先进制造技术2.9研究生

先进制造技术主讲：邓朝晖教授博士湖南大学机械与汽车工程学院产品开发过程中的计算机辅助技术22.9产品开发过程中的计算机辅助技术2.9.2产品开发过程中的信息集成2.9.1CAD/CAE/CAM/CAPP的主要技术内容2.9.1.4计算机辅助工艺设计（CAPP）的主要技术内容

讲授内容2.9.1.1计算机辅助设计（CAD）的主要技术内容2.9.1.2计算机辅助工程（CAE）的主要技术内容2.9.2.2CAD/CAPP/CAM的集成2.9.1.3计算机辅助制造（CAM）的主要技术内容2.9.2.1CAD/CAM的集成2.9.2.3基于成组技术的CAD/CAPP/CAM的集成2.9.2.4基于特征造型的CAD/CAPP/CAM的集成2.9.2.5基于PDM的CAD/CAPP/CAM的集成产品开发过程中的计算机辅助技术32.9产品开发过程中的计算机辅助技术2.9.1CAD/CAE/CAM/CAPP主要技术内容

利用计算机来实现对产品成本从构思到投放生产的全过程进行分析和控制(如下图所示)，亦即对设计和控制过程中产品信息的产生、转换、存储、流通、管理进行分析和控制的信息处理系统，通常称为CAD/CAE/CAM或CAD/CAPP/CAM，甚至简称为CAD/CAM或CAX系统。产品开发过程中的计算机辅助技术4图

产品开发流程及计算机辅助工具

产品开发过程中的计算机辅助技术5

回顾历史，可看到CAD/CAM技术原先是围绕着产品的设计与制造两大部分独立发展起来的。

CAD从方程求解计算和绘图入手，到现在的诸项内容：建立数字模型，工程分析（CAE），产品设计（包括方程设计、总体设计和零部件设计），动态模拟，自动绘图等；

CAM从手工编程、自动编程，到现在的诸项内容：工装设计，工艺规程设计（CAPP），柔性自动化车间管理与控制等等。

从各个单项技术的角度说明这些计算机辅助系统（CAX）各自的主要技术内容。产品开发过程中的计算机辅助技术62.9.1.1计算机辅助设计（CAD）主要技术内容1).工程绘图:提供工程绘图的完整功能，包含了图面布置、绘制各种视图、剖切图、尺寸标注、图纸标题栏及编辑和修改、提供标准件库等等。2).曲面造型:根据给定的离散数据和工程问题的边界条件，来定义、生成、控制和处理过度曲面与非矩形域曲面的拼和能力，提供用自由曲面构造产品几何模型所需要的曲面造型（SurfaceModeling）技术。产品开发过程中的计算机辅助技术73).实体造型

定义和生成体素（Primitive）以及各类实体的方法，提供用规则几何形体构造产品几何形体所需要的实体造型（SolidModeling）技术。4).物性计算

根据产品几何模型计算相应物体的体积、表面积、质量、密度、重心、转动惯量、回转半径等几何特性，以便为对产品进行工程分析和数值计算提供必要的基本数据。产品开发过程中的计算机辅助技术85).三维几何模型的显示处理

解决动态显示图形、消除隐藏线（面）、彩色浓淡处理等问题，提供视觉效果更好的产品模型，以便进行三维几何模型设计的复杂空间布局。6).特征造型

使实体造型中的几何体被赋予较高层次（相对于几何、拓扑等较低层次信息而言）的工程信息（如定位基准、公差、粗糙度或其他设计制造信息等），提供参数化尺寸驱动的特征造型功能。使CAD系统更接近设计人员思维方式，并可提供集成化产品信息建模的基础。产品开发过程中的计算机辅助技术97).二维和三维模型的相关

实现三维模型的二维显示，二维图形的轮廓线通过旋转和扫描转化为三维模型。

目前的商品化CAD软件主要分为二维绘图软件与三维造型软件两部分。

以多方向投影原理为基础的工程图是工程技术人员反映其设计思想的语言，利用各种国际规定的约定和简化，通过选择最合理的投影面、割切位置、剖切方式来表达零件的几何和工艺信息，具有简洁、完整、准确等特点，这种以投影原理为基础的工程图能够表达的零件的复杂性几乎是无限的。产品开发过程中的计算机辅助技术10

相应的二维CAD系统，可分为两种，一种是传统的，没有视图概念，采用解析几何的原理绘图，绘图速度较慢，学习起来比较困难。另一种是宜人化的二维CAD系统，它模仿工程师绘图的方式，采用画法几何的原理，在计算机上实现了多视图概念，利用“长对正、宽相等、高平齐”等方法进行图形定位；采用多视图参数的算法方便图形的修改和系列化产品设计。目前二维CAD软件一般在微机上运行，系统资源比较丰富。而且企业真正实现“无纸化”生产尚有漫长的路程，因此，二维设计与绘图仍将长时间在我国企业总占有重要地位。产品开发过程中的计算机辅助技术11

三维造型更逼真于现实产品，是物性计算和三维有限元计算的基础；并且为复杂曲面数控加工代码的生成提供了完整、精确的几何数据；还能为复杂结构的产品提供直观的装配干涉检查的依据。目前，三维造型CAD系统的造型功能渐趋完善。但总的说来，三维造型系统需要存储的数据量十分巨大，要求的硬件平台比较贵。而且，随着零件复杂程度的增加，用三维造型系统来表达零件的难度也大大地增加。

宜人化的二维CAD系统是一种普及型软件，功能比较专一，但易学。而三维系统是一种专家型软件，功能多，但学习难度大。实际上，三维造型系统和二维CAD系统的应用场合不同，可以相互配合、互为补充。产品开发过程中的计算机辅助技术122.9.1.2计算机辅助工程（CAE）主要技术内容1).有限元分析构造线框、表面和立体几何元素以及有限元网格自动生成，特别是复杂的三维模型有限元网格的自动划分；定义各种载荷、物理和材料性能及边界条件；对产品进行多种快速而精确的分析计算，如结构的静、动态特性、强度、振动、热变形、势流分析等；考虑分析结果，如用深浅不同的颜色或等高线绘制来描述应力场等。产品开发过程中的计算机辅助技术132).优化设计:通过定义特性规范或约束条件（如载荷、材料强度、位移和自然频率等），把握设计的功能极限，优化设计方案。其关键是建立正确的数学模型。若研究对象可用数学描述，称之为理论数学模型；否则可用函数拟合手段建立近似模型；也可运用仿真原理建立数学模型。模型确定后，便可选择合适的优化算法，如线性规划、非线性规划、动态规划和最优控制问题等求解。

优化设计功能模块可通过前、后处理器及数据库与CAD系统集成在一起。前处理器生成几何模型进行显示，并将参数传递到优化设计程序进行优化，优化后的结果对原参数进行修改，并将优化后的设计结果显示出来。产品开发过程中的计算机辅助技术143).动力学分析:对由一定数量零件通过各种方式联结而成的机械系统进行动力学分析，在系统动力学模型的基础上，根据系统受到的外部激振和实际工作条件分析研究系统的动态特性，从而达到提高整个产品的动态性能的目的。

动态分析的主要理论基础:是模态分析和模态综合理论。

具体研究内容包括：系统固有特性分析和动力响应分析。系统固有特性包括系统各阶固有频率、模态振型和模态阻尼比等参数。产品开发过程中的计算机辅助技术15

分析的目的：一方面是为了避免系统在工作时发生共振或出现有害的振型，另一方面是为了对系统进行响应分析；响应分析是计算系统在外部激振力作用下的各种响应，包括位移响应、速度响应和加速度响应。系统对外部激振的响应导致系统内部产生动态应力和动态位移，从而影响产品的使用寿命和工作性能，或产生较大的噪音。响应分析的目的就是计算系统对各种可能受到的激振力的动力响应，并将它控制在一定范围内。产品开发过程中的计算机辅助技术162.9.1.3计算机辅助制造（CAM）的主要技术内容

一般而言，CAM是指计算机在产品制造方面有关应用的统称，可有广义CAM和狭义CAM之分。

广义CAM指利用计算机完成从毛坏到产品制造过程中的直接和间接的活动。如下图所示。其中，工艺准备包含了计算机辅助工艺设计（CAPP），计算机辅助工装设计与制造，计算机辅助数控编程（NCP），工时定额和材料定额的编制等内容。中间以双线箭头关联起来的是物流过程的运行控制，包括加工、装配、检验、输送、贮存等物流的过程控制。

广义CAM也包含了质量控制、生产控制等主要方面。产品开发过程中的计算机辅助技术17

狭义CAM常指工艺准备或它的某些活动中应用计算机来进行。

CAM常指数控程序的编制。编程系统的类型，主要取决于输入方式的不同，常用的有语言编程系统（常称为自动编程系统，亦称为批处理式编程）、交互图形编程系统和CNC系统手动数据输入编程。

产品开发过程中的计算机辅助技术18图示广义CAM示意图产品开发过程中的计算机辅助技术19

下图是语言编程系统的工作过程。编程人员根据零件图纸及工艺过程，用规定的数据语言—面向加工的专用语言来编写零件源程序作为计算机的输入。经主信息处理和后置处理的结果可通过屏幕或绘图仪进行走刀轨迹的图形模拟，以检查刀位数据或加工程序的正确性。产品开发过程中的计算机辅助技术20数控语言手册零件源程序工艺路线工艺参数零件图数控机床主信息处理后置处理零件加工程序单图形检验修改数控编程系统程序控制介质计算机语言编程系统的工作过程产品开发过程中的计算机辅助技术21

下图是交互图形编程系统的工作过程。

它通过图像系统，以人与计算机实时对话的方式在计算机内逐步生成零件图形数据和走刀轨迹数据，并在显示屏上显示其图形，在此过程中，能对实际加工过程进行计算机模拟。因此，直观方面和便于修改是其优点。

交互图形编程系统不仅可用已有零件图纸进行编程，但更多的是适于CAD/CAM系统中零件的设计与数控编程集成化模式。这是因为CAD系统已将零件的设计程序予以存储，可以直接调用这些设计数据进行数控程序的编制。产品开发过程中的计算机辅助技术22零件图工艺路线工艺参数建立NC程序段人机交互编程绘制零件图与毛坯图决定工步、走刀路线、工艺参数确定刀具轨迹与顺序后置处理数控机床交互数控编程系统控制介质正确否？加工过程结束否？YYNN修改图示交互图形编程过程

产品开发过程中的计算机辅助技术23

手动数据输入（MDI）编程方式与上述交互编程方式相似，不同的是，机床CNC系统本身具备编程能力，即编程人员与CNC装置进行实时对话，从而自动生成加工程序并存储，当加工时，调用CNC的控制部分进行计算并控制机床。该方式的明显特点是在加工现场进行，省去了数控带，NC机床不需单独配备自动编程设备。故适用于单件生产及中小企业。而且，近年来已发展了不少能边加工边编程的（即在线编程）高性能CNC系统。产品开发过程中的计算机辅助技术242.9.1.4算机辅助工艺设计（CAPP）的主要技术内容

工艺设计（ProcessPlanning）是指将对产品（包括零件）的设计转换为要把原材料制造成这样的产品所需的一系列操作及资源需求的描述。如毛坏设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额、材料定额计算等，其中工序设计又可包含工装设计、工艺参数确定、机床与刀夹具选择、必要的工序图生成等。在传统作业方式中，工艺设计表现为工艺人员编写工艺文件（即工艺规程）。产品开发过程中的计算机辅助技术25

而以CIMS的观点，计算机辅助工艺设计（CAPP）是把对产品本身进行定义的数据转换成面向制造的数据的一个关键环节。也可以说是处于信息流和物料流的“交汇点”。CAPP产生的数据是企业实现科学管理和自动化生产的基本依据。CAPP系统按照工艺规程的产生原理可分为三种方法：

一是人机交互式，即由工艺人员进行决策，计算机系统仅辅助生成与存储工艺文档，这可以说类似于最基本的计算机辅助绘图CAD系统。二是派生式，即在成组技术的基础上，按零件结构和工艺的相似性，用分类编码系统将零件区分为若干零件族，为每一族零件树立一个样件以及为此样件编制典型工艺规程，并存储在计算机中。产品开发过程中的计算机辅助技术26零件族矩阵文件典型工艺文件变异规则应用程序检索零件文件检索典型工艺自动变异加工参数处理计算零件GT编码及辅助信息输入工艺规程格式化输出工艺规程交互编程图示：变异式CAPP系统结构框图产品开发过程中的计算机辅助技术27

在编制新零件的工艺规程时，首先按其编码信息识别所属的零件族，调出该族的典型工艺规程，再经过适当修改与补充（或自动或交互式）获得最终所需的工艺规程，其原理图可见上图。

三是创成式，即在预先设置的工艺知识库与数据库的支持下，根据零件定义信息，通过逻辑推理、公式和算法，由计算机系统自动地进行工艺决策。下图给出了一个创成式CAPP系统的结构框图。

CAXA工艺图表

产品开发过程中的计算机辅助技术28决策逻辑程序机床数据文件夹具数据文件刀工具文件切削数据文件机床选择模块夹具选择模块刀具选择模块切削参数选择模块零件加工顺序生成模块零件信息输入模块工艺生成及输出模块图示：创成式CAPP系统结构图产品开发过程中的计算机辅助技术29

人工智能技术在CAPP领域的应用，使创成式CAPP达到了新的水平。下图给出了一个CAPP专家系统的结构框图。图示CAPP专家系统结构框图

产品开发过程中的计算机辅助技术30

以上三种方式各有千秋：

创成式的自动化程度高，但是由于工艺知识的采集与表达、推理技术的局限，难以建立工艺过程的数学模型和通用算法，往往实现范围有限，只能解决较为简单的、特定环境下的某类特定零件的工艺自动设计。人工智能技术的应用代表了一种发展趋势，具有较强的生命力，但是由于知识表示与获取、匹配冲突等问题至今仍未能完全解决，故多属于研究与简单应用阶段。

产品开发过程中的计算机辅助技术31

变异式：是目前比较成熟的方法，在自动化程度与可变性方面均有所实现，但它是以已有的工艺为依据，即需要做大量系统开发前的准备工作，如成组编码系统的设计和零件族典型工艺库的建立等等；又对新的工艺和零件类型依然存在适应性差的缺点，尚不能适应多品种小批量生产环境。

人机交互式：自动化程度虽不高，但能充分体现人的主观能动性，可变性与可扩展性好。

实际上，由于各个企业的情况千差万别，工艺标准化程度高低不一，实施CIMS的目标也不尽相同。因此，目前众多的CAPP系统往往不拘泥于上述三种方式中选其一，而是根据现实需要与可能性将不同方式的工作原理综合应用于CAPP系统的各个功能模块中。产品开发过程中的计算机辅助技术32

早期的CAPP系统开发模式几乎都是作为专用系统出现的，面对零件类型和企业环境的多样性，以及同一工厂也可能存在的制造环境可变性，这种专用系统就缺乏必要的灵活性，而每次都开发专用型CAPP系统都要耗费大量的人力与资源。

因此，CAPP工具系统（或称开发平台）就成为该领域的热点话题。

下图给出了一个开发平台型的CAPP系统开发模式简图。从图中可以看出：CAPP系统的构造平台应提供数据知识的存储机制、表达形式或方法、通用的功能工具及模块化的系统结构。产品开发过程中的计算机辅助技术33CAPP应用系统CAPP系统构造平台工艺决策/系统功能工具集知识表达数据模型应用数据/知识图示：开发平台型CAPP产品开发过程中的计算机辅助技术342.9.2产品开发过程中的信息集成

2.9.2.1CAD/CAM集成

CAD、CAM与CAE技术自50年代末，独立发展，至70年代末，在国际上已出现许多性能优良的、商品化的CAD系统、CAE系统或CAM系统。CAPP技术自70年代开始发展，至80年代末，国际上也推出了一些独立的商品化的系统。至90年代中，国内陆续出现了自行开发的CAD、CAM或CAPP软件产品。

这些独立发展的系统，长期以来主要着眼于解决自身的技术问题，如：CAD致力于用数学方法解决其几何表示及处理技术，CAPP致力于工艺知识表示与处理技术，CAM致力于其输入语言及多维加工轨迹的处理技术。尽管这些系统都分别对促进产品设计、分析计算、工艺计划、数控编程的自动化发挥了不同程度的作用。然而，在这种“自动化孤岛”的工作模式下，如图所示，CAD系统输出结果是纸面文件—产品图纸和技术文档；产品开发过程中的计算机辅助技术35图示独立的CAD、CAPP和CAM系统间的数据传递方式产品开发过程中的计算机辅助技术36

对于CAPP系统，则需由人工花费较多的时间，把这些纸面文件转换为CAPP所需的输入数据，再输入给CAPP系统，其输出结果也是纸面文件—工艺规程；同样，也得由人工花费较多的时间，把CAD和CAPP系统输出的纸面文件转换成CAM所需的输入文件和数据（如数控语言源程序），然后输入给CAM系统进行处理，其输出结果是数控程序清单和穿孔带。

显然，这些人工转换环节，影响了工程设计效率进一步提高，花费了大量的人力和物力，造成资源和时间上的浪费；而且不能保证数据的一致性，容易因数据传递和转换过程中的人为错误而引起不必要的损失。因此，自70年代起，人们首先就开始研究CAD与CAM间的数据自动传递或转换问题，即CAD/CAM集成技术。产品开发过程中的计算机辅助技术37

目前，数控编程与CAD的连接有多种途径，下图表示了四种连接途径。第一条途径即前述的人工实现方法。第二条途径是将NC编程模块作为CAD系统中的一个组成部分，因而可对零件设计和加工中的信息进行集成处理，称之为集成数控编程，目前是一个研究热点。但由于数控系统的应用甚至早于CAD的应用，出于经济上的考虑，当前采用较多的是第三条和第四条途径。其中第四条途径是通过CAD系统直接产生一个针对特定数控语言的零件源程序，由于这种方法的通用性差，所以实际中第三条途径应用的更多，即将CAD的数据通过标准接口的方式传递给数控编程系统。产品开发过程中的计算机辅助技术38图示CAD与CAM连接的各种途径

产品开发过程中的计算机辅助技术39

下图是数据编程（CAM）与交互图形设计（CAD）技术直接相连生成零件NC程序的示意图。

这里，零件的几何图形是用CAD软件辅助生成的。然后，程序员可通过人机交互方式，利用简单的命令对零件的几何平面或元素进行标识，并输入有关公差和材料等工艺数据，当标识和输入完成后，系统即可自动生成数控编程语言。由于零件在屏幕上可按任意角度旋转，或放大、或缩小，这些操作可帮助程序员全面考虑加工轮廓，正确选择刀具并自动生成刀具轨迹。有的系统可由毛坏和成品的形状自动确定走刀次数及切削用量等。还有的系统可自动生成适用于加工复杂曲面的三坐标或五坐标铣床的控制指令及铣削路径。产品开发过程中的计算机辅助技术40

图示CAD与CAM直接相连

产品开发过程中的计算机辅助技术41

下图是数据编程与CAD通过中间数据文件相连的示意图。

设计生成的图形及其他数据以文件的方式存储于数据库中，然后经过中间转换口将其转换成所要求格式的数控程序，由于大部分CAD系统描述的工件从数学上讲都是有界的，即定义的线和面是有限的；而大部分数控加工语言描述的工件是无界的，即定义的线和面是无限的，因此CAM与CAD之间的转换接口的重要任务是把有边界的几何模型与无边界的数控程序连接起来。产品开发过程中的计算机辅助技术42图示CAD与CAM间接相连

产品开发过程中的计算机辅助技术432.9.2.2CAD/CAPP/CAM集成方式

自80年代起，CAD，CAPP与CAM之间数据和信息的自动传递和转换问题，即CAD/CAPP/CAM集成技术引起极大的重视。因为很长时间以来，由于各自发展的着眼点不同，虽然它们彼此间具有数据的输入或输出的内在关系，但都无法直接传输数据或共享信息。

CAD、CAPP、CAM的集成方式有很多种。

一种是采用专门格式的数据文件实现数据传递（见下图示）。这种方式只适用于小范围内相关系统间的集成，而且尽量是在相同的开发环境中，和经过分系统之间相互协调确定的数据结构的文件层次上实现系统间的互联，以求简洁、实用。用这种方式建立的CAD/CAPP/CAM集成系统无法实现广泛的数据共享，数据的安全性和可维护性亦较差。产品开发过程中的计算机辅助技术44图示用专门数据文件连接

产品开发过程中的计算机辅助技术45

随着产品数据交换标准的发展，一个与计算机硬件平台以及具体应用软件无关的中性文件概念被提了出来。

在中性文件的基础上进行数据交换，仍然属于在数据文件的基础上的系统间互联和集成的方式（见下图示）。各个有待于集成在一起共享数据的CAD、CAPP、CAM系统，都必须开发用于前置和后置处理的数据转换接口来解决系统数据的输入与输出。

这些中性文件可以用一个通用的数据库管理系统进行控制和管理。因此，用这种方式建立起来的系统应能在较广泛的范围内实现数据交换和数据的安全维护。但是，各分系统不能直接操作数据库来存取数据，而必须通过各种接口来转换数据文件，仍可能影响数据的一致性维护和数据的可靠性，并可能产生不必要的数据冗余。然而，这毕竟是比较容易实现的在各自独立开发的分系统之间进行信息集成的有效方式，也是目前比较多采用的方式。

产品开发过程中的计算机辅助技术46

图示基于中性文件的集成系统

产品开发过程中的计算机辅助技术47

以工程数据库为核心实现系统集成是更高水平的数据共享和集成方式（下图示）。

各应用分系统通过用户接口按工程数据库要求直接存取数据或操作数据库。在工程数据库中不仅能操作结构化数据，而且应能管理各类非结构化数据，如NC代码、工程图纸、知识等。各类数据都由数据库管理系统直接管理，达到比较理想的数据一致性、准确性、及时性和共享性，对系统数据实现可靠的维护和根据工作需要及时刷新，在系统中避免不必要的数据冗余、矛盾和冲突。但是目前还缺乏完全适合上述要求的工程数据库实用产品，因此，用这种方式实现CAD/CAPP/CAM的集成仍属比较困难和有待继续研究的课题。产品开发过程中的计算机辅助技术48图示：基于工程数据库的集成方式产品开发过程中的计算机辅助技术49

以上三种层次的集成方式都是从“数据”的角度来考虑应用系统的集成，实际上工程技术人员在工作中运用了宝贵的知识与经验，因此有必要从知识的计算机化这样的角度来探索应用系统集成的方法。产品开发过程中的计算机辅助技术502.9.2.3基于成组技术的CAD/CAPP/CAM集成

在机械产品的零件中，有75%以上的零件具有不同程度的结构和工艺的相似性。特别对于回转体类零件以及结构和工艺相对简单的杠杆类、盖板类等非回转体类零件，以及轴类零件，其相似性程度较高，完全不需要每个零件都从点、线、面开始从头设计，也不需要像对待全新零件一样地从头编制工艺规程和NC程序，以及照搬上述的集成方式。可以根据成组技术（GT）原理减少集成难度，实现如下图所示的GT—CAD/CAPP/CAM集成系统。产品开发过程中的计算机辅助技术51

这种集成系统的共享数据库中应存储有按相似性原则建立的产品族库、部件（模块）族库和零件族库；同时还存储有与各族对应的标准工艺过程库等，它们之间都能依据GT代码连接起来，达到集成要求。

这种基于GT的CAD/CAPP/CAM集成系统不仅效率、系统结构简单，并且充分体现了GT在促进产品设计和工艺设计等方面实现系统化、标准化的作用。产品开发过程中的计算机辅助技术52图示基于GT的CAD/CAPP/CAM集成系统

产品开发过程中的计算机辅助技术532.9.2.4基于特征造型的CAD/CAPP/CAM集成

传统CAD系统的计算机内部模型主要致力于对几何体的整体描述。然而，这种面向整体的描述方法所描述的几何体是不能被CAPP系统和CAM系统自动地理解的。

例如，在CAPP中需要确定按什么顺序去加工一个又一个的加工面（或称为子几何体、几何单元），在CAM中需要确定刀具对子几何体的加工运动轨迹。然而，整体描述式的计算机内部模型无法将几何体自动分解为一个一个的子几何体，因此人的介入是无法避免的。这样面向特征的造型技术也就应运而生。产品开发过程中的计算机辅助技术54

这是一种既能以更接近人类思维方式帮助设计师进行CAD设计，又能为CAPP、CAM系统所理解的计算机建模技术。由此可见，仅仅以几何和拓扑的信息来描述产品是无法满足CAD/CAPP/CAM集成需要的，需要在更高的层次上构造能表达某种工程意义的“基元”，即特征，来支持CAD/CAPP/CAM集成的目的。

特征是一个局部的概念，则具有工程意义大体素（几何体局部）。它将整体式几何体描述结构转化为局部式几何体描述结构。其拓扑关系简单，再辅以简单的规划，便能容易地被计算机所理解。对于加工特征来说，它具有的工程意义就应该是被切除的体积与形状。下图给出了一些加工特征的示例。产品开发过程中的计算机辅助技术55图加工特征示例

产品开发过程中的计算机辅助技术56

基于特征的零件设计是设计毛坏进行一系列的特征操作形成的。

设计过程中，形成零件的特征邻接图（下图示）。图中，MF为母面，即各特征的入面所在的面，加工时即为切入面。以母面特征为第一层特征，再把那些以第一层特征中的面作为母面的特征归入第二特征，依此类推，此为分层设计。在进行工艺规程设计时，选取母面下的各路径遍历，即可得出零件的整体结构。在这样的基于加工特征的零件模型上，就能由每个特征对应的加工方法与数控程序段进而组合成整个零件的加工工艺与数控程序。产品开发过程中的计算机辅助技术57图示零件的特征邻接图

产品开发过程中的计算机辅助技术58

下图是一个基于特征造型的箱体零件CAD/CAPP/CAM集成系统实例的示意图。

该系统的三个分系统中，CAD与CAM分系统是对商品化的基于几何造型的CAD/CAM软件进行二次开发而成的，CAD具有特征定义与编程功能。

PRTF是商品化CAD/CAM软件中内部的数据文件，记录零件的几何实体信息，由CAD/CAM软件内部直接传递给CAM模块。

DNF是零件特征数据文件。CAPP分系统是自主开发的软件，MNF是CAPP输出的零件工艺计划数据文件。产品开发过程中的计算机辅助技术59图示基于零件特征模型的CAD/CAPP/CAM集成系统

产品开发过程中的计算机辅助技术60

目前，实现零件特征建模主要有以下几种途径：

重构几何体建模—这是采用用户自定义特征，在基体上实施布尔运算来获取零件特征模型。因为用户自定义特征常常是制造特征，因此不可避免地约束了设计人员的思维活动；

特征识别—是从传统CAD的实体模型中识别出下游生产活动（如CAPP）所需要的特征信息。特征识别技术虽已研究多年，但是能通过自动识别而提取到的特征仍很有限，且无法识别交互性特征；产品开发过程中的计算机辅助技术61

基于特征的设计—理论上允许采用任何种类的特征进行设计，但由于产品设计与工艺设计选用的特征可能不一致，在很多情况下，用户仍需建立特征造型的后置处理系统来实现CAD与CAPP或CAM的信息集成；特征映射—利用各种映射原理和方法实现不同特征集成之间的特征信息转换。例如可将设计特征集当中的设计特征映射为各种应用特征集当中的应用特征。这种方法能有效地解决特征交互问题。

基于特征造型的CAD/CAPP/CAM集成系统以及相关的产品模型数据交换标准均是当前本领域的研究前沿。

产品开发过程中的计算机辅助技术62基于PDM平台CAD/CAPP/CAM的集成

为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业必须实现TQCS。与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。而成功运用CAD／CAPP／CAM等新技术成为企业开发新产品的有力工具，使新产品的开发周期由过去几年开发一个到现在一年开发几十种，给企业带来了巨大的经济和社会效益。

产品开发过程中的计算机辅助技术63目前，已有许多性能优良的商品化的CAD、CAPP、CAM系统。这些独立的系统分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数据编程自动化方面起到了重要的作用。但是，采用这些各自独立的系统，不能实现系统之间信息的自动化传递和交换。新技术运用随机产生了新的矛盾，原有的管理体系所代表的生产关系已无法适应新技术的要求，作为孤岛智能技术，仅从企业生产的各个侧面来提高效率，效果是有限的。企业要从整体上提高效率、改进技术、优化管理、降低成本，必须利用计算机网络将各种计算机辅助技术集成起来，构筑起企业级的信息集成系统，这样才能从根本上改变企业现有生产管理的低效率，同时促进企业的技术进步和人员素质的提高，实现经济和社会效益双丰收。

产品开发过程中的计算机辅助技术64PDM是CAD/CAPP/CAP的集成平台

PDM是一门用来管理所有与产品相关的信息(包括零件、配置、图档、CAD文件、结构、权限等)和所有与产品相关的过程(包括工作流程、更改流程等)的技术。

它能有效地将产品数据从概念设计、计算分析、详细设计、过程设计、加工制造、试验验证、销售维护直至产品消亡的整个生命周期内及其各阶段的相关数据，按照一定的数学模式加以定义、组织和管理，使产品数据在其整个生命周期内一致、最新、共享和安全。

它提供产品全生命周期的信息管理，在企业为产品的设计与制造建立了一个并行化的协作环境。产品开发过程中的计算机辅助技术65PDM作为工程领域的信息集成框架，它为产品数据及过程管理、为并行化产品设计、为CAD／CAPP／CAM系统的集成提供了必要的支撑环境。目前，PDM系统是最好的3C集成平台。它可以把与产品有关的信息统一管理起来，并将信息按不同的用途分门别类地进行有条不紊的管理。不同的CAD/CAPP/CAM系统都可以从PDM中提取各自所需要的信息，再把结果放回PDM中，从而真正实现3C集成。产品开发过程中的计算机辅助技术66CAD/CAPP/CAM与PDM的集成分析

由于在一个企业中，可能存在着不同的CAD，CAPP，CAM系统或这些系统的不同版本，也可能存在这些系统与供应商、不同合作商之间的产品模型信息交换，同时还可能存在每天由CAD/CAPP/CAM系统产生的大量的数据和文档。

在这样复杂的环境中，PDM作为集成平台，一方面要为CAD/CAPP/CAM系统提供数据管理与协同工作的环境，同时还要为CAD/CAPP/CAM的运行提供支持。产品开发过程中的计算机辅助技术67CAD系统产生的二维图纸、三维模型、零部件的基本属性、产品明细表、产品零部件之间的装配关系、产品数据版本及其状态等，需要交由PDM系统来管理，而CAD系统也需要从PDM系统获取设计任务书、技术参数、原有零部件图纸、资料以及更改要求等信息。CAPP系统产生的工艺信息，如工艺路线、工序、工步、工装夹具要求以及对设计的修改意见等，交由PDM进行管理，而CAPP也需要从PDM系统中获取产品模型信息、原材料信息、设备资源信息等。CAM则将其产生的刀位文件、NC代码交由PDM管理，同时从PDM系统获取产品模型信息、工艺信息等。产品开发过程中的计算机辅助技术68产品开发过程中的计算机辅助技术69CAD与PDM的集成分析

CAD与PDM的集成是具体实施中要求最高、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。从用户考虑，CAD与PDM的集成应达到真正的紧密集成。CAD与PDM的应用封装只解决了CAD产生的文挡管理问题。零部件描述属性、产品明细表需要通过接口交换倒入PDM。同时，通过接口交换，实现PDM与CAD系统间上述数据的双向异步交换。但是，这种交换仍然不能完全保证接口数据在CAD与PDM中的一致性。产品开发过程中的计算机辅助技术70

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，及在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。

CAPP与PDM的集成分析

CAPP与PDM之间除了文档交流还要从PDM系统中获取设备资源信息、原材料信息等。而CAPP产生的工艺信息也需要分成基本单元存放于工艺信息库中。产品开发过程中的计算机辅助技术71

所以CAPP与PDM之间的集成需要接口交换，及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的工艺信息库中。CAM与PDM的集成分析

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，CAM与PDM之间采用应用封装就可以满足二者的集成要求。

产品开发过程中的计算机辅助技术72

PDM平台下CAD／CAPP／CAM的集成模式主要有三种：1封装模式

封装的内容包括应用工具本身以及由这些应用工具产生的文件两方面，及PDM对这两方面都要管起来。封装可以使数据和操作具有统一的模型界面和逻辑的独立性。作为一个集成平台，PDM具有对CAD／CAPP／CAM的封装能力，并对其封装性提供从一种应用转换到另一种应用的功能。当PDM系统封装CAD／CAPP／CAM时，在PDM系统中可以直接激活相应的CAD、CAPP、CAM系统，并使不同的3C系统之间能够实现信息共享，对他们产生的数据进行统一管理，并在PDM系统中将图形文件显示为相应的实际图形；同样，在3C系统中也可以直接进入PDM系统，进行相应的数据管理操作，而无需退出原来的系统，重新进入另一个系统。

产品开发过程中的计算机辅助技术73

例如：当一个二维CAD系统被分装后，在PDM系统中就可以查到这个工具对象并直接启动它，然后进行设计绘图，当设计结束后，所获得的图形文件可自动在PDM系统中存储和管理。如需要对图形进行修改，则可在PDM系统中找到该图形文件，用鼠标就可启动该二维CAD系统，进行图形修改。封装模式可以满足以文件形式生成的所有数据应用系统需求。即PDM只能管理应用系统产生的文件整体，而不能直接访问数据库，如特征、参数以及装配数据等。因此，封装不能操作文件内部的具体数据，而PDM的产品结构和配置模块必须了解产品内部的结构关系，所以，PDM系统对这类信息不能采用封装的模式，必须应用接口交换或系统紧密集成两种不同的模式。

产品开发过程中的计算机辅助技术742接口交换模式

程序接口交换模式是一种比封装集成更加紧密、自动化程度更高、无需用户直接参与的集成模式，它把应用系统与PDM系统之间需要共享的数据模型抽取出来，把它定义到PDM的整体模型中去，这样，在PDM与应用系统间就有了统一的数据结构。PDM就能与3C系统之间实现文件内部数据自动交换。这种集成的特点是：在应用封装的基础上，在应用系统与PDM系统间共享数据模型的指导下，通过数据交换接口，实现应用系统的某些数据对象自动创建到PDM系统中，或从PDM系统中提取应用系统需要的某些数据对象，使二者保持异步一致。

产品开发过程中的计算机辅助技术75

例如：产品设计中的二维图形软件不能生成装配树，而三维实体造型软件虽然能够生成产品的装配树，但与PDM中的产品结构树无关，这样PDM中的产品结构树往往仍需要手工编制。为了实现PDM中的产品结构树由3C系统中的装配树自动生成，并从PDM提取最新的产品结构关系，去修改3C的装配文件，保持两者之间的数据一致性，通过编制接口程序来完成。

PDM作为一种能够支持多种CAD软件的通用管理平台，采用标准的数据信息接口，建立PDM的产品结构与多种CAD软件之间的联系。这样，在接口开发过程中，既要了解产品结构在CAD系统中的组织形式，也要了解在PDM系统中的组织形式，然后做好双向转换。

产品开发过程中的计算机辅助技术763紧密集成模式

紧密集成是每个实施PDM的企业所期盼的目标，在这种集成方式下，不同应用成了PDM系统的有机组成部分，它们之间不仅可以共享数据，还可以共享操作服务，PDM具有对各种类型的信息提供全自动的双向相关信息的交换，包括产品信息、特征信息、参数和面向应用对象的信息等。在3C各个孤岛技术系统上能使用所有的PDM功能，使用户在统一定义的系统环境里工作，真正实现一体化。应用紧密集成模式时，需要详细分析3C的图形信息和PDM的产品结构信息，制定统一的产品数据之间的结构关系，这样，当其中一个结构关系发生变化，则另一个自动随之进行调整，从而始终保持3C的装配关系与PDM的产品结构的一致性。

产品开发过程中的计算机辅助技术77

PDM是构筑在关系型数据库基础上的集成平台，以一个共享数据库为中心，可以跨越操作系统平台与应用软件平台，能够实现多平台的信息集成。建立在PDM上的CAD/CAPP／CAM集成体系，充分利用了其对数据和软件集成的特点，已成为了企业实现信息集成的不可缺少的环境平台，随着计算机和网络的发展，网络化制造的复杂环境对PDM又提出了新的要求，建立网络化制造的PDM系统将成为下一步研究的热点。

产品开发过程中的计算机辅助技术78汽车业CAD/CAM/CAE系统选型趋向

汽车工业一直是CAD/CAM/CAE系统应用的先锋。CAD技术的应用，有效地推动了汽车制造业的前进；汽车业的需求也极大地带动了CAD技术的发展。多年来，汽车业的选型趋向一直是CAD/CAM/CAE技术发展的晴雨表，也是业内人士关注的焦点。因此，重温近几年来汽车业巨子的选型过程，了解他们应用CAD/CAM/CAE技术的现状，无疑会对国内CAD用户的选型决策起到重要的参考作用。

随着汽车产量的大幅度提升和保有量的相对固定，导致竞争加剧，使得每辆汽车的利润大幅度下滑。如何在提高质量的前提下，在产品开发的每一个环节上降低成本，成为汽车制造商孜孜以求的目标。而竞争的加剧，则更要求汽车制造商要更快地将高质量的新车型推向市场。

产品开发过程中的计算机辅助技术79汽车制造业是技术密集型和劳动密集型产业。为降低生产成本和减少污染，汽车制造商往往将劳动含量高、技术含量低的配件厂建在海外。因此，协同开发、数据共享又成为了制约产品上市周期的重要因素。进入二十世纪九十年代以后，CAD技术的应用成本相对于二十多年前来说，已不算太高，而产品开发的成本却在不断上升，其中开发工程师的成本上升的尤为明显。因此，基于以上考虑，易学好用、设计/分析/制造一体化的软件一直备受企业的青睐；同时，支撑整个企业产品信息的框架式软件──产品数据管理系统（PDM），也逐渐为众多的汽车制造商所接受。

产品开发过程中的计算机辅助技术80近几年来，面对居高不下的生产成本和日渐削减的利润，汽车制造商们发现盲目地引进种类繁多的、大量的软件未必能解决企业正在面临的问题。彻底改造研发环境才是真正的出路。于是各大汽车制造商面向整个企业信息系统的改造计划都在紧锣密鼓地蕴酿之中。以下为几个主要的汽车制造商所提出的计划：

福特：“福特2000年”，C3P项目；

马自达：“数字改造计划”；

日产：“业务过程革新”；

雷诺：“产品设计及生产环境重组”；

日野：“并行工程计划”等等。

下面重点以福特汽车公司的软件选型为例，重温这个引起全球业界震动的典型案例。

产品开发过程中的计算机辅助技术81

1993年，福特汽车公司制定了面向21世纪的“福特2000年”长远发展规划，决定彻底改造自己的计算机应用状况。福特的目标是：一个新车型的开发周期从目前的36个月缩短到18个月乃至12个月；新车开发的后期设计修改减少50%；原型车制造和测试成本减少50%；投资收益提高30%。福特希望用一个产品数据管理系统（PDM）把计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）集成起来，融汇到一个遍布全球的公用数据系统之中，即C3P（CAD/CAM/CAE/PDM）。这是C3P概念在整个业界第一次正式提出。

产品开发过程中的计算机辅助技术82

历经各个历史阶段的选型与积累，福特内部使用着多种CAD系统：大量的CADDS5与CATIA，还有一些PTC公司和SDRC公司的产品，主