計算機(jī)輔助制造課件 第一章

第1章計算機(jī)輔助制造概述機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械制造系

劉德福2023年3月25日第1章計算機(jī)輔助制造概述1.1CAD/CAM的基本概念1.2CAD/CAM系統(tǒng)的主要任務(wù)1.3CAD/CAM技術(shù)發(fā)展簡史與應(yīng)用現(xiàn)狀1.4CAD與CAM之間的聯(lián)系1.5計算機(jī)輔助制造內(nèi)涵擴(kuò)展1.1CAD/CAM的基本概念1.1.1CAD/CAM的概念1.1.2產(chǎn)品設(shè)計制造過程與CAD/CAM1.1.3CAD/CAM系統(tǒng)的工作過程1.1.4CAD/CAM的應(yīng)用意義1.1.1CAD/CAM的概念計算機(jī)輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign,簡稱CAD）是指工程技術(shù)人員以計算機(jī)為輔助工具，完成產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)思和論證，產(chǎn)品總體設(shè)計，技術(shù)設(shè)計，零部件設(shè)計，有關(guān)零件的強(qiáng)度、剛度、熱、電、磁的分析計算和產(chǎn)品圖繪制等工作。一般認(rèn)為CAD系統(tǒng)應(yīng)包括如下功能：草圖設(shè)計、零件設(shè)計、工程分析、裝配設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換等。

CADCAD系統(tǒng)功能模型新產(chǎn)品開發(fā)計劃產(chǎn)品要求性能規(guī)定（輸入）設(shè)計知識數(shù)據(jù)庫CAD軟件計算機(jī)硬件（軟硬件環(huán)境）零件圖、裝配圖產(chǎn)品設(shè)計文件零件信息文件（輸出）1.1.1CAD/CAM的概念狹義CAM通常是指計算機(jī)輔助數(shù)控加工程序的編制，包括刀具路徑規(guī)劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真、NC代碼生成以及與數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置的軟件接口等

廣義CAM一般是指利用計算機(jī)輔助完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造整個過程的活動，包括工藝過程設(shè)計、工裝設(shè)計、NC自動編程、生產(chǎn)作業(yè)計劃、生產(chǎn)控制、質(zhì)量控制等。

CAM工藝路線文件工藝內(nèi)容文件零件信息（輸入）加工設(shè)備數(shù)據(jù)庫CAM軟件計算機(jī)硬件（軟硬件環(huán)境）NC加工程序NC監(jiān)測程序（輸出）狹義CAM系統(tǒng)功能模型1.1.2產(chǎn)品設(shè)計制造過程與CAD/CAM下圖給出了產(chǎn)品設(shè)計制造過程所包括的產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理和產(chǎn)品制造四個階段。這是一個串行的過程鏈，但在實(shí)際生產(chǎn)中，有些過程是并行進(jìn)行的。如：在產(chǎn)品設(shè)計時，就要考慮產(chǎn)品的可制造性；產(chǎn)品制造過程中，則始終有生產(chǎn)管理的要求。方案設(shè)計總體設(shè)計工程分析與計算零件設(shè)計圖紙繪制產(chǎn)品設(shè)計工藝過程設(shè)計毛坯設(shè)計工裝設(shè)計工藝設(shè)計作業(yè)計劃編制物料管理制造資源管理生產(chǎn)管理數(shù)控編程及仿真數(shù)控加工常規(guī)加工質(zhì)量控制產(chǎn)品裝配產(chǎn)品制造產(chǎn)品調(diào)試產(chǎn)品設(shè)計與制造過程計算機(jī)輔助繪圖，簡稱CAG計算機(jī)輔助工程分析，簡稱CAE計算機(jī)輔助工藝設(shè)計，簡稱CAPP計算機(jī)輔助數(shù)控編程，簡稱NCP制造資源計劃，簡稱MRPII企業(yè)資源計劃，簡稱ERP計算機(jī)輔助質(zhì)量控制，簡稱CAQ產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，簡稱PDM虛擬設(shè)計，簡稱VR-CAD虛擬制造，簡稱VM有代表意義的

CAD/CAM單項(xiàng)技術(shù)1.1.3CAD/CAM系統(tǒng)工作過程

CAD／CAM系統(tǒng)是設(shè)計、制造過程中的信息處理系統(tǒng)，它充分利用了計算機(jī)高效準(zhǔn)確的計算功能、圖形處理功能以及復(fù)雜工程數(shù)據(jù)的存貯、傳遞、加工功能，在運(yùn)行過程中，結(jié)合人的經(jīng)驗(yàn)、知識及創(chuàng)造性，形成一個人機(jī)交互、各盡所長、緊密配合的系統(tǒng)。CAD/CAM系統(tǒng)輸入的是設(shè)計要求，輸出的是制造加工信息。應(yīng)用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行空間凸輪設(shè)計與制造的基本工作過程

根據(jù)工作要求設(shè)計出凸輪運(yùn)動曲線及三維模型CAD（DESIGN）由凸輪三維模型自動生成二維工程圖CAD（DRAWING）編制凸輪數(shù)控加工程序并進(jìn)行加工仿真CAM（NC）將加工程序輸入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行凸輪加工數(shù)控加工凸輪三維模型凸輪二維工程圖凸輪數(shù)控加工程序編制及加工仿真凸輪加工實(shí)況輸入設(shè)計要求選擇設(shè)計方案三維幾何造型及幾何模型最優(yōu)化設(shè)計有限元分析裝配仿真運(yùn)動仿真物性分析滿足產(chǎn)品要求否輸出圖樣、文件CAPP加工模擬滿足設(shè)計工藝要求否加工制造NC自動編程修改設(shè)計程序庫圖形庫設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫刀具切削用量庫NC代碼庫工藝庫CADCAMNNYYCAD/CAM系統(tǒng)工作過程1.1.3CAD/CAM系統(tǒng)工作過程

通過市場需求調(diào)查以及用戶對產(chǎn)品性能的要求，向CAD系統(tǒng)輸入設(shè)計要求，利用幾何建模功能，構(gòu)造出產(chǎn)品的幾何模型，計算機(jī)將此模型轉(zhuǎn)換為內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息，存貯在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

調(diào)用CAD/CAM系統(tǒng)程序庫中的各種應(yīng)用程序?qū)Ξa(chǎn)品模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計計算及結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化分析，以確定產(chǎn)品總體設(shè)計方案及零部件的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)，同時，調(diào)用CAD/CAM系統(tǒng)中的圖形庫，將設(shè)計的初步結(jié)果以圖形的方式輸出在顯示器上。

1.1.3CAD/CAM系統(tǒng)工作過程當(dāng)把設(shè)計對象描述為計算機(jī)內(nèi)部模型后，通過計算機(jī)輔助工程分析計算功能對產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計、性能預(yù)測、結(jié)構(gòu)分析和仿真。即通過計算機(jī)數(shù)值分析的求解速度快、效率高的優(yōu)勢，對設(shè)計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)進(jìn)行必要的工程分析和仿真計算。

根據(jù)計算機(jī)顯示的結(jié)果，設(shè)計人員對設(shè)計的初步結(jié)果作出判斷，如果不滿意，可以通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行修改，直至滿意為止，修改后的數(shù)據(jù)仍存儲在CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

1.1.3CAD/CAM系統(tǒng)工作過程CAD/CAM系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中提取產(chǎn)品的設(shè)計制造信息，在分析其零件幾何形狀特點(diǎn)及有關(guān)技術(shù)要求后，對產(chǎn)品進(jìn)行工藝規(guī)程設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果存入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，同時在屏幕上顯示輸出。

工藝設(shè)計人員可以對工藝規(guī)程設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行分析、判斷，并允許以人機(jī)交互的方式進(jìn)行修改。最終的結(jié)果可以是生產(chǎn)中需要的工藝卡片或以數(shù)據(jù)接口文件的形式存入數(shù)據(jù)庫，以供后續(xù)模塊讀取。

1.1.3CAD/CAM系統(tǒng)工作過程在打印機(jī)上輸出工藝卡片，成為車間生產(chǎn)加工的指導(dǎo)性文件。CAM子系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中讀取零件幾何信息和加工工藝規(guī)程，生成NC加工程序。

有些

CAD／CAM系統(tǒng)在生成了產(chǎn)品加工的工藝規(guī)程之后，對其進(jìn)行仿真、模擬，驗(yàn)證其是否合理、可行。同時，還可以進(jìn)行刀具、夾具、工件之間的干涉、碰撞檢驗(yàn)。

在普通機(jī)床、數(shù)控機(jī)床上按照工藝規(guī)程和NC加工程序加工制造出有關(guān)產(chǎn)品。

1.1.4CAD/CAM的應(yīng)用意義縮短產(chǎn)品開發(fā)周期

提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量

降低生產(chǎn)成本

提高管理水平

1.1.4CAD/CAM的應(yīng)用意義

1.2CAD/CAM系統(tǒng)的主要任務(wù)

1.零件造型2.裝配造型5.工程分析3.標(biāo)準(zhǔn)件庫4.工程繪圖6.優(yōu)化設(shè)計11.應(yīng)用軟件二次開發(fā)10.工程數(shù)據(jù)管理9.模擬仿真8.計算機(jī)輔助NC編程7.計算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計1.零件造型

零件造型是指在計算機(jī)中建立零件的三維實(shí)體模型。設(shè)計人員在三維CAD軟件的支持下可以根據(jù)自己的設(shè)想將零件從計算機(jī)中逐步“制作”出來。在制作過程中，設(shè)計人員可以從各個角度觀察具有真實(shí)感的零件造型。如果對模型不滿意，可以立即修改零件造型。零件造型能夠準(zhǔn)確表達(dá)零件的形狀、尺寸、色澤、體積、重心、表面信息、材料信息等。對已有的零件造型提供方便的管理，以便存儲、歸檔或與其他系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。先進(jìn)的CAD系統(tǒng)都提供參數(shù)化的基于特征的實(shí)體造型方法。1.零件造型對于復(fù)雜表面的造型，系統(tǒng)可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根據(jù)給定的離散數(shù)據(jù)或有關(guān)具體工程問題的邊界條件來定義、生成、控制和處理過渡曲面，或用掃描的方法得到掃描體、建立曲面的模型。零件造型技術(shù)是CAD／CAM系統(tǒng)的核心，它為產(chǎn)品的設(shè)計、制造提供基本數(shù)據(jù)，同時，也為其它模塊提供原始的信息，例如，所定義的幾何模型的信息可供給有限元分析、繪圖、仿真、加工等模塊調(diào)用。零件造型舉例-機(jī)械零件齒輪凸輪動畫演示凸輪運(yùn)動零件造型舉例－塑料橡膠件洗滌劑瓶顯示器外殼橡膠輪胎零件造型舉例－葉輪零件風(fēng)扇葉輪離心葉輪動畫演示動畫演示風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動離心葉輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動零件造型舉例－轎車外形2.裝配造型

裝配造型能夠模仿實(shí)際的裝配過程，生成產(chǎn)品的裝配。通過裝配造型可以發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計不當(dāng)在實(shí)際裝配時可能出現(xiàn)的問題，如間隙過小或過大、零件之間的干涉等。裝配造型還能夠提供產(chǎn)品的外觀效果圖和反映裝配關(guān)系的零件散開分布的爆炸圖。對于復(fù)雜的產(chǎn)品，裝配造型可提供多樣的方法提高造型的效率。裝配造型還提供了完善的系列化產(chǎn)品的設(shè)計方法，如通過更換部分零件來改變一種產(chǎn)品類型。

球閥體裝配模型球閥體裝配模型分解圖公用電話裝配模型釘書器裝配模型剎車盤裝配動畫電風(fēng)扇裝配動畫福特發(fā)動機(jī)虛擬裝配及工作過程演示3.標(biāo)準(zhǔn)件庫

大多數(shù)CAD系統(tǒng)均提供通用標(biāo)準(zhǔn)零件和特征的擴(kuò)展庫。用戶可以很方便地選取標(biāo)準(zhǔn)特征或零件，并將它們組合進(jìn)零件或部件的設(shè)計中。常用的標(biāo)準(zhǔn)零件有方形和六角形螺母、螺栓、普通墊圈、彈簧墊圈、半月銷、內(nèi)六角螺釘、鉚釘、開口銷等等。標(biāo)準(zhǔn)特征包括孔、槽、軸、頸、法蘭、加強(qiáng)筋、殼、耳、螺紋、通風(fēng)格柵、管狀特征等等。三維CAD系統(tǒng)MDT的螺栓庫三維CAD系統(tǒng)MDT的螺母庫4.工程繪圖

產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果往往是工程圖的形式，CAD／CAM中的某些中間結(jié)果也是通過圖形表達(dá)的。一般的CAD軟件都具有人機(jī)交互輸入和處理二維圖形的能力，包括基本圖元的生成，標(biāo)注尺寸，圖形的編輯（比例變換、平移、圖形拷貝、圖形刪除等）以及顯示控制、附加技術(shù)條件等功能，保證生成符合生產(chǎn)實(shí)際要求，也符合國家標(biāo)準(zhǔn)的工程圖。4.工程繪圖先進(jìn)的CAD軟件已具備根據(jù)零件的三維零件圖和裝配造型自動生成投影圖、輔助圖、剖面圖和局部視圖的功能，并能自動標(biāo)注尺寸，其工程圖樣與零件造型密切相關(guān)。如果改變了圖紙中的尺寸，相關(guān)零件的造型尺寸也將隨之改變，圖紙中的線條長度和位置也將反映這種變化，從而保證能夠?qū)υO(shè)計進(jìn)行快速、一致的修改。三維零件圖二維工程圖CAD自動生成5.工程分析

CAD／CAM系統(tǒng)構(gòu)造了產(chǎn)品的幾何模型之后，能夠根據(jù)產(chǎn)品幾何形狀，計算出相應(yīng)的體積、表面積、質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動慣量等幾何特性和物理特性、為系統(tǒng)進(jìn)行工程分析和數(shù)值計算提供必要的基本參數(shù)。另一方面，CAD／CAM中的結(jié)構(gòu)分析中需進(jìn)行大量的應(yīng)力、溫度、位移等分析計算。因此，要求CAD／CAM系統(tǒng)完成各類分析計算的算法正確、全面，能處理大量的數(shù)據(jù)，還要有較高的計算精度。5.工程分析CAD／CAM系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)分析常用的方法是有限元法，這是一種數(shù)值近似解方法，用來求解結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜工程構(gòu)件的靜態(tài)和動態(tài)特性，以及構(gòu)件的強(qiáng)度、振動、熱變形、磁場、溫度、應(yīng)力分布狀態(tài)等的計算分析。在進(jìn)行靜、動態(tài)特性分析計算之前，系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，劃分網(wǎng)格、標(biāo)出單元號、節(jié)點(diǎn)號、并將劃分的結(jié)果顯示在屏幕上；進(jìn)行分析計算之后，將計算結(jié)果以圖形、文件的形式輸出，例如應(yīng)力分布圖、溫度場分布圖、位移變形曲線等，使用戶方便、直觀地看到分析的結(jié)果。

有限元分析步驟幾何建模網(wǎng)格劃分施加約束、分析計算、查看計算結(jié)果有限元分析實(shí)例—平板軋制過程的有限元模擬

軋制是旋轉(zhuǎn)的軋輥將材料帶入輥縫之間并使之產(chǎn)生變形的過程。軋制生產(chǎn)中，材料的塑性變形規(guī)律、軋輥和軋件之間的摩擦現(xiàn)象、材料中的溫度和微觀組織的變化、軋制過程中的壓下率、寬厚比等及其對軋件質(zhì)量的影響，都是非常復(fù)雜的問題。有限元分析實(shí)例—平板軋制過程的有限元模擬

影響軋制的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的原因很多，從現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)中得到的規(guī)律和理論很難覆蓋所有方面，而且耗費(fèi)巨大。采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)是近年來理論研究中的趨勢，將有限元方法應(yīng)用于軋制過程的理論研究不但可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而且因其高速性和可靠性可以對軋制過程中不易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的課題進(jìn)行深入地探討。

平板軋制過程（應(yīng)力及變形模擬）為簡化計算，將三維軋制過程簡化為平面問題，軋輥看成彈性體。6.優(yōu)化設(shè)計

CAD／CAM系統(tǒng)根據(jù)需要還可配置優(yōu)化設(shè)計功能，也就是在某些條件的限制下，使產(chǎn)品或工程設(shè)計中的預(yù)定指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化包括總體方案的優(yōu)化、產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、工藝參數(shù)的優(yōu)化等。優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)中的一個重要的組成部分。

7.計算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計

設(shè)計的后續(xù)過程是加工制造，而工藝設(shè)計是為產(chǎn)品的加工制造提供指導(dǎo)性的文件。因此，計算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計（CAPP）是CAD與CAM的中間環(huán)節(jié)。CAPP系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)根據(jù)建模后生成的產(chǎn)品信息及制造要求，自動決策出加工該產(chǎn)品所采用的加工方法、加工步驟、加工設(shè)備及加工參數(shù)。CAPP的設(shè)計結(jié)果一方面能被生產(chǎn)實(shí)際所用，生成工藝卡片文件，另一方面能直接輸出一些信息，為CAM中的NC自動編程系統(tǒng)接收、識別，直接轉(zhuǎn)換為刀位文件。

CAPP零件幾何信息零件工藝信息（輸入）工藝知識數(shù)據(jù)庫圖形系統(tǒng)計算機(jī)硬件（軟硬件環(huán)境）CAPP系統(tǒng)功能模型（輸出）工藝路線文件工時定額文件工藝內(nèi)容文件毛坯圖、工序圖8.計算機(jī)輔助NC編程

目前的CAM軟件大部分采用圖形交互式自動編程，即以CAD生成的零件幾何信息為基礎(chǔ)，采用人機(jī)交互對話方式，在計算機(jī)屏幕上指定被加工件的幾何特征、定義相關(guān)的加工參數(shù)后，由計算機(jī)進(jìn)行分析處理，直接產(chǎn)生NC加工程序。仿真功能則能在計算機(jī)上動態(tài)顯示加工路徑，模擬實(shí)際切削加工。模具數(shù)控編程與加工仿真8.計算機(jī)輔助NC編程通過各自接口可將計算機(jī)與數(shù)控機(jī)床連接起來，利用CAM軟件中的通信模塊，能將計算機(jī)上的NC加工程序直接送至數(shù)控機(jī)床上的CNC系統(tǒng)（計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)）中控制數(shù)控加工，這個過程稱為直接數(shù)字控制（DNC）。立式加工中心數(shù)控車床五面立式加工中心直接數(shù)字控制（DNC）9.模擬仿真

在CAD／CAM系統(tǒng)內(nèi)部，建立一個工程設(shè)計的實(shí)際系統(tǒng)模型，例如機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、機(jī)器人等。通過運(yùn)行仿真軟件，代替、模擬真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行，用以預(yù)測產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的制造過程和產(chǎn)品的可制造性。如數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，從軟件上實(shí)現(xiàn)零件試切的加工模擬，避免了現(xiàn)場調(diào)試帶來的人力、物力的投入以及加工設(shè)備損壞的風(fēng)險，減少了制造費(fèi)用，縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期。通常有加工軌跡仿真，機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模擬，機(jī)器人仿真，工件、刀具、機(jī)床的碰撞、干涉檢驗(yàn)等。

數(shù)控加工切削仿真公園游樂機(jī)運(yùn)行仿真電風(fēng)扇運(yùn)行仿真裝載機(jī)運(yùn)行仿真10.工程數(shù)據(jù)管理

由于

CAD／CAM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大、種類繁多，既有幾何圖形數(shù)據(jù)，又有屬性語義數(shù)據(jù)；既有產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)，又有生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)；既有靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，又有動態(tài)過程數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)還相當(dāng)復(fù)雜，因此，CAD／CAM系統(tǒng)應(yīng)能提供有效的管理手段，支持工程設(shè)計與制造全過程的信息流動與交換。目前，CAD／CAM系統(tǒng)中多采用PDM（ProductDataManagement）系統(tǒng)或工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各種工程數(shù)據(jù)的管理。11.應(yīng)用軟件二次開發(fā)

由于機(jī)械產(chǎn)品的用途多種多樣，任何強(qiáng)大的CAD系統(tǒng)都不可能向用戶提供各種具體產(chǎn)品的完善的CAD/CAM解決方案。大多數(shù)商品化CAD系統(tǒng)都提供了基于C、C++、VisualC++、VisualBasic的二次開發(fā)工具，為用戶將自己或者第三方在其基礎(chǔ)上編寫應(yīng)用軟件提供了很大的方便。二次開發(fā)工具中提供的函數(shù)和方法可以調(diào)用CAD系統(tǒng)內(nèi)部命令，直接存取CAD內(nèi)部數(shù)據(jù)庫。

1.3CAD/CAM技術(shù)發(fā)展簡史與應(yīng)用現(xiàn)狀

CAD最初概念的產(chǎn)生；二維繪圖系統(tǒng)SKETCHPAD；“交鑰匙”系統(tǒng)（TurnkeySystem)；80年代超大規(guī)模集成電路；集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、并行化、標(biāo)準(zhǔn)化；反映時代潮流的商品化CAD/CAM軟件在我國應(yīng)用日益廣泛。1.4CAD與CAM之間的聯(lián)系

CAD/CAM技術(shù)是圍繞產(chǎn)品（工程）的設(shè)計和制造相對獨(dú)立發(fā)展起來的。在應(yīng)用時，常常也是以獨(dú)立的形式出現(xiàn)，并在各自的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，正如產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品制造是兩個密切關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)一樣，CAD與CAM是企業(yè)生產(chǎn)活動自動化的兩個重要環(huán)節(jié)，兩者之間存在密切的信息聯(lián)系。如CAD系統(tǒng)的輸出是產(chǎn)品圖樣、技術(shù)文檔和其他文件。在進(jìn)入CAPP系統(tǒng)之前需要從圖樣中提取幾何信息、技術(shù)要求等，以符合CAPP系統(tǒng)所要求的格式輸入。在進(jìn)行NC加工程序編制時，也需提取大量的零件幾何形狀信息和公差信息才能由CAM系統(tǒng)生成合適的零件NC加工程序。CAD設(shè)計任務(wù)產(chǎn)品樣圖、技術(shù)文檔人工轉(zhuǎn)換零件幾何形狀、精度、材料CAPP工藝過程、工序圖人工轉(zhuǎn)換待加工面形狀以及精度CAMNC程序獨(dú)立的CAD和CAPP、CAM系統(tǒng)之間的信息傳遞1.4CAD與CAM之間的聯(lián)系

集成化的CAD/CAM系統(tǒng)則由計算機(jī)系統(tǒng)自動完成上圖所示的零件信息傳輸與交換。一般的CAD/CAM集成指的是把CAD、CAE、CAPP、CAPM、CAM等各種功能軟件有機(jī)地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)一的信息管理和控制軟件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的提取、轉(zhuǎn)換和共享，從而達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)信息的暢通和系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的目的。執(zhí)行控制工程應(yīng)用系統(tǒng)(CAD、CAE、CAM)數(shù)據(jù)庫、檔案庫、數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件計算機(jī)硬件圖形系統(tǒng)軟件工具CAD/CAM集成系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)CAD/CAM集成系統(tǒng)是建立在計算機(jī)硬件基礎(chǔ)之上，在操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)軟件的支持下運(yùn)行的一種計算機(jī)軟件。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)、各種軟件工具直接依賴于計算機(jī)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)軟件，形成CAD/CAM軟件系統(tǒng)的支撐環(huán)境。

1.5計算機(jī)輔助制造內(nèi)涵擴(kuò)展向高效化、敏捷化、清潔化方向發(fā)展向精密化、多樣化、復(fù)合化方向發(fā)展向柔性化、集成化、智能化、全球化方向發(fā)展2023/3/25741.5計算機(jī)輔助制造內(nèi)涵擴(kuò)展集成化從當(dāng)前企業(yè)內(nèi)部的信息集成和功能集成，發(fā)展到過程集成，并正在步入實(shí)現(xiàn)企業(yè)間集成的階段。數(shù)字化／虛擬化從產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計開始，發(fā)展到產(chǎn)品全生命周期中各類活動、設(shè)備及實(shí)體的數(shù)字化。在數(shù)字化基礎(chǔ)上，虛擬化技術(shù)正在迅速發(fā)展，主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、虛擬產(chǎn)品開發(fā)和虛擬制造。網(wǎng)絡(luò)化從基于局域網(wǎng)發(fā)展到基于Intranet/Extranet/Internet的分布式網(wǎng)絡(luò)制造，以支持全球制造策略的實(shí)現(xiàn)。

2023/3/25751.5計算機(jī)輔助制造內(nèi)涵擴(kuò)展柔性化正積極研究發(fā)展企業(yè)間動態(tài)聯(lián)盟技術(shù)、敏捷設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)、可重組技術(shù)等，以實(shí)現(xiàn)敏捷制造。智能化是制造系統(tǒng)在柔性化和集成化基礎(chǔ)上進(jìn)一步的發(fā)展與延伸，引入各類人工智能和智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有自律、分布、智能、敏捷等特點(diǎn)的新一代制造系統(tǒng)。綠色化包括綠色制造、環(huán)境意識的設(shè)計與制造、生態(tài)工廠、清潔化生產(chǎn)等，它是全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的體現(xiàn)，是擺在現(xiàn)代制造業(yè)面前的一個嶄新課題。

2023/3/25761.5計算機(jī)輔助制造內(nèi)涵擴(kuò)展1.5.1敏捷制造1.5.2綠色制造1.5.3計算機(jī)集成制造1.5.4網(wǎng)絡(luò)制造1.5.5虛擬制造1.5.1敏捷制造敏捷制造起源虛擬企業(yè)敏捷制造起源美國國防部撰寫《21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略報告》，首次提出敏捷制造（AgileManufacturing,AM）的概念。AM的基本思想是充分利用信息時代的通信工具和通信環(huán)境，為某一產(chǎn)品的快速開發(fā)，在一些制造企業(yè)之間建立一個動態(tài)的企業(yè)聯(lián)盟（即虛擬企業(yè)），各虛擬企業(yè)之間加強(qiáng)合作和知識、信息、技術(shù)資源共享，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢和創(chuàng)造能力，在最短的時間內(nèi)以最小的投資完成產(chǎn)品的設(shè)計制造過程，并快速把產(chǎn)品推向市場。AM是一種提高企業(yè)群體競爭能力的全新的制造組織模式。敏捷性使企業(yè)能以更快的速度、更好的質(zhì)量、更低的成本和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)來贏得市場競爭。虛擬企業(yè)敏捷制造的核心思想是建立虛擬企業(yè)（VE）以快速應(yīng)對市場。VE是敏捷制造的基本動態(tài)組織形態(tài)，是指為了贏得某一機(jī)遇性市場競爭，圍繞某種新產(chǎn)品開發(fā)，通過利用不同組織或企業(yè)的優(yōu)勢資源，組建為靠網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)系的階段性經(jīng)營實(shí)體。VE實(shí)質(zhì)上是不同組織或企業(yè)間的動態(tài)集成，隨市場機(jī)遇的存亡而聚散。在具體表現(xiàn)上，結(jié)盟的可以是同一個大公司的不同組織部門，也可以是不同國家的不同公司。虛擬企業(yè)的本質(zhì)特征

虛擬企業(yè)是以整個社會制造資源為基礎(chǔ)的，在組建前不受制造資源的制約，完全以社會對產(chǎn)品的需要為導(dǎo)向。企業(yè)要被虛擬企業(yè)的組織者選中，就必需形成自己的核心能力。虛擬企業(yè)的本質(zhì)特征為企業(yè)制造資源及企業(yè)最終產(chǎn)品關(guān)系的動態(tài)化與模糊化。虛擬企業(yè)不一定非得利用成員企業(yè)的全部制造資源，而是可以利用成員企業(yè)的部分制造資源，甚至一個生產(chǎn)單元、一臺設(shè)備，而且一家企業(yè)可以同時參與不同的虛擬企業(yè)。

虛擬企業(yè)的組織模式

虛擬企業(yè)的組織基礎(chǔ)

指構(gòu)成虛擬企業(yè)中的獨(dú)立企業(yè)的制造資源特征，按企業(yè)內(nèi)部效率及企業(yè)間交易成本因素考慮。三種基本類型：

新產(chǎn)品研制與開發(fā)企業(yè)

專用零、部件生產(chǎn)及總裝企業(yè)

通用標(biāo)準(zhǔn)零部件生產(chǎn)企業(yè)

虛擬企業(yè)的組織模式虛擬企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)虛擬企業(yè)隨市場變化的敏捷特征，設(shè)計虛擬企業(yè)的結(jié)構(gòu)：

核心層由新產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)企業(yè)構(gòu)成。核心層企業(yè)之間的關(guān)系是共同分擔(dān)成本與風(fēng)險，分享利潤。

緊密層由專用零部件生產(chǎn)及總裝企業(yè)構(gòu)成，這一層企業(yè)按照合同要求相互配合，合同與核心層代表簽訂，負(fù)責(zé)按合同要求生產(chǎn)與裝配。

松散層由通用標(biāo)準(zhǔn)零部件生產(chǎn)企業(yè)組成，以市場形式提供標(biāo)準(zhǔn)化、通用化零部件或按合同進(jìn)行生產(chǎn)。

1.5.2綠色制造綠色制造起源綠色制造的內(nèi)涵綠色設(shè)計綠色加工綠色制造的發(fā)展趨勢綠色制造起源最有效地利用資源和最低限度地產(chǎn)生廢棄物，是當(dāng)前世界上環(huán)境問題的治本之道。制造業(yè)一方面是創(chuàng)造人類財富的支柱產(chǎn)業(yè)，但同時又是當(dāng)前環(huán)境污染的主要源頭。制造資源（原材料能源等）制造過程產(chǎn)品（使用和處理）廢棄資源環(huán)境污染綠色制造的內(nèi)涵綠色制造定義綠色制造特點(diǎn)綠色制造體系結(jié)構(gòu)綠色制造定義綠色制造又稱環(huán)境意識制造、面向環(huán)境的制造等。綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中，對環(huán)境的影響（負(fù)作用）最小，資源效率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。綠色制造特點(diǎn)多領(lǐng)域綠色制造涉及的問題領(lǐng)域包括三部分：制造問題，包括產(chǎn)品生命周期全過程；環(huán)境影響問題；資源優(yōu)化問題。綠色制造就是這三部分內(nèi)容的交叉和集成。大制造綠色制造涉及現(xiàn)代制造觀的變革、可持續(xù)制造理論、21世紀(jì)制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及大制造、大過程和學(xué)科交叉等一系列制造科學(xué)問題。綠色制造特點(diǎn)廣內(nèi)涵圍繞制造過程中的環(huán)境問題提出了許多與綠色制造相關(guān)或相類似的制造概念。綠色制造環(huán)境意識制造生態(tài)意識制造綠色設(shè)計環(huán)境意識設(shè)計生態(tài)意識設(shè)計綠色工藝規(guī)劃綠色加工技術(shù)清潔技術(shù)綠色包裝綠色材料選擇面向拆卸設(shè)計可回收性設(shè)計面向制造與裝配設(shè)計長壽命設(shè)計綠色制造特點(diǎn)物流閉環(huán)傳統(tǒng)制造的物流是一個開環(huán)系統(tǒng)，物流的終端是產(chǎn)品使用到報廢為止。綠色制造的物流則是一個閉環(huán)系統(tǒng)，其中開環(huán)物流和產(chǎn)品報廢后的反饋形成大閉環(huán)系統(tǒng)。在此過程中，又可能形成若干個小閉環(huán)系統(tǒng)，如圖中的產(chǎn)品綠色包裝，加上包裝件的回收就形成了一個小閉環(huán)系統(tǒng)。綠色制造特點(diǎn)—物流閉環(huán)特性原材料開采原材料生產(chǎn)產(chǎn)品加工產(chǎn)品裝配產(chǎn)品綠色包裝用戶產(chǎn)品使用維護(hù)產(chǎn)品報廢材料可再生的零部件可修改或改制的零部件材料可再生可重用零部件不可再生的廢棄物無害化處理可回收材料分類包裝回收回收拆卸綠色制造體系結(jié)構(gòu)綠色制造的理論體系GM體系結(jié)構(gòu)和多生命周期工程綠色制造系統(tǒng)綠色能源系統(tǒng)綠色設(shè)計技術(shù)綠色加工技術(shù)綠色包裝技術(shù)綠色生產(chǎn)設(shè)備綠色制造工藝綠色制造的數(shù)據(jù)庫和知識庫綠色原材料綠色生產(chǎn)環(huán)境綠色管理模式和綠色供應(yīng)鏈綠色制造的實(shí)施工具盒產(chǎn)品綠色制造的理論體系和總體技術(shù)綠色制造的專題技術(shù)綠色制造的支撐技術(shù)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)體系綠色設(shè)計產(chǎn)品的綠色設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計區(qū)別綠色設(shè)計的主要內(nèi)容產(chǎn)品的綠色設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計區(qū)別產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計過程僅僅考慮產(chǎn)品的基本屬性，而不考慮環(huán)境屬性。綠色設(shè)計則在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，優(yōu)先考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性，然后再考慮產(chǎn)品應(yīng)有的基本屬性。減少廢物排放降低資源消耗減少影響安全健康的風(fēng)險生態(tài)降解適用性可靠性成本低利潤大綜合消費(fèi)者的審美觀提高品位環(huán)境原則性能原則收益原則美學(xué)原則綠色設(shè)計原則綠色設(shè)計的主要內(nèi)容產(chǎn)品的綠色材料選擇產(chǎn)品的面向拆卸設(shè)計產(chǎn)品的回收性設(shè)計產(chǎn)品的長壽命設(shè)計綠色加工技術(shù)綠色鑄造工藝綠色熔煉技術(shù)綠色砂型技術(shù)精密鑄造技術(shù)綠色鍛造工藝精密鍛壓技術(shù)激光彎曲成形技術(shù)冷擠壓、軋制等綠色焊接工藝激光焊接技術(shù)超聲波焊接技術(shù)電子束焊接綠色切削工藝干切削技術(shù)干磨削技術(shù)激光加工粉末冶金工藝快速成形技術(shù)綠色熱處理技術(shù)綠色加工技術(shù)2023/3/25961.5.3計算機(jī)集成制造1974年，美國JosephHarrington博士首次提出了CIM(ComputerintegrationManufacturing)理念。本質(zhì)在于以計算機(jī)為工具來輔助制造系統(tǒng)的集成，即以充分的信息交流或信息共享，促進(jìn)制造系統(tǒng)或制造企業(yè)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與運(yùn)行優(yōu)化，其目的在于提高企業(yè)的競爭能力和生存能力。

2023/3/2597計算機(jī)集成制造理念CIM將傳統(tǒng)的制造技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，使企業(yè)產(chǎn)品全生命周期各階段活動中有關(guān)的人／組織、經(jīng)營管理和技術(shù)三要素及其信息流、物流和價值流三流有機(jī)集成并優(yōu)化運(yùn)行，以達(dá)到產(chǎn)品（P)上市快（T)、高質(zhì)（Q)、低耗（C)、服務(wù)好（S)、環(huán)境清潔（E)，進(jìn)而提高企業(yè)的柔性、健壯性、敏捷性，使企業(yè)贏得市場競爭。

2023/3/2598CIMS的特征數(shù)字化、信息化、智能化、集成化、綠色化。信息集成、過程集成和企業(yè)間集成。CIMS技術(shù)是基于傳統(tǒng)制造技術(shù)、信息技術(shù)、管理技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)的一門發(fā)展中的綜合性技術(shù)。2023/3/25CIMS的構(gòu)成

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支撐子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫支撐子系統(tǒng)管理信息子系統(tǒng)質(zhì)量保證子系統(tǒng)工程設(shè)計自動化子系統(tǒng)制造自動化子系統(tǒng)市場信息原材料產(chǎn)品銷售服務(wù)信息技術(shù)信息2023/3/25100CIMS的四個功能子系統(tǒng)管理信息子系統(tǒng)

包括預(yù)測、經(jīng)營決策、各級生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備、銷售、供應(yīng)、財務(wù)、成本、設(shè)備、人力資源的管理信息功能。工程設(shè)計自動化子系統(tǒng)通過計算機(jī)來輔助產(chǎn)品設(shè)計、制造準(zhǔn)備以及產(chǎn)品測試，即CAD/CAPP/CAM階段。

2023/3/25101CIMS的四個功能子系統(tǒng)制造自動化子系統(tǒng)是CIMS信息流和物流的結(jié)合點(diǎn)，是CIMS最終產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的聚集地，由數(shù)控機(jī)床、加工中心、清洗機(jī)、測量機(jī)、運(yùn)輸小車、立體倉庫、多級分布式控制計算機(jī)等設(shè)備及相應(yīng)的支持軟件組成。根據(jù)產(chǎn)品工程技術(shù)信息、車間層加工指令，完成對零件毛坯的作業(yè)調(diào)度及制造。

2023/3/25102CIMS的四個功能子系統(tǒng)質(zhì)量保證子系統(tǒng)包括質(zhì)量決策、質(zhì)量檢測、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的采集、質(zhì)量評價、生產(chǎn)加工過程中的質(zhì)量控制與跟蹤功能。系統(tǒng)保證從產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品檢測到售后服務(wù)全過程的質(zhì)量。

2023/3/25103CIMS的兩個支撐子系統(tǒng)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支撐子系統(tǒng)

即企業(yè)外部的廣域網(wǎng)、內(nèi)部的局域網(wǎng)及支持CIMS各子系統(tǒng)的開放型網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)異機(jī)互聯(lián)、異構(gòu)局域網(wǎng)和多種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。系統(tǒng)滿足不同子系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提出的不同需求，支持資源共享、分布處理、分布數(shù)據(jù)庫和適時控制2023/3/25104CIMS的兩個支撐子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫支撐子系統(tǒng)

支持CIMS各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和信息集成，覆蓋了企業(yè)全部數(shù)據(jù)信息，在邏輯上是統(tǒng)一的，在物理上是分布式的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2023/3/25105CIMS的體系結(jié)構(gòu)

工廠層車間層單元層工作站層設(shè)備層工廠加工車間虛擬單元1虛擬單元2虛擬單元n切削工作站檢驗(yàn)工作站物料儲運(yùn)工作站機(jī)器人機(jī)床零件倉庫機(jī)器人檢驗(yàn)設(shè)備零件倉庫機(jī)器人自動小車傳送器………………2023/3/25106工廠層控制系統(tǒng)工廠層控制系統(tǒng)為CIMS的最高一級控制，進(jìn)行生產(chǎn)管理，履行“工廠”或“總公司”的職能。它的規(guī)劃時間范圍（指任何控制層完成任務(wù)的時間長度）可以從幾個月到幾年。該層按主要功能又可分為三個模塊：生產(chǎn)管理模塊、信息管理模塊和制造工程模塊。2023/3/25107工廠層控制系統(tǒng)生產(chǎn)管理模塊

跟蹤主要項(xiàng)目，制定長期生產(chǎn)計劃，明確生產(chǎn)資源需求，確定所需的追加投資，計算出剩余生產(chǎn)能力，匯總質(zhì)量性能數(shù)據(jù)。根據(jù)生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)確定交給下一級的生產(chǎn)指令。信息管理模塊

通過用戶---數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)必要的行政或經(jīng)營的管理功能，如成本估算、庫存估計、用戶訂單處理、采購、人事管理以及工資單處理等。

2023/3/25108工廠層控制系統(tǒng)制造工程模塊其功能一般都是通過用戶——數(shù)據(jù)接口，在人的干預(yù)下實(shí)現(xiàn)的。該模塊包括兩個子模塊：CAD子模塊和工藝過程設(shè)計子模塊。CAD子模塊用于設(shè)計幾何尺寸規(guī)格和提出部件、零件、刀具和夾具的材料表（BillofMaterial,BOM)；工藝過程設(shè)計子模塊則用于編制每個零件從原材料到成品的全部工藝規(guī)程。

2023/3/25109車間層控制系統(tǒng)

任務(wù)管理模塊負(fù)責(zé)安排生產(chǎn)能力計劃，對定單進(jìn)行分批，把任務(wù)及資源分配給各單元，跟蹤訂單直到完成，跟蹤設(shè)備利用情況，安排所有切削刀具、夾具、機(jī)器人、機(jī)床及物料運(yùn)輸設(shè)備的預(yù)防