CAD/CAM 原理与应用

第 8 章 CAD/CAM 集成与

计算机集成制造

概述 ★ ★ 未经集成的未经集成的 CAD/CAMCAD/CAM 系统系统 各自动化“孤岛”之间的信息传输是依赖工程图样、工艺规

程等有关技术文档，手工将有关数据通过键盘输入各“孤岛”的计算机。“孤岛” 间的信息传送存在效率低、信息不完整、准确度差、无法实时控制等缺点。

★ ★ 低集成度的低集成度的 CAD/CAMCAD/CAM 系统系统 CAD 系统提供了产品的几何模型，通过计算机通信网络或磁

存储介质将产品的几何信息传送到 CAPP 或 CAE 系统，并以人机交互的方式输入有关的工艺信息、工况和约束条件，制订出工艺规程或进行有限元计算。工艺规程连同产品几何信息又通过计算机通信网络或磁存储介质传送到数控编程系统，编制出数控机床程序带，供数控机床使用。集成限于狭义的 CAD/CAM 范围，产品模型是一般的几何模型。

★ ★ 中等集成度的中等集成度的 CAD/CAMCAD/CAM 系统系统 CAD 系统提供了包括几何和工艺信息的完整产品设计模型和物料

清单。通过网络将产品设计模型传送到 CAPP 系统，直接制订出工艺规程，并连同产品设计模型和物料清单通过网络传送到数控编程系统和生产管理系统，编制出数控机床程序、工厂生产计划和车间作业计划。数控机床程序可通过接口直接传送到数控机床。基本特点是：产品采用特征建模，与生产计划管理进行初步的集成。

★ ★ 高集成度的高集成度的 CAD/CAMCAD/CAM 系统系统 将 CAD 、 CAPP 、数控自动编程系统、 DNC 、生产计划与控制

(PPC) 、生产数据采集 (PDC) 和质量管理 (CAQ) 等软件系统，通过统一的用户界面，在各种标准网络支持下集成起来，将产品设计、工艺设计、生产计划、调度和车间制造，以及质量保证等过程连成一体，形成一个闭环系统。基本特点是：与生产控制和质量管理集成起来，通过生产数据采集形成了一个闭环系统。

概述

8.1 CAD/CAM 集成8.1.1 CAD/CAM 集成的概念 关于集成目前有下面几种说法。1) 共享数据，每一部分不必重新初始化，这就是集成化。2) 集成是指如何使软件具有集成性的技术。集成性有两层含义：

一为内部集成，为使系统能成为真正的开放式系统，并易于扩充，各个组成部分之间的接口必须一致；二为外部集成性，为使系统能嵌入另一系统而作为其组成部分，前者的外部接口必须和后者的内部接口一致。

3) 系统集成是把各种功能不同的软件系统，按不同的用途有机地结合起来，用统一的执行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。

CAD/CAM 集成

8.1.2 CAD/CAM 集成的作用 1 ）有利于系统各应用模块之间的资源共享，提高效率；2 ）避免应用系统之间信息传递误差，特别是人为的传递误差，

从而提高了终产品的质量；3 ）有利于实现并行工程的运作，使企业在提高产品质量、缩短

产品上市时间等方面有所作为；4 ）有利于实现面向制造的设计 (DFM) 和面向装配的设计 (DFA) ，

降低成本，提高产品竞争力；5 ）有益于敏捷制造等先进制造模式的实施，扩大企业的市场机遇。

CAD/CAM 集成

8.1.3 CAD/CAM 集成的方式 CAD/CAM 系统的集成有信息集成、过程集成和功能

集成。目前的 CAD/CAM 系统大多只停留在信息集成基础上。 CAD/CAM 系统集成的关键是信息的交换和共享，根据信息交换方式和共享程度的不同， CAD/CAM 系统的集成方式主要有三种：

（（ 11 ）通过专用的数据接口实现集成）通过专用的数据接口实现集成

通过专用的数据接口实现集成

Ï µÍ ³ 1

Ï µÍ ³ 2 Ï µÍ ³ 3

Ï µÍ ³ 4 Ï µÍ ³ 5

CAD/CAM 集成（（ 22 ）利用标准数据交换文件实现集成）利用标准数据交换文件实现集成 这种集成方式的思路是建立一个与各子系统无关的公用

接口文件。各系统的数据均需转变成标准格式的接口文件( 如 IGES 、 STEP 等 ) ，每个系统只与标准格式文件打交道，无需知道别的系统的细节。

利用标准数据交换文件实现集成

CAD/CAM 集成（（ 33 ）基于统一产品模型和数据库的集成）基于统一产品模型和数据库的集成 这是一个将 CAD 、CAPP 、 CAM 作为一个整体来规划和开发，从而实现信息高度集成和共享的方案。集成产品模型是实现集成的核心，统一工程数据库是实现集成的基础。

基于统一产品模型和数据库的集成

8.2 计算机集成制造系统 随着信息技术的不断发展，为使企业产生更大的效益，提

出了把企业内所有的分散系统都集成起来的设想。这种集成不仅包括生产信息，也包括生产管理过程所需的全部信息，从而构成一个计算机集成制造系统，简称 CIMS (Computer Integrated Manufacturing System) 。

1. CIMS1. CIMS 的提出的提出 企业必须保证 TQCS四项指标。 T——Time ，产品制造周期； Q——Quality ，产品质量； C——Cost ，产品成本； S——Service ，服务。

1974年，美国约瑟夫 ·哈林顿 (Joseph Harrington)博士首次提出了 CIM(Computer Integrated Manufacturing) 的概念。它的内涵是借助计算机，将企业中各种与制造有关的技术活动与系统集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力，其中强调了以下两点：

① 企业各个生产环节是不可分割的，需要统一组织与安排——即“系统的观点”。

② 产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程——即“信息化的观点”。

计算机集成制造系统

CIMS 是一种基于 CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。通过计算机系统，把制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机地结合起来，是适合于多品种、小批量生产和实现总体高效益、高柔性的制造系统。

计算机集成制造系统

计算机集成制造系统 2. CIM2. CIM 的概念的概念 ☆ 《 Computer Integrated Manufacturing 》中给出的概念 企业中的各个部门 ( 如市场分析、工程设计、加工制造、售后服务等 ) 是一个不可分割的整体，为达到企业的经营目标应统一考虑；整个生产过程实质上是一个信息的采集、传递、加工处理和利用的过程。

☆ 863 高技术专家组给出的概念 CIM 是一种组织管理与企业运行的新哲理，它借助计算机软件、

硬件、网络及数据库，集成各部门产生的信息，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流、物料流有机地集成，并优化运行，实现企业整体优化，以达到产品高质、低耗、上市快的目的，从而赢得市场竞争的主动权。

计算机集成制造系统 3. CIM3. CIM 的构成的构成 从功能上讲， CIMS 包括产品设计、生产及经营等全部活动，

这些功能对应着 CIMS 结构的三个层次： 决策层 帮助企业领导作出经营决策。 信息层 生成工程技术信息并进行管理。 物资层 处于底层的生产实体，涉及生产环境和加工制造中的许 多设备，是信息流和物料流的结合点。 为实现上述功能的有效集成，还需要支撑环境及工具，如分布式网络、数据库和质量保证系统等。

CIMS没有固定模式，企业不同，经营方式，经营目的，基础条件不同， CIMS 模式也不同。 CIMS 不是无人化工厂，也不同于工厂活动的计算机化，人在 CIMS中永远是主体。

计算机集成制造系统通常由经营管理信息分系统、工程设计分析分系统、制造自动化分系统和质量保证分系统以及计算机网络和数据库分系统 6 个部分有机地集成起来。

CIM 的构成

工程设计分析分系统

制造自动化分系统

质量保证分系统

经营管理信息分系统

数据库分系统

计算机网络分系统

支撑分系统支撑分系统

功能分系统功能分系统

售后服务信息

技术信息市场信息

★ 管理信息分系统 (MIS, Management Information System)

企事业单位的一种现代化工具。 MIS 以缩短产品生产周期、减少流动资金、提高企业经济效益和应变能力为主要目的，以计划管理为中心，在计算机网络和分布式数据库的支撑下，与 CIMS中其他系统实现集成，其核心是适用于各个进程的决策支撑系统。

★ 工程设计分析分系统 在产品开发过程中引入计算机技术而形成的系统，包括计算机辅助产品概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计与数控编程等内容，通常被划分为 CAD 、 CAE 、 CAPP 、 CAM 、工程数据管理等子系统，这些子系统之间强调信息的连续流动和共享，即通常所说的 CAD/CAE/CAPP/CAM 系统集成。工程设计分析分系统的目的是使产品开发活动更高效、更优质地进行，同时，通过与 CIMS 的其他分系统进行信息交换来实现整个系统的信息集成。

计算机集成制造系统

★ 制造自动化分系统 (MAS, Manufacturing Automation System) 由制造设备、装置、工具、人员、相应的信息以及相应的体系结构和组织模式所组成的系统。从 CIMS 的功能上看， MAS 是 CIMS中信息流和物料流的结合点，是 CIMS最终产生效益的聚集地；从 CIMS的信息流看， MAS涉及产品的制造、装配检验等环节的信息处理和集成。制造自动化分系统一般包括 5 个子系统：制造设备子系统、物料运输与存储子系统、能量流子系统、制造信息子系统和制造过程生产计划调度与控制子系统。

★ 质量保证分系统 主要采集、存储、评价与处理存在于设计、制造过程中与质量有

关的信息，从而进行一系列的质量决策与控制，有效地保证质量并促进质量的提高。质量保证分系统包括质量检测与数据采集、质量评价、质量决策、质量控制与跟踪等功能。

计算机集成制造系统

3. CIMS3. CIMS 集成的集成的 33 个阶段个阶段 (1) 信息集成 针对设计、管理和加工制造中大量存在的自动化孤岛，实

现信息正确、高效的共享和交换，是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。信息集成的主要内容有：

① 企业建模、系统设计方法、软件工具和规范。这是系统总体设计的基础，是企业信息集成的基础。

② 异构环境下的信息集成。 所谓异构是指系统中包含了不同的操作系统、控制系统、数据库及应用软件。异构信息集成主要解决 3 个问题：不同通信协议的共存及向 ISO 的过渡；不同数据库的相互访问；不同商用应用软件之间的接口。

计算机集成制造系统

(2) 过程集成 企业为了提高产品的 T 、 Q 、 C 、 S ，除了信息集成这

一手段之外，还可以对过程进行重构 (Process Reengineering) 。传统的串行作业设计和开发过程往往造成产品开发过程经常反复，使产品开发周期增加、成本增加。如果将产品设计开发中的各串行过程尽可能多地转变为并行过程，在设计时考虑到后续工作中的可制造性、可装配性质量，把设计开发中的信息大循环变成多个小循环，可以减少反复，缩短开发时间。

计算机集成制造系统

(3) 企业集成 21世纪的制造业必须面对全球制造的新形势，充分利用全球制造资源，以便更快、更好、更省地响应市场需求。这就是敏捷制造的思想。敏捷制造的组织形式是企业之间针对某一特定产品建立企业动态联盟 (即所谓虚拟企业 ) 。敏捷的企业联盟应该是“两头大、中间小”，“两头大”指强大的新产品设计与开发能力和强大的市场开拓与竞争能力，“中间小”指加工制造设备的能力可以小，多数零部件可靠协作解决，企业可以在全球采购价格最便宜、质量最好的零件，因此，企业间的集成是企业优化的新台阶。

计算机集成制造系统

8.3.1 8.3.1 并行工程并行工程 是对产品及其相关过程 ( 包括制造过程及其支持过程 ) 进行

并行一体化设计的一种系统化工作模式。 在传统的产品开发过程中，信息流动是单向的、串行的，设计、

制造过程中缺乏必要与及时的信息反馈，在设计早期不能全面地考虑下游的可制造性、可装配性等多种因素，致使经常需要对设计进行更改，构成了从概念设计到设计修改的大循环，而且可能多次重复这一过程，造成设计改动量大，产品开发周期长、成本高。随着市场竞争的日益激烈，要求企业必须改变经营策略：提高产品开发能力、增强市场开拓能力。但传统的串行产品开发模式已不能满足激烈的市场竞争要求，因而以信息技术为基础的并行工程 (Concurrent Engineering ， CE) 技术应运而生。

8.3 相关技术

1. 1. 并行工程的背景及应用并行工程的背景及应用 并行工程的概念是 1988年由美国防御分析研究所 (IDA—

Institute of Defense Analyze) 以武器生产为背景，对传统的生产模式进行了分析后最先提出来的。近年来，在美国、德国、日本等一些国家中已得到广泛应用，其领域包括汽车、飞机、计算机、机械、电子等行业。例如：美国弗吉尼亚大学并行工程研究中心应用并行工程开发新型飞机，使机翼的开发周期缩短了 60％；美国的爱国者防空导弹系统也是 20世纪 80年代后期运用并行工程方法迅速研制成功的；波音公司在 1994年采用并行工程的方法开发波音 777飞机，实现了无纸化生产，试飞一次成功，并且比按传统方法生产节约时间近 50％。在中国，并行工程作为 CIMS发展的一个新阶段，得到了一些企业的广为关注，其研究被列为国家 863 计划自动化领域的重点研究内容。

相关技术

2. 2. 并行工程的内涵并行工程的内涵 并行工程是一种企业组织、管理和运行的先进设计、制造

模式，是对产品及其相关过程 ( 包括制造过程和支持过程 ) 进行并行、集成设计的一种系统化的工作模式，是采用多学科团队和并行过程的集成化产品开发模式。它要求开发人员在产品开发的早期阶段全面考虑产品生命周期中的各种因素，力争使产品开发能够一次获得成功，从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本。因此，利用并行工程将对提高我国企业新产品开发能力、增强其竞争力具有深远的意义。

相关技术

并行与串行工作方式的比较

相关技术

8.3.2 8.3.2 敏捷制造敏捷制造 (AM(AM ，， Agile Manufacturing)Agile Manufacturing)

1. 敏捷制造的内涵 以柔性生产技术和动态组织结构为特点，以高素质、协同良好的

工作人员为核心，实施企业间网络集成，形成快速响应市场的社会化制造体系。

2. 敏捷制造的特征 (1) (1) 与其他先进制造模式相比较， 敏捷制造的主要特征与其他先进制造模式相比较， 敏捷制造的主要特征

1) 以满足用户要求、获得利润为目标。 2) 以竞争能力和信誉为依据， 选择组成动态公司的合作伙伴。 3) 基于合作间的相互信任、分工协作、共同目标来有力地增强整体实力。4) 把知识、技艺、信息投入最底层生产线。

相关技术

(2) (2) 与传统的大量生产方式相比，敏捷制造主要特征与传统的大量生产方式相比，敏捷制造主要特征

 1) 全新的企业合作关系——虚拟企业或动态联盟。   2) 大范围的通讯基础结构。 3) 为订单而设计、为订单而制造的生产方式。 4) 高度柔性的、模块化的、可伸缩的生产制造系统。   5) 柔性化、模块化的产品设计方法。   6) “ 高质量”的产品。 7) 有知识、有技术的人是企业成功的关键因素。 8) 基于信任的雇佣关系。 9) 基于任务的组织与管理。 10) 对社会的正效应。

相关技术

一个跨国虚拟企业的结构

相关技术

8.3.3 虚拟制造技术 1. 1. 虚拟制造基本概念虚拟制造基本概念 虚拟制造 (Virtual Manufacturing ， VM) 是采用计算机仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，通过三维模型及动画，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造可以看作是 CAD/CAM/CAE 集成化发展的最高层次。

虚拟制造强调在实际投入原材料于产品实现过程之前完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。它主要基于产品模型、仿真分析技术、可视化技术以及虚拟现实技术，在计算机内完成包括加工、装配等制造活动的制造技术。

相关技术

虚拟制造系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，它是产品的设计、开发与实现过程在计算机上的本质实现，与实际制造相比较，它具有如下主要特征：

(1) 高度集成 产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产

品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。因此，应综合运用系统工程、知识工程、并行工程系统仿真和人机工程等多学科先进技术，实现信息集成、知识集成、串并行交错工作机制集成和人机集成。

(2) 支持敏捷制造 开发的产品 ( 部件 ) 可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量，降低成本。

(3) 分布合作 可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个

产品模型上同时工作、相互交流、信息共享、减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。

2. 2. 虚拟制造的类型虚拟制造的类型 (1) 以设计为中心的 VM

以设计为中心的虚拟制造是将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，并在计算机中进行“制造”，仿真多种制造方案和产生许多“软”的模型，为设计者提供一个设计产品和评估产品可制造性的环境。它的主要支持技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术。主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真。

(2) 以生产为中心的虚拟制造 将仿真能力加入到生产过程模型中，其目的是方便和快捷

地评价多种加工过程，检验新工艺流程的可信度、产品生产效率、资源需求状况 ( 包括购置新设备、征询盟友等 ) ，从而优化制造环境的配置和生产的供给计划。主要支持技术包括虚拟现实技术和嵌入式仿真技术，其主要应用领域包括工厂或产品的物理布局及生产计划的编排。

(3) 以控制为中心的虚拟制造 将仿真能力增加到控制模型和实际的生产过程，模拟实际

的车间生产，评估车间生产活动，达到优化制造过程的目的。它的主要支持技术有：对离散制造——基于仿真的实时动态调度；对连续制造——基于仿真的最优控制。

3. 3. 虚拟制造技术在制造业中的主要应用虚拟制造技术在制造业中的主要应用 (1) 产品的外形设计 (2) 产品的运动和动力学仿真 (3) 加工过程仿真 (3) 产品装配仿真 (4) 虚拟样机与产品工作性能评测 (5) 产品的广告与漫游 (6) 企业生产过程仿真与优化

复习思考题1. CAD/CAM 集成的概念。2. CAD/CAM 集成的方式有哪些？3. CIM 的概念。4. 虚拟制造的基本概念。