河北工大企业信息化第4章

1、 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD） 第三节第三节 计算机辅助工程分析（计算机辅助工程分析（CAECAE） 第四节第四节 计算机辅助工艺规程设计（计算机辅助工艺规程设计（CAPPCAPP） 第五节第五节 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAMCAM） 第六节第六节 并行设计技术并行设计技术 第七节第七节 虚拟制造技术虚拟制造技术 第八节第八节 快速原型制造技术快速原型制造技术 第九节第九节 一次成功设计及快速产品制造集成系统一次成功设计及快速产品制造集成系统 第十节第十节 网络基础的设计技术网络基础的设计技术 第十一节第十一节 技术系统的集成平

2、台技术系统的集成平台-PDM -PDM 技术技术 第一节第一节 概概 述述 现代企业技术系统的运作都是现代企业技术系统的运作都是围绕着产品的开发和设计展开围绕着产品的开发和设计展开的，的，它包括产品设计和工艺设计两项主要内容。在信息化社会，顾客它包括产品设计和工艺设计两项主要内容。在信息化社会，顾客品味的品味的“个性化个性化”，导致了市场要求的动态多变及不可预知性，导致了市场要求的动态多变及不可预知性，工业化社会基于工业化社会基于“预测预测”的大批大量生产方式已一去不复返了的大批大量生产方式已一去不复返了。这就要求企业的技术系统随之跟着改变，采用信息技术进行产品这就要求企业的技术系统随之跟着改

3、变，采用信息技术进行产品的开发和设计。的开发和设计。第一节第一节 概述概述 与传统企业的技术系统相比，与传统企业的技术系统相比，信息化企业的技术系统信息化企业的技术系统具有如下具有如下特征特征：特征特征1 1并行工程技术得到广泛应用并行工程技术得到广泛应用n传统的产品设计和开发方式是所谓的串行式，即各个过程是前后相传统的产品设计和开发方式是所谓的串行式，即各个过程是前后相接的，只有当前一个过程完成后才能开始下一个过程。这种串行式接的，只有当前一个过程完成后才能开始下一个过程。这种串行式的工作方式会产生很多弊病：开发周期长、设计质量难于保证、产的工作方式会产生很多弊病：开发周期长、设计质量难于保

4、证、产品的设计制造和维修成本高等。品的设计制造和维修成本高等。n在信息化企业，产品设计和开发采用在信息化企业，产品设计和开发采用TeamworkTeamwork工作方式，以工作方式，以PDMPDM作作为运行平台，以为运行平台，以CAXCAX作为技术手段，在产品的设计阶段就可同时完作为技术手段，在产品的设计阶段就可同时完成工艺设计、仿真制造、仿真运行、质量控制、生产调度等工作。成工艺设计、仿真制造、仿真运行、质量控制、生产调度等工作。n并行工程技术的采用可以有效缩短开发周期，大大提高设计质量，并行工程技术的采用可以有效缩短开发周期，大大提高设计质量，并将产品寿命周期成本降至最低。并行工程技术的采

5、用会给传统技并将产品寿命周期成本降至最低。并行工程技术的采用会给传统技术系统的组成和运作方式带来极大的冲击，但它的效果却是很明显术系统的组成和运作方式带来极大的冲击，但它的效果却是很明显的。的。 第一节第一节 概述概述特征特征2 2CAX CAX 技术占有重要地位技术占有重要地位 CAX CAX是各种计算机辅助技术的总称，它包括是各种计算机辅助技术的总称，它包括CADCAD、CAECAE、CAPPCAPP、CAMCAM、CAAPCAAP、CATCAT等。传统的等。传统的CAXCAX技术是独立发展的，相互之间的数据交换技术是独立发展的，相互之间的数据交换很少，无法充分发挥各个系统的集成效益。近几

6、年来，随着产品数很少，无法充分发挥各个系统的集成效益。近几年来，随着产品数据管理据管理(PDM)(PDM)技术的快速发展，使得各种技术的快速发展，使得各种CAXCAX技术有可能运行在同一技术有可能运行在同一个集成平台上，使得各部分的数据交换和共享变为可能，从而使得个集成平台上，使得各部分的数据交换和共享变为可能，从而使得CAXCAX技术在现代企业的技术系统中的地位变得愈来愈重要。技术在现代企业的技术系统中的地位变得愈来愈重要。 CAD Computer Aided Design CAD Computer Aided Design； CAE Computer Aided Engineering

7、CAE Computer Aided Engineering； CAPP Computer Aided Process Planning CAPP Computer Aided Process Planning； CAM Computer Aided Manufacture CAM Computer Aided Manufacture； CAAP Computer Aided Assembly Planning CAAP Computer Aided Assembly Planning； CAT Computer Aided Testing CAT Computer Aided Testing

8、各种各种CAXCAX技术的技术的含义含义及其及其相互关系相互关系 ：第一节第一节 概述概述特征特征3 3强调产品设计的一次成功率强调产品设计的一次成功率 传统的产品开发过程是个多次反复的过程，产品要经过多次修改才传统的产品开发过程是个多次反复的过程，产品要经过多次修改才能达到实用水平，是个费时、费力、费钱的过程。在信息化企业，能达到实用水平，是个费时、费力、费钱的过程。在信息化企业，强调的是产品设计的一次成功率。即在产品的数字化阶段完成产品强调的是产品设计的一次成功率。即在产品的数字化阶段完成产品的反复修改，一旦投产，即可获得成功。一次成功设计靠的是信息的反复修改，一旦投产，即可获得成功。一次

9、成功设计靠的是信息技术、并行工程技术、虚拟制造技术、快速原型制造技术、计算机技术、并行工程技术、虚拟制造技术、快速原型制造技术、计算机辅助工程分析技术和计算机辅助测试技术的集成化应用。辅助工程分析技术和计算机辅助测试技术的集成化应用。 特征特征4 4异地设计和制造技术的大量应用异地设计和制造技术的大量应用 在信息化企业，由于设计手段的计算机化和信息传输的网络化水平在信息化企业，由于设计手段的计算机化和信息传输的网络化水平得到极大提高，再加上虚拟企业的大量出现，使得基于网络的异地得到极大提高，再加上虚拟企业的大量出现，使得基于网络的异地设计和制造技术在实践中得到大量应用。设计和制造技术在实践中得

10、到大量应用。 第一节第一节 概述概述特征特征5 5分析技术的加强分析技术的加强n由于受到计算机硬、软件水平和分析技术发展的限制，传统企业技由于受到计算机硬、软件水平和分析技术发展的限制，传统企业技术系统的分析功能十分薄弱，主要靠的是采用实物实验的方式保证术系统的分析功能十分薄弱，主要靠的是采用实物实验的方式保证未来产品的质量。这种方式不仅十分费时，还要花费大量的人力和未来产品的质量。这种方式不仅十分费时，还要花费大量的人力和物力，使得研制成本大幅度提高。物力，使得研制成本大幅度提高。 n在信息化企业，计算机硬、软件的水平得到极大的提高，各种借助在信息化企业，计算机硬、软件的水平得到极大的提高，

11、各种借助于计算机的分析和仿真软件的功能变得愈来愈强大，使得设计人员于计算机的分析和仿真软件的功能变得愈来愈强大，使得设计人员可以省去反复的实物制作和实验，只需在计算机中建立产品的数字可以省去反复的实物制作和实验，只需在计算机中建立产品的数字模型，就可以借助于有限元法和虚拟制造技术在计算机上对产品的模型，就可以借助于有限元法和虚拟制造技术在计算机上对产品的性能进行分析和实验，预测产品的性能，为一次成功设计打下良好性能进行分析和实验，预测产品的性能，为一次成功设计打下良好的基础。的基础。第一节第一节 概述概述特征特征6 6集成化和无纸化集成化和无纸化n由于采用串行工作方式，各子系统之间的信息交换主

12、要以纸作为载由于采用串行工作方式，各子系统之间的信息交换主要以纸作为载体，造成信息传输的速度变慢，且浪费大量的纸张。体，造成信息传输的速度变慢，且浪费大量的纸张。n在信息化企业的技术系统中，各种应用技术均集成在同一个平台上在信息化企业的技术系统中，各种应用技术均集成在同一个平台上运行，实现了数据的快速交换和信息共享。运行，实现了数据的快速交换和信息共享。n与国内外合作伙伴之间的信息交换通过高速网络系统即时进行，避与国内外合作伙伴之间的信息交换通过高速网络系统即时进行，避免了大量图样和文档资料的寄送。免了大量图样和文档资料的寄送。 集成化和无纸化集成化和无纸化实例实例1 1IBMIBM公司设计图

13、样的网络化传输公司设计图样的网络化传输n自从自从8080年代以来，年代以来，IBMIBM公司非常重视信息技术的应用，完成了图公司非常重视信息技术的应用，完成了图样的网络化传输项目，使图样可以通过网络在全公司范围内传送样的网络化传输项目，使图样可以通过网络在全公司范围内传送，缩短了新产品投放市场的时间，节省了，缩短了新产品投放市场的时间，节省了“纸纸”图样和文档的所图样和文档的所有费用，包括生成费用、保管费用和寄送费用。这项工作的前提有费用，包括生成费用、保管费用和寄送费用。这项工作的前提条件是产品信息的数字化和网络传输的高速化。以前，从条件是产品信息的数字化和网络传输的高速化。以前，从IBMI

14、BM美美国实验室寄送图样资料给位于欧洲的生产厂，可能需要国实验室寄送图样资料给位于欧洲的生产厂，可能需要1010天的时天的时间，现在只需几分钟就可以了。如果图样需要修改，往返的邮寄间，现在只需几分钟就可以了。如果图样需要修改，往返的邮寄费用、时间和修改费用及时间又要加倍，通过信息系统完成这些费用、时间和修改费用及时间又要加倍，通过信息系统完成这些任务则简单得多了。任务则简单得多了。集成化和无纸化集成化和无纸化实例实例2 2波音波音777777飞机的无纸化生产飞机的无纸化生产n在波音在波音777777飞机的设计中，波音公司共投入飞机的设计中，波音公司共投入9 9台台IBMIBM大型计算机，大型计

15、算机，22002200台台工作站，位于日、美、英三国技术人员共工作站，位于日、美、英三国技术人员共40004000余名，组成余名，组成200200多个工作多个工作团队，通过计算机网络实现跨国共同设计。整个飞机的设计图样达团队，通过计算机网络实现跨国共同设计。整个飞机的设计图样达3500035000多张，三个国家的设计人员均采用多张，三个国家的设计人员均采用CADCAD系统工作，各部分的配合系统工作，各部分的配合验证、数据的修改、工作讨论都是通过网络进行的，从而实现了无纸验证、数据的修改、工作讨论都是通过网络进行的，从而实现了无纸化设计。由于整个飞机均已实现数字化，在波音化设计。由于整个飞机均已

16、实现数字化，在波音777777飞机开始试飞之前飞机开始试飞之前，公司就向用户提供计算机模型装置，使他们能尽早开始训练驾驶员，公司就向用户提供计算机模型装置，使他们能尽早开始训练驾驶员。在第一架飞机交付使用之前，驾驶员就能得到飞行和维护手册。在第一架飞机交付使用之前，驾驶员就能得到飞行和维护手册。一、一、CADCAD的定义的定义nCADCAD是指利用计算机作为辅助手段，进行产品的总体方案设计和计是指利用计算机作为辅助手段，进行产品的总体方案设计和计算、结构设计和计算、零件设计、绘制产品装配图和零件图，并生算、结构设计和计算、零件设计、绘制产品装配图和零件图，并生成各种技术文档成各种技术文档( (

17、包括设计计算说明书，安装维修说明书，用户手包括设计计算说明书，安装维修说明书，用户手册等册等) )。n早期的早期的CADCAD技术，也包括设计过程中产生的所有数据的管理，以及技术，也包括设计过程中产生的所有数据的管理，以及对设计方案进行的分析。对设计方案进行的分析。n随着随着CADCAD技术应用水平的大幅度提高，所产生的数据量极其庞大，技术应用水平的大幅度提高，所产生的数据量极其庞大，需要专门的系统来管理，于是在需要专门的系统来管理，于是在9090年代初从年代初从CADCAD中分离出两个技术中分离出两个技术系统：即一个是产品数据管理系统：即一个是产品数据管理( (PDM)PDM)技术，也有人称

18、，技术，也有人称，PDMPDM是是CADCAD技技术发展史上的第二个里程碑。另一个是计算机辅助工程分析术发展史上的第二个里程碑。另一个是计算机辅助工程分析( (CAE)CAE)技术。目前，技术。目前，CAECAE技术已成为制约我国企业新产品开发的主要技术技术已成为制约我国企业新产品开发的主要技术障碍。障碍。二、二、CADCAD系统的组成系统的组成nCADCAD系统一般由硬件和软件两大部分组成。系统一般由硬件和软件两大部分组成。n常用的硬件主要包括：计算机主机和输入输出设备。由于现代常用的硬件主要包括：计算机主机和输入输出设备。由于现代CADCAD系统都是在网络环境下工作的，所以，网络硬件也应属

19、于系统都是在网络环境下工作的，所以，网络硬件也应属于CADCAD硬件的范畴。常用硬件的范畴。常用CADCAD硬件名称、用途及其配置要求见下表。硬件名称、用途及其配置要求见下表。常用常用CADCAD硬件名称硬件名称及配置要求及配置要求CADCAD系统的软件系统的软件nCADCAD系统的软件分为三个层次。系统的软件分为三个层次。n最里层最里层的是的是系统软件系统软件，如操作系统、数据库管理系统、程序设，如操作系统、数据库管理系统、程序设计语言、通信软件等，它们为计算机资源管理和应用提供最基计语言、通信软件等，它们为计算机资源管理和应用提供最基本的支持。本的支持。n中间层中间层被称为被称为支撑软件支

20、撑软件，包括界面开发软件、图形支撑软件、，包括界面开发软件、图形支撑软件、建模软件、绘图软件、通用设计计算软件等。支撑软件在系统建模软件、绘图软件、通用设计计算软件等。支撑软件在系统软件的支撑下工作，为开发各种具体应用软件提供通用平台。软件的支撑下工作，为开发各种具体应用软件提供通用平台。nCADCAD软件的软件的最外层最外层称为称为应用软件应用软件，应用软件一般是在支撑软件的，应用软件一般是在支撑软件的基础上专门开发而成的，它们的针对性很强，便于使用，应用基础上专门开发而成的，它们的针对性很强，便于使用，应用效率也要高得多。效率也要高得多。CADCAD系统的软件系统的软件 名名 称称典型系统

21、典型系统用途及类型用途及类型系统软件系统软件操作系统操作系统DosDos、Windows3.xWindows3.x、Win95Win95、Win98Win98、NT NT 等等对计算机资源统对计算机资源统一管理一管理数据库数据库 管理系统管理系统DbaseDbase、FoxBaseFoxBase、PoxProPoxPro、ServerServer、Access Access 等等储存和管理数据储存和管理数据资源资源程序设计语程序设计语言言BasicBasic、V-BasicV-Basic、FortranFortran、C C、C C+ + 等等编写应用程序编写应用程序支撑软件支撑软件图形支撑软

22、图形支撑软件件GKSGKS、PHIGSPHIGS、VDMVDM、VDIVDI为应用软件提供为应用软件提供基本图形功能基本图形功能建模及建模及 绘图软件绘图软件AutoCADAutoCAD、I-DEASI-DEAS、Pro/EPro/E、UGUG、CATIA CATIA 等等提供基本的建模提供基本的建模和绘图功能和绘图功能通用设计计通用设计计算软件算软件SAPSAP、NASTEANNASTEAN、ANSYSANSYS、GPSSGPSS、ASKA ASKA 等等参数计算、仿真参数计算、仿真分析、优化设计分析、优化设计界面开发软界面开发软件件V-BasicV-Basic、Power BuildPow

23、er Build、DelphiDelphi开发应用软件界开发应用软件界面面应用软件应用软件常用机械常用机械 零件设计软零件设计软件包件包齿轮传动、凸轮齿轮传动、凸轮机构、丝杠传动机构、丝杠传动典型产品设典型产品设计软件包计软件包电动机、减速器电动机、减速器、车辆、机床等、车辆、机床等三、三、CADCAD系统的数据交换系统的数据交换n在一个企业中，一般同时存在几个在一个企业中，一般同时存在几个CADCAD系统，这些系统之间常需系统，这些系统之间常需要进行数据交换，需要制定相应的数据交换接口。要进行数据交换，需要制定相应的数据交换接口。n企业在对外合作中也需要经常与其它企业交换数据，如果采用的企业

24、在对外合作中也需要经常与其它企业交换数据，如果采用的系统不同，同样需要数据交换接口。系统不同，同样需要数据交换接口。n数据的交换方式有两种：一种是采用专用数据接口直接交换的方数据的交换方式有两种：一种是采用专用数据接口直接交换的方式；另一种是采用标准数据交换模型间接交换的方式，式；另一种是采用标准数据交换模型间接交换的方式，CADCAD的数的数据交换方式如下图。据交换方式如下图。a) 采用专用数据接口直接交换的方式采用专用数据接口直接交换的方式b) 采用标准数据交换模型间接交换的方式采用标准数据交换模型间接交换的方式 转换效率高，准确性好。转换效率高，准确性好。 通用性差，需要专门设计。通用性

25、差，需要专门设计。 需要需要 N (N-1) 个转换器。个转换器。 转换效率低，通用性好。转换效率低，通用性好。 需要需要 2N 个转换器。个转换器。四、四、CADCAD技术的发展趋势技术的发展趋势nCADCAD技术中的图形处理和设计计算已经比较成熟，随着信息技术的技术中的图形处理和设计计算已经比较成熟，随着信息技术的发展和市场竞争的日趋激烈，发展和市场竞争的日趋激烈，CADCAD技术还将进一步发展和完善。概技术还将进一步发展和完善。概括起来，括起来，CADCAD技术具有以下一些发展趋势：技术具有以下一些发展趋势： 1 1标注的自动化标注的自动化 2 2装配图和零件图的全关联装配图和零件图的全

26、关联 3 3集成化集成化 4 4并行化并行化 5 5网络化网络化 6 6智能化智能化 7 7虚拟性虚拟性一、定一、定 义义n在上一节中已经谈到，在上一节中已经谈到，CAECAE技术是从技术是从CADCAD技术中分离出来的一项新技术中分离出来的一项新技术，也可以说技术，也可以说CAECAE是是CADCAD技术向纵深发展的结果。技术向纵深发展的结果。n到目前为止，到目前为止，CAECAE的确切定义尚无一致认可的论述，但大多数人都的确切定义尚无一致认可的论述，但大多数人都认为：认为：CAECAE定是各种计算机辅助分析技术的总称，它包括有限元建定是各种计算机辅助分析技术的总称，它包括有限元建模和分析、

27、运动和动态特性仿真、物质特性计算、优化设计、物模和分析、运动和动态特性仿真、物质特性计算、优化设计、物理特性分析、实验数据处理等。理特性分析、实验数据处理等。n长期以来，我国企业的设计分析手段落后，缺乏分析数据和经验长期以来，我国企业的设计分析手段落后，缺乏分析数据和经验的积累，这已成为制约我国企业设计能力提高的主要因素。的积累，这已成为制约我国企业设计能力提高的主要因素。二、常用物资特性计算二、常用物资特性计算n常用物资特性包括物体的表面积、体积、质量、质心及转动惯量等，常用物资特性包括物体的表面积、体积、质量、质心及转动惯量等，它们是工程设计计算中最常用的基本参数。它们是工程设计计算中最常

28、用的基本参数。n对于规则形体例如圆柱、圆锥、立方体、球等，其物资特性计算非常对于规则形体例如圆柱、圆锥、立方体、球等，其物资特性计算非常简单，应用几何学和物理学中的常规计算工具即可。然而对于不规则简单，应用几何学和物理学中的常规计算工具即可。然而对于不规则形体，其物资特性的计算就不是一件容易的事。目前常用分割的方法形体，其物资特性的计算就不是一件容易的事。目前常用分割的方法将物体剖分成便于计算的规则形体，最后再相加以求得物体的各种物将物体剖分成便于计算的规则形体，最后再相加以求得物体的各种物理特性。理特性。三、有限元建模和分析三、有限元建模和分析 有限元法分析的基本思想是首先将物体划分成有限个

29、单元，这些单有限元法分析的基本思想是首先将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵；在元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵；在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场等力学特性的计算，最后对计算结果进行分析，形、应力和温度场等力学特性的计算，最后对计算结果进行分析，显示变形后物体的形状及应力分布图。显示变形后物体的形状及应力分布图

30、。 有限元分析过程分成三个步骤：有限元分析过程分成三个步骤： 1 1有限元建模有限元建模 2 2分析计算程序分析计算程序 3 3后置处理后置处理四、运动和动态特性仿真四、运动和动态特性仿真n产品的运动轨迹仿真和速度、加速度、振动等动态特性的仿真也产品的运动轨迹仿真和速度、加速度、振动等动态特性的仿真也是是CAECAE的重要内容。运动特性仿真常采用动画的方式来实现。的重要内容。运动特性仿真常采用动画的方式来实现。n步骤：首先需要建立产品步骤：首先需要建立产品( (或机构或机构) )的三维实体模型，然后再使实的三维实体模型，然后再使实体在屏幕上按工作状态动起来，以观察运动部件的运动轨迹，各体在屏幕

31、上按工作状态动起来，以观察运动部件的运动轨迹，各部件之间是否发生干涉等现象。部件之间是否发生干涉等现象。n在进行动态仿真时，首先需建立物体的运动方程，结合边界条件在进行动态仿真时，首先需建立物体的运动方程，结合边界条件确定运动时的速度、加速度、振幅、频率、振型等动态特性。物确定运动时的速度、加速度、振幅、频率、振型等动态特性。物体间的碰撞及变形分析也是产品动态特性分析的重要内容。体间的碰撞及变形分析也是产品动态特性分析的重要内容。五、优化设计五、优化设计1.1.在产品设计和制造中，总存在一定条件下的最佳解决方案，寻找在产品设计和制造中，总存在一定条件下的最佳解决方案，寻找这个最佳方案的过程就称

32、为优化设计。这个最佳方案的过程就称为优化设计。 2.2.优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为求解工具，寻找优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为求解工具，寻找最佳方案的先进设计方法，它是现代最佳方案的先进设计方法，它是现代CAECAE系统的一个重要组成部系统的一个重要组成部分。分。 3.3.实践证明，采用优化设计方法可以有效保证产品质量，减轻结构实践证明，采用优化设计方法可以有效保证产品质量，减轻结构自重或体积，并可以降低生产制造成本。所以，优化设计方法在自重或体积，并可以降低生产制造成本。所以，优化设计方法在工程实践中得到愈来愈广泛的应用。工程实践中得到愈来愈广泛的应用。五、优化设

33、计五、优化设计4. 概括起来，优化设计包括两部分内容：建立数学模型和选择最优化方概括起来，优化设计包括两部分内容：建立数学模型和选择最优化方法并求解数学模型。法并求解数学模型。 1) 1)最优化设计的数学模型最优化设计的数学模型 优化设计的数学模型包括三个要素，它们分别是设计变量、目标函数优化设计的数学模型包括三个要素，它们分别是设计变量、目标函数和约束条件。和约束条件。 2)2)求解数学模型的最优化方法求解数学模型的最优化方法 根据是否存在约束条件，优化设计可分为有约束和无约束两类问题。根据是否存在约束条件，优化设计可分为有约束和无约束两类问题。无约束优化方法是优化设计的基本方法。但在一般工

34、程实践中，绝大无约束优化方法是优化设计的基本方法。但在一般工程实践中，绝大多数是多变量有约束的非线形规划问题，通常采用一定的方法将约束多数是多变量有约束的非线形规划问题，通常采用一定的方法将约束问题转化为无约束非线形规划问题求解。无约束最优化问题的求解方问题转化为无约束非线形规划问题求解。无约束最优化问题的求解方法分为两大类，即解析法和数值迭代法。法分为两大类，即解析法和数值迭代法。 一、概述一、概述 1 1、CADCAD的结果能否有效地应用于生产实践，的结果能否有效地应用于生产实践，NCNC机床能否充机床能否充分发挥效益，分发挥效益，CADCAD与与CAMCAM能否真正实现集成，都与工艺设能

35、否真正实现集成，都与工艺设计的自动化有着密切的关系。于是，计算机辅助工艺规计的自动化有着密切的关系。于是，计算机辅助工艺规程设计程设计CAPPCAPP就应运而生，并且受到愈来愈广泛的重视。就应运而生，并且受到愈来愈广泛的重视。2 2、从、从6060年代中期就开始致力于年代中期就开始致力于CAPPCAPP的研究和开发，到目的研究和开发，到目前已开发出几百套不同类型的前已开发出几百套不同类型的CAPPCAPP应用系统，有些系统应用系统，有些系统已在实践中发挥了重要作用。已在实践中发挥了重要作用。 二、二、CAPPCAPP系统的功能系统的功能 一个一个CAPPCAPP系统应具有以下功能系统应具有以下

36、功能 ： 1) 1) 检索标准工艺文件；检索标准工艺文件； 2) 2) 选择加工方法；选择加工方法； 3) 3) 安排加工路线；安排加工路线； 4) 4) 选择制造资源；选择制造资源； 5) 5) 选择装夹方式和装夹表面；选择装夹方式和装夹表面； 6) 6) 优化选择切削用量；优化选择切削用量； 7) 7) 计算工时定额；计算工时定额； 8) 8) 确定工序尺寸、公差及选择毛坯；确定工序尺寸、公差及选择毛坯； 9) 9) 绘制工序图，编写工艺卡等。绘制工序图，编写工艺卡等。三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 按其工作原理和功能分，有按其工作原理和功能分，有 7 7 种类型的种类型的C

37、APPCAPP系统系统 ： 1) 1) 检索式检索式CAPPCAPP系统系统 ； 2) 2) 派生式派生式CAPPCAPP系统；系统； 3) 3) 创成式创成式CAPPCAPP系统；系统； 4) 4) 半创成式半创成式CAPPCAPP系统；系统； 5) 5) 广义广义CAPPCAPP系统；系统； 6) CAPP6) CAPP开发平台；开发平台； 7) 7) 智能智能CAPPCAPP系统；系统；三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 1) 1) 检索式检索式CAPPCAPP系统系统 ；n这种这种CAPPCAPP系统常应用于生产批量较大，零件品种变化不大且相似程度系统常应用于生产批量较大，零

38、件品种变化不大且相似程度较高的场合。较高的场合。n检索式检索式CAPPCAPP系统不需要进行零件的编码，在建立系统时，只需要将各系统不需要进行零件的编码，在建立系统时，只需要将各类零件的工艺规程输入计算机。类零件的工艺规程输入计算机。一般情况，只需要对已建立的工艺规一般情况，只需要对已建立的工艺规程分类进行管理。程分类进行管理。 n如果需要编制新零件的工艺规程，将同类零件的工艺规程调出并进行如果需要编制新零件的工艺规程，将同类零件的工艺规程调出并进行修改即可。这是最简单，但又最实用的修改即可。这是最简单，但又最实用的CAPPCAPP系统。系统。三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 2)

39、2)派生式派生式CAPPCAPP系统系统 这是这是种建立在成组技术基础上的种建立在成组技术基础上的CAPPCAPP系统。系统。n首先对生产对象进行分析，根据成组技术原理将各种零件分类归组，形首先对生产对象进行分析，根据成组技术原理将各种零件分类归组，形成零件组，对每一组零件选择一个能包含该组中所有零件特征的零件成零件组，对每一组零件选择一个能包含该组中所有零件特征的零件( (或或虚构的零件虚构的零件) )作为作为标准样件标准样件。n对该标准样件编制成熟的，经过考验的对该标准样件编制成熟的，经过考验的标准工艺规程标准工艺规程；然后将该标准工；然后将该标准工艺规程存放在数据库中。艺规程存放在数据库

40、中。n当要为新零件设计工艺规程时，首先输入该零的成组技术代码，也可以当要为新零件设计工艺规程时，首先输入该零的成组技术代码，也可以输入零件信息，由系统自动生成该零件的成组技术代码，根据该代码，输入零件信息，由系统自动生成该零件的成组技术代码，根据该代码，系统自动判断零件所属的零件组，并系统自动判断零件所属的零件组，并检索出该零件组的标准工艺规程。检索出该零件组的标准工艺规程。n然后根据待加工零件的结构形状、尺寸及公差，利用系统提供的修改编然后根据待加工零件的结构形状、尺寸及公差，利用系统提供的修改编辑功能，辑功能，对标准工艺规程进行修改编辑对标准工艺规程进行修改编辑，即可得到所需的工艺规程。，

41、即可得到所需的工艺规程。 派生式派生式CAPPCAPP系统具有结构简单、系统容易建立、便于维护和使用、系统系统具有结构简单、系统容易建立、便于维护和使用、系统性能可靠、成熟等优点，所以应用比较广。性能可靠、成熟等优点，所以应用比较广。三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 派生式派生式CAPPCAPP系统的功能框图：系统的功能框图： 三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 3)3)创成式创成式CAPPCAPP系统系统n与派生式与派生式CAPPCAPP系统不同，创成式系统不同，创成式CAPPCAPP系统中不存在标准工艺规程，系统中不存在标准工艺规程，但是有一个但是有一个收集有大量工艺

42、数据的数据库收集有大量工艺数据的数据库和和存储工艺推理规则的规存储工艺推理规则的规则库则库。n 当输入零件的有关信息后，系统可以当输入零件的有关信息后，系统可以模仿工艺人员的决策过程模仿工艺人员的决策过程，应用各种工艺决策规则，在没有人工干预的条件下，从无到有自动应用各种工艺决策规则，在没有人工干预的条件下，从无到有自动生成零件的工艺规程。生成零件的工艺规程。 n创成式创成式CAPPCAPP系统理论目前尚不完善，因此还未出现一个纯粹的创成系统理论目前尚不完善，因此还未出现一个纯粹的创成式式CAPPCAPP系统。系统。 n创成式创成式CAPPCAPP系统的核心是工艺决策逻辑，这是人工智能中专家系

43、统系统的核心是工艺决策逻辑，这是人工智能中专家系统发挥作用的大好领域。所以，应用专家系统原理的创成式发挥作用的大好领域。所以，应用专家系统原理的创成式CAPPCAPP系统系统将是今后研究的重点。图将是今后研究的重点。图4444所示为创成式所示为创成式CAPPCAPP系统的功能框图。系统的功能框图。 三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 下图为创成式下图为创成式CAPPCAPP系统的功能框图。系统的功能框图。 三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 4)4)半创成式半创成式CAPPCAPP系统系统n从原理上看，半创成式从原理上看，半创成式CAPPCAPP系统是派生式和创成式系统是派

44、生式和创成式CAPPCAPP系统原理系统原理的综合。也就是说，这种系统是的综合。也就是说，这种系统是在派生式在派生式CAPPCAPP的基础上，增加若的基础上，增加若干创成功能干创成功能而形成的系统。而形成的系统。 n这种系统既有派生式这种系统既有派生式CAPPCAPP可靠成熟、结构简单、便于使用和维护可靠成熟、结构简单、便于使用和维护的优点，又有创成式的优点，又有创成式CAPPCAPP能够存储、积累、应用工艺专家知识的能够存储、积累、应用工艺专家知识的优点。因此这种系统非常灵活，便于结合企业的具体情况进行开优点。因此这种系统非常灵活，便于结合企业的具体情况进行开发，是一种发，是一种实用性很强，

45、很有前途实用性很强，很有前途的的CAPPCAPP模式。模式。 三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 5)5)广义广义 CAPPCAPP系统系统n又称综合式又称综合式CAPPCAPP系统或多元化系统或多元化CAPPCAPP系统。系统。n这种系统将传统这种系统将传统CAPPCAPP系统的概念扩充到生产计划编制，车间调度系统的概念扩充到生产计划编制，车间调度和生产负荷平衡等领域，它同时还包括多种和生产负荷平衡等领域，它同时还包括多种CAPPCAPP模式（检索式、模式（检索式、派生式、创成式），根据不同的生产情况，系统可以自动选择适派生式、创成式），根据不同的生产情况，系统可以自动选择适用的模

46、式。用的模式。 三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 6) CAPP6) CAPP开发平台开发平台n到目前为止，国内外开发的到目前为止，国内外开发的CAPPCAPP系统都是针对某一具体生产环境专门系统都是针对某一具体生产环境专门设计的，不具有通用性，也无法实现软件的商品化。设计的，不具有通用性，也无法实现软件的商品化。n而开发专用而开发专用CAPPCAPP系统工作量大、开发周期长、开发经费高，这种情况系统工作量大、开发周期长、开发经费高，这种情况对广大工业企业迫切希望采用对广大工业企业迫切希望采用CAPPCAPP技术的愿望很不适应。技术的愿望很不适应。n因此，应提高因此，应提高CAPP

47、CAPP系统的柔性。柔性化系统的柔性。柔性化CAPPCAPP系统的关键是建立一个系统的关键是建立一个CAPPCAPP开发平台，并提供众多实用性的二次开发工具和标准模块库，使开发平台，并提供众多实用性的二次开发工具和标准模块库，使开发平台商品化。用户在购得开发平台后，只需经过不十分复杂的标开发平台商品化。用户在购得开发平台后，只需经过不十分复杂的标准化的二次开发，选用标准化模块，即可得到符合用户具体情况的、准化的二次开发，选用标准化模块，即可得到符合用户具体情况的、满足用户使用要求的满足用户使用要求的CAPPCAPP系统。系统。 三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 7)7)智能智能CA

48、PPCAPP系统系统 n在常规的创成式在常规的创成式CAPPCAPP系统中，工艺知识和决策逻辑都用程序设计语言系统中，工艺知识和决策逻辑都用程序设计语言编制在软件程序中。系统程序一经编制、调试完毕，其功能就确定下编制在软件程序中。系统程序一经编制、调试完毕，其功能就确定下来，很不容易修改，也无法在程序应用过程中自动获取知识。来，很不容易修改，也无法在程序应用过程中自动获取知识。n当生产环境发生变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。当生产环境发生变化时，就缺乏足够的柔性适应这些变化。n于是，人们就于是，人们就应用专家系统的原理开发创成式应用专家系统的原理开发创成式CAPPCAPP系统，称为工艺设

49、系统，称为工艺设计专家系统，或称为智能计专家系统，或称为智能CAPPCAPP系统。系统。这种系统柔性高，具有自学习功这种系统柔性高，具有自学习功能，能够真正模仿人类专家进行工艺设计。图能，能够真正模仿人类专家进行工艺设计。图4545是一个智能是一个智能CAPPCAPP系系统的基本组成。统的基本组成。 三、三、CAPPCAPP系统的分类系统的分类 下图是一个智能下图是一个智能CAPPCAPP系统的基本组成示意图。系统的基本组成示意图。 n到目前为止，计算机辅助制造到目前为止，计算机辅助制造(CAM)(CAM)有狭义和广义两个概有狭义和广义两个概念。念。nCAMCAM的狭义概念是指从产品设计到加工

50、制造之间的一切生的狭义概念是指从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括产准备活动，它包括CAPPCAPP、NCNC编程编程、工时定额计算、生产、工时定额计算、生产计划制定、资源需求计划制定等，这是最初计划制定、资源需求计划制定等，这是最初CAMCAM系统的狭系统的狭义概念。义概念。在狭义在狭义CAMCAM中，数控编程是其主要内容。中，数控编程是其主要内容。nCAMCAM的广义概念包估的内容则多得多，除上述的广义概念包估的内容则多得多，除上述CAMCAM狭义概念狭义概念所包括的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所包括的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程所有过程(

51、 (加工、装配、检验、存储、输送等加工、装配、检验、存储、输送等) )以及它们的以及它们的监视、控制和管理。监视、控制和管理。 数控编程的方式一般有数控编程的方式一般有五种：手工编程、语五种：手工编程、语言编程、图形编程、语音编程和视觉编程。言编程、图形编程、语音编程和视觉编程。下面分别简单介绍。下面分别简单介绍。 一、手工编程一、手工编程 手工编程是编程人员按照数控系统规定的加工程序段和指令格式，手手工编程是编程人员按照数控系统规定的加工程序段和指令格式，手工编写出待加工零件的数控加工程序。手工编程的主要步骤如下：工编写出待加工零件的数控加工程序。手工编程的主要步骤如下：1) 1) 根据零件

52、图样对零件进行工艺分析。根据零件图样对零件进行工艺分析。2) 2) 确定加工路线和工艺参数（装夹位置及顺序，表面加工顺序，切削参确定加工路线和工艺参数（装夹位置及顺序，表面加工顺序，切削参数数) )。3) 3) 确定刀具移动轨迹确定刀具移动轨迹( (起点、终点、运动形式起点、终点、运动形式) )。4) 4) 计算机床运动所需要的数据。计算机床运动所需要的数据。5) 5) 书写零件加工程序单。书写零件加工程序单。6) 6) 纸带穿孔。纸带穿孔。 可见，手工编程同时也包括了制定工艺规程的内容，手工编程目前已可见，手工编程同时也包括了制定工艺规程的内容，手工编程目前已用得极少。用得极少。二、二、语言

53、编程语言编程APT (Automatically Programmed Tools)数控编程语言。数控编程语言。n语言编程的过程示意图：语言编程的过程示意图：零件源程序输入翻译轨迹计算后置处理程序编译零件图形加工程序单穿孔纸带通讯接口数控机床三、三、图形编程图形编程n图形编程过程示意图：图形编程过程示意图：图形输入装置编译操作系统图形核心软件程序计算软件CPU图形显示轮廓数据显示零件轮廓及数据零件加工刀具中心轨迹及数据NC程序工艺参数零件图NC程序四、四、语音编程语音编程n语音编程的系统框图：语音编程的系统框图：微型计算机微型话筒语音输入接口模数转换接口识别计算软件输入输出接口显示 器打 印

54、机穿 孔 机数 控 机 床五、五、视觉编程视觉编程n视觉编程系统的系统框图：视觉编程系统的系统框图：图形监视器图象预处理图像识别图形交点计算后置处理打印机数控机床微型计算机摄像头零件图一、长期以来，新产品开发和试制已经形成一套固定的模式，即产一、长期以来，新产品开发和试制已经形成一套固定的模式，即产品开发的各个阶段是顺序方式，前后相接，各阶段之间存在很品开发的各个阶段是顺序方式，前后相接，各阶段之间存在很多反馈，但这些反馈均是跨阶段的大反馈，这种设计开发模式多反馈，但这些反馈均是跨阶段的大反馈，这种设计开发模式造成开发周期长，产品质量难于保证等缺陷。如下图所示。造成开发周期长，产品质量难于保证

55、等缺陷。如下图所示。二、在信息化社会，人们的需求不断变化，要求企业能够快速推出二、在信息化社会，人们的需求不断变化，要求企业能够快速推出用户满意的产品，上图的串行开发模式已远远不能满足需求，因用户满意的产品，上图的串行开发模式已远远不能满足需求，因而就出现了并行设计模型。到目前，并行设计已成为企业快速占而就出现了并行设计模型。到目前，并行设计已成为企业快速占领市场，提高企业竞争力的有力工具。领市场，提高企业竞争力的有力工具。 所谓并行设计，就是集成地，并行地设计产品及其零部件和所谓并行设计，就是集成地，并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。这种万法要求产品开发人员与其相关各种过

56、程的一种系统方法。这种万法要求产品开发人员与其他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个寿命周期中他人员一起共同工作，在设计一开始就考虑产品整个寿命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需求，在取得用户最大满意的条件下，使企业获取尽计划和用户需求，在取得用户最大满意的条件下，使企业获取尽可能大的利润。可能大的利润。 二、二、并行设计的概念如下图所示并行设计的概念如下图所示。 三、并行设计具有如下特点：三、并行设计具有如下特点：1 1强调设计过程的集成性强调设计过程的集成性2 2强调设计过程的并行性强调

57、设计过程的并行性 3 3强调设计过程的系统性强调设计过程的系统性 4 4强调设计过程的快速强调设计过程的快速“短短”反馈反馈 一、由于虚拟制造技术对缩短设计周期，降低寿命周期成本，一、由于虚拟制造技术对缩短设计周期，降低寿命周期成本， 提高产品质量，保证产品的功能实用性均有着显著的效果提高产品质量，保证产品的功能实用性均有着显著的效果 ，因此与快速原型制造一起被称为是，因此与快速原型制造一起被称为是2121世纪制造企业的两世纪制造企业的两 项支柱技术。项支柱技术。 二、虚拟制造是以计算机支持的仿真技术和虚拟现实技术为前二、虚拟制造是以计算机支持的仿真技术和虚拟现实技术为前 提，对企业的全部生产

58、经营活动进行建模，并在计算机上提，对企业的全部生产经营活动进行建模，并在计算机上“ 虚拟虚拟”地运行整个企业，即实现产品设计、加工制造、计划地运行整个企业，即实现产品设计、加工制造、计划 制定、生产调度、经营管理、成本财务管理、质量管理甚制定、生产调度、经营管理、成本财务管理、质量管理甚 至市场营销等在内的全部功能，在求得系统的最佳运行参至市场营销等在内的全部功能，在求得系统的最佳运行参 数后，再据此实现企业的物理运行。数后，再据此实现企业的物理运行。 三、从技术方面来看，虚拟制造则包含设计过程仿真和加工过程三、从技术方面来看，虚拟制造则包含设计过程仿真和加工过程 仿真。仿真。 企业虚拟制造系

59、统概念如下图所示。企业虚拟制造系统概念如下图所示。 四、通过系统建模工具，首先要四、通过系统建模工具，首先要将现实物理系统和现实信息系统映将现实物理系统和现实信息系统映射为虚拟物理系统和虚拟信息系统射为虚拟物理系统和虚拟信息系统。然后利用仿真机和虚拟现。然后利用仿真机和虚拟现实系统对设计过程及其结果进行仿真，通过后进行工艺过程仿实系统对设计过程及其结果进行仿真，通过后进行工艺过程仿真和企业运行状态仿真，最后产品是满足用户要求的高质量数真和企业运行状态仿真，最后产品是满足用户要求的高质量数字产品和企业运行的最佳参数，据此最佳参数调整企业的运行字产品和企业运行的最佳参数，据此最佳参数调整企业的运行

60、过程，使其始终处于最佳运行状态，最后生产出高质量的物理过程，使其始终处于最佳运行状态，最后生产出高质量的物理产品并投放市场。产品并投放市场。 五、五、对虚拟制造系统的要求对虚拟制造系统的要求主要有：功能上与现实制造系统的一致主要有：功能上与现实制造系统的一致性；结构上与现实制造系统的相似性；软、硬件组织的柔性，性；结构上与现实制造系统的相似性；软、硬件组织的柔性，系统的集成化和智能化等。系统的集成化和智能化等。 一、快速原型制造快速原型制造是国外是国外8080年代中后期发展起来的一种新型制造技年代中后期发展起来的一种新型制造技术，有时术，有时也称之为分层制造或材料生长制造也称之为分层制造或材料