1、第第1章章 计算机辅助制造概计算机辅助制造概 述述第第1章章 计算机辅助制造概计算机辅助制造概 述述1.1 CAD/CAM的基本概念1.2 CAD/CAM系统的主要任务1.3 CAD/CAM技术发展简史与应用现状1.4 CAD与CAM之间的联系1.5 计算机辅助制造内涵扩展1.1 CAD/CAM的基本概念的基本概念1.1.1 CAD/CAM的概念1.1.2 产品设计制造过程与CAD/CAM 1.1.3 CAD/CAM系统的工作过程1.1.4 CAD/CAM的应用意义1.1.1 CAD/CAM的概念计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称CAD）是指工程技术
2、人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和产品图绘制等工作。一般认为CAD系统应包括如下功能：草图设计、零件设计、工程分析、装配设计、产品数据交换等。CAD新产品开发计划产品要求性能规定设计知识数据库CAD软件计算机硬件零件图、装配图产品设计文件零件信息文件1.1.1 CAD/CAM的概念 狭义狭义CAMCAM通常是指计算机辅助数控加工程序的编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC代码生成以及与数控机床数控装置的软件接口等 广义广义CAMCAM一般是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个
3、过程的活动，包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。CAM工艺路线文件工艺内容文件零件信息加工设备数据库CAM软件计算机硬件NC加工程序NC监测程序1.1.2 产品设计制造过程与CAD/CAM 下图给出了产品设计制造过程所包括的产品设计、工艺设计、生产管理和产品制造四个阶段。这是一个串行的过程链，但在实际生产中，有些过程是并行进行的。如：在产品设计时，就要考虑产品的可制造性；产品制造过程中，则始终有生产管理的要求。产品设计产品设计工艺设计工艺设计生产管理生产管理产品制造产品制造计算机辅助绘图，简称CAG计算机辅助工程分析，简称CAE计算机辅助工艺设计，简称
4、CAPP计算机辅助数控编程，简称NCP制造资源计划，简称MRPII企业资源计划，简称ERP计算机辅助质量控制，简称CAQ产品数据管理，简称PDM虚拟设计，简称VR-CAD虚拟制造，简称VM1.1.3 CAD/CAM系统工作过程 CADCAM系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它充分利用了计算机高效准确的计算功能、图形处理功能以及复杂工程数据的存贮、传递、加工功能，在运行过程中，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、各尽所长、紧密配合的系统。CAD/CAM系统输入的是设计要求，输出的是制造加工信息。应用CAD/CAM系统进行空间凸轮设计与制造的基本工作过程 根据工作要求设根据工作要求设
5、计出凸轮运动曲计出凸轮运动曲线及三维模型线及三维模型CAD（DESIGN）由凸轮三维模型由凸轮三维模型自动生成二维工自动生成二维工程图程图CAD（DRAWING）编制凸轮数控加编制凸轮数控加工程序并进行加工程序并进行加工仿真工仿真CAM（NC）将加工程序输入将加工程序输入数控机床进行凸数控机床进行凸轮加工轮加工数控加工数控加工凸轮三维模型凸轮三维模型凸轮二维工程图凸轮二维工程图凸轮数控加工程序编制及加工仿真凸轮数控加工程序编制及加工仿真凸轮加工实况凸轮加工实况输入设计要求输入设计要求选择设计方案选择设计方案三维几何造型及几何模型三维几何造型及几何模型最优化最优化设计设计有限元有限元分析分析装配
6、仿真装配仿真运动仿真运动仿真物性物性分析分析满足产品要求否满足产品要求否输出图样、文件输出图样、文件CAPP加工模拟加工模拟满足设计工艺要求否满足设计工艺要求否加工制造加工制造NC自动编程自动编程修改修改设计设计程序库程序库图形库图形库设计参数数据库设计参数数据库刀具切削用量库刀具切削用量库NC代码库代码库工艺库工艺库CADCAMNNYYCAD/CAM系统工作过程系统工作过程1.1.3 CAD/CAM系统工作过程 1.通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求，向CAD系统输入设计要求，利用几何建模功能，构造出产品的几何模型，计算机将此模型转换为内部的数据信息，存贮在系统的数据库中。2.调用CA
7、D/CAM系统程序库中的各种应用程序对产品模型进行详细设计计算及结构方案优化分析，以确定产品总体设计方案及零部件的结构及主要参数，同时，调用CAD/CAM系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输出在显示器上。1.1.3 CAD/CAM系统工作过程3.当把设计对象描述为计算机内部模型后，通过计算机辅助工程分析计算功能对产品技术性能指标进行优化设计、性能预测、结构分析和仿真。即通过计算机数值分析的求解速度快、效率高的优势，对设计产品的结构和性能指标进行必要的工程分析和仿真计算。4.根据计算机显示的结果，设计人员对设计的初步结果作出判断，如果不满意，可以通过人机交互的方式进行修改，直至满意为止
8、，修改后的数据仍存储在CAD/CAM系统的数据库中。1.1.3 CAD/CAM系统工作过程5.CAD/CAM系统从数据库中提取产品的设计制造信息，在分析其零件几何形状特点及有关技术要求后，对产品进行工艺规程设计，设计的结果存入系统的数据库，同时在屏幕上显示输出。6.工艺设计人员可以对工艺规程设计的结果进行分析、判断，并允许以人机交互的方式进行修改。最终的结果可以是生产中需要的工艺卡片或以数据接口文件的形式存入数据库，以供后续模块读取。1.1.3 CAD/CAM系统工作过程7.在打印机上输出工艺卡片，成为车间生产加工的指导性文件。CAM子系统从数据库中读取零件几何信息和加工工艺规程，生成NC加工
9、程序。8.有些 CADCAM系统在生成了产品加工的工艺规程之后，对其进行仿真、模拟，验证其是否合理、可行。同时，还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、碰撞检验。9.在普通机床、数控机床上按照工艺规程和NC加工程序加工制造出有关产品。1.1.4 CAD/CAM的应用意义缩短产品开发周期 提高产品设计质量 降低生产成本 提高管理水平 1.1.4 CAD/CAM的应用意义 85%70%48%46%45%33%30%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%降低废品率库存减少减少设计工时缩短生产时间减少装配制造时间降低销售成本降低维修成本1.2 CAD/CAM系统的主要任务 1.1.零
10、件造型零件造型2.2.装配造型装配造型5.5.工程分析工程分析3.3.标准件库标准件库4.4.工程绘图工程绘图6.6.优化设计优化设计11.11.应用软件二次开发应用软件二次开发10.10.工程数据管理工程数据管理9.9.模拟仿真模拟仿真8.8.计算机辅助计算机辅助NCNC编程编程7.7.计算机辅助工艺规程设计计算机辅助工艺规程设计1.1.零件造型零件造型 零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。设计人员在三维CAD软件的支持下可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。在制作过程中，设计人员可以从各个角度观察具有真实感的零件造型。如果对模型不满意，可以立即修改零件造型。零件造型
11、能够准确表达零件的形状、尺寸、色泽、体积、重心、表面信息、材料信息等。对已有的零件造型提供方便的管理，以便存储、归档或与其他系统交换数据。先进的CAD系统都提供参数化的基于特征的实体造型方法。1.1.零件造型零件造型对于复杂表面的造型，系统可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根据给定的离散数据或有关具体工程问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过渡曲面，或用扫描的方法得到扫描体、建立曲面的模型。零件造型技术是CADCAM系统的核心，它为产品的设计、制造提供基本数据，同时，也为其它模块提供原始的信息，例如，所定义的几何模型的信息可供给有限元分析、绘图、仿真、加工等模块调用。零件造型举例-机械零件
12、齿轮齿轮凸轮凸轮动画演示动画演示凸轮运动凸轮运动零件造型举例塑料橡胶件洗涤剂瓶洗涤剂瓶显示器外壳显示器外壳橡胶轮胎橡胶轮胎零件造型举例叶轮零件风扇叶轮风扇叶轮离心叶轮离心叶轮动画演示动画演示动画演示动画演示风扇叶轮旋转运动风扇叶轮旋转运动离心叶轮旋转运动离心叶轮旋转运动零件造型举例轿车外形2.2.装配造型装配造型 装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配。通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布的爆炸图。对于复杂的产品，装配造型可提供多样的方法提高造型的效率。装配造型还提
13、供了完善的系列化产品的设计方法，如通过更换部分零件来改变一种产品类型。球阀体装配模型球阀体装配模型分解图公用电话装配模型钉书器装配模型刹车盘装配动画电风扇装配动画福特发动机虚拟装配及工作过程演示3.3.标准件库标准件库 大多数CAD系统均提供通用标准零件和特征的扩展库。用户可以很方便地选取标准特征或零件，并将它们组合进零件或部件的设计中。常用的标准零件有方形和六角形螺母、螺栓、普通垫圈、弹簧垫圈、半月销、内六角螺钉、铆钉、开口销等等。标准特征包括孔、槽、轴、颈、法兰、加强筋、壳、耳、螺纹、通风格栅、管状特征等等。三维CAD系统MDT的螺栓库三维CAD系统MDT的螺母库4.4.工程绘图工程绘图
14、产品设计的结果往往是工程图的形式，CADCAM中的某些中间结果也是通过图形表达的。一般的CAD软件都具有人机交互输入和处理二维图形的能力，包括基本图元的生成，标注尺寸，图形的编辑（比例变换、平移、图形拷贝、图形删除等）以及显示控制、附加技术条件等功能，保证生成符合生产实际要求，也符合国家标准的工程图。4.4.工程绘图工程绘图先进的CAD软件已具备根据零件的三维零件图和装配造型自动生成投影图、辅助图、剖面图和局部视图的功能，并能自动标注尺寸，其工程图样与零件造型密切相关。如果改变了图纸中的尺寸，相关零件的造型尺寸也将随之改变，图纸中的线条长度和位置也将反映这种变化，从而保证能够对设计进行快速、一
15、致的修改。三维零件图三维零件图二维工程图二维工程图CAD自动生成自动生成5.5.工程分析工程分析 CADCAM系统构造了产品的几何模型之后，能够根据产品几何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性、为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。另一方面，CADCAM中的结构分析中需进行大量的应力、温度、位移等分析计算。因此，要求CADCAM系统完成各类分析计算的算法正确、全面，能处理大量的数据，还要有较高的计算精度。5.5.工程分析工程分析CADCAM系统中结构分析常用的方法是有限元法，这是一种数值近似解方法，用来求解结构形状比较复杂工程构件的静态和动态特
16、性，以及构件的强度、振动、热变形、磁场、温度、应力分布状态等的计算分析。在进行静、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点，划分网格、标出单元号、节点号、并将划分的结果显示在屏幕上；进行分析计算之后，将计算结果以图形、文件的形式输出，例如应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方便、直观地看到分析的结果。有限元分析步骤几何建模几何建模网格划分网格划分施加约束、分析计施加约束、分析计算、查看计算结果算、查看计算结果有限元分析实例平板轧制过程的有限元模拟 轧制是旋转的轧辊将材料带入辊缝之间并使之产生变形的过程。轧制生产中，材料的塑性变形规律、轧辊和轧件之间的摩擦现象、材料中的温度和微观组
17、织的变化、轧制过程中的压下率、宽厚比等及其对轧件质量的影响，都是非常复杂的问题。有限元分析实例平板轧制过程的有限元模拟 影响轧制的生产效率和生产质量的原因很多，从现场和实验中得到的规律和理论很难覆盖所有方面，而且耗费巨大。采用数值模拟的方法进行数值实验是近年来理论研究中的趋势，将有限元方法应用于轧制过程的理论研究不但可以节省实验费用，而且因其高速性和可靠性可以对轧制过程中不易进行实验研究的课题进行深入地探讨。平板轧制过程（应力及变形模拟）为简化计算，将三维轧制过程简化为平面问题，轧辊看成弹性体。6.6.优化设计优化设计 CADCAM系统根据需要还可配置优化设计功能，也就是在某些条件的限制下，使
18、产品或工程设计中的预定指标达到最优。优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分。7.7.计算机辅助工艺规程设计计算机辅助工艺规程设计 设计的后续过程是加工制造，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导性的文件。因此，计算机辅助工艺规程设计（CAPP）是CAD与CAM的中间环节。CAPP系统应当根据建模后生成的产品信息及制造要求，自动决策出加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设备及加工参数。CAPP的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片文件，另一方面能直接输出一些信息，为CAM中的NC自动编程系统接收、识别，直接转换为刀
19、位文件。CAPP零件几何信息零件工艺信息工艺知识数据库图形系统计算机硬件工艺路线文件工时定额文件工艺内容文件毛坯图、工序图8.8.计算机辅助计算机辅助NC编程编程 目前的CAM软件大部分采用图形交互式自动编程，即以CAD生成的零件几何信息为基础，采用人机交互对话方式，在计算机屏幕上指定被加工件的几何特征、定义相关的加工参数后，由计算机进行分析处理，直接产生NC加工程序。仿真功能则能在计算机上动态显示加工路径，模拟实际切削加工。模具数控编程与加工仿真模具数控编程与加工仿真8.8.计算机辅助计算机辅助NC编程编程通过各自接口可将计算机与数控机床连接起来，利用CAM软件中的通信模块，能将计算机上的N
20、C加工程序直接送至数控机床上的CNC系统（计算机数字控制系统）中控制数控加工，这个过程称为直接数字控制（DNC）。立式加工中心立式加工中心数控车床数控车床五面立式加工中心五面立式加工中心直接数字控制（直接数字控制（DNCDNC）9.9.模拟仿真模拟仿真 在CADCAM系统内部，建立一个工程设计的实际系统模型，例如机构、机械手、机器人等。通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。如数控加工仿真系统，从软件上实现零件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入以及加工设备损坏的风险，减少了制造费用，缩短了产品设计周期。通常有加工轨迹仿真
21、，机构运动学模拟，机器人仿真，工件、刀具、机床的碰撞、干涉检验等。数控加工切削仿真数控加工切削仿真公园游乐机运行仿真公园游乐机运行仿真电风扇运行仿真电风扇运行仿真装载机运行仿真装载机运行仿真10.10.工程数据管理工程数据管理 由于 CADCAM系统中数据量大、种类繁多，既有几何图形数据，又有属性语义数据；既有产品定义数据，又有生产控制数据；既有静态标准数据，又有动态过程数据，结构还相当复杂，因此，CADCAM系统应能提供有效的管理手段，支持工程设计与制造全过程的信息流动与交换。目前，CADCAM系统中多采用PDM（Product Data Management）系统或工程数据库系统作为统一的
22、数据管理环境，实现各种工程数据的管理。11.11.应用软件二次开发应用软件二次开发 由于机械产品的用途多种多样，任何强大的CAD系统都不可能向用户提供各种具体产品的完善的CAD/CAM解决方案。大多数商品化CAD系统都提供了基于C、C+、Visual C+、Visual Basic的二次开发工具，为用户将自己或者第三方在其基础上编写应用软件提供了很大的方便。二次开发工具中提供的函数和方法可以调用CAD系统内部命令，直接存取CAD内部数据库。1.3 CAD/CAM技术发展简史与应用现状 CAD最初概念的产生；二维绘图系统SKETCHPAD；“交钥匙”系统（Turnkey System)；80年代
23、超大规模集成电路；集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化；反映时代潮流的商品化CAD/CAM软件在我国应用日益广泛。1.4 CAD与CAM之间的联系 CAD/CAM技术是围绕产品（工程）的设计和制造相对独立发展起来的。在应用时，常常也是以独立的形式出现，并在各自的应用领域发挥了重要作用。然而，正如产品设计与产品制造是两个密切关联的环节一样，CAD与CAM是企业生产活动自动化的两个重要环节，两者之间存在密切的信息联系。如CAD系统的输出是产品图样、技术文档和其他文件。在进入CAPP系统之前需要从图样中提取几何信息、技术要求等，以符合CAPP系统所要求的格式输入。在进行NC加工程序编制时，
24、也需提取大量的零件几何形状信息和公差信息才能由CAM系统生成合适的零件NC加工程序。CAD设计任务设计任务产品样图、产品样图、技术文档技术文档人工人工转换转换零件几何形状、零件几何形状、精度、材料精度、材料CAPP工艺过程、工艺过程、工序图工序图人工人工转换转换待加工面形待加工面形状以及精度状以及精度CAMNC程序程序独立的独立的CAD和和CAPP、CAM系统之间的信息传递系统之间的信息传递1.4 CAD与CAM之间的联系 集成化的CAD/CAM系统则由计算机系统自动完成上图所示的零件信息传输与交换。一般的CAD/CAM集成指的是把CAD、CAE、CAPP、CAPM、CAM等各种功能软件有机地
25、结合在一起，通过统一的信息管理和控制软件实现产品信息的提取、转换和共享，从而达到系统内信息的畅通和系统协调运行的目的。执执 行行 控控 制制工程应用系统工程应用系统(CAD、CAE、CAM)数据库、档案库、数据通信数据库、档案库、数据通信数据库管理系统数据库管理系统操作系统操作系统网络软件网络软件计计 算算 机机 硬硬 件件图图形形系系统统软软件件工工具具CAD/CAMCAD/CAM集成系统的总体结构集成系统的总体结构CAD/CAM集成系统是建立在计算机硬件基础之上，在操作系统和网络软件的支持下运行的一种计算机软件。数据库管理系统、图形系统、各种软件工具直接依赖于计算机操作系统和网络软件，形成
26、 CAD/CAM软件系统的支撑环境。1.5 计算机辅助制造内涵扩展向高效化、敏捷化、清洁化方向发展向精密化、多样化、复合化方向发展向柔性化、集成化、智能化、全球化方向发展2022-11-27741.5 计算机辅助制造内涵扩展l集成化 从当前企业内部的信息集成和功能集成，发展到过程集成，并正在步入实现企业间集成的阶段。l数字化虚拟化从产品的数字化设计开始，发展到产品全生命周期中各类活动、设备及实体的数字化。在数字化基础上，虚拟化技术正在迅速发展，主要包括虚拟现实应用、虚拟产品开发和虚拟制造。l网络化 从基于局域网发展到基于Intranet/Extranet/Internet的分布式网络制造，以支
27、持全球制造策略的实现。2022-11-27751.5 计算机辅助制造内涵扩展l柔性化 正积极研究发展企业间动态联盟技术、敏捷设计生产技术、可重组技术等，以实现敏捷制造。l智能化 是制造系统在柔性化和集成化基础上进一步的发展与延伸，引入各类人工智能和智能控制技术，实现具有自律、分布、智能、敏捷等特点的新一代制造系统。l绿色化 包括绿色制造、环境意识的设计与制造、生态工厂、清洁化生产等，它是全球可持续发展战略在制造业中的体现，是摆在现代制造业面前的一个崭新课题。2022-11-27761.5 计算机辅助制造内涵扩展1.5.1 敏捷制造1.5.2 绿色制造1.5.3 计算机集成制造1.5.4 网络制
28、造1.5.5 虚拟制造1.5.1 敏捷制造敏捷制造起源虚拟企业敏捷制造起源l美国国防部撰写21世纪制造业发展战略报告，首次提出敏捷制造（Agile Manufacturing,AM）的概念。lAM的基本思想是充分利用信息时代的通信工具和通信环境，为某一产品的快速开发，在一些制造企业之间建立一个动态的企业联盟（即虚拟企业），各虚拟企业之间加强合作和知识、信息、技术资源共享，充分发挥各自的优势和创造能力，在最短的时间内以最小的投资完成产品的设计制造过程，并快速把产品推向市场。lAM是一种提高企业群体竞争能力的全新的制造组织模式。l敏捷性使企业能以更快的速度、更好的质量、更低的成本和更优质的服务来赢
29、得市场竞争。虚拟企业l敏捷制造的核心思想是建立虚拟企业（VE）以快速应对市场。lVE是敏捷制造的基本动态组织形态，是指为了赢得某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，通过利用不同组织或企业的优势资源，组建为靠网络通信联系的阶段性经营实体。lVE实质上是不同组织或企业间的动态集成，随市场机遇的存亡而聚散。在具体表现上，结盟的可以是同一个大公司的不同组织部门，也可以是不同国家的不同公司。虚拟企业的本质特征 l虚拟企业是以整个社会制造资源为基础的，在组建前不受制造资源的制约，完全以社会对产品的需要为导向。l企业要被虚拟企业的组织者选中，就必需形成自己的核心能力。l虚拟企业的本质特征为企业制造资源及企
30、业最终产品关系的动态化与模糊化。l虚拟企业不一定非得利用成员企业的全部制造资源，而是可以利用成员企业的部分制造资源，甚至一个生产单元、一台设备，而且一家企业可以同时参与不同的虚拟企业。虚拟企业的组织模式 l虚拟企业的组织基础虚拟企业的组织基础 指构成虚拟企业中的独立企业的制造资源特征，按企业内部效率及企业间交易成本因素考虑。三种基本类型：新产品研制与开发企业专用零、部件生产及总装企业通用标准零部件生产企业 虚拟企业的组织模式l虚拟企业的组织结构虚拟企业的组织结构 根据虚拟企业随市场变化的敏捷特征，设计虚拟企业的结构：核心层 由新产品设计与开发企业构成。核心层企业之间的关系是共同分担成本与风险，
31、分享利润。紧密层 由专用零部件生产及总装企业构成，这一层企业按照合同要求相互配合，合同与核心层代表签订，负责按合同要求生产与装配。松散层 由通用标准零部件生产企业组成，以市场形式提供标准化、通用化零部件或按合同进行生产。1.5.2 绿色制造绿色制造起源绿色制造的内涵绿色设计绿色加工绿色制造的发展趋势绿色制造起源l最有效地利用资源和最低限度地产生废弃物，是当前世界上环境问题的治本之道。l制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是当前环境污染的主要源头。制造资源（原材料能源等）制造过程产品（使用和处理）废 弃 资 源 环境污染绿色制造的内涵l绿色制造定义l绿色制造特点l绿色制造体系结构绿色制
32、造定义l绿色制造又称环境意识制造、面向环境的制造等。l绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造特点l多领域 绿色制造涉及的问题领域包括三部分：制造问题，包括产品生命周期全过程；环境影响问题；资源优化问题。绿色制造就是这三部分内容的交叉和集成。l大制造 绿色制造涉及现代制造观的变革、可持续制造理论、21世纪制造系统的体系结构以及大制造、大过程和学科交叉等一系列制造科学问题。绿色制造特点l广内涵 围绕制造过程中的环境问题
33、提出了许多与绿色制造相关或相类似的制造概念。绿色制造环境意识制造生态意识制造绿色设计环境意识设计生态意识设计绿色工艺规划绿色加工技术清洁技术绿色包装绿色材料选择面向拆卸设计可回收性设计面向制造与装配设计长寿命设计绿色制造特点l物流闭环 传统制造的物流是一个开环系统，物流的终端是产品使用到报废为止。绿色制造的物流则是一个闭环系统，其中开环物流和产品报废后的反馈形成大闭环系统。在此过程中，又可能形成若干个小闭环系统，如图中的产品绿色包装，加上包装件的回收就形成了一个小闭环系统。绿色制造特点物流闭环特性原材料开采原材料生产产品加工产品装配产品绿色包装用户产品使用维护产品报废材料可再生的零部件可修改或
34、改制的零部件材料可再生可重用零部件不可再生的废弃物无害化处理可回收材料分类包装回收回收拆卸绿色制造体系结构绿色制造的理论体系GM体系结构和多生命周期工程绿色制造系统绿色能源系统绿色设计技术绿色加工技术绿色包装技术绿色生产设备绿色制造工艺绿色制造的数据库和知识库绿色原材料绿色生产环境绿色管理模式和绿色供应链绿色制造的实施工具盒产品绿色制造的理论体系和总体技术绿色制造的专题技术绿色制造的支撑技术绿色制造的关键技术体系绿色设计 l产品的绿色设计与传统设计区别l绿色设计的主要内容产品的绿色设计与传统设计区别l产品的传统设计过程仅仅考虑产品的基本属性，而不考虑环境属性。l绿色设计则在产品的整个生命周期内
35、，优先考虑产品的环境属性，然后再考虑产品应有的基本属性。减少废物排放降低资源消耗减少影响安全健康的风险生态降解适用性可靠性成本低利润大综合消费者的审美观提高品位环境原则性能原则收益原则美学原则绿色设计原则绿色设计的主要内容l产品的绿色材料选择l产品的面向拆卸设计l产品的回收性设计l产品的长寿命设计绿色加工技术绿色铸造工艺绿色熔炼技术绿色砂型技术精密铸造技术绿色锻造工艺精密锻压技术激光弯曲成形技术冷挤压、轧制等绿色焊接工艺激光焊接技术超声波焊接技术电子束焊接绿色切削工艺干切削技术干磨削技术激光加工粉末冶金工艺快速成形技术绿色热处理技术绿色加工技术2022-11-27961.5.3 计算机集成制造
36、l1974年，美国Joseph Harrington博士首次提出了CIM(Computer integration Manufacturing)理念。l本质在于以计算机为工具来辅助制造系统的集成，即以充分的信息交流或信息共享，促进制造系统或制造企业组织结构的优化与运行优化，其目的在于提高企业的竞争能力和生存能力。2022-11-2797计算机集成制造理念lCIM将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，使企业产品全生命周期各阶段活动中有关的人组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流三流有机集成并优化运行，以达到产品（P)上市快（T)、高质（Q)、低
37、耗（C)、服务好（S)、环境清洁（E)，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。2022-11-2798CIMS的特征l数字化、信息化、智能化、集成化、绿色化。l信息集成、过程集成和企业间集成。lCIMS技术是基于传统制造技术、信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术的一门发展中的综合性技术。2022-11-27CIMS的构成 计算机网络计算机网络支撑子系统支撑子系统和数据库支和数据库支撑子系统撑子系统管理信息子系统管理信息子系统质量保证子系统质量保证子系统工程工程设计设计自动自动化子化子系统系统制造制造自动自动化子化子系统系统市场信息原材料产品销售服务信息技术信息2022
38、-11-27100CIMS的四个功能子系统l管理信息子系统管理信息子系统 包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、人力资源的管理信息功能。l工程设计自动化子系统工程设计自动化子系统 通过计算机来辅助产品设计、制造准备以及产品测试，即CAD/CAPP/CAM阶段。2022-11-27101CIMS的四个功能子系统l制造自动化子系统制造自动化子系统 是CIMS信息流和物流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地，由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制计算机等设备及相应的支持软件组成。根据产品工程技术信息、车间层加工指令，完
39、成对零件毛坯的作业调度及制造。2022-11-27102CIMS的四个功能子系统l质量保证子系统质量保证子系统 包括质量决策、质量检测、产品数据的采集、质量评价、生产加工过程中的质量控制与跟踪功能。系统保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程的质量。2022-11-27103CIMS的两个支撑子系统 l计算机网络支撑子系统计算机网络支撑子系统 即企业外部的广域网、内部的局域网及支持CIMS各子系统的开放型网络通信系统。采用标准协议可以实现异机互联、异构局域网和多种网络的互联。系统满足不同子系统对网络服务提出的不同需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库和适时控制2022-11-271
40、04CIMS的两个支撑子系统l数据库支撑子系统数据库支撑子系统 支持CIMS各子系统的数据共享和信息集成，覆盖了企业全部数据信息，在逻辑上是统一的，在物理上是分布式的数据库管理系统。2022-11-27105CIMS的体系结构 工厂层车间层单元层工作站层设备层工厂加工车间虚拟单元1虚拟单元2虚拟单元n切削工作站检验工作站物料储运工作站机器人机床零件仓库机器人检验设备零件仓库机器人自动小车传送器2022-11-27106工厂层控制系统l工厂层控制系统为CIMS的最高一级控制，进行生产管理，履行“工厂”或“总公司”的职能。它的规划时间范围（指任何控制层完成任务的时间长度）可以从几个月到几年。该层按
41、主要功能又可分为三个模块：生产管理模块、信息管理模块和制造工程模块。2022-11-27107工厂层控制系统l生产管理模块 跟踪主要项目，制定长期生产计划，明确生产资源需求，确定所需的追加投资，计算出剩余生产能力，汇总质量性能数据。根据生产计划数据确定交给下一级的生产指令。l信息管理模块 通过用户-数据接口实现必要的行政或经营的管理功能，如成本估算、库存估计、用户订单处理、采购、人事管理以及工资单处理等。2022-11-27108工厂层控制系统l制造工程模块 其功能一般都是通过用户数据接口，在人的干预下实现的。该模块包括两个子模块：CAD子模块和工艺过程设计子模块。CAD子模块用于设计几何尺寸
42、规格和提出部件、零件、刀具和夹具的材料表（Bill of Material,BOM)；工艺过程设计子模块则用于编制每个零件从原材料到成品的全部工艺规程。2022-11-27109车间层控制系统 l任务管理模块 负责安排生产能力计划，对定单进行分批，把任务及资源分配给各单元，跟踪订单直到完成，跟踪设备利用情况，安排所有切削刀具、夹具、机器人、机床及物料运输设备的预防性维修，以及其他辅助性工作。l资源分配模块 负责分配单元层控制系统进行各项目具体加工时所需的工作站、储存区、托盘、刀具及材料等。它还根据“按需分配”原则，把一些工作站分配给特定的“虚拟”单元，动态地改变其组织结构。2022-11-27
43、110单元层控制系统 l单元层控制系统负责相似零件分批通过工作站的顺序和管理（诸如物料储运、检验）及其他有关辅助工作。它的规划时间范围可从几个小时到几周。具体的工作内容是完成任务分解，资源需求分析，向车间层控制系统报告作业进展和系统状态，决定分批零件的动态加工路线，安排工作站的工序，给工作站分配任务以及监控任务的进展情况。2022-11-27111工作站层控制系统l工作站层控制系统负责和协调车间中一个设备小组的活动。它的规划时间范围可从几分钟到几小时。一个典型的加工工作站由一台机器人、一台机床、一个物料储存器和一台控制计算机组成。2022-11-27112设备层控制系统l设备层控制系统是机器人
44、、各种加工机床、测量仪器、小车、传送装置等各种设备的控制器。采用这种控制是为了加工过程中的改善修正、质量检测等方面的自动计量和自动在线检测、监控。该层控制系统向上与工作站控制系统接口连接，向下与厂家供应的各单元设备控制器连接。设备控制器的功能是把工作站控制器命令转换成可操作的、有次序的简单任务，并通过各种传感器监控这些任务的执行。2022-11-27113CIMS开发步骤lCIMS应用工程的开发过程主要分为四个阶段：可行性论证、系统设计、分步实施、运行和维护。lCIMS工程的设计是自顶向下逐步分解、不断细化的过程，而实施则是自底向上、逐步集成的过程。2022-11-27114CIMS开发步骤l
45、可行性论证阶段 了解企业的生产经营特点，分析系统需求，确定系统目标，提出实现方案，指出关键技术和解决途径，制定开发计划，分析投资效益等。l系统设计阶段 细化需求分析，确定系统功能模型、信息模型及运行模型，提出系统集成的内外部接口要求，运行环境和限制条件等。系统设计又分为初步设计及详细设计两个阶段。2022-11-27115CIMS开发步骤l分步实施阶段 按系统设计的要求，完成系统软硬件的购买、安装、开发、调试。l运行和维护阶段 在应用中完善系统。2022-11-27116CIMS的实施要点l要改造原有的经营模式、体制和组织，以适应市场竞争的需要。因为CIMS是多技术支持条件下的一种新的经营模式
46、。l在企业经营模式、体制和组织的改造过程中，对于人的因素要给予充分的重视，并妥善处理。因为人作为企业的第一资源，其知识水平、技能和观念等具有极大的能动性。lCIMS的实施是一个复杂的系统工程，整个的实施过程必须有正确的方法论指导和规范化的实施步骤，以减少盲目性和不必要的疏漏。2022-11-27117CIMS成功应用的案例 l成都飞机工业公司l沈阳鼓风机厂l波音777飞机2022-11-271181.5.4 网络制造l网络制造2022-11-271191.5.5 虚拟制造l虚拟制造思考题思考题 简述CAD/CAM系统的工作过程。简述CAD/CAM技术发展的历程及其各发展阶段的特点。简述CAD/CAM技术可以应用于产品设计与制造过程中的哪些方面？解决哪些问题？
