基于3D-CAPP技术及其发展研究

作者：刘艳斌 赵海兵

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 随着现代集成制造技术、制造业信息化技术的蓬勃发展及其在国内外制造业的广泛推广和应用，计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning,CAPP)作为连接产品设计(CAD)与制造(CAM)的桥梁，以及连接产品设计与生产管理(MRPII, PDM,ERP)的重要纽带，是敏捷制造的一个关键环节。目前，三维CAD技术正在成为企业产品创新设计和数字化设计制造的基础平台，从而为CAPP的应用提出了新的课题— 基于三维CAD的CAPP。因此，进行基于3D-CAPP技术及其发展研究具有非常重要的理论和实际意义。 1 CAPP的发展概况 CAPP的发展经历了较为漫长、曲折的过程，基本上沿着“定性→定量→定性→定量……”的螺旋式上升模式发展。经过三十多年的历程，国内外对CAPP技术进行了大量的研究与探讨，无论在深度上还是广度上都不断地取得进展。 在系统设计上，CAPP正在从派生式、创成式、半创成式系统过渡到采用人工智能技术，且具有检索、修订、生成等各种功能综合的、智能化的系统模式；在提高CAPP的实用性方面，从注重工艺过程的自动生成转变到为工艺人员提供软件工具：各种商品化的CAPP(如开目CAPP系统、CAXA的CAPP工艺设计软件、清华天河CAPP系统等)逐渐走向市场，并在产品中得到广泛应用；在信息集成化、网络化方面，从单一的CAPP系统向信息集成化、网络化的方向发展，向CAD/CAPP/CAM的集成化以及基于企业信息集成化(如：基于ERP的CAPP、基于PDM的CAPP)的方向发展。 随着计算机集成制造(CIM)、并行工程(CE)、智能制造(IM)、虚拟制造(VM)、敏捷制造(AM)等新技术、新概念的不断出现和发展，以及制造业信息化的迅速发展，无论从广度上还是深度上又都对CAPP技术的发展提出了更新更高的要求，显然CAPP已步入一个新的发展阶段，将面临新的挑战。 2 3D-CAPP系统研究现状分析 (1)基于3D-CAPP系统开发的必要性 目前，人们研究和开发了许多CAPP系统，但绝大多数都停留在二维CAD的基础上，仅具有平面功能。随着三维CAD软件的迅速发展与普及，在不远的将来，三维CAD设计将会成为设计信息化系统的主流技术和国内外产品设计的主流设计工具。而基于二维CAD开发的CAPP系统难以完全满足当今和未来CAD/CAPP/CAM集成的需要，因此CAPP系统的应用也必须从基于二维CAD的集成向基于三维CAD的集成发展，即基于三维CAD的CAPP系统及应用。此外，基于三维CAD的装配过程能够大大提高装配工艺的质量和实用性，从而产品工艺设计如何支持基于三维CAD的应用也就显得尤为重要。 科技部在“十五”863现代集成制造系统技术主题中，将“基于三维CAD的CAPP”，专门立项研究和推广。 可以预见，基于3D-CAPP系统将成为今后研究的热点。 (2)基于3D-CAPP技术研究概况 从目前资料来看，基于三维CAD的CAPP研究才刚刚起步，国内外在这方面取得明显成果的尚不多见。但国内目前已有不少单位在这方面开展研究，如： ①基于三维CAD的加工工艺设计系统 提供基于三维CAD的加工工艺设计工具，可以基于3D模型定义加工工艺特征，自动获取加工特征信息，可以基于特征加工知识进行辅助工艺决策，可以建立3D工艺装配库，可以生成3D工序简图，实现可视化的装夹规划等。此项研究得到了“十五”国家863课题专项支持。 ②基于三维CAD的可视化装配工艺设计系统 提供可视化的装配工艺设计工具，可以自动获取三维装配结构信息，能可视化地指定零部件的装配路径和先后顺序，可以生成三维装配工序爆炸图，装配工序设计时，可以指定装配工装和工具信息，可以进行装配过程的实体仿真，仿真过程可以指定为整个装配过程或某一道工序的装配过程。该项研究得到了“十五”国家863课题专项支持。 ③基于PDM平台的三维CAD的工艺设计系统 基于PDM的3D-CAPP系统整体架构是一个将产品、工厂、工艺和资源通过相互指定关系而构成的一个关系模型，四者之间相互关联，共同在PDM信息平台上进行协调设计与管理，保证了数据的统一，产品数据从设计定义到最终投放生产顺畅运行。国外厂商已研制和开发了在PDM 平台上构建联通三维CAD和三维CAM的制造工艺师系统，并且已成功地应用在“船用喷水推进叶轮”的工艺设计系统中。 但总体来说，基于3D-CAPP技术研究还处于起步阶段，还有很多问题尚待探讨。 (3)基于3D-CAPP技术实施中存在的问题 CAPP技术的发展必须符合企业及企业信息化工程的需要，虽然当前基于3D-CAPP系统已进行了初步的尝试和应用，但很大程度上还不能满足企业当前和未来发展的要求。 ①3D-CAPP系统的特征参数识别技术问题 当今在产品建模中，人们非常重视基于三维和约束的特征参数化产品模型的建立，但由于CAPP问题的特殊性与复杂性，基于3D的参数化工艺模型和参数化工艺变形设计的难题一直困扰着人们：即，如何对几何特征(尺寸、位置)与工艺特征(精度、表面粗糙度、公差)依据一定的识别方法进行智能或半智能地生成产品工艺文件(工艺数据、NC代码等)。 ② 基于3D-CAPP工艺设计与管理问题 随着设计手段从二维CAD向三维CAD的发展，工艺设计也必须进行相应的改变：工艺设计如何与三维CAD进行集成，如何建立基于三维CAD的工序图模型，如何基于三维CAD进行加工工艺设计和装配工艺设计，如何在基于产品数据的信息化管理基础上真正地实现3D-CAPP工艺设计。 ③ 3D-CAPP系统的工艺决策方法问题 工艺决策是CAPP系统进行工艺设计的关键，是制约CAPP系统实用化、通用化、智能化的核心问题。但是当今研究开发的基于3D的定量化工艺决策方法与基于虚拟现实的三维装配工艺决策方法还不能很好地解决3D-CAPP系统的工艺决策方法问题。 ④ 3D-CAPP系统与企业PDM/ ERP系统的集成问题 CAPP的数据是产品数据的重要组成部分，使CAPP与PDM /ERP的集成尤为重要，但如何以产品数据管理PDM为平台，有效地将生产、管理与制造进行集成化，有效地实现企业工艺设计与信息管理一体化，真正地实现3D-CAPP系统中产品全生命周期的信息化管理，这一直是当今机械行业集成制造技术的热点，同时也是难点。 诸如上述问题，在进行3D-CAPP系统开发设计时必须加以认真考虑。 3 基于3D-CAPP系统的发展趋势 目前在商品化CAD系统上实现CAD/CAPP集成主要有两条途径：一是在商品化三维CAD软件上开发具有制造特征功能的软件，使设计信息可为CAPP直接使用；二是在三维CAD实体造型基础上，开发制造特征识别与提取系统，为CAPP设计提供相应的工艺信息。根据以上分析，目前基于3D模型的CAPP系统的发展趋势主要表现在以下几个方面。 (1)基于平台技术、可重构的3D-CAPP系统 现阶段由于工艺设计的不一致性，通用型的CAPP系统不能满足企业的特殊需求。为了能使CAPP系统在企业中更好地推广和应用，CAPP系统应具有良好的柔性和开放性，支持各行业的二次开发，从而持续满足客户的个性化变化的需求。 基于集成开发平台IDE和集成数据库平台IDP，可以实现CAPP各种层次的二次开发功能，充分满足工艺个性化需求，适应企业发展变化。借助于平台技术，可以自定义界面，可加人任何标准的Window，软件，用户可编写C++或VB格式的脚本文件等，可以在3D-CAPP平台上开发专用的CAPP系统。因此，基于3D-CAPP平台技术、具有二次开发功能、可重构的CAPP系统也就提上了日程，并会成为未来发展的主要趋势。 (2)基于知识的新型智能化的3D-CAPP系统 目前CAPP已经很好地解决了工艺设计效率和标准化的问题，下一步如何有效地总结企业的工艺设计知识，充分利用工艺专家的经验与知识积累，建立丰富的工艺知识库，提高CAPP的知识水平，并应用各种人工智能技术，实现工艺设计过程中各阶段、各种有效的智能化在线帮助，将会是3D-CAPP系统应用和发展的一个重要方向。 显然，未来的制造是基于集成化、智能化的敏捷制造，未来的产品是基于信息化、知识化的产品，那么未来的CAPP技术也就必然朝着知识化、智能化的方向发展。 (3)基于PDM平台的网络化3D-CAPP系统 在产品加工过程中，以信息技术为支撑，以工艺技术为核心，以三维CAD、三维CAM和PDM作为实施平台，基于同一产品数据源，实现设计BOM向制造BOM平滑过渡，实现加工过程中的资源、项目和时间的合理配置，将工艺设计延伸到生产管理的全过程，从而发挥CAPP在产品全生命周期中的信息中枢和功能调节作用。 网络化是现代系统集成应用的必然要求，CAPP对内进行各种角色、工种的并行工艺设计，对外与CAD的双向数据交换，与CAD,CAM,PDM等的集成应用都需要网络技术支撑，才能实现企业级乃至更大范围的信息化。因此基于PDM平台的支持产品全生命周期的网络化3D-CAPP系统将是重要的发展方向。 (4)基于定量化、参数化的3D-CAPP系统 当今基于3D的产品建模与分析计算越来越引起现代企业的重视，定量型CAPP系统不但能完成工艺过程设计、工艺文件管理、信息集成等定性化的工艺设计，更重要的是能针对系列产品或新产品建立一种面向产品和制造过程、基于3D的定量化工艺设计模型，并以此模型为基础，对零部件或产品进行快速准确的工艺设计，如定位装夹规划、工序图生成、NC程序生成、工装设计等内容。因此，基于3D的定量化与参数化CAPP系统无疑是CAPP追求的目标与发展趋势。 (5)基于绿色设计的3D-CAPP系统 随着环境污染的日趋严重，人们的环保意识越来越强，认识到机械产品的绿色化已成为人类可持续发展的核心。因此，国内外许多专家开始探索研究绿色设计、绿色工艺和绿色制造，计算机辅助的绿色工艺设计(Green CAPP,GCAPP)就应运而生了。再者，从制造系统的资源流动过程看，工艺规划对资源消耗状况和废弃物的产生量有着直接的影响。所以，3D-CAPP系统的绿色化是一种趋势。 综上所述，基于3D-CAPP系统将朝知识化、智能化、柔性化、网络化、定量化、参数化、绿色化方向发展。 4 结论 通过上述对基于3D-CAPP技术的分析与展望可知，CAPP采用基于三维CAD设计技术，增加了产品的可读性和一致性，减少了理解图纸的时间，进一步提高了工艺设计方式、工艺资源及制造数据管理模式等的合理性与科学性。因此，研究与开发基于三维CAD的各种CAPP系统及其应用，使CAD,CAPP及CAM共享统一的三维产品模型，充分利用CAD/CAM的设计与分析功能，将是CAPP研究与发展的一个重要方向。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/23/2007)