前言
實現工業生產和管理計算機化，目前已經成為國內外工廠企業的重要任務和目標，成為提高工業生產率及產品質量，降低產品制造成本的巨大推動力，同時也成為決定企業能否在日益激烈的競爭中立于不敗之地的關鍵因素之一。在工業生產中，新產品的開發和投產分為三個階段：產品設計、產品工藝規劃和產品制造。目前，這三個階段都在不同程度上實現計算機化，相應地產生了計算機輔助設計（CAD、計算機輔助工藝設計（CAPP）和計算機輔助制造（CAM）。在計算機集成制造（CIM）環境中，計算機輔助工藝設計是CAD和CAM之間必不可少的聯接。在機械制造行業中，隨著產品的不斷更新換代，便有大量的工藝過程編制工作。傳統的工藝過程編制是一種純粹的手工勞動，不僅勞動量大、工作繁瑣，而且編程質量完全取決于技術人員的經驗和知識水平，不同的人對同一零件所編制的工藝過程往往會大不相同，從而形成生產工藝的多樣化，將給組織生產造成許多不便和生產費用的浪費。況且一個工藝師要經過長期的生產實踐，才能具備加工設備、刀具、夾具、技術測量等方面的廣泛知識，從而編制符合生產實際條件的工藝過程文件。
計算機輔助工藝過程編制（CAPP）系統的應用，不僅可以提高工藝規程的生成速度，短生產準備周期，使廣大工藝人員從繁瑣和重復的勞動中解放出來，而且可以降低編制人員技能水平，即經驗較少的工藝人員也可借助于CAPP系統設計出高質量的工藝規程，促進了工藝過程的規范化和標準化。為此，自20世紀60年代以來，很多國家爭相進行了CAPP的研究，開發了許多實用的系統，取得了諸多理論成果。
1 國內外CAPP研究綜述與分析
CAPP系統的研究和發展經歷了較為漫長曲折的過程。自從1965年Niebel首次提出CAPP思想，迄今30多年，CAPP領域的研究得到了極大的發展，期間經歷了檢索式、派生式、創成式、混合式、專家系統、開發工具等不同的發展階段，并涌現了一大批CAPP原型系統和商品化的CAPP系統。
早期的CAPP系統為檢索式（Retrieval）系統。它事先將設計好的零件加工工藝規程存儲在計算機中，在編制零件工藝規程時，根據零件圖號或名稱等檢索出存有的工藝規程，獲得工藝設計內容。這類CAPP系統自動決策能力差，但最易建立，簡單實用，對于現行工藝規程比較穩定的企業比較實用。檢索式CAPP系統主要用于已經標準化的工藝過程設計。
隨著成組技術（GT）的推廣應用，變異式或派生式CAPP（VariantCAPP）系統得到了開發和應用。派生式CAPP系統以成組技術為基礎，按零件結構和工藝的相似性，將零件劃分為零件族，并給每一族的零件制定優化的加工方案和典型工藝過程。挪威早期推出的AUTOPROS系統，美國麥克唐納.道格拉斯自動化公司與CAM-I開發的CAPP-CAM-I系統，英國曼徹斯特大學開發的AutoCAP系統等都是典型的派生式CAPP系統。派生式CAPP系統實質上是根據零件編碼檢索出標準工藝，并在此基礎上進行編輯修改，系統構建容易，有利于實現工藝設計的標準化和規格化，而且有較為成熟的理論基礎（如成組技術等），故開發、維護方便。變異設計的思想與實際手工工藝設計的思路比較接近，故此類系統比較實用，發展較快，取得了一定的經濟效益。
70年代中后期，美國普渡大學的Wysk博士在其博士論文中首次提出了基于工藝決策邏輯與算法的創成式CAPP（GenerativeCAPP）的概念，并開發出第一個創成式CAPP系統原型—APPAS（Automated Process Planning And Selection）系統，CAPP的研究進入了一個新的階段。創成式CAPP系統能根據輸入的零件信息，通過邏輯推理、公式和算法等，作出工藝決策而自動地生成零件的工藝規程。創成式CAPP系統是較為理想的系統模型，但由于制造過程的離散性、產品的多樣性、復雜性、制造環境的差異性、系統狀態的模糊性、工藝設計本身的經驗性等因素，使得工藝過程的設計成為相當復雜的決策過程，實現有一定適應面的、工藝完全自動生成的創成式CAPP系統具有相當的難度，已有的系統多是針對特定的零件類型（以回轉體為主）、特定的制造環境的專用系統。
鑒于創成式CAPP系統設計開發中的困難，隨后研究人員提出了混合式CAPP（HybridCAPP）系統，它融合了派生式和創成式兩類CAPP系統的特點。混合式CAPP系統常采用派生的方法首先生成零件的典型加工順序，然后再根據零件信息，采用邏輯推理決策的方法生成零件的工序內容，最后再人機交互式地編輯修改工藝規程。目前混合式的CAPP系統應用較為廣泛。
進入80年代，研究人員探討將人工智能（AI）技術、專家系統技術應用于CAPP系統中，促進了以知識基（knowledge-based）和智能化為特征的CAPP專家系統的研制。專家系統CAPP與創成式CAPP系統主要區別在于工藝設計過程的決策方式不同：創成式CAPP是基于“邏輯算法+決策表”進行決策，專家系統CAPP則以“邏輯推理+知識”為核心，更強調工藝設計系統中工藝知識的表達、處理機制以及決策過程的自動化。1981年法國的Descotte等人開發的GARI系統是第一個利用人工智能技術開發的CAPP系統原型，該系統采用產生式規則來存儲加工知識并可完成加工方法選擇和工序排序工作。目前已有數百套專家系統CAPP問世，其中較為著名的是日本東京大學開發的TOM系統，英國UMIST大學開發的XCUT系統以及擴充后的XPLAN系統等。
80年代中后期，隨著CIM概念的提出和CIMS在制造領域的推廣應用，面向新的制造環境的集成化、智能化以及功能更完備的CAPP系統成為新的研究熱點，涌現出了集成化的CAPP系統，如德國阿亨工業大學Eversheim教授等開發的AUTOTAP系統；美國普渡大學的H.P.Wang與Wysk在CADCAM和APPAS系統的基礎上，經擴充推出的TIPPS（Totally Integrated Process Planning System）系統以及清華大學開發的THCAPP系統等都是早期集成化CAPP系統的典范。
進入90年代，隨著產品設計方式的改進、企業生產環境的變化以及計算機技術的進步與發展，CAPP系統體系結構、功能、領域適應性、擴充維護性、實用性等方面成為新的研究熱點。例如基于并行環境的CAPP、可重構式CAPP系統、CAPP系統開發工具、面向對象的CAPP系統、CAPP與PPS集成均成為CAPP體系結構研究的熱點。人工神經網絡（ANN）技術、模糊綜合評判方法、基因算法等理論和方法也已應用于CAPP的知識表達和工藝決策中。與此同時，CAPP系統的研究對象也從傳統的回轉體、箱體類零件擴大到焊接、鑄造、沖壓等領域中，極大地豐富了CAPP的研究內涵。
我國對CAPP的理論研究和系統開發雖然起步較晚，但發展很快，出現了大量的學術性和實用性的各類CAPP系統。國內高校例如同濟、清華、北航、南航、華中科大、西安交大、上海交大、西北工大等在CAPP的研究和開發方面起步較早，取得了卓有成效的成果，對我國CAPP的研究、普及和推廣應用起到了很好的推動作用。比較有代表性的CAPP系統有TOJICAPP、THCAPP、BHCAPP、BITCAPP、NHCAPP、XJDCAPP、HUST_RCAP等。
在90年代中后期，國內幾家從事制造業軟件開發與系統集成服務的公司在消化吸收CAPP研究成果的基礎上，并結合我國企業的實際需求，陸續推出了不少商品化的CAPP系統，其中具有代表性的有開目CAPP、天河CAPP、思普CAPP、金葉CAPP、大天CAPP、艾克斯特CAPP、天喻CAPP等，并分別在不同企業中得到了不同程度的應用。據不完全統計，目前我國自行研制開發的不同類型的CAPP系統已達100余套。國內CAPP研究的深入程度、覆蓋面和發展水平如果保留地說還沒有超過國外，則至少也已處于并駕齊驅的階段。
2 CAPP的原理
CAPP的基本原理是：首先，將產品設計信息輸入計算機，并建立起產品信息的數據庫;其次，把工藝人員編制工藝的經驗、工藝知識和邏輯思想以工藝決策規則的形式輸入計算機，建立起工藝決策庫（工藝知識庫）;再次，把制造資源和工藝參數以適當的形式輸入計算機，建立制造資源和工藝參數庫;最后，通過程序設計充分利用計算機的計算、邏輯分析判斷、儲以及查詢等功能來生成工藝規程。由此，不難看出，一般的CAPP系統通常由三個基本組成部分：產品信息輸入部分、工藝決策部分和產品工藝信息輸出部分。產品信息輸入是指將產品設計信息輸入計算機，并轉化為CAPP系統能“讀”懂的信息。目前信息輸入方法主要有兩種：一是以人機交互的方式輸入設計信息;另一種是直接從CAD系統中讀取產品設計信息。工藝決策是CAPP系統進行工藝設計的關鍵，其基本原理是根據產品設計信息，利用CAPP系統中決策機制，根據具體生產環境條件確定產品的工藝過程。產品工藝信息輸出是指最終的產品工藝過程信息要以工藝卡片的形式表示，在集成環境下，CAPP需要通過數據庫存儲產品工藝過程信息，以實現信息共享。
3 CAPP系統的體系結構
歸納起來，迄今為止所研究的CAPP系統可分為如圖1所示的體系結構。
其中CAPP按其工作原理可分為檢索式、派生式（Vari-ant）和創成式（Generative）。
在檢索式CAPP系統中，設計好的零件標準工藝被編號，并存儲在計算機中;在制定零件的生產工藝時，可根據輸入的零件信息進行搜索，查找合適的標準工藝。可見，檢索式CAPP系統簡單實用，但是由于標準工藝為數有限，大量的零件不能被覆蓋，所以應用范圍有限。
圖1 CAPP系統分類示意圖
在派生式LAPP系統中，根據成組技術（GroupTechnology）原理將零件劃分到不同的零件組，按零件組編制出標準工藝，并將其存儲到計算機中;在為新零件設計工藝時，輸入該零件的成組技術代碼，檢索到相應零件組的工藝，而后根據該零件的特點，由計算機自動進行工藝參數的修改，從而產生新的工藝。可見，派生式CAPP系統也不能適用于所有的零件，而且由派生法產生的工藝往往需要進一步修改。
在創成式CAPP中，不存入任何工藝，而是通過數學模型決策、邏輯推理決策或智能決策等方式結合制造資源庫自動生成零件的工藝。在輸入零件加工信息后，運行過程一般不需要人工干預。創成式CAPP系統具有較高的柔性，適應范圍較廣，而且便于與CAD和CAM集成。但是，由于工藝設計過程的復雜性，目前尚難開發出自動化程度很高、功能完全的創成式系統。目前的創成式系統實際上只能說基本上是創成式的。
4 CAPP研究開發中存在的問題與分析
自從1965年Niebel首次提出CAPP思想，迄今30多年，CAPP領域的研究得到了極大的發展，涌現了一大批CAPP原型系統和商品化的CAPP系統。縱觀CAPP發展的歷程，可以看到CAPP的研究開發始終圍繞著兩方面的需要而展開：一是不斷完善自身在發展中出現的不足，二是不斷滿足新的制造技術、制造模式對其提出的新的要求。國內外高等院校和研究機構發表了數以千計的研究論文，取得了不少研究成果，大大地推動了CAPP的發展，部分研究成果已經應用于具體實際，取得了較好的社會效益和經濟效益。但不可否認的是，從總體上看，CAPP的應用和工程化的問題，至今并沒有得到很好的解決，這與層出不窮的新技術、新方法、新概念很不相稱。CAPP的研究仍然面臨著許多問題，其應用的廣度和深度與企業的實際需求還相差較遠。
工藝設計受諸多因素的影響和制約，個性很強，不同的生產類型、制造資源環境等，都影響工藝設計的結果。在一個企業行之有效的工藝計劃到另一個企業可能根本就不適用。就一個企業而言，隨著新材料的出現、設備的更新，工藝也會跟著發生變化。因此很難有一個通用的CAPP系統可以滿足所有企業的所有需求。
傳統的CAPP系統及其構造方法，存在著以下主要的不足：
CAPP系統的體系結構缺乏柔性、適應性，傳統的CAPP系統絕大多數是針對特定產品零件和特定制造環境進行開發的。當零件的種類和制造環境發生變化時，系統需要重新設計和構造。
開放性差
大多是封閉系統，不支持用戶的修改和二次開發。
系統可重用性差，存在大量低水平的重復工作
傳統的CAPP系統絕大多數采用結構化程序分析方法和結構化設計方法，使得CAPP系統的可維護性差、可重用性、繼承性差。大多數的CAPP系統的開發完全從零開始，功能模塊存在大量的低水平的重復工作，起點低，系統研制周期長，效率低。
對CAPP的實用性、產業化重視不夠，忽略對CAPP中的人機工程技術的研究
由于忽略了從客戶使用的角度驗證CAPP的功能實用性、完備性，使得大多數的CAPP系統為實驗室產品或原型產品，無法真正在企業中用起來。
隨著網絡、數據庫的技術的應用，原有單機模式的CAPP已不能滿足實際需求
CAPP應用系統的關鍵問題之一是有效分析工藝設計的資源信息和實踐經驗，針對工藝設計個性很強的特點以及上述傳統CAPP系統的不足，研究和開發CAPP工具系統是解決問題，迎接挑戰的一條有效的途徑。工藝設計雖然“因廠而異”，但也遵循一些公共的規范，有規律可循。將工藝設計中的共性提取出來，創建系統總體結構框架和設計模型；針對工藝設計中的個性問題，開發可重用、可維護的功能組件對象，通過功能組件對象的實例重用、繼承重用、多態性重用，提高系統的開放性和靈活性；通過不同功能組件的拼裝、升級、重用，避免不必要的、低水平的重復開發，實現CAPP系統開發和維護的高效。實踐證明這是開發CAPP系統的一種很有效的方法。
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本文標題：淺析計算機輔助工藝設計（上）
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