机械CADCAM系统集成

第十章机械CAD/CAM系统集成CAD/CAM技术本章

学习目标

理解CAD/CAM集成系统的概念、体系结构和基本组成掌握CAD/CAM系统的集成方法了解产品数据交换标准理解PDM的基本概念和体系结构学习基于PDM的CAD/CAM集成系统的集成方式和系统组成重点：CAD/CAM系统的集成技术和方法学习内容CAD/CAM集成技术概述产品数据模型产品数据交换标准基于PDM平台的机械CAD/CAM集成技术重点：CAD/CAM数据交换标准1.CAD/CAM集成技术概述CAD/CAM集成技术的定义CAD/CAM集成系统总体结构CAD/CAM集成系统数据流程图CAD/CAM信息集成方式CAD/CAM集成的关键技术

随着计算机技术日益广泛深入的应用，人们很快发现，采用各自独立的系统不能实现系统之间信息的自动传递和交换，不但影响效率的提高，而且人工转换过程中难免会发生错误

近年来，独立的CAD、CAPP、CAM、CAE、CAFD系统获得了飞速发展，分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方面起到了重要的作用CAD/CAM集成技术的定义集成系统应具备基本特征：

数据共享：系统各部分的输入可一次性完成，每一部分不必重新初始化，各子系统产生的输出可为其它有关的子系统直接接收使用，不必人工干预系统集成化：系统中功能不同的软件系统，按不同用途有机的结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递，保证系统内信息流畅通，并协调各子系统有效地运行开放性：系统采用开放式体系结构和通用接口标准

系统内部，各个组成部分之间易于数据交换、易于扩充

系统外部，一个系统能有效地嵌入另一个系统中作为其组成部分，或者通过外部接口，有效地连接、实现数据交换CAD/CAM集成系统总体结构新一代CAD/CAM集成系统采用数据驱动型系统

基本出发点：着眼产品整个生命周期，寻求产品数据完全实现交换和共享的途径，以期在更高的程度和更宽的范围实现集成

主要途径：采用STEP产品数据交换标准，逐步实现统一的系统信息结构设计和系统功能设计

从应用角度，CAD/CAM集成系统一般采用递阶控制体系结构，包括公司、厂/所、工作站（单元）及设备等五层

递阶控制的体系结构从应用角度：

CAD/CAM集成系统，一般采用递阶控制体系结构，包括公司、厂/所、车间、工作站（单元）及设备等五层主要任务是市场预测、生产规划及资源规划、对向厂/所下达的任务及进度进行宏观调控根据公司下达的计划任务，以产生管理功能为核心，制定主生产计划、物料需求计划、生产能力需求计划，并向EDS和MAS分别下达设计任务和生产任务；制定质量规划、检测计划、综合质量管理信息、向车间下达产品质量的管理任务；完成无图纸的CAD、CAPP、CAFD和CAM任务从计算机实现角度：

CAD/CAM系统的层次结构可分为计算机硬件与系统软件、网络、数据库、应用集成框架/协同工作环境及应用软件五层递阶控制的体系结构从应用角度：

CAD/CAM集成系统，一般采用递阶控制体系结构，包括公司、厂/所、车间、工作站（单元）及设备等五层对工厂层下达的生产计划进行分解和车间作业调度仿真，并向各工作站下达并监控刀夹具、物料调度及加工任务；向工作站层下达并监控有关质量检测任务；向工厂层反馈车间生产状态和系统状态向各工作站管辖的设备下达工作任务，完成物料库的数据采集、监控和管理，向各测量设备分配检测任务，并进行管理和监控；向车间层提供加工、库存及测量等多类数据完成各类加工、测量和物料储运工作从计算机实现角度：

CAD/CAM系统的层次结构可分为计算机硬件与系统软件、网络、数据库、应用集成框架/协同工作环境及应用软件五层递阶控制结构图经营决策决策层企业规划劳动人事销售管理计划调度采购管理质量管理工程技术财务管理库存管理铸造车间锻压车间机加工一机加工二检修车间机加工三热处理焊接车间装配车间底层设备车间层管理层设备层底层设备CAD/CAPP/CAM集成系统数据流程图工艺文件产品模型参数化设计线框模型曲面模型实体模型特征模型分析和模拟有限元分析动力学分析运动学分析模态分析电路分析绘制工程图2D/3D绘图完成图纸、文档输出图文管理工艺过程设计选择加工方法选择加工参数生成工艺文件检验结果辅助制造刀具轨迹生成后处理机器人程序设计管理信息分系统计划管理采购管理生产管理销售管理财务管理制造自动化分系统材料加工机器人系统柔性制造系统传送线NC.CNC.DNC自动测试CADERPMASCADCAPPCAMCAE文件设计模型模型模型模型设计状态要求BOM数据加工方法工艺规程加工参数编程数据自动测试数据生产调度指令CAD/CAM信息集成方式通过专用格式文件的集成方式

通过标准格式中性数据文件的集成方式利用工程数据库进行系统集成CAD/CAM的集成方式大体分为：系统的集成：将不同功能、不同开发商的单元系统集成到一起，形成一个完整的CAD/CAM系统

配置灵活，选择余地大集成的系统：将要用的功能都全都集成到一个系统中，采用统一产品数据模型的共享机制

不容易做到广泛意义上的CAD/CAM，在一些特定行业或部门应用非常成功通过专用格式文件的集成方式显然，这种方法无法实现广泛的数据共享，数据的安全性和可维护性较差，仅适用于小范围、结构简单的机械CAD/CAM系统的信息集成。对于相同的开发和应用环境，各系统之间可协调确定统一的数据格式文件，便可实现系统间的信息互联；而在不同的开发应用环境下，则需要在各系统与专用数据文件之间开发专用的数据转换接口，进行前置和后置处理，以实现系统间的集成该信息集成方式简单，转换接口程序易于实现，运行效率较高。早期CAD单元系统的独立性非常强，往往是提供一种专门的数据格式，应用非常不便通过标准格式中性数据文件的集成方式作为系统集成的接口，应用最多的标准数据格式是美国国家标准局（NBS）主持开发的数据交换规范IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）为克服专用数据接口集成模式的弊端，有些系统开发商提出用通用数据格式作为系统集成的接口应用系统数据按标准格式输入/输出，就可集成到一起比较典型的公用数据交换标准：IGES、STEP、GKS、VDI…利用工程数据库进行系统集成

CAD/CAM集成系统通常采用工程数据库从产品设计到制造的所有环节都与工程数据库有数据交换，实现了数据的全系统共享工程数据库在存储管理大量复杂数据方面具有独到之处，使以工程数据库核心构建的CAD/CAM集成系统得到了广泛应用CAD/CAM集成的关键技术特征技术集成数据管理产品数据交换标准集成框架CAD/CAM集成的关键是CAD、CAPP、CAM、CAE之间的数据交换与共享建立CAD/CAE/CAPP/CAM范围内相对统一的、基于特征的产品定义模型，运用产品数据交换技术，实现CAD、CAE、CAPP和CAM间的数据交换与共享该模型不仅要求能支持设计与制造各阶段所需的产品定义信息（几何信息、拓扑信息、工艺和加工信息），而且应该提供符合人们思维方式的高层次工程描述语义特征，表达工程师的设计与制造意图CAD/CAM集成的关键技术特征技术集成数据管理产品数据交换标准集成框架CAD/CAM集成的关键是CAD、CAPP、CAM、CAE之间的数据交换与共享已有CAD/CAM系统集成，主要通过文件实现CAD与CAM之间的数据交换，不同子系统文件之间要通过数据接口转换，传输效率不高为了提高数据传输效率和系统的集成化程度，保证各系统之间数据的一致性、可靠性和数据共享，采用工程数据库管理系统来管理集成数据，使各系统之间直接进行信息交换，真正实现CAD/CAM之间信息交换与共享CAD/CAM集成的关键技术特征技术集成数据管理产品数据交换标准CAD/CAM集成的关键是CAD、CAPP、CAM、CAE之间的数据交换与共享产品数据交换标准是CAD/CAE/CAPP/CAM集成的重要基础为了提高数据交换的速度，保证数据传输完整、可靠和有效，必须采用通用的标准化数据交换标准２.产品数据模型

产品数据是指产品生命周期内各个阶段有关产品的数据总和。一个完整的产品数据模型不仅是产品数据的集合，而且能反映出各类数据的表达方式以及相互间的关系。只有建立在一定表达方式基础上的产品模型，才能有效地为各种应用系统所接受。按照产品模型所作用范围和复杂程度，产品数据模型可分为零件信息模型和产品信息模型。

零件信息模型

零件信息模型是描述零件相关信息的数据集合。零件信息模型应能表达零件的各类特征信息，包括管理特征信息、形状特征信息、精度特征信息、材料热处理特征信息和技术特征信息等。基于特征的零件信息模型总体结构是一个层次型结构，它包含零件层、特征层和几何层三个层次产品信息模型

产品信息模型是指产品从原材料到成品的整个设计和制造过程所需要的信息总和。构成产品的元素包括部件、组件和零件产品结构信息：①工程图形信息；②基本属性信息；③装配信息。3.产品数据交换标准产品数据交换标准概述IGES标准STEP标准数据格式标准是规范产品设计的一种描述式语言,用来实现CAD工具或设计师之间的数据传递、原理图和版图之间的数据交换以及设计与制造测试之间的无缝衔接…历史上CAD、CAM软件最初开发过程中的孤岛显现，导致了数据表示格式的不统一，使用不同系统、不同模块间的数据交换难于进行，数据交换欠缺标准化间接导致了设计/制造的成本上升，影响了CAD/CAM集成，因此提出了通用的数据交换规范产品数据交换标准概述

产品数据交换技术是实现机械CAD／CAPP／CAM系统集成的关键技术之一，也是实现制造业信息化的重要基础。

为此，近20年来世界各国相继推出了众多有关产品数据交换的标准，如：(1)CAD*I标准接口(CADInterface)(2)产品定义数据接口(ProductDataDefinitionInterface，PDDI)(3)产品数据交换规范(ProductDataExchangeSpecification，PDES)(4)数据交换规范(Standardd'ExchangeetdeTransfer，SET)(5)产品模型数据交换标准(STEP)IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）在CAD/CAM技术的广泛应用中，产生了在各个系统中进行产品信息交换的要求，从而导致了产品数据交换标准的制订

1980年，由美国国家标准局主持成立了由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会，制订了基本图形交换规范IGES应用中暴露的主要问题：大多数IGES处理程序不支持ASCII码格式，数据文件大，数据转换处理时间长；某些几何类型转换不稳定；规范描述内容是几何层的，缺乏CAM所需的工程信息；只注意了图形数据转换而忽略了其他信息的转换

IGES仍然是目前为广泛使用的事实上的国际标准数据交换格式我国于1993年9月起将IGES3.0作为国家推荐标准IGES文件结构IGES文件由五或六段组成：（1）标志（FLAG)段(仅出现在二进制或压缩的ASCII文件格式中)；（2）开始（START）段；（3）全局（GLOBAL）段；（4）元素索引（DIRECTORYENTRY）段；（5）参数数据（PARAMTERDATA）段；（6）结束（TERMINATE）段

IGES数据交换文件中表示信息的基本单位是元素，每种元素都有唯一的元素类型号与之对应

IGES标准中定义了五类元素：曲线和曲面几何元素、构造实体几何CSG元素、边界B-Rep实体元素、标注元素和结构元素元素类型号0000到0599和0700到5000由IGES标准本身使用

元素类型号0600到0699和10000到99999作为宏元素STEP（StandardfortheExchangeofProductmodeldata）

STEP是基于集成的产品信息模型，提供了一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、制造，甚至于产品全部生命周期中所包括的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述

ISO于1983年2月在负责工业自动化系统的技术委员会TCIS4内成立了产品数据的外部表示分会SC4，制定国际标准《ISO10303—产品数据的表达与交换》（又称产品模型数据交换标准STEP）

STEP标准已经成为国际公认的CAD数据文件交换全球统一标准，许多国家都依据STEP标准制订了相应的国家标准，我国标准号为GB16656

STEP为产品在其生命周期内规定了惟一的描述和计算机可处理的信息表达形式STEP（StandardfortheExchangeofProductModelData）

STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准STEP标准提供实现产品数据共享的四个层次：

ASCII码中性文件；

访问内存结构数据的应用程序界面；

共享数据库共享知识库

STEP的应用范围非常广泛

STEP标准内部划分成许多子标准，内容分别涉及几何、拓扑、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材料、产品数据表示、绘图、机械产品结构、建筑工程结构、船舶模型、电子产品、有限元分析以及数据转换等。后续版本还增加了运动机构、标准零件、工艺规程、质量管理、加工制造、测试和产品寿命等内容

STEP标准存在的问题：整个体系极其庞大，标准的制订过程进展缓慢，数据文件比IGES更大

STEP采用EXPRESS语言描述信息模型，便于表示复杂实体，表达形式统一

STEP采用应用协议（ApplicationProtocol）保证语义一致性应用协议说明了如何用STEP标准的集成资源来解释产品数据模型以满足工业需求，即根据不同应用领域的实际需要，选定标准的逻辑子集或加上必须补充的信息作为标准强制地要求各应用系统在交换、传输与存储产品数据时符合应用协议的规定。4.基于PDM平台的机械CAD/CAM集成技术

PDM技术的产生与发展PDM系统的体系结构PDM功能PDM技术基于PDM的CAD/CAM集成PDM技术的最新发展动态产品数据管理（PDM）以软件为基础，是一门管理所有与产品相关的信息（包括电子文档、数字化文件、数据库记录…）和所有与产品相关的过程（包括工作流程和更改流程）技术。它提供产品全生命周期的信息管理，并可在企业范围内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境PDM技术的产生与发展

PDM(ProductDataManagement

)技术20世纪80年代发源于美国早期的PDM，功能比较单一，主要是进行大量工程图纸文档的管理，所以称为文档管理经过20年的发展，PDM已经成为一项很有应用价值的技术，是对工程数据管理、文档管理、产品信息管理、技术数据管理、技术信息管理、图象管理等信息管理技术的一种概括随着网络技术、数据库技术的发展，以及客户机/服务器与面向对象技术的应用，近几年PDM技术发展非常快，在美国等发达国家的企业中得到越来越多的应用，也引起国内企业广泛关注一个成熟的PDM系统能够使所有参与创建、交流以及维护产品设计意图的人员在整个产品生命周期中自由共享与产品相关的所有异构数据，如图纸与数字化文档、CAD文件和产品结构…PDM系统的体系结构

PDM以计算机网络环境下的分布数据库系统为技术支撑，采用客户/服务器结构和工作方式，在企业范围内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境产品数据管理以软件为基础，是一门管理所有与产品相关的信息（包括电子文档、数字化文件、数据库记录…）和所有与产品相关的过程（包括工作流程和更改流程）技术，提供产品全生命周期的信息管理PDM功能电子仓库与文档管理产品结构与配置管理工作流与过程管理集成开发接口零件分类管理工程变更管理项目管理集成工具电子协作

…PDM系统管理和控制所有与产品相关的信息，以及与产品相关的过程的机制与功能按功能模块划分，PDM系统的基本功能包括：电子仓库与文档管理电子仓库（datavault）：在PDM中实现某种特定数据存储机制的元数据（管理数据的数据）库及其管理系统，是PDM系统中最基本、最核心的功能，是实现PDM系统中其他相关功能的基础文档：在产品的整个生命周期中与产品相关的以文件或图挡的形式存在的多种多样信息电子仓库通过权限控制来保证产品数据的安全性，面向对象的数据库组织方式能够提供更快速有效的信息访问，实现信息透明、过程透明，而无需了解应用软件的运行路径、有效版本以及文档的物理位置等信息PDM中管理文档方法：文档“打包”管理，即将文档整体看作一个对象，规定其名称、大小等描述信息，并将这些信息存放在PDM数据库表中，而文档的物理位置仍然在操作系统目录下，由PDM提供管理该文档；将文档内容打散，将其内容分门别类放到数据库中，由PDM提供分类查询，或建立与其他数据库中对象的关联，并提供图示化的管理工具产品结构与配置管理

产品结构与配置管理（productstructureandconfigurationmanagement）作为产品数据组织与管理的一种形式，以电子仓库为底层支持，以材料明细表为其组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，实现产品数据的组织、管理与控制，并在一定目标或规则约束下，向用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述，如设计视图、装配视图、制造视图、计划视图…提供给用户的产品结构与配置管理基本功能主要包括：

1.产品材料明细表的创建与修改；

2.产品材料明细表的版本控制；

3.支持对“零件和或子部件被哪些部件采用”和“部件采用了哪些零件或子部件”的查询；

4.支持对产品文档的查询；

5.产品材料明细表的多视图管理；

6.系列化产品结构视图管理工作流与过程管理工作流与过程管理是PDM基本功能之一。它用来定义和控制数据操作的基本过程，主要管理用户操作数据过程中人与人之间或活动与活动之间的数据流向，以及在一个项目的生命周期内跟踪所有事务和数据的活动。这里的数据可以是前述需要纳入流程中管理的各种文档。在企业中，过程管理广泛用来跟踪和控制产品的设计和修改过程，以增强产品开发过程的自动化程度。同时，运用PDM中特定的过程建模工具，还能对产品开发过程进行重组，规范开发流程，减低开发成本，提高开发效率，获取最大的经济效益工作流与过程管理的功能包括：

1.定义并建立工作流程；

2.运行并控制工作流程；

3.察看流程中文档的状态集成开发接口企业情况千差万别，用户要求多种多样，没有一种PDM系统可以适应所有企业情况，就要求PDM系统具有强大的客户化工具包，使PDM实施人员可以针对企业具体情况定制零件分类管理

PDM中产品结构管理是从某个产品或部件的构成中考察部件在其中的作用及其属性，而一个零件或部件往往在多处使用，不完全隶属某个产品，具有脱离产品独立存在的特点。如可以零件为中心，组织有关产品信息，达到便于检索、便于借用和信息重用的目的，是零件分类管理的目标。零件分类管理就是将零件按照相似性原则划分成若干类，分别加以管理PDM的零件分类管理提供的基本功能包括：

1.基于属性的相似零件和文档对象，以及基于属性的标准零件和文档对象的检索；

2.建立零件、文档对象与零件族的关系；

3.定义与维护分类模式（如分类码、分类结构、标准接口等）的基本机制；

4.定义与维护缺省的或用户自定义属性关系工程变更管理工程变更是生产过程中不可避免的事情在一个企业中，工程变更请求与工程变更指令两部分内容下游人员（如生产人员、组装人员等）发现问题后，必须向上游人员（如设计人员）提出更改请求。提出请求时，要求说明更改原因，指明更改内容，并将更改请求提交流程管理部门审批，只有通过审批签发的更改请求才能实施。原信息修改完毕后，要求通知到相关人员，并修改相关受影响的信息PDM技术分析狭义地讲，PDM仅管理与工程设计相关的领域内的信息广义地讲，PDM覆盖从产品的市场需求分析、产品设计、制造、销售、服务与维护的全过程，即全生命周期中的信息PDM