教学章节

第八章 CAD/CAM技术集成（新技术和最新成果）

一、教学内容

计算机集成制造系统

反求工程

网络制造系统

PDM

二、教学目标

1.了解CIMS的产生背景及其历史意义；

2.掌握CIMS的基本概念、基本结构和其控制结构；

3.反求工程的理解和应用；

4.网络制造系统的理解和应用；

5、了解基于PDM的集成。

三、教学重点

1.CIMS的基本概念、基本结构和其控制结构的理解；

2.反求工程的基本原理和网络制造系统的的发展、应用。

四、教学难点

制造方法的前沿知识的理解

五、教学思路和方法

[教学思路设计]  综合运用讲授、演示，对比学习。

[教学资源]  多媒体课件

[教学安排] 100分钟

六、教学内容和过程：

详细教学过程和内容

一、新课导入（5～10分钟）

新课导入：计算机在制造业中应用的推广→计算机集成制造、反求工程等。

  二、讲解与示范（85～90分钟）

（一）计算机集成制造系统

1.计算机集成制造产生的技术及经济背景

随着现代制造技术的发展，计算机在制造业中的应用也从制造、设计到经营管理，渗透到制造企业的每一个角落。其发展在20世纪80年代后尤为突出，具体表现在：

（1）制造业产品的市场已由各国或局部地区转变成世界市场。

（2）市场的需求，不仅是产品多样化和型号、规格的日益增加，批量减小。市场主要是买方市场，并有相对稳定市场变成动态多变市场。

（3）产品生产周期，即产品更新换代的时间愈来愈短。

（4）在国内外市场上产品的竞争主要表现在质量、价格、交货期的竞争空前激烈。

2.计算机集成制造（CIM）的基本概念

1973年，美国的哈林顿首先提出了计算机集成制造（Computer  Integrated Manufacturing，CIM）的概念。这个概念包括两个要点：
    （1）从功能上，一个制造企业的全部生产和经营活动，从市场预测、产品设计、制造装配、经营管理到售后服务是一个整体，要全面统一地加以考虑；
    （2）从信息上，整个生产过程实质上是一个数据采集、传送和处理决策的过程，最终形成的产品可以看作是数据（信息）的物质表现。
     由此达到的结论是，必须从功能上和信息上将企业的各个职能领域及其业务流程集成为一个有机的整体，才能对市场新出现的需求做出快速相应，并保证企业效益的总体优化。两个基本观点的实质内容，即CIM首先是信息（数据）的集成，重点是集成。
     经过近二十年的实践，尽管不同的开发者和计算机公司有不同的侧重，因而提出的计算机集成制造系统（CIMS）的模式各有不同的内涵和外延。但一般可将CIMS理解为如下的含义：CIMS是利用计算机、制造技术、管理、自动控制和网络技术等多种技术将制造企业中从市场分析、产品设计制造、生产管理直到售后服务等整个生产过程中的信息进行统一处理，并对所属的各个子系统的功能进行集成，通过信息集成和功能集成，实现企业的总体优化。

3.CIMS的构成

计算机集成制造系统CIMS是基于CIM原理而组成的现代制造系统。

CIMS一般由4个功能分系统和两个支撑系统组成。

CIMS的系统组成图

4.CIMS的递阶控制结构

CIMS的控制系统一般采用分级控制结构，即递阶控制结构。

CIMS 5级递阶控制结构：

（1）工厂层控制系统

（2）车间层控制系统

（3）单元层控制系统

（4）工作站层控制系统

（5）设备层控制系统

5.我国CIMS技术的现状

我国CIMS已经形成一个较为完整的技术体系，包括系统总体技术、设计自动化技术、制造自动化技术、经营管理决策技术及制造平台技术等。而且CIMS在许多方面已经取得了骄人成果，但也存在若干问题：

（1）确定基础与提高

（2）做好CIMS的试点与推广

（3）处理好局部集成与企业整体集成的关系

（4）CIMS与CIM概念仍在发展

（二）反求工程及网络制造系统

1.反求工程

（1）反求工程的理解

反求工程是以先进产品设备的实物、软件或影像等作为研究对象，应用现代设计方法学原理、生产工程学、材料学和有关知识进行系统地分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的系统工程技术。

目前，反求工程的应用主要集中在实物反求方面。反求工程技术和其他设计技术的有机组合构成了现代设计理论和方法的整体。

（2）反求工程技术的研究特点

要求全面。除了要求工程技术人员要具有基础理论和有关专业的理论和知识外，还要求具有系统工程、价值工程、优化设计、工业造型等关键技术。

（3）反求工程的设计程序

反求分析→反求设计→反求工程的设计程序

（4）反求工程技术的研究方法

①软件反求设计法

②影像反求设计法

③实物反求设计法

与其它两种设计法相比，实物反求设计法的特点：

①具有直观、形象的实物；

②对产品功能、性能、材料等均可进行直接实验分析。求得详细的设计参数。

③对机器设备能进行直接测验，以求得尺寸参数；

④仿制产品起点高，设计周期可大大缩短；

⑤引进的样品即为所设计产品的检验标准。

2.网络制造系统

（1）网络化制造的涵义：面对市场机遇，针对某一特定产品，利用以英特网为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智力资源和各种核心能力，迅速地组合成一种没有围墙、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体，以便快速推出高质量、低成本的新产品。

网络联盟企业：通过分散网络化制造的实施，企业的组织结构将从金字塔式的多层次模式向分布式网络化的扁平式转化，建立联盟式的制造体系，称作网络联盟企业。

（2）发展网络化制造模式是未来企业的要求，它使企业更具有竞争优势。

（3）网络联盟企业的组织特征

①动态性

②合作关系贯穿于整个产品价值链

③充分应用现代化通信技术、电子网络连接

④参与企业组织上的扁平化

⑤参与企业风险共担、利益共享、资源共享

⑥建立、解散合作关系的灵捷性

3、基于PDM的集成

(1) PDM的定义

PDM技术最产生于20世纪80年代初，是为了解决大量工程图样、技术文档管理的困境而出现的一项产品数据管理技术。

PDM是一种管理所有与产品相关的信息和过程的技术。与产品相关的信息，即描述产品的各种信息，包括CAD/CAM文件、物料清单（BOM）、产品结构配置、产品规范、电子文档、产品订单、供应商清单、存取权限、审批信息等；与产品相关的过程，即产品生产工作过程流程的定义与管理，包括加工工序、加工指南、工作流程、信息的审批和发放过程、产品的变更过程等。

PDM以软件为基础，以产品为核心，将产品设计、工艺规划、生产制造和质量管理等方面的信息集成在一起，对产品的整个周期内的数据进行管理。PDM为实现企业信息的集成提供了信息传递的桥梁和平台，在这个平台上可以集成或封装CAD、CAPP、CAM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门别类地进行信息的集成管理，所有信息传递和交换都通过PDM平台来完成，而CAD、CAPP、CAM之间无需直接发生联系，从而实现真正意义上的CAD/CAPP/CAM无缝集成。

(2) 基于PDM平台的CAD/CAM集成

基于PDM的CAD/CAM应用系统集成可以有多种不同的集成模式，按集成的水平不同，可分为三个层次。

（a）应用封装

基于PDM的应用封装的目的是实现不同应用系统间文件信息集成。应用封装的内容包括应用系统本身以及由这些系统产生的文件。应用封装的特点是：一方面，PDM系统能自动识别、存储并管理由应用系统产生的文件；另一方面，被存储的文件在PDM激活时，可启动相应的应用工具，并可对原文件进行编辑修改。

当一个CAD系统采用应用封装被集成系统中时，在PDM中就可以查到这个系统并执行该系统；当CAD系统使用结束后，所获得的图形文件可自动在PDM系统中存储和管理。当需要对图形文件进行修改时，则可在PDM中找到该图形，打开该文件就可以进行修改。

通过应用封装进行应用系统的集成，简单方便、易于实现。但应用封装只能满足文件整体共享的应用集成，即PDM只能管理应用系统产生的文件整体，不能管理文件内部的数据。当数据共享必须处理各应用系统生成的内部数据关系时，应用封装就不能满足集成的需要，这时就要采用接口交换或紧密集成的模式。

（b）接口交换

接口交换是一种更高层次的集成模式，它把应用系统与PDM系统之间需要共享的数据模型抽取出来，定义到PDM的整体模型中去。这样在PDM与应用系统之间就有了统一的数据结构。每个应用系统除了拥有共享的数据模型之外，还可以拥有自己私有的数据模型。接口交换的特点是在应用系统与PDM系统间共享数据模型的指导下，通过数据交换接口，使应用系统的某些数据对象自动创建到PDM系统中去，或从PDM系统中提取应用系统需要的某些数据对象，使二者保持异步一致。

如在三维CAD系统与PDM系统的集成中，除了管理三维CAD系统产生的文件外，还可从三维CAD系统生成的装配树中获取零件的标识、名称和数量等描述信息及结构层次关系信息，通过接口传递到PDM系统，在PDM系统中建立产品结构树；或者从PDM中的产品结构树中提取最新的产品结构关系，通过接口去修改CAD系统中的装配树，使二者保持异步一致。这样，在接口开发过程中，既需要了解产品结构在CAD系统中的组织形式，也要了解在PDM系统中的组织形式，做好双向装换；在操作界面上，CAD中要有PDM的功能菜单，PDM中也要有CAD的功能菜单。因此接口交换模式实现的难度高于应用封装。

（c）紧密集成

紧密集成中，不同应用系统成为PDM系统的有机组成部分，它们之间不仅可以共享数据，还可共享操作服务，形成更紧密的集成。这样在开发过程中，首先针对共享的数据，在应用系统与PDM系统之间建立一种互动的共享信息模型，使得在应用系统或PDM系统中创建或修改共享数据时，会使另一方自动修改，保证双方数据的一致性。其次，在应用系统中需加入PDM中有关的数据对象编辑功能，这样在应用系统中编辑某一对象时，在PDM中也能对该对象进行自动修改。

紧密集成是实施PDM企业所希望达到的目标，要真正实现这种集成，在技术上取决于应用系统与PDM系统双方的开放型及对系统内部结构了解的详细程度，同时需要有较大的资金投入。目前做到既密集成的事EDS公司的CAD/CAM软件UG和它的PDM软件IMAN，其应用系统与PDM源于一家。

(3) 基于PDM的集成系统组成

以PDM为集成平台，包括CAD、CAPP、CAM三个主要功能模块的集成系统示意图。

CAD/CAPP/CAM与PDM的集成系统

从图中可以看出，CAM与PDM系统之间只有刀位文件、NC代码、产品模型等文档信息的交流，所以CAM与PDM之间采用应用封装来满足二者之间信息集成的要求。

CAPP与PDM之间除了文档交流外，CAPP系统的运行还需从PDM系统获取设备资源信息、原材料信息等。而CAPP产生的工艺信息为了支持制造资源规划或车间控制单元的集成，也要存放在工艺信息库中，供PDM与制造资源规划集成之用。所以CAPP与PDM之间的集成需要接口交换，即在实现应用封装的基础上，进一步开发接口交换，使CAPP系统可通过接口从PDM中直接获取设备资源、原材料信息的支持，并将其产生的工艺信息通过接口直接存放于PDM的工艺信息库中。

CAD系统产生的二维图、三维模型、装配模型、零部件属性、产品明细表、产品数据版本及其状态等交由PDM管理，而CAD系统又从PDM系统获取设计任务书、技术参数、零部件资源、更改要求等。CAD与PDM采用应用封装只能解决CAD产生的文档管理问题。零部件属性、产品明细表则需通过接口交换实现数据双向异步交换。但是，这种交换仍然不能完全保证产品结构数据在CAD与PDM中的一致性。要解决这一问题，必须实现CAD与PDM之间的集密集成。即在CAD与PDM建立互动的共享信息模型，保证CAD中的修改与PDM中的修改的一致性和互动性。目前，这种紧密集成仍有一定的难度，一个PDM系统只能与一两家CAD产品达到紧密集成。