基于3D-CAPP技术及其发展研究

    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)。