現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)技術(shù)

——CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)CIMS（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）西北工業(yè)大學(xué)許建ujx@CIMS提綱概念、技術(shù)和功能1數(shù)字化設(shè)計(jì)2數(shù)字化管理4數(shù)字化制造3集成與協(xié)同5結(jié)束語(yǔ)6提綱P4C集成技術(shù)1集成實(shí)例2CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)由于CAD/CAPP/CAM等是從生產(chǎn)過(guò)程的不同側(cè)面分別發(fā)展起來(lái)的、分別獨(dú)立的自動(dòng)化孤島，各自的信息處理過(guò)程都存在著特殊性，彼此間的模型定義、實(shí)現(xiàn)手段和存取方法均有差異，信息難以交換，資源不能共享。兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)：開(kāi)發(fā)新一代Cax集成系統(tǒng)：人力、物力、資源建立接口，實(shí)現(xiàn)信息集成：通過(guò)不同CAX系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射與數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)源和分布環(huán)境下的數(shù)據(jù)互操作和數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)集成CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)集成方式通過(guò)專(zhuān)用數(shù)據(jù)格式文件交換產(chǎn)品信息的集成方式通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的文件交換產(chǎn)品信息的集成方式通過(guò)統(tǒng)一的產(chǎn)品模型交換信息的集成方式：采用統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，并采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理軟件來(lái)管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)。CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在這些標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上所提出來(lái)的,其目標(biāo)是提供一種獨(dú)立于任何特殊系統(tǒng)的能描述產(chǎn)品整個(gè)生命周期中有關(guān)數(shù)據(jù)的機(jī)制。在STEP標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，各CAx系統(tǒng)只需準(zhǔn)備STEP文件輸入和輸出翻譯器，即可實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的通信和銜接。STEP為CAD/CAM信息集成提供了一整套方法和理論，其中包括模型描述方法和語(yǔ)言、STEP文件文本規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)存取界面規(guī)范、集成資源、應(yīng)用協(xié)議開(kāi)發(fā)指南、一致性測(cè)試方法論，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換三種模式（文件交換、應(yīng)用編程接口和數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)）。作為產(chǎn)品整個(gè)生命周期的數(shù)據(jù)表示與交換標(biāo)準(zhǔn)，STEP在實(shí)際需求中產(chǎn)生，也在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)展。CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)STEP的目標(biāo)是提供整個(gè)產(chǎn)品生命周期的產(chǎn)品信息描述和交換機(jī)制，且獨(dú)立于任何應(yīng)用系統(tǒng)。該標(biāo)準(zhǔn)的基本功能有兩個(gè)，一是產(chǎn)品信息的表達(dá)；二是產(chǎn)品信息的交換，包括存取、轉(zhuǎn)換和歸檔。應(yīng)用層：該層面向具體應(yīng)用，包括應(yīng)用協(xié)議及對(duì)應(yīng)的抽象測(cè)試集，以形式化定義語(yǔ)言或圖表的方式表達(dá)各應(yīng)用領(lǐng)域定制的產(chǎn)品信息參考模型。邏輯層：該層從實(shí)際應(yīng)用中抽象出來(lái)，包括通用集成資源和應(yīng)用集成資源，與各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域提供實(shí)體幾何關(guān)系及，用來(lái)描述不同的產(chǎn)品信息模型，并通過(guò)形式化規(guī)格說(shuō)明與物理層建立聯(lián)系。物理層：該層為最低層，包括事實(shí)現(xiàn)方法，給出具體在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)形式。這種層次結(jié)構(gòu)的組織方法使得STEP能夠提供應(yīng)用邏輯上更加完整、語(yǔ)義層次更高、且面向各種應(yīng)用的資源信息模型，以保障應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換邏輯層次上的正確性。CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)STEP標(biāo)準(zhǔn)包括五部分內(nèi)容:描述方法、集成資源、應(yīng)用協(xié)議、實(shí)現(xiàn)形式和一致性測(cè)試。五部分內(nèi)容中,描述方法用于集成資源的定義,由資源模型產(chǎn)生應(yīng)用協(xié)議,應(yīng)用協(xié)議和實(shí)現(xiàn)形式相結(jié)合產(chǎn)生一種STEP實(shí)現(xiàn),一致性測(cè)試則用于測(cè)試STEP實(shí)現(xiàn)是否與標(biāo)準(zhǔn)相一致。五部分內(nèi)容互相溶為一體,共同構(gòu)成STEP標(biāo)準(zhǔn)。CAD/CAPP/CAM/PDM集成技術(shù)提綱P4C集成技術(shù)1集成實(shí)例2飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM/PDM集成系統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體骨架和氣動(dòng)外型的重要組成部分。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的品種繁多、形狀復(fù)雜、材料各異。與一般機(jī)械零件相比，機(jī)械加工零件加工難度大，對(duì)制造水平要求高。例如，壁板、梁、框、座艙蓋骨架等結(jié)構(gòu)件，由構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外型的流線型曲面、各種異型切面、結(jié)合槽口、交點(diǎn)孔結(jié)合成復(fù)雜的實(shí)體。結(jié)構(gòu)件加工不但對(duì)形位精度要求高，而且有嚴(yán)格的重量控制和使用壽命要求。由于現(xiàn)代飛機(jī)性能不斷提高，整體結(jié)構(gòu)件成為廣泛采用的主要承力構(gòu)件。整體結(jié)構(gòu)件的外型準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)剛性好、比強(qiáng)度高、重量輕、氣密性好，采用整體結(jié)構(gòu)件可減少零件和連接件的數(shù)量，裝配變形小，可大大降低制造成本。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM/PDM集成系統(tǒng)從數(shù)控加工的觀點(diǎn)來(lái)看，梁、框、肋、壁板、接頭等飛機(jī)結(jié)構(gòu)件具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)件輪廓與飛機(jī)外型有關(guān)，大部分為直紋曲面。為了減輕重量，進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，往往在結(jié)構(gòu)件上形成各種復(fù)雜型腔。型腔靠近外型的槽腔壁常為直紋曲面，一般加工比較困難。整體結(jié)構(gòu)件的尺寸大、壁薄、易變形。零件槽腔間距離僅3~5mm，腹板厚度也僅有4~5mm，筋頂形狀復(fù)雜。例如，波音737-700水平尾翼肋長(zhǎng)為1900mm，寬為650mm，其腹板厚度僅為0.5~0.7mm，隔板厚度為12mm，材料總利用率為2%。某新型飛機(jī)的整體框零件毛坯重量為1000kg，加工后的重量只有50kg左右。加工精度要求高，有嚴(yán)格的重量控制和使用壽命要求。零件的加工部位大部分集中在上、下兩面。零件整體設(shè)計(jì)方式為裝夾帶來(lái)了便利，可以采用工藝凸臺(tái)、真空吸盤(pán)等裝夾方案設(shè)計(jì)。零件設(shè)計(jì)采用坐標(biāo)尺寸，為工序設(shè)計(jì)、數(shù)控加工帶來(lái)便利。典型零件工藝程編人員

工藝模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD

工藝規(guī)程設(shè)計(jì)CAPP

數(shù)控程編CAMPDM

審批發(fā)放管理更改控制

車(chē)間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃工段月計(jì)劃工段日班作業(yè)計(jì)劃管理人員信息入庫(kù)通知信息出庫(kù)臨時(shí)放置，每日更新：工藝規(guī)程文件數(shù)控代碼文件和程序下載直接輸入DNC質(zhì)量控制與管理QIS信息入庫(kù)檢驗(yàn)人員數(shù)控車(chē)間信息管理模式飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM/PDM集成系統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特征定義用顯式和隱式的混合方式來(lái)描述特征：顯式表達(dá)即用特征所包括的幾何元素來(lái)表達(dá)，而隱式表達(dá)則通過(guò)特征的參數(shù)來(lái)表達(dá)。CAPP主要關(guān)心特征的屬性部分（參數(shù)部分），它們關(guān)系到加工方法、加工方向、刀具參數(shù)等。特征參數(shù)是CAPP進(jìn)行工藝決策的依據(jù)。CAM主要關(guān)心特征的幾何部分，它要利用特征的幾何元素來(lái)進(jìn)行刀位計(jì)算，但也要用到某些特征參數(shù)。從加工制造的觀點(diǎn)而不是從描述零件實(shí)際結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)歸納特征：例如，槽壁為曲面的槽腔，可以歸納為槽腔特征或曲壁槽腔特征。工廠在進(jìn)行粗加工時(shí)，為了在提高加工效率，往往不管側(cè)壁是否為變斜角（曲面壁），而先沿槽腔的最內(nèi)邊界按三坐標(biāo)方式加工直壁槽腔；在半精加工和精加工時(shí)才用五坐標(biāo)方式加工整個(gè)槽壁腔，包括其中的曲面壁（即變斜角側(cè)壁）。在歸納特征時(shí)，可以認(rèn)為槽腔都是直壁的，而把曲面壁定義為另一特征——內(nèi)壁（或稱(chēng)曲壁），作為槽腔的子特征。這種定義方法為CAPP的工序安排和CAM的刀位自動(dòng)生成帶來(lái)很大好處。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM/PDM集成系統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特征定義特征的層次結(jié)構(gòu)：特征之間可以形成樹(shù)狀的層次結(jié)構(gòu)。特征之間是否形成父子關(guān)系。不取決于它們的位置，而是取決于加工時(shí)是否互相影響。例如，槽腔底上有一個(gè)空，加工整體槽腔時(shí)不影響以后孔的加工，他們之間就可以不形成父子關(guān)系。如果考慮對(duì)加工順序的影響，則也可以處理成父子關(guān)系，這取決于CAPP的加工順序原則；但槽腔與槽腔中的凸臺(tái)則一定要形成父子關(guān)系，因?yàn)榧庸げ矍粫r(shí)必須要考慮凸臺(tái)的存在。特征分類(lèi)碼的應(yīng)用：特征名可以由特征分類(lèi)碼、屬性分類(lèi)碼和序號(hào)構(gòu)成。他們?cè)谔卣髂Ｐ椭惺俏ㄒ坏?。其中的屬性分?lèi)碼實(shí)際上是把成組技術(shù)GT在特征層加以運(yùn)用，方便了描述特征的語(yǔ)義信息，且具有較大的信息容量。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM/PDM集成系統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特征定義參數(shù)的設(shè)置依據(jù)CAPP和CAM的需求而定：大多數(shù)特征參數(shù)的設(shè)定是為了滿(mǎn)足CAPP的需求。例如，輪廓特性的正、負(fù)最大擺角參數(shù)可供CAPP選擇切削方式。這是因?yàn)楦鞣N四坐標(biāo)和五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的最大擺角是各不相同的，CAPP應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)床來(lái)進(jìn)行加工。如果加工這種特征要求的擺角過(guò)大，則不能采用四坐標(biāo)或五坐標(biāo)機(jī)床加工，而應(yīng)當(dāng)采用三坐標(biāo)行切的方式來(lái)加工。附加工藝特征：是產(chǎn)品模型上沒(méi)有的，是為了制造的需要另外加上去的特征。例如，在加工整體框時(shí)，為了裝夾方便可以采用工藝凸臺(tái)。如圖中工藝凸臺(tái)上的孔用來(lái)上螺絲固定零件，加工輪廓時(shí)留下厚約5mm的材料，待加工完后切斷。這種裝夾方式的好處是，加工時(shí)不用移動(dòng)夾板，輪廓加工刀位的計(jì)算簡(jiǎn)單，沒(méi)有接刀痕跡。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM/PDM集成系統(tǒng)平底r2斜底r1pos(x,y)·hdr1h1輪廓底面h2r2飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM/PDM集成系統(tǒng)工藝凸臺(tái)下陷槽輪廓筋基于PDM平臺(tái)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM集成制造系統(tǒng)框架基礎(chǔ)層用戶(hù)接口應(yīng)用層用戶(hù)層PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理集成平臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)同工作環(huán)境PDM技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)行工藝制造流程定義工藝結(jié)構(gòu)模型及文檔管理版本及更改管理實(shí)現(xiàn)PDM與3C

的集成。數(shù)控車(chē)間質(zhì)量管理系統(tǒng)提供數(shù)控加工全過(guò)程中質(zhì)量信息的管理進(jìn)行質(zhì)量控制和質(zhì)量狀況分析

與高效數(shù)控系統(tǒng)（FA）的接口NC車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、資源管理生產(chǎn)成本管理、經(jīng)營(yíng)考核管理和工藝信息集成CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)工程化基于CATIA的3CSGI工作站的3C基于UG的3C實(shí)現(xiàn)特征模式的程編方式和無(wú)縫集成CAD/CAPP/CAM集成流程幾何/特征模型制造資源庫(kù)CATIA特征定義NCSet生成后置處理特征接口文件CAPP工藝指令文件NC文件CAM前置工藝文檔刀位文件PDM集成應(yīng)用開(kāi)發(fā)模式PDM技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)零件級(jí)工序級(jí)Jx-04321-1Jx-04321-1.5Jx-04321-1.10.1Jx-04321-1.10Jx-04321-1.10.2零件級(jí)工序級(jí)工步級(jí)PM電子倉(cāng)庫(kù)CATIA模型數(shù)控質(zhì)量信息CAQ數(shù)控車(chē)間質(zhì)量管理系統(tǒng)數(shù)控零件質(zhì)量信息特征定義CAPPCAM“3C”集成系統(tǒng)工步級(jí)BOM信息工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)工藝卡片數(shù)控加工模型數(shù)控加工程序數(shù)控加工模型數(shù)控加工程序工藝結(jié)構(gòu)信息工藝卡片PM電子倉(cāng)庫(kù)CATIA模型接收設(shè)計(jì)信息BOM信息CATIA2D/3D模型特征定義

零件斜橫梁

零件整體框CAPP系統(tǒng)流程刀具庫(kù)（Oracle）物料庫(kù)（Oracle）切削參數(shù)庫(kù)（Oracle）CAPP(WindowsNTLAN)CAD(CATIA、UGII)CAM(CATIA、UGII)特征加工指令文件特征模型(CATIA、UGII)幾何文件(DXF)工序圖編輯(AutoCAD)