的发展趋势与计算机集成制造

第四节　CAD/CAM的发展趋势与计算机集成制造

一、CAD/CAM系统的发展趋势

CAD/CAM系统的发展趋势是标准化、集成化、微型化、智能化、可视化、网络化和新型化。

1．标准化

CAD/CAM系统的发展必须统一标准，否则会造成混乱的局面，给用户带来很大的麻烦。为了共享资源，国际社会合作推出了许多标准和规范，例如:

STEP(Standard for the Exchange of ProductModel Data，产品模型数据交换标准)，是正在研究推行的国际标准，主要研究完整的产品模型数据的交换技术，最终完成在产品周期内对产品数据进行完整一致的描述和数据交换。

IGES(Initial Graphics Exchange Specification，基本图形的转换规范)，用于CAD系统之间的数据交换。

GKS(Graphics Kernel System，计算机图形核心系统)，建立应用程序与图形输入、输出设备的功能接口。

PDES(Product Data Exchange Specification，产品数据交换规范)，是产品数据交换标准。

2．集成化

自20世纪80年代以来，计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS)是计算机技术在制造工业应用的主要发展方向。利用计算机集成制造技术建立的计算机集成制造系统(CIMS)，是通过计算机控制产品的规划、设计、制造、检测、包装、运输、销售等各个环节，利用最小的制造和管理资源，最优地实现企业的发展目标，获得最大的总体效益。

计算机集成制造系统一般由技术信息系统(TIS)、制造自动化系统(MAS)和管理信息系统(M IS)组成。CAD/CAM系统为技术信息系统的主要部分。CIMS的核心技术是集成，包括物理集成、信息集成和功能集成等方面的内容，其中信息集成是实现CIMS的基础和关键。

共享的产品模型、统一的数据库和网络环境是实现信息集成的必要条件。为解决产品数据的交换和共享问题，采用国际标准STEP。它不仅是产品数据交换的标准，而且是信息集成技术，为开发新一代CAD/CAM系统提供了基础。

CIMS是21世纪制造工业的生产模式，工业发达国家都把发展和应用CIMS技术作为制造工业的发展战略，投入大量资金，用以推动CIMS的开发应用。CIMS技术也列入了我国的高科技发展计划。

3．微型化

CAD/CAM已经采用超级微型计算机。32位的超级微型计算机在单机功能上将达到小型机和中型机的水平，CPU并行处理功能将达到大型机的水平。以超级微型机为基础的CAD/CAM系统不断增多，功能不断强大，性能日趋成熟，并已经开始广泛应用。

4．智能化

人工智能技术是通向设计制造自动化的重要途径。近年来，人工智能的主要应用领域集中在引入知识库，发展专家系统。利用人工智能技术，将工程技术人员的知识和经验科学地归纳和系统地分析后形成知识库，以帮助获得专家水平的设计结果，这就是所谓的专家系统。专家系统的发展可扩大CAD/CAM的功能，有利于创造更高级的CAD/CAM系统。专家系统具有逻辑推理和决策判断的能力，它将许多抽象化的案例和有关的专业经验、准则结合在一起，根据设计目的不断地缩小搜索范围，最终使问题得到解决。专家系统是当前研究相当活跃的一个课题，它是智能CAD(ICAD)的研究内容，ICAD把工程数据库及其管理系统、知识库以及专家系统、用户接口管理集于一体。

5．可视化(包括虚拟设计)

计算机硬、软件水平的不断提高，为设计者提供了更加逼真的设计环境，可将概念理论转化为几何模型。科学计算可视化是指运用计算机图形学和图像技术，将科学计算过程中的数据以及计算结果转换为图像或在屏幕上显示出来，并进行交互处理。先进的CAD/CAM系统可将数据转化成生动、直观的图形或图像，同时在计算机上实现刀具路径模拟。利用仿真模拟加工过程，分析加工情况，判断干涉和碰撞，有利于确定最佳路径，保证加工质量，避免发生意外事故。近年来，加工仿真机已得到了很大的发展。

6．网络化

微型计算机CAD/CAM系统发展的一条主要途径是网络化。计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合产生了计算机网络。计算机网络将各自独立的、分布于各处的多台计算机通过通信线路连接起来，实现了计算机之间的相互通信，从而使资源能共享并能整体协同工作。在分布式系统中，客户/服务器(Client/Server)结构得到普遍采用，在这种结构中，一台服务器可带动多台工作站，每台工作站可以独立使用，也可以联合使用。整个网络还可以与大型机、巨型机相连，以解决复杂的问题。

7．新型化

用于CAD/CAM的新型外部设备不断问世。作为计算机存储器的磁盘被存储密度几百倍甚至几千倍的新型存储设备所代替，显示器的分辨率可达4000×4000。其他的外部设备，如图形的输入设备、声音识别装置和激光打印机等，也迅速发展，日新月异。

二、计算机集成制造系统

计算机集成制造系统(CIMS)有两个基本思想:一是企业生产的各个环节(即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动)是一个不可分割的整体，紧密相连，应统一考虑;二是整个生产过程实际上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可以看作是数据的物质表现。

CIMS是一种企业经营的哲理，它强调企业的生产经营是一个整体，必须用系统工程的观点来研究解决生产经营的问题。CIMS必须与市场的需求紧密相连，集成是CIMS的核心，它不仅是设备的集成，更重要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。计算机是集成的工具，计算机辅助的各个单元技术是集成的基础，信息的交换是桥梁，信息共享是目标。CIMS的构成可以分为以下几个部分:

1．设计过程

设计过程主要包括CAD、CAE、CAPP、CAM等环节。CAD包含设计过程中各个环节的数据，包括管理数据和检测数据，还包括产品设计开发的专家系统及设计中的仿真软件等。CAE主要是对零件的机械应力、热应力等进行有限元分析及优化设计。CAPP是根据CAD的数据自动制定合理的加工工艺过程。CAM是根据CAD模型按CAPP要求生成刀具轨迹文件，并经后置处理转换成NC代码。CIMS中最基本的就是CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。

2．加工制造过程

加工过程主要包括加工设备(数控机床)、工件搬运工具及自动仓库、检测设备、工具管理单元、装配单元等。

3．计算机辅助生产管理

包括制定年、月、日、周的生产计划，生产能力平衡，以及进行财务、仓库等各种管理，确定经营方向(包括市场预测及制定长期发展战略计划)。

4．集成方法及技术

系统的集成必须有先进理论和技术为指导和支撑，如系统理论、成组技术、集成技术、计算机网络技术等。CIMS车间的布局如图1－11所示。

图1－11　CIMS车间的布局