第11章 集成

第11章CAD/CAM系统集成学习目标：理解CAD/CAM集成系统的概念、体系结构和基本组成，掌握CAD/CAM系统的集成方法；理解PDM的基本概念和体系结构，掌握基于PDM的CAD/CAM集成系统的集成方式和系统组成；了解CIM与CIMS 的内涵及CIMS的组成，掌握CIMS的三个集成阶段和主要内容。

学习内容：学习重点：CAD/CAM系统的集成技术和方法。

学习难点：CAD/CAM集成系统的体系结构。

第11章CAD/CAM系统集成11．1 CAD/CAM集成的概念11．1．1 集成的基本概念与作用计算机的出现和发展是为了将人类从繁琐、重复的脑力劳动中解放出来。

早在三、四十年前，计算机就已作为重要的工具辅助人类承担一些单调、重复的劳动，如数值计算、工程工程图绘制和数控编程等。

在此基础上，逐渐出现了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺规程设计(CAPP) 、计算机辅助制造(CAM) 、计算机辅助工程分析(CAE) 、计算机辅助夹具设计(CAFD) 等概念。

近年来，这些独立的系统获得了飞速的发展，分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方面起到了重要的作用。

基本知识点:CAD/CAM集成的方式CAD/CAM集成的作用传统意义的CAD/CAM集成系统广泛意义的CAD/CAM集成系统1．集成的概念随着计算机技术日益广泛深入的应用，人们很快发现，采用这些各自独立的系统不能实现系统之间信息的自动传递和交换。

例如CAD系统设计的结果，不能直接为CAPP系统接收，若进行工艺规程设计时还需要人工将CAD输出的图样、文档等信息转换成CAPP系统所需要的输入数据，这不但影响了效率的提高，而且在人工转换过程中难免会发生错误。

只有当CAD系统生成的产品零件信息能自动转换成后续环节（如CAPP、CAM等）所需的输入信息，才是最经济的。

为此，人们提出了CAD/CAM集成的概念并致力于CAD、CAPP 和CAM系统之间数据自动传递和转换的研究，以便将业已存在的和正在使用中的CAD、CAPP、CAM等独立系统集成起来。

集成（Integration）是近二十年来使用频率比较高的一个词。

电路设计讲集成，软件系统开发讲集成，制造系统的规划设计也讲集成。

由于应用领域的差异，集成的意义有所不同。

即便是在同一领域，不同的阶段、不同的层面，其意义也有差别。

因此很难给集成下一个准确完整的定义。

对于集成系统来说，应具备以下三个基本特征：数据共享：系统各部分的输入可一次性完成，每一部分不必重新初始化，各子系统产生的输出可为其它有关的子系统直接接收使用，不必人工干预。

系统集成化：系统中功能不同的软件系统，按不同的用途有机的结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递，保证系统内信息流畅通，并协调各子系统有效地运行。

开放性：系统采用开放式体系结构和通用接口标准。

在系统内部各个组成部分之间易于数据交换、易于扩充；在系统外部，一个系统能有效地嵌入另一个系统中作为其组成部分，或者通过外部接口，有效地连接、实现数据交换。

CAD/CAM是制造系统的重要组成部分，正确理解CAD/CAM系统集成的概念，应将CAD/CAM放到整个集成化制造系统中来分析。

集成化制造系统是由管理决策系统、产品设计与工程设计系统、制造自动化系统、质量保障系统四个功能子系统以及计算机网络和数据库两个支撑子系统等六个部分有机地集成起来的，下图表示了六个子系统及其与外部信息的联系。

CAD/CAM与制造系统中其它子系统的集成，主要是实现CAD/CAM系统与其它三个子系统之间的信息交换和共享。

四个子系统之间应交换的信息流如下图所示：2．CAD/CAM的集成方式及作用CAD/CAM的集成方式系统的集成，即CAD/CAM Integration：它是将不同功能、不同开发商的单元系统集成到一起，形成一个完整的CAD/CAM系统。

这种应用系统的优点是单元系统配置灵活，选择余地大，可以选择单元技术最优秀的系统进行组合。

另外，在系统升级换代时，可有选择地保留一些不太落后的单元，与新的系统集成。

因此是应用非常广泛的一种方式。

本知识点的内容主要以这种系统为背景展开。

这种系统也有一些缺点，比如系统集成以后，在单元子系统之间很难做到“无缝连接”，或多或少地总会留有一点“痕迹”。

这种缺陷偶尔会给整个系统带来灾难性的影响。

集成的系统，即Integrated CAD/CAM：它是在系统设计一开始，就将系统未来要用的功能都考虑周全，并将这些功能的实现全都集成到一个系统中，特别是采用统一的产品数据模型的共享机制，因此不会有任何连接的痕迹。

这种系统一般不容易做到广泛意义上的CAD/CAM。

它更多地是以狭义的CAD/CAM系统方式出现。

例如：CATIA系统、I-DEAS系统、CADDS系统这些著名软件系统，可以在一个集成环境下，完成从产品设计、工程分析，到数控加工的过程。

这种系统在一些特定行业或部门应用非常成功，比如模具行业。

从CAD/CAM的集成技术上看，它包括硬件的集成，也包括软件集成。

可以采用网络系统，也可不采用网络技术。

CAD/CAM集成的作用∙有利于系统各应用模块之间的资源共享，提高了系统运行效率，降低系统成本；∙避免了应用系统之间信息传递误差，特别是人为的传递误差，从而提高了产品的质量；∙有利于实现并行作业，缩短产品上市周期、提高产品质量和企业的市场竞争力；∙有利于实现面向制造的设计（DFM）和面向装配的设计（DFA），降低成本，提高产品竞争力；∙有益于敏捷制造等先进制造模式的实施，扩大企业的市场机遇。

11．1．2 CAD/CAM集成系统的基本组成CAD/CAM技术的应用覆盖面非常宽广，尽管我们已经将着眼点落在产品制造业，也还会由于制造对象的不同，而对CAD/CAM集成系统的组成提出不同的要求。

所以在构造CAD/CAM集成系统时，通常采用模块组合的方式，用一个基础模块构成基本系统，然后再根据具体需要配置适当的模块。

常用的用于构成CAD/CAM集成系统的模块有产品设计（CAD）、工程分析（CAE）、工艺过程设计（CAPP）、数控加工编程（NC）、分布式数据库，以及系统接口和数据交换标准等。

传统意义的CAD/CAM集成系统组成产品设计模块：对于绝大多数CAD/CAM系统，这是一个最基本的模块，其中应包括建模和图形处理功能。

工程分析模块：工程分析模块包括对产品的结构分析，也包括对产品性能和特性的计算与分析。

针对不同的产品，有各种各样的工程分析模块可供选择。

工艺过程设计模块：工艺过程设计模块将CAD数据转换为各种加工、管理信息，包括完整的工艺路线、工序卡等工艺文件，以及供数控加工用的数控程序及其工艺信息。

数控加工编程模块：数控编程模块与CAD/CAM集成系统的血缘关系最近，CAD产品的数据在计算机内部直接转换成数控加工程序，从而改变了由人在CAD系统和数控机床之间参与信息转换的笨拙方式。

分布式数据库：设计工作是在分布在不同地点的网络节点上完成的，所产生的文件也存在节点工作站上，所有网络节点需要共享一个工程数据库，因此要求数据库必须具有分布式功能。

系统接口：这里指的是软件接口，接口相当于翻译器将一个系统的信息表达翻译给另一个系统。

广泛意义的CAD/CAM集成系统组成如果我们站在更高的层次看问题，从设计制造的全过程去理解，CAD/CAM集成系统由更加广泛的内容组成。

按照功能的划分，可认为这样的系统由四个应用子系统和一个支撑子系统组成∙生产管理系统（PMS）：包括生产计划管理、项目管理、制造资源管理、物料管理和财务成本管理五个子系统。

（详细内容...）∙工程设计系统（EDS）：包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助夹具设计（CAFD）、计算机辅助制造（CAM）四个子系统。

（详细内容...）∙制造自动化系统（MAS）：包括车间生产信息管理、生产调度控制、车间作业调度仿真、生产过程检测与故障诊断四个子系统，完成对数控加工车间层、工作站（单元）层及设备层的调度与监控。

∙质量管理系统（QMS）：包括质量的综合信息管理、评价与分析、检测与监控、规划检测等子系统。

∙支撑系统：包括计算机硬件系统与软件、网络、数据库、应用集成软件框架及协同工作环境等子系统。

它支持四个应用子系统间的信息集成、过程集成以及多功能协同作业。

11．1．3CAD/CAM集成系统的体系结构CAD/CAM集成系统的结构类型传统型系统：这类系统开发较早，如：I-DEAS、UG-Ⅱ、CADAM、CATIA、CADDS等较著名的软件。

这类软件专业功能强，由于开发之初硬件环境、设计思想和设计方法的局限性，使这些系统不太容易适应高度集成化的要求。

改进型系统：这类系统是80年代发展起来，如：CIMPLEX、Pro/ENGINEER 等。

这类系统某些自动化程度高，如：参数化特征设计、系统数据与文件管理、数控加工程序的自动生成等，但仍缺乏对数据交换和共享信息集成要求的支持。

数据驱动型系统：这是正在发展中的新一代CAD/CAM集成系统。

其基本出发点是着眼产品整个生命周期，寻求产品数据完全实现交换和共享的途径，以期在更高的程度和更宽的范围实现集成。

主要途径是采用STEP产品数据交换标准，逐步实现统一的系统信息结构设计和系统功能设计。

如下图所示：递阶控制的体系结构∙从应用角度：CAD/CAM集成系统，一般采用递阶控制体系结构，包括公司、厂/所、工作站（单元）及设备等五层。

（详细内容...）∙从计算机实现角度：CAD/CAM系统的层次结构可分为计算机硬件与系统软件、网络、数据库、应用集成框架/协同工作环境及应用软件五层11．2CAD/CAM集成方法在所有CAD/CAM集成方法中，基于专用接口的集成是最原始的一种。

随着各种数据交换标准的开发与问世，人们逐渐认识到，为解决不同的CAD/CAM系统间的数据交换，应当采用一种统一的、也是唯一标准来实现相应的操作。

为此ISO于1983年2月在负责工业自动化系统的技术委员会TCIS4内成立了产品数据的外部表示分会SC4，其任务是制定国际标准《ISO 10303—产品数据的表达与交换》（又称产品模型数据交换标准STEP）。

基本知识点：基于专用接口的CAD/CAM集成基于STEP的CAD/CAM集成基于数据库的CAD/CAM集成11．2．1基于专用接口的CAD/CAM集成在所有CAD/CAM集成方法中，基于专用接口的集成是最原始的一种。

对于专用接口，可以从两方面来理解，一是被集成的系统之间没有任何联系，必须专门开发接口使两个不同的系统间接地进行沟通；二是系统开发商自行开发的专用接口，专为解决自家系列产品之间的信息交换。

下图给出的是最早的CAD/CAM集成的模式，单元系统的独立性非常强，至多是提供一种专门的数据格式。