CAPP 的发展趋势
摘要：叙述了CAPP 的重要意义和国内外的发展历程；通过介绍几种有代表性的CAPP 系统概括
了CAPP的研究现状；总结了CAPP 现阶段所存在的问题；最后指出了国内CAPP 应朝集成化、网
络化、工具化、工程化、智能化、知识化发展的趋势。
关键词：CAPP；集成化；网络化；工具化；智能化
中图分类号：TH164 文献标识码：A
0 引言
随着以计算机技术为主导的现代科学技术的迅猛发展，计算机集成制造系统CIMS （Computer Integrated Manufacturing Systems）成了机械制造业的主要发展趋势。而在CIMS 中，CAPP 成为连接CAD/CAM 集成的关键和纽带。由于企业生产管理和计划调度等部门也必须依赖CAPP 系统的输出信息，所以CAPP 成为企业各部门产品信息的交汇点，它的研究和发展在国内外也受到越来越多的关注。CAPP（Computer Aided Process Planning）是计算机辅助工艺设计的简称，是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设计。一般认为，CAPP 系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。其中工序设计又可包含装夹设备选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具和夹具的选择、必要的工序图生成等。CAPP 之所以得到各方面的重视，一方面是随着科学技术的发展和社会进步，逐渐暴露出手工设计工艺规程的诸多缺点，而计算机由于本身具有的优越条件，成为克服这些缺点的有效手段。其次，它是随着计算机的出现和应用及科学技术和工程技术发生了革命性的变革的新形式下应运而生的产物，是改善多品种小批量生产状况的有效途径。
1 CAPP 的国内外发展历程[1-3]
CAPP 是在20 世纪60 年代后期出现的一个新的技术领域。第一个CAPP 系统是挪威在1969 年推出的AUTOPROS 系统，它是根据成组技术原理，利用零件的相似性去检索和修改标准工艺来制定相应的零件规程， 1973 年正式推出商品化AUTOPROS 系统。美国是20 世纪60 年代末70 年代初开始研究CAPP 的，并于1976 年由CAM-I 公司推出颇具有影响力的
CAM-I’S Automated Process Planning 系统，成为CAPP 发展史的里程碑。以上早期的CAPP 软件采用的都是所谓的“标准工艺法”，即派生式（Variant）CAPP 系统,图1 为派生式系
图1 派生式系统工作原理
统工作原理图[4]。70 年代中期开始了创成式(Generative)系统的研究和开发，而且很快被认为是最有前途的方法,图2 为创成式系统工作原理图。理想的创成式CAPP 系统是通过决策逻辑效仿人的思维，在无需人工干预的情况下自动生成工艺。1977年Wysk[5]首次提出了一个创成式CAPP 系统—APPAS.可是经过多年的努力，这种理想的CAPP 系统也未能达到真正意义上的创成式。因此有人提出了半创成式系统，即综合派生法和创成法，在多数情况下使用派生法，在没有典型工艺的情况下使用创成法生成工艺。这种半创成式系统目前被认为是最有前途的发展方向之一。
图2 创成式系统工作原理
我国对CAPP 的研究始于20 世纪80 年代初，1982 年上海同济大学正式推出了我国第一个CAPP系统—TOJICAP. 在此之后，国内掀起了研究CAPP的热潮。特别在“九五”期间随着机械设计“甩图板”工程和计算机辅助技术的应用，企业对CAPP的需求更加迫切。近几年来，我国市场上出现了几种有代表性的CAPP 软件，包括武汉开发CAPP 软件，上海思普SIPM/CAPP 软件系统和清华天河CAPP 软件系统等，这在一定程度上满足了国内企业的需求。CAPP 研究的发展历程如图3 所示[6]。
图3 CAPP研究的发展历程
2 CAPP 的研究现状
随着CAPP 的应用日趋广泛，为了适应用户的需求,市场上先后出现了若干种在设计方法上不同的系统。下面综合我国CAPP 系统的发展历程,介绍几种具有代表性的CAPP 系统[7-8]。
2.1 专用型CAPP 系统
专用型CAPP 系统是为特定的企业和产品在固定环境下设计的一种系统。大多采用成组技术的分类编码，检索派生式或半创成式的工作原理。由于针对性强，所以开发周期短，不支持用户对系统功能的扩展和修改，很难进行二次开发。这类系统是CAPP 普及和深入的瓶颈。
2.2 工具型CAPP 系统
工具型CAPP 是基于CAPP 系统而高于CAPP系统的软件工具。它借助于完善的专家知识库和逻辑推理机制，利用系统开发工具，由用户根据自身特定的要求进行二次开发。这样就可以实现更多的柔性和开放性。20 世纪90 年代中后期，CAPP 工具系统在实用性、通用性和商品化等方面取得了突破性的进展。但是它与CAD、CAM、PDM、ERP等系统共享信息等方面有所局限。
2.3 集成化CAPP 系统
由于CAPP、CAD 和CAM 三者研究的侧重点不同，使得开发过程中形成了三个自动化“孤岛”，致使三者之间得数据不能顺畅的传递、交换和共享，这样CAPP 就不能真正实现CIMS 的桥梁和纽带作用。为了解决信息的交互问题，人们提出了集成化的CAPP 系统，实现
CAD/CAPP/CAM 之间的集成，提高系统的自动化水平，这是CIMS 发展的必然趋势，也是并行工程（CE）顺利实施的前提。就目前的研究来看，主要包括CAD/CAPP 的集成和CAPP/PPS （Production Planning Simulation,生产计划仿真）的集成。其中CAD/CAPP 的集成研究比较普遍，我国也成功开发了一些专用系统，但是在CAPP/PPS 的集成方面真正实用的系统却极少。图4为CAD/CAPP/CAM 集成系统原理图[9]。
图4 CAD/CAPP/CAM 集成系统原理图
2.4 智能化CAPP 系统
由于常规的逻辑推理在应用到实际系统中的时候往往无法解决实际复杂的问题，而工艺过程设计的主要问题不是数值计算而是对工艺信息和知识的处理[10]，所以有人提出了将人工智能（AI）技术等引入到CAPP 中去。80 年代以来，智能化成为CAPP研究的重要发展方向之一，利用智能技术，使系统模拟人的思维方式解决复杂工艺规程设计问题，是现在研究的一个热点。过去研究最多的是CAPP 专家系统，而且已经有多种CAPP 专家系统在实际中应用，但是专家系统在知识获取、推论方法、求解空间等方面还存在一些问题。目前正在研究将模糊技术、遗传算法、人工神经网络、基于实例的推理等技术应用于CAPP 系统中[11]，这将为CAPP 的智能化提供更多的理论基础。图5 为智能化CAPP 系统工作原理图[12]。
图5 智能化CAPP 系统工作原理图
3 CAPP 研究中存在的问题
虽然CAPP 经过了几十年的发展取得了一定的成果，但是还存在很多不容忽视的问[13-14]：CAPP系统的实用化程度不高，虽然国内外在系统的开发与研究上已经投入大量的人力和资金，可是真正投入生产实际的系统并不多，很多单位还存在重复研究；现已研制成功的CAPP 系统应用范围也比较狭窄，功能不足，智能化水平不高，无法完成所有工艺设计功能；CAPP 系统未能真正实现同CAD、CAM、MIS、PDM 等的集成，零件信息不能真正共享，无法全面提取和获得制造所需要的信息；现有的成品CAPP 软件通用程度较低，柔性差，不能根据不同企业的特殊性调整信息需求； CAPP 系统的透明度低，多数是基于符号推理，其数据和推理过程过于抽象。
4 CAPP 的发展趋势[15-16]
随着产品开发技术的发展，企业对工艺信息系统的需求日益迫切，传统CAPP 系统仅局限于制定工艺规程，已经不能满足企业信息化的需求。下面介绍一下CAPP 系统的发展趋势。
(1)集成化、网络化的CAPP. CAPP 作为CAD和CAM 的桥梁，为CAQ、PDM[17]及ERP 提供重要的产品信息，同时也需要CAD 提供产品设计模型的特征信息。可是这些系统发展相对不平衡，使数据信息不能顺利传递，也就无法实现并行工程思想。传统的CAPP 系统多数只针对机械加工过程，其他方面很少涉及。这就要求研究者在统一标准化工艺的基础上，开发出适应性、并行化强的集成化CAPP 系统。集成包括：与产品设计实现双向的信息交换与传递；
与生产计划调度系统实现有效集成；与质量控制系统建立内在联系。网络化是现代系统集成应用的必然要求，CAPP 要想更有效的实现功能，网络化是必不可少的技术支撑 [18].。
(2)工具化、工程化的CAPP. 工艺的制定是一个及其复杂的过程，企业产品更是千差万别，想要设计一个适合所有企业一切产品的大而全的通用CAPP 系统是不符合实际的。而要根据不同企业开发专用的CAPP 系统，不但工作重复性大，而且会浪费大量的时间、金钱，不符合现代市场经济的需要。这就需要开发出一种工具型的CAPP 系统，将系统功能分解为一个个相对独立的工具，用户可以根据自己的不同要求，通过简单的二次开发来开发出适合本企业的CAPP 系统。这样可以提高CAPP系统的柔性，改善研制周期长、适应性开放性差的缺点。在工程化方面，不加考虑的完全服从用户原有的环境和模式构建CAPP 系统并不完全合理，要充分考虑国家、国际标准和先进制造技术的分析，结合企业工艺的根本需求引导企业的工艺活动，促进工艺活动的规范化，从而规范CAPP 系统的实施过程。
(3)智能化、知识化的CAPP. CAPP 系统不能仅仅停留在以解决事务性、管理性工作为主的阶段。作为工艺设计的辅助工具，知识化的CAPP 系统应该将工艺专家的经验和知识累积起来并加以利用[19]。人工智能技术的发展，使CAPP 的智能化成为可能，如何使CAPP 系统自学习自适应是现代研究的重点。由于现阶段CAPP 还只局限于与单一智能技术结合的研究，而且有的系统开发者过分追求自动化，把CAPP 作为一种取代而不是帮助工艺设计人员的工具。针对这种情况有的学者提出了人机智能综合系统[20]的说法，这是将多种智能技术（专家系统，模糊技术，遗传算法，人工神经网络等）同时应用与CAPP 系统的一种设想，还有待进一步的探索和研究。
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Development and Future Trend of CAPP
FAN Xue-Bing，liu Ming
（Northeast dianli University，Mechanic ﹠Engineering College，jiilin132012）Abstract: The significance and development history of CAPP systems both at home and abroad were presented. The present research status and problems were also summarized through the introduction and analysis of some typical CAPP systems. The future trend of CAPP was pointed out there after which should march forward in the direction of integration, web environment, intelligence and knowledge based suitable for engineering applications.
Key words: CAPP；integration；web environment；tooling；intelligence