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机械 CAD/CAM 技术. 山东理工大学机械工程学院. 第七章 计算机辅助工艺设计. 第一节 成组技术. 第二节 CAPP 系统的发展概况和工作原理. 第三节 CAPP 系统零件系统的描述、 输入和输出. 第四节 派生式 CAPP 系统. 第五节 创成式 CAPP 系统. 第六节 CAPP 专家系统简介. 第一节 成组技术（ GT ）. 一、 概述. 1 ．成组技术的发展概况 1950 年代：成组技术（ Group Technology ）概念起源。
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机械CAD/CAM技术 山东理工大学机械工程学院
第七章 计算机辅助工艺设计 第一节 成组技术 第二节 CAPP系统的发展概况和工作原理 第三节 CAPP系统零件系统的描述、 输入和输出 第四节 派生式CAPP系统 第五节 创成式CAPP系统 第六节 CAPP专家系统简介
第一节 成组技术（GT） 一、 概述 1．成组技术的发展概况 1950年代：成组技术（Group Technology）概念起源。 1959年；苏联科学家S.P.Mitrofanor在《成组技术科学原理》一书中，正式提出“成组技术”一词。1960年，原西德和英国科学家开始对成组技术进行深入研究，以探讨成组技术在生产中的实用性。
1963年，成组技术首先在原苏联应用于实际生产并获得成功。1963年，成组技术首先在原苏联应用于实际生产并获得成功。 1970年，日本政府也开始在国内推广成组技术。 1970年代末，成组技术在美国得到广泛接受和应用。到1995年，美国使用成组技术的企业达到了50%～75%。 由于成组技术的应用可以使企业在当今品种多、中小批量生产、质量要求高的制造环境中缩短生产周期，提高生产效率和产品质量，加强企业的竞争力，所以成组技术能够如此迅速的得到推广和应用。
2．成组技术的基本原理 1）基本原理： 对相似的零件进行识别和分组，相似的零件归入一个零件组或零件族，并在设计和制造中充分利用它们的相似点，以获得所期望的经济效益。 2）零件的相似形 设计性质（如几何形状和尺寸等）方面的相似性和制造性质（如加工工艺）方面的相似性。零件的相似性是零件分族的基础。
3．成组技术的定义 成组技术是一门生产技术科学和管理技术科学，研究如何识别和发展生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它把各种问题按它们之间的相似性归类成组，并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。
3．成组技术的应用 1）成组工艺 它不强求零件结构类型和功能的同一性，而只要几种零件若有多个工序具有相似性，则可合并为成组工艺。 2）成组生产单元的组织 车间内机床布置形式以及相应的生产组织形式按成组技术的原理组织实施，即不管是单机，还是加工单元、流水线，加工对象是针对于一组或几组工艺相似的零件，而不是只针对于一个零件。
3）成组技术在CAD中的应用 成组技术大大提高了设计的继承性，极大地减少了设计人员的重复劳动。 4）成组技术在CAPP系统中的应用 成组技术及其分类编码系统对于CAPP系统，特别是派生式CAPP系统的零件信息的描述和输入、标准工艺规程的检索与修改以及工艺文件的管理和输出都有着重要意义。
5）成组技术在FMS中的应用 成组技术与柔性制造技术是相辅相成的，柔性制造技术推动了成组技术的发展，而在柔性制造系统或柔性设备上采用成组技术将提高FMS的利用率，使系统发挥更大的效益。
3．成组技术的优点 • 有利于零件设计标准化，减少设计工作的重复。 • 有利于工艺设计的标准化， • 降低生产成本，简化生产计划，缩短了生产周期。 • 有利于CAD系统与CAM系统连接，实现CAD/CAM系统的集成。
二、 零件族 1、零件族用于工艺上的相似形 零件族是一些零件的集合，这些零件具有相似的几何形状和尺寸或在加工具有相似的加工步骤。同一族中的零件各不相同，但总有一些相似点使它们成为同一零件族的成员。上图和下图表示两个零件族，上图所示的零件族从几何外形是相似的。下图所示的零件族具有相似的加工工艺，但外形上相差较大。一般来说形状相似的工件，工艺也相似。
2、零件族用于车间的布置 如图所示是一个传统小批量加工车间布局图。按机床类型将车间布置为车床、铣床、钻床和磨床等若干个工段。在对一个零件进行加工时，工件必须在各个工段间来回运送，有时同一个零件需要多次进入同一个工段。这样势必增加工件的搬运工作量和库存量，导致制造周期延长，成本提高。
如图所示是按照成组工艺改造后的车间布局图。把机床划分为一些单元，每个单元只承担一个特定零件族的生产。这样不仅避免了上图所示车间布局的缺点，而且实现了流水线或自动线作业。如图所示是按照成组工艺改造后的车间布局图。把机床划分为一些单元，每个单元只承担一个特定零件族的生产。这样不仅避免了上图所示车间布局的缺点，而且实现了流水线或自动线作业。
3、如何将零件组合成组 1）人工识别分组法（也称视检法） 这是一种最简单、最经济的方法，它通过人工识别各种零件的实物或图样、照片等，将它们划分成相似的零件族。这种方法往往需要有实际经验的工程技术人员进行，而且分类粗糙、不准确。
2）零件分类和编码分组法 这是三种方法中最复杂、最常用、最有效的一种方法。它通过分类编码系统对零件的各设计特征或制造特征进行编码，然后利用所得编码确定零件得相似性，从而将零件分组。
3）生产流程分析（Production flow analysis，简称PFA）分组法 PFA法通过对零件现有加工工艺流程的分析，把具有相似或相同加工工序和加工工艺流程的零件作为一个零件族。
三、零件分类编码系统 零件的分类编码是由代表零件的设计或制造的特征符号组成的，一般情况下，大多数分类编码系统是用数字来描述零件的几何特征和工艺特征，也就是零件特征的数字化。
1．零件的代码 在成组技术条件下，产品零件的代码是由2部分组成的，即零件的识别码和零件的分类码。 1)零件的识别码 就是零件的件号或图号，识别码是惟一的。
2)零件的分类码 零件的分类码是在成组技术条件下提出的，可以反映出零件固有的功能、名称、结构形状、工艺、生产等信息；分类码对某种零件而言，并非惟一的，不同的零件可以拥有相同的分类码。 在按成组技术组织生产时，必须同时将零件的识别码与分类码结合应用。
2．零件分类的基本依据 零件分类是依据零件的各方面特征来进行的，一般按以下3个方面的特征分类。 1)结构特征 零件的几何形状、尺寸大小、结构功能和毛坯类型等。 2)工艺特征 零件的毛坯形状、加工精度、表面粗糙度、加工方法、材料、定位夹紧方式，选用的机床类型等。 3)生产组织与计划特征 加工批量、制造资源状况和工艺过程跨车间、工段及厂际协作等情况。
3、零件分类编码系统的基本类型 零件分类编码系统主要可分为三类： • 面向零件设计特征的分类编码系统。这类系统适用于设计部门进行设计检索和提高设计标准化。 • 面向零件制造特征的分类编码系统。这类系统适用于生产部门进行计算机辅助工艺规程设计、工装设计以及与生产有关的工作。 • 面向零件设计和制造的分类编码系统。这类系统综合了以上两种系统的功能和优点，是一种独立的编码系统。
4、零件分类编码系统的结构 1）独立环节的分类系统——链式结构 若系统内各横向分类环节之间彼此安全独立而互不相干，则这样的横向分类环节便是独立环节。由独立环节组成的分类系统一般称为链式结构，如图所示。横向分类环节用罗马数字表示，它们之间的关系用“-”表示。
2）关联环节的分类系统——树式结构 若系统中相邻横向分类环节之间有从属关系而互相关联，则这样的横向分类环节称作关联环节。它们之间的关系用“<”表示。由关联环节组成的分类系统一般称为树式结构，如图所示。
3）混合环节的分类系统——混合结构 这种分类系统中的横向分类环节既有独立环节又有关联环节，因此属于兼有链式结构和树式结构的混合结构。不少实际的零件分类系统都由这种混合环节组成的。图所示即是此种分类系统。
5．OPITZ零件分类编码系统 OPITZ系统是一个十进制的9位代码的混合结构分类编码系统。它是由联邦德国Aachen工业大学H.Opitz教授领导的机床和生产工程实验室开发的，随着这一系统的完善而被用于成组技术中，习惯上都称此为0PITZ系统。 广泛应用于机械制造、设计及生产管理。
1)系统结构 最早的OPITZ系统只有5位代码，也即目前所称的形状码。为了完善自己的系统，Opitz教授在原来5位形状码之后，又增补了4位所谓的辅助码 。
2)系统特点 • 系统的结构比较简单，仅有9个横向分类环节，因此便于记忆和手工分类。 • 系统的分类标志虽然形式上偏重零件结构特征、形状要素，但是实际上隐含着工艺信息。
虽然系统考虑了精度标志，但是由于零件的精度概念比较复杂，它既有尺寸精度，又有几何形状精度和相互位置精度，所以单用一个横向分类环节来表示似嫌不够。虽然系统考虑了精度标志，但是由于零件的精度概念比较复杂，它既有尺寸精度，又有几何形状精度和相互位置精度，所以单用一个横向分类环节来表示似嫌不够。 • 系统的分类标志尚欠严密和准确。 • 从总体结构上看系统虽属简单，但从局部结构上看仍旧十分复杂。
6、其它分类编码系统简介 1）JLBM-1零件分类编码系统 JLBM-1系统是我国原机械工业部颁布的机械零件分类编码系统，后经多次修订，于1984年正式作为我国原机械工业部的技术指导资料。它是在我国第一个分类编码系统JLBM系统的基础上，结合OPITZ系统和KK-3系统的优点并根据我国机床行业的具体情况而发展起来的。适用于产品设计、工艺设计、加工制造和生产管理等方面。
下图所示是JLBM-1分类编码系统的基本结构，其结构与OPITZ系统基本相同，但克服了OPITZ系统码位少、分类标志不全的缺点。该系统有十五个码位，每个码位用0～9十个数字表示不同的特征项号。在十五个码位中，第一、二个码位是名称类别码，第三到九个码位是形状与加工码，第十到十五个码位是辅助码下图所示是JLBM-1分类编码系统的基本结构，其结构与OPITZ系统基本相同，但克服了OPITZ系统码位少、分类标志不全的缺点。该系统有十五个码位，每个码位用0～9十个数字表示不同的特征项号。在十五个码位中，第一、二个码位是名称类别码，第三到九个码位是形状与加工码，第十到十五个码位是辅助码
四、 零件分类成组方法——编码分类法 编码分类是根据零件的编码进行分类成组，并用特征矩阵形式表示。在分类之前，首先需要合理地制定各零件族的相似性标准，以便将众多的待分类零件进行分选，使之归属于相应的零件族。 编码分类法实质就是让零件编码与各零件族特征矩阵逐个地匹配比较，若零件编码与某一零件族特征矩阵相匹配，则该零件就应归属于此零件族
合理制定各零件族相似性标准是按编码分类取得满意结果的关键。相似性标准不能太高，要求过严，零件不易汇集成组；也不能太低，过于粗略，归属于同一组的零件种数太多，差异太大，也会妨碍很好地利用零件的相似性。合理制定各零件族相似性标准是按编码分类取得满意结果的关键。相似性标准不能太高，要求过严，零件不易汇集成组；也不能太低，过于粗略，归属于同一组的零件种数太多，差异太大，也会妨碍很好地利用零件的相似性。 制定零件族相似性标准，有特征码位法、码域法和特征位码域法等3种方法。
1)特征码位法 凡零件编码中相应码位的代码相同者归属于一组的方法，称为特征码位法。 2)码域法 规定每一码位的码域(码值)，凡零件编码中每一码位值均在规定的码域内，则归属于一组，这种方法称为码域法。 3)特征位码域法 这种方法是上述2种方法的综合，因而能兼备二者的特点，即既能抓住零件分类的主要特征方面，又能适当放宽其相似性要求，以得到满意的分类结果。
第二节 CAPP系统的发展概况和工作原理 一、工艺设计自动化的意义 1．工艺规程设计的任务 工艺规程设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法、加工顺序、工、夹、量具，以及切削用量的计算等，使能按设计要求生产出合格的成品零件。
2．传统的工艺规程设计方法 1）人工方式 2）逐件设计 3）工艺设计工作的重复性 例如，美国辛辛那提工厂生产的425种齿轮类零件，原来需要377种不同的工艺规程，应用成组技术对齿轮和工艺规程进行仔细分析后发现只用71种标准工艺就可以生产全部425种零件。
3、利用计算机进行工艺规程设计 计算机能有效地管理大量的数据，进行快速、准确的计算，进行各种方案的比较、选择，能自动绘图和编制表格文件。CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把CAD和CAM的信息连接起来，实现CAD/CAM一体化，是集成制造系统的关键性中间环节。
4、CAPP在CIMS中的重要作用 CIMS被认为是未来机械制造工业的生产模式。而CIMS的关键是信息的集成，而CAD和CAM的集成又是实现CIMS的关键之一。在CAD/CAPP/CAM集成系统中，CAPP是连接CAD和CAM的桥梁和纽带。理想的CAPP系统能够直接接受CAD系统的信息，进行工艺设计，生成工艺文件，并以工艺设计结果和零件信息为依据，经过适当的后置处理后，生成NC代码，从而实现CAD/CAPP/CAM的集成。但由于CAPP发展的严重滞后，能真正实现CAD/CAPP/CAM集成的CAPP系统还未出现。
二、国内外CAPP的发展概况 世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家是挪威。他们从1966年开始研制，到1969年正式发表了AUTOPROS系统。这是世界上第一个CAPP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零件的工艺规程。 美国在1976年推出了CAM-I’S Automated Process Planning系统(简称CAM-I’S CAPP系统)。 目前世界各国的CAPP系统主要用于回转体零件，其次为棱柱体零件和板块类零件，其它非回转体零件应用较少，而且多应用于单件小批量生产类型。
从80年代起，我国最早进行这项研究工作的是同济大学，他们在1982年研制成功了TOJICAPP系统，随后北京理工大学也研制出适用于车辆中回转体零件的BITCAPP系统，北京航空航天大学发表了BHCAPP，华中理工大学的开目CAPP，还有一些高校和工厂合作研制的CAPP系统也相继获得成功。从80年代起，我国最早进行这项研究工作的是同济大学，他们在1982年研制成功了TOJICAPP系统，随后北京理工大学也研制出适用于车辆中回转体零件的BITCAPP系统，北京航空航天大学发表了BHCAPP，华中理工大学的开目CAPP，还有一些高校和工厂合作研制的CAPP系统也相继获得成功。 软件市场上的CAPP系统有开目CAPP、天河CAPP、金叶CAPP、机械加工工艺手册（软件版）
三、CAPP的优点 • 有利于工艺规程的合理化、标准化和最优化 • 提高工艺规程的设计效率 • 可获得良好的经济效益 • 有利于CAD/CAPP/CAM的集成 CAPP是联接CAD和CAM的桥梁和纽带，只有实现工艺设计的自动化，才能真正实现CAD/CAPP/CAM的一体化。
