CAD/CAPP/CAM集成技术

1CAD、CAPP、CAM技术
    计算机辅助设计(Computer Aided Design，简称CAD)，是指工程技术人员通过计算机和CAD软件对产品进行分析、计算与仿真、总体设计(包括结构设计、变形设计及模块化产品设计)、绘图和编写技术文档等的总称。它具有高速精确计算与处理大量信息、制图速度快、易于修改设计、缩短设计周期和降低设计成本等优点。
 
    计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning，简称LAPP)，是根据产品设计的信息进行制造过程和加工方法的设计，主要内容有:输入设计信息、制定工艺路线、工序设计、计算工时定额、选择机床、刀具和切削用量等、输出工艺文件，以便优化加工路线和缩短生产准备时间。
 
    计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture,CAM)是指利用计算机完成产品制造加工及与制造系统相关的工作。CAM往往是以一种产品或一个部件为对象，进行加工、调度、检验、储运装配及性能测试等。CAM系统可以进行数控程序自动编制和加工仿真。从狭义上来讲，CAM仅指数控编程，可以规划刀具轨迹、生成刀位文件、仿真刀具路径、编制数控程序以及后置处理等。
 
    CAD、CAPP和CAM技术各自发展至今，已经在产品设计自动化、工艺规划自动化和辅助制造自动化等方面取得了重大的发展，同时也发挥了重要的作用，但是由于CAD, CAPP和CAM各系统中数据调用方式、数据接口和语言等不相同，系统之间缺少统一的数据接口，这样它们往往是作为相对独立的单元系统达到局部的最优化，各系统间尚不能实现完全的信息共享，从而使得他们成了一个个独立环境下的“自动化孤岛”，离真正意义上的集成还相差甚远。
 
    在此条件下，如果采用人工参与的方式来实现各个系统间的信息交换，不但会增加人为错误的几率，使系统产生大量冗余的信息，从而影响生产效率的提高，给企业造成不必要的损失，而且还会阻碍企业应用CAD、 CAPP和CAM系统，从而减缓企业信息化建设的步伐。因此，将三者进行集成，研究和开发CAD/CAPP/CAM集成系统，寻求CAD子系统、CAPP子系统和CAM子系统之间数据信息交换和共享的方案，将对生产和社会产生重要的实际意义。
 
2 CAD/CAPP/CAM集成技术
    CAD/CAPP/CAM集成，简称3C，即实现从产品设计、工艺设计到加工制造全过程自动化，其关键在于三个子系统之间有机结合，达到信息数据传递与转换的自动化，使CAD/CAPP/CAM集成系统成为一个真正相对独立的系统，以达到减少人为错误，避免重复性的工作，从而提高生产效率，降低生产成本之目的。集成不是各个子系统之间简单的组合，要正确处理分散与集中的关系。所谓集成就是将信息技术的资源和应用(机器、数据接口和计算机软硬件)聚集成一个相互协同工作的整体，包含三个方面的控制和管理，即信息通信、数据共享和功能转换，也就是说要获得整个产品全生命周期内各个环节的描述信息。
 
    CAPP是沟通CAD和CAM的纽带，CAD系统的设计信息(包括几何/拓扑信息、公差信息、材料信息和其他技术要求信息等)要被CAPP系统调用，经其处理后，将生成的制造信息供CAM系统和后续系统使用，因此，要实现更大范围的信息传递和集成，必须要有有效的数据接口或统一的产品信息模型，以此来实现所需信息的自动生成、传递、转换、分析与反馈。
 
    在CAD/CAPP/CAM集成系统中，应包括产品的几何/拓扑信息、工艺信息、制造信息、测量信息、结构特征信息等。目前，商品化的CAD系统多采用基于几何学理论的线框模型、曲面模型及实体模型等几何/拓扑形式来定义与存储产品的数据信息，只产生如点、线、面和基本体素等较低层次的几何信息，但是对于CAPP系统来说，这些低层次的信息显然不能被其自动理解，因此在CAM系统对信息进行提取时需要二次输入及人工干预，这样就降低了生产效率和集成系统的可靠性。如何使数据交换和共享通畅的进行及完备的表达产品信息等问题是CAD/CAPP/CAM集成技术要解决的主要问题。图1-1为CAD/CAPP/CAM集成原理图，由图中可以看出，CAD、CAPP、CAM都与专门的工程数据库交换信息，实现共享。

    目前，CAD、CAPP、CAM之间进行信息集成方面的研究主要表现为以下两个方面:
    (1)基于标准中间文件进行CAD/CAPP/CAM信息集成；(2)以PDM为平台进行CAD/CAPP/CAM信息集成。由于各个企业使用着不同的CAD、 CAPP、CAM软件，第一种集成方案具有很高的复杂性，通用性也不强，目前已开发的这类 CAD/CAPP/CAM集成系统，主要通过标准中间文件来实现各子系统之间的数据交换，需要通过数据接口来实现不同子系统的文件之间的转换，这类系统虽然较灵活，能用性好，但中间文件的数据共享标准非常复杂，交换效率不高，使得开发系统的工作量大，开发周期长。而第二种集成方案由于所有数据都由PDM统一进行管理，可操作性强，本系统也采用此集成方案对系统进行集成。
 
3基于PDM的CAD/CAPP/CAM集成技术
    产品数据管理(Product Data Management，简称PDM)，是一门以软件为基础，以产品数据的管理为核心，管理产品全生命周期中的各种相关信息(包括电子文档、数据库记录和数字化文件等)和所有相关过程(包括审批和发放过程、一般工作流程等)的技术，实现对从概念设计到产品报废全过程中的有关数据进行定义、组织以及管理，以此来保证数据的一致性、安全性、最新性和有效共享。
 
    PDM技术是从工程设计领域和CAD/CAPP/CAM产生出来的。在20世纪80年代，人们就初步认识到了PDM的作用，最初建立PDM系统是为了跟踪由CAD/CAPP/CAM系统产生的图纸，然后增加修订功能和产品结构中相关信息和图形文件加以链接功能。但当时需求较单一和片面，因此人们只是根据自身特点和自己的理解来进行设计。到90年代中后期，由于并行工程、CIMS和虚拟制造等新的制造模式的发展和应用，人们才逐步认识到PDM对一个企业的重要性，在此阶段，PDM也得到了迅速的发展，国际上很多大企业也逐渐把它作为通过IS09000质量认证、支持经营重组，从而保持和提高自身竞争力的关键技术。
 
    PDM可以作为CAD/CAPP/CAM系统集成及与MRPII /ERP系统集成的平台，并且是目前最好的CAD/CAPP/CAM系统集成平台，它可以将与产品相关的所有信息按照不同的用途分门别类有条不紊的进行统一管理，各个子系统都可以从 PDM系统中提取各自所需的信息和数据，然后把结果放回PDM系统中，从而真正实现CAD/CAPP/CAM的集成。
 
4 CAD/CAPP/CAM集成的发展趋势
    目前，CAD/CAPP/CAM技术已成为提高产品质量、加速产品更新和增强企业竞争力的强大工具，并且还在不断的发展之中，总的看来，CAD/CAPP/CAM集成系统正逐步朝着集成化、智能化、网络化、并行化和可视化方向发展，主要表现为。
 
    (1)集成化
    CAD/CAPP/CAM集成系统是将三个子系统有机的结合在一起，在集成系统中，人参与的工作会更少，其核心是实现生产资源和信息的共享，使产品生产实现总体最优化，达到产品生产成本低、更新速度快、质量高和售后服务好，从而提高企业的核心竞争力。
 
    (2)智能化
    由于传统的CAD/CAPP/CAM集成系统缺乏综合选择能力，因此人们提出了将人工智能技术运用到集成系统中，通过模拟人脑进行分析和推理，提出和选择设计、工艺及制造方案，尽量减少人工干预，使计算机能全程支持设计过程，包括概念设计和初步设计，从而实现整个过程自动运行。
 
    (3)网络化
    网络技术就是利用通信设备和通信线路将处于不同地点的独立计算机按照网络协议，按照一定的网络拓扑结构进行连接，来实现资源和信息的协同工作与共享，来弥补单个系统处理能力的不足，减少对中间数据重复性的工作，故而计算机网络系统非常适用于CAD/CAPP/CAM集成系统的作业方式。
 
    (4)并行化
    并行工程(Concurrent Engineering)是一门随着CAD、CIMS技术的发展而提出的对产品及其相关过程进行并行的和集成处理的综合技术，其核心是利用并行的设计方法来代替传统的串行的设计方法，其中特征建模技术、制造仿真技术、虚拟制造技术和统一数据库管理技术等与CAD/CAPP/CAM相关的几个方面都促进着CAD/CAPP/CAM集成系统向并行化的方向发展，并行工程也必将受到更多的重视。
 
    (5)可视化
    可视化是一种将数据等符号信息转换成图形或图像等视觉信息的计算方法，从数据准备、计算实施到结果表达都用图像来表达，便于研究者模拟和计算，给人以意想不到的效果。
 
5课题意义
    超硬刀具行业及其类似行业中许多企业一般生产少品种的系列产品，且大多产品的工艺路线相对固定，其设计和制造过程尽管需要查询大量的多方面的数据信息，但设计程序和内容基本上不变，工艺和制造过程也相对固定，涉及的因素也是有限的。对于这类系列产品，则可以考虑以实用性和先进性为目标，基于PDM的思想，将CAD、CAPP、CAM所需的信息进行统一管理，在相似的设计、工艺和制造框架内进行规范管理和设计，从而实现CAD/CAPP/CAM系统的信息集成。这样对深化应用CAD/CAPP/CAM集成技术，扩大其相关技术应用范围，探索和解决信息交换和共享机制都有着重要的实际意义。
 
    随着经济全球化进程的不断加快，对超硬工具制造业提出了愈来愈高的要求，产品需求口益多样化，产品的生产周期也愈来愈短，传统的生产方式受到了严重的挑战，加快企业信息化建设势在必行。在这些情况下，尤其是对国内大多为中小型的超硬刀具企业来说，针对本企业建立基于数据库的超硬刀具系列产品CAD/CAPP/CAM集成设计系统，从而节省设计人员查阅相关资料的时间，提高超硬刀具设计效率，提升自身在同行业中的市场竞争力有着重要的现实意义，对推动探索和解决超硬刀具行业及其类似行业的信息化建设的发展途径也具有一定的经济及社会意义。
 
    本课题就是针对专业生产各种高品质金刚石和立方氮化硼刀具的郑州新亚锐奇超硬工具有限公司的超硬刀具CAD/CAPP/CAM集成系统及相关技术进行探讨和研究，重在探索解决中小型企业技术管理现代化的关键问题。
 
6主要研究内容
    (1)构建基于PDM思想的超硬刀具系列产品的CAD/CAPP/CAM集成系统的总体框架，研究其涉及的主要技术；
    (2)根据超硬刀具特点建立其特征信息模型，对特征信息进行特征编码，实现信息的传递和共享；
    (3)分别构建CAD子系统、CAPP子系统和CAM子系统的工作流程图，分别实现产品工程图、加工工艺和NC代码的自动生成；
    (4)以超硬刀具系列产品为对象开发基于PDM思想的CAD/CAPP/CAM集成系统。
 
7主要研究方法
    (1)通过学习集成系统相关理论知识，对国内外CAD/CAPP/CAM集成系统进行对比分析，提出基于PDM思想的超硬刀具系列产品CAD/CAPP/CAM集成系统的总体框架，并确定各个模块的功能；
 
    (2)通过对产品属性和特点进行研究，利用特征建模技术建立产品特征信息模型，并对特征信息进行编码，以便于CAD和CAPP之间、CAPP和CAM直接的信息传递和共享；
 
    (3)研究影响产品结构参数的因素，确定产品的设计参数，以实现工程图的自动绘制；
    (4)将特征技术、面向对象技术和CAPP专家系统原理结合起来，构造了一种面向对象和基于特征的模板式工艺决策方法，设计工艺决策阶梯式层次化推理的体系，并建立工艺模板库和工艺规则库，以实现工艺文件的自动生成；
 
    (5)通过从CAD子系统和CAPP子系统中提取相关参数，采用OLE自动化技术，调用模板以实现NC代码的自动生成；
 
    (6)以实用性和先进性为目标，在基于PDM思想的CAD/CAPP/CAM集成系统中建立专用的信息转换机制，在相似的设计、工艺和制造框架内进行规范管理和设计，根据相关超硬刀具企业的具体要求，设计系统主要功能。
 
6本章小结
    本章通过对超硬刀具的描述，指出了目前我国超硬刀具企业的发展现状及其主要存在的问题；通过对CAD、CAPP、CAM及CAD/CAPP/CAM的概述，提出了本文的集成方法:基于PDM思想的CAD/CAPP/CAM集成，并指出了CAD/CAPP/CAM集成的必要性及其发展趋势；指出了课题研究对行业发展及技术应用的意义及课题来源；最后，给出了本文的主要研究内容和方法。
 
 
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