計算機輔助制造制造系統(tǒng)

計算機輔助制造的核心是計算機數值控制(簡稱數控)，是將計算機應用于制造生產過程的過程或系統(tǒng)。1952年美國麻省理工學院首先研制成數控銑床。數控的特征是由編碼在穿孔紙帶上的程序指令來控制機床。此后發(fā)展了一系列的數控機床，包括稱為“加工中心”的多功能機床，能從刀庫中自動換刀和自動轉換工作位置，能連續(xù)完成銑、鉆、鉸、攻絲等多道工序，這些都是通過程序指令控制運作的，只要改變程序指令就可改變加工過程，數控的這種加工靈活性稱之為“柔性”。加工程序的編制不但需要相當多的人工，而且容易出錯，最早的CAM便是計算機輔助加工零件編程工作。麻省理工學院于1950年研究開發(fā)數控機床的加工零件編程語言APT，它是類似FORTRAN的高級語言。增強了幾何定義、刀具運動等語句，應用APT使編寫程序變得簡單。這種計算機輔助編程是批處理的。

CAM系統(tǒng)一般具有數據轉換和過程自動化兩方面的功能。CAM所涉及的范圍，包括計算機數控，計算機輔助過程設計。

數控除了在機床應用以外，還廣泛地用于其它各種設備的控制，如沖壓機、火焰或等離子弧切割、激光束加工、自動繪圖儀、焊接機、裝配機、檢查機、自動編織機、電腦繡花和服裝裁剪等，成為各個相應行業(yè)CAM的基礎。

計算機輔助制造系統(tǒng)是通過計算機分級結構控制和管理制造過程的多方面工作，它的目標是開發(fā)一個集成的信息網絡來監(jiān)測一個廣闊的相互關聯的制造作業(yè)范圍，并根據一個總體的管理策略控制每項作業(yè)。

從自動化的角度看，數控機床加工是一個工序自動化的加工過程，加工中心是實現零件部分或全部機械加工過程自動化，計算機直接控制和柔性制造系統(tǒng)是完成一族零件或不同族零件的自動化加工過程，而計算機輔助制造是計算機進入制造過程這樣一個總的概念。

一個大規(guī)模的計算機輔助制造系統(tǒng)是一個計算機分級結構的網絡，它由兩級或三級計算機組成，中央計算機控制全局，提供經過處理的信息，主計算機管理某一方面的工作，并對下屬的計算機工作站或微型計算機發(fā)布指令和進行監(jiān)控，計算機工作站或微型計算機承擔單一的工藝控制過程或管理工作。

計算機輔助制造系統(tǒng)的組成可以分為硬件和軟件兩方面：硬件方面有數控機床、加工中心、輸送裝置、裝卸裝置、存儲裝置、檢測裝置、計算機等，軟件方面有數據庫、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助數控程序編制、計算機輔助工裝設計、計算機輔助作業(yè)計劃編制與調度、計算機輔助質量控制等。

除cam的狹義定義外，國際計算機輔助制造組織（ cam-i ）關于計算機輔助制造有一個廣義的定義：“通過直接的或間接的計算機與企業(yè)的物質資源或人力資源的聯接界面，把計算機技術有效地應用于企業(yè)的管理、控制和加工操作。”按照這一定義，計算機輔助制造包括企業(yè)生產信息管理、計算機輔助設計（cad ）和計算機輔助生產、制造3部分。計算機輔助生產 、制造又包括連續(xù)生產過程控制和離散零件自動制造兩種計算機控制方式。這種廣義的計算機輔助制造系統(tǒng)又稱為整體制造系統(tǒng)（ims）。采用計算機輔助制造零件、部件，可改善對產品設計和品種多變的適應能力，提高加工速度和生產自動化水平，縮短加工準備時間，降低生產成本，提高產品質量和批量生產的勞動生產率。

計算機輔助制造的支撐環(huán)境總的來說可分為硬件和軟件兩大方面，具體來說可分為計算機硬件、計算機軟件、數據庫、網絡與通信等。

計算機硬件一般是指計算機的實體，是相對于計算機軟件而言，計算機硬件和軟件共同組成計算機系統(tǒng)，計算機必須同時具備硬件和軟件才能工作。

計算機硬件通?？煞譃橹鳈C和外部設備兩部分。主機通常包括運算器、控制器、電源、接口電路、輸入輸出通道（總線）、內存儲器等。外部設備通常是指輸入裝置、輸出裝置、外存儲器等。

計算機軟件可以分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件主要包括計算機操作系統(tǒng)和支持軟件，支持軟件一般指為用戶進行二次開發(fā)的工具（或平臺），應用軟件是指用戶自行開發(fā)的專用軟件。

數據庫是通用化的綜合性的數據集合，可以提供各種用戶共享而具有最小的多余度和較高的數據和程序的獨立性，能有效地、及時地處理數據，并提供安全性及可靠性。

數據庫系統(tǒng)是在計算機系統(tǒng)的基礎上建立起來的，它由計算機硬件、數據庫管理系統(tǒng)、用戶及其應用程序、數據庫管理員等組成。

計算機網絡是指將地理上分散配制而又具有獨立功能的多臺計算機、終端設備、傳輸設備和網絡軟件實現相互連接，形成資源共享的計算機群體。

計算機網絡由硬件和軟件兩大部分組成。網絡硬件包括計算機系統(tǒng)、終端設備、通信傳輸設備等。網絡軟件包括網絡操作系統(tǒng)、網絡數據庫、網絡協(xié)議、通信協(xié)議、通信控制程序等。

數據通信是指信息的傳輸、交換和處理。它是繼電報、電話之后的第三代通信。它不是單純的數據通信，而是把原始信息進行整理、系統(tǒng)化，將其精華在適當的時空進行傳輸，以發(fā)揮起作用。

在CAD/CAM系統(tǒng)中，人們利用計算機完成產品結構描述、工程信息表達、工程信息的傳輸與轉化、信息管理等工作。因此，CAD/CAM系統(tǒng)應具備以下基本功能：

1、產品與過程的建模如何用計算機能夠識別的數據（信息）來表達描述產品。如產品形狀結構的描述、產品加工特性的描述、如何將有限元分析所需要的網格及邊界條件描述出來等等。

2、圖形與圖象處理在CAD/CAM系統(tǒng)中，圖形圖象仍然是產品形狀與結構的主要表達形式，因此，如何在計算機中表達圖形、對圖形進行各種變換、編輯、消隱、光照等處理是CAD/CAM的基本功能。

3、信息存儲與管理設計與制造過程會產生大量、種類繁多的數據，如設計分析數據、工藝數據、制造數據、管理數據等。數據類型有圖形圖象、文字數字、聲音、視頻等；有結構化和非結構化的數據；有動態(tài)和靜態(tài)數據等。怎樣將CAD/CAM系統(tǒng)產生這些大量的電子信息存儲與管理好，是CAD/CAM的必備功能。

4、工程分析與優(yōu)化計算體積、重心、轉動慣量等，機構運動計算、動力學計算、數值計算，優(yōu)化設計等。

5、工程信息傳輸與交換信息交換有CAD/CAM系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交換和同一CAD/CAM系統(tǒng)中不同功能模塊的信息交換。

6、模擬與仿真為了檢察產品的性能，往往需要對產品進行各種試驗與測試，需要專門的設備與生產出樣品，并具有破壞性，時間長，成本大。通過建立產品或系統(tǒng)的數字化模式，采用計算機模擬技術可以解決這一問題。如加工軌跡仿真，機構運動仿真，工件、刀具和機床碰撞與干涉檢驗等。

7、人機交互數據輸入、路線與方案的選擇等，都需要人與計算機進行對話。人機對話交互的方式有軟件界面與設備（鍵盤、鼠標等）

8、信息的輸入與輸出信息的輸入與輸出有人機交互式輸入輸出與自動輸入輸出。

成組技術是計算機輔助制造系統(tǒng)的基礎。它從50年代出現的成組加工，發(fā)展到60年代的成組工藝，出現了成組生產單元和成組加工流水線，其范圍也從單純的機械加工擴展到整個產品的制造過程。70年代以后，成組工藝與計算機技術和數控技術結合，發(fā)展成為成組技術，出現了用計算機對零件進行分類編碼、以成組技術為基礎的柔性制造系統(tǒng)，并被系統(tǒng)地運用到產品設計、制造工藝、生產管理等諸多領域，形成了計算機輔助設計、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助制造，以及有成組技術特色的計算機集成制造系統(tǒng)。

成組技術是一門涉及多種學科的綜合性技術，其理論基礎是相似性，核心是成組工藝。成組工藝與計算機技術、數控技術、相似論、方法論、系統(tǒng)論等相結合，就形成了成組技術，在現階段更有計算機輔助成組技術的特色。

成組工藝是把尺寸、形狀、工藝相近似的零件組成一個個零件族，按零件族制定工藝進行生產制造，這樣就擴大了批量，減少了品種，便于采用高效率的生產方式，從而提高了勞動生產率，為多品種、小批量生產提高經濟效益開辟了一條途徑。

零件在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性。以基本相似性為基礎，在制造、裝配的生產、經營、管理等方面所導出的相似性，稱為二次相似性或派生相似性。因此，二次相似性是基本相似性的發(fā)展，具有重要的理論意義和實用價值。

成組工藝的基本原理表明，零件的相似性是實現成組工藝的基本條件。成組技術就是揭示和利用基本相似性和二次相似性，是工業(yè)企業(yè)得到統(tǒng)一的數據和信息，獲得經濟效益，并為建立集成信息系統(tǒng)打下基礎。

零件信息描述

輸入零件信息是進行計算機輔助工藝過程設計的第一步，零件信息描述是計算機輔助工藝過程設計的關鍵，其技術難度大、工作量大，是影響整個工藝設計效率的重要因素。

零件信息描述的準確性、科學性和完整性將直接影響所設計的工藝過程的質量、可靠性和效率。因此，對零件的信息描述應滿足以下要求：

（1）信息描述要準確、完整。所謂完整是指要能夠滿足在進行計算機輔助工藝過程設計時的需要，而不是要描述全部信息；

（2）信息描述要易于被計算機接受和處理，界面友好，使用方便，工效高；

（3）信息描述要易于被工程技術人員理解和掌握，便于被操作人員運用；

（4）由于是計算機輔助工藝過程設計，信息描述系統(tǒng)（模塊或軟件）應考慮計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機輔助檢測等多方面的要求，以便能夠信息共享。

CAD/CAM系統(tǒng)由硬件和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是指可觸摸到的物理設備，如主機設備、終端設備、網絡及通信設備、輸入輸出設備，數控加工及控制設備等。軟件系統(tǒng)通常是指程序及其相關文檔的總和，軟件系統(tǒng)一般分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件 。

從不同的角度，CAD/CAM系統(tǒng)可分為不同的類型 。

從硬件角度，分為兩大類：

1、以大型機或小型計算機為主機的、多用戶分時系統(tǒng)。主機系統(tǒng)的特點：1)外圍設備和用戶工作站與主機相連，用戶工作站中至少有一臺圖型工作站和一套圖形處理設備（如圖形終端，圖形輸入輸出設備等）。2)優(yōu)點：主機功能強，可處理大量信息，如分析計算、模擬，使用性能取決于軟件水平。3）缺點：系統(tǒng)專用性強，比較封閉，終端過多，系統(tǒng)速度變慢，價格較高。另外，系統(tǒng)的可靠性取決于主機（主機發(fā)生故障，整個系統(tǒng)都將癱瘓） 。

2、工程工作站或微機系統(tǒng)的單用戶系統(tǒng)。此系統(tǒng)特點：1）每一個工程工作站或微機系統(tǒng)都能獨立完成CAD/CAM系統(tǒng)所要求的各項任務；2）價格較低；3）可靠性高 。

按功能劃分，CAD/CAM系統(tǒng)可分為CAD、CAM、CAD/CAM 。

1、CAD系統(tǒng)：專門為設計而建立的系統(tǒng)，可完成各項設計任務，如造型、會圖、工程分析仿真與模擬，文檔管理等。不具備數控編程、加工仿真、生產控制及管理等 。

2、CAM系統(tǒng)：具備數控編程、加工仿真、生產控制及管理等功能，幾乎不具備造型、會圖、工程分析仿真與模擬等功能 。

3、CAD/CAM系統(tǒng)：具備CAD與CAM的所有功能，并可進行信息的自動交換。已成為主流 。

根據是否使用計算機網絡，CAD/CAM系統(tǒng)又可分為單機系統(tǒng)和網絡系統(tǒng) 。

計算機網絡：通過通信線路連接起來的自治的計算機集合。包括三個含義：1、必須有兩臺或兩臺以上的具有獨立功能的計算機系統(tǒng)相互連接在一起，達到資源共享的目的；2、連接在一起的計算機必須有一條信息交換的通道；3、在同一網絡中的計算機系統(tǒng)之間進行信息交換，必須遵循共同的約定與規(guī)則即協(xié)議 。

1、單機CAD/CAM系統(tǒng)：具備所有CAD/CAM的軟件與硬件功能。但不能與其他CAD/CAM進行信息交換。信息不能共享 。

2、網絡CAD/CAM系統(tǒng)：將具備CAD/CAM的軟件與硬件功能的各個節(jié)點用網絡設備和通信線路進行連接就形成了一個網絡化的CAD/CAM系統(tǒng)?？蓪崿F資源與信息共享。已成為主流。網絡結構有星型、環(huán)型、總線型和網絡等形式。由于總線型具有兼容性強，開放性和可擴展性良好等特性，因此，總線已成為主流 。

計算機輔助制造數控系統(tǒng)及數控編程原理

（一）數控系統(tǒng)

數控系統(tǒng)是機床的控制部分，它根據輸入的零件圖紙信息、工藝過程和工藝參數，按照人機交互的方式生

成數控加工程序，然后通過電脈沖數，再經伺服驅動系統(tǒng)帶動機床部件作相應的運動。圖3-4-2為數控系統(tǒng)的功能示意圖。

傳統(tǒng)的數控機床（NC）上，零件的加工信息是存儲在數控紙帶上的，通過光電閱讀機讀取數控紙帶上的信息，實現機床的加工控制。后來發(fā)展到計算機數控（CNC），功能得到很大的提高，可以將一次加工的所有信"_blank" href="/item/計算機集成制造系統(tǒng)">計算機集成制造系統(tǒng)的基礎設備。現代CNC系統(tǒng)常具有以下功能：

(1) 多坐標軸聯動控制;

(2) 刀具位置補償;

(3) 系統(tǒng)故障診斷;

(4) 在線編程;

(5) 加工、編程并行作業(yè);

(6) 加工仿真;

(7) 刀具管理和監(jiān)控;

(8) 在線檢測。

（二）數控編程原理

所謂數控編程是根據來自CAD的零件幾何信息和來自CAPP的零件工藝信息自動或在人工干預下生成數控代碼的過程。常用的數控代碼有ISO（國際標準化組織）和EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）兩種系統(tǒng)。其中ISO代碼是七位補偶代碼，即第8位為補偶位；而EIA代碼是六位補奇碼，即第5列為補奇位。補偶和補奇的目的是為了便于檢驗紙帶閱讀機的讀錯信息。一般的數控程序是由程序字組成，而程序字則是由用英文字母代表的地址碼和地址碼后的數字和符號組成。每個程序都代表著一個特殊功能，如G00表示點位控制，G33表示等螺距螺紋切削，M05表示主軸停轉等。一般情況下，一條數控加工指令是若干個程序字組成的，如N012G00G49X070Y055T21中的N012表示第12條指令，G00表示點位控制，G49表示刀補準備功能，X070和Y055表示X和Y的坐標值，T21表示刀具編號指令。整個指令的意義是：快速運動到點（70，55），一號刀取2號撥盤上刀補值。常用地址碼的含義如表1所示。

表1 地址碼及其含義

數控編程的方式一般有四種：

（1） 手工編程； （2） 數控語言編程； （3） CAD/CAM系統(tǒng)編程； （4） 自動編程。

計算機輔助制造手工編程

手工編程是編程人員按照數控系統(tǒng)規(guī)定的加工程序段和指令格式，手工編寫出待加工零件的數控加工程序。手工編程的主要步驟如下：

（1） 根據零件圖紙對零件進行工藝分析；

（2） 確定加工路線和工藝參數（裝夾順序、表面加工先后順序、切削參數）；

（3） 確定刀具移動軌跡（起點、終點、運動形式）；

（4） 計算機床運動所需要數據；

（5） 書寫零件加工程序單；

（6） 紙帶穿孔；

可見，手工編程同時也包括了制定工藝規(guī)程的內容，手工編程目前已用得很少。

計算機輔助制造數控語言編程

使用數控語言編程往往被稱為“自動編程”，這種叫法來源于APT（Automatically Programmed Tools）數控編程語言。事實上，它并不是自動化的編程工具，只是比手工編程前進一步，實現了用“高級編程語言”來編寫數控程序。這種編程系統(tǒng)的工作過程如圖3-4-3所示。 圖3-4-3 數控語言編程過程

用數控語言編程就是用專用的語言和符號來描述零件的幾何形狀和刀具相對零件運動的軌跡、順序和其他

工藝參數等，由于采用類似于計算機高級語言的數控語言來描述加工過程，大大簡化了編程過程，特別是省去了數值計算過程，提高了編程效率。用數控語言編寫的程序稱為源程序，計算機接受源程序后，首先進行編譯處理，再經過后置處理程序才能生成控制機床的數控程序。目前常用的數控編程語言是美國麻省理工學院開發(fā)的APT語言。APT語言詞匯豐富，定義的幾何類型多，并配有多種后置處理程序，通用性好，獲得廣泛應用。APT語言的源程序是由語句組成的，共有四種類型的語句。而語句則是由詞匯、數值、標識符號等按一定語法規(guī)則組成的。

1）幾何定義語句

幾何定義語句的一般形式為： 〈標識符〉=〈幾何元素專用詞〉/參數 例如，語句C1=CIRCLE/20，80，12，5中，C1為幾何元素定義的名字，VIRCLE為幾何元素類型（圓），20，80，12，5分別表示圓心的坐標值和半徑值。

2）刀具運動語句

刀具運動語句用來模擬加工過程中刀具運動的軌跡。在APT中用3個表面來定義刀具的位置和運動軌跡。這3個表面是零件面（PS）、導向面（DS）和檢查面（CS），如圖3-4-4所示。其中零件面是刀具運動過程中形成的表面；導向面用來定義刀具和零件面之間的位置關系；檢查面用來確定每次走刀運動的刀具終止位置。例如TLONPS和TLOFPS分別表示刀具中心正好位于零件面上和不位于零件面上，TLLFT表示刀具在導向面的左面。

圖3-4-4 零件面、導向面和檢查面3）工藝數據語句

工藝數據語句用來描述工藝數據和一些控制功能。例如采用SPINDL/n，CLW表示主軸的轉速（n）和轉動方向（CLW），采用CUTTER/d，r表示銑刀直徑和刀尖圓角半徑等。

4）初始語句和終止語句

初始語句表示程序的名稱，終止語句表示零件程序的結束。初始語句由“PARTNO”和名稱組成，終止語句用FIN1表示。

圖3-4-5 CAD/CAM系統(tǒng)編程

圖3-4-6 自動編程系統(tǒng)

計算機輔助制造CAD/CAM系統(tǒng)編程

采用數控語言編程雖比手工編程簡化許多，但仍需要編程人員編寫源程序，仍比較費時。為此，后來又發(fā)展了CAD/CAM編程技術。到目前幾乎所有大型CAD/CAM應用軟件都具備數控編程功能。在使用這種系統(tǒng)編程時，編程人員不需要編寫數控源程序，只需要從CAD數據庫中調出零件圖形文件，并顯示在屏幕上，采用多級功能菜單作為人機界面。編程過程中，系統(tǒng)還會給出大量的提示。這種方式操作方便，容易學習，又可大大提高編程效率。一般CAD/CAM系統(tǒng)編程部分都包括下面的基本內容：查詢被加工部位圖形元素的幾何信息；對設計信息進行工藝處理；刀具中心軌跡計算；定義刀具類型；定義刀位文件數據。

對于一些功能強大的CAD/CAM系統(tǒng)，甚至還包括數據后置處理器，自動生成數控加工源程序，并進行加工模擬，用來檢驗數控程序的正確性。圖3-4-5為這種系統(tǒng)的示意圖。

計算機輔助制造自動編程

上述CAD/CAM系統(tǒng)編程中，仍需要編程人員過多地干預才能生成數控源程序。隨著CAPP技術的發(fā)展，使數控自動編程成為可能。圖3-4-6所示為自動編程系統(tǒng)的組成。系統(tǒng)從CAD數據庫獲取零件的幾何信息，從CAPP數據庫獲取零件加工過程的工藝信息，然后調用NC源程序生成數控源程序，再對源程序進行動態(tài)仿真，如果正確無誤，則將加工指令送到機床進行加工。

cam 已廣泛應用于飛機、汽車、機械制造業(yè)、家用電器和電子產品制造業(yè)。

cam的應用領域包括：

機械產品的零件加工

① 機械產品的零件加工（切削、沖壓、鑄造、焊接、測量等）、部件組裝、整機裝配、驗收 、包裝入庫 、自動倉庫控制和管理。 在金屬切削加工中，計算機內預先建立有基本切削條件方程， 根據測量系統(tǒng)測得的參數和機床工作狀況，調整進給率、切削力、切削速度、切削操作順序和冷卻液流量，在保證零件 表面光潔度和加工精度的條件下，使加工效率、刀具磨損和能源消耗達到最優(yōu)。

電子產品的元件器件老煉

②電子產品的元件器件老煉、測試、篩 選，元件器件自動插入印制電路板，波峰焊接，裝置板、機箱布線的自動繞接，部件、整件和整機的自動測試。

各種機電產品的成品檢驗、質量控制

③各種機電產品的成品檢驗、質量控制，能完成人工方法不能完成的復雜產品（如飛機發(fā)動機、超大規(guī)模集成電路、電子計算機等）的大量測試工作。

設計自動化定義

CAM是指計算機在產品制造方面有關應用的總稱。CAM有廣義和狹義之分

設計自動化CAM廣義

廣義CAM一般是指計算機輔助進行的從毛坯到產品制造過程中的間接和直接的所有活動，包括工藝準備、生產作業(yè)計劃、物料作業(yè)計劃的運行控制、生產控制、質量控制等。

設計自動化CAM狹義

狹義CAM通常僅指數控程序的編制（又稱數控零件程序設計）。數控編程是對所有采用數控的設備如數控機床、數控檢測儀器、數控機器人等進行程序設計，可包括刀具路徑的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及數控代碼（又稱NC代碼）的生成等。一般來說，狹義的概念采用得比較廣泛。

上述概念比較抽象，理解起來比較困難。簡單說來，CAD就是用計算機繪制圖紙來代替人工繪圖，CAPP就是用計算機進行生產計劃來代替人工生產計劃，CAM就是用計算機預定機器運行軌跡來代替人工操作機器運行。2100433B