CAD/CAM集成技术及新发展

1．6CAD/CAM集成技术及新发展

1．6．1CAD/CAM集成技术

如前所述，随着计算机应用技术的发展，计算机辅助设计与制造技术逐步应用到产品的设计、工艺和制造等各生产阶段，先后推出了许多优秀的商品化CAD，CAPP和CAM软件系统，这些独立系统分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化方面起到了重要作用。但由于CAD，CAPP和CAM各项技术长期处于独立发展的状态，彼此间的模型定义、数据结构、外部接口均存在差异，各自只能独立运行。因而，在整个生产过程中自然形成了一个个自动化“孤岛”，不能实现系统之间信息自动传递和交换。采用这种方法，“孤岛”之间的信息传递效率较低，不仅造成了资源上和时间上的浪费，影响了生产效率的进一步提高，而且还由于人为的失误产生数据传递和转换过程中的差错，降低了产品数据的可靠性。

为了充分利用现有的计算机软硬件资源和信息资源，进一步缩短企业产品开发周期，提高生产效率，消除各个领域的“孤岛”现象，20世纪80年代初便出现了CAD/CAM集成技术。产品从市场需求分析开始，经过设计过程和制造过程，使之从抽象的概念变成具体的最终产品。这一过程具体包括产品设计、工艺过程设计、数控编程、加工、检测、装配等阶段，前三者称为工程设计阶段，后三者称为制造实施阶段。上述过程就是所谓的CAD/CAM集成，即将CAD，CAPP，CAM(狭义地指计算机辅助数控编程)以及零件加工等有关信息实现自动传递和转换。

CAD/CAM集成的作用:

(1)共享资源。提高效率，降低成本。

(2)避免CAD/CAM系统之间的传递误差，提高质量。

(3)有利于实现并行作业，缩短周期。

(4)有利于实现DFM(Design For Manufacturing)和DFA(Design For Assembly)。

CAD/CAM集成的方式主要有:通过专用格式文件的集成方式;通过标准格式数据文件的集成方式;利用共享工程数据库进行系统集成;基于产品数据管理(PDM)技术的集成。其中第三种集成是一种较高层次的数据共享和集成方法，各子系统通过用户接口按工程数据库要求直接存取和操作数据库。

产品数据管理(Product Data Management，PDM)是20世纪兴起的一项管理企业产品生命周期内与产品相关数据的技术，PDM集成和发展了设计资源管理、设计过程管理、信息管理等各类系统的优点，应用了并行工程方法学、网络技术、成组技术、客户化技术和数据库技术，以一个共享数据库为中心，能够实现多平台的信息集成。

从图1－3可以看出，PDM系统管理来自CAD系统的信息，包括图形文件和属性信息。图形文件既可以是零部件的三维模型，也可以是二维工程视图;零部件的属性信息包括材料、加工、装配、采购、成本等多种与设计、生产和经营有关的信息。首先在PDM系统中建立了企业的基本信息库，如材料、刀具、工艺等与产品有关的基本数据。因此在PDM环境下CAPP系统无需直接从CAD系统中获取零部件的几何信息，而是从PDM系统中获取正确的几何信息和相关的加工信息，根据零部件的相似形，从标准工艺库中获取相近的标准工艺，快速生成该零部件的工艺文件，从而实现CAD系统与CAPP系统的集成。同样CAM系统也通过PDM系统，及时准确地获得零部件的几何信息、工艺要求和相应的加工属性，产生正确的刀具轨迹和NC代码，并安全地保存在PDM系统中。由于PDM的数据具有一致性，确保了CAD，CAPP和CAM数据得到有效的管理，因此，真正实现了CAD，CAPP，CAM系统的无缝集成。

图1－3　基于PDM的CAD/CAPP/CAM系统集成

1．6．2以CAD/CAM技术为核心的几种先进制造模式

CAD/CAM集成技术是解决多品种、小批量、高效率生产的最有效途径，是实现自动化生产的基本要素，也是提高设计、制造质量和生产率的最佳方法，同时，它也是进一步实现计算机集成制造(CIMS)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)等众多先进生产模式的重要基础。下面介绍几种以CAD/CAM技术为核心的先进制造模式。

1．计算机集成制造系统(CIMS)

1974年，美国的约瑟夫·哈林顿(Joseph Harrington)博士针对企业所面临的市场激烈竞争形势，提出了组织企业生产的一种新概念——计算机集成制造(Computer Integrated Manufacturing，CIM)。他认为，企业生产的各个环节，包括市场分析、产品设计、加工制造、经营管理及售后服务的全部经营活动，是一个不可分割的整体，要紧密连接，统一考虑;整个经营过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，其最终形成的产品可以看作是数据的物质表现;在企业中主要存在信息流和物质流两种运动过程，而物质流受信息流控制。

CIM的概念到20世纪80年代被人们广泛接受并付诸实施。在实施过程中，对CIM的认识有着各种不同的提法。国际标准化组织(ISO)在1992年提出的CIM的定义:CIM是把人和经营知识及能力与信息技术、制造技术综合应用，以提高制造企业的生产率和灵活性;由此将企业所有的人员、功能、信息和组织诸方面集成为一个整体。

计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacture System，来看CIMS)就是在CIM思想指导下，逐步实现企业全过程计算机化的综合人机系统。CIMS可定义为:通过计算机硬件、软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流和物料流有机集成，并优化运行的复杂系统。

图1－4　CIMS的基本构成

CIM是人、经营和技术三者的集成。如果单从技术组成的角度来看，CIMS包含四个应用分系统和两个支撑分系统，如图1－4所示。四个应用分系统是:管理信息系统(Management Information System，MIS)、工程设计系统(Engineering Design System，EDS)、质量保证系统(Quality Assurance System，QAS)和制造自动化系统(Manufacturing Automation System，MAS)，两个支撑分系统是:数据库(DB)和通讯网络(NET)。

CIMS最重要的特征是集成化。集成的概念不只是把各个单元技术互连起来，而是一个企业内全方位的综合问题。ESPRIT/CIM－OSA把集成过程分为物理系统集成→应用集成→经营集成三个阶段。经营集成是CIMS集成的最高阶段。经营集成中更重要的问题是人的集成，经营思想能否正确贯彻、技术工具能否很好使用，都取决于人。人的集成实际上是技术改造和社会改造相结合的问题，是工程技术和社会科学相结合的问题，需要在CIMS实施中充分重视。

2．并行工程(CE)

始于1987年的并行工程(Concurrent Engineering，CE)思想正在被越来越多的企业所接受和采纳，把它作为抢占国际市场的重要技术手段。因此并行工程成为热门课题。1988年美国国家防御分析研究所(Institute of Defense Analyze，IDA)完整地提出了并行工程的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。”

并行工程技术是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品全生命周期(从概念形成到产品报废)内各阶段的因素(如功能、制造、装配、作业调度、质量、成本、维护与用户需求等等)，并强调各部门的协同工作，通过建立各决策者之间的有效的信息交流与通讯机制，综合考虑各相关因素的影响，使后续环节中可能出现的问题在设计的早期阶段就被发现，得以解决，从而使产品在设计阶段便具有良好的可制造性、可装配性、可维护性及回收再生等方面的特性，最大限度地减少设计反复，缩短设计、生产准备和制造时间。(www.xing528.com)

并行工程的目标为提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。实施并行工程后，可显著的提升企业效益:设计质量改进——使早期生产中工程变更次数减少50%以上;产品设计及其相关过程并行——使产品开发周期缩短40%～60%;产品设计及制造过程一体化——使制造成本降低30%～40%。

3．虚拟制造(VM)

虚拟制造(Virtual Manufacture)首先是基于“虚拟现实(Virtual Reality)”技术而发展起来的。虚拟现实是一种计算机综合化的三维环境，在这个环境中，许多参加入员可以参与或管理该环境中的仿真的物理元部件，或以某些其他形式从事与其他人的交往，这种交往对象可以是过去的、现在的、虚构的或被发明的创造物。虚拟制造就是利用计算机提供强有力的建模和仿真环境，使得任何产品的生产和装配，包括相应的制造工艺过程，都能在计算机上仿真，而不直接消耗物理资源。VM要容纳从底层生产线到企业上层所有的生产过程、工艺计划、调度、装配计划、后勤供应以及其他相关过程，如财会、采购和管理等。它是一种集成的综合的制造环境，用以在一个制造企业中加强所有等级的决策和控制，它可以被描述为一种可以存在也可以不存在的实际制造体系的仿真模型，它掌握了有关过程、过程控制和管理以及产品说明数据的全部信息，其中虚拟模型使得在真实的制造活动发生之前，就能预测产品的功能和可制造性方面的潜在问题。

4．敏捷制造(AM)

1988年美国通用汽车公司和里海大学(Lehigh University)共同提出了敏捷制造(Agile Manufacture)的制造业振兴策略。为了实现新的生产观点，必须更快地设计与开发顾客所需的新产品;以质优价廉赢得顾客满意和支持;对企业的组织机构、管理制度和方法、新产品的设计与开发、制造和营销的运作、制造技术、方法和系统、通讯和信息处理进行变革;重视发挥人的作用、改进人员组织的理论和方法;“政、产、学、研”结合;提高人员教育和培训质量。

敏捷制造的原理:

(1)以竞争能力和信誉度为依据，选择合作伙伴，组成动态(虚拟)公司。

(2)知识、技艺和信息是敏捷制造组织最重要的财富，把人和信息投入底层生产线。

(3)基于合作需要的伙伴间的信任、分工协作和为同一目的全力努力，以增强企业整体的竞争能力。

(4)以满足用户需要的程度作为产品和服务质量的评定标准和获取报酬的依据。

敏捷制造的三大基石:

(1)革新了的组织和管理机构。

(2)柔性技术。

(3)有知识和技艺的工作人员。

5．绿色制造(GM)

随着科学技术的飞速发展，人类文明和进步达到了较高的境界。所有这一切都是人力资源开发自然资源的产物，而其中制造也占有极其重要的地位。一方面，制造业把原料转化成各种各样的产品，直接或间接地为人类的衣、食、住、行服务;另一方面，制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中以及在产品的使用过程中，大量消耗了人类社会几千年甚至上亿年才能形成的有限的自然资源并对环境造成了严重污染。据统计，造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业，每年约产生出55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。今天，在我们享受着高科技成果之际，却不得不面对整个地球的资源短缺、环境恶化、生态系统失衡等全球性危机。在过去，更多的把保护环境的重点放在了污染物的“末端”治理上，而忽略了污染物的全过程控制和预防上。要想彻底解决对环境的污染问题，必须从源头上治理。具体到制造业，就是要考虑产品整个生命周期对环境的影响，最大限度地利用原材料、能源，减少有害废物的排放量，减轻对环境的污染。鉴于制造业面临的以上问题，人们进行了诸多研究并提出了许多解决方法和制造概念。绿色制造(Green Manufacturing，GM)就是其中的一种。

绿色制造是一种哲理和思想制造，又称环境意识制造(Environmentally Conscious Manufacturing，ECM)、面向环境的制造(Manufacturing for Environment，MFE)等。绿色制造的概念是20世纪90年代被提出的，其深刻的内涵尚处于探索发展阶段。综合现有文献的观点和学者们所作的研究，将绿色制造定义为:绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。它是社会可持续发展思想在制造领域的具体化，不只是一些先进制造技术手段和管理方法的加和，仅从制造领域来理解绿色制造必然会带来许多片面性和狭隘性。

绿色制造从产品设计阶段开始考虑防止污染问题，采用绿色的工艺设备和严格的科学管理手段，使废弃物最少化，并尽可能地使废弃物资源化和无害化，从而使企业经济效益和社会效益达到最优。绿色制造强调不仅在产品的全生命周期各阶段对“绿色”的重视，更重要的是在设计、制造、销售、使用与废弃处理全过程中所有人都应有绿色意识:提高资源使用效率，减少对环境的污染。实施绿色制造是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。

GM的研究领域主要包括3项内容和2个层次的全过程控制。3项内容指绿色资源、绿色生产过程、绿色产品，涉及的领域是环境、资源优化和产品制造。2个层次的全过程控制:一是指具体的制造过程，即物料转化过程控制，充分利用资源、减少环境污染、实现具体绿色制造过程控制;二是指在产品设计、制造、装配、包装、运输、使用以及报废后回收处理的整个产品生命周期中，每个环节均充分考虑资源和环境问题，以实现最大限度地优化利用资源和减少环境污染。

6．网络化制造

随着计算机与网络技术的快速发展，企业将会构造一个基于Web的分散化网络制造系统。这将给CAD/CAM技术的应用带来新的机遇和挑战。网络时代的辅助设计技术(Net Aided Design，NAD)是顺应这一挑战的最新方向。它是利用网络辅助的手段将设计、工艺、制造、产品、数据管理构建在网络数据库这个统一的结构化数据模型之上的新一代系统，它将集成CAD，CAPP，CAM，PDM等的长处，在网络辅助的技术手段支持下，实现真正意义上的全球化的设计制造服务。在NAD系统的支持下，用户只要有一台能上网的计算机就可以在全球的任何地方参与产品设计，就某一产品使用全球统一的网络数据库，实现全球化的分散网络设计制造全过程。

网络化制造指的是:面对市场机遇，针对某一市场需要，利用以Internet为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，按资源优势互补的原则迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体——网络联盟企业，以便快速推出高质量、低成本的新产品。

网络辅助设计制造系统(NADM)是一套安装在网络服务器上的系统，是一种提供给用户的网络服务衍生，同时也是ASP(Application Server Provider，应用服务提供商)服务的一种。用户不必购买整套庞大的软件包，只需在网络上购买一定时间的NADM的网络服务，这就省去了一大笔运行软件的硬件费用和以后的软硬件的升级费用。