产品制造工程设计自动化系统

产品设计与制造工程设计自动化系统是用计算机来辅助产品设计、制造准备以及产品性能测试等阶段的工作，通常称为CAD/CAPP/CAM系统。它可以使产品开发工作高效、有序、优质地进行。各系统间关系如图5-3所示。

图5-3 各系统间关系图

（一）CAD 系统（Computer Aided Design）

CAD系统指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移、复制和旋转等有关的图形数据加工工作。包括产品结构的设计、变形产品的变形设计和模块化结构的产品设计。

1.系统组成

通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要设备有计算机主机、图形显示终端、图形输入板、绘图仪、扫描仪、打印机、磁带机以及各类软件。

（1）工程工作站。一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。它有较强的计算能力，用规范的图形软件，有高分辨率的显示终端，可以联在资源共享的局域网上工作，已形成最流行的CAD系统。

（2）个人计算机。PC系统价格低廉，操作方便，使用灵活。20世纪80年代以后，PC机性能不断翻新，硬件和软件发展迅猛，加之图形卡、高分辨率图形显示器的应用以及PC机网络技术的发展，由PC机构成的CAD系统已大量涌现，而且呈上升趋势。

（3）外围设备。除了计算机主机和一般的外围设备外，计算机辅助设计主要使用图形输入输出设备。交互图形系统对CAD尤为重要。图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。常见的输入设备有键盘、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、鼠标器、图形输入板和数字化仪。图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类。软拷计算机辅助设计CAD设备指各种图形显示设备，是人机交互必不可少的；硬拷贝设备常用作图形显示的附属设备，它把屏幕上的图像复印出来，以便保存。常用的图形显示有三种：有向束显示、存储管显示和光栅扫描显示。有向束显示应用最早，为了使图像清晰，电子束必须不断重画图形，故又称刷新显示，它易于擦除和修改图形，适于作交互图形的手段。存储管显示保存图像而不必刷新，故能显示大量数据，且价格较低。光栅扫描系统能提供彩色图像，图像信息可存放在所谓帧缓冲存储器里，图像的分辨率较高。

（4）软件。除计算机本身的软件如操作系统、编译程序外，CAD主要使用交互式图形显示软件、CAD应用软件和数据管理软件3类软件。2014年以来国内快速崛起的浩辰CAD、中望CAD和AutoCAD等，它们都高度兼容，也是用户的选择之一。

交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看，图形的变换、修改，以及相应的人机交互。CAD应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能，以完成面向机械、广告、建筑、电气各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是：算法、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息。为此，需要建立工程数据库系统。它同一般的数据库系统相比有如下特点：数据类型更加多样，设计过程中实体关系复杂，库中数值和数据结构经常发生变动，设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。

（5）辅助模型。常用的CAD软件，也就是所谓的三维制图软件，较二维的图纸和二维的绘图软件（比如浩辰CAD）而言，三维CAD软件能够更加直观、准确地反映实体和特征。

对于专业企业，因为绘制目标不同，还常存在有多种CAD系统并行的局面，那么就需要配置统一的、具备跨平台能力的零部件数据资源库，将标准件库和外购件库内的模型数据以中间格式（比如通用的有IGS、STEP等）导出到三维构型系统当中去，如主流的Autodesk Inventor,Solid Works,CATIA，中望3D,Pro/E,AutoCAD,UG NX,SolidEdge,Onespace等。在国外，这种网络服务被称为“零部件图书馆”或“数据资源仓库”。航天航空领域使用较多的为Pro/E，飞机和汽车等复杂产品制造领域则使用Catia居多，而中小企业使用Solidworks较多。在欧美和日本的PLM用户中，基于互联网的PLM零部件数据资源平台LinkAble PARTcommunity（简称PCOM）的知名度一点都不亚于今天我们所熟知的BLOG和SNS这样的网络平台。

2.基本技术

主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。

在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的。交互式CAD系统，指用户在使用计算机系统进行设计时，人和机器可以及时地交换信息。采用交互式系统，人们可以边构思、边打样、边修改，随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果，非常直观。

图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视变换；通过矩阵运算来实现图形变换。

计算机设计自动化计算机自身的CAD，旨在实现计算机自身设计和研制过程的自动化或半自动化。研究内容包括功能设计自动化和组装设计自动化，涉及计算机硬件描述语言、系统级模拟、自动逻辑综合、逻辑模拟、微程序设计自动化、自动逻辑划分、自动布局布线，以及相应的交互图形系统和工程数据库系统。集成电路CAD有时也列入计算机设计自动化的范围。

（二）CAPP 系统（Computer Aided Process Planning）

CAPP是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。用计算机按设计要求将原材料加工成产品所需要的详细工作指令完成准备工作。

CAPP（Computer Aided Process Planning，中文意思是计算机辅助工艺规划）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，由计算机自动编码、编程直至最后输出经过优化的工艺规程卡片的过程。这项工作需要有丰富生产经验的工程师进行复杂的规划，并借助计算机图形学、工程数据库以及专家系统等计算机科学技术来实现的。计算机辅助工艺规划常是连接计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的桥梁。

在集成化的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。

1.CAPP系统基本构成

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系统基本的构成模块，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、工序图及其他文档，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。

2.CAPP基础技术

CAPP基础技术包括以下七个方面：

（1）成组技术（Group Technology）。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，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。(www.xing528.com)

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）工序图及其他文档的自动生成。

（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。

3.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（Computer Integrated Manufacturing System）和IMS（Intelligent Manufacturing System）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。

（三）CAM 系统（Computer Aided Manufacturing）

CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）的核心是计算机数值控制（简称数控编程），是通过计算机编程生成机床设备能够读取的NC代码，从而使机床设备运行更加精确、更加高效，为企业节约大量的成本。通常进行刀具路径的规划、刀具轨迹仿真、刀具文件的生成以及NC加工等指令传送给制造自动化系统。

1.CAM系统概述

CAM（computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）的核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、铰、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。

计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作，它的目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围，并根据一个总体的管理策略控制每项作业。从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程，而计算机辅助制造是计算机进入制造过程这样一个总的概念。

一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构网络，它由两级或三级计算机组成，中央计算机控制全局，提供经过处理的信息，主计算机管理某一方面的工作，并对下属的计算机工作站或微型计算机发布指令和进行监控，计算机工作站或微型计算机承担单一的工艺控制过程或管理工作。

计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面：硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等，软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。

计算机辅助制造（CAM,Computer Aided Manufacturing）有狭义和广义的两个概念。CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。到今天，CAM的狭义概念甚至更进一步缩小为NC编程的同义词。CAPP已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP系统来完成。CAM的广义概念包括的内容则多得多，除了上述CAM狭义定义所包含的内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存储、输送）的监视、控制和管理。

2.CAM软件的基本特征

（1）软硬件平台。WinTel结构体系因优异的价格性能比、方便的维护、优异的表现、平实的外围软件支持，已经取代UNIX操作系统成为CAD/CAM集成系统的支持平台。OLE技术及D&M技术的应用将会使系统集成更方便。今后CAM的软件平台无疑将是Windows NT或Windows 2000，硬件平台将是高档PC或NT工作站系列。随着高档NC控制系统的PC化、网络化及CAM的专业化与智能化的发展，甚至机上编程也可能会有较大的发展。

（2）界面形式。今后将摈弃多层菜单式的界面形式，取而代之的是Windows界面，操作简便，并附有项目管理、工艺管理树结构，为PDM的集成打下基础。

（3）基本特点

①面向对象、面向工艺特征的CAM系统。传统CAM局布曲面为目标的体系结构将被改变面向整体模型（实体）、面向工艺特征的结构体系。系统将能够按照工艺要求（CAPP要求）自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/CAPP/CAM的集成化、一体化、自动化、智能化成为可能。

②基于知识的智能化的CAM系统。新一代的CAM系统不仅可继承并智能化判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时面向整体模型的形式也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞修理功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。

③能够独立运行的CAM系统。实现与CAD系统在功能上分离，在网络环境下集成。这需要CAM系统必须具备相当的智能化水平。CAM系统不需要借助CAD功能，根据工艺规程文件自动编程，大大降低对操作人员的要求，也使编程过程更符合数控加工的工程化要求。

④使相关性编程成为可能。尺寸相关、参数式设计、修改的灵活性等CAD领域的特征，自然希望被引申到CAM系统之中。据观察，在该方向的研究有两条不同的思路，以Delcam公司的Power MILL及Work NC为代表，采用面向工艺特征的处理方式，系统以工艺特征提取的自动化来实现CAM编程的自动化。当模型发生变化后，只要按原来的工艺路线重新计算，即实现CAM的自动修改。由计算机自动进行工艺特征与工艺区域的重新判断并全自动处理，使相关性编程成为可能。目前已有成熟的产品上市，并为北美、欧洲等发达国家的工模具界所接受。另据报道，已有公司试图直接将参数化的概念引入CAM中，据称是同一数据库的方式来解决参数化编程问题。据笔者了解，至今未见成功的应用实例及相关报道。从技术角度上，笔者认为，实体的参数化设计是在有限参数下的特殊概念，CAM是按照工艺要求对模型进行的离散化处理，具有无限化（或不确定）参数的特性。因而与参数化CAD有着完全不同的特点。就像参数化的概念一直无法成功地引申到曲面CAD中一样，CAM的参数化也将面临巨大的困难。按加工的工程化概念，CAM不是以几何特征，而应是以工艺特征为目标进行处理。几何特征与工艺特征之间没有必然的、唯一的相关关系，而当几何参数发生变化时，工艺特征的变化没有相关性，存在着某些工艺特征消失或新的工艺特征产生的可能性。所以真正要实现参数式CAM，需要对几何参数与工艺特征间的相关性进行深入研究，并得出确切而且是唯一的相关关系之后才能真正实现。所以就系统的实用性、成功的可能性而言，笔者在技术上更倾向于前者。或许两者会殊途同归。我们将时刻关注并热切希望后者能在技术上有所突破，使CAM技术在参数化道路上实现质的飞跃。

⑤提供更方便的工艺管理手段。CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，也是PDM的重要组成部分。新一代CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及实时修改提供了条件。较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员或产品进行工艺设计，CAM系统可按工艺规程全自动批处理。另外，新一代的CAM系统应能自动生成图文并茂的工艺指导文件，并可以以超文本格式进行网络浏览。

（4）积极影响。新一代的CAM系统将CAM的智能化、自动化、专业化推到一个新的高度，更快地满足现有生产与管理的特定要求，同时新手段的引入也会使管理方式发生相应的变化，使生产过程更规范、更合理。新一代的CAM系统在网络下与CAD系统集成，充分利用了CAD几何信息，又能按专业化分工，合理地安排系统在空间的分布。降低人员的综合性要求，提高了专业化要求，会使操作人员的构成发生相应的变化；同时，由于CAM系统专业化、智能化、自动化水平的提高，将导致机侧编程（Shop Programming）方式的兴起，改变CAM编程与加工人员及现场分离的现象。

经过多年的技术积累，CAM在市场需求、理论基础及外围技术等方面的准备已经成熟，我们有理由相信今后的几年将是CAM技术创新的火热年代。作为应用性终端技术，CAM市场将是群雄并起、多种系统并存的局面，CAM市场永远不会有霸主。今后CAM的发展与走势只能是由市场需求决定。可以肯定的是，CAM的发展一定是朝着网络化、专业集成化的方向发展，一定是朝着方便、快捷、智能、自动化的方向发展。