计算机辅助制造制造系统

计算机辅助制造的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成铣、钻、铰、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。加工程序的编制不但需要相当多的人工，而且容易出错，最早的CAM便是计算机辅助加工零件编程工作。麻省理工学院于1950年研究开发数控机床的加工零件编程语言APT，它是类似FORTRAN的高级语言。增强了几何定义、刀具运动等语句，应用APT使编写程序变得简单。这种计算机辅助编程是批处理的。

CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。CAM所涉及的范围，包括计算机数控，计算机辅助过程设计。

数控除了在机床应用以外，还广泛地用于其它各种设备的控制，如冲压机、火焰或等离子弧切割、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等，成为各个相应行业CAM的基础。

计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作，它的目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围，并根据一个总体的管理策略控制每项作业。

从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程，而计算机辅助制造是计算机进入制造过程这样一个总的概念。

一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络，它由两级或三级计算机组成，中央计算机控制全局，提供经过处理的信息，主计算机管理某一方面的工作，并对下属的计算机工作站或微型计算机发布指令和进行监控，计算机工作站或微型计算机承担单一的工艺控制过程或管理工作。

计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面：硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等，软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。

除cam的狭义定义外，国际计算机辅助制造组织（ cam-i ）关于计算机辅助制造有一个广义的定义：“通过直接的或间接的计算机与企业的物质资源或人力资源的联接界面，把计算机技术有效地应用于企业的管理、控制和加工操作。”按照这一定义，计算机辅助制造包括企业生产信息管理、计算机辅助设计（cad ）和计算机辅助生产、制造3部分。计算机辅助生产 、制造又包括连续生产过程控制和离散零件自动制造两种计算机控制方式。这种广义的计算机辅助制造系统又称为整体制造系统（ims）。采用计算机辅助制造零件、部件，可改善对产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动生产率。

计算机辅助制造的支撑环境总的来说可分为硬件和软件两大方面，具体来说可分为计算机硬件、计算机软件、数据库、网络与通信等。

计算机硬件一般是指计算机的实体，是相对于计算机软件而言，计算机硬件和软件共同组成计算机系统，计算机必须同时具备硬件和软件才能工作。

计算机硬件通常可分为主机和外部设备两部分。主机通常包括运算器、控制器、电源、接口电路、输入输出通道（总线）、内存储器等。外部设备通常是指输入装置、输出装置、外存储器等。

计算机软件可以分为系统软件和应用软件。系统软件主要包括计算机操作系统和支持软件，支持软件一般指为用户进行二次开发的工具（或平台），应用软件是指用户自行开发的专用软件。

数据库是通用化的综合性的数据集合，可以提供各种用户共享而具有最小的多余度和较高的数据和程序的独立性，能有效地、及时地处理数据，并提供安全性及可靠性。

数据库系统是在计算机系统的基础上建立起来的，它由计算机硬件、数据库管理系统、用户及其应用程序、数据库管理员等组成。

计算机网络是指将地理上分散配制而又具有独立功能的多台计算机、终端设备、传输设备和网络软件实现相互连接，形成资源共享的计算机群体。

计算机网络由硬件和软件两大部分组成。网络硬件包括计算机系统、终端设备、通信传输设备等。网络软件包括网络操作系统、网络数据库、网络协议、通信协议、通信控制程序等。

数据通信是指信息的传输、交换和处理。它是继电报、电话之后的第三代通信。它不是单纯的数据通信，而是把原始信息进行整理、系统化，将其精华在适当的时空进行传输，以发挥起作用。

在CAD/CAM系统中，人们利用计算机完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息的传输与转化、信息管理等工作。因此，CAD/CAM系统应具备以下基本功能：

1、产品与过程的建模如何用计算机能够识别的数据（信息）来表达描述产品。如产品形状结构的描述、产品加工特性的描述、如何将有限元分析所需要的网格及边界条件描述出来等等。

2、图形与图象处理在CAD/CAM系统中，图形图象仍然是产品形状与结构的主要表达形式，因此，如何在计算机中表达图形、对图形进行各种变换、编辑、消隐、光照等处理是CAD/CAM的基本功能。

3、信息存储与管理设计与制造过程会产生大量、种类繁多的数据，如设计分析数据、工艺数据、制造数据、管理数据等。数据类型有图形图象、文字数字、声音、视频等；有结构化和非结构化的数据；有动态和静态数据等。怎样将CAD/CAM系统产生这些大量的电子信息存储与管理好，是CAD/CAM的必备功能。

4、工程分析与优化计算体积、重心、转动惯量等，机构运动计算、动力学计算、数值计算，优化设计等。

5、工程信息传输与交换信息交换有CAD/CAM系统与其他系统的信息交换和同一CAD/CAM系统中不同功能模块的信息交换。

6、模拟与仿真为了检察产品的性能，往往需要对产品进行各种试验与测试，需要专门的设备与生产出样品，并具有破坏性，时间长，成本大。通过建立产品或系统的数字化模式，采用计算机模拟技术可以解决这一问题。如加工轨迹仿真，机构运动仿真，工件、刀具和机床碰撞与干涉检验等。

7、人机交互数据输入、路线与方案的选择等，都需要人与计算机进行对话。人机对话交互的方式有软件界面与设备（键盘、鼠标等）

8、信息的输入与输出信息的输入与输出有人机交互式输入输出与自动输入输出。

成组技术是计算机辅助制造系统的基础。它从50年代出现的成组加工，发展到60年代的成组工艺，出现了成组生产单元和成组加工流水线，其范围也从单纯的机械加工扩展到整个产品的制造过程。70年代以后，成组工艺与计算机技术和数控技术结合，发展成为成组技术，出现了用计算机对零件进行分类编码、以成组技术为基础的柔性制造系统，并被系统地运用到产品设计、制造工艺、生产管理等诸多领域，形成了计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造，以及有成组技术特色的计算机集成制造系统。

成组技术是一门涉及多种学科的综合性技术，其理论基础是相似性，核心是成组工艺。成组工艺与计算机技术、数控技术、相似论、方法论、系统论等相结合，就形成了成组技术，在现阶段更有计算机辅助成组技术的特色。

成组工艺是把尺寸、形状、工艺相近似的零件组成一个个零件族，按零件族制定工艺进行生产制造，这样就扩大了批量，减少了品种，便于采用高效率的生产方式，从而提高了劳动生产率，为多品种、小批量生产提高经济效益开辟了一条途径。

零件在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性。以基本相似性为基础，在制造、装配的生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为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发展，具有重要的理论意义和实用价值。

成组工艺的基本原理表明，零件的相似性是实现成组工艺的基本条件。成组技术就是揭示和利用基本相似性和二次相似性，是工业企业得到统一的数据和信息，获得经济效益，并为建立集成信息系统打下基础。

零件信息描述

输入零件信息是进行计算机辅助工艺过程设计的第一步，零件信息描述是计算机辅助工艺过程设计的关键，其技术难度大、工作量大，是影响整个工艺设计效率的重要因素。

零件信息描述的准确性、科学性和完整性将直接影响所设计的工艺过程的质量、可靠性和效率。因此，对零件的信息描述应满足以下要求：

（1）信息描述要准确、完整。所谓完整是指要能够满足在进行计算机辅助工艺过程设计时的需要，而不是要描述全部信息；

（2）信息描述要易于被计算机接受和处理，界面友好，使用方便，工效高；

（3）信息描述要易于被工程技术人员理解和掌握，便于被操作人员运用；

（4）由于是计算机辅助工艺过程设计，信息描述系统（模块或软件）应考虑计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助检测等多方面的要求，以便能够信息共享。

CAD/CAM系统由硬件和软件系统组成。硬件系统是指可触摸到的物理设备，如主机设备、终端设备、网络及通信设备、输入输出设备，数控加工及控制设备等。软件系统通常是指程序及其相关文档的总和，软件系统一般分为系统软件、支撑软件和应用软件 。

从不同的角度，CAD/CAM系统可分为不同的类型 。

从硬件角度，分为两大类：

1、以大型机或小型计算机为主机的、多用户分时系统。主机系统的特点：1)外围设备和用户工作站与主机相连，用户工作站中至少有一台图型工作站和一套图形处理设备（如图形终端，图形输入输出设备等）。2)优点：主机功能强，可处理大量信息，如分析计算、模拟，使用性能取决于软件水平。3）缺点：系统专用性强，比较封闭，终端过多，系统速度变慢，价格较高。另外，系统的可靠性取决于主机（主机发生故障，整个系统都将瘫痪） 。

2、工程工作站或微机系统的单用户系统。此系统特点：1）每一个工程工作站或微机系统都能独立完成CAD/CAM系统所要求的各项任务；2）价格较低；3）可靠性高 。

按功能划分，CAD/CAM系统可分为CAD、CAM、CAD/CAM 。

1、CAD系统：专门为设计而建立的系统，可完成各项设计任务，如造型、会图、工程分析仿真与模拟，文档管理等。不具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等 。

2、CAM系统：具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等功能，几乎不具备造型、会图、工程分析仿真与模拟等功能 。

3、CAD/CAM系统：具备CAD与CAM的所有功能，并可进行信息的自动交换。已成为主流 。

根据是否使用计算机网络，CAD/CAM系统又可分为单机系统和网络系统 。

计算机网络：通过通信线路连接起来的自治的计算机集合。包括三个含义：1、必须有两台或两台以上的具有独立功能的计算机系统相互连接在一起，达到资源共享的目的；2、连接在一起的计算机必须有一条信息交换的通道；3、在同一网络中的计算机系统之间进行信息交换，必须遵循共同的约定与规则即协议 。

1、单机CAD/CAM系统：具备所有CAD/CAM的软件与硬件功能。但不能与其他CAD/CAM进行信息交换。信息不能共享 。

2、网络CAD/CAM系统：将具备CAD/CAM的软件与硬件功能的各个节点用网络设备和通信线路进行连接就形成了一个网络化的CAD/CAM系统。可实现资源与信息共享。已成为主流。网络结构有星型、环型、总线型和网络等形式。由于总线型具有兼容性强，开放性和可扩展性良好等特性，因此，总线已成为主流 。

计算机辅助制造数控系统及数控编程原理

（一）数控系统

数控系统是机床的控制部分，它根据输入的零件图纸信息、工艺过程和工艺参数，按照人机交互的方式生

成数控加工程序，然后通过电脉冲数，再经伺服驱动系统带动机床部件作相应的运动。图3-4-2为数控系统的功能示意图。

传统的数控机床（NC）上，零件的加工信息是存储在数控纸带上的，通过光电阅读机读取数控纸带上的信息，实现机床的加工控制。后来发展到计算机数控（CNC），功能得到很大的提高，可以将一次加工的所有信"_blank" href="/item/计算机集成制造系统">计算机集成制造系统的基础设备。现代CNC系统常具有以下功能：

(1) 多坐标轴联动控制;

(2) 刀具位置补偿;

(3) 系统故障诊断;

(4) 在线编程;

(5) 加工、编程并行作业;

(6) 加工仿真;

(7) 刀具管理和监控;

(8) 在线检测。

（二）数控编程原理

所谓数控编程是根据来自CAD的零件几何信息和来自CAPP的零件工艺信息自动或在人工干预下生成数控代码的过程。常用的数控代码有ISO（国际标准化组织）和EIA（美国电子工业协会）两种系统。其中ISO代码是七位补偶代码，即第8位为补偶位；而EIA代码是六位补奇码，即第5列为补奇位。补偶和补奇的目的是为了便于检验纸带阅读机的读错信息。一般的数控程序是由程序字组成，而程序字则是由用英文字母代表的地址码和地址码后的数字和符号组成。每个程序都代表着一个特殊功能，如G00表示点位控制，G33表示等螺距螺纹切削，M05表示主轴停转等。一般情况下，一条数控加工指令是若干个程序字组成的，如N012G00G49X070Y055T21中的N012表示第12条指令，G00表示点位控制，G49表示刀补准备功能，X070和Y055表示X和Y的坐标值，T21表示刀具编号指令。整个指令的意义是：快速运动到点（70，55），一号刀取2号拨盘上刀补值。常用地址码的含义如表1所示。

表1 地址码及其含义

数控编程的方式一般有四种：

（1） 手工编程； （2） 数控语言编程； （3） CAD/CAM系统编程； （4） 自动编程。

计算机辅助制造手工编程

手工编程是编程人员按照数控系统规定的加工程序段和指令格式，手工编写出待加工零件的数控加工程序。手工编程的主要步骤如下：

（1） 根据零件图纸对零件进行工艺分析；

（2） 确定加工路线和工艺参数（装夹顺序、表面加工先后顺序、切削参数）；

（3） 确定刀具移动轨迹（起点、终点、运动形式）；

（4） 计算机床运动所需要数据；

（5） 书写零件加工程序单；

（6） 纸带穿孔；

可见，手工编程同时也包括了制定工艺规程的内容，手工编程目前已用得很少。

计算机辅助制造数控语言编程

使用数控语言编程往往被称为“自动编程”，这种叫法来源于APT（Automatically Programmed Tools）数控编程语言。事实上，它并不是自动化的编程工具，只是比手工编程前进一步，实现了用“高级编程语言”来编写数控程序。这种编程系统的工作过程如图3-4-3所示。 图3-4-3 数控语言编程过程

用数控语言编程就是用专用的语言和符号来描述零件的几何形状和刀具相对零件运动的轨迹、顺序和其他

工艺参数等，由于采用类似于计算机高级语言的数控语言来描述加工过程，大大简化了编程过程，特别是省去了数值计算过程，提高了编程效率。用数控语言编写的程序称为源程序，计算机接受源程序后，首先进行编译处理，再经过后置处理程序才能生成控制机床的数控程序。目前常用的数控编程语言是美国麻省理工学院开发的APT语言。APT语言词汇丰富，定义的几何类型多，并配有多种后置处理程序，通用性好，获得广泛应用。APT语言的源程序是由语句组成的，共有四种类型的语句。而语句则是由词汇、数值、标识符号等按一定语法规则组成的。

1）几何定义语句

几何定义语句的一般形式为： 〈标识符〉=〈几何元素专用词〉/参数 例如，语句C1=CIRCLE/20，80，12，5中，C1为几何元素定义的名字，VIRCLE为几何元素类型（圆），20，80，12，5分别表示圆心的坐标值和半径值。

2）刀具运动语句

刀具运动语句用来模拟加工过程中刀具运动的轨迹。在APT中用3个表面来定义刀具的位置和运动轨迹。这3个表面是零件面（PS）、导向面（DS）和检查面（CS），如图3-4-4所示。其中零件面是刀具运动过程中形成的表面；导向面用来定义刀具和零件面之间的位置关系；检查面用来确定每次走刀运动的刀具终止位置。例如TLONPS和TLOFPS分别表示刀具中心正好位于零件面上和不位于零件面上，TLLFT表示刀具在导向面的左面。

图3-4-4 零件面、导向面和检查面3）工艺数据语句

工艺数据语句用来描述工艺数据和一些控制功能。例如采用SPINDL/n，CLW表示主轴的转速（n）和转动方向（CLW），采用CUTTER/d，r表示铣刀直径和刀尖圆角半径等。

4）初始语句和终止语句

初始语句表示程序的名称，终止语句表示零件程序的结束。初始语句由“PARTNO”和名称组成，终止语句用FIN1表示。

图3-4-5 CAD/CAM系统编程

图3-4-6 自动编程系统

计算机辅助制造CAD/CAM系统编程

采用数控语言编程虽比手工编程简化许多，但仍需要编程人员编写源程序，仍比较费时。为此，后来又发展了CAD/CAM编程技术。到目前几乎所有大型CAD/CAM应用软件都具备数控编程功能。在使用这种系统编程时，编程人员不需要编写数控源程序，只需要从CAD数据库中调出零件图形文件，并显示在屏幕上，采用多级功能菜单作为人机界面。编程过程中，系统还会给出大量的提示。这种方式操作方便，容易学习，又可大大提高编程效率。一般CAD/CAM系统编程部分都包括下面的基本内容：查询被加工部位图形元素的几何信息；对设计信息进行工艺处理；刀具中心轨迹计算；定义刀具类型；定义刀位文件数据。

对于一些功能强大的CAD/CAM系统，甚至还包括数据后置处理器，自动生成数控加工源程序，并进行加工模拟，用来检验数控程序的正确性。图3-4-5为这种系统的示意图。

计算机辅助制造自动编程

上述CAD/CAM系统编程中，仍需要编程人员过多地干预才能生成数控源程序。随着CAPP技术的发展，使数控自动编程成为可能。图3-4-6所示为自动编程系统的组成。系统从CAD数据库获取零件的几何信息，从CAPP数据库获取零件加工过程的工艺信息，然后调用NC源程序生成数控源程序，再对源程序进行动态仿真，如果正确无误，则将加工指令送到机床进行加工。

cam 已广泛应用于飞机、汽车、机械制造业、家用电器和电子产品制造业。

cam的应用领域包括：

机械产品的零件加工

① 机械产品的零件加工（切削、冲压、铸造、焊接、测量等）、部件组装、整机装配、验收 、包装入库 、自动仓库控制和管理。 在金属切削加工中，计算机内预先建立有基本切削条件方程， 根据测量系统测得的参数和机床工作状况，调整进给率、切削力、切削速度、切削操作顺序和冷却液流量，在保证零件 表面光洁度和加工精度的条件下，使加工效率、刀具磨损和能源消耗达到最优。

电子产品的元件器件老炼

②电子产品的元件器件老炼、测试、筛 选，元件器件自动插入印制电路板，波峰焊接，装置板、机箱布线的自动绕接，部件、整件和整机的自动测试。

各种机电产品的成品检验、质量控制

③各种机电产品的成品检验、质量控制，能完成人工方法不能完成的复杂产品（如飞机发动机、超大规模集成电路、电子计算机等）的大量测试工作。

设计自动化定义

CAM是指计算机在产品制造方面有关应用的总称。CAM有广义和狭义之分

设计自动化CAM广义

广义CAM一般是指计算机辅助进行的从毛坯到产品制造过程中的间接和直接的所有活动，包括工艺准备、生产作业计划、物料作业计划的运行控制、生产控制、质量控制等。

设计自动化CAM狭义

狭义CAM通常仅指数控程序的编制（又称数控零件程序设计）。数控编程是对所有采用数控的设备如数控机床、数控检测仪器、数控机器人等进行程序设计，可包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及数控代码（又称NC代码）的生成等。一般来说，狭义的概念采用得比较广泛。

上述概念比较抽象，理解起来比较困难。简单说来，CAD就是用计算机绘制图纸来代替人工绘图，CAPP就是用计算机进行生产计划来代替人工生产计划，CAM就是用计算机预定机器运行轨迹来代替人工操作机器运行。2100433B