶CAPP系统等。
二、CAPP的研究现状 迄今为止，国内外在以即技术研究以及系统开发方面投入了大量的人力、物力和财力，并在技术水平和实际应用中取得了很大的进步，其主要研究集中在以下几个方面:（1）标准化
零件的工艺计划信息模型用来表示零件加工所需的各种工艺信息，工艺计划信息作为并行工程与集成制造环境下的重要信息源，被CAM, PPS等所引用和共享，工艺计划的信息格式表达将直接影响以即与这些系统间的集成。为此，很有必要建立一种标准化的工艺计划表达与交换格式。针对工艺计划信息模型的研究，在国际上影响最大的有两个:美国国家标准局(NIST)工艺过程定义语(A language for Proce Specification, ALPS)和国际标准化组织STEP标准中的工艺计划模型(ISO STEP Proce Plan Schema)。
ISO STEP工艺计划模型
该模型利用工艺计划活动(Proce Plan Activity)的概念来递归定义工艺计划，并试图提供一个通用的模型组件集合，使得诸如制造、装配、检验、维护、测试、修理等工艺过程都能利用这一组件集合，其目标是描述执
行工艺过程每个步骤所需要的信息。
工艺过程定义语言ALPS 美国KIST提出的工艺过程定义语言ALPS是一种实验语言，它建立在有向图结构的基础上，图中的每个节点都具有自身的属性和系统定义的属性。ALSP定义了终端节点、分离节点、综合节点、合并节点、资源节点、任务节点以及信息节点等七种类型的图形节点，并希望用它作为机械加工中的工艺计划通用模型。(2)智能化
工艺决策的智能化主要体现在以下三个方面的内容①在知识表示方面，常用的知识表示方法有逻辑谓词、产生式规则、语义网络、框架、脚本、过程、Petri网、面向对象等，后来又着重于一些新的表示方法以及将原有方法综合应用的研究，如混合知识表示模式、模糊知识表示等;②在推理方面，主要有演绎推理、归纳推理、默认推理、确定性推理、不确定性推理、单调推理、启发式推理、统计推理、直觉推理等推理方式;③在系统结构方面，有分布式系统、元知识系统、多推理机制、多知识表示和多层次系统结构。到目前为止，国内外学者将模糊逻辑、人工神经网络、实例推理、遗传算法在以即领域中进行了大量的研究:
模糊逻辑(Fuzzy Logic FL)模糊逻辑借助于模糊集合、隶属度函数和模糊决策来处理模糊关系。模糊决策包括模糊化、模糊推理、逆模糊化三个过程。在工艺设计过程中，模糊化是将零件信息的精确量通过隶属度函数转化成模糊量;模糊推理方法主要有模糊综合评判、模糊统计判决、模糊优化等;逆模糊化就是将输出的结论精确化。由于工艺设计所涉及到的知识领域通常具有不确定性，模糊逻辑常用来解决多工艺方案的评判、模糊工艺知识的表示、模糊匹配、模糊优化设计等问题。
人工神经网络(Artificial Neural Networks, ANN)神经网络中的知识以隐式的方式分布存储在各神经元的连接及连接权重中。
在进行知识获取时，只要提供相应的样本，通过特定的学习算法对样本进行学习，经过网络内部自适应算法不断修改权值分布，把样本中所蕴涵的知识分布存储到网络的连接权值上。针对特定的输入模式，神经网络通过计算，产生一个输出模式。在CAPP领域中，关键是建立输入模式和输出模式之间的映射关系，主要应用在零件表面加工方法选择(如BP网络)、特征加工顺序的排序(如Hopfield网络)以及CAPP专家系统等方面，从而解决“知识表达瓶颈”、“组合爆炸”等问题。
实例推理(Case-Based Reasoning, CBR)实例推理实际上是一种相似推理模式，即通过访问知识库中以前相似问题的解决方法来获取当前新问题的解决方法。它具有求解效率高、速度快、实例库建立方便、不一定需要专家的参与、易于维护等优点。在以即系统中，首先需要建立工艺实例库，当实例积累到一定的数量时，在输入零件信息后，系统对实
例库进行搜索，从而获取满足要求的工艺实例。
遗传算法(Genetic
Algorithm, GA)
遗传算法是基于自然选择和基因遗传学原理的一种群体寻优的搜索算法。它以适应度函数为目标函数，对种群中的各个个体进行选择、交义、变异等一系列遗传操作，实现群体结构重组，最后求得包含或接近最优的解。遗传算法在CAPP系统中主要用来解决加工路线排序、工艺方案优化等问题。(3)构件化和工具化
由于工艺设计依赖于具体的生产环境、生产对象以及生产技术水平，其通用性是CAPP长期以来面临的难题之一。为了把工艺设计中一般性的方法内容和特殊性的要求相结合，开发通用化的基本功能模块和各种工具模块，建立易于扩充的系统结构，人们进行了以下几个方面的研究:①把工艺设计的共性与个性分开，使以即各工艺设计模块与系统所需的工艺数据与知识完全独立;②工艺决策方式多样化;③建立统一标准的数据与知识库管理平台;④建立基于构件的可重构系统和CAPP系统开发工具。
四、发展趋势
在CAPP系统广泛开发并不断发展的同时，传统CAPP已暴露出诸多问题，如:研制周期长、质量差、开放性差、柔性差等研究人员正在探索新的软件开发策略，寻找更高效率、更高质量开发CAPP系统的新模式。
（一）CAPP框架系统
CAPP框架系统又被称为CAPP开发工具。它是随着企业对快速开发实用CAPP系统需求的日益增长及计算机软硬件技术的迅速发展，自90年代初逐渐兴起的，其目的在于改变传统的研制方法，提高开发效率及质量。CAPP框架系统是指可以由用户定义信息模型、决策逻辑和功能模型，从而形成多种不同应用系统的CAPP系统利用它，能为开发不同生产企业和不同产品类型的CAPP系统提供环境和工具框架系统是高度抽象的CAPP系统，其实现方法有外壳式、模块组合式和专用语言式CAPP开发工具着重体现在对零件信息的描述工艺知识的搜集和描述以及机床、刀具等制造环境的描述和具体应用上。鉴于目前工艺知识的模糊性及人类思维的跳跃性，CAPP开发工具必须提供良好的人机界面，以便于工艺人员对计算机生成的工艺文档进行编辑修改一个成功的CAPP框架系统至少应具有:(1)先进的系统结构体系;(2)功能强尤使用方便的信息获取、表达与管理平台;(3)灵活可靠的工艺决策推理梓制策略 CAPP框架系统的技术和系统目前尚处在理论研究和开发实验阶段，鲜有满足用户实际需要的商用软件发低现在有许多文献论述了CAPP开发工具的实现，如:采用信息元法可以建立高度抽象、高度通用的系统框架，并能实例
化为各种专用的实用系统;研究面向并行工程的框架系统等等
（二）集成化CAPP
集成化是CAPP发展的必然，就目前的研究来说，集成可分为四种:(1)信息的集成，即:CAD /CAPP的集成;(2)功能的集成，即CAPP /PPS(Proce Planning
Scheduling)的集成;(3)信息和功能的综合集成，即CAD、CAPP、CAM, PPS同时考虑的并行CAPP;(4)多领域规划的集成，即分布式CAPP面向CMS环境的集成式CA PP应具有以下特点:(1)能充分利用计算机潜力的交互式在线处理系统(2)系统应具有智能，能根据不同企业的生产环境作出决策，具有适应能九(3)应是一个闭环系统，能根据各种反馈信息，实现动态设计，以保证工艺设计的合理性(4)能提供完备的工艺文件，为CMS各部门提供信息服务(5)应具有便利的用户界面，为操作人员提供指导。分布式
CAPP是90年代后才提出来的，是当前CAPP研究的趋势之二它是一些相对分散的工艺规划子系统的集合，其中每个子规划系统都具有有限的功能或应用范围。这些系统用全局管理程序有机地连接起来，形成一个分布式的计算机“系统的系统”
(三)面向并行工程的CAPP 1988年美国国家防御分析研究所完整地提出了并行工程(CE-Concurrent的概念，即
Engineering)并行工程是集成地并行地设计产品及其相关过程(包括工艺设计、加工、装配等及其支持过程)的系统方法并行工程的一个焦点是在信息和功能的层次上实现产品详细设计和制造过程设计的集
成如:并行CAPP除了要从CAD获取设计信息生成工艺文件外，还要反过来指导、制约CAD的设计。实现计算机辅助并行设计的关键是面向并行工程的CAPP为达到这一的，零件信息模型必须是一个动态的数据结梅设计者可以在设计中的任何阶段将设计结果移交工艺评价模块，并根据评价结协同处理，一般采用“黑板结构”所谓“黑板”，是指系统各模块间的公共区域，借助它可显示和交换动态的功能活动及数据，同时各功能模块仍保持相对独立黑板结构即一组负责相应功能的知识源系统在“管理者”的协调控制下，对领域黑板上的当前零件信息模型进行操作。有文献提出了CAD /CAPP并行集成的思想，认为零件设计与工艺设计是一个宏观上并标微观上串行的过程。工艺设计是一个极为复杂的智能过程，是特征技术、逻辑决策组合最优化等多种过程的复合体，用单一的数学模型不可能实现其所有功能所以，CAPP今后的研究方向应该是基于知识的工艺体系与组合优化过程的有机结念已有文献论及CAPP面向并行工程的集成化、工程化智能化时的关键技术，并建立了基于遗传算法(GA：Genetic Algorithms)和模拟退火算法(SA;Smulated Annealing Algorithms)的混合工步算法模型。
五、结论
未来的产品是基于信息和知识的产品，而CAPP是实现产品工艺过程信息化的前提，是实现产品设计与产品制造全过程集成的关键性环节之一。CAPP的发展应符合先进制造技术发展趋势，并能适应制造
业信息化的需求。本文在对CAPP技术的研究现状和反展方向深入讨论的基础上，指出CAPP将朝着集成化、框架系统、并行工程等方向发展。参考文献：
[1]孟庆智.智能CAPP系统关键技术研究（J）.燕山大学，2010，6 [2]马安.基于知识的协同CAPP系统若干关键技术研究(J).南京航空航天大学,2007,12
[3] 赵东，刘就女.多Agent系统在CAPP中的应用[J].机械设计与制造，1999, 1: 16-17.
