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,第一章绪论,1.1计算机辅助制造工程基本概念1.1.1制造业、制造工程与制造系统制造业的重要性20世纪是以大规模生产为特征的制造业。一个国家的实力及其繁荣，最终将取决于其制造业所提供的产品和服务的竞争力。工业化国家的经济总产值大约50%（日本）到68%（德国）是由制造工业创造的。制造工业对国民经济的发展有决定性的影响，已成为国民经济的重要基础，其先进与否是一个国家经济发展的重要标志。制造业涉及机械产品制造、电气电子产品制造、仪器仪表业、轻工纺织与服装业、化工产品制造、医药行业等诸多行业。机械制造业机械制造业是制造业的基础，它承担着为国民经济各部门提供各种装备的任务。【行业：航空、航天、船舶、汽车、装备、通用机械】,第一章绪论,掌握：制造业机械制造业装备制造业了解：大规模生产大规模定制,1.1计算机辅助制造工程基本概念制造过程通过生产对象在几何形状和材料性能上的变化来为社会提供所需的产品与服务。【冷工艺、热工艺】制造技术为工业界生产一系列创新的成本上有竞争能力和高质量的产品与服务投入市场打下基础，是支撑制造工业的关键。现代的制造技术是融合集成机械与结构技术、设计与工艺技术、计算机控制与辅助技术、自动化技术、信息技术、微电子技术、材料技术、财会金融与工商管理为一体，综合应用于市场开拓、产品供销、设计、加工、检测、生产管理与售后服务全过程。按制造过程划分，制造技术包括设计技术、制造工程技术、经营管理技术、加工与制造过程控制技术等。按技术领域划分，制造技术包括设计技术、精密成形与加工技术、快速成型（RP，RapidPrototyping）技术、制造自动化与计算机辅助制造技术、系统管理技术等。,第一章绪论,掌握：制造过程制造技术及分类,1.1计算机辅助制造工程基本概念制造工程技术是将工程科学与分析方法应用于产品设计与制造、制造过程与系统的控制等所形成的专业化知识、技术与技能。制造工程是从产品设计到制造过程实现的中间环节和支撑体系，是制造技术的重要组成部分。其基本活动包括：产品设计与规范的可制造性审查；制造工艺过程的选择与设计；产品制造、装配与测试的方法和顺序的确定；生产设备的选择与设计；工装与测试设备的选择与设计；工厂建筑、机器、设备、材料与储存设施的布置；工时定额的确定；制造成本估计、分析与转换研究；生产管理、协调与控制等。制造系统以系统论、信息论和控制论等所形成的系统科学和方法论为工具，从系统各组成部分之间的相互联系、相互作用、相互制约的关系来分析和研究制造过程，制造系统是由物质流、能量流、信息流三个基本要素组成的，而信息流的引入是形成制造系统最关键的因素。,第一章绪论,掌握：制造工程技术制造工程制造系统,1.1计算机辅助制造工程基本概念离散型制造产品要通过有限次数的生产或装配操作，制造过程的各个环节之间可以彼此关联或不关联。机电产品和机械制造过程是一种典型的离散生产过程。本书主要讨论离散型制造，特别是机械加工零件的加工制造。连续处理型（流程型）制造是连续性产品的生产，其整个处理过程是通过阀门、泵、加热器等进行控制的，例如，化工行业中的一种化学反应将原材料转变成最终产品，这类生产也称为流程型生产。,第一章绪论,掌握：离散型制造连续处理型（流程型）制造,1.1计算机辅助制造工程基本概念1.1.1制造业、制造工程与制造系统,第一章绪论,第一章绪论,客户满意度,更短的开发周期,高质量,低成本,创新速度,全球化的市场,产品的生命周期越来越短,设计,样机,产品发布,工程变更,维护/服务,概念,生产制造,信息,信息,信息,信息,信息,信息,信息优势已逐渐成为企业竞争的优先级竞争优势。,信息,加速了制造技术创新速度和新产品开发节奏，提高了制造业自身素质与水平。,制造企业,第一章绪论,计算机技术在制造中应用的意义,第一章绪论,1.1.2计算机技术在制造工程中的应用及发展历史沿革随着计算机技术的迅速发展，企业的制造工程环境发生了一系列的革命性变化，计算机技术在产品设计、工艺过程设计、工装设计与制造、数控编程与仿真、生产管理等方面得到了广泛的应用。计算机辅助制造工程（CAME）它是指计算机技术在制造工程中的应用技术的总称。1计算机技术在制造工程中的应用辅助作用：主要体现在数值计算、数据存储与管理、图形处理、逻辑决策等方面。计算的优越性：复杂运算精确度和准确性、人工错误避免、设计分析方法的实现，例如优化方法、有限元分析等（CAE），离开计算机便难以实现。存储管理的优越性:可靠的记忆能力，数据存储与管理方面发挥重要作用,数据资料检索方面。计算机辅助绘图：设计工作量的60%以上，重复使用，可以进行修改与编辑。智能特性：CAD/CAM、人工智能技术，提高之咱系统智能水平。,掌握：计算机辅助制造工程计算机技术在制造工程中的应用,第一章绪论,1.1.2计算机技术在制造工程中的应用及发展历史沿革2计算机辅助制造工程的发展历史沿革CAME技术的发展是以各种计算机辅助单元技术在制造工程某些环节上的应用为起点，它以相关的基础技术的发展为基础。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助数控加工与测量、计算机辅助工装设计、计算机辅助企业生产管理等一系列计算机辅助单元技术的发展，而这些计算机辅助单元技术随着计算机技术及相关基础技术的发展而不断完善，并向CIMS等先进制造系统模式发展。计算机辅助技术支持环境：1、2、3、4代计算机。计算机辅助技术支持系统：FEA、APT、GT、CAD、MRP、CAPP、CAD/CAM、MRPII、CIMS。,掌握：计算机辅助单元技术计算机辅助设计计算机辅助工艺设计计算机辅助数控加工与测量计算机辅助工装设计计算机辅助企业生产管理CAME技术支持环境CAME技术支持系统,第一章绪论,图1.2计算机辅助制造工程技术的发展,第一章绪论,20世纪40年代中期第一台计算机的问世及其发展1952年，美国麻省理工学院（MIT）研制了世界上第一台数控机床第一台平板绘图仪，第一台滚筒式绘图仪成组技术(GroupTechnology,GT)的概念和方法零件分类编码系统交互式图形生成与显示的基本理论和技术计算机辅助工艺过程设计(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)技术计算机数字控制（ComputerNumericalControl）、直接数控（DNCDirectNumericalControl）和自适应控制等技术物料需求计划（MRP,MaterialRequriementslanning）技术制造资源计划（ManufacturingResourcesPlanning）ERP（nterpriseResourcePlanning）计算机集成制造系统（CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem）柔性制造系统（FMS，FlexibleManufacturingSystem）,第一章绪论,1.1.2计算机技术在制造工程中的应用及发展历史沿革计算机辅助制造系统的新模式并行工程（CE，ConcurrentEngineering）敏捷制造（AM，AgileManufacturing）虚拟制造（VM，VirtualManufacturing）智能制造（IMT，IntelligentManufacturingTechnology）,掌握：CEAMVMIMT,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容1.计算机辅助制造工程技术体系第1个层次是以计算机辅助制造工程应用软件及其它相关的计算机辅助软件有机结合与集成所构成的基于CIMS等先进制造系统模式的计算机辅助制造系统。第2个层次由计算机辅助产品设计、计算机辅助制造工程、计算机辅助企业经营管理等专业化技术与软件以及相应的基础技术与集成技术所构成。第3个层次由数控机床、存储运输装置等制造硬件环境和计算机硬件、支撑软件环境、计算机网络等计算机环境构成。,掌握：计算机辅助制造工程技术体系计算机辅助制造系统CAME基础技术与集成技术计算机环境,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容1.计算机辅助制造工程技术体系,图1.3计算机辅助制造工程技术体系,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容2.计算机辅助制造工程基础技术（1）成组技术（GT）成组技术（GT，GroupTechnology）是提高多品种、中小批量机械制造业生产效率和水平，增加生产效益的一种基础技术。（2）数据管理与数据库技术产品的开发制造过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，其制造形成的产品可以看作是数据的物质表现。因此如何实现产品数据的收集、存储、处理和共享是计算机辅助制造工程的共性技术和基础技术，数据库技术与数据交换技术的发展为计算机辅助制造工程的发展提供了良好的基础。,概念：成组技术数据管理数据库技术,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容2.计算机辅助制造工程基础技术（3）人工智能与专家系统技术在制造智能化发展中，人们将人工智能融进产品设计、工艺过程设计、生产计划调度、工艺过程控制等制造系统环节，使计算机能够帮助人们完成一定的逻辑决策功能，从而提高制造系统各个环节的智能水平。其中以专家系统为代表的符号化人工智能技术在计算机辅助制造工程中得到广泛应用，成为实现计算机辅助制造工程智能化的重要基础技术。(4）人机一体化技术在计算机辅助制造工程技术的应用开发中，注意人和计算机有机结合，恰当地发挥二者的作用十分重要。,概念：人工智能专家系统人机一体化,第一章绪论,人机的特点经验与判断，设计过程必须由人控制，算机完成一些工作量大的选择性逻辑决策任务，而不必片面追求决策的自动化。人可以从过去的设计中学习，总结经验，而计算机的学习能力差，学习的任务应由人来完成。数值分析工作，计算机可高速精确地完成。计算机具有永久存储信息的能力，对重复性工作有极强的耐力。计算机具有系统检错的能力，人则可用直觉方式检错。改正错误、修放设计的任务应通过人的控制来完成。人和计算机在计算机辅助制造工程中起着不同的作用，人的主要作用是控制整个设计过程，利用自身的经验、直觉思维和想象力进行创造性的工作；计算机的作用则是扩展人脑的记忆功能，加强设计者的分析能力，将设计者从繁琐的重复性的工作中解放出来，在计算机辅助技术中人与计算机相结合，共同进行设计。,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容3.计算机辅助制造工程单元技术（1）计算机辅助设计(CAD)，ComputerAidedDesign技术具有两层含义：一层含义是指产品零件与工程的计算机辅助设计，另一层含义是指计算机图形学、几何造型、图形数据存储与管理、标准件库等基础技术。（2）计算机辅助工艺过程设计（CAPP）工艺设计确定制造过程及制造所需的制造资源、制造时间等，是完成产品设计信息向制造信息转换的关键性环节。CAPP技术应用对于缩短产品制造周期，提高产品质量，降低产品成本具有重要意义。（3）计算机辅助工装设计工艺装备设计的过程中，要把大量的人力、时间花费在繁琐的资料检索、分析计算、绘图、编制文件等工作上，采用计算机辅助设计技术，可显著地提高设计效率和质量，从而缩短产品开发周期。,概念：CADCAPP计算机辅助工装设计,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容3.计算机辅助制造工程单元技术（4）计算机辅助制造（CAM）从广义角度，是指利用计算机来完成从原材料到产品的全部制造过程，其中包括制造过程监控与控制等直接或“在线”（OnLine）制造过程和、编程、生产管理等间接制造过程或“离线”（ffLine）支援辅助功能。在此意义上，包含了本书所论述的计算机辅助制造工程概念；从狭义角度，通常是指一些主要的离线支援功能，甚至被看作编程的同义词。在本书中，主要是指编程等离线支援辅助功能。（5）计算机辅助生产管理计算机辅助生产管理系统或生产管理信息系统是企业管理信息系统的重要组成部分。它根据市场预测、客户订单、指令性计划等，制定产品交付、零部件配套的主生产计划，并编制包括生产作业计划和采购供应计划的物料需求计划。在制造过程中，以车间为单元，以能力需求和平衡为依据，对车间内部进行动态调度和控制。,概念：CAM计算机辅助生产管理,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容4.计算机辅助制造工程集成技术（1）面向装配的设计（DFA）与面向制造的设计（DFM）技术在制造企业中，产品设计与工艺设计相对独立，甚至分属于不同部门，造成了工艺从属与设计、工艺与设计相脱离等现象，严重影响了制造技术的发展。面向装配的设计（DFA，DesignforAssembly）与面向制造的设计（DFM,DesignforManufacture）。实现DFA/DFM的关键是CAPP及工装CAD等系统，能与产品设计动态集成，随时向产品设计系统提供产品可制造性的评价信息。,概念：集成技术DFADFM,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容（2）特征基CAD/CAPP/CAM集成技术以特征技术为基础的CAD/CAPP/CAM集成技术，可实现NC编程的高度自动化，大大提高数控编程的效率和数控加工程序的质量。（3）CAPP与生产计划调度的过程集成技术CAPP与生产计划调度的过程集成要求CAPP在制订零件工艺规程时应充分考虑机床、刀具等制造资源对工艺过程的动态约束，实现工艺过程的动态优化，保证制造资源的平衡，使整个生产过程处于整体最优，并且能够在机床过载、机床故障、刀具损坏等动态偶发事件发生时，及时消除生产阻塞，保证生产过程的畅通。,概念：特征基CAD/CAPP/CAM集成技术CAPP与生产计划调度过程集成技术,第一章绪论,1.2计算机辅助制造工程技术体系与内容（4）CIMS等先进制造系统/模式下的系统集成技术CIMS等先进制造系统/模式下的系统集成，不是制造系统各个环节计算机辅助系统的简单叠加，而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成，它包括信息集成、功能集成、过程集成等多方面的集成。近年来，在系统集成实施中有两个很重要的变化：由强调技术支撑变为强调技术、人和经营组织的集成，通过管理把技术、组织（包括人）和经营（包括策略）集成起来；由“技术推动”变为“需求牵引”，强调用户的需求是成功实施的关键，用户是核心。,概念：CIMS先进制造系统信息集成功能集成过程集成,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境1.3.1计算机硬件与系统软件1.计算机硬件硬件环境主要包括主机、外存储器、显示设备、输入设备、输出设备等。(1)主机(2)显示器(3)输入设备(4)输出设备2.系统软件计算机系统软件包括操作系统、汇编系统、编译系统和诊断系统等。,概念：计算机硬件系统软件,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境1.3.2计算机网络计算机网络是用通信线路将分散在不同地点、并具有独立功能的多台计算机系统互相连接，并按照网络协议进行数据通信，实现共享资源（如网络中的硬件、软件、数据等）的计算机以及线路与设备的集合。通讯网络与各种功能的网络软件相结合，实现不同条件下的通信以支持系统集成。计算机辅助制造工程的功能需求是多方面的，任何一种计算机或工作站都难以适应各种不同的需求；同时，所使用的软件、数据库以及外部设备也常常是多种多样的。,概念：计算机网络网络协议,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境1.3.2计算机网络计算机网络按连网计算机分布的地理范围及通信要求的不同，有广域网（WAM）、市域网（MAN）和局域网（LAN）三种类型，。局域网(LocalAreaNetwork)指的是较小的地理区域内(0.125km范围，通常是12km距离以内)高数据传输率的通信网络。局域网以各节点相互连接的拓扑结构分，有星型、总线型、环型、树型等不同结构，以及集星型、环型两种型式优点于一身的星型环拓扑结构。,概念：广域网城域网局域网,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境1.3.2计算机网络,概念：广域网城域网局域网,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境1.3.2计算机网络网络通信是在网络协议的支持下进行的，协议是信息交流规则的集合。国际标准化组织ISO的专门委员会曾制订了一个开放系统互连模型OSI(OpenSystemInterconnection)。它为通信协议的标准化，以及分布式处理的开放系统的互连通信提供了基础。OSI由物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层等7个层次构成。其中，下面四层为底层协议，主要解决各种情况下数据传输的可靠性和完整性问题，上面三层为高层协议，主要为应用所需的专门服务。,概念：协议开放系统互连模型,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境1.3.2计算机网络目前，较著名的通信协议标准有TCP/IP和MAP/TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)即传输控制协议/网络互连协议，是由美国国防部定义的网络协议，相当于ISO-OSI7层模型中的传输层和网络层。MAP(ManufacturingAutomationProtocol)是美国通用汽车公司(GeneralMotor)提出的专门用于生产自动化的局域网协议，主要涉及生产部门和自动装配线。TOP(TechnicalandOf-ficeprotocol)是由美国波音公司(BoeingCompany)开发的一种用于办公室自动化的局域网协议。,概念：TCP/IPMAPTOP,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境总线网是CAD/CAM集成系统中常用的网络形式。它的主要优点是：传输速率高，用户节点的重新配置较容易实现，网络可靠性高，通信距离较大等。如果用户较分散，而且信息流量不是太大时，采用总线网结构可以获得较为理想的信息吞吐量。这种网络结构常采用“以太网(Ethernet)”为物理连接介质，已列入国际标准ISO8802/3。两个节点的总长度最大可达2.5km。当前世界上的局域网大约50%都采用“以太网”。1.3.3Internet/IntranetInternet是一种基于TCP/IP协议发展起来的国际互联网络。Intranet，企业开始关注如何利用Internet技术建立企业信息公路，即Intranet，并将企业计算机环境中的资源与Internet集成在一起。,概念：总线网以太网InternetIntranet,第一章绪论,1.3计算机辅助制造工程系统的计算机环境Web（WWW）应用迅速成为最广泛支持的应用模式。Web模式以浏览器作为客户端软件，以HTML页面作为用户交互界面的描述，统一、直观的操作界面和操作风格方便了用户的使用，减少了系统培训和服务的工作量，同时Web模式的易用、开放和支持动态变化等特性决定了它将成为未来网络信息系统发展的主导方向。以Internet/Web技术和现实环境的支撑,通过Internet/Intranet网,实现异地协同设计与制造及企业制造信息管理，为计算机辅助制造工程技术提出了新的应用与发展需求。,概念：WWWWebHTML异地协同,第一章绪论,1.4计算机辅助制造工程的应用与发展计算机辅助制造工程技术的价值在于应用，通过应用形成新的生产力，转化为实际的经济效益。系统：包括各种计算机应用系统，这些系统和相应的知识库由企业各级组织中的人员在协调、共享的环境中使用，在企业的产品设计、工艺设计、产品制造和用户服务等15个生产经营主要环节中创造出新的价值。用户：强调企业的一切生产经营活动都必须以满足用户不断增长的需求，即TQCS为中心而运行。T代表产品上市快(TimetoMarket)；Q代表高质量好(Quality)；C代表成本低(Cost)；S代表服务好(Service)。,概念：TQCS,第一章绪论,1.4计算机辅助制造工程的应用与发展图1.5新的制造企业轮图,第一章绪论,1.4计算机辅助制造工程的应用与发展在西方发达国家中，新型飞机或发动机研制费的5%10%是用于购买计算机的软硬件，据估算，全世界航空航天工业每年购买CAD/CAM和CASE（计算机辅助软件工程软硬件的费用超过40亿美元，并将继续以每年10%的速度增长。因此，能否充分利用这种战略资源，将高技术转化为高效益，越来越成为企业谋求生存发展的重大战略问题。,概念：CAD/CAM航空宇航,第一章绪论,1.4计算机辅助制造工程的应用与发展信息时代，制造业正面临着新的挑战。CAME技术的有机集成以及先进制造系统与模式已经成为现代企业科技进步和实现现代化的重要标志。目前，先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology，AMT)的发展引起国内外的极大关注，未来的制造是基于集成和智能的敏捷制造和“全球化制造”，未来的产品是基于信息和知识的产品，集成化、智能化、系统化、实用化、工程化成为计算机辅助制造工程技术的发展方向。根据国民经济与社会发展“十一五”计划和2010年远景目标纲要及市场需求，我国正在大力推广电子信息技术在传统产业技术改造中的应用，以及制造业信息化工程的发展，促进CAD、CAM、CAPP、MIS、CIMS技术的应用，并向综合化、集成化方向发展。,概念：信息时代先进制造技术（AMT）,第一章绪论,思考题与习题1.论述制造业对国民经济发展的重要性。2.制造工程所涉及的基本活动有哪些？3.制造系统的类型有哪些？通常有哪些部分组成？4.阐述计算机辅助制造工程技术的发展。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,信息工程的角度：产品的开发制造过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，其制造形成的产品可以看作是数据的物质表现。因此如何实现产品数据的收集、存储、处理和共享是计算机辅助制造工程的共性技术和基础技术。产品数据共享与交换角度：现有的计算机辅助制造工程单元技术应用系统都是相对独立开发的，各系统的数据在逻辑结构和物理结构上存在很大差异，给数据的共享与交换带来困难，因此，产品数据共享与交换就成为计算机辅助制造工程技术发展中亟待解决的基础技术问题。系统化角度：成组技术（GT，GroupTechnology）是提高多品种、中小批量机械制造业生产效率和水平，增加生产效益的一种基础技术。在逻辑决策方面：以专家系统为代表的符号化人工智能技术在计算机辅助制造工程中得到广泛应用，从而成为实现计算机辅助制造工程软件智能化的重要基础技术。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,掌握：信息工程产品数据了解：成组技术专家系统,2.1数据库技术2.1.1数据库系统概述1数据库系统工程设计制造中包含了各种数据处理的过程。人工设计过程的数据处理在计算机辅助制造工程中，数据处理和数据管理计算机应用系统的价值不仅体现在处理功能方面，而且存储在计算机系统内已有的应用数据资源也是重要的指标。可见，数据管理对计算机应用具有举足轻重的地位。传统的基于文件形式的数据管理建立语义层次数据模型的基础上对数据进行整理,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术数据库系统是计算机化的信息系统，由称做数据库管理系统（DBMS）的通用软件包管理数据。数据库系统是由四个主要部分组成，它们是数据库、数据库管理系统（软件）、计算机硬件和数据库管理员。（1)数据库数据库可粗略理解为“数据的仓库”，数据库是存储在一起并相互关联的数据的集合。数据库以最小的冗余为多种应用服务；数据的存储独立于应用程序，应用程序能共享数据资源；有一个专门的软件(数据库管理系统)统一管理和维护这些数据。对应系统程序员视角的是物理级数据库，对它的描述称为内模式或存储模式。对应数据库管理员视角的是概念级数据库，对它的描述称为概念模式。对应用户视角的用户级数据库，对它的描述称为子模式。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术（2）数据库管理系统数据库管理系统（DBMS，DatabaseManagementSystem）是统一管理整个数据库的应用支撑软件，它一般自成体系，在操作系统软件的支持下运行。对任何一个数据库系统，实际存在的只是物理级数据库。DBMS的中心任务是实现这三级库结构之间的转换，把对数据库的各种操作转换到物理级去执行。DBMS的主要功能有数据库定义、数据库操作控制、数据库维护等几个方面。数据库语言是数据库应用开发人员请求DBMS提供服务的通信工具。通信方式：命令方式、编程方式数据库编辑语言有两种，自含型语言，宿主型语言,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术SQL语言是关系数据库的标准语言。SQL语言精致、简洁，命令数量不多，但具备对数据库操作的基本功能。SQL语言还具有非过程化语言的特征，即只需用SQL语句说明“做什么”，而无需指明“怎么做”，这一特性深受用户欢迎。目前SQL语言已成为操作关系数据库的标准接口。（3）数据库系统硬件运行数据库系统的计算机需要有足够大的内存、容量足够大的磁盘等联机直接存取设备和较强的内外存交换能力，以支持对外存的频繁访问。（4）数据库管理员在大多数企业组织中，终端用户并不能直接控制数据库中的数据，而是由一个或一个小组的专家来控制与管理数据库，这个人或小组便称作数据库管理员（DBA），DBA按企业的需要与全部终端用户打交道，总结他们的需求。DBA的成员大多是DBMS、数据库设计、主机操作系统、数据通讯、计算机硬件和应用程序设计等方面的专家。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术2数据模型从应用的角度，应用对象的状态和变化需要用数据表示。用数据描述应用对象涉及到语义层次数据模型和结构层次数据模型。语义层次数据模型需要在对应用问题分析和抽象的基础上建立，目前使用的主要有实体联系模型。结构层次数据模型与数据结构设计和实现相关，目前使用的有层次模型、网状模型和关系模型等三种。（1）层次模型（HierarchicalModel）（2）网状模型（NetworkModel）（3）关系模型（RelativeModel）在关系模型中，将数据库数据以关系（Relation）或表（Table）的形式进行组织。每个数据库的数据可划分成多个关系，每个关系的组成由关系模式定义，数据库的全部关系模式的集合称为数据库模式。关系模型由关系、关系上定义的操作和对关系的完整性的规划组成。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术关系模型在本质上不同于层次和网状模型，其差异在于，关系模型通过表格数据模型而不是通过指针连接来表示和实现两实体间的关系。关系模型的优点是：数据结构简单、直观，易理解；可以直接处理M:N的关系；维护、检索操作方便，一次提供一个元组集合；数据独立性强，在关系模型中，用户只需指出所要存放的数据类型、数据长度等数据本身的特性，而无需涉及它们的物理存放；最适合于分布式数据库，易分割成各种表格重新组织；对数据的增加更加方便、灵活；有严格的数学定义、理论基础。关系模型的缺点是查询效率较低。在工程应用中，层次模型描述能力有限，网状模型比较容易描述具有有复杂结构的工程对象，比如几何形体以及形体之间的关联等。但使用网状模型或层次模型时，数据的存取路径对用户不透明，需要用户编辑导航，增加了操作的复杂性，推广难度较大。关系模型具有较高的数据独立性，数据存取路径对用户透明，有标准的结构化数据访问语言SQL（StructuredQueryLanguage），使用方便。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术2.1.2数据库应用系统的开发数据库应用系统具有对数据进行收集、组织、存储、加工以及传输等功能，系统是否使用、完善和高效，关键在于数据库的设计。数据库逻辑结构一方面要正确反映应用对象及对象之间的联系，同时又要满足不同用户对数据的需求。数据库应用系统的功能主要体现在数据管理方面，对数据在语义层次的复杂运算可以由专门的应用程序完成。数据库应用系统的开发，就是在选定的开发环境下，针对具体应用问题，设计和实现具有特定数据库服务功能的计算机应用系统。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术1、实体联系模型在开发数据库时，若直接用具体DBMS支持的数据结构来描述应用对象一般比较复杂，通常先用实体联系模型描述，然后转换成具体的关系、网状或层次模型，用数据库语言描述和处理。实体联系模型简称E-R（Entity-Relation）模型，它侧重于表达数据在语义层次的应用含义。E-R模型面向应用，与用户交流比较方便，是数据库应用开发人员和用户描述应用对象及对象之间联系的共同基础。1)实体2)联系2、数据库应用开发数据库应用系统的开发是一项复杂的系统工程，其中除了建立系统运行所必须的硬件环境以外，数据库应用软件的开发是主要内容。数据库应用开发可发为系统分析、系统设计、系统实现和系统维护4个阶段。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术2.1.3分布式数据库分布式数据管理系统（DDBMS，DistributedDBMS）是将物理上离散于各个场所的数据库、通过计算机网络连接起来，进行统一管理和控制，使其在逻辑上可视为一个整体的数据库，因此，DDBMS以资源的物理离散和逻辑相关性为其特征。一个标准的DDBMS应能使全局用户感到他的工作环境已经无异于集中式系统。分布式数据库的特点有：1、关系模型：大多数全分布式的数据库采用关系模型，它以关系表的形式存取数据。因而，特别适合于存取同一风格的多个结点的数据。2、结构式查询语言：它是关系型数据库语言(包括定义、操纵、查询、控制等)，国际上已有工业标准。3、分布式数据字典：分布式数据库必须有一个分布式数据字典，这个字典包含了全部结点上公共数据的定义，以便适应共享这些数据的要求。4、事务并发性：一个数据库事务是一组存取或刷新数据库中信息的操作，事务并发性的目的是为了控制对共享数据的存取和证明每个事务的正确完成。在一个多用户的系统中，事务要刷新多个文件，因此，要求数据库提供一种机制，以确保数据的一致性和完整性。5、网络集成：现代企业信息集成是在网络技术的支持下实现的记录层数据共享。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术2.1.4工程数据库技术计算机辅助制造工程系统中所包含的数据统称为工程数据，工程数据一般由产品的几何定义、工程分析、制造工艺以及计划销售管理等几部分组成，这些数据包括了产品从设计、制造到管理及销售等各个方面的内容。工程数据不仅类型多、数据量大，而且具有相当复杂的结构，用单个记录或一组同构记录就不能表示了，必须要用许多不同构的记录来描述，而且在这些记录类型中还要包含一些附加的数据类型，例如，无格式的长字符、向量和矩阵等。通常工程数据分为两大部分：一部分是静态数据；另一部分是动态数据，它是由程序动态产生，是应用程序运行的结果或中间结果。工程数据的复杂性，决定了工程数据库必须要具有不同于商用管理数据库的表示、处理和检测工程数据的功能。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术工程数据库管理是在20世纪70年代末期，在商务数据管理上取得明显的进展，逐步走向成熟的条件下研究与开发起来的。人们从研究与开发的实践中，深刻认识到一般的商务数据库管理系统不适合于工程数据管理，必须重新开发适合于工程数据管理所需要的那种工程数据库管理系统。工程数据管理有其特殊的要求，它至少必须具有下述一些特点：1、数据类型多种多样，数据模型复杂。2、数据模式的动态修改和演变。3、版本控制。4、工程数据量大，规模常达到几十千兆以上。5、支持交互式的工作方法。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.1数据库技术工程数据库管理系统的结构应具有下述特点：1、它是在逻辑上管理综合的制造工程数据库，在物理上管理分开的数据库的分布式管理机构。用这种方法可解决超大型数据库的问题，并支持反复试验的过程。2、它具备在任何时刻定义数据结构的能力，并且是管理动态定义数据结构和预定义数据结构之间相互配合的动态数据结构的控制机构。3、它还是数据语义管理机构。这种机构用来控制完整的约束，并便于把语义信息引入知识库系统。为了实现上述特点，有人提出了所谓多层数据库的设想，也提出了高于商用数据库管理系统传统的网状、层次或关系模型的语义层次数据模型的设想，以及面向对象的数据库管理系统的方案。这些设想和方案，近年来已在国内外研制的工程数据库管理系统中得到一定程度的实现。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准2.2.1产品数据交换在制造环境下，要以计算机可识别的形式来表示和存储产品数据，并在各计算机辅助系统间交换这些数据。这些系统可能是同一企业紧密关联的系统，但也可能分属于不同的企业（如合同承包商与子合同承包商之间、供应商与用户之间等）。通常产品数据交换出现在下列情况：不同的技术设计部门之间；产品设计、生产准备与加工部门之间；组装厂家与零部件供应商之间；不同时期研制的产品型号之间；不同用途的CAX系统）之间；同一CAX系统的不同版本之间。专用格式交换法、标准格式交换法、数据共享法。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准1专用格式交换法专用格式交换法是指通过开发任意两个系统之间的专用数据交换接口来实现数据交换，即数据通过两个CAX系统间由约定的数据结构形成的文件传送，发送一方先按约定格式将数据转换成专用文件，接受一方收到文件后再进行解释和转换。针对性强，数据文件一般较简练，运行效率高，因而近期出现的集成化系统多采用它。但它也存在不少缺点。首先，转换接口程序依赖于相关系统，当任一系统的数据结构有变化后，与之相关的所有接口程序都必须修改；而当系统数目增多时，所需转换接口将随之增多。所以，它比较适用于子系统数目较少以及数据结构比较稳定的局部集成系统。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准2.标准格式交换法标准格式交换法是指依据数据交换标准，分别开发各应用子系统与标准数据格式的数据交换接口。这种方法的突出优点是，当子系统数目较多时（大于3个），相对于前一种方法，能大大减少转换接口程序的数目，而且，接口程序只有数据交换标准和其自身的数据结构相关。这种方法的前提是，必须有数据交换标准的支持，但是从国际上各工业国家在制订标准的过程来看，要制订通用的数据交换标准并非易事。著名的标准有美国的IGES、法国的SET、德国的VDA-F、欧共体的CAD*I等，这些标准虽然得到国际范围软、硬件厂商的广泛支持，同时也暴露了不少的问题。目前，国际标准化组织ISO正在研究制订能覆盖整个产品生命周期的数据交换标准STEP，该标准的一部分已成为正式国际标准，于1993年开始逐步发布。STEP标准在制订过程中得到各工业国家政府部门和企业界的支持，但由于工作量宠大，有些技术问题有待解决，因此还需要深入研究和完善。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准3.数据共享法通过工程数据库，各子系统借助统一的数据管理软件（系统）直接进行所需交换数据的存取和共享，从而实现系统间的信息集成，这是一种较理想的方式。但是，由于集成系统各子系统涉及的工程数据量大、种类多、图形与非图形信息并存、数据结构非常复杂，因此这种工程数据库及其管理系统的设计是很复杂的。当前，面向对象的数据库管理系统（OODBMS）的研究受到广泛重视，它给这种复杂数据交换带来很大方便。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准2.2.2产品数据交换标准产品数据交换标准的制订工作，最初是由设在美国的CAM-I公司的（ComputerAidedManufacturingInternational，Inc.）开始的。它委托McAuto公司于1979年制订了实体制造型（包括CSG表示和B-rep表示）数据文件规范FS（FileSpecificationforSolidModelingData），又委托ShapeData公司于1980年制订了实体造型的应用接口规范AIS（APPlicationInterfaceSpecification）。初始图形交换规范IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)。IGES在开发中，吸收了波音公司的CAD/CAM集成信息网和通用电气公司的中性数据库的思想。IGES1.0（草案）于1980年1月发表，适应的范围最初仅限于画蓝图所需要的典型几何、图形和标注实体。随后，美国国家标准研究所ANDI的Y14.26委员会将IGES1.0的内容与McAuto公司的FS合并，于1981年1月发表了IGES1.0产品数据交换标准的正式版本。其后，IGES规范维护委员会致力于它的应用领域的扩展及所支持造型方法的扩充，先后发表了IGES2.0,3.0,4.0版本。IGES是目前世界上最著名的标准之一，许多著名的计算机硬件/软件产品厂商都声称在产品中支持它。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准为了克服IGES的缺点和不足，在世界范围内出现了其它一些著名的标准。例如，法国人于1983年发表了数据交换规范SET（StandardExchangeddeTransfer）。SET采用了IGES的数据模型，但文件格式完全不同。德国于1984年发表了产品数据交换德国国家标准VDAFS（VerbandderDeutschenAutomobilindustrie-Flachennittstelle），即DIN66301。VDAFS的特色是应用领域较窄，只处理自由曲面数据的交换。此外，美国空军还组织制订了产品定义数据接口PDDI（ProductDefinitionDataInterface），于1985年发表。PDDI定义了一些数据结构来改进IGES表达能力的不足，并且还首次提出了产品定义数据和产品生命周期数据等概念。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准1984年，IGES组织设置了一个研究计划称为PDES（ProductionDataExchangeSpecification），它的显著特点是着重于产品模型信息的交换，而不仅是几何和图形数据的传递。这种产品模型的信息应能直接为CAD/CAM系统的理解，除了几何数据，还应包括许多非几何数据，例如制造特征、公差、材料特性、表面处理要求等。PDES支持的产品数据交换方式除了文件交换外，还有共享数据库，这在实现方式上比以前的标准前进一大步。PDES的开发方法基于一个三层的体系结构（应用层、逻辑层、物理层）参考模型及形式化语言（EXPRESS），消除了定义中的二义性，提高了计算机可实现的程度，所以无论是开发标准的方法论还是在标准的结构和内容方面，PDES计划都有重大的突破和创新，为STEP标准的制订奠定了基础。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准在PDES计划在美国开始实施的同时，1984年11月，欧洲共同体的ESPRIT计划中专设了计算机辅助设计接口研究计划CAD*I（ComputerAidedDesignInterfaces），它的主要研究课题是开发一种几何模型描述语言，并在商品化的CAD和FEM系统上设计和实现相关的前后处理器。CAD*I在STEP国际标准的制订中有很大影响，特别是在几何与形状信息、有限元接口与绘图信息等方面。1983年12月，国际标准化组织ISO设立了TC184工业自动化系统技术委员会，下设第4分委员会SC，即产品数据表达与交换分委员会。ISO把美国的PDES文本作为STEP标准的建议草案公布，而PDES计划的制订工作也并入STEP计划，PDES的工作则转向STEP标准的应用，并将PDES的含义改为“应用STEP进行产品数据交换（ProductDataExchangeUsingSTEP）”。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准1IGES简述IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）是最早的、亦是目前应用最广的数据交换规范，它由美国国家标准局（NBS）主持开发。1980年1月，NBS公布了IGES1.0版本。该版本仅限于描述工程图纸的几何图形和注释实体。为了解决电气及有限元信息的传递，1983年2月又公布了IGES2.0版本，同时，对图形描述也做了进一步的扩充。而1986年4月公布的IGES3.0则包含了工厂设计和建筑设计方面的内容。为表达三维实体，1988年6月公布的IGES4.0版本收入了CSG、装配模型、新的图形表示法、三维管道模型以及对有限元模型的功能改进等新内容。IGES中的基本单元是实体，它分为三类。第一类是几何实体，如点、直线、圆弧、样条曲线、曲面等；第二类是描述实体，如尺寸标注、绘图说明等；第三类是结构实体，如结合项、图组特性等。利用IGES进行数据交换是通过中性文件格式实现的。IGES文件是以ASCII码表示的记录长度为80个字符的顺序文件。从IGES2.0版本开始，增加了二进制文件格式定义的内容。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准尽管IGES得到了广泛的应用，但在应用中也存在着以下的问题：（1）IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，它的目的是在屏幕上显示图形或用绘图机绘出图纸，并绘出完整的尺寸标注和文字注释，其输出形式都是供人理解的，不能满足CAD/CAPP/CAM的集成的需要。（2）数据转换中发生了信息丢失或畸变，数据传输不可靠。一个CAD/CAM系统往往只有一部分数据能够转换成IGES数据，在读入IGES文件时也经常忽略一部分数据。此外，由于IGES文件的一些语法结构具有二义性，所以不同的系统会对同一IGES文件给出不同的解释，这也可能导致数据转换的失败。（3）IGES交换文件占有存储空间太大，虽然后来出现了压缩ASCII格式和二进制格式，但大部分IGES处理器都不支持这两种形式，影响了数据文件的处理速度，使得数据传输效率不高。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准2STEP简述从前述可知，STEP国际标准是在近20年以来许多国家政府和企业在对产品定义（描述）数据交换标准的研究和开发的基础上，为适应数据交换标准国际化的需要而产生的。PDES计划和欧洲的CAD*I研究做了直接的、积极的贡献，而IGES，SET，VDAFS等的工作也都给予了一定的支持。1983年ISO成立了TC184/SC4后，许多工业化国家都参与了这项工作。为了更有效开展STEP的制订工作，ISOTC184/SC4于1990年6月制订了一份完成STEP文本的计划，计划包括了TC184/SC4的组织机构、STEP文本的划分、STEP文本标准的确认过程等，从而全面开始了这一大型国际性研究计划。,第二章计算机辅助制造工程基础技术,2.2产品数据交换及其标准2STEP简述STEP标准在ISO中的正式代号为ISO10303，是一个用来表示产品数据，并可进行交换、计算机可理解的国际标准。其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的产品数据。这种描述本质上不仅适合于中性文件交换，而且是实现和共享产品数据库以及长期存档的基础。产品生命周期包括产品的设计、制造、使用、维护、报废等。产品在其中各个过程产生的信息既多又复杂，而且分散在不同的部分和地方。这就要求这些产品信息以