1、企业信息化企业信息化 (7)符长青博士第第7章章 企业生产制造过程自动化企业生产制造过程自动化 主要内容：主要内容：（1）计算机辅助设计）计算机辅助设计/制造（制造（CAD/ CAM）（2）计算机辅助工程）计算机辅助工程/工艺规划（工艺规划（CAE/ CAPP）（3）产品数据管理（）产品数据管理（PDM）（4）新型生产方式：柔性）新型生产方式：柔性/准时准时/精益精益/敏捷制造（敏捷制造（FMS/ JIT/ LP/ AM）（5）3D打印技术，机器人技术打印技术，机器人技术自动化的基本概念自动化的基本概念 自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没自动化是指机器设备、系统或过程（生产、
2、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。 产品制造过程自动化通常包含有若干分过程：产品制造过程自动化通常包含有若干分过程： 工序自动化：工序自动化是指在一个工序中，机器或装置在工序自动化：工序自动化是指在一个工序中，机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作控制的过程。无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作控制的过程。 工艺过程自动化：一个工艺过程通常包括着若干个工序，如工艺过程自动化：
3、一个工艺过程通常包括着若干个工序，如果不仅每一个工序都自动化了，并且把它们有机地联系起来，使果不仅每一个工序都自动化了，并且把它们有机地联系起来，使得整个工艺过程都自动进行，而工人仅只是对这一整个工艺过程得整个工艺过程都自动进行，而工人仅只是对这一整个工艺过程作总的操纵和监督，这时就形成了某一种加工工艺的自动生产线，作总的操纵和监督，这时就形成了某一种加工工艺的自动生产线，通常称为工艺过程自动化。通常称为工艺过程自动化。 制造过程的自动化：一个零部件的制造包括着若干个工艺过制造过程的自动化：一个零部件的制造包括着若干个工艺过程，如果不仅每个工艺过程都自动化了，而且它们之间是自动的程，如果不仅每
4、个工艺过程都自动化了，而且它们之间是自动的有机联系在一起，也就是说从原材料到最终成品的全过程都不需有机联系在一起，也就是说从原材料到最终成品的全过程都不需要人工干预，这时就形成了制造过程的自动化。要人工干预，这时就形成了制造过程的自动化。 自动控制和自动控制系统自动控制和自动控制系统 自动控制：自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制技术的作用主要有：地按照预定的规律运行。自动控制技术的作用主要有：
5、（1）自动控制技术不仅使生产过程实现了自动化，有利于将人类）自动控制技术不仅使生产过程实现了自动化，有利于将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来，而且减轻了人的劳从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来，而且减轻了人的劳动强度，极大地提高了劳动生产率。动强度，极大地提高了劳动生产率。 （2）自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了工作的质）自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了工作的质量和产品的品质。量和产品的品质。 （3）某些人类不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术）某些人类不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如海底探测、原子能的生产、火炮或导弹的制导等。
6、了，例如海底探测、原子能的生产、火炮或导弹的制导等。 自动控制系统：自动控制系统：简称自控系统，是在无人直接参与下可使生简称自控系统，是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段，包括实现自动控制功能的装控制系统是实现自动化的主要手段，包括实现自动控制功能的装置及其被控制对象，由控制器，被控对象，执行机构和变送器四置及其被控制对象，由控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。个环节组成。 工业生产控制工业生产控制 工业生产控制是指工业生产过程的控制。工业生产控制是指工
7、业生产过程的控制。 按工业生产过程变量的时间连续性和幅度连续性，工业按工业生产过程变量的时间连续性和幅度连续性，工业生产的典型控制过程可分为以下三种类型：生产的典型控制过程可分为以下三种类型： 连续过程：连续过程：连续过程控制的工业生产的产品一般都是连续过程控制的工业生产的产品一般都是流体的，如液体、气体等，控制过程的输入输出变量为时间流体的，如液体、气体等，控制过程的输入输出变量为时间连续和幅度连续的量，并且过程一旦建立，只生产一种产品。连续和幅度连续的量，并且过程一旦建立，只生产一种产品。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等
8、。 离散过程：离散过程：连续过程控制的工业生产的产品一般都是连续过程控制的工业生产的产品一般都是固态的、按件计量的，过程的输入输出变量为时间离散和幅固态的、按件计量的，过程的输入输出变量为时间离散和幅度离散的量，如产品的数量、开关的状态等。度离散的量，如产品的数量、开关的状态等。 批量过程：批量过程：批量过程指的是一种间歇性多品种生产过批量过程指的是一种间歇性多品种生产过程，即利用同样的生产装置，在不同的时间段，根据不同的程，即利用同样的生产装置，在不同的时间段，根据不同的配方和生产工艺生产出不同的产品。配方和生产工艺生产出不同的产品。 工业生产控制系统的基本组成工业生产控制系统的基本组成 在
9、一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个：被控在一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个：被控对象、设备或装置、人。对象、设备或装置、人。 其中控制装置是控制系统的核心，所以控制作用都是由其中控制装置是控制系统的核心，所以控制作用都是由控制装置实现的，一个控制系统能否顺利地实现其控制目标，控制装置实现的，一个控制系统能否顺利地实现其控制目标，完成复杂的控制功能，主要看控制装置是否稳定可靠并具有完成复杂的控制功能，主要看控制装置是否稳定可靠并具有优异的性能。优异的性能。 工业控制自动化工业控制自动化 工业控制自动化指的是机器或装置在无人干预的情况下工业控制自动化指的是机器或装置在无人干预的情况下
10、按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。工业生产按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。工业生产采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动及恶劣、危采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。 工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、工业控制自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、计算机和其他信息技术，对工业生产过
11、程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。工控机通过采集来自工业生产软件、硬件和系统三大部分。工控机通过采集来自工业生产过程的信息数据，经过计算机的综合分析、对比和处理，向过程的信息数据，经过计算机的综合分析、对比和处理，向工业生产过程发出控制信号，以实现工业生产过程控制。工业生产过程发出控制信号，以实现工业生产过程控制。工业自动生产线工业自动生产线 工业自动生产线是由工件传送系统和控制
12、系统按照工艺顺序联结起工业自动生产线是由工件传送系统和控制系统按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。在大来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。在大批量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善批量生产中采用自动线能提高劳动生产率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。产均衡性，有显著的经济效益。 （1）自动生产线的结构：主要由机床加工自动化、工件传送自动化、）自动生产线的结构：主要由机
13、床加工自动化、工件传送自动化、转位自动化、检测自动化、排屑自动化、夹具定位、夹紧自动化以及操转位自动化、检测自动化、排屑自动化、夹具定位、夹紧自动化以及操作控制自动化等系统装置组成。作控制自动化等系统装置组成。 （2）自动线的工件传送系统：一般包括机床上下料装置、传送装置）自动线的工件传送系统：一般包括机床上下料装置、传送装置和储料装置。在旋转体加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制和储料装置。在旋转体加工自动线中，传送装置包括重力输送式或强制输送式的料槽或料道，提升、转位和分配装置等。有时采用机械手完成输送式的料槽或料道，提升、转位和分配装置等。有时采用机械手完成传送装置的某些功能。传送
14、装置的某些功能。 （3）自动线的控制系统：主要用于保证线内的机床、工件传送系统，）自动线的控制系统：主要用于保证线内的机床、工件传送系统，以及辅助设备按照规定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻以及辅助设备按照规定的工作循环和联锁要求正常工作，并设有故障寻检装置和信号装置。检装置和信号装置。计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD） 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）是指利用计算机及其图形设备）是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。帮助设计人员进行设计工作。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制
15、图等项工作。在设计中通常要用计算机对算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、
16、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。平移和旋转等有关的图形数据加工工作。 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）的主要设备）的主要设备 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）通常以具有图形功能的交互计算机系统为）通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础。主要设备有：基础。主要设备有：（1）工程工作站：）工程工作站：一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。单用户交互式计算机系统。（2）个人计算机：）个人计算机：系统价格低廉，操作方便，使用灵活。随着系统价格低廉，操作方便，使用灵活。随着PC机网络技机网
17、络技术的发展，由术的发展，由PC机构成的机构成的CAD系统已大量涌现，而且呈上升趋势。系统已大量涌现，而且呈上升趋势。（3）图形输入设备：）图形输入设备：图形输入设备的作用是把平面上点的坐标送入计算机。图形输入设备的作用是把平面上点的坐标送入计算机。常见的输入设备有键盘、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、图形输入板常见的输入设备有键盘、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、图形输入板和数字化仪等。和数字化仪等。（4）图形输出设备：）图形输出设备：图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类：图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类：（5）CAD软件：软件：CAD主要使用主要使用3类应用软件：类应用软件： 交互式图形显
18、示软件：用于图形显示的开窗、剪辑、观看，图形交互式图形显示软件：用于图形显示的开窗、剪辑、观看，图形的变换、修改，以及相应的人机交互。的变换、修改，以及相应的人机交互。 CAD应用软件：提供几何造型、特征计算、绘图等功能应用软件：提供几何造型、特征计算、绘图等功能 。 数据管理软件：用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图数据管理软件：用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息。形信息。计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）在我国的应用）在我国的应用 目前，在我国目前，在我国CAD 已在机械设计已在机械设计 、电子和电气、建筑设计、科学研究、电子和电气、建筑设计、科学研究、软件开发、
19、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。一方面算机艺术等各个领域得到广泛应用。一方面CAD让计算机技术走入设计师让计算机技术走入设计师的日常工作，大幅提升了产品设计的速度与精确度，释放了设计师的灵感，的日常工作，大幅提升了产品设计的速度与精确度，释放了设计师的灵感，数字化的设计平台与标准的设计格式也让设计协作成为可能。另一方面数字化的设计平台与标准的设计格式也让设计协作成为可能。另一方面CAD可以说是制造企业信息化发展的一个缩影，不少企业的信息化，就是可以说是制造企业信息化发展的一个缩
20、影，不少企业的信息化，就是从从CAD开始起步的；很多企业的高层管理者，就是从开始起步的；很多企业的高层管理者，就是从CAD上看到了信息化上看到了信息化在企业当中的巨大价值，才决心在企业信息化上投入大量的人力物力。在企业当中的巨大价值，才决心在企业信息化上投入大量的人力物力。 CAD为我国国民经济建设及发展做出了巨大贡献。举例来说，为我国国民经济建设及发展做出了巨大贡献。举例来说，CAD技技术在我国机械产品设计中的应用，使设计周期缩短术在我国机械产品设计中的应用，使设计周期缩短1/31/2，工效提高，工效提高35倍，产品设计的一次成功率达倍，产品设计的一次成功率达90%以上。工程设计使用以上。工
21、程设计使用CAD技术，使工效技术，使工效提高提高310倍，基建投资节约倍，基建投资节约2%以上。此外，以上。此外，CAD在我国企业在参与国际在我国企业在参与国际市场竞争过程中也发挥着重要的作用，因为国际上几乎所有重大工程都实市场竞争过程中也发挥着重要的作用，因为国际上几乎所有重大工程都实行招标承包的制度，如果没有用行招标承包的制度，如果没有用CAD技术编制工程总体设计方案和相应的技术编制工程总体设计方案和相应的投标文档，就没有投标的资格，可以说，投标文档，就没有投标的资格，可以说，CAD技术已成为企业进入世界市技术已成为企业进入世界市场的入场券，成了企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。
22、场的入场券，成了企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）的发展历程）的发展历程 计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）最早出现在二十世纪）最早出现在二十世纪50年代，以美国麻省年代，以美国麻省理工学院（理工学院（MIT）为旋风）为旋风I号所配的图形系统为代表。号所配的图形系统为代表。（1）曲面造型系统：）曲面造型系统：二十世纪二十世纪60年代出现的三维年代出现的三维CAD系统只是极为简单的系统只是极为简单的线框式系统，用来表达基本的几何信息。进入二十世纪线框式系统，用来表达基本的几何信息。进入二十世纪70年代，为了解年代，为了解决飞机及汽车制造中
23、遇到了大量的自由曲面问题，法国人首先提出了贝决飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，法国人首先提出了贝赛尔算法，推出了三维曲面造型系统，实现以计算机完整描述产品零件赛尔算法，推出了三维曲面造型系统，实现以计算机完整描述产品零件的主要信息。的主要信息。（2）实体造型技术：）实体造型技术：二十世纪二十世纪80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大发展。出现了完全基于实体造型技术的技术也开始有了较大发展。出现了完全基于实体造型技术的大型大型CAD/CAE软件。软件。（3）参数化实体造型技术：）参数化实体造型技术：二十世纪二十世纪8
24、0年代中期，年代中期，CAD的造型技术在无约的造型技术在无约束自由造型的基础上，出现了一种更先进的算法，即参数化实体造型方束自由造型的基础上，出现了一种更先进的算法，即参数化实体造型方法。其主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动法。其主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。设计修改。（4）变量化实体造型技术：）变量化实体造型技术：变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提技术的发展提供了更大的空间和机
25、遇，带动了供了更大的空间和机遇，带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制整体技术的提高以及制造手段的更新。造手段的更新。计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）的发展趋势）的发展趋势 （1）标准化：）标准化：完善的完善的CAD标准体系是指导我国标准化管理部门进行标准体系是指导我国标准化管理部门进行CAD技技术标准化工作决策的科学依据，是开发制定术标准化工作决策的科学依据，是开发制定CAD技术各相关标准的基础，技术各相关标准的基础，也是促进也是促进CAD技术普及应用的约束手段。技术普及应用的约束手段。（2）网络化：）网络化：基于互联网模式的公用网络环境，为基于互联网模式的公用网络环境，为
26、CAD的集成、开放和智的集成、开放和智能化创造了条件，使能化创造了条件，使CAD技术面临着新的发展契机，另一方面技术面临着新的发展契机，另一方面CAD技术技术也是这种经济模式下的一种关键技术支撑。也是这种经济模式下的一种关键技术支撑。（3）集成化：）集成化：利用基于网络的利用基于网络的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM集成技术，把集成技术，把各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各
27、个系统有效地运行，实现真正的全数字化设计与制造。各个系统有效地运行，实现真正的全数字化设计与制造。（4）智能化：）智能化：在以几何模型为主的现代通用在以几何模型为主的现代通用CAD技术基础上，发展面向设技术基础上，发展面向设计过程的智能计过程的智能CAD技术。工程设计知识库用来收集和存档相关的几何，技术。工程设计知识库用来收集和存档相关的几何，属性等工程数据，并发展以数学为基础的工具来支持大的工程数据库中属性等工程数据，并发展以数学为基础的工具来支持大的工程数据库中进行基于内容的搜索、挖掘。进行基于内容的搜索、挖掘。（5）计算机集成创造系统：）计算机集成创造系统：计算机集成创造系统（计算机集成
28、创造系统（CIMS）以计算机为中）以计算机为中心的现代化信息技术应用于企业管理与产品开发制造的新一代制造系统，心的现代化信息技术应用于企业管理与产品开发制造的新一代制造系统，是是CAD/CAM/CAPP/CAE、PDM、ERP、管理与决策、网络与数据库及、管理与决策、网络与数据库及质量保证系统等子系统的技术集成。质量保证系统等子系统的技术集成。计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM） 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）是在机械制造业中，利用电子在机械制造业中，利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产数字计算机通过各种数值控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配品的
29、加工、装配 、检测和包装等制造过程。、检测和包装等制造过程。 CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能，系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能，CAM系统是通过计算机分级结构来控制和管理制造过程的多系统是通过计算机分级结构来控制和管理制造过程的多方面工作，目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔方面工作，目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围，并根据一个总体的管理策略控的相互关联的制造作业范围，并根据一个总体的管理策略控制每项作业。制每项作业。 从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，加工中
30、心是实现零件部分或全部机械加自动化的加工过程，加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程，而计算机辅助制造是零件或不同族零件的自动化加工过程，而计算机辅助制造是计算机进入制造过程这样一个总的概念。计算机进入制造过程这样一个总的概念。 计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）系统的组成）系统的组成 （1）硬件：）硬件：硬件一般是指系统的实体，是相对于系统的软件硬件一般是指系统的实体，是相对于系统的软件而言。而言。CAM系统硬件方面有数控机床、加工中心、输送装系统硬件方面
31、有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等。置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等。（2）软件：）软件： CAM主要应用软件包括计算机辅助工艺过程设计、主要应用软件包括计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。（3）数据库：）数据库：数据库是通用化的综合性的数据集合，可以提数据库是通用化的综合性的数据集合，可以提供各种用户共享而具有最小的多余度和较高的数据和程序的供各种用户共享而具有最小的多
32、余度和较高的数据和程序的独立性，能有效地、及时地处理数据，并提供安全性及可靠独立性，能有效地、及时地处理数据，并提供安全性及可靠性。性。（4）计算机网络：）计算机网络：计算机网络是指将地理上分散配制而又具计算机网络是指将地理上分散配制而又具有独立功能的多台计算机、终端设备、传输设备和网络软件有独立功能的多台计算机、终端设备、传输设备和网络软件实现相互连接，形成资源共享的计算机群体。实现相互连接，形成资源共享的计算机群体。计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）成组技术）成组技术 成组技术是计算机辅助制造（成组技术是计算机辅助制造（CAM）系统的基础。它从）系统的基础。它从20世纪世纪50年代出
33、现的成组加工，发展到年代出现的成组加工，发展到20世纪世纪60年代的成组工艺，出现了年代的成组工艺，出现了成组生产单元和成组加工流水线，其范围也从单纯的机械加工扩展成组生产单元和成组加工流水线，其范围也从单纯的机械加工扩展到整个产品的制造过程。到整个产品的制造过程。20世纪世纪70年代以后，成组工艺与计算机技年代以后，成组工艺与计算机技术和数控技术结合，发展成为成组技术，出现了用计算机对零件进术和数控技术结合，发展成为成组技术，出现了用计算机对零件进行分类编码、以成组技术为基础的柔性制造系统，并被系统地运用行分类编码、以成组技术为基础的柔性制造系统，并被系统地运用到产品设计、制造工艺、生产管理
34、等领域，形成了计算机辅助设计、到产品设计、制造工艺、生产管理等领域，形成了计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造，以及有成组技术特色计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造，以及有成组技术特色的计算机集成制造系统。的计算机集成制造系统。 成组技术是一门涉及多种学科的综合性技术，其理论基础是相成组技术是一门涉及多种学科的综合性技术，其理论基础是相似性，核心是成组工艺。成组工艺与计算机技术、数控技术、相似似性，核心是成组工艺。成组工艺与计算机技术、数控技术、相似论、方法论、系统论等相结合，就形成了成组技术，在现阶段更有论、方法论、系统论等相结合，就形成了成组技术，在现阶段更有计算机辅
35、助成组技术的特色。成组工艺是把尺寸、形状、工艺相近计算机辅助成组技术的特色。成组工艺是把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成一个个零件族，按零件族制定工艺进行生产制造，这似的零件组成一个个零件族，按零件族制定工艺进行生产制造，这样就扩大了批量，减少了品种，便于采用高效率的生产方式。样就扩大了批量，减少了品种，便于采用高效率的生产方式。 计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE） 计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE）是指利用计算机对工程和产品）是指利用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析，对其未来的状态和运行状态的运行性能与安全可靠性分析，对其未来的状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计
36、算中的缺陷，并证实未来工程进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程或产品功能和性能的可用性和可靠性。或产品功能和性能的可用性和可靠性。 准确点说，准确点说，CAE 是指是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。动力学仿真。 计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE）的主要目标是实现结构分析和结构优化。）的主要目标是实现结构分析和结构优化。虽然虽然CAE的方法有多种，但应用最广泛、最成熟的是有限元分析，其基的方法有多种，但应
37、用最广泛、最成熟的是有限元分析，其基本思想是将物体离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟本思想是将物体离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。有限元分析是结构力学、弹性力学、流体力学、热力学、电自由度问题。有限元分析是结构力学、弹性力学、流体力学、热力学、电磁学、航天航空、土建、水利、材料等工程设计和工程分析领域不可缺少磁学、航天航空、土建、水利、材料等工程设计和工程分析领域不可缺少的有效的计算分析方法。的有效的计算分析方法。计算机辅
38、助工程（计算机辅助工程（CAE）概念的内涵）概念的内涵 （1）运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构）运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析。力的计算分析。（2）运用过程优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件）运用过程优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优
39、化设计，使产品结构性能、工艺过程达到最优。使产品结构性能、工艺过程达到最优。（3）运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范）运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范,对结构的对结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计。安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计。（4）运用运动）运用运动/动力学的理论、方法，对由动力学的理论、方法，对由CAD 实体造型设计实体造型设计出运动的机构、整机进行运动出运动的机构、整机进行运动/动力学仿真，给出机构、整机动力学仿真，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。有限元方法有限元方法 有限元法是一
40、种高效能、常用的计算方法。有限元法在早有限元法是一种高效能、常用的计算方法。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。自从普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中。自从1969年以年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法或最来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场任何微分方程所描述的各类物
41、理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。和泛函的极值问题有所联系。 近年来，设计领域正进行着一场深刻的变革有限元方法就提供了在设近年来，设计领域正进行着一场深刻的变革有限元方法就提供了在设计阶段掌握产品性能的强有力工具，它利用计算机对机械产品的动态特性、计阶段掌握产品性能的强有力工具，它利用计算机对机械产品的动态特性、静态特性、热特性等进行模拟试验。其典型步骤：静态特性、热特性等进行模拟试验。其典型步骤： 单元划分或物体离散化。将结构划分成一系列的离散单元。单元划分或物体离散化。将结构划分成一系列的离散单元。 单元特性分析，选择位移模式、分析单元力学性质和计算等效结点力。单元特性
42、分析，选择位移模式、分析单元力学性质和计算等效结点力。 整体合成或单元组集。构建整体有限元方程。整体合成或单元组集。构建整体有限元方程。 数值求解。求解有限元方程，得出结点位移（或结点场量值）。数值求解。求解有限元方程，得出结点位移（或结点场量值）。计算机辅助工艺规划（计算机辅助工艺规划（CAPP） 计算机辅助工艺规划（计算机辅助工艺规划（CAPP）是利用计算机来辅助进行）是利用计算机来辅助进行零件加工工艺过程的编制。零件加工工艺过程的编制。 通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机生成
43、该零件和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机生成该零件的工艺路线和工序内容等工艺信息。工艺规划是连接产品设计的工艺路线和工序内容等工艺信息。工艺规划是连接产品设计和产品制造的桥梁，对产品质量和制造成本有着重要的影响。和产品制造的桥梁，对产品质量和制造成本有着重要的影响。 在集成化在集成化CAD/CAPP/CAM系统中，由于设计时在公共数系统中，由于设计时在公共数据库中所建立的产品模型不仅仅包含了几何数据，还记录了有据库中所建立的产品模型不仅仅包含了几何数据，还记录了有关工艺需要的数据，以供计算机辅助工艺规划利用。计算机辅关工艺需要的数据，以供计算机辅助工艺规划利用。计算机辅助工艺规划的设
44、计结果也存回公共数据库中供助工艺规划的设计结果也存回公共数据库中供CAM的数控编的数控编程。集成化的作用不仅仅在于节省了人工传递信息和数据，更程。集成化的作用不仅仅在于节省了人工传递信息和数据，更有利于产品生产的整体考虑。有利于产品生产的整体考虑。计算机辅助工艺规划（计算机辅助工艺规划（CAPP）系统的基本结构）系统的基本结构 （1）控制模块）控制模块 控制模块的主要任务是协调各模块的运行，是人机交互的窗控制模块的主要任务是协调各模块的运行，是人机交互的窗口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式。口，实现人机之间的信息交流，控制零件信息的获取方式。（2）零件信息输入模块）零件信息输入
45、模块 当零件信息不能从当零件信息不能从CAD系统直接获取时，用此模块系统直接获取时，用此模块实现零件信息的输入。实现零件信息的输入。（3）工艺过程设计模块：工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，产）工艺过程设计模块：工艺过程设计模块进行加工工艺流程的决策，产生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用；生工艺过程卡，供加工及生产管理部门使用；（4）工序决策模块）工序决策模块 该模块的主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计该模块的主要任务是生成工序卡，对工序间尺寸进行计算，生成工序图。算，生成工序图。（5）工步决策模块）工步决策模块 该模块对工步内容进行设计，确定切削用量，提供形成该模块对工步内容
46、进行设计，确定切削用量，提供形成NC加工控制指令所需的刀位文件。加工控制指令所需的刀位文件。（6）NC加工指令生成模块加工指令生成模块 该模块依据工步决策模块所提供的刀位文件，该模块依据工步决策模块所提供的刀位文件，调用调用NC指令代码系统，产生指令代码系统，产生NC加工控制指令。加工控制指令。（7）输出模块）输出模块 输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其输出模块可输出工艺流程卡、工序卡、工步卡、工序图及其他文档，输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具他文档，输出亦可从现有工艺文件库中调出各类工艺文件，利用编辑工具对现有工艺文件进行修改得到所需的工艺文件。对现
47、有工艺文件进行修改得到所需的工艺文件。（8）加工过程动态仿真）加工过程动态仿真 加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟，加工过程动态仿真对所产生的加工过程进行模拟，检查工艺的正确性。检查工艺的正确性。计算机辅助工艺规划（计算机辅助工艺规划（CAPP）的分类）的分类 （1）检索式：）检索式：检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的，将设计好检索式工艺过程设计系统是针对标准工艺的，将设计好的零件标准工艺进行编号，存储在计算机中，当制定零件的工艺过的零件标准工艺进行编号，存储在计算机中，当制定零件的工艺过程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查找合适的标准工艺。程时，可根据输入的零件信息进行搜索，查
48、找合适的标准工艺。（2）派生式：）派生式：派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性，相似的零派生式工艺过程设计就是利用零件有相似性，相似的零件有相似的工艺过程这一原理，通过检索相似典型零件的工艺过程，件有相似的工艺过程这一原理，通过检索相似典型零件的工艺过程，加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。加以增删或编辑而派生一个新零件的工艺过程。（3）创成式：）创成式：创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同，它是根据创成式工艺过程设计系统和派生式系统不同，它是根据输入的零件信息，依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件输入的零件信息，依靠系统中的工程数据和决策方法自动生成零件的工艺过程。的工艺过程
49、。（4）基于平台技术、可重构式：）基于平台技术、可重构式：开放性是衡量计算机辅助工艺规划开放性是衡量计算机辅助工艺规划（CAPP）的一个重要的因素。工艺的个性很强，同时企业的工艺）的一个重要的因素。工艺的个性很强，同时企业的工艺需求可能会有变化，需求可能会有变化，CAPP必须能够持续满足客户的个性化和变化必须能够持续满足客户的个性化和变化的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的的需求。基于平台技术、具有二次开发功能、可重构的CAPP系统系统将是重要的发展方向。将是重要的发展方向。CAD/CAPP/CAM集成模型集成模型 CAD一般为商用软件，通过外部或内部接口向一般为商用软件，通过外部
50、或内部接口向CAM提提供零件的几何信息。供零件的几何信息。CAPP为另一个商用软件或自行开发的为另一个商用软件或自行开发的软件，与后续的软件，与后续的CAM软件不属于同一开发商，可通过外部软件不属于同一开发商，可通过外部接口向接口向CAM提供编程所需的加工工艺信息。提供编程所需的加工工艺信息。CAM一般也为一般也为商用软件，当它接受来自商用软件，当它接受来自CAD和和CAPP的信息后，可实现自的信息后，可实现自动编程，产生数控加工程序。动编程，产生数控加工程序。CAPP软件软件外部接口外部接口CAD软件软件接口接口CAM软件软件CAPP在在CAD/CAM集成系统中的作用集成系统中的作用 CAP
