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1、第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术第一节.CAD/CAM系统集成概述 第二节.基于PDM的CAD/CAM系统集成第三节.产品的全生命周期管理技术 第四节.基于Pro/E的CAD/CAM系统集 成综合应用案例分析 第第八八章章 CAD/CAMCAD/CAM系统集成技术系统集成技术 第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 不同的CAD、CAPP、CAM系统的数据格式各不相同，种类繁多，数量巨大，关系复杂，形成了许多“信息孤岛”，难以互相交流和共享。20世纪80年代开始出现了CAD/CAM系统集成技术
2、，把不同的CAD、CAPP、CAM系统集成起来，实现资源共享，保证系统内的信息流通无阻。最典型的特征就是产品数据管理（Product Data Management，PDM）技术的应用。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 激烈的全球竞争和各项的先进生成技术的出现，使自动化生产从工厂级走向企业级，开始逐渐走向包括工程设计信息、经营管理信息、产品质量信息等整个企业的信息集成，即计算机集成制 造 系 统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。最典型的特征则是产品全生命周期（Product Li
3、fecycle Management，PLM）的管理技术的应用。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术第一节.CAD/CAM系统集成概述 一一CAD/CAMCAD/CAM系统集成的概念系统集成的概念 1 1概述概述 通常所说的CAD/CAM系统集成，是指设计与制造过程中CAD、CAPP和CAM三个主要环节的集成，因此有时也叫CAD/CAPP/CAM集成。随着集成技术和并行技术的发展，CAD/CAM系统集成已经把CAD、CAE、CAPP、NCP，甚至PPC（生产计划与控制）等各种不同的功能有机地结合在一起，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、
4、交换、共享和处理，以保证系统内信息流的畅通，并协调各个系统运行。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 2 2总体结构总体结构 CAD/CAM系统集成结构形式多样，下图为典型的数据驱动型系统的结构。整个系统可分为应用系统层、基本功能层和产品数据管理层。产品数据管理层产品数据管理层：以STEP产品模型定义为基础。基基本本功功能能层层：这些基本功能在应用上具有一定的广泛性，即每一个功能可能被不同的应用系统所调用。实际上，该层为应用系统提供了一个开发环境，应用系统可以通过功能界面来调用系统的各个具体功能。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计
5、计CAD/CAMCAD/CAM技术技术图81 CADCAM集成系统总体结构第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 应应用用系系统统层层：面向用户，可以完成产品设计、工艺设计、工程分析和数控编程等各种不同的应用。用户可以直接使用这些功能，还可以调用产品数据管理层和基本功能层中的各个模块。此种结构统一性与独立性同在，应用方便且适用性强。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术二二CAD/CAMCAD/CAM系统集成方法系统集成方法 1 1通过专用格式接口文件实现集成通过专用格式接口文件实现集成 下图给出的
6、是最早的CAD/CAM集成的模式，单元系统的独立性非常强，至多是提供一种专门的数据格式。要解决应用问题，首先需要进行前前置置处处理理，将问题转换成这种专门数据格式的表达形式，系统处理过后，还要经过后后置置处处理理，还原到应用问题空间，才能看到处理结果。随着计算机软硬件的技术发展和应用CAD/CAM水平的迅速提高，这种集成模式越来越少。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术图82 基于专用格式接口的系统集成系统A前置处理后置处理系统A数据格式系统B系统B数据格式专用数据文件接口前置处理后置处理第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD
7、/CAMCAD/CAM技术技术 2 2通过标准格式接口文件实现集成通过标准格式接口文件实现集成 各个子系统通过前置处理和后置处理只与标准格式接口文件打交道，无需知道其他系统的内部数据格式。例如Autodesk公司的系列产品普遍支持DFX格式的输入/输出，因而很容易集成。事实上DFX格式已经被许多公司所接受，几乎成为一种标准，实际应用中，多家产品通过DFX格式进行集成的成功实例屡见不鲜。用标准数据格式作为系统集成的接口，应用最多的还是美国国家标准局（NIST）主持开发的数据交换规范IGES（Initial Graphics Exchange Specification）。第第七七章章 计计算算机
8、机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术图83 基于标准格式接口的系统集成系统A系统B系统C前置处理后置处理前置处理后置处理前置处理后置处理标准格式数据文件第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 3 3基于统一数据库实现集成基于统一数据库实现集成 上面所讲的典型的数据驱动型系统的结构即是这种集成方式。统一数据库是一个发展的概念，从工程数据库到PDM再到PLM，各阶段特点不尽相同，但都是将CAD、CAPP、CAM作为一个整体来规划和开发的。其中集成产品模型是核心，统一数据库是基础。各个模块通过统一数据库的管理系统实现数据的交换
9、与共享，从而避免了数据文件格式的转换，消除了数据冗余，保证了数据一致性、安全性和保密性。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术系统A系统B系统n统一产品数据模型格式文件统一的产品数据模型及数据管理系统图84 基于统一数据库的系统集成第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术三三CAD/CAMCAD/CAM系统集成的关键技术系统集成的关键技术 1 1产品建模技术产品建模技术 特征建模，基于尺寸驱动的参数化设计。2 2集成数据管理技术集成数据管理技术 文件转换工程数据库PDM技术产品的全生命周期管理技术 后
10、面有专门章节来阐述。3 3产品数据交换技术产品数据交换技术 无 论 是 CAD/CAM系 统 内 部 还 是 不 同 的CAD/CAM系统，抑或不同的计算机、不同的操作系统之间要进行畅通无阻的通信、资源共享、完整的信息集成，都要求产品数据交换技术，以第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 解决数据格式不同的问题。同时数据交换标准的研究也促进了统一数据库技术的发展。在人们的不断研究与探索过程中，提出许多数据交换标准。其中最著名、应用最广泛的是IGES标准和STEP标准。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技
11、术技术 IGES IGES标准标准 IGES（Initial Graphics Exchange Specification）标准，初始化图形交换标准，是由美国国家标准和技 术 局（National Institute of Standards and Technology，NIST）研究提出的数据交换标准。IGES定义了产品图形数据交换的文件结构、语法格式以及几何要素与拓扑关系的表达方式。因此IGES只是一种图形几何信息交换的标准，还不能进行产品信息的交换。另外，IGES对数据传输不可靠，输入输出过程往往有数据丢失；而且IGES文件的有些语法结构有二义性，不同系统可能作出不同的解释。课本上给
12、出了IGES的文件结构。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术图85 IGES各几何实体之间的关系第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 STEP STEP标准标准 STEP（Standard for the Exchange of Product data）标准，产品模型数据交换标准，是由国际标准化组织（ISO）研究提出的数据交换标准。它提供了一种完整的产品模型数据的交换技术，在产品生命周期内对产品数据进行完整一致的描述与数据交换。STEP规定了产品设计、制造以及产品全生命周期内所需的有关产品形状
13、、解析模型、材料、加工方法、装配顺序等方面的信息。许多CAD/CAM系统软件都把STEP列为数据交换接口，这些软件公司不少是从事STEP标准制定的单位，他们利用STEP标准的最新成果，不断改进和完善自身系统的STEP的接口。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 课本上给出了STEP的构成，包括描述语言、集成资源、应用协议、实现形式、实现形式等。现在STEP标准已经广泛应用于机械、电子、航空航天、汽车、船舶等工程领域。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术图86 STEP标准体系集成资源（40，10
14、0）产品的基本定义 几何和拓扑表示 表示方法定义应用协议 明确的设计 （200）相关的设计 构造控制的设计标准的 语言 描述（0，10）一致性，测试，总体概念，测试要求，（30）实现形式 物理文件（20）STEP数据存取接口第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术第二节.基于PDM的CAD/CAM系统集成一一PDMPDM技术概述技术概述 由于PDM的概念、技术与应用范围发展迅速，人们对它的理解和认识不尽相同。综合一些知名学者和研究机构所提出的PDM的定义，我们得出如下结论：PDM是管理产品生命周期中产品定义信息的电子仓库；它是CAD/CAM等应用工
15、具的集成框架；它为产品开发提供一个并行的协作环境。PDM是以软件、计算机网络、数据库、分布式计算等技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术，提供产品全生命周期内的信息管理，为企业建立一个并行的协同工作环境。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 采用PDM技术，可以消除企业中不同部门对产品信息理解的差异，消除地理位置的影响，提供信息查询等速度，保证产品信息的安全，将信息的产生、审批、更改过程纳入统一的管理中。例例如如：考虑一个企业中实际的设计更改过程。设计部门接到来自质量部门的一个设计变更指令，而变更的起因可
16、能是从市场或销售部门接到的客户反馈意见。设计部门对产品的修改将会影响到后续制造部门的产品制造工艺和生产计划，采购部门也会制定新的采购计划从其他企业采购新的零部件。在整个过程中，需要PDM统一管理所有的产品信息，保证修改后信息的准确性，第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 保证数据间关系的一致性和正确定数据传递流程。PDM同时提供有效的安全控制，保证仅对需要修改的产品信息进行更改，并提供消息通知机制，使所有相关人员及时收到产品更改通知。二集成模式二集成模式 1 1应用封装模式应用封装模式 封装的内容包括应用工具本身以及由这些工具产生的文件。在PD
17、M系统中将CAD/CAM系统与其产生的文件信息相关联，把CAD/CAM系统产生的文件作为整体来管理，实现CAD/CAM文件的自动识别和存储，并能自动启动CAD/CAM工具进行修改编辑。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 在 这 种 模 式 下，PDM不 能 管 理 和 识 别CAD/CAM产生的内部数据，也不能对其内部数据进行修改，仅能实现CAD/CAM文档的管理，更无法在PDM中建立统一点数据模型。2 2数据接口交换模式数据接口交换模式 针对不同的CAD/CAM系统开发专业接口，或建立基于某种标准接口规范和访问协议的标准接口。系统间共享的数
18、据通过接口传递给PDM进行统一管理，并由PDM从中提取必要数据，建立不依赖于具体软件平台的共享产品模型。而属于CAD/CAM系统特有的、不需要其他系统共享的信息，则仍然通过CAD/CAM产生的文件进行保存。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 采用接口交换的方式，需要对CAD/CAM系统进行二次开发，建立PDM访问接口，同时在PDM中建立针对CAD/CAM系统的集成接口。通过集成接口实现数据从CAD/CAM系统的自动提取，以及PDM系统向CAD/CAM系统的数据更新，以保证两者数据的一致性。3 3紧密集成模式紧密集成模式 建立一种共享的信息模型
19、。在此种模式中，实现了不同CAD/CAM系统之间、CAD/CAM系统与PDM之间的相互访问，当在CAD/CAM系统或PDM中修改数据时，其他其他相关的数据可以自动更新，保证信息的一致性。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 从理论上讲，如果CAD/CAM系统开发厂商与PDM开发厂商都支持标准的产品模型定义规范，开发支持XML（eXtensible Markup Language，可扩展置标语言）的标准信息接口，就能实现各类不同厂商、异构平台下的基于PDM的CAD/CAM系统集成。三关键技术三关键技术 1 1统一的产品、过程、资源模型。统一的产品
20、、过程、资源模型。2 2项目项目/工作流程管理模型。工作流程管理模型。3 3应用系统封装器的开发。应用系统封装器的开发。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术四基于四基于PDMPDM的的CAD/CAMCAD/CAM系统集成的实现系统集成的实现 在一个企业中，可能存在不同供应商或不同版本的CAD、CAPP、CAM系统。在这样一个复杂的环 境 中，PDM作 为 集 成 平 台，既 要 为CAD/CAPP/CAM系统提供数据管理和协同工作环境，又要为CAD/CAPP/CAM系统集成提供支持。如图8-7所示基于 PDM的CAD/CAM系统集成结构。1 1
21、CAMCAM与与PDMPDM的集成的集成 由于CAM与PDM系统之间只有刀位文件、NC代码、产品模型等文档信息的交流，所以CAM与PDM之间采用应用封装来满足二者之间的信息集成要求。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术PDM对象管理框架对象管理框架分布式组建（分布式组建（CORBA/DCOM）关系数据库、网络、操作系统系统建模与开发工具文档及电子仓库管理用户界面应用程序访问界面产品结构与配置管理过程管理项目管理人员组织管理制造信息管理系统管理应用集成管理界面层功能层工具层对象层支撑层图87 基于 PDM的系统集成结构第第七七章章 计计算算机机辅
22、辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术2 2CAPPCAPP与与PDMPDM的集成的集成 CAPP与PDM之间除了文档交流外，CAPP系统的运行还需要从PDM系统中获取设备资源信息、原材料信息等。而CAPP产生的工艺信息，为了支持与MRP-II或车间控制单元的信息集成，也需要分解成基本信息单元（如工序、工步等）存放于工艺信息库中，供PDM与MRP-II集成之用。所以CAPP与PDM之间的集成需要接口交换，既在实现应用封装的基础上，进一步开发信息交换接口，使CAPP系统可通过接口从PDM中直接获取设备资源、原材料信息的支持，并将其产生的工艺信息通过接口直接存放于PDM的工艺信
23、息库中。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 由于PDM系统不直接提供设备资源库、原材料库和工艺信息库，因此需要用户利用PDM的开发工具自行开发上述库的管理模块。3 3CADCAD与与PDMPDM的集成的集成 CAD与PDM的集成是PDM实施中要求最高、难度最大的一环。其关键在于需保证CAD的数据变化与PDM中的数据变化的一致性。从用户需求考虑,CAD与PDM的集成应达到真正意义的紧密集成。CAD与PDM的应用封装只解决了CAD生产的文档管理问题。零部件描述属性、产品明细表则需要通过接口导入PDM。同时，通过接口交换，实现PDM与CAD系统间数
24、据的双向异步交换。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 但是，这种交换仍然不能完全保证产品结构数据在CAD与PDM中的一致性。所以要真正解决这一问题，必须实现CAD与PDM之间的紧密集成，即在CAD与PDM之间建立共享产品数据模型，实现互操作，保证CAD中的修改与PDM中的修改的互动性和一致性，真正做到双向同步一致性。目前，这种紧密集成仍有一定的难度，一个PDM系统往往只能与一两家CAD产品达到紧密集成的程度。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术第三节.产品的全生命周期管理技术 一基本概念一基本
25、概念 激烈的全球竞争使人们认识到企业的生命力在于创新，在短时间内开发出高质量、满足用户个性化要求的产品。因此，企业必须采用先进的数字化技术和网络技术，建立包括核心客户、供应商、合作开发伙伴和销售服务商在内的扩展企业（Extended Enterprise），将最新的产品推向市场；必须实现跨组织、跨地域、跨专业领域的产品全生命周期信息与过程管理，支持产品价值链上所有成员协同工作，提升产品的创新性。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 PDM作为企业中管理产品信息及相关过程的集成平台，可以支持企业内产品信息的存储和共享。但是，当面对企业全球化的产品
26、协同设计，面对客户直接参与的创新性产品开发，面对全球分布环境中扩展企业对产品从客户需求、产品研发、供应链管理、生产制造、产品维护等产品全生命周期中各种产品信息、设计知识及过程的管理要求，PDM从它的基础构架、系统功能等各方面都已经不能满足企业的要求。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 产品的全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）技术是在PDM技术基础上，为满足在全球市场环境下对扩展企业中产品的全生命周期的管理要求而产生的。它将产品价值链上的所有成员连接在一起，共同实现对产品的全生命周期各个阶段的协同
27、设计，从而尽可能扩大产品的创新内容，缩短产品的上市时间，降低成本，提高产品质量和服务质量，保证产品、服务和企业运作的不断创新。PLM已经成为企业参与全球竞争的一种战略性方法。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术二实现技术二实现技术 面向对象技术，数据库技术，网络技术，客户/服务器技术，组件技术，Internet技术，图形学技术等等。三典型三典型PDM/PLMPDM/PLM系统简介系统简介 1 1国外产品国外产品 美国PTC公司的Windchill UGS公司的Teamcenter解决方案 Smar Team公司的Smar Team 2 2国内产
28、品国内产品 艾克斯特产品数据管理系统XTPDM 清软英泰产品全生命周期管理系统 大恒PDM 第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术第四节.基于Pro/E的CAD/CAM系统集成综合应用案例分析一一Pro/NCPro/NC的一般过程描述的一般过程描述 1.Pro/NC 1.Pro/NC的工艺过程的工艺过程 如下图88所示。2.2.制造模型与文件建立制造模型与文件建立 参考模型(Ref Model)：绝对的基本构成要素。参考模型数据就是目标几何数据。在制造模型设置过程中，参考模型的几何数据需要在进行Pro/NC加工制造流程规划之前就预先完成设计规划与
29、创建。工件(Workpiece)：选择性的模型构成要素。毛坯。可以预先规划，也可以直接创建。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术加工模型加工模型设置加工设置加工数据库数据库设置操作设置操作定义定义NC工序工序生成刀位生成刀位数据文数据文后处理后处理机床加工机床加工代码代码产品模型产品模型毛坯规划毛坯规划刀具刀具机床机床夹具设置夹具设置图88 Pro/NC流程图第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 制造模型的规划：参考模型参考模型工件工件制造模型制造模型第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设
30、设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 3 3操作数据设置操作数据设置 操作名称(Operation Name)：数控机床(NC Machine)：夹具设置(Fixture Setup)：内容设置：机械原点、退刀、坯件材料等 4 4制造工具的设置制造工具的设置 工作机床(Machine Tool)：名称、类型、旋转轴数、主轴转速、进给速度等。加工刀具：类型、材料、单位、几何参数等。夹具：第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 5 5制造几何形状数据设置及制造几何形状数据设置及NCNC序列设置序列设置 体积块、局部铣削、曲面铣削、表面、轮廓、孔
31、加工、螺纹等 6 6NCNC序列设置与轨迹演示序列设置与轨迹演示 序列设置(Seq Setup)：包括名称、刀具、参数、体积、起点、终点等；轨迹演示(Play Path)：用于实时仿真检测序列生成结果，主要包括 屏幕演示(Screen Play)：轨迹演示加工过程，可播放控制（Compute CL）仿真(NC Check)：实体加工模式演示加工过程 过切检测(Gouge Check)：检查加工过程中的过切情况 第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术 7 7后处理及后处理及NCNC加工程序生成加工程序生成 通过以上Pro/E的自动编程过程，计算产生
32、了刀位数据文件，即Cutter Location Data File，但此文件不是数控程序，而是以ASCII码格式存储的刀具运动轨迹和加工工艺参数等重要数据信息。将刀位数据文件转化为特定机床所配置的数控系统能识别的G代码的过程，称为NC加工的后处理。由于各厂商数控系统没有统一标准，所以G代码也不尽相同。根据机床的数控系统，应用NC后处理器所创建的文件叫后处理文件。自动编程完成后选择合适的后处理文件生成加工程序就可以输入机床进行加工了。第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术二基于加工中心的二基于加工中心的CAD/CAMCAD/CAM应用实例应用实例
33、 1 1CADCAD建模建模 题目如图89所示。2 2Pro/E NCPro/E NC设计设计 第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术图89第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术三基于数控车床的三基于数控车床的CAD/CAMCAD/CAM应用实例应用实例 1 1CADCAD建模建模 题目如图810所示。2 2Pro/E NCPro/E NC设计设计第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术图810第第七七章章 计计算算机机辅辅助助工工艺艺设设计计CAD/CAMCAD/CAM技术技术思考题 1.1.理解基于理解基于PDMPDM的的CAD/CAMCAD/CAM集成的结构。集成的结构。2.2.掌握掌握CAD/CAMCAD/CAM系统集成的几种方法系统集成的几种方法 。3.3.了解了解IGESIGES和和STEP STEP 标准。标准。4.4.熟练应用一种熟练应用一种CAD/CAMCAD/CAM系统软件进行典型零件系统软件进行典型零件 的的CAD/CAPP/CAMCAD/CAPP/CAM设计。设计。