CADCAMCAPP集成的关键技术.docx

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1、CADCAMCAPP集成的关键技术CAD/CAM/CAPP集成的关键技术 C09机械2 XXX 摘要：CAD/CAMCAPP集成的关键是CAD、CAM和CAPP之间的数据交换与共享。CAPP/CAM系统是制造业信息化的核心技术，主要支持和实现产品设计、分析、工艺规划、数控加工及质量检验等工程活动的自动化处理。CAD/CAM/CAPP的集成，要求产品设计与制造紧密结合，其目的是保证产品设计、工艺分析、加工模拟，直至产品制造过程中的数据具有一致性，能够直接在计算机间传递，从而克服由图纸、语言、编码造成的信息传递的局限性，减少信息传递误差和编辑出错的可能性。 Summary：The CAD/CAE/

2、CAPP/CAM integrations key is between CAD, CAE, CAPP and the CAM data exchange and sharing. The CAE/CAPP/CAM system is the manufacturing industry informationization core technologies, mainly supports and realizes project activity and so on product design, analysis, craft plan, numerical control proce

3、ssing and performance test automated processing. The CAD/CAE/CAPP/CAM integration, the request product design and makes the close union, its goal is guaranteed that the product design, the process study, the processing simulation, have the uniformity until the product process of manufactures in data

4、, can transmit directly in the computer, thus overcomes the information transmission limitation which by the blueprint, the language, the code creates, reduces possibility which the information transmission error and the editor make a mistake. 关键词：集成CAD/CAM/CAPP；关键技术 Key word：Integrates CAD, CAM, CA

5、PP Key technologies 1.引言 CAD/CAM/CAPP之间的信息集成。本质是基于设计、工艺、产品管理和生产等各部门信息流动的需要，是产品信息和生产管理信息之间的集成，即实现企业生产信息全局集成。计算机集成制造系统(CIMS)中，各系统的功能划分为CAD/CAE用于产品设计和分析，CAPP用于工艺规程设计，CAM用于数控编程，PDM管理与产品有关的数据和过程。由此可见，PDM系统是产品数据集成的核心是CAD/CAE/CAM/CAPP各系统数据传递的桥梁。PDM所需的基本信息是任何属于产品的数据，如CAD/CAE/CAM的文件，物料清单(BOM)，工艺信息(工艺路线、工序、工装

6、需求和设备需求)和产品加工过程等。PDM包括了产品生命周期的各个方面，能跨越整个工程技术群体，是促使产品快速开发的使能器。 2.集成框架确立 统一的数字化管理平台需要一个集成框架,这个框架形象地说就是要在各种应用软件和管理软件之间以及由它们产生的数据(孤岛)之间建立通路和桥梁,使这些应用和数据成为一个无阻碍的大系统。PDM是一个数据管理软件,也是一种集成框。它可以把由CAD、CAE、CAPP、CAM等在产品研发过程中产生的所有数据联系整合起来,实施产品协同开发和并行工程。 集成框架是指在异构、分布式计算机环境中能使企业各应用软件实现信息集成、功能集成和过程集成的应用软件。PDM系统是制造企业的

7、产品和过程数据库是CAD/CAM/CAPP理想的集成平台它可以把与产品有关的信息统一管理起来并将信息按不同用途分门别类地进行有序管理为产品数据及过程管理、并行化设计和CAD/CAM/CAPP的集成提供了必要的支撑环境。CAD/CAM/CAPP系统都可以从PDM系统中提取各自需要的信息，再把结果放回PDM系统中，从而真正实现CAD/CAM/CAPP集成。 通过集成CAD系统设计出的零件，经由CAPP系统生成加工工艺规程，通过CAM系统建立加工仿真生成刀轨文件，经后处理产生针对具体机床的数控加工代码，自动上传到PDM系统得到产品结构树。同时将这些信息关联起来，保存到PDM系统数据库中。 3. CA

8、D、CAM、CAPP和PDM集成 通常PDM系统与CAX的集成关系从高到低可分为三个层次应用封装、接口交换和紧密集成。应用封装主要解决在PDM内部激活CAX管理CAX产生的文件和特征数据，但不能管理文件内部的数据，主要属于功能上的集成，接口交换是较封装模式更高层次的集成方式，主要通过中间接口实现两个系统之间的信息共享，但仍然存在信息不一致性的问题，紧密集成对CAX和PDM之间所有数据提供了双向交换和共享的一种集成模式，是理想的集成模式，但集成难度大。企业实施集成时应根据具体的应用程度和深度来选择集成模式，以最合理地调配资源，达到最好的效果。 CAD/CAM/CAPP与PDM集成 CAD和PDM

9、集成 CAD系统是设计BOM，CAD系统内部包含了BOM所需的基本信息，如产品结构、材料、重量、体积等。通过PDM与CAD的集成实现CAD系统和PDM系统的数据一致，PDM系统根据图纸上的信息，将新的装配结构信息和零部件信息自动反映在PDM系统内实现信息互动。而且相关的图档也可以通过图档注册功能从CAD系统自动挂接到PDM系统中的产品结构上。这些自动的信息传递，不仅保证了两个系统的数据一致，而且大大降低了设计人员的录入工作，使之将主要的工作精力集中在CAD系统中，而且通过自动绘制标题栏和明细表，减轻了设计人员的劳动强度，提高了效率。 CAD和PDM集成采取接口的方式来实现，在构建PDM/CAD

10、接口时考虑以下PDM模块的集成：模型和工程图管理模块、零件管理模块、零件分类模块和产品结构管理模块。本方案讨论的是三维CAD和PDM之间的双向集成。接口在CAD和PDM系统中分别开发。利用三维CAD系统和PDM系统所提供的开发工具，结合产品的开发流程和设计规范对CAD和PDM进行客户化开发。在CAD系统中开发注册三维零件模型、生成产品结构树、明细汇总表以及转换制造模型几种常用的接口工具，并将这些接口工具嵌入到CAD的操作界面上，以方便使用。在PDM内部开发接口，读取CAD系统信息，批量地将文档读取到PDM系统进行管理。 CAM和PDM系统集成 CAM和PDM系统集成是通过CAM和PDM系统提供

11、的开发工具对CAM系统进行客户化开发，在CAM系统中开发调用PDM系统中中间格式的模型文件、调用ERP中机床和刀具资源以及向PDM提交NC代码几种常用的接口工具，并将这些接口工具嵌入到CAM系统的操作界面上。采用封装的模式，实现对CAM文档的管理，把CAM系统中的刀位文件和NC代码等文档信息集中到PDM中管理。 为了实现对NC代码文件的有效管理，通过PDM系统对CAM生成NC代码文件进行管理，实现对NC代码文件的存储、查询、浏览、编辑、版本、生命周期状态、权限的管理。同时为DNC系统提供相应的调用JAVA类或者XML文件，查询PDM系统中数据，并将NC代码传递到对应的DNC系统中，根据车间的派

12、工单加载到相应的数控设备。同时对于最新的NC代码文件，也可以通过PDM系统的变更控制管理更新原有的NC代码文件。 CAPP和PDM的集成 CAPP系统是工艺BOM作为数字化产品定义的重要组成部分，CAPP数据也是PDM管理的内容。通过PDM与CAPP集成，将KMCAPP工艺文件保存进PDM系统，并使用相同的产品结构进行统一管理;提取KMCAPP中的工序、设备、工装卡具等信息并在PDM中构建工艺BOM树，同时提供工艺人员进行工艺BOM信息修改的途径。 CAPP和PDM的集成内容上总体分为文档集成、过程集成、用户信息集成和数据集成口。采用封装功能的模式将CAPP和PDM的部分功能以应用程序封装、工

13、具集调用和组件调用等技术进行开发集成。CAPP直接利用PDM系统的产品结构树进行工艺编制，利用PDM的功能查询。CAPP提供PDM工艺文件浏览、批注和打印的相关工具，以完成在PDM中查看、批注和打印工艺文件等功能，工艺工作流在PDM中处理，工艺工作流模型通过PDM工作流工具建立，并在PDM中分配工艺任务，通过工作任务启动CAPP，完成工艺任务。 4.CAD、CAM、CAPP集成的关键 CAD/CAE/CAPP/CAM集成的关键是CAD、CAPP、CAM和CAE之间的数据交换与共享。CAD/CAE/CAPP/CAM系统是CIMS的核心技术之一，主要支持和实现CIMS产品的设计、分析、工艺规划、数

14、控加工及质量检验等工程活动的自动化处理。CAD/CAE/CAPP/CAM的集成，要求产品设计与制造紧密结合，其目的是保证产品设计、工艺分析、加工模拟，直至产品制造过程中的数据具有一致性，能够直接在计算机间传递，从而克服由图纸、语言、编码造成的信息传递的局限性，减少信息传递误差和编辑出错的可能性。由于CAD、CAPP、CAM和CAE系统是独立发展起来的，并且各自处理的着重点不同，所以它们的数据模型彼此不相容。CAD系统采用面向拓扑学和几何学的数学模型，主要用于完整地描述零件几何信息，但对于非几何信息，如精度、公差、表面粗糙度和热处理等，则没有在计算机内部逻辑结构中得到充分表达。而CAD/CAE/

15、CAPP/CAM的集成，除了要求几何信息外，更重要的是需要面向加工过程的非几何信息，从而在CAD、CAPP、CAM和CAE之间出现了信息中断。建立CAPP和CAM子系统时，既需要从CAD子系统中提取几何信息，还需要补充输入上述非几何信息，其中包括大量输入加工特征信息，因此，人为干预量大，数据大量重复，无法实现CAD/CAE/CAPP/CAM的完全集成。 目前，采用的关键技术主要有以下几方面： (1)特征技术 建立CAD/CAE/CAPP/CAM范围内相对统一的、基于特征的产品定义模型，并以此模型为基础，运用产品数据交换技术，实现CAD、CAPP、CAM和CAE间的数据交换与共享。该模型不仅要求

16、能支持设计与制造各阶段所需的产品定义信息(几何信息、拓扑信息、工艺和加工信息)，而且还应该提供符合人们思维方式的高层次工程描述语义特征，并能表达工程师的设计与制造意图。 (2)集成数据管理 已有的CAD/CAM系统集成,主要通过文件来实现CAD与CAM之间的数据交换，不同子系统文件之间要通过数据接口转换，传输效率不高。为了提高数据传输效率和系统的集成化程度，保证各系统之间数据的一致性、可靠性和数据共享，采用工程数据库管理系统来管理集成数据，使各系统之间直接进行信息交换，真正实现CAD/CAM之间信息交换与共享。 (3)产品数据交换标准 为了提高数据交换的速度，保证数据传输完整、可靠和有效，必须

17、采用通用的标准化数据交换标准。产品数据交换标准是CAD/CAE/CAPP/CAM集成的重要基础。 (4)集成框架(或集成平台) 数据的共享和传送通过网络和数据库实现，需要解决异构网络和不同格式数据的数据交换问题，以使多用户并行工作共享数据。数据的访问可采用客户机/服务器二层结构或三层结构、多层结构等工作模式。集成框架对实现并行工程协同工作是至关重要的。 5.特征技术产生的背景 特征技术是CAD/CAM技术发展中的一个新里程碑，它是在CAD/CAM技术的发展和应用达到一定水平，要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。 现代设计制造系统的发展趋势是集成化、智能化， 目

18、的是达到高度的自动化。 实现上述目标的基础是给系统的各个环节提供能够共享的产品定义。 现有的CAD/CAM系统， 因不能用一个完整的产品模型来支持各工程应用活动，在设计、制造及检验的各个环节中， 使用者需要重复地输入和识别一些信息， 定义一些新模型， 以满足各工程应用子系统的具体需要，各子系统的概念信息也必须依靠人工来识别和综合处理， 从而导致产品自动设计和制造中信息处理的中断， 人为干预量大， 数据大量重复处理的后果。 其主要原因是作为当代CAD系统的核心棗实体造型存在下列不足： (1) 产品定义信息不完备。 实体造型主要用来定义产品公称几何形状， 而许多反映设计意图和工艺要求的信息， 如公

19、差、材料性质等难以在数据库中一起表达。 这里由于工艺信息的表达既与高级的形状特征有关， 又与低级的点、线、面几何要素有关， 而实体造型难以提供这些信息。 (2) 数据的抽象层次低。 实体造型只能以低级的几何/拓扑信息来描述几何形状，而工程师进行思想交流， 以及CIMS智能化处理过程中涉及的信息往往是高层的概念实体。 (3) 支持产品设计的环境较差。 传统的几何造型不利于进行创造性设计，这是因为它不能方便地修改设计模型，并且，即使实体零件的参数已被定义，在每次零件再生时，也必须重新显示输入所有参数。 因此，必须开发取代现有实体造型的支撑系统，为CAD/CAM系统提供完备的和多层次的产品信息。这些

20、信息能在无人干预的条件下，为设计、分析、制造所接受，且能在各应用子系统间自动变换，使CAD/CAM集成，以至CIMS的实现走向现实，由此产生了特征技术。特征技术是人工智能应用于实体模型的结果，它表达的产品信息完备且含有丰富的语义信息，为CAD/CAM集成提供了有力基础。 6. 特征造型的特点和作用 特征造型方法与前一代的几何造型方法相比较，有以下特点和作用： (1) 过去的CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力; 而特征造型则是着眼于更好表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。它的目的是用计算机可以理解和处理

21、的统一产品模型，替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个工程项目或机电产品的设计和生产准备各环节可以并行展开，信息流畅通。 (2) 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，象螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样更容易修改。设计人员可以将更多精力用在创造性构思上。 (3) 它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/

22、CAM集成系统创造前提。 (4) 它有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，使得产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构有更好的工艺性。 (5) 它将推动各行业实践经验的归纳总结，从中提炼更多规律性知识，以丰富各领域专家的规则库和知识库，促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。 7.特种技术的研究概况 特征技术研究的萌芽产生于八十年代初，并于八十年代的中后期蓬勃发展起来。STEP标准中将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使特征获得了国际标准的法定地位。 国外许多研究单位和学者对特征技术的发展和应用做出了贡献。例如，英国Cranfield理工学院的Pratt和Wi

23、lson为CAM-I提出了一个按形状和构造特点对形状特征分类的模式; 美国Arizona州立大学的Shah探讨了特征表达和解释问题，开发出ASU特征试验台; 芬兰赫尔辛基技术大学的Mantyla教授研制了特征造型系统EXTDesign; 意大利热亚那应用数学研究所的Falcidieno等人提出了边界模型表示特征对象的描述方法，特征识别方法，并开发了相应的系统; 德国柏林技术大学的Beitz开发了基于特征的造型系统GEKO; Douglas等人研究了用凸多面体分解法进行加工特征几何推理技术; Turner等人研究了公差特征模型建立的问题; Roy等人研究了尺寸及公差表示处理的问题; Jarosl

24、aw等人研究了特征编辑与查询技术; 美国Purdue大学的Anderson等人研究了基于特征设计工艺规程的几何推理问题。 在国内， 北京航空航天大学、清华大学、华中理工大学、浙江大学、上海交通大学、西北工业大学等，以及其他一些单位也发表了一些关于特征技术研究的论著， 并开发了一些特征造型系统。 近年来， 商业CAD软件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如， PTC公司的产品Pro/Engineer，SDRC的产品I-DEAS Master Series、UGS公司的产品Unigraphics、IBM公司的产品CATIA/CADAM、Autodesk公司的产品MDT， 中国广州红地技术有限公

25、司的产品“金银花(LONICERA)”系统，等等。 8.特征的定义 客观事物都是由事物本身的特性体及其相互关系构成。 一般地讲， 特征是客观事物特点的征象或标志。目前人们对于CAD中特征的定义尚没有达到完全统一。 在研究特征技术的过程中， 国内外学者从不同的侧面、不同的角度， 根据需要给特征赋予了不同的含义。 在机械行业中， 特征源于使用在各种设计、分析和加工活动的推理过程， 并且经常紧密地联系到特定的应用领域， 因而产生了不同的特征定义。 当我们提到特征时， 通常是指形状特征。形状特征的一种定义是面向规划的， 例如， 工件特征定义为：在工件的表面、边或角上形成的特定的几何构型。 另一种涉及工

26、艺规划的形状特征定义为: 工件上一个有一定特性的几何形状， 其对于一种机械加工过程是特定的， 或者用于装夹和/或测量目的。 随着特征技术由工艺规划向设计、检验和工程分析方面的拓展， 特征定义趋向于更一般化， 下面是一些特征定义的例子: (1) 用于描述零件和装配体的语义组， 它将功能、设计和制造信息组合在一起; (2) 一个几何形状或形体要素， 它至少具有一种CIM功能; (3) 产品信息的载体， 它可以在设计和制造或者其他工程任务之间辅助设计或进行通讯; (4) 任何用于设计、工程分析和制造的推理的客观对象; (5) 设计人员感兴趣的区域。 研究人员提出了许多不同的特征， 例如， 功能性的特

27、征有: 装配特征， 配合特征， 结构特征和抽象特征。 抽象特征可用于设计过程， 这是由于许多特征的细节在设计完成前并不清楚。 抽象特征的定义为: 直到所有的变量被确定才能被具体化或实现的客观对象。 不论特征的定义如何， 但有一点似乎是共同的， 即特征最终要联系到某个几何形状。 Shah明确了一个特征至少满足的要求: 零件的一个结构组元; 可影射到某个形状类; 有工程意义; 有可预测的性质。 总之， 特征是产品信息的集合， 它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状， 且反映特定的工程语义， 适宜在设计、分析和制造中使用。 我们应该将特征理解为一个专业术语， 它兼有形状和功能两种属性， 从它的名称和

28、语义足以联想其特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。 9.特征的表示方法 目前， 常用的特征的表示方法主要有以下三种: (1) 基于B-rep的方法: 在B-rep 方法中， 特征被定义为一个零件的相互联系的面的集合(面集)。 这些特征也被称为“面特征”。 B-rep 模型是基于图的， 所有的几何/拓扑信息显式地表达在面棗边棗顶点图中， 因此， B-rep模型常被称为赋值的模型。 B-rep 表示特征的方法受到许多研究者的喜欢， 这是因为可以得到充足的信息以及它是基于图的表示方法(许多特征识别系统是基于图表示的)。B-rep模型可以与属性值(如， 表面粗糙度， 材

29、料等)、尺寸和公差联系在一起，B-rep方法的缺点是它与特征体素和体积特征没有直接的联系， 特征操作(如， 删除特征)难于进行。 (2) 基于CSG 的方法: 基于CSG 的特征表达方法将特征定义为体积元素，体积元素通过布尔操作构造零件。 使用CSG 表示方法简捷、有效、易于编辑和操作体素，并提供CSG和特征体素之间有意义的联系， 而且二叉树可用于特征模型的构造。 对于特征提取，CSG 模型的主要问题是其表示的不唯一性， 以及缺少对低层的构形元素的显式表达。然而，给CSG 模型赋值， 推导出其相应的边界表示， 就可以克服这些问题。 (3) 基于混合CSG/B-rep的方法: 由于CSG 和B-

30、rep表示方法都各有优缺点，因此，汲取二者优点的混合表示方法便产生了。Nnaji和Liu开发了一个工艺规划系统，可以提取基于CSG 的信息(B-rep信息是由CSG 模型导出的)。重新构造CSG 树和B-rep信息，使其成为以一种混合形式来表示特征的另一种CSG 树。Roy和Liu提出一种混合CSG/B-rep方法表示特征及尺寸和公差。特征的层次结构提供物体组件关系的多级表示，并在每级的细节保持有边界表示。Gossard等人提出一种在几何造型中显式地表示尺寸公差和几何特征的方法，此方法将CSG 和B-rep表示结合在一个被称为形体图的图结构中。 10.结论 CAD/CAPP/CAE/CAM/P

31、DM的集成极大地提高了数据在不同系统之间的流转效率，提高了数据的流转的准确性和快速性，提高了企业的管理效率，也明显提高了产品设计的可靠性和开发效率。 参考文献 1 慈瑞梅, 王拴虎, 龚光容. CAPP 的现状与发展J. 机械科学与技术, 2002, 21: 64-67. 2 汤多良. CAPP 系统发展的现状研究J. 淮南职业技术学院学报, 2004, 4(12):48-49. 3 肖伟越. CAPP 中的智能信息处理技术M. 长沙:国防科技大学出版社, 2002. 4 屠立, 王耀. CAPP 系统的开发现状和发展趋势J. 机电工程技术, 2002, 31(4): 9-10. 5 晓彬, 叶飞帆. CAPP 系统的开发现状及其发展趋势J.成组技术与生产现代化, 1998 (3): 23-24. 6 倪卫华. 基于Web 的工艺设计方法的研究与实现D. 南京航空航天大学, 2002. 7 曾芬芳, 严晓光. CAPP 的现状与发展趋势J. 机械制造与自动化, 2004, 33(3):12-14. 8 黄勇, 高国安. 智能CAPP 系统开发技术研究J. 计算机应用研究. 2002(3): 83-85. 9 王细洋, 万在红. CAPP 的关键问题及对策J. 制造业自动化, 2000, 22(2):25-29.