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1、共42页,1,第9章 计算机辅助制造技术,本章将介绍与CAD技术密切相关的计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）技术，其中包括数控编程、计算机辅助工艺规程设计（Computer Aided Process Planning，CAPP），以及先进制造技术中的计算机集成制造、并行工程和虚拟制造技术。,计算机辅助制造是利用计算机来代替人去完成制造以及与制造过程有关的工作。本节将简要介绍CAM系统的体系结构、数控程序的手工编制、自动编制以及数控编程语言。,9.1 计算机辅助制造,共42页,2,CAM有狭义和广义之分。狭义的CAM通常仅指数控（NC）程序的编制
2、；广义上的CAM指利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的各直接和间接活动，包括计算机辅助生产计划、计算机辅助工艺规程设计等内容。 CAM技术始于20世纪50年代。1952年，美国麻省理工学院研制成功了第一台数控铣床，1955年又在通用计算机上研制成功自动编程系统（APT），实现了NC程序编制的自动化。1967年，英国莫林公司首先建造了一条由计算机集中控制的自动化制造系统（称为莫林24）；不久，美国的辛辛那提公司又研制了一条与莫林24类似的系统，并于20世纪70年代初定名为柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）。 CAM技术的发展大致可分为3个阶段：2
3、0世纪60年代CAM以大型机为主，价格昂贵；20世纪70年代CAM系统以小型机为主机，使CAM技术得到较为成熟的发展；20世纪80年代以工作站为基础的CAM系统功能越来越强。近年来，由于微机性能价格比大幅度提高，以微机为主机的CAM系统成为CAM系统的主流趋势。,9.1.1 概述,共42页,3,9.1.2 CAM系统的典型体系结构,从软件上看，目前常见的CAM系统的体系结构有以下3种基本模式。 1. CAM子系统与CAD和CAE等子系统在系统底层一级集成式开发 2. 以现有侧重产品造型的系统为平台的插件式CAM系统 3. 支持简单曲面造型的专用NC计算系统 对于上述3类CAM系统而言，第一类系
4、统基本都建立在实体模型表示上，采用交互方式定制形成切削方案和工艺规则；第二类则在第一类系统的基础上添加了加工特征自动识别技术；第三类系统依靠较为完备的曲面建模，仍采用交互方式在曲面模型上快速生成多种加工形式的刀位轨迹，但其相对薄弱的造型功能制约了CAM系统的使用。,共42页,4,9.1.3 数控编程,狭义的CAM通常是指数控程序的编制（即编制NC代码）。数控程序有两种编制方法，即手工编程与自动编程。 1. 手工编程 手工编程指从分析零件图样、制定工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单、制备控制介质直到程序校核的整个过程均由人工来完成。 对于几何形状不太复杂的零件，采用手工编程较容易实现
5、。但是，对于那些形状复杂、手工编程则难于胜任。 2. 自动编程 自动编程指数控加工程序的编制工作由计算机部分或全部完成。9.1.2小节介绍的3种模式下的CAM系统，均能自动生成NC代码。,共42页,5,3. 数控编程语言 美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室于1953年就开始数控语言系统的研究，并于1955年公布了研究成果，即APT（Automatically Programmed Tools）系统。在随后的生产应用中，APT语言被逐步更新与扩充，形成了APT、APT、APT等不同版本。 APT语言词汇丰富，定义的几何类型多，并配有多种后置处理模式，在各国工业界得到了广泛的应用。在APT的
6、基础上，各国先后研究了许多各具特点的编程系统，如美国的ADAPT、AUTOAPT，英国的IC、ICL、IPC，德国的EXAPT-1（点位）、EXAPT-2（车削）、EXAPT-3（铣削），法国的IFAPT-P（点位）、IFAPT-C（轮廓）、I-FAPT-CP（点位，轮廓），日本的FAPT、HAPT等数控自动编程语言系统。 我国在数控语言编程系统方面的研究虽然起步较晚，但经过近十年的努力，现已开发出自己的系统和语言，如最早开发的SKC、ZCX、ZBC-1等语言编程系统，这些系统具有平面轮廓铣削加工和车削加工等功能。之后，我国又研制出具有解决复杂曲面编程功能的CAM-251数控编程系统。近年来又
7、推出了HZAPT、EAPT、SAPT等微型机数控自动编程系统。,共42页,6,9.2 CAD/CAM系统集成,CAD/CAM系统的集成是把CAD、CAPP、CAE、CAM（包括数控编程和生产计划与控制）等各种功能通过软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。,9.2.1 系统集成的必要性,目前制造业中许多研究工作都与如何减少闲置时间有关，以期提高设备的生产效率和利用率，减少在制品库存，加快流动资金的周转等。要达到这个目的，必须在生产中广泛地采用计算机辅助技术。,共42页,7,当前，科技发展水平已能做到借助计
8、算机来辅助生产的全过程。其中，首先包括设计产品，并将有关产品信息存放在数据库中；产品信息是制造产品所需的重要依据，可以用来制订工艺规划和生产计划；按照制订的生产计划组织制造活动，包括及时进行备料和物料的采购，及时向机床提供毛坯或待制品和所需的工夹量具。与此同时，零件加工用的数控程序也由计算机编制完成，并传输到机床；在加工和装配过程中，有关加工、装配和物料搬运中的数据反馈回计算机系统，以便进行监控和工艺过程的自动校正；加工或装配完的零部件在计算机控制的测量机或试验台上进行检测；测量机或试验台是按照计算机中的测量程序进行工作的。此外，向仓库和工艺过程内缓冲存储区供应毛坯的工作也是由计算机监控的。上
9、述过程就是所谓的CAD/CAM一体化系统，或称为CAD/CAM集成系统。 但是，目前在有些企业，各计算机应用项目是相互孤立存在的，出现所谓的自动化“孤岛”现象。由于各项目的开发缺乏一个总体规划的指导，导致各“孤岛”之间的信息交换，在内容上供需不配套，数据格式不规范，较难通过计算机通信网络实现信息传输等。虽然各计算机单项应用（如CAD、CAPP、数控编程、质量控制和生产计划管理等）可以在其局部范围内取得一定的收益，但不能从整体上提高企业的技术素质，达到上面所提到的总体效果。因此，存在上述问题的企业的任务是应在对企业进行仔细“诊断”的基础上，着手将这些“孤岛”集成为更有效的CAD/CAM一体化系统
10、。,共42页,8,9.2.2 CAD/CAM系统集成的程度,未经集成的CAD/CAM系统 （即各自动化“孤岛”之间）的信息传输是依赖工程图样、工艺规程等有关技术文档，由手工将有关数据通过键盘输入各“孤岛”的计算机。采用这种办法，“孤岛”之间的信息传送存在效率低、数据量不能过多因而信息不完整、靠人工传送因而准确度差、无法进行实时控制等缺点。 在低集成度的CAD/CAM系统中，CAD系统提供了产品的几何模型，通过计算机通信网络或磁存储介质将产品的几何信息传送到CAPP或CAE系统，并以人机交互的方式输入有关的工艺信息、工况和约束条件，制订出工艺规程或进行有限元计算。工艺规程连同产品几何信息又通过计
11、算机通信网络或磁存储介质传送到数控编程系统，编制出数控机床程序带，供数控机床使用。这类系统的集成限于狭义的CAD/CAM范围，产品模型是一般的几何模型。,共42页,9,在中等集成度的CAD/CAM系统中，CAD系统提供了包括几何和工艺信息在内的完整的产品设计模型和物料清单。通过计算机通信网络将产品设计模型传送到CAPP系统，直接制订出工艺规程，并连同产品设计模型和物料清单通过计算机通信网络传送到数控编程系统和生产管理系统中，编制出数控机床程序、工厂生产计划和车间作业计划来。数控机床程序可通过接口直接传送到数控机床。这类集成度系统的基本特点是：产品采用特征建模，与生产计划管理进行初步的集成。 在
12、高集成度的CAD/CAM系统中，将CAD、CAPP、数控自动编程系统、DNC、生产计划与控制（PPC）、生产数据采集（PDC）和质量管理（CAQ）等软件系统，通过统一的、友好的用户界面，在各种标准网络支持下集成起来，将产品设计、工艺设计、生产计划、调度和车间制造，以及质量保证等过程连成一体，形成一个闭环系统。这是制造企业迈向计算机集成制造的基础。这类集成度系统的基本特点是：与生产控制和质量管理集成起来，通过生产数据采集形成了一个闭环系统。,共42页,10,9.2.3 CAD/CAM系统集成的关键技术,CAD/CAM系统的集成就是按照产品设计 制造的实际进程，在计算机里实现各应用程序所需要信息的
13、处理和交换，形成连续、协调和科学的信息流。因此，产生公用信息的产品建模技术、存储和处理公用信息的工程数据库技术、进行数据交换的接口技术和对系统资源进行统一管理以及对系统的运行统一组织的执行控制程序就构成了集成过程中必须研究和解决的4项关键技术。这些技术的实施水平将成为衡量CAD/CAM系统集成度高低的主要依据。,共42页,11,(1) 产品建模技术,一个完善的产品设计模型是CAD/CAM系统进行信息集成的基础，也是CAD/CAM系统中共享数据的核心。传统的基于实体造型的CAD系统仅仅是几何形状的描述，缺乏对产品零件信息的完整描述，与制造所需的信息是彼此分离的，从而导致CAD/CAM系统集成的困
14、难。将特征概念引入CAD/CAM系统，使之成为CAD/CAM系统集成的纽带，形成新一代的CAD/CAM系统，是当前CAD/CAM系统集成技术研究的热点。,共42页,12,(2) 工程数据库技术,随着CAD/CAM技术的自动化、集成化、智能化和柔性化程度的不断提高，集成系统中的数据管理问题日益复杂。主要表现在以下几方面： 集成系统由多个工程应用程序组成，这就要求数据管理系统能支持应用程序之间数据的传递与共享，满足可扩充性要求。 工程数据类型复杂，不仅有矢量、动态数组，而且常常要求处理具有复杂结构的工程数据对象。 工程对象在不同设计阶段可能有不同的定义模式，因此，应能根据实际需要修改和扩充定义模式
15、。 由于工程设计过程一般采用自上而下的工作方式，并且有反复试探的特点，因此集成系统的数据管理必须提供适应于工程特点的管理手段。 因此，传统的商用数据库已满足不了上述要求。CAD/CAM系统的集成应努力建立能处理上述复杂数据的工程数据管理环境，使CAD/CAM各子系统能有效地进行数据交换，尽量避免数据文件和格式转化，清除数据冗余，保证数据的一致性、安全性和保密性。采用工程数据库管理方法将成为开发新一代CAD/CAM一体化系统的主流，也是系统进行集成的核心。,共42页,13,数据交换的任务是在不同的计算机、操作系统、不同数据库以及不同应用软件之间进行数据通信。由于历史上各种CAD/CAM系统（甚至
16、同一系统中的各功能模块）在最初开发过程中的“孤岛”现象，导致了它们的机内数据表示格式不十分统一，使不同系统、不同模块间的数据交换难以进行，影响了用户应用软件效益的发挥，不利于提高CAD/CAM系统生产率。解决数据交换这一关键技术的途径是制订国际性的数据交换规范和网络协议，采用计算机网络开发各类接口。 数据交换标准规范的内容包括图形软件标准、数控编程标准、数据库软件标准和控制系统接口标准等。,(3) 接口技术,共42页,14,CAD/CAM一体化系统的程序规模大、信息源多、传输路径不一、各模块的支撑环境和功能多样化等特点，决定了对系统诸模块进行组织和管理的执行控制程序是系统集成的最基本要素之一。它的任务是把相关的模块组织起来，按规定的运行方式完成规定的作业，并协调它们之间的信息传输，提供统一的用户界面，进行故障处理等。,(4) 执行控制程序,共42页,15,9.3 先进制造技术概述,制造业在21世纪将进入到全球竞争的时代，未来的市场趋势要求产品有更短的生产周
