第十章機械CAD/CAM系統(tǒng)集成CAD/CAM技術本章

學習目標

理解CAD/CAM集成系統(tǒng)的概念、體系結構和基本組成掌握CAD/CAM系統(tǒng)的集成方法了解產品數(shù)據交換標準理解PDM的基本概念和體系結構學習基于PDM的CAD/CAM集成系統(tǒng)的集成方式和系統(tǒng)組成重點：CAD/CAM系統(tǒng)的集成技術和方法學習內容CAD/CAM集成技術概述產品數(shù)據模型產品數(shù)據交換標準基于PDM平臺的機械CAD/CAM集成技術重點：CAD/CAM數(shù)據交換標準1.CAD/CAM集成技術概述CAD/CAM集成技術的定義CAD/CAM集成系統(tǒng)總體結構CAD/CAM集成系統(tǒng)數(shù)據流程圖CAD/CAM信息集成方式CAD/CAM集成的關鍵技術

隨著計算機技術日益廣泛深入的應用，人們很快發(fā)現(xiàn)，采用各自獨立的系統(tǒng)不能實現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動傳遞和交換，不但影響效率的提高，而且人工轉換過程中難免會發(fā)生錯誤

近年來，獨立的CAD、CAPP、CAM、CAE、CAFD系統(tǒng)獲得了飛速發(fā)展，分別在產品設計自動化、工藝過程設計自動化和數(shù)控編程自動化等方面起到了重要的作用CAD/CAM集成技術的定義集成系統(tǒng)應具備基本特征：

數(shù)據共享：系統(tǒng)各部分的輸入可一次性完成，每一部分不必重新初始化，各子系統(tǒng)產生的輸出可為其它有關的子系統(tǒng)直接接收使用，不必人工干預系統(tǒng)集成化：系統(tǒng)中功能不同的軟件系統(tǒng)，按不同用途有機的結合起來，用統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序來組織各種信息的傳遞，保證系統(tǒng)內信息流暢通，并協(xié)調各子系統(tǒng)有效地運行開放性：系統(tǒng)采用開放式體系結構和通用接口標準

系統(tǒng)內部，各個組成部分之間易于數(shù)據交換、易于擴充

系統(tǒng)外部，一個系統(tǒng)能有效地嵌入另一個系統(tǒng)中作為其組成部分，或者通過外部接口，有效地連接、實現(xiàn)數(shù)據交換CAD/CAM集成系統(tǒng)總體結構新一代CAD/CAM集成系統(tǒng)采用數(shù)據驅動型系統(tǒng)

基本出發(fā)點：著眼產品整個生命周期，尋求產品數(shù)據完全實現(xiàn)交換和共享的途徑，以期在更高的程度和更寬的范圍實現(xiàn)集成

主要途徑：采用STEP產品數(shù)據交換標準，逐步實現(xiàn)統(tǒng)一的系統(tǒng)信息結構設計和系統(tǒng)功能設計

從應用角度，CAD/CAM集成系統(tǒng)一般采用遞階控制體系結構，包括公司、廠/所、工作站（單元）及設備等五層

遞階控制的體系結構從應用角度：

CAD/CAM集成系統(tǒng)，一般采用遞階控制體系結構，包括公司、廠/所、車間、工作站（單元）及設備等五層主要任務是市場預測、生產規(guī)劃及資源規(guī)劃、對向廠/所下達的任務及進度進行宏觀調控根據公司下達的計劃任務，以產生管理功能為核心，制定主生產計劃、物料需求計劃、生產能力需求計劃，并向EDS和MAS分別下達設計任務和生產任務；制定質量規(guī)劃、檢測計劃、綜合質量管理信息、向車間下達產品質量的管理任務；完成無圖紙的CAD、CAPP、CAFD和CAM任務從計算機實現(xiàn)角度：

CAD/CAM系統(tǒng)的層次結構可分為計算機硬件與系統(tǒng)軟件、網絡、數(shù)據庫、應用集成框架/協(xié)同工作環(huán)境及應用軟件五層遞階控制的體系結構從應用角度：

CAD/CAM集成系統(tǒng)，一般采用遞階控制體系結構，包括公司、廠/所、車間、工作站（單元）及設備等五層對工廠層下達的生產計劃進行分解和車間作業(yè)調度仿真，并向各工作站下達并監(jiān)控刀夾具、物料調度及加工任務；向工作站層下達并監(jiān)控有關質量檢測任務；向工廠層反饋車間生產狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)向各工作站管轄的設備下達工作任務，完成物料庫的數(shù)據采集、監(jiān)控和管理，向各測量設備分配檢測任務，并進行管理和監(jiān)控；向車間層提供加工、庫存及測量等多類數(shù)據完成各類加工、測量和物料儲運工作從計算機實現(xiàn)角度：

CAD/CAM系統(tǒng)的層次結構可分為計算機硬件與系統(tǒng)軟件、網絡、數(shù)據庫、應用集成框架/協(xié)同工作環(huán)境及應用軟件五層遞階控制結構圖經營決策決策層企業(yè)規(guī)劃勞動人事銷售管理計劃調度采購管理質量管理工程技術財務管理庫存管理鑄造車間鍛壓車間機加工一機加工二檢修車間機加工三熱處理焊接車間裝配車間底層設備車間層管理層設備層底層設備CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)數(shù)據流程圖工藝文件產品模型參數(shù)化設計線框模型曲面模型實體模型特征模型分析和模擬有限元分析動力學分析運動學分析模態(tài)分析電路分析繪制工程圖2D/3D繪圖完成圖紙、文檔輸出圖文管理工藝過程設計選擇加工方法選擇加工參數(shù)生成工藝文件檢驗結果輔助制造刀具軌跡生成后處理機器人程序設計管理信息分系統(tǒng)計劃管理采購管理生產管理銷售管理財務管理制造自動化分系統(tǒng)材料加工機器人系統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)傳送線NC.CNC.DNC自動測試CADERPMASCADCAPPCAMCAE文件設計模型模型模型模型設計狀態(tài)要求BOM數(shù)據加工方法工藝規(guī)程加工參數(shù)編程數(shù)據自動測試數(shù)據生產調度指令CAD/CAM信息集成方式通過專用格式文件的集成方式

通過標準格式中性數(shù)據文件的集成方式利用工程數(shù)據庫進行系統(tǒng)集成CAD/CAM的集成方式大體分為：系統(tǒng)的集成：將不同功能、不同開發(fā)商的單元系統(tǒng)集成到一起，形成一個完整的CAD/CAM系統(tǒng)

配置靈活，選擇余地大集成的系統(tǒng)：將要用的功能都全都集成到一個系統(tǒng)中，采用統(tǒng)一產品數(shù)據模型的共享機制

不容易做到廣泛意義上的CAD/CAM，在一些特定行業(yè)或部門應用非常成功通過專用格式文件的集成方式顯然，這種方法無法實現(xiàn)廣泛的數(shù)據共享，數(shù)據的安全性和可維護性較差，僅適用于小范圍、結構簡單的機械CAD/CAM系統(tǒng)的信息集成。對于相同的開發(fā)和應用環(huán)境，各系統(tǒng)之間可協(xié)調確定統(tǒng)一的數(shù)據格式文件，便可實現(xiàn)系統(tǒng)間的信息互聯(lián)；而在不同的開發(fā)應用環(huán)境下，則需要在各系統(tǒng)與專用數(shù)據文件之間開發(fā)專用的數(shù)據轉換接口，進行前置和后置處理，以實現(xiàn)系統(tǒng)間的集成該信息集成方式簡單，轉換接口程序易于實現(xiàn)，運行效率較高。早期CAD單元系統(tǒng)的獨立性非常強，往往是提供一種專門的數(shù)據格式，應用非常不便通過標準格式中性數(shù)據文件的集成方式作為系統(tǒng)集成的接口，應用最多的標準數(shù)據格式是美國國家標準局（NBS）主持開發(fā)的數(shù)據交換規(guī)范IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）為克服專用數(shù)據接口集成模式的弊端，有些系統(tǒng)開發(fā)商提出用通用數(shù)據格式作為系統(tǒng)集成的接口應用系統(tǒng)數(shù)據按標準格式輸入/輸出，就可集成到一起比較典型的公用數(shù)據交換標準：IGES、STEP、GKS、VDI…利用工程數(shù)據庫進行系統(tǒng)集成

CAD/CAM集成系統(tǒng)通常采用工程數(shù)據庫從產品設計到制造的所有環(huán)節(jié)都與工程數(shù)據庫有數(shù)據交換，實現(xiàn)了數(shù)據的全系統(tǒng)共享工程數(shù)據庫在存儲管理大量復雜數(shù)據方面具有獨到之處，使以工程數(shù)據庫核心構建的CAD/CAM集成系統(tǒng)得到了廣泛應用CAD/CAM集成的關鍵技術特征技術集成數(shù)據管理產品數(shù)據交換標準集成框架CAD/CAM集成的關鍵是CAD、CAPP、CAM、CAE之間的數(shù)據交換與共享建立CAD/CAE/CAPP/CAM范圍內相對統(tǒng)一的、基于特征的產品定義模型，運用產品數(shù)據交換技術，實現(xiàn)CAD、CAE、CAPP和CAM間的數(shù)據交換與共享該模型不僅要求能支持設計與制造各階段所需的產品定義信息（幾何信息、拓撲信息、工藝和加工信息），而且應該提供符合人們思維方式的高層次工程描述語義特征，表達工程師的設計與制造意圖CAD/CAM集成的關鍵技術特征技術集成數(shù)據管理產品數(shù)據交換標準集成框架CAD/CAM集成的關鍵是CAD、CAPP、CAM、CAE之間的數(shù)據交換與共享已有CAD/CAM系統(tǒng)集成，主要通過文件實現(xiàn)CAD與CAM之間的數(shù)據交換，不同子系統(tǒng)文件之間要通過數(shù)據接口轉換，傳輸效率不高為了提高數(shù)據傳輸效率和系統(tǒng)的集成化程度，保證各系統(tǒng)之間數(shù)據的一致性、可靠性和數(shù)據共享，采用工程數(shù)據庫管理系統(tǒng)來管理集成數(shù)據，使各系統(tǒng)之間直接進行信息交換，真正實現(xiàn)CAD/CAM之間信息交換與共享CAD/CAM集成的關鍵技術特征技術集成數(shù)據管理產品數(shù)據交換標準CAD/CAM集成的關鍵是CAD、CAPP、CAM、CAE之間的數(shù)據交換與共享產品數(shù)據交換標準是CAD/CAE/CAPP/CAM集成的重要基礎為了提高數(shù)據交換的速度，保證數(shù)據傳輸完整、可靠和有效，必須采用通用的標準化數(shù)據交換標準２.產品數(shù)據模型

產品數(shù)據是指產品生命周期內各個階段有關產品的數(shù)據總和。一個完整的產品數(shù)據模型不僅是產品數(shù)據的集合，而且能反映出各類數(shù)據的表達方式以及相互間的關系。只有建立在一定表達方式基礎上的產品模型，才能有效地為各種應用系統(tǒng)所接受。按照產品模型所作用范圍和復雜程度，產品數(shù)據模型可分為零件信息模型和產品信息模型。

零件信息模型

零件信息模型是描述零件相關信息的數(shù)據集合。零件信息模型應能表達零件的各類特征信息，包括管理特征信息、形狀特征信息、精度特征信息、材料熱處理特征信息和技術特征信息等?；谔卣鞯牧慵畔⒛Ｐ涂傮w結構是一個層次型結構，它包含零件層、特征層和幾何層三個層次產品信息模型

產品信息模型是指產品從原材料到成品的整個設計和制造過程所需要的信息總和。構成產品的元素包括部件、組件和零件產品結構信息：①工程圖形信息；②基本屬性信息；③裝配信息。3.產品數(shù)據交換標準產品數(shù)據交換標準概述IGES標準STEP標準數(shù)據格式標準是規(guī)范產品設計的一種描述式語言,用來實現(xiàn)CAD工具或設計師之間的數(shù)據傳遞、原理圖和版圖之間的數(shù)據交換以及設計與制造測試之間的無縫銜接…歷史上CAD、CAM軟件最初開發(fā)過程中的孤島顯現(xiàn)，導致了數(shù)據表示格式的不統(tǒng)一，使用不同系統(tǒng)、不同模塊間的數(shù)據交換難于進行，數(shù)據交換欠缺標準化間接導致了設計/制造的成本上升，影響了CAD/CAM集成，因此提出了通用的數(shù)據交換規(guī)范產品數(shù)據交換標準概述

產品數(shù)據交換技術是實現(xiàn)機械CAD／CAPP／CAM系統(tǒng)集成的關鍵技術之一，也是實現(xiàn)制造業(yè)信息化的重要基礎。

為此，近20年來世界各國相繼推出了眾多有關產品數(shù)據交換的標準，如：(1)CAD*I標準接口(CADInterface)(2)產品定義數(shù)據接口(ProductDataDefinitionInterface，PDDI)(3)產品數(shù)據交換規(guī)范(ProductDataExchangeSpecification，PDES)(4)數(shù)據交換規(guī)范(Standardd'ExchangeetdeTransfer，SET)(5)產品模型數(shù)據交換標準(STEP)IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）在CAD/CAM技術的廣泛應用中，產生了在各個系統(tǒng)中進行產品信息交換的要求，從而導致了產品數(shù)據交換標準的制訂

1980年，由美國國家標準局主持成立了由波音公司和通用電氣公司參加的技術委員會，制訂了基本圖形交換規(guī)范IGES應用中暴露的主要問題：大多數(shù)IGES處理程序不支持ASCII碼格式，數(shù)據文件大，數(shù)據轉換處理時間長；某些幾何類型轉換不穩(wěn)定；規(guī)范描述內容是幾何層的，缺乏CAM所需的工程信息；只注意了圖形數(shù)據轉換而忽略了其他信息的轉換

IGES仍然是目前為廣泛使用的事實上的國際標準數(shù)據交換格式我國于1993年9月起將IGES3.0作為國家推薦標準IGES文件結構IGES文件由五或六段組成：（1）標志（FLAG)段(僅出現(xiàn)在二進制或壓縮的ASCII文件格式中)；（2）開始（START）段；（3）全局（GLOBAL）段；（4）元素索引（DIRECTORYENTRY）段；（5）參數(shù)數(shù)據（PARAMTERDATA）段；（6）結束（TERMINATE）段

IGES數(shù)據交換文件中表示信息的基本單位是元素，每種元素都有唯一的元素類型號與之對應

IGES標準中定義了五類元素：曲線和曲面幾何元素、構造實體幾何CSG元素、邊界B-Rep實體元素、標注元素和結構元素元素類型號0000到0599和0700到5000由IGES標準本身使用

元素類型號0600到0699和10000到99999作為宏元素STEP（StandardfortheExchangeofProductmodeldata）

STEP是基于集成的產品信息模型，提供了一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，它規(guī)定了產品設計、開發(fā)、制造，甚至于產品全部生命周期中所包括的諸如產品形狀、解析模型、材料、加工方法、組裝分解順序、檢驗測試等必要的信息定義和數(shù)據交換的外部描述

ISO于1983年2月在負責工業(yè)自動化系統(tǒng)的技術委員會TCIS4內成立了產品數(shù)據的外部表示分會SC4，制定國際標準《ISO10303—產品數(shù)據的表達與交換》（又稱產品模型數(shù)據交換標準STEP）

STEP標準已經成為國際公認的CAD數(shù)據文件交換全球統(tǒng)一標準，許多國家都依據STEP標準制訂了相應的國家標準，我國標準號為GB16656

STEP為產品在其生命周期內規(guī)定了惟一的描述和計算機可處理的信息表達形式STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）

STEP采用統(tǒng)一的產品數(shù)據模型以及統(tǒng)一的數(shù)據管理軟件來管理產品數(shù)據，各系統(tǒng)間可直接進行信息交換，是新一代面向產品數(shù)據定義的數(shù)據交換和表達標準STEP標準提供實現(xiàn)產品數(shù)據共享的四個層次：

ASCII碼中性文件；

訪問內存結構數(shù)據的應用程序界面；

共享數(shù)據庫共享知識庫

STEP的應用范圍非常廣泛

STEP標準內部劃分成許多子標準，內容分別涉及幾何、拓撲、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材料、產品數(shù)據表示、繪圖、機械產品結構、建筑工程結構、船舶模型、電子產品、有限元分析以及數(shù)據轉換等。后續(xù)版本還增加了運動機構、標準零件、工藝規(guī)程、質量管理、加工制造、測試和產品壽命等內容

STEP標準存在的問題：整個體系極其龐大，標準的制訂過程進展緩慢，數(shù)據文件比IGES更大

STEP采用EXPRESS語言描述信息模型，便于表示復雜實體，表達形式統(tǒng)一

STEP采用應用協(xié)議（ApplicationProtocol）保證語義一致性應用協(xié)議說明了如何用STEP標準的集成資源來解釋產品數(shù)據模型以滿足工業(yè)需求，即根據不同應用領域的實際需要，選定標準的邏輯子集或加上必須補充的信息作為標準強制地要求各應用系統(tǒng)在交換、傳輸與存儲產品數(shù)據時符合應用協(xié)議的規(guī)定。4.基于PDM平臺的機械CAD/CAM集成技術

PDM技術的產生與發(fā)展PDM系統(tǒng)的體系結構PDM功能PDM技術基于PDM的CAD/CAM集成PDM技術的最新發(fā)展動態(tài)產品數(shù)據管理（PDM）以軟件為基礎，是一門管理所有與產品相關的信息（包括電子文檔、數(shù)字化文件、數(shù)據庫記錄…）和所有與產品相關的過程（包括工作流程和更改流程）技術。它提供產品全生命周期的信息管理，并可在企業(yè)范圍內為產品設計與制造建立一個并行化的協(xié)作環(huán)境PDM技術的產生與發(fā)展

PDM(ProductDataManagement

)技術20世紀80年代發(fā)源于美國早期的PDM，功能比較單一，主要是進行大量工程圖紙文檔的管理，所以稱為文檔管理經過20年的發(fā)展，PDM已經成為一項很有應用價值的技術，是對工程數(shù)據管理、文檔管理、產品信息管理、技術數(shù)據管理、技術信息管理、圖象管理等信息管理技術的一種概括隨著網絡技術、數(shù)據庫技術的發(fā)展，以及客戶機/服務器與面向對象技術的應用，近幾年PDM技術發(fā)展非?？欤诿绹劝l(fā)達國家的企業(yè)中得到越來越多的應用，也引起國內企業(yè)廣泛關注一個成熟的PDM系統(tǒng)能夠使所有參與創(chuàng)建、交流以及維護產品設計意圖的人員在整個產品生命周期中自由共享與產品相關的所有異構數(shù)據，如圖紙與數(shù)字化文檔、CAD文件和產品結構…PDM系統(tǒng)的體系結構

PDM以計算機網絡環(huán)境下的分布數(shù)據庫系統(tǒng)為技術支撐，采用客戶/服務器結構和工作方式，在企業(yè)范圍內為產品設計與制造建立一個并行化的協(xié)作環(huán)境產品數(shù)據管理以軟件為基礎，是一門管理所有與產品相關的信息（包括電子文檔、數(shù)字化文件、數(shù)據庫記錄…）和所有與產品相關的過程（包括工作流程和更改流程）技術，提供產品全生命周期的信息管理PDM功能電子倉庫與文檔管理產品結構與配置管理工作流與過程管理集成開發(fā)接口零件分類管理工程變更管理項目管理集成工具電子協(xié)作

…PDM系統(tǒng)管理和控制所有與產品相關的信息，以及與產品相關的過程的機制與功能按功能模塊劃分，PDM系統(tǒng)的基本功能包括：電子倉庫與文檔管理電子倉庫（datavault）：在PDM中實現(xiàn)某種特定數(shù)據存儲機制的元數(shù)據（管理數(shù)據的數(shù)據）庫及其管理系統(tǒng)，是PDM系統(tǒng)中最基本、最核心的功能，是實現(xiàn)PDM系統(tǒng)中其他相關功能的基礎文檔：在產品的整個生命周期中與產品相關的以文件或圖擋的形式存在的多種多樣信息電子倉庫通過權限控制來保證產品數(shù)據的安全性，面向對象的數(shù)據庫組織方式能夠提供更快速有效的信息訪問，實現(xiàn)信息透明、過程透明，而無需了解應用軟件的運行路徑、有效版本以及文檔的物理位置等信息PDM中管理文檔方法：文檔“打包”管理，即將文檔整體看作一個對象，規(guī)定其名稱、大小等描述信息，并將這些信息存放在PDM數(shù)據庫表中，而文檔的物理位置仍然在操作系統(tǒng)目錄下，由PDM提供管理該文檔；將文檔內容打散，將其內容分門別類放到數(shù)據庫中，由PDM提供分類查詢，或建立與其他數(shù)據庫中對象的關聯(lián)，并提供圖示化的管理工具產品結構與配置管理

產品結構與配置管理（productstructureandconfigurationmanagement）作為產品數(shù)據組織與管理的一種形式，以電子倉庫為底層支持，以材料明細表為其組織核心，把定義最終產品的所有工程數(shù)據和文檔聯(lián)系起來，實現(xiàn)產品數(shù)據的組織、管理與控制，并在一定目標或規(guī)則約束下，向用戶或應用系統(tǒng)提供產品結構的不同視圖和描述，如設計視圖、裝配視圖、制造視圖、計劃視圖…提供給用戶的產品結構與配置管理基本功能主要包括：

1.產品材料明細表的創(chuàng)建與修改；

2.產品材料明細表的版本控制；

3.支持對“零件和或子部件被哪些部件采用”和“部件采用了哪些零件或子部件”的查詢；

4.支持對產品文檔的查詢；

5.產品材料明細表的多視圖管理；

6.系列化產品結構視圖管理工作流與過程管理工作流與過程管理是PDM基本功能之一。它用來定義和控制數(shù)據操作的基本過程，主要管理用戶操作數(shù)據過程中人與人之間或活動與活動之間的數(shù)據流向，以及在一個項目的生命周期內跟蹤所有事務和數(shù)據的活動。這里的數(shù)據可以是前述需要納入流程中管理的各種文檔。在企業(yè)中，過程管理廣泛用來跟蹤和控制產品的設計和修改過程，以增強產品開發(fā)過程的自動化程度。同時，運用PDM中特定的過程建模工具，還能對產品開發(fā)過程進行重組，規(guī)范開發(fā)流程，減低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，獲取最大的經濟效益工作流與過程管理的功能包括：

1.定義并建立工作流程；

2.運行并控制工作流程；

3.察看流程中文檔的狀態(tài)集成開發(fā)接口企業(yè)情況千差萬別，用戶要求多種多樣，沒有一種PDM系統(tǒng)可以適應所有企業(yè)情況，就要求PDM系統(tǒng)具有強大的客戶化工具包，使PDM實施人員可以針對企業(yè)具體情況定制零件分類管理

PDM中產品結構管理是從某個產品或部件的構成中考察部件在其中的作用及其屬性，而一個零件或部件往往在多處使用，不完全隸屬某個產品，具有脫離產品獨立存在的特點。如可以零件為中心，組織有關產品信息，達到便于檢索、便于借用和信息重用的目的，是零件分類管理的目標。零件分類管理就是將零件按照相似性原則劃分成若干類，分別加以管理PDM的零件分類管理提供的基本功能包括：

1.基于屬性的相似零件和文檔對象，以及基于屬性的標準零件和文檔對象的檢索；

2.建立零件、文檔對象與零件族的關系；

3.定義與維護分類模式（如分類碼、分類結構、標準接口等）的基本機制；

4.定義與維護缺省的或用戶自定義屬性關系工程變更管理工程變更是生產過程中不可避免的事情在一個企業(yè)中，工程變更請求與工程變更指令兩部分內容下游人員（如生產人員、組裝人員等）發(fā)現(xiàn)問題后，必須向上游人員（如設計人員）提出更改請求。提出請求時，要求說明更改原因，指明更改內容，并將更改請求提交流程管理部門審批，只有通過審批簽發(fā)的更改請求才能實施。原信息修改完畢后，要求通知到相關人員，并修改相關受影響的信息PDM技術分析狹義地講，PDM僅管理與工程設計相關的領域內的信息廣義地講，PDM覆蓋從產品的市場需求分析、產品設計、制造、銷售、服務與維護的全過程，即全生命周期中的信息PDM