1、第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用第10章机械CAD/CAM系统集成及应用10.1机械机械CAD/CAM集成技术集成技术10.2快速原型制造技术快速原型制造技术10.3虚拟制造技术虚拟制造技术10.4网络化制造技术网络化制造技术第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 10.1 机械机械CADCAM集成技术集成技术1.机械CAD/CAM技术集成系统总体结构 机械CADCAM集成系统结构形式多样，图10-1所示为一种典型的系统总体结构，整个系统可分为系统应用层、基本功能层和产品数据管理层三个层次。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-1 机械CAD/CAM集成系统总体
2、结构第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用2.机械CADCAM信息集成方式机械CADCAM系统的集成并不是各个应用模块简单的叠加，而是通过不同模块数据结构的映射和数据交换，利用各种接口将机械CADCAPPCAM的各应用程序和数据库连接成一个集成化的整体。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用(1)通过专用格式文件进行系统集成：是指两应用系统之间通过专用格式的数据文件进行系统信息的交换，如图10-2所示。在这种方式下，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，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
3、，进行前置和后置处理，以实现系统间的集成。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-2 通过专用格式文件进行系统集成的方式第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用(2)通过标准格式中性数据文件进行系统集成：是指采用统一格式的中性数据文件作为系统集成工具，各个应用子系统通过前置和后置数据转换接口进行系统间数据的交换，如图10-3所示。每个子系统只与公认的标准格式的中性文件打交道，不必知道其它系统内部的具体结构，这大大减少了集成系统内的数据转换接口数量，便于接口维护，也便于应用系统的开发和使用。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-3 通过标准格式中性数据文件进行系统集
4、成的方式第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（3）利用工程数据库进行系统集成:各子系统通过用户接口，按工程数据库要求直接存取或操作数据库，是一种较高层次的数据共享和集成方式。该集成方式的原理如图10-4所示。与以文件形式实现系统信息集成方法相比，该方式大大提高了集成系统的运行速度，提高了系统集成化程度，不仅可以实现各子系统之间直接的信息交换，还可以使集成系统真正做到数据的一致性、准确性、及时性和共享性。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-4 通过工程数据库进行系统集成的方式第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（4）基于PDM平台的机械CADCAM集成技术：PDM
5、为实现企业信息的集成提供了信息传递的平台，在这个平台上，可以集成机械CADCAPPCAMCAE等多种开发环境和工具，将产品不同阶段的信息作为全部产品数据信息的一个子集，按不同的用途和目的分别进行信息集成管理，所有的信息传递与交换都通过PDM平台来完成，而机械CADCAPPCAM之间无需直接发生联系，从而实现了真正意义上的机械CADCAPPCAM无缝集成。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用由于PDM对产品整个生命周期中的信息有全面的管理能力，所以它不仅成为机械CAD/CAM集成系统的重要组成部分，同时也为机械CAD/CAM的集成提供了有效的平台，具有很好的应用前景。图10-5给出了以P
6、DM为集成平台，包含机械CAD、CAPP、CAM三个主要功能模块的集成系统示意图。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-5 基于PDM的机械CAD/CAPP/CAM系统集成第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用3.机械CADCAM技术集成的关键技术1)产品建模技术 为了实现机械CADCAM信息的高度集成，一种共享的产品数据模型是非常重要的。一个完善的产品数据模型是机械CADCAM系统进行信息集成的基础，也是机械CADCAM系统数据共享的核心。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用将具有工程语义的特征概念引入机械CADCAM造型系统，建立基于特征的产品数据模型，这不仅支
7、持从产品设计到加工制造各个产品生产阶段所需的产品信息（包括几何信息、工艺信息等），而且还提供了符合人们思维方式的工程描述语言特征,能够较方便地实现机械CADCAM之间的数据交换。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用2)集成数据管理技术 在机械CADCAM集成系统中，不仅有结构型数据，还有大量如图形、图像甚至语音等非结构型数据；不仅有产品结构数据，还有大量的工艺数据、加工装配数据和生产管理数据等。机械CADCAM集成系统所涉及的数据类型多，数据处理工作量大，数据管理日趋复杂，常见的商用数据库系统是难以胜任的，需要借助工程数据库管理系统。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用3)产品
8、数据交换接口技术 由于机械CAD、CAPP、CAM技术是各自独立发展起来的，各系统内的数据表示形式不可能完全统一，因此使不同系统间的数据交换难以进行，影响了各应用系统功能的发展，难以进一步提高机械CADCAM系统的工作效率。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用4.产品数据交换标准1）IGES标准几何实体定义与物体形状有关的信息，包括点、线、面、体以及实体集合的关系。图10-6所示为IGES各版本所允许的几何实体及它们之间的关系。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-6 IGES几何实体之间的关系第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（1）IGES标准的文件结构。IG
9、ES标准规定了作为图形交换的IGES中性文件的格式形式。IGES文件采用ASCII码格式和二进制格式。ASCII码格式的IGES文件由若干行组成，每行有80列，164列为具体内容描述，6572列为指针，7380列为标识。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 标志段：用来指明IGES文件所采用的格式形式。对于传统的ASCII码格式可以不设标志段，二进制格式的标志段用字母B标识，压缩ASCII码格式的标志段用C标识。开始段：为人们提供可读的文件序言，至少占有一个记录。该段用字母S标识。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 全局参数段：包含描述前后处理器的信息以及处理该IGES文件的
10、后处理器所需要的信息。全局参数段用字母G标识。目录条目段：IGES文件中的每个实体在目录条目段中都有一个目标条目，它具有索引作用，并含有各个实体的属性信息。目录条目段用字母D标识。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 参数数据段：该段包含各实体参数，参数数据以自由格式存放，其第一个域存放实体类型号，各实体类型号如图10-6所示。参数数据段结构如图10-7所示。参数数据段用字母P标识。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-7 IGES参数数据段结构第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（2）IGES的前后置处理程序。IGES是一种中性文件，通过该中性文件在不同CADC
11、AM系统之间进行数据交换的原理如图10-8所示，即把系统A的输出经前置处理程序处理转换成IGES文件，再经后置处理程序处理后读入系统B。因此，利用IGES文件传递产品的信息要求各应用系统必须有相应的前、后置处理器。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-8 不同系统通过IGES的数据交换原理图第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用2)STEP标准（1）STEP标准的构成。STEP标准由五大部分组成，即标准的描述语言、集成资源、应用协议、实现形式、一致性测试，如图10-9所示。STEP标准由0、10、20、30、40、100、200共7个系列文件组成。第 10 章机械CAD/C
12、AM系统集成及应用图10-9 STEP标准体系第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 标准的描述语言。STEP有自己专用的描述语言EXPRESS。EXPRESS是一种信息建模语言，该语言综合了Ada、C、C+、Modula2、Pascal、PL1、SQL等多种语言的功能，有强大的描述信息模型能力。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 集成资源。这是STEP的核心部分，采用EXPRESS语言描述。集成资源又分为通用集成资源与应用集成资源两大部分。通用集成资源独立于产品信息，应用集成资源描述某一应用领域的数据，并依赖于通用集成资源的支持。图10-10和图10-11所示分别为通用集成资
13、源和应用集成资源及其引用。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-10 通用集成资源及其引用第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-11 应用集成资源及其引用第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 应用协议。STEP标准支持非常广泛的应用领域，具体的应用系统很难采用STEP标准的全部内容，一般只实现标准的一个子集。如果不同的应用系统实现的子集不一致，则在进行数据交换时会出现信息丢失或信息歧义现象。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 实现形式。实现形式是指用什么方法在具体领域内实现产品信息的交换。STEP的实现形式大致分为四级：第一级，中性文件交换；第二级
14、，工作格式交换；第三级，数据库交换；第四级，知识库交换。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 一致性测试。STEP标准制定了一致性测试过程、测试方法和测试评价标准。a.应用层：主要描述应用领域的需求，建立需求模型。b.逻辑层：通过对模型的分析、归类，找出共同点，形成统一的信息模型，或称为集成资源，集成资源必须采用EXPRESS语言进行描述。c.物理层：主要形成产品数据交换的中性文件，即 STEP文件。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（2）STEP标准的应用。应用场合可分为两大类：产品开发部门，具体应用包括：设计部门内群体的合作、产品全生命周期设计、集成化产品的开发、分布及并
15、行作业、产品数据的长期存档；计算机辅助应用系统供应商，具体应用包括：接口的标准化和产品概念模型的标准化。STEP在机械CAD/CAM集成环境下的应用如图10-12所示。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-12 STEP标准在机械CADCAM集成环境中的应用第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 10.2 快速原型制造技术快速原型制造技术图10-13所示为逆向工程和快速模具应用于产品开发的过程。目前计算机辅助设计（CAD）、逆向工程（RE）、快速成型（RP）和快速模具（RT）等技术在互联网的支持下，形成一整套快速制造系统，在航空航天、汽车、模具制造和生物工程等领域发挥了重要
16、作用。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-13 逆向工程、快速原型和快速模具开发产品第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用RPM就是将计算机辅助设计产生的实体模型，由层层堆积的方式，经快速、自动化的流程制造出来，其核心是CAD模型直接驱动，其技术原理如图10-14所示。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-14 快速原型制造流程图第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用2.快速原型的主要工艺方法（1）光固化成型（Stereo Lithography Apparatus,SLA）。它是最早出现的一种商品化的快速成型系统。SLA法以树脂为成型材料，用氦-镉激
17、光器作能源，由数控装置控制激光束的扫描轨迹。图10-15表示了LSA快速成型技术的工作原理。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-15 LSA快速成型技术工作原理第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（2）层合实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）。LOM法的特点是以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为材料，用CO2激光器作为能源，用激光束切割片材的边界线，形成某一层的轮廓。各层间利用加热、加压的方法粘接，最后形成零件的形状。该方法的特点是材料广泛、成本低。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（3）选域激光烧结成型（Sele
18、ctive Laser Sintering，SLS）。SLS法按照计算机输出的原型或零件分层轮廓，采用激光束，按指定路径在选择区域内扫描并熔融工作台上很薄(100 m200 m)且均匀铺层的材料粉末（金属、陶瓷、蜡粉、塑料等）。处于扫描区域内的粉末颗粒被激光束熔融后，彼此完成新一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得原型或零件。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（4）熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling,FDM）。该方法以线状的热塑性材料（如蜡丝）为原料，通过加热的扫描头将其熔化，喷到指定的位置瞬间固化成型，一层层地加工出零件。该方
19、法污染小，材料可以回收。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（5）三维喷涂粘结(Three Dimensional Printing and Gluing)。三维喷涂粘结原理类似于喷墨打印机原理，首先铺粉或铺基底薄层(如纸张)，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好粉层或薄层上的特定区域，逐层粘结后去除多余的材料便得到所需的形状制件。也可以直接逐层喷涂陶瓷或其它材料粉浆，硬化得到所需形状的制件。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用3.快速成型法的特点快速成型法具有下列特点：（1）系统柔性高，设计制造一体化技术集成，只需修改计算机中的CAD模型就可生成各种不同形状的零件，成功
20、地解决了计算机辅助设计中三维造型“看得见，摸不着”的问题。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用（2）能加工成型工件的形状几乎没有限制，不需要专用的工装夹具和模具，适合于形状复杂的、不规则零件的加工，其零件的复杂程度与制造成本关系不大。（3）具有广泛的材料适应性，没有或极少废弃材料，是一种环保型制造技术。几种典型快速原型工艺特点及常用材料见表10-1。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用 10.3 虚拟制造技术虚拟制造技术1.虚拟制造和虚拟制造系统的基本概念(1)以设计为中心的虚拟制造。(2)以生产为中心的虚拟制造。(3)以控制为中心的
21、虚拟制造。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用2.虚拟制造与其它先进制造技术的关系（1）敏捷制造(Agile Manufacturing，AM)。（2）并行工程(Concurrent Manufacturing，CE)。（3）精益生产(Lean Production，LP)。（4）绿色制造。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用3.虚拟制造的关键技术1）软件方面的关键技术(1)可视化技术：以一种易理解、有意义的虚拟方式向用户显示不同信息。(2)信息描述技术：采用不同的方法、不同的语义或语法表达不同的信息。(3)环境构造技术：开发一种类似通用操作系统那样的环境，以便于促进可视化和其
22、它VM功能。(4)集成结构技术：定义、开发和建立位于模型交互基础上的模型。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用(5)仿真技术：在计算机中，设计一个实时系统模拟的过程。(6)方法论：找出用于开发和使用VMS的方法。(7)制造的特征化技术：获取、测量和分析影响制造过程中材料去除的变量。(8)VM环境下人机工程学方面的评价和优化技术。(9)VMS的检验和测试技术。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用2）硬件方面的有关技术(1)输入/输出设备，如头盔式立体显示器(HMD)、适用的计算机屏幕、可视化眼镜，数据手套、三维鼠标、数据衣、游戏棒等。(2)与输入输出有关的存储信息设备。第 10
23、章机械CAD/CAM系统集成及应用(3)能支持各种设备、数据存储和高速运算的计算机系统，该系统应具有按用户需求实时提供高质量画面的能力。(4)网络结构(星形、总线、环形网络)设备、不同站点的硬件设备(小型机，UNIXVAX工作站、微机等)和连接硬件(光纤、导线等)。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用4.虚拟制造的应用（1）虚拟制造在汽车行业中的应用。（2）虚拟制造在航空航天行业中的应用。（3）虚拟制造在模具行业的应用。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用10.4 网络化制造技术网络化制造技术1.网络化制造的概念网络化制造技术不是一项具体技术，也不是一个一成不变的单项技术，而是
24、一个不断发展的动态技术群和动态技术系统，是计算机网络特别是InternetIntranetExtranet和数据库基础上的所有先进制造技术的总称。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用2.网络化制造的特征网络化制造以敏捷化、分散化、动态化、协作化、集成化、数字化和网络化为基本特征。其中，敏捷化是快速响应市场变化和用户需求的前提，主要表现在组织结构上的迅速重组、性能上的快速响应、过程中的并行化以及分布式的决策。这就必然要求网络化制造采用分散化、动态化和协作化的运作形式来组织生产。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用3.网络化制造关键技术与研究内容网络化制造的关键技术包括三部分内容：
25、面向网络化制造的先进设计和制造技术；面向网络化制造的信息技术；面向网络化制造的管理技术。目前，有关网络化制造的研究主要集中在以下6个方面：网络化设计系统、网络化制造系统、制造信息资源管理系统、应用支撑系统、动态联盟管理系统和电子商务保证系统等。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用4.网络化制造的典型系统结构基于Web的网络化制造系统的框架体系结构如图10-16所示。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-16 基于Web的网络制造系统的框架体系结构示意图第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用第一层是表示层，对应客户端浏览器。客户端向由URL(Uniform Resou
26、rce Locator，通用资源定位器)所指定的Web服务器提出服务请求。一方面它将用户输入的参数传递给中间的事务逻辑层处理，另一方面它将事务逻辑层的结果返回显示给用户看。从物理角度看，表示层分布在两处：Web浏览器端和Web服务器端。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用Web浏览器端的表示层部分负责对用户输入进行验证以避免不必要的网络数据传输，只有通过验证的数据才会通过网络传输给事务逻辑层处理，这个可以用JavaScript来实现；Web服务器端的表示层部分完成的任务是将动态执行结果转换成静态页面，以供Web浏览器显示，这个可以用A技术来实现。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及
27、应用第二层是事务逻辑层，它通过模块控制将用户的请求分配给相应的模块去处理。从物理角度看，事务逻辑层位于Web服务器端。此层接受客户端传来的数据，然后处理完后将结果传送到客户端进行显示。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用第三层是数据库服务器层，它负责管理应用程序中用到的各类数据，包括用户信息库、数控程序信息库、零件设计信息库、数控系统信息库、设备信息库、刀具信息库和数控故障诊断信息库等。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用基于BS(BrowserServer)系统模式，既具有多用户分布处理的优点，又充分利用了因特网跨地域范围内的信息传递与共享的特点，这样既能满足局域网内部基于Web的信息共享需要，又能满足远程数控服务需要。为异地设计和制造提供了条件。图10-17所示为基于Web的网络制造系统结构图。第 10 章机械CAD/CAM系统集成及应用图10-17 基于Web的网络制造系统实例结构图
