（工艺技术）计算机辅助工
艺规划
计算机辅助工艺规划
(重定向自 CAPP)
计算机辅助工艺规划(CAPP-ComputerAidedProcessPlanning)
目录
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• 1什么是计算机辅助工艺规划(CAPP)
• 2CAPP系统
o 基本构成
o 内容
o 步骤
o 分类
o 的基础技术
• 3CAPP在 CAD/CAM集成系统中的作用
• 4CAPP的发展趋势
• 5计算机辅助工艺规划案例分析
o 案例一:企业 CAPP应用分析[1]
• 6参考文献
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什么是计算机辅助工艺规划(CAPP)
计算机辅助工艺规划也被译为计算机辅助工艺过程设计。国际生产工程研究会（CIRP）提出了计
算机辅助规划(CAP)、计算机自动工艺过程设计(CAPP)等名称，CAPP一词强调了工艺过程自动设
计。
由于计算机集成制造系统(CIMS)的出现，计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计(CAD)相接，
下与计算机辅助制造（CAM)相连，是连接设计与制造之间的桥梁，设计信息只能通过工艺设计才
能生成制造信息，设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。
计算机辅助工艺规划(CAPP)是通过向计算机输入被加工零件的原始数据，加工条件和加工要求，
由计算机自动地进行编码，编程直至最后输出经过优化的工艺规程卡片的过程。在集成化
CAD/CAPP/CAM系统中，由于设计时在公共数据库中所建立的产品模型不仅仅包含了几何数据，也
记录了有关工艺需要的数据，以供计算机辅助工艺规划利用。计算机辅助工艺规划的设计结果也
存回公共数据库中供 CAM的数控编程。集成化的作用不仅仅在于节省了人工传递信息和数据，更
有利于产品生产的整体考虑。从公共数据库中，设计工程师可以获得并考察他所设计产品的加工
信息，制造工程师可以从中清楚地知道产品的设计需求。全面地考察这些信息，可以使产品生产
获得更大的效益。
计算机辅助工艺规划（CAPP)利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图
纸上所要求的零件，瞎一过程称为计算机辅助工艺规划。它是通过向计算机输入被加工零件的几
何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺
路线和工序内容等工艺文件的过程。
CAPP系统
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基本构成
视 CAPP系统的工作原理、产品对象、规模大小不同而有较大的差异。CAPP系统基本的构成包括：
(1)控制模块。控制模块的主要任务是协调各模块的运行，是人机交互的窗口，实现人机之间的
信息交流，控制零件信息的获取方式；
(2)零件信息输入模块。当零件信息不能从 CAD系统直接获取时，用此模块实现零件信息的输入；
(3)工艺过程设计模块。工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工
及生产管理部门使用；
(4)工序决策模块。工序决策模块的主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序
图；
(5)工步决策模块。工步决策模块对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成 NC加工控制指
令所需的刀位文件；
(6)NC加工指令生成模块。NC加工指令生成模块依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用 NC
指令代码系统，产生 NC加工控制指令；
(7)输出模块。输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其它文档，输出亦可从
现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改得到所需的工艺文
件；
(8)加工过程动态仿真。加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。
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内容
CAPP的内容主要有：毛坯的选择及毛坯图的生成；定位基准与夹紧方案的选择；加工
方法的选择；加工顺序的安排；通用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备的选择；工艺参数的计
算；专用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备设计方案的提出；工艺文件的输出。
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步骤
CAPP的步骤共分为 5步：
(1）输入产品图纸信息；
(2）拟定工艺路线和工序内容；
(3）确定加工设备和工艺装备；
(4）计算工艺参数；
(5）输出工艺文件。
分类
系统按其工作原理可分为检索式、派生式、创成式等。
检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的，将设计好的零件标准工艺进行编号，存储在计算机
中，当制定零件的工艺过程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。
派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性，相似的零件有相似的工艺过程这一原理，通过检索
相似典型零件的工艺过程，加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。
创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同，它是根据输入的零件信息，依靠系统中的工程数据
和决策方法自动生成零件的工艺过程。
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CAPP的基础技术
CAPP的基础技术包括：
(1)成组技术（GroupTechnology）。
成组工艺是把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成一个个零件族[3]，如图 3所示，按零件族制
定工艺进行生产制造，这样就扩大了批量，减少了品种，便于采用高效率的生产方式从而提高了
劳动生产率，为多品种、小批量生产提高经济效益开辟了一条途径。
零件在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性。以基本相似性为
基础，在制造、装配的生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性
。因此，二次相似性是基本相似性的发展，具有重要的理论意义和实用价值。
成组工艺的基本原理表明，零件的相似性是实现成组工艺的基本条件。成组技术就是揭示和利用
基本相似性和二次相似性，是工业企业得到统一的数据和信息，获得经济效益，并为建立集成信
息系统打下基础。
(2）零件信息的描述与获取；
输入零件信息是进行计算机辅助工艺过程设计的第一步，零件信息描述是 CAPP的关键，其技术
难度大、工作量大，是影响整个工艺设计效率的重要因素。
零件信息描述的准确性、科学性和完整性将直接影响所设计的工艺过程的质量、可靠性和效率。
因此，对零件的信息描述应满足以下要求：
[1]信息描述要准确、完整。所谓完整是指要能够满足在进行计算机辅助工艺设计时的需要，而
不是要描述全部信息；
[2]信息描述要易于被计算机接受和处理，界面友好，使用方便，工效高；
[3]信息描述要易于被工程技术人员理解和掌握，便于被操作人员运用；
[4]由于是计算机辅助工艺设计，信息描述系统（模块或软件）应考虑计算机辅助设计、计算机
辅助制造、计算机辅助检测等多方面的要求，以便能够信息共享。
(3）工艺设计决策机制；
(4）工艺知识的获取及表示；
(5）工序图及其它文档的自动生成；
(6）NC加工指令的自动生成及加工过程动态仿真；
(7）工艺数据库的建立。
CAPP在 CAD/CAM集成系统中的作用
20世纪 80年代中后期， CAD、 CAM的单元技术日趋成熟。随着机械制造业向 CIMS（
ComputerIntegratedManufacturingSystem）和 IMS（IntelligentManufacturingSystem）方向的
发展，CAD/CAM的集成化要求是亟待解决的问题。CAD/CAM集成系统实际上是 CAD/CAPP/CAM集成
系统。CAPP从 CAD系统中获得零件的几何拓扑信息、工艺信息，并从工程数据库中获得企业的生
产条件、资源情况及企业工人技术水平等信息，进行工艺设计，形成工艺流程卡、工序卡、工步
卡及 NC加工控制指令，在 CAD、CAM中起纽带作用。为达到此目的，在集成系统中必须解决下列
几方面问题：
(1）CAPP模块能直接从 CAD模块中获取零件的几何信息、材料信息、工艺信息等，以代替零件信
息描述的输入；
(2）CAD模块的几何建模系统，除提供几何形状及拓扑信息外，还必须提供零件的工艺信息、检
测信息、组织信息及结构分析信息等；
(3）须适应多种数控系统 NC加工控制指令的生成。
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CAPP的发展趋势
随着 CAD、CAPP、CAM单元技术日益成熟，同时又由于 CIMS及 IMS的提出和发展，促使 CAPP向
智能化、集成化和实用化方向发展。当前，研究开发 CAPP系统的热点问题有：
(1）产品信息模型的生成与获取；
(2）CAPP体系结构研究及 CAPP工具系统的开发；
(3）并行工程模式下的 CAPP系统；
(4）基于分布型人工智能技术的分布型 CAPP专机系统；
(5）人工神经网络技术与专家系统在 CAPP中的综合应用；
(6）面向企业的实用化 CAPP系统；
(7）CAPP与自动生产调度系统的集成。
计算机辅助工艺规划案例分析
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案例一:企业 CAPP应用分析[1]
国内企业 CAPP应用尚属起步推广阶段，成功应用 CAPP的企业还不多见，但随着 CA甩图板工程
的结束，随着 CAPP软件产品的不断成熟，CAPP应用需求日益迫切，越来越多的企业开始关注 CAPP
，酝酿、策划实施 CAPP，这表明 CAPP应用正在蓬勃兴起。
CAPP在现代制造业中，具有重要的理论意义和广泛迫切的实际需求。因为 CAPP系统的应用，不
仅可以提高工艺规程设计效率和设计质量，缩短技术准备周期，为广大工艺人员从繁琐、重复的
劳动中解放出来提供了一条切实可行的途径，工艺人员可以更多地投入工艺试验和工艺攻关，而
且可以保证工艺设计的一致性、规范化，有利于推进工艺的标准化。更重要的是工艺 BOM数据是
指导企业物资采购、生产计划调度、组织生产、资源平衡、成本核算等的重要依据，CAPP系统的
应用将为企业数据信息的集成打下坚实的基础。
二、企业工艺特点及存在的问题
1、企业工艺特点
工艺设计是优化配置工艺资源，合理编排工艺过程的一门艺术，它是连接产品设计与产品制造的
桥梁。工艺规程是进行零件加工的主要依据，工艺设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加
工方法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件。
一般的工艺编制过程是：
按设计白图、零件清单进行工艺会审（工艺评定、工艺试验），制定工艺方案按设计蜡图、零件
清单划分工艺路线按设计蓝图、零件清单编制工艺规程，选择加工方法，排出加工工序过程，选
择各工序的加工余量、参数、刀具、工艺装备，绘制必要的工序简图，编制工艺卡片，计算工时
定额，材料定额，编制工装汇总、工艺关键件明细表、外协件明细表、焊接件明细表、锻件明细
表、热处理明细表等工艺文件。
工艺设计处于产品设计和加工制造的接口处，必须分析和处理大量信息，既要考虑产品设计图样
上有关零件结构形状、尺寸公差、材料及批量等方面的信息，又要了解加工制造中有关加工方法
、加工设备、生产条件、加工成本及工时定额，甚至传统习惯等方面的信息。工艺因素错综复杂
，工艺理论又不成熟，因此说工艺是一个典型的复杂问题。
工艺设计受到诸如企业的生产环境、产品类型、制造资源、生产批量、工艺习惯、工艺方法、工
艺师经验水平等因素的影响，甚至受到生产组织与管理方式的制约。上述因素中的任何变化，都
将导致工艺设计方案的改变，因此说工艺在各个方面都充满着“个性”。
工艺设计产生大量的工艺数据，这些工艺数据是指导企业物资采购、生产计划调度、组织生产、
资源平衡、成本核算等的重要依据，因此说工艺设计是企业的一项关键性工作。
随着市场竞争的不断加剧，产品升级换代的周期越来越短，产品品种急剧增加，但系列产品的工
艺具有很大的继承性。不同产品中的相同或相似零部件具有相似的工艺，工艺卡片上的产品、组
件、零件属性等信息源于设计图纸，工艺卡片之间信息联系密切，相同数据重复率很大。因此说
工艺卡片中存在大量的重复信息。
2、企业技术部门计算机应用现状
近几年，在国家科委 CAD“甩图板”工程的推动下，大部分企业成功甩掉图板，相当比例的企业
应用了三维设计软件，CAD应用取得良好成效。但是在绝大多数企业中，工艺部门的计算机应用
严重滞后于设计部门，许多企业还在使用手工进行工艺设计，一些企业使用 CAD软件或办公软件
来“画”工艺卡片，另外一些企业，虽然通过与高校、科研单位合作，开发了专用的 CAPP软件，
但在图形处理、数据共享、实用性等方面存在明显缺陷，应用效果并不理想。技术部门一般沿用
传统的管理模式，数据信息不能共享，很少有单位能成功应用 PDM。
3、手工编制工艺存在的问题
以手工方式进行的工艺设计存在如下问题：
• 工艺数据重复填写、重复计算，存在大量的重复劳动，无法直接利用 CAD信息，工艺设
计工作量大、效率低、周期长、易出错。
• 工艺设计质量完全取决于工艺人员的技术水平和工作经验，难以保证工艺数据的准确性，
工艺质量无法保证。
• 工艺方法因人而异，难以实现工艺设计的继承性、规范性、标准化和最优化，不能有效
地降低生产成本。
• 无法实现工艺文件计算机统一管理和维护，工艺信息不能与其他部门共享。
• 不能将工艺专家的经验和知识集中起来加以充分地利用，不能充分利用企业制造资源、
工艺资源。
• 对工艺设计人员要求高，要求工艺师具有丰富的生产经验，熟悉企业内部各种加工方法
及相应设备使用情况，熟悉企业内部各种生产加工规范和规章制度。
• 工艺师培养成本高，缺乏有经验的工艺师。
4、工艺工作面临的挑战
日趋激烈、日益多变的市场竞争要求企业能不断推出新产品，企业对客户的要求必须作出快速的
响应，与此同时，产品的技术要求越来越高，交货期也越来越短，所有这一切对企业的技术能力
、工艺能力是个严峻的挑战，手工编制工艺将无法适应残酷的市场竞争，企业迫切需要建立工艺
快速反应能力。计算机辅助技术能有效提高企业的技术能力，CAPP是提高工艺设计效率的有效手
段。实施 CAPP系统，推进企业技术部门信息化是企业当前发展的重要课题。
三、实施 CAPP系统，提高工艺设计水平
1、企业对 CAPP软件的要求
新一代 CAPP工具系统通过提供功能通用、强大的编辑工具、工艺资源管理工具、计算工具、汇
总工具、配置工具、开发工具等给予工艺人员最大的帮助，辅助工艺人员提高工艺设计效率和设
计质量。同时 CAPP系统向企业推荐和引进国家标准的工艺设计和工艺管理规范，推进工艺规范
化、标准化，提高工艺设计水平。
企业需要应用面广、实用性强、集成型好的平台型 CAPP工具系统，CAPP应是“一个以整个产品
为应用对象，以产品工艺数据为中心的集工艺过程设计、工艺信息管理为一体的交互式计算机应
用系统和开发平台，通过融合检索、修订、创成等技术，逐步实现工艺设计和管理的自动化、信
息化。
对 CAPP软件的具体要求如下：安装简单、人机界面友好、实用性强、开放性好、稳定安全柔性
的网络版 CAPP系统。
CAPP系统应兼备工艺设计和工艺管理功能：
• CAPP系统必须能实现与 CAD、PDM、MIS、ERP等系统的集成
• CAPP系统应提供功能强大的工艺卡片设计工具，融数据库、图形、图象、表格、文字编
辑于一体，图文并茂，提供可视化的工艺设计环境，100%所见即所得。能编制工艺路线、工艺过
程卡、工序卡、工艺 BOM等工艺文件。数据信息一次输入、全程共享、互相关联，杜绝数据重复
输入操作。具有自动换行、自动续页、自动增删页、自动编号、自动编排页次功能。直接绘制工
艺简图，可借助零件图产生工艺简图，支持特殊工程符号的定义与编辑。CAD图纸上有关信息自
动填入工艺卡片，自动关联工艺资源数据库快速获取数据。具有工艺卡片集中打印管理功能。
• CAPP系统应提供树形结构的工艺资源管理功能，工艺资源包括：设备、工装、工艺术语、
工艺参数、工艺规则、工艺简图、材料牌号、材料规格、产品、零件、毛坯、车间、工段、典型
工艺、计算公式等任何可供共享和重复使用的工艺数据、工艺知识。支持资源库结构自由定义和
数据自由扩充，实现与工艺卡片的自定义关联、自动引用。规范工艺内容，提高标准化程度。
• 应具有公式计算和公式管理器功能，提供材料定额计算和工时定额计算公式库，用户可
自行扩充专用公式。系统按公式定义自动计算，计算结果自动填入工艺文件。
• CAPP系统必须提供简单灵活的配置定制工具，以适应企业所有专业的工艺设计要求，并
具有统一的应用环境和数据结构。
• 提供工艺卡片模板定制工具，可由用户绘制、定义、扩充工艺卡片格式。支持工艺文件
在不丢失任何信息的基础上由一种卡片格式转换到另一种卡片格式，保护历史工艺数据资源。
• 能读取 CAD系统产生的产品结构信息，能够由工艺卡片自动生成工艺 BOM。
• 必须提供完善的二次开发工具和开发接口，用户可以自行开发专用 CAPP模块，如定型工
艺自动生成。
• 应能检索典型工艺、标准工艺，并能迅速派生工艺。
2、实施 CAPP系统达到的目标
应用 CAPP系统进行工艺设计，能够：
• 提高工艺设计工作效率，加快市场响应速度，缩短技术准备周期。
• 提高工艺设计质量，减少产品退修费用。
• 帮助工艺工程师从繁琐、重复的低层次劳动中解放出来，有更多的精力投入工艺试验、
工艺攻关，优化工艺设计，促进技术进步。
• 继承和共享工艺专家的经验和知识，一般的工艺人员就能设计出较好的工艺过程，可以
解决缺乏经验丰富的工艺师的问题，同时能加快工艺师的培养。
• 推进工艺标准化建设，提高工艺设计水平。
• 为企业管理信息系统实时提供正确的工艺数据，为企业信息化建设提高源头信息。
3、CAPP实施的关键
企业应用 CAPP软件是一个系统工程，必须总体规划，分步实施。由于工艺处于设计和生产的接
口处，CAPP的实施既要实现与现有 CAD系统的集成，又要考虑将来与企业 ERP等管理软件的全面
集成，因此 CAPP系统的实施关系重大，关系到企业信息系统的集成和企业信息化建设的成败。
同时由于工艺的个性化、复杂性及 CAPP发展的局限性，给 CAPP软件的实施带来了不小的困难。
CAPP系统的实施一般包括需求分析、总体规划、软件实施与培训、定制开发等过程。系统实施之
前必须进行详细的需求分析、工艺知识的收集和整理，并根据企业自身特点选择合适的 CAPP软
件产品，制定 CAPP系统实施方案。
由于工艺的个性化特征，即每家单位的工艺都有自己的特点，因此 CAPP系统实施中的开发工作
量极大，商品化的 CAPP软件必须经过二次开发才能适合企业的实际应用。所以，CAPP系统的实
施前期必须提出明确、全面的开发需求，制定详尽的技术协议，这是系统实施与验收的依据。技
术协议应对软件的系统结构、总体要求、功能需求、集成需求提出了具体的技术要求，为 CAPP
系统的实施制定框架协议与验收标准。这是 CAPP系统实施成功的关键所在。CAPP二次开发主要
包括：CAPP编辑平台的用户化开发、BOM自动生成模块、专业工艺自动化生成模块等。在系统实
施中，企业技术人员必须全面参与开发工作，掌握系统定制与开发技术，能够在今后的应用中不
断扩充和完善 CAPP系统。
四、CAPP的集成应用
CAPP的集成应用是关系到 CAPP应用水平的关键因素，面向产品信息的 CAPP集成目标首先是实现
工艺部门内部的信息共享及工艺设计与管理的一体化，工艺数据必须做到一次输入、互相关联、
全程共享，并具有统一的数据结构，CAPP软件必须实现这一层次的集成应用。
CAPP集成应用的第二层次是 CAPP与 CAD的集成。CAPP必须能读取 CAD产生的产品结构信息与图
形信息，避免重复输入。这需要一个前提，就是 CAD系统应能自动生成设计 BOM信息（设计 BOM
由 CAD图纸自动生成），为 CAPP系统提供完整、一致、正确的 BOM信息和图纸数据。要实现这
一点，除了需要 BOM软件工具的支持以外，还必须对电子文档进行有效的管理，能保证计算机上
存储的电子文档的完整性、一致性和正确性。目前大部分企业在完成 CAD甩图板工程以后，只是
利用目录结构对电子文档进行简单的管理，没有权限控制、没有版本控制、没有层次结构、没有
入库提交机制，无法保证计算机中电子文档的完整性、一致性和正确性，在这种情况下，即使有
BOM生成工具，也无法向 CAPP系统提供完整、一致、正确的的设计 BOM信息和图纸数据。
CAPP集成应用的第三层次是逐步实现与 MRPII/ERP等管理信息系统的集成，为这些系统提供产品
结构树、产品零部件工艺路线表、工时定额表、材料定额表、工装汇总表、工艺明细表等工艺信
息。
CAPP第二层次和第三层次的集成应用以 PDM系统为集成平台。由 PDM负责电子文档的管理，保证
电子文档的完整性、一致性和正确性，在 PDM的管理下，BOM工具自动生成设计 BOM，并由 PDM
为 CAPP系统提供完整、一致、正确的设计 BOM信息和图纸信息。CAPP系统产生的工艺数据也交
给 PDM系统管理，并由 PDM系统提供给 MRPII/ERP等管理信息系统。
为了提高 CAPP应用水平，也为了提高 CAD系统、CAPP系统的应用效益，我们认为，在普及 CAD
应用的基础上，实施 CAPP的同时应实施 PDM系统或图文档管理系统（如不具备实施 PDM的条件，
可以先实施 PDM中的一个模块：图文档管理），以实现 CAD/CAPP的集成，稳步推进企业技术部
门的信息化建设，并为企业信息化打下坚实的基础。
CAPP是 CIMS工程中的一个重要模块，也是企业信息化建设的关键环节。前几年，由于 CAPP软件
的发展走了一些弯路，导致 CAPP应用成为计算机辅助技术领域的薄弱环节和企业实施推广 CIMS
工程的瓶颈所在。许多企业在尚未深化 CAD、CAPP应用的情况下实施 ERP系统，导致 ERP系统所
需的 BOM信息、工艺路线、工时定额等数据只能重复手工输入，严重影响了 ERP系统的应用效果
，甚至导致 ERP系统实施的失败。近几年 CAPP软件的发展取得了长足的进步，为全面推广 CAPP
应用奠定了基础，国家机械工业局也于今年开始推广 CAPP技术，可以说实施 CAPP系统的有利时
机已经来临，相信在未来几年，CAPP应用必将取得丰硕的成果。
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参考文献
1. ↑企业 CAPP应用分析.无锡赛博盈科科技有限公司.2005-08-01
计算机辅助工艺设计(CAPP:Computer-aidedprocessplanning)是指在人和计算机组成的系统
中，根据约束条件和资源条件，将零件的设计信息转换为制造零件所需的一系列加工操作，
并人机交互或自动地生成零件的加工工艺规程。也即是将产品设计信息与制造环境提供的所
有可能的加工能力信息进行匹配与优化的过程。迄今为止，CAPP的研究已经历了 40余年，
取得了许多重大的研究成果，获得了一定的经济效益。特别是将专家系统、神经网络和模糊
逻辑等人工智能技术应用于 CAPP之后，工艺知识获取、表达和运用的有效性和灵活性有了
很大改观，CAPP系统的实用化和工程化水平得到了很大提高。尽管如此，CAPP仍然有许多
尚未解决的重要问题，其应用的实际效果与企业的工程需求还相差甚远，已经成为实现
CAD/CAPP/CAM集成的瓶颈。
正当 CAPP技术(包括人工智能技术)的研究陷入困境而停滞不前时，国内外专家学者提出了
人机智能系统的构想，这为 CAPP系统的研究与发展开辟了一条充满光明前景的崭新途径。
早在 1990年，著名科学家钱学森就提出了“综合集成工程”(Metasyntheticengineering)
的思想，指出“我们要研究的是人与机器相结合的智能系统，不能把人排除在外，是一个人
机智能系统”。1991年，美国斯坦福大学的里南(Lenat)和费根鲍姆(Feigenbaum)提出“人机
合作预测”(Man-machinesynergyprediction)是知识系统的“第二纪元”，并指出“系统将
使智能计算机与智能人之间成为一种同事关系，人与计算机各自执行自己最擅长的任务，系
统的智能就是为这种合作的产物”；1994年，法国克洛德·贝纳尔—里昂第一大学的
FrancoisChevener认为:问题求解常常不能自动进行，因为对于一些子问题，计算机找不到
相应的解决策略或知识，只能靠人来解决，所以人必须能够干涉自动的问题求解过程。
1994～1995年，路甬祥等又提出“人机一体化系统”(Humachinesystem)的技术立论、科学
体系和关键技术。1999年，在第 49届 CIRP年会上，瑞典的乔柏(Kjellberg)所作的主题报
告“面向人的生产系统的设计”得到了各国与会代表的认同，并认为 21世纪的制造系统应
当从面向技术转向面向人。
由此可见，CAPP系统今后的发展方向应采取以人为中心、人机一体的技术路线，研究基于知
识的人机智能化 CAPP系统的体系结构和关键技术，建立一种新型的面向人的 CAPP系统，从
而真正提高 CAPP的应用水平。
1CAPP系统的发展历程
计算机辅助工艺设计的研究在国际上始于 20世纪 60年代后期，其早期意图就是建立包括工
艺卡片生成、工艺内容存储及工艺规程检索在内的计算机辅助系统。它只是将计算机当作存
储、整理、计算和提取信息的工具，以帮助减少工艺人员所做的事务性工作，从而节省工艺
设计的时间。这样的系统没有工艺决策能力和排序功能，因而不具有通用性。而真正具有通
用意义的 CAPP系统是 1969年以挪威开发的 AUTOPROS系统为开端，其后很多的 CAPP系统都
受到这个系统的影响。将计算机辅助工艺设计正式命名为 CAPP则是在计算机辅助工艺设计
发 展 史 上 具 有 里 程 碑 意 义 的 美 国 计 算 机 辅 助 制 造 国 际 组 织
CAM-I(Computeraidedmanufacturing-international)于 1976年 所 推 出 的
CAM-I’Sautomatedprocessplanning系统。1985年 1月 CIRP首次举行了 CAPP专题研讨会，
11月美国 ASME冬季年会的主题定为“计算机辅助/智能工艺过程设计”，1987年 6月 CIRP
又举行了 CAPP的专题学术研讨会，从而使 CAPP系统的研究进入了一个崭新的时代。
我国在 20世纪 80年代初期开始了 CAPP的理论研究和系统开发工作。1982年，同济大学的
TOJICAP系统率先研制成功并进入国内市场。西北工业大学、北京航空航天大学、西安交通
大学、南京航空航天大学等单位也研制成功了适用于特定类型零件的 CAPP系统。1986年 3
月，我国制定并启动 863计划，并在后续的 863/CIMS主题计划中设立了多项与 CAPP相关的
关键技术攻关项目或子项目、目标产品发展项目以及软件重大专项，同时大力推广应用示范
工程。1988年 5月，在南京航空航天大学召开了国内第一次 CAPP的专题研讨会，受到广大
科研院所和制造企业的普遍关注，引发了国内的 CAPP研究热潮。1989年，国家 863/CIMS工
艺设计自动化工程实验室在上海交通大学正式建立，主要从事异地分布式 CAPP系统体系结
构及实现技术等方面的研究与开发工作，取得了许多的研究成果。
2CAPP系统的智能技术
在 CAPP系统中，由于有相当多的问题求解是极其复杂的，常常没有算法可遵循，或者即使
有计算方法，也是 NP(Nondeterministicpolynomial-bounded)问题。因此人们就用人工的方
法和技术来模拟人类求解复杂问题的思维方式和过程，实现某些“机器思维”，从而解决需
要人类专家才能处理的工艺问题，这样就导致了人工智能的产生并在 CAPP系统中获得广泛
应用。
人类智能及其特征
我们知道，人类被誉为万物之灵，灵就灵在人类具有一个“智慧”的大脑。然而，人类对客
观世界的认识越来越清楚的同时，却对自己的大脑产生智能的机理仍然迷雾茫茫，知之甚少。
如此看来，智能作为科学技术的三大起源难题(宇宙起源、生命起源和智能起源)之一，只能
有待于 21世纪解决了。智能一词来源于拉丁语“Legere”，意思是收集、汇集。到目前为止，
对于智能，还没有一个统一的看法。一般认为:智能是运用信息和知识采取理智行动的能力。
通俗地说，智能可以理解为能获取知识并运用知识解决问题的能力。
考察和分析人类智能活动的全过程，不难发现，思维是整个智能活动中最核心、最本质和最
复杂的部分。没有思维就没有人类的智能，也就不可能使人类远远超出其它动物而成为万物
之灵。1984年，钱学森教授倡导开展思维科学的研究，并将人类思维划分为“抽象(逻辑)思
维、形象(直觉)思维和灵感(顿悟)思维”，同时指出虽然划分为三种思维，但实际上人的每
个思维活动过程都不会是单纯的一种思维在起作用，往往是两种，甚至是三种思维交错混合
在一起共同起作用。三种思维的基本特点如表 1所示。
人类智能的上述特点也正好说明了尽管冯·诺依曼(VonNeumann)计算机处理速度极快、存储
容量极大、符号推理能力极强，但还是远不如人类聪明的根本原因。当然，人类智能毕竟是
数十万年的大脑进化、数百万年的人类进化和数亿万年的生物进化的结晶，是高度的时间复
杂性和巨大的空间复杂性交织而成的，有着无限奥秘和无穷智慧的脑神经系统的产物，远非
采用若干硅片在数十年内就能完全模拟成功的。
就工艺设计过程而言，人脑的思维活动就明显地表现出了几种思维形式的综合特点。它既是
逻辑性和跳跃性的统一，又是顺序性和并发性的统一；既可能“循序渐进，逐步推理”，又
可能“灵机一动，计上心来”，还可能“突发奇想，另辟蹊径”。人脑在思维时能够根据以往
经验分析大量的外界信息，对许多复杂问题做出判断，然后再在此基础上进行概括和总结，
以达到条理化和逻辑化，最后得到解决问题的满意方案。同时，人类思维还能够根据直觉做
出决策。譬如在对一个零件进行工艺设计时，一个经验丰富的工艺专家可在看到零件图纸的
短暂时间内，就能形成该零件的加工方法、装夹方案和初步的加工路线，并能注意到可能存
在的某些关键问题和重要工序，然后再按一定的工艺理论逐步分解和细化，以形成符合制造
环境的工艺规程。在这一过程中，人类思维始终能够前后一致、全面细致地进行协调。但是，
冯·诺依曼计算机在解决问题时，则不具备直觉性和并发性，既不能“突如其来，一气呵
成”，也不能在同一个时间内形成多个问题的解决办法并相互协调(尽管运算速度可以无限的
快)，即计算机总是有顺序、有条理地按一定程序解决问题。
人工智能及其特征
人工智能是相对于人类智能(即生物高级智能或自然智能)而言的，它是采用人工的方法和技
术来模拟、延伸和扩展人类智能行为的一门综合学科。1956 年夏天，在美国的达特茅斯学院
召开了一次影响深远的历史性会议，人工智能这个术语就是在此次会议上由该校数学助教约
翰·麦卡锡等 10名年青学者在为期 2个月的“机器模拟人类智能”的学术研讨会中正式提出
来的。后来，达特茅斯学院被看作是人工智能的诞生地，他们 10人也被科学界誉为“十大
金刚”，并大多成为人工智能的泰山北斗，而麦卡锡本人，在美国也常常被认为是“人工智
能之父”。人工智能与空间技术、原子能技术一起被誉为 20世纪的三大科技成就。经过 40
多年的研究和发展，人工智能研究已取得不少成果，其应用渗透到各个领域，特别是专家系
统、智能决策、智能机器人、自然语言理解等方面的成就更是促进了人工智能的进一步发展。
人工智能主要包括推理、学习和联想三大智能要素。当前，人工智能的推理功能已获突破，
学习功能正在研究之中，联想功能尚处在探索阶段。
由于人工智能是通过智能机器或智能系统来实现其功能的，且其中的控制核心是计算机，所
以人类大脑与计算机的控制过程在某些方面具有相似性。然而，人类大脑毕竟不同于计算机，
两者之间存在着巨大的差异，如表 2所示。
由表 2可知，计算机在处理速度、存贮容量、数值计算、逻辑推理等方面具有非常明显的优
势，而人类大脑却在学习能力、创造能力、环境适应能力以及经验总结和知识归纳等方面有
着计算机无法比拟的能力。当然，随着计算机科学与技术的发展，将来的智能计算机是会具
有创造功能的，但它的这种创造功能归根到底也是由人事先赋予的，是人类创造功能的结果
和延伸，在本质上改变不了只是人的工具的属性。
3人机智能化 CAPP体系构想
因为智能水平是衡量 CAPP系统性能的一个关键因素，更因为冯·诺依曼(VonNeumann)计算机
在解决工艺设计问题时所表现出来的严重缺陷，为了弥补其不足，更为了扩展其性能，所以
人们才考虑将人类智能与人工智能结合起来，将各种人工智能的思想、方法和技术引入到
CAPP系统中去。
最近十年，随着 IMS的发展，人们对在制造系统中发挥人的创新能力和人的智能给予了高度
关注。因此，在国内学者提出了“人机一体化”思想的同时，国外也提出了“Holonic制造
系统”(Holonicmanufacturingsystem:HMS)的概念，且成为国际合作研究计划 IMS的项目之
一。在 HMS中，人在制造中的作用被重新定义和更加重视。人不再被看作是干预因素，而是
被当作构成整个制造环境中一个重要的组成部分，并使个人技能得以充分发挥。在 CAPP的
研究与实践中，笔者也认识到两个基本准则:一是人的积极参与，不仅不会削弱 CAPP系统的
整体性能和运行质量，而且会在更大程度上提高 CAPP系统的集成度和智能水平；二是人在
系统中扮演的角色将更加重要，人将永远是系统中最有创造性的知识源和关键问题的最终决
策者。王先逵教授提出:建立一种“人机一体化”的智能系统，充分发挥人的智能优势，以
合理的代价实现较高的智能，这在很长一段时间内将是开发 CAPP系统的一个指导原则。
根据上述原则，在开发 CAPP系统时，就应该基于人机一体化思想，将人类智能与人工智能
技术结合起来，研究工艺规划中人与计算机之间的耦合关系和协作方式，将过去的“完全智
能化”变为“适当智能化”，将以往“以计算机为中心的人机交互”方式转变为“以人为中
心的人机一体”方式，并应用各种人工智能技术，实现各阶段各种有效的智能化在线辅助，
从而建立一种新型的面向人的人机智能化 CAPP系统。图 1给出了一种人机智能化 CAPP系统
框架。
在图 1中，系统的核心是人机协同决策模块。其基本思想是使人和计算机处在平等合作的地
位上，使两者的决策既有分工又有协作。一方面通过人机决策任务分配，将适合于计算机的
决策任务交给计算机去做，如加工刀具选择决策和工艺尺寸计算决策等，将适合于人的决策
任务交给人去做，如加工顺序决策和装夹方案决策等。两者在共同决策过程中取长补短，协
商决策，以达成共识。另一方面，由于人和计算机解决问题的方式、程序及其知识有所不同，
所以人和计算机对有些问题可以同时做出决策，最后通过综合评价得到比较合理的结果。通
过这样的人机共同决策将人类智能与人工智能融合在一起，能够进一步提高决策的可靠性，
但这种决策方式的全面实现还有待于机器学习以及对人类语言理解的进一步提高。
4人机智能化 CAPP系统的关键技术
在人机智能化 CAPP系统中，根据“以人为中心、人机一体化”的思想，采取“人机交互感
知、人机综合推理、人机协同决策”的技术路线，人与计算机共同组成一个综合系统，通过
人机智能接口，在人与计算机之间建立一种新型的耦合关系，从而实现人机最佳协同合作。
在这里，人机耦合是整个系统的瓶颈，而计算机技术和信息技术是实现人机耦合的核心，超
介质处理方法(即可视化技术、虚拟现实技术和智能体技术等)是实现人机耦合的手段。
人机交互感知技术
(1)人类子系统通过视觉、听觉、触觉等感觉器官感知制造系统内部和外部的各种信息(包括
零件工艺信息)，并将筛选后的有用信息输入给系统的处理模块，为零件的初始工艺设计或
工艺规程的实时修正提供依据；
(2)计算机子系统通过扫描仪、数码摄像、语音录入、传感器等物理设备感知图纸、零件和
声音信息以及制造系统在运行过程中的其它信息，在对各类信息进行归纳整理后，从中提取
为工艺设计所需要的信息；
(3)计算机子系统通过 CAD/CAPP/CAM集成系统感知与工艺设计相关的信息，并将所感知的信
息进行加工处理后再传递给人类子系统，让人类子系统进行二次感知。
经过人机交互感知，使系统获得更完备、更准确、更可靠的工艺设计信息。
人机综合推理技术
对于面向人的工艺设计系统，应采用“层次分解、逐步求精”的方法，按照工艺理论与工艺
习惯分层次分阶段进行规划。为此，需要将工艺设计任务分解为“毛坯设计、装夹方案设计、
加工方法决策、加工顺序决策、设备与工装选择、工序设计和工艺规程设计”7个子任务。
每个子任务又可再划分为若干个子子任务。这样，人机综合推理就可以对系统中的所有子任
务进行求解，全部子任务求解结束后，工艺规程即告完成。
(1)计算机子系统应该充分发挥逻辑推理能力和计算能力的特长，利用工艺知识库和综合数
据库进行严密的逻辑推理，得出多个可行的、完整的零件工艺规程；
(2)人类子系统应该发挥形象思维和灵感思维的优势，运用过去积累的经验和直觉对人机交
互感知的信息进行综合判断，得出可行的工艺方案(该方案可以是完整的工艺路线，也可以
是几个重要工序的安排，还可以是某个工序工步的特殊安排)。
人机协同决策技术
在已获得的零件工艺规程基础上，根据零件特征、加工条件、生产环境、工艺习惯等进行决
策。
(1)计算机子系统对多个工艺方案进行初步评价，得出符合当前制造环境的备选工艺方案；
(2)根据模糊综合评判原则，人类子系统和计算机子系统协同对备选工艺方案进行综合评判，
找出最佳工艺方案；
(3)人类子系统对最佳工艺方案进行修正与调整。特别对于定位装夹方案、工序工步排序和
特殊工序安排等内容，应采取人主机辅的原则进行决策。
5结语
综上所述，在制造系统中，人的核心作用是不可替代的。在制造系统的人—机关系问题上，
CIMS最初的思想是强调高度自动化，但在研究和应用实践中产生的种种问题，使人们逐渐认
识到了适度自动化的重要性。所以，对于 CAPP系统的发展，应采取以人为中心，人机一体
的技术路线，建立一种新型的面向人的 CAPP人机一体化智能系统。人与计算机相互合作，
各自执行自己最擅长的工作。人类智能与人工智能相互补充，共同感知，共同思维、协同决
策，以合理的代价实现较高的智能，使 CAPP系统达到最佳的经济目标和最佳的整体效益。
当然，我们还需要进行进一步的理论研究和实践探索，着重解决在感知、思维、决策这三个
层面上人机耦合的内在机制和实现方法，从而真正提高 CAPP系统的实用化和工程化水平。
(end
