先進(jìn)制造技術(shù)2.9研究生

先進(jìn)制造技術(shù)主講：鄧朝暉教授博士湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)22.9產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)2.9.2產(chǎn)品開發(fā)過程中的信息集成2.9.1CAD/CAE/CAM/CAPP的主要技術(shù)內(nèi)容2.9.1.4計算機(jī)輔助工藝設(shè)計（CAPP）的主要技術(shù)內(nèi)容

講授內(nèi)容2.9.1.1計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）的主要技術(shù)內(nèi)容2.9.1.2計算機(jī)輔助工程（CAE）的主要技術(shù)內(nèi)容2.9.2.2CAD/CAPP/CAM的集成2.9.1.3計算機(jī)輔助制造（CAM）的主要技術(shù)內(nèi)容2.9.2.1CAD/CAM的集成2.9.2.3基于成組技術(shù)的CAD/CAPP/CAM的集成2.9.2.4基于特征造型的CAD/CAPP/CAM的集成2.9.2.5基于PDM的CAD/CAPP/CAM的集成產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)32.9產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)2.9.1CAD/CAE/CAM/CAPP主要技術(shù)內(nèi)容

利用計算機(jī)來實現(xiàn)對產(chǎn)品成本從構(gòu)思到投放生產(chǎn)的全過程進(jìn)行分析和控制(如下圖所示)，亦即對設(shè)計和控制過程中產(chǎn)品信息的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、存儲、流通、管理進(jìn)行分析和控制的信息處理系統(tǒng)，通常稱為CAD/CAE/CAM或CAD/CAPP/CAM，甚至簡稱為CAD/CAM或CAX系統(tǒng)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)4圖

產(chǎn)品開發(fā)流程及計算機(jī)輔助工具

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)5

回顧歷史，可看到CAD/CAM技術(shù)原先是圍繞著產(chǎn)品的設(shè)計與制造兩大部分獨立發(fā)展起來的。

CAD從方程求解計算和繪圖入手，到現(xiàn)在的諸項內(nèi)容：建立數(shù)字模型，工程分析（CAE），產(chǎn)品設(shè)計（包括方程設(shè)計、總體設(shè)計和零部件設(shè)計），動態(tài)模擬，自動繪圖等；

CAM從手工編程、自動編程，到現(xiàn)在的諸項內(nèi)容：工裝設(shè)計，工藝規(guī)程設(shè)計（CAPP），柔性自動化車間管理與控制等等。

從各個單項技術(shù)的角度說明這些計算機(jī)輔助系統(tǒng)（CAX）各自的主要技術(shù)內(nèi)容。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)62.9.1.1計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）主要技術(shù)內(nèi)容1).工程繪圖:提供工程繪圖的完整功能，包含了圖面布置、繪制各種視圖、剖切圖、尺寸標(biāo)注、圖紙標(biāo)題欄及編輯和修改、提供標(biāo)準(zhǔn)件庫等等。2).曲面造型:根據(jù)給定的離散數(shù)據(jù)和工程問題的邊界條件，來定義、生成、控制和處理過度曲面與非矩形域曲面的拼和能力，提供用自由曲面構(gòu)造產(chǎn)品幾何模型所需要的曲面造型（SurfaceModeling）技術(shù)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)73).實體造型

定義和生成體素（Primitive）以及各類實體的方法，提供用規(guī)則幾何形體構(gòu)造產(chǎn)品幾何形體所需要的實體造型（SolidModeling）技術(shù)。4).物性計算

根據(jù)產(chǎn)品幾何模型計算相應(yīng)物體的體積、表面積、質(zhì)量、密度、重心、轉(zhuǎn)動慣量、回轉(zhuǎn)半徑等幾何特性，以便為對產(chǎn)品進(jìn)行工程分析和數(shù)值計算提供必要的基本數(shù)據(jù)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)85).三維幾何模型的顯示處理

解決動態(tài)顯示圖形、消除隱藏線（面）、彩色濃淡處理等問題，提供視覺效果更好的產(chǎn)品模型，以便進(jìn)行三維幾何模型設(shè)計的復(fù)雜空間布局。6).特征造型

使實體造型中的幾何體被賦予較高層次（相對于幾何、拓?fù)涞容^低層次信息而言）的工程信息（如定位基準(zhǔn)、公差、粗糙度或其他設(shè)計制造信息等），提供參數(shù)化尺寸驅(qū)動的特征造型功能。使CAD系統(tǒng)更接近設(shè)計人員思維方式，并可提供集成化產(chǎn)品信息建模的基礎(chǔ)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)97).二維和三維模型的相關(guān)

實現(xiàn)三維模型的二維顯示，二維圖形的輪廓線通過旋轉(zhuǎn)和掃描轉(zhuǎn)化為三維模型。

目前的商品化CAD軟件主要分為二維繪圖軟件與三維造型軟件兩部分。

以多方向投影原理為基礎(chǔ)的工程圖是工程技術(shù)人員反映其設(shè)計思想的語言，利用各種國際規(guī)定的約定和簡化，通過選擇最合理的投影面、割切位置、剖切方式來表達(dá)零件的幾何和工藝信息，具有簡潔、完整、準(zhǔn)確等特點，這種以投影原理為基礎(chǔ)的工程圖能夠表達(dá)的零件的復(fù)雜性幾乎是無限的。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)10

相應(yīng)的二維CAD系統(tǒng)，可分為兩種，一種是傳統(tǒng)的，沒有視圖概念，采用解析幾何的原理繪圖，繪圖速度較慢，學(xué)習(xí)起來比較困難。另一種是宜人化的二維CAD系統(tǒng)，它模仿工程師繪圖的方式，采用畫法幾何的原理，在計算機(jī)上實現(xiàn)了多視圖概念，利用“長對正、寬相等、高平齊”等方法進(jìn)行圖形定位；采用多視圖參數(shù)的算法方便圖形的修改和系列化產(chǎn)品設(shè)計。目前二維CAD軟件一般在微機(jī)上運行，系統(tǒng)資源比較豐富。而且企業(yè)真正實現(xiàn)“無紙化”生產(chǎn)尚有漫長的路程，因此，二維設(shè)計與繪圖仍將長時間在我國企業(yè)總占有重要地位。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)11

三維造型更逼真于現(xiàn)實產(chǎn)品，是物性計算和三維有限元計算的基礎(chǔ)；并且為復(fù)雜曲面數(shù)控加工代碼的生成提供了完整、精確的幾何數(shù)據(jù)；還能為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品提供直觀的裝配干涉檢查的依據(jù)。目前，三維造型CAD系統(tǒng)的造型功能漸趨完善。但總的說來，三維造型系統(tǒng)需要存儲的數(shù)據(jù)量十分巨大，要求的硬件平臺比較貴。而且，隨著零件復(fù)雜程度的增加，用三維造型系統(tǒng)來表達(dá)零件的難度也大大地增加。

宜人化的二維CAD系統(tǒng)是一種普及型軟件，功能比較專一，但易學(xué)。而三維系統(tǒng)是一種專家型軟件，功能多，但學(xué)習(xí)難度大。實際上，三維造型系統(tǒng)和二維CAD系統(tǒng)的應(yīng)用場合不同，可以相互配合、互為補(bǔ)充。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)122.9.1.2計算機(jī)輔助工程（CAE）主要技術(shù)內(nèi)容1).有限元分析構(gòu)造線框、表面和立體幾何元素以及有限元網(wǎng)格自動生成，特別是復(fù)雜的三維模型有限元網(wǎng)格的自動劃分；定義各種載荷、物理和材料性能及邊界條件；對產(chǎn)品進(jìn)行多種快速而精確的分析計算，如結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性、強(qiáng)度、振動、熱變形、勢流分析等；考慮分析結(jié)果，如用深淺不同的顏色或等高線繪制來描述應(yīng)力場等。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)132).優(yōu)化設(shè)計:通過定義特性規(guī)范或約束條件（如載荷、材料強(qiáng)度、位移和自然頻率等），把握設(shè)計的功能極限，優(yōu)化設(shè)計方案。其關(guān)鍵是建立正確的數(shù)學(xué)模型。若研究對象可用數(shù)學(xué)描述，稱之為理論數(shù)學(xué)模型；否則可用函數(shù)擬合手段建立近似模型；也可運用仿真原理建立數(shù)學(xué)模型。模型確定后，便可選擇合適的優(yōu)化算法，如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃和最優(yōu)控制問題等求解。

優(yōu)化設(shè)計功能模塊可通過前、后處理器及數(shù)據(jù)庫與CAD系統(tǒng)集成在一起。前處理器生成幾何模型進(jìn)行顯示，并將參數(shù)傳遞到優(yōu)化設(shè)計程序進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果對原參數(shù)進(jìn)行修改，并將優(yōu)化后的設(shè)計結(jié)果顯示出來。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)143).動力學(xué)分析:對由一定數(shù)量零件通過各種方式聯(lián)結(jié)而成的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析，在系統(tǒng)動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)受到的外部激振和實際工作條件分析研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達(dá)到提高整個產(chǎn)品的動態(tài)性能的目的。

動態(tài)分析的主要理論基礎(chǔ):是模態(tài)分析和模態(tài)綜合理論。

具體研究內(nèi)容包括：系統(tǒng)固有特性分析和動力響應(yīng)分析。系統(tǒng)固有特性包括系統(tǒng)各階固有頻率、模態(tài)振型和模態(tài)阻尼比等參數(shù)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)15

分析的目的：一方面是為了避免系統(tǒng)在工作時發(fā)生共振或出現(xiàn)有害的振型，另一方面是為了對系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)分析；響應(yīng)分析是計算系統(tǒng)在外部激振力作用下的各種響應(yīng)，包括位移響應(yīng)、速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)。系統(tǒng)對外部激振的響應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力和動態(tài)位移，從而影響產(chǎn)品的使用壽命和工作性能，或產(chǎn)生較大的噪音。響應(yīng)分析的目的就是計算系統(tǒng)對各種可能受到的激振力的動力響應(yīng)，并將它控制在一定范圍內(nèi)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)162.9.1.3計算機(jī)輔助制造（CAM）的主要技術(shù)內(nèi)容

一般而言，CAM是指計算機(jī)在產(chǎn)品制造方面有關(guān)應(yīng)用的統(tǒng)稱，可有廣義CAM和狹義CAM之分。

廣義CAM指利用計算機(jī)完成從毛壞到產(chǎn)品制造過程中的直接和間接的活動。如下圖所示。其中，工藝準(zhǔn)備包含了計算機(jī)輔助工藝設(shè)計（CAPP），計算機(jī)輔助工裝設(shè)計與制造，計算機(jī)輔助數(shù)控編程（NCP），工時定額和材料定額的編制等內(nèi)容。中間以雙線箭頭關(guān)聯(lián)起來的是物流過程的運行控制，包括加工、裝配、檢驗、輸送、貯存等物流的過程控制。

廣義CAM也包含了質(zhì)量控制、生產(chǎn)控制等主要方面。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)17

狹義CAM常指工藝準(zhǔn)備或它的某些活動中應(yīng)用計算機(jī)來進(jìn)行。

CAM常指數(shù)控程序的編制。編程系統(tǒng)的類型，主要取決于輸入方式的不同，常用的有語言編程系統(tǒng)（常稱為自動編程系統(tǒng)，亦稱為批處理式編程）、交互圖形編程系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)手動數(shù)據(jù)輸入編程。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)18圖示廣義CAM示意圖產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)19

下圖是語言編程系統(tǒng)的工作過程。編程人員根據(jù)零件圖紙及工藝過程，用規(guī)定的數(shù)據(jù)語言—面向加工的專用語言來編寫零件源程序作為計算機(jī)的輸入。經(jīng)主信息處理和后置處理的結(jié)果可通過屏幕或繪圖儀進(jìn)行走刀軌跡的圖形模擬，以檢查刀位數(shù)據(jù)或加工程序的正確性。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)20數(shù)控語言手冊零件源程序工藝路線工藝參數(shù)零件圖數(shù)控機(jī)床主信息處理后置處理零件加工程序單圖形檢驗修改數(shù)控編程系統(tǒng)程序控制介質(zhì)計算機(jī)語言編程系統(tǒng)的工作過程產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)21

下圖是交互圖形編程系統(tǒng)的工作過程。

它通過圖像系統(tǒng)，以人與計算機(jī)實時對話的方式在計算機(jī)內(nèi)逐步生成零件圖形數(shù)據(jù)和走刀軌跡數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示其圖形，在此過程中，能對實際加工過程進(jìn)行計算機(jī)模擬。因此，直觀方面和便于修改是其優(yōu)點。

交互圖形編程系統(tǒng)不僅可用已有零件圖紙進(jìn)行編程，但更多的是適于CAD/CAM系統(tǒng)中零件的設(shè)計與數(shù)控編程集成化模式。這是因為CAD系統(tǒng)已將零件的設(shè)計程序予以存儲，可以直接調(diào)用這些設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)控程序的編制。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)22零件圖工藝路線工藝參數(shù)建立NC程序段人機(jī)交互編程繪制零件圖與毛坯圖決定工步、走刀路線、工藝參數(shù)確定刀具軌跡與順序后置處理數(shù)控機(jī)床交互數(shù)控編程系統(tǒng)控制介質(zhì)正確否？加工過程結(jié)束否？YYNN修改圖示交互圖形編程過程

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)23

手動數(shù)據(jù)輸入（MDI）編程方式與上述交互編程方式相似，不同的是，機(jī)床CNC系統(tǒng)本身具備編程能力，即編程人員與CNC裝置進(jìn)行實時對話，從而自動生成加工程序并存儲，當(dāng)加工時，調(diào)用CNC的控制部分進(jìn)行計算并控制機(jī)床。該方式的明顯特點是在加工現(xiàn)場進(jìn)行，省去了數(shù)控帶，NC機(jī)床不需單獨配備自動編程設(shè)備。故適用于單件生產(chǎn)及中小企業(yè)。而且，近年來已發(fā)展了不少能邊加工邊編程的（即在線編程）高性能CNC系統(tǒng)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)242.9.1.4算機(jī)輔助工藝設(shè)計（CAPP）的主要技術(shù)內(nèi)容

工藝設(shè)計（ProcessPlanning）是指將對產(chǎn)品（包括零件）的設(shè)計轉(zhuǎn)換為要把原材料制造成這樣的產(chǎn)品所需的一系列操作及資源需求的描述。如毛壞設(shè)計、加工方法選擇、工序設(shè)計、工藝路線制定和工時定額、材料定額計算等，其中工序設(shè)計又可包含工裝設(shè)計、工藝參數(shù)確定、機(jī)床與刀夾具選擇、必要的工序圖生成等。在傳統(tǒng)作業(yè)方式中，工藝設(shè)計表現(xiàn)為工藝人員編寫工藝文件（即工藝規(guī)程）。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)25

而以CIMS的觀點，計算機(jī)輔助工藝設(shè)計（CAPP）是把對產(chǎn)品本身進(jìn)行定義的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成面向制造的數(shù)據(jù)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。也可以說是處于信息流和物料流的“交匯點”。CAPP產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是企業(yè)實現(xiàn)科學(xué)管理和自動化生產(chǎn)的基本依據(jù)。CAPP系統(tǒng)按照工藝規(guī)程的產(chǎn)生原理可分為三種方法：

一是人機(jī)交互式，即由工藝人員進(jìn)行決策，計算機(jī)系統(tǒng)僅輔助生成與存儲工藝文檔，這可以說類似于最基本的計算機(jī)輔助繪圖CAD系統(tǒng)。二是派生式，即在成組技術(shù)的基礎(chǔ)上，按零件結(jié)構(gòu)和工藝的相似性，用分類編碼系統(tǒng)將零件區(qū)分為若干零件族，為每一族零件樹立一個樣件以及為此樣件編制典型工藝規(guī)程，并存儲在計算機(jī)中。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)26零件族矩陣文件典型工藝文件變異規(guī)則應(yīng)用程序檢索零件文件檢索典型工藝自動變異加工參數(shù)處理計算零件GT編碼及輔助信息輸入工藝規(guī)程格式化輸出工藝規(guī)程交互編程圖示：變異式CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)27

在編制新零件的工藝規(guī)程時，首先按其編碼信息識別所屬的零件族，調(diào)出該族的典型工藝規(guī)程，再經(jīng)過適當(dāng)修改與補(bǔ)充（或自動或交互式）獲得最終所需的工藝規(guī)程，其原理圖可見上圖。

三是創(chuàng)成式，即在預(yù)先設(shè)置的工藝知識庫與數(shù)據(jù)庫的支持下，根據(jù)零件定義信息，通過邏輯推理、公式和算法，由計算機(jī)系統(tǒng)自動地進(jìn)行工藝決策。下圖給出了一個創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

CAXA工藝圖表

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)28決策邏輯程序機(jī)床數(shù)據(jù)文件夾具數(shù)據(jù)文件刀工具文件切削數(shù)據(jù)文件機(jī)床選擇模塊夾具選擇模塊刀具選擇模塊切削參數(shù)選擇模塊零件加工順序生成模塊零件信息輸入模塊工藝生成及輸出模塊圖示：創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)29

人工智能技術(shù)在CAPP領(lǐng)域的應(yīng)用，使創(chuàng)成式CAPP達(dá)到了新的水平。下圖給出了一個CAPP專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖示CAPP專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)30

以上三種方式各有千秋：

創(chuàng)成式的自動化程度高，但是由于工藝知識的采集與表達(dá)、推理技術(shù)的局限，難以建立工藝過程的數(shù)學(xué)模型和通用算法，往往實現(xiàn)范圍有限，只能解決較為簡單的、特定環(huán)境下的某類特定零件的工藝自動設(shè)計。人工智能技術(shù)的應(yīng)用代表了一種發(fā)展趨勢，具有較強(qiáng)的生命力，但是由于知識表示與獲取、匹配沖突等問題至今仍未能完全解決，故多屬于研究與簡單應(yīng)用階段。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)31

變異式：是目前比較成熟的方法，在自動化程度與可變性方面均有所實現(xiàn)，但它是以已有的工藝為依據(jù)，即需要做大量系統(tǒng)開發(fā)前的準(zhǔn)備工作，如成組編碼系統(tǒng)的設(shè)計和零件族典型工藝庫的建立等等；又對新的工藝和零件類型依然存在適應(yīng)性差的缺點，尚不能適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)環(huán)境。

人機(jī)交互式：自動化程度雖不高，但能充分體現(xiàn)人的主觀能動性，可變性與可擴(kuò)展性好。

實際上，由于各個企業(yè)的情況千差萬別，工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度高低不一，實施CIMS的目標(biāo)也不盡相同。因此，目前眾多的CAPP系統(tǒng)往往不拘泥于上述三種方式中選其一，而是根據(jù)現(xiàn)實需要與可能性將不同方式的工作原理綜合應(yīng)用于CAPP系統(tǒng)的各個功能模塊中。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)32

早期的CAPP系統(tǒng)開發(fā)模式幾乎都是作為專用系統(tǒng)出現(xiàn)的，面對零件類型和企業(yè)環(huán)境的多樣性，以及同一工廠也可能存在的制造環(huán)境可變性，這種專用系統(tǒng)就缺乏必要的靈活性，而每次都開發(fā)專用型CAPP系統(tǒng)都要耗費大量的人力與資源。

因此，CAPP工具系統(tǒng)（或稱開發(fā)平臺）就成為該領(lǐng)域的熱點話題。

下圖給出了一個開發(fā)平臺型的CAPP系統(tǒng)開發(fā)模式簡圖。從圖中可以看出：CAPP系統(tǒng)的構(gòu)造平臺應(yīng)提供數(shù)據(jù)知識的存儲機(jī)制、表達(dá)形式或方法、通用的功能工具及模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)33CAPP應(yīng)用系統(tǒng)CAPP系統(tǒng)構(gòu)造平臺工藝決策/系統(tǒng)功能工具集知識表達(dá)數(shù)據(jù)模型應(yīng)用數(shù)據(jù)/知識圖示：開發(fā)平臺型CAPP產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)342.9.2產(chǎn)品開發(fā)過程中的信息集成

2.9.2.1CAD/CAM集成

CAD、CAM與CAE技術(shù)自50年代末，獨立發(fā)展，至70年代末，在國際上已出現(xiàn)許多性能優(yōu)良的、商品化的CAD系統(tǒng)、CAE系統(tǒng)或CAM系統(tǒng)。CAPP技術(shù)自70年代開始發(fā)展，至80年代末，國際上也推出了一些獨立的商品化的系統(tǒng)。至90年代中，國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了自行開發(fā)的CAD、CAM或CAPP軟件產(chǎn)品。

這些獨立發(fā)展的系統(tǒng)，長期以來主要著眼于解決自身的技術(shù)問題，如：CAD致力于用數(shù)學(xué)方法解決其幾何表示及處理技術(shù)，CAPP致力于工藝知識表示與處理技術(shù)，CAM致力于其輸入語言及多維加工軌跡的處理技術(shù)。盡管這些系統(tǒng)都分別對促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、分析計算、工藝計劃、數(shù)控編程的自動化發(fā)揮了不同程度的作用。然而，在這種“自動化孤島”的工作模式下，如圖所示，CAD系統(tǒng)輸出結(jié)果是紙面文件—產(chǎn)品圖紙和技術(shù)文檔；產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)35圖示獨立的CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞方式產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)36

對于CAPP系統(tǒng)，則需由人工花費較多的時間，把這些紙面文件轉(zhuǎn)換為CAPP所需的輸入數(shù)據(jù)，再輸入給CAPP系統(tǒng)，其輸出結(jié)果也是紙面文件—工藝規(guī)程；同樣，也得由人工花費較多的時間，把CAD和CAPP系統(tǒng)輸出的紙面文件轉(zhuǎn)換成CAM所需的輸入文件和數(shù)據(jù)（如數(shù)控語言源程序），然后輸入給CAM系統(tǒng)進(jìn)行處理，其輸出結(jié)果是數(shù)控程序清單和穿孔帶。

顯然，這些人工轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，影響了工程設(shè)計效率進(jìn)一步提高，花費了大量的人力和物力，造成資源和時間上的浪費；而且不能保證數(shù)據(jù)的一致性，容易因數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)換過程中的人為錯誤而引起不必要的損失。因此，自70年代起，人們首先就開始研究CAD與CAM間的數(shù)據(jù)自動傳遞或轉(zhuǎn)換問題，即CAD/CAM集成技術(shù)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)37

目前，數(shù)控編程與CAD的連接有多種途徑，下圖表示了四種連接途徑。第一條途徑即前述的人工實現(xiàn)方法。第二條途徑是將NC編程模塊作為CAD系統(tǒng)中的一個組成部分，因而可對零件設(shè)計和加工中的信息進(jìn)行集成處理，稱之為集成數(shù)控編程，目前是一個研究熱點。但由于數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用甚至早于CAD的應(yīng)用，出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，當(dāng)前采用較多的是第三條和第四條途徑。其中第四條途徑是通過CAD系統(tǒng)直接產(chǎn)生一個針對特定數(shù)控語言的零件源程序，由于這種方法的通用性差，所以實際中第三條途徑應(yīng)用的更多，即將CAD的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)接口的方式傳遞給數(shù)控編程系統(tǒng)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)38圖示CAD與CAM連接的各種途徑

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)39

下圖是數(shù)據(jù)編程（CAM）與交互圖形設(shè)計（CAD）技術(shù)直接相連生成零件NC程序的示意圖。

這里，零件的幾何圖形是用CAD軟件輔助生成的。然后，程序員可通過人機(jī)交互方式，利用簡單的命令對零件的幾何平面或元素進(jìn)行標(biāo)識，并輸入有關(guān)公差和材料等工藝數(shù)據(jù)，當(dāng)標(biāo)識和輸入完成后，系統(tǒng)即可自動生成數(shù)控編程語言。由于零件在屏幕上可按任意角度旋轉(zhuǎn)，或放大、或縮小，這些操作可幫助程序員全面考慮加工輪廓，正確選擇刀具并自動生成刀具軌跡。有的系統(tǒng)可由毛壞和成品的形狀自動確定走刀次數(shù)及切削用量等。還有的系統(tǒng)可自動生成適用于加工復(fù)雜曲面的三坐標(biāo)或五坐標(biāo)銑床的控制指令及銑削路徑。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)40

圖示CAD與CAM直接相連

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)41

下圖是數(shù)據(jù)編程與CAD通過中間數(shù)據(jù)文件相連的示意圖。

設(shè)計生成的圖形及其他數(shù)據(jù)以文件的方式存儲于數(shù)據(jù)庫中，然后經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換口將其轉(zhuǎn)換成所要求格式的數(shù)控程序，由于大部分CAD系統(tǒng)描述的工件從數(shù)學(xué)上講都是有界的，即定義的線和面是有限的；而大部分?jǐn)?shù)控加工語言描述的工件是無界的，即定義的線和面是無限的，因此CAM與CAD之間的轉(zhuǎn)換接口的重要任務(wù)是把有邊界的幾何模型與無邊界的數(shù)控程序連接起來。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)42圖示CAD與CAM間接相連

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)432.9.2.2CAD/CAPP/CAM集成方式

自80年代起，CAD，CAPP與CAM之間數(shù)據(jù)和信息的自動傳遞和轉(zhuǎn)換問題，即CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)引起極大的重視。因為很長時間以來，由于各自發(fā)展的著眼點不同，雖然它們彼此間具有數(shù)據(jù)的輸入或輸出的內(nèi)在關(guān)系，但都無法直接傳輸數(shù)據(jù)或共享信息。

CAD、CAPP、CAM的集成方式有很多種。

一種是采用專門格式的數(shù)據(jù)文件實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞（見下圖示）。這種方式只適用于小范圍內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)間的集成，而且盡量是在相同的開發(fā)環(huán)境中，和經(jīng)過分系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文件層次上實現(xiàn)系統(tǒng)間的互聯(lián)，以求簡潔、實用。用這種方式建立的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)無法實現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)的安全性和可維護(hù)性亦較差。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)44圖示用專門數(shù)據(jù)文件連接

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)45

隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，一個與計算機(jī)硬件平臺以及具體應(yīng)用軟件無關(guān)的中性文件概念被提了出來。

在中性文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，仍然屬于在數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上的系統(tǒng)間互聯(lián)和集成的方式（見下圖示）。各個有待于集成在一起共享數(shù)據(jù)的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)，都必須開發(fā)用于前置和后置處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口來解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入與輸出。

這些中性文件可以用一個通用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。因此，用這種方式建立起來的系統(tǒng)應(yīng)能在較廣泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)的安全維護(hù)。但是，各分系統(tǒng)不能直接操作數(shù)據(jù)庫來存取數(shù)據(jù)，而必須通過各種接口來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)文件，仍可能影響數(shù)據(jù)的一致性維護(hù)和數(shù)據(jù)的可靠性，并可能產(chǎn)生不必要的數(shù)據(jù)冗余。然而，這畢竟是比較容易實現(xiàn)的在各自獨立開發(fā)的分系統(tǒng)之間進(jìn)行信息集成的有效方式，也是目前比較多采用的方式。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)46

圖示基于中性文件的集成系統(tǒng)

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)47

以工程數(shù)據(jù)庫為核心實現(xiàn)系統(tǒng)集成是更高水平的數(shù)據(jù)共享和集成方式（下圖示）。

各應(yīng)用分系統(tǒng)通過用戶接口按工程數(shù)據(jù)庫要求直接存取數(shù)據(jù)或操作數(shù)據(jù)庫。在工程數(shù)據(jù)庫中不僅能操作結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而且應(yīng)能管理各類非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如NC代碼、工程圖紙、知識等。各類數(shù)據(jù)都由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)直接管理，達(dá)到比較理想的數(shù)據(jù)一致性、準(zhǔn)確性、及時性和共享性，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)可靠的維護(hù)和根據(jù)工作需要及時刷新，在系統(tǒng)中避免不必要的數(shù)據(jù)冗余、矛盾和沖突。但是目前還缺乏完全適合上述要求的工程數(shù)據(jù)庫實用產(chǎn)品，因此，用這種方式實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的集成仍屬比較困難和有待繼續(xù)研究的課題。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)48圖示：基于工程數(shù)據(jù)庫的集成方式產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)49

以上三種層次的集成方式都是從“數(shù)據(jù)”的角度來考慮應(yīng)用系統(tǒng)的集成，實際上工程技術(shù)人員在工作中運用了寶貴的知識與經(jīng)驗，因此有必要從知識的計算機(jī)化這樣的角度來探索應(yīng)用系統(tǒng)集成的方法。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)502.9.2.3基于成組技術(shù)的CAD/CAPP/CAM集成

在機(jī)械產(chǎn)品的零件中，有75%以上的零件具有不同程度的結(jié)構(gòu)和工藝的相似性。特別對于回轉(zhuǎn)體類零件以及結(jié)構(gòu)和工藝相對簡單的杠桿類、蓋板類等非回轉(zhuǎn)體類零件，以及軸類零件，其相似性程度較高，完全不需要每個零件都從點、線、面開始從頭設(shè)計，也不需要像對待全新零件一樣地從頭編制工藝規(guī)程和NC程序，以及照搬上述的集成方式。可以根據(jù)成組技術(shù)（GT）原理減少集成難度，實現(xiàn)如下圖所示的GT—CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)51

這種集成系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)庫中應(yīng)存儲有按相似性原則建立的產(chǎn)品族庫、部件（模塊）族庫和零件族庫；同時還存儲有與各族對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)工藝過程庫等，它們之間都能依據(jù)GT代碼連接起來，達(dá)到集成要求。

這種基于GT的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)不僅效率、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且充分體現(xiàn)了GT在促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計等方面實現(xiàn)系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的作用。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)52圖示基于GT的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)532.9.2.4基于特征造型的CAD/CAPP/CAM集成

傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)的計算機(jī)內(nèi)部模型主要致力于對幾何體的整體描述。然而，這種面向整體的描述方法所描述的幾何體是不能被CAPP系統(tǒng)和CAM系統(tǒng)自動地理解的。

例如，在CAPP中需要確定按什么順序去加工一個又一個的加工面（或稱為子幾何體、幾何單元），在CAM中需要確定刀具對子幾何體的加工運動軌跡。然而，整體描述式的計算機(jī)內(nèi)部模型無法將幾何體自動分解為一個一個的子幾何體，因此人的介入是無法避免的。這樣面向特征的造型技術(shù)也就應(yīng)運而生。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)54

這是一種既能以更接近人類思維方式幫助設(shè)計師進(jìn)行CAD設(shè)計，又能為CAPP、CAM系統(tǒng)所理解的計算機(jī)建模技術(shù)。由此可見，僅僅以幾何和拓?fù)涞男畔砻枋霎a(chǎn)品是無法滿足CAD/CAPP/CAM集成需要的，需要在更高的層次上構(gòu)造能表達(dá)某種工程意義的“基元”，即特征，來支持CAD/CAPP/CAM集成的目的。

特征是一個局部的概念，則具有工程意義大體素（幾何體局部）。它將整體式幾何體描述結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為局部式幾何體描述結(jié)構(gòu)。其拓?fù)潢P(guān)系簡單，再輔以簡單的規(guī)劃，便能容易地被計算機(jī)所理解。對于加工特征來說，它具有的工程意義就應(yīng)該是被切除的體積與形狀。下圖給出了一些加工特征的示例。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)55圖加工特征示例

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)56

基于特征的零件設(shè)計是設(shè)計毛壞進(jìn)行一系列的特征操作形成的。

設(shè)計過程中，形成零件的特征鄰接圖（下圖示）。圖中，MF為母面，即各特征的入面所在的面，加工時即為切入面。以母面特征為第一層特征，再把那些以第一層特征中的面作為母面的特征歸入第二特征，依此類推，此為分層設(shè)計。在進(jìn)行工藝規(guī)程設(shè)計時，選取母面下的各路徑遍歷，即可得出零件的整體結(jié)構(gòu)。在這樣的基于加工特征的零件模型上，就能由每個特征對應(yīng)的加工方法與數(shù)控程序段進(jìn)而組合成整個零件的加工工藝與數(shù)控程序。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)57圖示零件的特征鄰接圖

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)58

下圖是一個基于特征造型的箱體零件CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)實例的示意圖。

該系統(tǒng)的三個分系統(tǒng)中，CAD與CAM分系統(tǒng)是對商品化的基于幾何造型的CAD/CAM軟件進(jìn)行二次開發(fā)而成的，CAD具有特征定義與編程功能。

PRTF是商品化CAD/CAM軟件中內(nèi)部的數(shù)據(jù)文件，記錄零件的幾何實體信息，由CAD/CAM軟件內(nèi)部直接傳遞給CAM模塊。

DNF是零件特征數(shù)據(jù)文件。CAPP分系統(tǒng)是自主開發(fā)的軟件，MNF是CAPP輸出的零件工藝計劃數(shù)據(jù)文件。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)59圖示基于零件特征模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)60

目前，實現(xiàn)零件特征建模主要有以下幾種途徑：

重構(gòu)幾何體建?！@是采用用戶自定義特征，在基體上實施布爾運算來獲取零件特征模型。因為用戶自定義特征常常是制造特征，因此不可避免地約束了設(shè)計人員的思維活動；

特征識別—是從傳統(tǒng)CAD的實體模型中識別出下游生產(chǎn)活動（如CAPP）所需要的特征信息。特征識別技術(shù)雖已研究多年，但是能通過自動識別而提取到的特征仍很有限，且無法識別交互性特征；產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)61

基于特征的設(shè)計—理論上允許采用任何種類的特征進(jìn)行設(shè)計，但由于產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計選用的特征可能不一致，在很多情況下，用戶仍需建立特征造型的后置處理系統(tǒng)來實現(xiàn)CAD與CAPP或CAM的信息集成；特征映射—利用各種映射原理和方法實現(xiàn)不同特征集成之間的特征信息轉(zhuǎn)換。例如可將設(shè)計特征集當(dāng)中的設(shè)計特征映射為各種應(yīng)用特征集當(dāng)中的應(yīng)用特征。這種方法能有效地解決特征交互問題。

基于特征造型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)以及相關(guān)的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)均是當(dāng)前本領(lǐng)域的研究前沿。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)62基于PDM平臺CAD/CAPP/CAM的集成

為了適應(yīng)變化迅速的市場需求，為了提高競爭力，現(xiàn)代的制造企業(yè)必須實現(xiàn)TQCS。與此同時，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到進(jìn)步。二十多年來的實踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，進(jìn)行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。而成功運用CAD／CAPP／CAM等新技術(shù)成為企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的有力工具，使新產(chǎn)品的開發(fā)周期由過去幾年開發(fā)一個到現(xiàn)在一年開發(fā)幾十種，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)63目前，已有許多性能優(yōu)良的商品化的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)。這些獨立的系統(tǒng)分別在產(chǎn)品設(shè)計自動化、工藝過程設(shè)計自動化和數(shù)據(jù)編程自動化方面起到了重要的作用。但是，采用這些各自獨立的系統(tǒng)，不能實現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動化傳遞和交換。新技術(shù)運用隨機(jī)產(chǎn)生了新的矛盾，原有的管理體系所代表的生產(chǎn)關(guān)系已無法適應(yīng)新技術(shù)的要求，作為孤島智能技術(shù)，僅從企業(yè)生產(chǎn)的各個側(cè)面來提高效率，效果是有限的。企業(yè)要從整體上提高效率、改進(jìn)技術(shù)、優(yōu)化管理、降低成本，必須利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將各種計算機(jī)輔助技術(shù)集成起來，構(gòu)筑起企業(yè)級的信息集成系統(tǒng)，這樣才能從根本上改變企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)管理的低效率，同時促進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和人員素質(zhì)的提高，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會效益雙豐收。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)64PDM是CAD/CAPP/CAP的集成平臺

PDM是一門用來管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息(包括零件、配置、圖檔、CAD文件、結(jié)構(gòu)、權(quán)限等)和所有與產(chǎn)品相關(guān)的過程(包括工作流程、更改流程等)的技術(shù)。

它能有效地將產(chǎn)品數(shù)據(jù)從概念設(shè)計、計算分析、詳細(xì)設(shè)計、過程設(shè)計、加工制造、試驗驗證、銷售維護(hù)直至產(chǎn)品消亡的整個生命周期內(nèi)及其各階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照一定的數(shù)學(xué)模式加以定義、組織和管理，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)在其整個生命周期內(nèi)一致、最新、共享和安全。

它提供產(chǎn)品全生命周期的信息管理，在企業(yè)為產(chǎn)品的設(shè)計與制造建立了一個并行化的協(xié)作環(huán)境。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)65PDM作為工程領(lǐng)域的信息集成框架，它為產(chǎn)品數(shù)據(jù)及過程管理、為并行化產(chǎn)品設(shè)計、為CAD／CAPP／CAM系統(tǒng)的集成提供了必要的支撐環(huán)境。目前，PDM系統(tǒng)是最好的3C集成平臺。它可以把與產(chǎn)品有關(guān)的信息統(tǒng)一管理起來，并將信息按不同的用途分門別類地進(jìn)行有條不紊的管理。不同的CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)都可以從PDM中提取各自所需要的信息，再把結(jié)果放回PDM中，從而真正實現(xiàn)3C集成。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)66CAD/CAPP/CAM與PDM的集成分析

由于在一個企業(yè)中，可能存在著不同的CAD，CAPP，CAM系統(tǒng)或這些系統(tǒng)的不同版本，也可能存在這些系統(tǒng)與供應(yīng)商、不同合作商之間的產(chǎn)品模型信息交換，同時還可能存在每天由CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)和文檔。

在這樣復(fù)雜的環(huán)境中，PDM作為集成平臺，一方面要為CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理與協(xié)同工作的環(huán)境，同時還要為CAD/CAPP/CAM的運行提供支持。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)67CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的二維圖紙、三維模型、零部件的基本屬性、產(chǎn)品明細(xì)表、產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系、產(chǎn)品數(shù)據(jù)版本及其狀態(tài)等，需要交由PDM系統(tǒng)來管理，而CAD系統(tǒng)也需要從PDM系統(tǒng)獲取設(shè)計任務(wù)書、技術(shù)參數(shù)、原有零部件圖紙、資料以及更改要求等信息。CAPP系統(tǒng)產(chǎn)生的工藝信息，如工藝路線、工序、工步、工裝夾具要求以及對設(shè)計的修改意見等，交由PDM進(jìn)行管理，而CAPP也需要從PDM系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品模型信息、原材料信息、設(shè)備資源信息等。CAM則將其產(chǎn)生的刀位文件、NC代碼交由PDM管理，同時從PDM系統(tǒng)獲取產(chǎn)品模型信息、工藝信息等。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)68產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)69CAD與PDM的集成分析

CAD與PDM的集成是具體實施中要求最高、難度最大的一環(huán)。其關(guān)鍵在于需保證CAD的數(shù)據(jù)變化與PDM中的數(shù)據(jù)變化的一致性。從用戶考慮，CAD與PDM的集成應(yīng)達(dá)到真正的緊密集成。CAD與PDM的應(yīng)用封裝只解決了CAD產(chǎn)生的文擋管理問題。零部件描述屬性、產(chǎn)品明細(xì)表需要通過接口交換倒入PDM。同時，通過接口交換，實現(xiàn)PDM與CAD系統(tǒng)間上述數(shù)據(jù)的雙向異步交換。但是，這種交換仍然不能完全保證接口數(shù)據(jù)在CAD與PDM中的一致性。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)70

所以要真正解決這一問題，必須實現(xiàn)CAD與PDM之間的緊密集成，及在CAD與PDM之間建立共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)互操作，保證CAD中的修改與PDM中的修改的互動性和一致性，真正做到雙向同步一致性。

CAPP與PDM的集成分析

CAPP與PDM之間除了文檔交流還要從PDM系統(tǒng)中獲取設(shè)備資源信息、原材料信息等。而CAPP產(chǎn)生的工藝信息也需要分成基本單元存放于工藝信息庫中。產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)71

所以CAPP與PDM之間的集成需要接口交換，及在實現(xiàn)應(yīng)用封裝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)信息交換接口，使CAPP系統(tǒng)可通過接口從PDM中直接獲取設(shè)備資源、原材料信息的支持，并將其產(chǎn)生的工藝信息通過接口直接存放于PDM的工藝信息庫中。CAM與PDM的集成分析

由于CAM與PDM系統(tǒng)之間只有刀位文件、NC代碼、產(chǎn)品模型等文檔信息的交流，CAM與PDM之間采用應(yīng)用封裝就可以滿足二者的集成要求。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)72

PDM平臺下CAD／CAPP／CAM的集成模式主要有三種：1封裝模式

封裝的內(nèi)容包括應(yīng)用工具本身以及由這些應(yīng)用工具產(chǎn)生的文件兩方面，及PDM對這兩方面都要管起來。封裝可以使數(shù)據(jù)和操作具有統(tǒng)一的模型界面和邏輯的獨立性。作為一個集成平臺，PDM具有對CAD／CAPP／CAM的封裝能力，并對其封裝性提供從一種應(yīng)用轉(zhuǎn)換到另一種應(yīng)用的功能。當(dāng)PDM系統(tǒng)封裝CAD／CAPP／CAM時，在PDM系統(tǒng)中可以直接激活相應(yīng)的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)，并使不同的3C系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享，對他們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并在PDM系統(tǒng)中將圖形文件顯示為相應(yīng)的實際圖形；同樣，在3C系統(tǒng)中也可以直接進(jìn)入PDM系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理操作，而無需退出原來的系統(tǒng)，重新進(jìn)入另一個系統(tǒng)。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)73

例如：當(dāng)一個二維CAD系統(tǒng)被分裝后，在PDM系統(tǒng)中就可以查到這個工具對象并直接啟動它，然后進(jìn)行設(shè)計繪圖，當(dāng)設(shè)計結(jié)束后，所獲得的圖形文件可自動在PDM系統(tǒng)中存儲和管理。如需要對圖形進(jìn)行修改，則可在PDM系統(tǒng)中找到該圖形文件，用鼠標(biāo)就可啟動該二維CAD系統(tǒng)，進(jìn)行圖形修改。封裝模式可以滿足以文件形式生成的所有數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)需求。即PDM只能管理應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的文件整體，而不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，如特征、參數(shù)以及裝配數(shù)據(jù)等。因此，封裝不能操作文件內(nèi)部的具體數(shù)據(jù)，而PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置模塊必須了解產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系，所以，PDM系統(tǒng)對這類信息不能采用封裝的模式，必須應(yīng)用接口交換或系統(tǒng)緊密集成兩種不同的模式。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)742接口交換模式

程序接口交換模式是一種比封裝集成更加緊密、自動化程度更高、無需用戶直接參與的集成模式，它把應(yīng)用系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)之間需要共享的數(shù)據(jù)模型抽取出來，把它定義到PDM的整體模型中去，這樣，在PDM與應(yīng)用系統(tǒng)間就有了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。PDM就能與3C系統(tǒng)之間實現(xiàn)文件內(nèi)部數(shù)據(jù)自動交換。這種集成的特點是：在應(yīng)用封裝的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)間共享數(shù)據(jù)模型的指導(dǎo)下，通過數(shù)據(jù)交換接口，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的某些數(shù)據(jù)對象自動創(chuàng)建到PDM系統(tǒng)中，或從PDM系統(tǒng)中提取應(yīng)用系統(tǒng)需要的某些數(shù)據(jù)對象，使二者保持異步一致。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)75

例如：產(chǎn)品設(shè)計中的二維圖形軟件不能生成裝配樹，而三維實體造型軟件雖然能夠生成產(chǎn)品的裝配樹，但與PDM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹無關(guān)，這樣PDM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹往往仍需要手工編制。為了實現(xiàn)PDM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹由3C系統(tǒng)中的裝配樹自動生成，并從PDM提取最新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系，去修改3C的裝配文件，保持兩者之間的數(shù)據(jù)一致性，通過編制接口程序來完成。

PDM作為一種能夠支持多種CAD軟件的通用管理平臺，采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息接口，建立PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與多種CAD軟件之間的聯(lián)系。這樣，在接口開發(fā)過程中，既要了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在CAD系統(tǒng)中的組織形式，也要了解在PDM系統(tǒng)中的組織形式，然后做好雙向轉(zhuǎn)換。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)763緊密集成模式

緊密集成是每個實施PDM的企業(yè)所期盼的目標(biāo)，在這種集成方式下，不同應(yīng)用成了PDM系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，它們之間不僅可以共享數(shù)據(jù)，還可以共享操作服務(wù)，PDM具有對各種類型的信息提供全自動的雙向相關(guān)信息的交換，包括產(chǎn)品信息、特征信息、參數(shù)和面向應(yīng)用對象的信息等。在3C各個孤島技術(shù)系統(tǒng)上能使用所有的PDM功能，使用戶在統(tǒng)一定義的系統(tǒng)環(huán)境里工作，真正實現(xiàn)一體化。應(yīng)用緊密集成模式時，需要詳細(xì)分析3C的圖形信息和PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，制定統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，這樣，當(dāng)其中一個結(jié)構(gòu)關(guān)系發(fā)生變化，則另一個自動隨之進(jìn)行調(diào)整，從而始終保持3C的裝配關(guān)系與PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一致性。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)77

PDM是構(gòu)筑在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的集成平臺，以一個共享數(shù)據(jù)庫為中心，可以跨越操作系統(tǒng)平臺與應(yīng)用軟件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)多平臺的信息集成。建立在PDM上的CAD/CAPP／CAM集成體系，充分利用了其對數(shù)據(jù)和軟件集成的特點，已成為了企業(yè)實現(xiàn)信息集成的不可缺少的環(huán)境平臺，隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化制造的復(fù)雜環(huán)境對PDM又提出了新的要求，建立網(wǎng)絡(luò)化制造的PDM系統(tǒng)將成為下一步研究的熱點。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)78汽車業(yè)CAD/CAM/CAE系統(tǒng)選型趨向

汽車工業(yè)一直是CAD/CAM/CAE系統(tǒng)應(yīng)用的先鋒。CAD技術(shù)的應(yīng)用，有效地推動了汽車制造業(yè)的前進(jìn)；汽車業(yè)的需求也極大地帶動了CAD技術(shù)的發(fā)展。多年來，汽車業(yè)的選型趨向一直是CAD/CAM/CAE技術(shù)發(fā)展的晴雨表，也是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點。因此，重溫近幾年來汽車業(yè)巨子的選型過程，了解他們應(yīng)用CAD/CAM/CAE技術(shù)的現(xiàn)狀，無疑會對國內(nèi)CAD用戶的選型決策起到重要的參考作用。

隨著汽車產(chǎn)量的大幅度提升和保有量的相對固定，導(dǎo)致競爭加劇，使得每輛汽車的利潤大幅度下滑。如何在提高質(zhì)量的前提下，在產(chǎn)品開發(fā)的每一個環(huán)節(jié)上降低成本，成為汽車制造商孜孜以求的目標(biāo)。而競爭的加劇，則更要求汽車制造商要更快地將高質(zhì)量的新車型推向市場。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)79汽車制造業(yè)是技術(shù)密集型和勞動密集型產(chǎn)業(yè)。為降低生產(chǎn)成本和減少污染，汽車制造商往往將勞動含量高、技術(shù)含量低的配件廠建在海外。因此，協(xié)同開發(fā)、數(shù)據(jù)共享又成為了制約產(chǎn)品上市周期的重要因素。進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代以后，CAD技術(shù)的應(yīng)用成本相對于二十多年前來說，已不算太高，而產(chǎn)品開發(fā)的成本卻在不斷上升，其中開發(fā)工程師的成本上升的尤為明顯。因此，基于以上考慮，易學(xué)好用、設(shè)計/分析/制造一體化的軟件一直備受企業(yè)的青睞；同時，支撐整個企業(yè)產(chǎn)品信息的框架式軟件──產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM），也逐漸為眾多的汽車制造商所接受。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)80近幾年來，面對居高不下的生產(chǎn)成本和日漸削減的利潤，汽車制造商們發(fā)現(xiàn)盲目地引進(jìn)種類繁多的、大量的軟件未必能解決企業(yè)正在面臨的問題。徹底改造研發(fā)環(huán)境才是真正的出路。于是各大汽車制造商面向整個企業(yè)信息系統(tǒng)的改造計劃都在緊鑼密鼓地蘊釀之中。以下為幾個主要的汽車制造商所提出的計劃：

福特：“福特2000年”，C3P項目；

馬自達(dá)：“數(shù)字改造計劃”；

日產(chǎn)：“業(yè)務(wù)過程革新”；

雷諾：“產(chǎn)品設(shè)計及生產(chǎn)環(huán)境重組”；

日野：“并行工程計劃”等等。

下面重點以福特汽車公司的軟件選型為例，重溫這個引起全球業(yè)界震動的典型案例。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)81

1993年，福特汽車公司制定了面向21世紀(jì)的“福特2000年”長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，決定徹底改造自己的計算機(jī)應(yīng)用狀況。福特的目標(biāo)是：一個新車型的開發(fā)周期從目前的36個月縮短到18個月乃至12個月；新車開發(fā)的后期設(shè)計修改減少50%；原型車制造和測試成本減少50%；投資收益提高30%。福特希望用一個產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）把計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助工程分析（CAE）、計算機(jī)輔助制造（CAM）集成起來，融匯到一個遍布全球的公用數(shù)據(jù)系統(tǒng)之中，即C3P（CAD/CAM/CAE/PDM）。這是C3P概念在整個業(yè)界第一次正式提出。

產(chǎn)品開發(fā)過程中的計算機(jī)輔助技術(shù)82

歷經(jīng)各個歷史階段的選型與積累，福特內(nèi)部使用著多種CAD系統(tǒng)：大量的CADDS5與CATIA，還有一些PTC公司和SDRC公司的產(chǎn)品，主