CAD技术基础 第9章 协同、管理与集成

第九章协同、管理与集成产品协同设计技术产品数据交换技术

产品数据与产品生命周期管理技术

3C集成技术本章要点§9协同、管理与集成产品的市场调查、方案拟定、产品设计、样品试制、设计修改、小批量生产等环节。特点：顺序进行，各个环节接受上一环节的结果，在完成本环节的工作后，将结果传递给下一个环节。§9.1

产品协同技术传统的产品设计开发过程是并行工程的重要组成部分，在CAD、CAM、CAPP等技术的支持下，将以往串行的工作在时间和空间上进行交叉进行，旨在减少早期生产中工程变更的次数，缩短产品开发周期，降低制造成本。要求产品的开发者从一开始就要考虑产品整个生命周期中的所有因素，如加工工艺、装配、检验、质量保证、成本、进度等，在设计时将各后续环节的技术条件、生产条件等作为设计环节的约束条件，避免到产品开发后期才发现设计中的错误。§9.1

产品协同技术并行设计§9.1

产品协同技术并行设计产品的设计者在计算机上建立产品模型，在虚拟的环节下完成产品的构思、设计、制造、测试、分析等环节，用数字模型代替以往的实物模型，及时发现设计中的问题，使产品的设计开发一次获得成功，从而缩短产品开发周期，降低设计成本。为了实现不同地点、不同部门的不同专业人员之间对信息和资源的共享，协调地处理各种更新、冲突和竞争，须建立各种协调机制。§9.1

产品协同技术虚拟设计与制造通过将高素质的员工、动态灵活的虚拟组织（动态联盟）、先进的柔性生产技术进行全面集成，使企业能对持续化的、不可预测的市场需求作出快速反应，由此获得长期的经济效益。强调人、组织、管理、技术的高度集成，强调企业面向市场的敏捷性。动态联盟：是指企业群体为了赢得某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织或企业的资源优势，综合成单一的靠网络通信联系的阶段性经营实体。特点：集成性、实效性§9.1

产品协同技术敏捷制造§9.1

产品协同技术敏捷制造产品协同设计是实现先进制造模式最重要技术，是对并行设计、虚拟设计等现代设计方法的继承和发展。包括如何将总目标分解为若干活动，如何将活动分配给一个组或某个协作成员，以及如何在不同的成员之间分配资源。是指在计算机的支持下，围绕设计项目，由两个或两个以上的设计主体（专家），各自承担相应的部分设计任务，并通过一定的信息互换和相互协同机制，并行交互地进行设计，最终得到符合要求的设计结果的设计方法。§9.1

产品协同技术协同设计多主体性：设计活动由两个或两个以上的设计专家参与，这些专家通常是相互独立的，并且各自具有领域知识、经验和一定的问题求解能力。协同性：具有一种协同各个设计专家完成共同设计目标的机构，包括设计专家间的通信协议、通信结构、冲突检测和仲裁机制。共同性：多设计专家要实现的设计目标是共同的，他们所在的设计环境和上、下游的信息是一致的。灵活性：参与设计的专家数目可以动态地增加或减少，协同设计的体系结构也是灵活可变的。§9.1

产品协同技术协同设计特点：集中式：有一个实际的或虚拟的中央控制系统以及信息、知识交流或交换的场所。§9.1

产品协同技术协同设计的体系机构：分布式：是一种无中央控制的体系结构，每一个参与设计的专家或主体无主从之分，每个设计主体之间都存在一个可能的直接通信§9.1

产品协同技术协同设计的体系机构：联邦式：采用分布式与集中式相结合的方式，由几个主设计专家组成一个分布式设计体系结构，而每个主设计专家的下属设计专家则采用集中式设计的体系结构，各设计专家通过主设计专家的控制完成设计数据间的交换和交流。§9.1

产品协同技术协同设计的体系机构：1.共享知识的表达与语义一致化为多个设计专家提供适宜的表达机制和通信机制，为多专家知识的共享、交换和集成提供有效途径。§9.1

产品协同技术协同设计的关键技术：2.产品设计信息的集成与共享产品设计信息：产品结构信息（PDM信息）产品模型信息（CAD信息）§9.1

产品协同技术协同设计的关键技术：产品结构信息的集成与共享以产品结构树的形式进行信息组织和管理基于STEP中性文件方式的PDM集成§9.1

产品协同技术协同设计的关键技术：§9.1

产品协同技术§9.1

产品协同技术产品模型信息的集成与共享§9.1

产品协同技术协同设计的关键技术：3.冲突管理：在协同设计中，由于设计任务、设计活动的复杂性，以及多学科专家领域知识的局限性等诸多因素的存在，冲突便不可避免地存在。冲突是指在多个相互关联的对象之间存在的一种不一致、不和谐或不稳定的对立状态。各领域专家的设计决策不同、设计不兼容、产品数据错误、设计目标不同、知识表达方法不同、设计模型不一致都能引起冲突。§9.1

产品协同技术协同设计的关键技术：冲突分类：设计冲突设计目标冲突和设计结果冲突资源冲突过程冲突冲突管理：冲突避免冲突检测冲突解决§9.1

产品协同技术协同设计的关键技术：产品数据交换标准

实现计算机集成制造（CIM），要求在如下几方面能进行数据交换：（1）不同设计部门之间（2）设计、制造、生产准备、制造部门之间（3）不同合作企业之间（4）不同时期的研制产品之间（5）不同CAD/CAM系统之间（6）同一CAD/CAM系统的不同版本之间。§9.2

产品数据交换技术§9.2

产品数据交换技术产品数据交换的方式：1.专用数据格式的交换（点对点交换）§9.2

产品数据交换技术产品数据交换的方式：2.通用数据格式的交换（星式交换）§9.2

产品数据交换技术2.通用数据格式的交换（星式交换）每个系统都有两个接口：前处理器和后处理器；

前处理器：将A系统内部的数据模型转换成某种标准格式文件并输出；

中性文件：STEP、IGES；

后处理器：将来自A系统的中性文件格式转换成B系统内部的模型数据，在B系统生成与A系统一样的模型；

优点：系统数目n增大，接口数量不会增加过多

缺点：产品数据每次都要经过前、后处理器转换，运行效率低。§9.2

产品数据交换技术3.统一的产品数据模型交换无需接口、集成性好、运行效率高，实现难度较大初始图形交换规范IGES

早在20世纪70年代，美国国家标准和技术局开始研究初始图形交换规范IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）。

IGES是CAD/CAM系统之间图形信息交换的一种规范。它由一系列产品的几何、绘图、结构和其他信息组成，可以处理CAD/CAM系统中大部分信息，是用来定义产品几何形状的现代交互图形系统。最初开发IGES是为了能在计算机绘图系统的数据库上进行数据交换，到后来IGES逐渐成熟，覆盖了CAD/CAM数据交换的应用领域。几乎所有商品化CAD/CAM系统都有IGES接口，成为应用最广泛的数据交换标准。§9.2

产品数据交换技术

IGES通过元素（Entity）对产品的形状、尺寸以及相关几何信息进行描述。元素是IGES基本的信息单位。可分为四类：（1）几何元素：描述产品几何形状，包括点、线、面等。（2）尺寸标注元素：如字符、箭头线段和边界线等，能标注角度、直径、直线等。（3）属性元素：描述产品定义的属性。（4）结构元素：用来定义各元素之间的关系和意义。IGES描述§9.2

产品数据交换技术IGES的前后处理程序IGES是一种中性文件。将某种CAD/CAM系统的输出转成IGES文件时需经前置处理程序处理。IGES文件传至另一种CAD/CAM系统时则需经过后置处理程序处理。因此要求各种应用系统必须具备相应的前、后置处理程序，以便利用IGES文件传递产品的信息。§9.2

产品数据交换技术IGES标准存在的问题

（1）元素范围有限，IGES中定义的主要是几何图形方面的信息，不是产品的全面信息，不能满足CAD/CAM集成的要求。（2）IGES对数据传输不可靠，有数据丢失现象，IGES的一些语法结构有二义性，造成不同系统对同一个文件解释不同，导致数据交换失败。（3）占用的存储空间大，影响处理速度和传输效率。§9.2

产品数据交换技术产品数据交换标准

STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）标准是以PDES（ProductDataExchangeSpecification）基础上发展的。为改进和发展IGES，1984年美国IGES委员会开始研究PDES，国际标准化组织（ISO）的下设组织确定了STEP的名称，STEP已成为国际标准。该标准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。支持广泛的应用领域；独立于任何具体的软件系统；完整表示产品数据，不仅适合于中性文件交换，也是实现产品数据库共享的基础。§9.2

产品数据交换技术其他格式数据交换

VRML语言是一种虚拟现实建模语言，用来描述三维对象并把它们组合到虚拟场景中，可用来建立仿真系统，所建模型和场景易于在因特网上传输与交换。

STL格式文件：是一种将实体表面三角化进行数据交换的方法。例如从STL文件生成数控加工代码，生成有限元网格，图像仿真等。

DWF文件：由Autodesk公司裁员的高压缩的二维矢量图形格式文件，用于网络上发布图形文件。

§9.2

产品数据交换技术集成：

集成是指把软件单元、硬件单元结成一个协同工作的整体，并通过这种有机的集合，使整体比单个单元发挥更大的作用，集成包含了功能交互、信息共享及数据通信。§9.3

3C集成技术功能集成：系统中应包括功能不同的软件单元，如产品设计、有限元分析、工艺设计、数控编程及数据管理软件，能按不同的用途有机地结合起来，而且在功能上能达到部分的互操作。信息集成：统一组织和控制各种信息的传递，使集成系统内部信息流畅。集成系统的输入应一次完成，各单元不应有重复输入；各单元的输出应能为其他单元直接使用，不应有人工干预。（数据共享）过程集成：将实现目标任务的工作过程的各阶段、各环节有机地组成与控制起来。§9.3

3C集成技术3C集成：

CAD、CAPP、CAM三种软件的信息集成，即这些单元间输入、输出信息的提取、处理、交换与共享，使3C系统内部信息流畅。狭义CAM：数控编程软件（NCP）广义CAM：CAPP和NCP§9.3

3C集成技术CAD/CAPP/CAM集成系统结构§9.3

3C集成技术CAPP概念：§9.3

3C集成技术计算机辅助工艺设计是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和加工工艺信息（材料、热处理、批量），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。或是利用计算机来制定零件的加工工艺过程，把毛坯加工成工程图纸所要求的零件。CAPP软件的功能：§9.3

3C集成技术1.毛坯的选择及毛坯图生成：根据被加工零件的尺寸、形状及技术要求，选择铸件、锻件、棒料及型材等作为毛坯。再根据工艺过程中的加工余量生产毛坯图。2.工艺过程的拟定：定位加紧方案的确定、加工工艺路线选择、加工工序工步选择、工艺装备选择、检验工序的安排等。3.工艺参数计算：计算加工余量、切削用量、时间定额4.工艺文件生成：生成零件机械加工工艺卡、工序卡、检验卡、材料清单等。为现代制造系统集成提供技术桥梁

CAPP系统接受计算机辅助设计（CAD）系统的产品几何拓扑、材料信息以及精度、表面粗糙度等工艺信息；向CAD系统反馈产品的结构工艺性评价信息。向计算机辅助制造系统（CAM）提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、加工过程以及反映零件切削过程的刀具轨迹文件；同时接收CAM反馈的工艺修改意见。§9.3

3C集成技术CAPP的作用：CAPP系统的结构组成零件信息获取工艺决策工艺文件管理/输出人机交互界面零件信息库工艺数据库工艺文件库§9.3

3C集成技术

变异式CAPP系统利用成组技术原理，将零件按几何形状及工艺相似性分类、归族，每一族有一个典型样件。根据此样件建立典型工艺文件，即典型工艺规程，存入工艺文件库中。当需设计一个新的零件工艺规程时，按照其成组编码，确定其所属零件族，由计算机检索出相应零件族的典型工艺规程，再根据零件的具体要求，对典型工艺进行修改，最后得到所需要的工艺规程。变异式CAPP系统

工作原理

§9.3

3C集成技术变异式CAPP系统零件GT编码及辅助信息输入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族检索典型工艺自动变异加工参数处理计算交互编辑格式化输出工艺规程工艺规程§9.3

3C集成技术成组技术（GroupTechnology）成组技术的基本原理是对相似的零件进行识别和分组，将相似的零件划分在一起形成所谓的零件族，并在设计和制造中充分利用这些相似特征，以获得所期望的技术经济效益。

零件的相似性有两类：设计性质方面的相似性和制造方面的相似性。它的应用不仅仅局限于机械加工领域，也可用于产品零件设计、工艺设计、工厂设计、市场预测、劳动量测定、生产管理等各个领域，是一项贯穿整个生产过程的综合性技术。

§9.3

3C集成技术

成组技术的优点：

１）有利于零件设计的标准化，减少设计工作的重复性。

利用成组技术的相似性原理，在对零件进行分类成组的基础上，可以将零件族存储起来。在设计时，检索出相似的零件族，经过编辑修改而形成新的零件，这样不仅可以大大减少设计工作量，还可以最大限度地利用已有的设计信息。

２）有利于工艺设计的标准化。

在对零件进行分类成组时，是以工艺相似性为特征进行分类。

３）有利于降低成本、简化生产计划、缩短生产周期。

成组技术可以使零件图的种类减少、结构相似性增加，零件工艺规程数量减少，机床调整准备时间缩短，工艺装备种类减少、机床利用率显著提高。统计表明，采用成组技术后，零件设计工作量减少50%，零件图纸减少10%，车间面积减少20%，加工设备数量减少60%，原材料费用降低40%，生产准备时间减少70%。§9.3

3C集成技术零件族

将具有相似的几何形状结构和尺寸，或将具有相似的加工步骤的零件聚集在一起，就可以构成零件族。零件族中的零件，其相似性是主要的，不同之处只是少量的。根据相似性可将零件族区分为设计族和工艺族。几何形状相似的零件族§9.3

3C集成技术工艺相似的零件族§9.3

3C集成技术变异式CAPP系统的特点和应用是以成组技术为理论基础，理论上比较成熟；变异式CAPP系统问世较早，应用范围较广，有较好的实用性。主要适用于结构比较简单的零件，在回转类零件中应用尤为普遍。与常规手工工艺设计方法类似，集成和应用了企业较成熟的传统工艺，但系统的柔性较差。对于复杂零件和相似性较差的零件，由于难以用编码描述，难以形成零件族，不适宜采用变异式CAPP系统。§9.3

3C集成技术创成式CAPP系统可以定义为一个能综合加工信息，自动地为一个新零件制定出工艺规程的系统，即根据零件信息，系统能自动提取制造知识，产生零件所需要的各个工序和工步的加工内容；自动地完成机床、工具的选择和加工过程的最优化；通过应用决策逻辑，可以模拟工艺设计人员的决策过程。

工作原理

§9.3

3C集成技术零件信息输入模块机床数据夹具数据刀、工具数据切削数据零件加工顺序生成模块机床选择模块夹具选择模块刀、工具选择模块切削参数选择模块工艺生成及输出模块制造数据库决策逻辑程序创成式CAPP系统§9.3

3C集成技术工艺决策

创成型CAPP系统中，系统的决策逻辑是软件的核心。通常用决策树（或称判定树）或决策表（或称判定表）来实现。决策树和决策表是描述在规定条件下与结果相关联的方法，即用来表示“如果（条件）那么（动作）”的决策关系。§9.3

3C集成技术决策树在决策树中，条件被放在树的分枝上，动作放在各分枝的节点上。长径比≥4长径比≥16长径比＜16长径比＜4卡盘卡盘＋尾顶尖顶尖＋跟刀架＋尾顶尖车削装夹方法的决策树§9.3

3C集成技术决策表

在决策表中，条件被放在表的上部，动作放在表的下部。在设计一个决策表时，考虑其完整性、精确性、一致性。工件长径比＜4

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