《機械CAD-CAM》課件第10章

第10章機械CAD/CAM系統(tǒng)集成及應(yīng)用10.1機械CAD/CAM集成技術(shù)10.2快速原型制造技術(shù)10.3虛擬制造技術(shù)10.4網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)10.1機械CAD／CAM集成技術(shù)

1.機械CAD/CAM技術(shù)集成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機械CAD／CAM集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多樣，圖10-1所示為一種典型的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)可分為系統(tǒng)應(yīng)用層、基本功能層和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理層三個層次。圖10-1機械CAD/CAM集成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.機械CAD／CAM信息集成方式

機械CAD／CAM系統(tǒng)的集成并不是各個應(yīng)用模塊簡單的疊加，而是通過不同模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的映射和數(shù)據(jù)交換，利用各種接口將機械CAD／CAPP／CAM的各應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫連

接成一個集成化的整體。

(1)通過專用格式文件進行系統(tǒng)集成：是指兩應(yīng)用系統(tǒng)之間通過專用格式的數(shù)據(jù)文件進行系統(tǒng)信息的交換，如圖10-2所示。在這種方式下，對于相同的開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境，各系統(tǒng)之間可協(xié)調(diào)確定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式文件，實現(xiàn)系統(tǒng)間的信息互聯(lián)；而在不同的開發(fā)應(yīng)用環(huán)境下，則需要在各系統(tǒng)與專用數(shù)據(jù)文件之間開發(fā)專用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，進行前置和后置處理，以實現(xiàn)系統(tǒng)間的集成。圖10-2通過專用格式文件進行系統(tǒng)集成的方式

(2)通過標準格式中性數(shù)據(jù)文件進行系統(tǒng)集成：是指采用統(tǒng)一格式的中性數(shù)據(jù)文件作為系統(tǒng)集成工具，各個應(yīng)用子系統(tǒng)通過前置和后置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進行系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的交換，如圖10-3所示。每個子系統(tǒng)只與公認的標準格式的中性文件打交道，不必知道其它系統(tǒng)內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)，這大大減少了集成系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口數(shù)量，便于接口維護，也便于應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和使用。圖10-3通過標準格式中性數(shù)據(jù)文件進行系統(tǒng)集成的方式（3）利用工程數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)集成:各子系統(tǒng)通過用戶接口，按工程數(shù)據(jù)庫要求直接存取或操作數(shù)據(jù)庫，是一種較高層次的數(shù)據(jù)共享和集成方式。該集成方式的原理如圖10-4所示。與以文件形式實現(xiàn)系統(tǒng)信息集成方法相比，該方式大大提高了集成系統(tǒng)的運行速度，提高了系統(tǒng)集成化程度，不僅可以實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間直接的信息交換，還可以使集成系統(tǒng)真正做到數(shù)據(jù)的一致性、準確性、及時性和共享性。圖10-4通過工程數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)集成的方式（4）基于PDM平臺的機械CAD／CAM集成技術(shù)：PDM為實現(xiàn)企業(yè)信息的集成提供了信息傳遞的平臺，在這個平臺上，可以集成機械CAD／CAPP／CAM／CAE等多種開發(fā)環(huán)境和工具，將產(chǎn)品不同階段的信息作為全部產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息的一個子集，按不同的用途和目的分別進行信息集成管理，所有的信息傳遞與交換都通過PDM平臺來完成，而機械CAD／CAPP／CAM之間無需直接發(fā)生聯(lián)系，從而實現(xiàn)了真正意義上的機械CAD／CAPP／CAM無縫集成。由于PDM對產(chǎn)品整個生命周期中的信息有全面的管理能力，所以它不僅成為機械CAD/CAM集成系統(tǒng)的重要組成部分，同時也為機械CAD/CAM的集成提供了有效的平臺，具有很好的應(yīng)用前景。圖10-5給出了以PDM為集成平臺，包含機械CAD、CAPP、CAM三個主要功能模塊的集成系統(tǒng)示意圖。圖10-5基于PDM的機械CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)集成

3.機械CAD／CAM技術(shù)集成的關(guān)鍵技術(shù)

1)產(chǎn)品建模技術(shù)

為了實現(xiàn)機械CAD／CAM信息的高度集成，一種共享的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型是非常重要的。一個完善的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型是機械CAD／CAM系統(tǒng)進行信息集成的基礎(chǔ)，也是機械CAD／CAM系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的核心。將具有工程語義的特征概念引入機械CAD／CAM造型系統(tǒng)，建立基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，這不僅支持從產(chǎn)品設(shè)計到加工制造各個產(chǎn)品生產(chǎn)階段所需的產(chǎn)品信息（包括幾何信息、工藝信息等），而且還提供了符合人們思維方式的工程描述語言特征,能夠較方便地實現(xiàn)機械CAD／CAM之間的數(shù)據(jù)交換。

2)集成數(shù)據(jù)管理技術(shù)

在機械CAD／CAM集成系統(tǒng)中，不僅有結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)，還有大量如圖形、圖像甚至語音等非結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)；不僅有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，還有大量的工藝數(shù)據(jù)、加工裝配數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等。機械CAD／CAM集成系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)類型多，數(shù)據(jù)處理工作量大，數(shù)據(jù)管理日趨復(fù)雜，常見的商用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是難以勝任的，需要借助工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)

由于機械CAD、CAPP、CAM技術(shù)是各自獨立發(fā)展起來的，各系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)表示形式不可能完全統(tǒng)一，因此使不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換難以進行，影響了各應(yīng)用系統(tǒng)功能的發(fā)展，難以進一步提高機械CAD／CAM系統(tǒng)的工作效率。

4.產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準

1）IGES標準

幾何實體定義與物體形狀有關(guān)的信息，包括點、線、面、體以及實體集合的關(guān)系。圖10-6所示為IGES各版本所允許的幾何實體及它們之間的關(guān)系。圖10-6IGES幾何實體之間的關(guān)系（1）IGES標準的文件結(jié)構(gòu)。IGES標準規(guī)定了作為圖形交換的IGES中性文件的格式形式。IGES文件采用ASCII碼

格式和二進制格式。ASCII碼格式的IGES文件由若干行組成，每行有80列，1~64列為具體內(nèi)容描述，65~72列為指針，73~80列為標識。①標志段：用來指明IGES文件所采用的格式形式。對于傳統(tǒng)的ASCII碼格式可以不設(shè)標志段，二進制格式的標志段用字母B標識，壓縮ASCII碼格式的標志段用C標識。

②開始段：為人們提供可讀的文件序言，至少占有一個記錄。該段用字母S標識。③全局參數(shù)段：包含描述前／后處理器的信息以及處理該IGES文件的后處理器所需要的信息。全局參數(shù)段用字母G標識。

④目錄條目段：IGES文件中的每個實體在目錄條目段中都有一個目標條目，它具有索引作用，并含有各個實體的屬性信息。目錄條目段用字母D標識。⑤參數(shù)數(shù)據(jù)段：該段包含各實體參數(shù)，參數(shù)數(shù)據(jù)以自由格式存放，其第一個域存放實體類型號，各實體類型號如圖10-6所示。參數(shù)數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)如圖10-7所示。參數(shù)數(shù)據(jù)段用字母P標識。圖10-7IGES參數(shù)數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)（2）IGES的前后置處理程序。

IGES是一種中性文件，通過該中性文件在不同CAD／CAM系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換的原理如圖10-8所示，即把系統(tǒng)A的輸出經(jīng)前置處理程序處理轉(zhuǎn)換成IGES文件，再經(jīng)后置處理程序處理后讀入系統(tǒng)B。因此，利用IGES文件傳遞產(chǎn)品的信息要求各應(yīng)用系統(tǒng)必須有相應(yīng)的前、后置處理器。圖10-8不同系統(tǒng)通過IGES的數(shù)據(jù)交換原理圖

2)STEP標準

（1）STEP標準的構(gòu)成。

STEP標準由五大部分組成，即標準的描述語言、集成資源、應(yīng)用協(xié)議、實現(xiàn)形式、一致性測試，如圖10-9所示。STEP標準由0、10、20、30、40、100、200共7個系列文件組成。圖10-9STEP標準體系①標準的描述語言。STEP有自己專用的描述語言EXPRESS。EXPRESS是一種信息建模語言，該語言綜合了Ada、C、C++、Modula2、Pascal、PL／1、SQL等多種語言的功能，有強大的描述信息模型能力。②集成資源。這是STEP的核心部分，采用EXPRESS語言描述。集成資源又分為通用集成資源與應(yīng)用集成資源兩大部分。通用集成資源獨立于產(chǎn)品信息，應(yīng)用集成資源描述某一應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，并依賴于通用集成資源的支持。圖

10-10和圖10-11所示分別為通用集成資源和應(yīng)用集成資源及其引用。圖10-10通用集成資源及其引用圖10-11應(yīng)用集成資源及其引用③應(yīng)用協(xié)議。STEP標準支持非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，具體的應(yīng)用系統(tǒng)很難采用STEP標準的全部內(nèi)容，一般只實現(xiàn)標準的一個子集。如果不同的應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)的子集不一致，則在進行數(shù)據(jù)交換時會出現(xiàn)信息丟失或信息歧義現(xiàn)象。④實現(xiàn)形式。實現(xiàn)形式是指用什么方法在具體領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)品信息的交換。

STEP的實現(xiàn)形式大致分為四級：

第一級，中性文件交換；

第二級，工作格式交換；

第三級，數(shù)據(jù)庫交換；

第四級，知識庫交換。⑤一致性測試。STEP標準制定了一致性測試過程、測試方法和測試評價標準。

a.應(yīng)用層：主要描述應(yīng)用領(lǐng)域的需求，建立需求模型。

b.邏輯層：通過對模型的分析、歸類，找出共同點，

形成統(tǒng)一的信息模型，或稱為集成資源，集成資源必須采用EXPRESS語言進行描述。

c.物理層：主要形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的中性文件，即STEP文件。（2）STEP標準的應(yīng)用。應(yīng)用場合可分為兩大類：

①產(chǎn)品開發(fā)部門，具體應(yīng)用包括：設(shè)計部門內(nèi)群體的合作、產(chǎn)品全生命周期設(shè)計、集成化產(chǎn)品的開發(fā)、分布及并行作業(yè)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的長期存檔；

②計算機輔助應(yīng)用系統(tǒng)供應(yīng)商，具體應(yīng)用包括：接口的標準化和產(chǎn)品概念模型的標準化。

STEP在機械CAD/CAM集成環(huán)境下的應(yīng)用如圖10-12所示。圖10-12STEP標準在機械CAD／CAM集成環(huán)境中的應(yīng)用10.2快速原型制造技術(shù)

圖10-13所示為逆向工程和快速模具應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的過程。目前計算機輔助設(shè)計（CAD）、逆向工程（RE）、快速成型（RP）和快速模具（RT）等技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)的支持下，形成一整套快速制造系統(tǒng)，在航空航天、汽車、模具制造和生物工程等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。圖10-13逆向工程、快速原型和快速模具開發(fā)產(chǎn)品

RPM就是將計算機輔助設(shè)計產(chǎn)生的實體模型，由層層堆積的方式，經(jīng)快速、自動化的流程制造出來，其核心是CAD模型直接驅(qū)動，其技術(shù)原理如圖10-14所示。圖10-14快速原型制造流程圖

2.快速原型的主要工藝方法

（1）光固化成型（StereoLithographyApparatus,SLA）。它是最早出現(xiàn)的一種商品化的快速成型系統(tǒng)。SLA法以樹脂為成型材料，用氦-鎘激光器作能源，由數(shù)控裝置控制激光束的掃描軌跡。圖10-15表示了LSA快速成型技術(shù)的工作原理。圖10-15LSA快速成型技術(shù)工作原理（2）層合實體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）。LOM法的特點是以片材（如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料）為材料，用CO2激光器作為能源，用激光束切割片材

的邊界線，形成某一層的輪廓。各層間利用加熱、加壓的方法粘接，最后形成零件的形狀。該方法的特點是材料廣泛、成本低。（3）選域激光燒結(jié)成型（SelectiveLaserSintering，SLS）。SLS法按照計算機輸出的原型或零件分層輪廓，采用激光束，按指定路徑在選擇區(qū)域內(nèi)掃描并熔融工作臺上很薄

(100μm~200μm)且均勻鋪層的材料粉末（金屬、陶瓷、蠟粉、塑料等）。處于掃描區(qū)域內(nèi)的粉末顆粒被激光束熔融后，彼此完成新一層燒結(jié)。全部燒結(jié)后去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理便獲得原型或零件。（4）熔融沉積造型（FusedDepositionModeling,FDM）。該方法以線狀的熱塑性材料（如蠟絲）為原料，通過加熱的掃描頭將其熔化，噴到指定的位置瞬間固化成型，一層層地加工出零件。該方法污染小，材料可以回收。（5）三維噴涂粘結(jié)(ThreeDimensionalPrintingandGluing)。三維噴涂粘結(jié)原理類似于噴墨打印機原理，首先鋪粉或鋪基底薄層(如紙張)，利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好粉層或薄層上的特定區(qū)域，逐層粘結(jié)后去除多余的材料便得到所需的形狀制件。也可以直接逐層噴涂陶瓷或其它材料粉漿，硬化得到所需形狀的制件。

3.快速成型法的特點

快速成型法具有下列特點：

（1）系統(tǒng)柔性高，設(shè)計制造一體化技術(shù)集成，只需修改計算機中的CAD模型就可生成各種不同形狀的零件，成功地解決了計算機輔助設(shè)計中三維造型“看得見，摸不著”的問題。（2）能加工成型工件的形狀幾乎沒有限制，不需要專用的工裝夾具和模具，適合于形狀復(fù)雜的、不規(guī)則零件的加工，其零件的復(fù)雜程度與制造成本關(guān)系不大。

（3）具有廣泛的材料適應(yīng)性，沒有或極少廢棄材料，是一種環(huán)保型制造技術(shù)。

幾種典型快速原型工藝特點及常用材料見表10-1。10.3虛擬制造技術(shù)

1.虛擬制造和虛擬制造系統(tǒng)的基本概念

(1)以設(shè)計為中心的虛擬制造。

(2)以生產(chǎn)為中心的虛擬制造。

(3)以控制為中心的虛擬制造。

2.虛擬制造與其它先進制造技術(shù)的關(guān)系

（1）敏捷制造(AgileManufacturing，AM)。

（2）并行工程(ConcurrentManufacturing，CE)。

（3）精益生產(chǎn)(LeanProduction，LP)。

（4）綠色制造。

3.虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)

1）軟件方面的關(guān)鍵技術(shù)

(1)可視化技術(shù)：以一種易理解、有意義的虛擬方式向用戶顯示不同信息。

(2)信息描述技術(shù)：采用不同的方法、不同的語義或語法表達不同的信息。

(3)環(huán)境構(gòu)造技術(shù)：開發(fā)一種類似通用操作系統(tǒng)那樣的環(huán)境，以便于促進可視化和其它VM功能。

(4)集成結(jié)構(gòu)技術(shù)：定義、開發(fā)和建立位于模型交互基礎(chǔ)上的模型。

(5)仿真技術(shù)：在計算機中，設(shè)計一個實時系統(tǒng)模擬的過程。

(6)方法論：找出用于開發(fā)和使用VMS的方法。

(7)制造的特征化技術(shù)：獲取、測量和分析影響制造過程中材料去除的變量。

(8)VM環(huán)境下人機工程學(xué)方面的評價和優(yōu)化技術(shù)。

(9)VMS的檢驗和測試技術(shù)。

2）硬件方面的有關(guān)技術(shù)

(1)輸入/輸出設(shè)備，如頭盔式立體顯示器(HMD)、適用的計算機屏幕、可視化眼鏡，數(shù)據(jù)手套、三維鼠標、數(shù)據(jù)衣、游戲棒等。

(2)與輸入／輸出有關(guān)的存儲信息設(shè)備。

(3)能支持各種設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲和高速運算的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有按用戶需求實時提供高質(zhì)量畫面的能力。(4)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(星形、總線、環(huán)形網(wǎng)絡(luò))設(shè)備、不同站點的硬件設(shè)備(小型機，UNIX／VAX工作站、微機等)和連接硬件(光纖、導(dǎo)線等)。

4.虛擬制造的應(yīng)用

（1）虛擬制造在汽車行業(yè)中的應(yīng)用。

（2）虛擬制造在航空航天行業(yè)中的應(yīng)用。

（3）虛擬制造在模具行業(yè)的應(yīng)用。

10.4網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)

1.網(wǎng)絡(luò)化制造的概念

網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)不是一項具體技術(shù)，也不是一個一成不變的單項技術(shù)，而是一個不斷發(fā)展的動態(tài)技術(shù)群和動態(tài)技術(shù)系統(tǒng)，是計算機網(wǎng)絡(luò)特別是Internet／Intranet／Extranet和數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的所有先進制造技術(shù)的總稱。

2.網(wǎng)絡(luò)化制造的特征

網(wǎng)絡(luò)化制造以敏捷化、分散化、動態(tài)化、協(xié)作化、集成化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為基本特征。其中，敏捷化是快速響應(yīng)市場變化和用戶需求的前提，主要表現(xiàn)在組織結(jié)構(gòu)上的迅速重組、性能上的快速響應(yīng)、過程中的并行化以及分布式的決策。這就必然要求網(wǎng)絡(luò)化制造采用分散化、動態(tài)化和協(xié)作化的運作形式來組織生產(chǎn)。

3.網(wǎng)絡(luò)化制造關(guān)鍵技術(shù)與研究內(nèi)容

網(wǎng)絡(luò)化制造的關(guān)鍵技術(shù)包括三部分內(nèi)容：面向網(wǎng)絡(luò)化制造的先進設(shè)計和制造技術(shù)；面向網(wǎng)絡(luò)化制造的信息技術(shù)；面向網(wǎng)絡(luò)化制造的管理技術(shù)。目前，有關(guān)網(wǎng)絡(luò)化制造的研究主要集中在以下6個方面：網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)、制造信息資源管理系統(tǒng)、應(yīng)用支撐系統(tǒng)、動態(tài)聯(lián)盟管理系統(tǒng)和電子商務(wù)保證系統(tǒng)等。