CIMS环境下CAD/CAM的开发

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一、CAD/CAM集成的必要性

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1.基本概念

    随着计算机技术的不断发展和激烈市场竞争对产品质量和设计制造的周期不断增长的需求,CAD/CAM技术正在从传统的方式向着集成环境下的CAD/CAM发展。

    传统CAD/CAM系统是针对产品的设计、造型、分析和绘图及产品制造等具体目标而研制的,着眼于实现产品设计和制造这些具体环节的自动化,而不是针对其整个过程开发的。各种CAD/CAM系统的数据格式不一致、不标准,没有考虑与其它环节的联系,信息不能共享,形成了一个个自动化独立岛。

    由于机械制造业是由经营决策、产品设计、制造和管理等一系列互相联系的环节组成的。因此,CMIS环境下的CAD/CAM不仅要实现各系统之间信息的提取、交换、共享和处理的集成(即CAD/CAPP/CAM内部信息流的整体集成);而且要在分布式数据库系统(DB)和计算机网络(NET)的支持下,实现与外部系统,如管理信息系(MIS)、质量信息系统(QIS)、车间自动化系统(FA)之间信息的全面集成,以获得最大的效益。

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2.成飞CAD/CAM的应用成果

    成飞的CAD/CAM是在传统环境下产生的,经过20年的应用与开发,正在向CMIS环境下的CAD/CAM发展。公司先后引进了IBM、CDC、HP大中型计算机、工程工作站、图形终端、微机等500多台,以及三坐标测量机、大型平板绘图机、3、4、5坐标数控机床30多台,自行开发和引进了一批CAD/CAM软件系统。这些资源广泛应用于飞机零件制造、新机研制和麦道机头转包生产,取得了显著的效益。

    ①批生产零件的数控加工
    公司于70年代后期首先将CAD/CAM技术用于解决复杂飞机零件生产的瓶颈,对复杂机加结构零件采用数控编程与加工,使整机加大件的综合生产能力提高了82.5%,零件重量轻,精度、光洁度提高一级,关键大件超差率由20%以下降至5%以下,零件质量明显提高,曾荣获航空部数控技术应用一等奖。

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    ②新机研制应用CAD/CAM
    70年代末期,公司在J7X型新机研制中,采用CAD/CAM技术,在国产TQ-16计算机上自行开发了C-SURF曲面造型和雕塑曲面加工系统,建立了飞机机身、进气道、座舱、垂尾等改型部位的数学模型,数控绘制模线,数控加工装设备和机加大件,节省工装200多套,使飞机研制周期缩短半年以上,节省大量新机研制费用,荣获1985年国家科技进步二等奖。

    ③CAD/CAM的局部集成
    80年代以来,公司重视引进软件的消化、吸收和二次开发工作,以及对不同CAD/CAM系统之间数据(包括图形)转换接口的研制以及工程数据库的开发,初步实现了公司内部自行开发与引进的不同CAD/CAM软件之间信息的局部集成,先后在多种新机研制、麦道机头转包生产和汽车模具等民品开发中得到广泛的应用。如,J7X型飞机缩短研制周期8个月,节省研制费用200多万元,荣获1990年航空航天部科技进步二等奖。1988年为南京汽车制造厂加工出了国内第一个全面应用CAD/CAM的汽车主模型(IVECO),以专家鉴定达到国际先进水平,获中国
汽车工业首届科技进步二等奖,第三届全国模具工业大会特优奖。

    进入90年代以来,公司在新机研制过程中,全机外形几何设计、工程分析、结构模线设计与绘制方面全部采用计算机完成,飞机机加零件结构图通过计算机直接传递到制造部门进行数控加工编程。此外,在复杂机加结构零件的数控加工、系统管道零件的数控弯管、飞机装配型架、冲裁模、压延模等工装以及钣金零件CAPP、装配CAPP等方面,CAD/CAM应用都上了一个新的台阶。

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3.CAD/CAM集成的必要性
    在传统CAD/CAM应用环境中,企业内各个部门的应用是"各自为政"、相互孤立的,所用的程序、系统和方法不统一,数据格式不统一,信息不能共享,使CAD/CAM的效益受到很大的限制。在这方面,我们是有深刻体会的。
    80年代初,在某新机研制中,由于设计与制造部门分别选用了不同的CAD系统,设计与制造建立了两个飞机外形数学模型,设计建模只能用于工程分析而不能传递到制造部门作为制造依据;制造部门必须重建数模去逼近设计数模以满足加工制造的需要,严重影响了研制周期,增加了协调难度。虽然在飞机三维造型、工程分析、绘图和数控零件编程上采用计算机完成,但是在飞机零件加工制造过程中大量的工艺规程等文件却是用手工完成编制的。在20年的应用中,成飞已拥有各种类型的大型计算机和工作站,以及在不同时期、为开发不同产品引进和自行开发的各种软件系统,组成了异构环境。为了解决异构环境之间数据(包括图形)的传输和转换问题,需要开发复杂的数据转换接口。因此,我们花费了大量的精力和时间去开发、协调各CAD/CAM系统之间的接口,解决数据传递问题。
这些经历都告诉我们,只有CIMS环境下的CAD/CAM,才能满足产品设计和制造中日益增长的需求。

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二、CAD/CAM集成系统与关键技术

1.CAD/CAM在CMIS中的作用
    CAD/CAM是CIMS工程信息的源头,它提供经营决策所需要的产品设计和生产计划信息,向管理信息系统、质量信息系统提供产品结构信息、工艺过程和检验信息,向制造车间提供生产单元控制与数控加工需要的工艺及加工信息,它是CIMS的基础与核心系统之一,在CIMS工程中起着重要的作用。

2.系统的主要功能
  CAD/CAM集成系统是由产品设计(CAD)、工程分析(CAE)、工艺过程设计(CAPP)、数控加工编程(CAM)及仿真等子系统,在分布式数据库系统和计算机网络系统支持下组成的。其主要功能有:

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  ①CAD/CAE:完成产品对象的方案设计、工程分析和详细设计,通过设计-评价-再设计的有限次迭代,不断优化设计,直到获得满意的设计结果。各种CAD、CAE环境中的数据(或图形)能用于一个集成的设计环境中。

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  ②CAPP:进行产品中各种零件的加工过程设计,守成工艺路线与工序、工步设计,产生工序图和工艺文件,向MIS、QIS、FA各分系统提供所需的工艺信息,向CAM提供数控编程的工艺信息。

  ③CAM:按照产品的几何信息和CAPP产生的工艺信息,完成零件的数控加工和数控测量自动编程及仿真,为车间提供数控加工和检测指令文件及切削加工时间等信息。

3.系统的硬、软件环境及配置

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①硬件环境
·分布式工作站及微机方式。
·主机、工程工作站和个人计算机组成的具有开放性结构的异种机网络方式(原有主机
的用户)。
·工作站的数量可根据应用范围和规模以及企业经济实力配置。

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②软件环境
·工程基础软件:二维、三维造形、工程绘图、工程分析、数控编程及仿真、检测等软
件。
·统一的产品定义数据交换规范。
·工程数据库系统和分布式数据库系统。
·异种机的网络系统。

4.系统的关键技术
    ①产品定义数据(加工特征定义):包含产品生命周期(设计、分析、制造、检测和产品支持维护等)中的所有信息。其目的是使产品生命周期内的产品数据交换实现标准化、格式化,解决CAD、CAPP、CAM之间的数据交换和信息集成的问题。目前,国外正在研究和发展以STEP规范为代表的产品定义数据规范。传统的CAD系统没有加工所需要的工程结构和工艺信息,无法满足CAPP进行工艺过程设计的要求。因此,对于没有特征造型的CAD软件,需要研制和开发零件加工特征定义功能,使用户能够从结构特征和工艺特征统一的角度去定义零件的加工特征和工艺属性,生成完整的产品定义数据信息。

    ②数据转换接口技术:它是将各种系统的图形与图形数据按照某种标准规定的格式进行转换,得到一种独立于已有的CAD/CAM系统和各种不同应用模块的统一的公用格式(中性文件),通过网络和分布式数据库系统传递到其它系统或本系统的其它应用模块,再由公用格式还原成该系统的具体的图形或非图形数据。国际上比较流行的产品数据交换规范,早期是IGES、PDES,近年来国际标准化组织IS O正在组织制定和推广的产品数据规范是SETP(Standard for the Exchange of ProductdelData)。

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    在CAD/CAM集成系统开发中,对于新引进的CAD/CAM系统,应注意选择和定购国际流行的标准数据转换接口进行数据转换,以便于对外合作与交流;对于已经具有CAD/CAM系统的企业,如果原系统没有标准数据转换接口,可根据实际情况,在不超过两个需要集成的CAD软件时,可采用专用数据转换接口,待条件成熟后再改用国际流行的标准数据转换规范。

    ③CAPP技术在:CIMS环境下,CAPP是作为将CAD数据转换为各种加工、管理信息的桥梁,是CAD/CAM集成的关键。CAPP的核心是建立一个包含知识库、工艺数据库和推理机的专家系统。通过对所选定零件进行的广泛工艺分析,从大量经验知识中提炼工艺路线设计和工序设计规则以及工艺决策方法等知识,建立知识库,利用规则表达方式进行知识表达。同时还要建立包含机床、刀具、夹具、切削参数的工艺数据库,以满足工艺决策的要求。

    ④工程数据库系统:它把从产品设计到制造的所有生产环节紧密联系起来,实现信息的共享与交换,是CAD/CAM集成系统的核心。由于系统中图形与非图形(即非格式化与格式化)数据并存,因此工程数据库不同于一般商业与管理数据库。它用文件方式存储图形数据和NC代码文件等非格式化信息;以文件属性方式存储图形中的零件图号、材料、公差、技术条件等信息,用数据库系统管理各个图形文件,这是工程数据库系统的特点。
同时,由于CAD/CAM是多用户、多模块、多结点采用网络运行,故必须采用分布式数据库系统进行管理。为了实现与其他系统如MIS、QIS、FA进行信息交换和共享,还必须在异构的数据库之间开发接口程序,才能真正实现信息的全面集成。

三、CAD/CAM分系统的开发

1.成飞对CAD/CAM及其集成的需求
    成飞是国家"863"高技术发展计划自动化领域CIMS主题的应用工厂之一,在成飞CMIS工程六个系统(MIS、CAD/CAM、FA、QIS、DB、NET)中,CAD/CAM是CIMS工程信息的源头和基础,在CIMS工程中起着十分重要的作用。

    结合公司新机研制和国外飞机转包生产的实际,以实现飞机产品CAD、CAE、CAPP、CAM的信息集成,以及与MIS、QIS、FA的信息集成为总目标,选择飞机制造中最薄弱的生产环节——飞机机加结构件CAD/CAPP/CAM集成为重点开发的主干线。

    ①解决飞机制造的瓶颈和关键,开发复杂飞机结构件(框、梁、肋类)的FA-CAD/CAPP/CAM集成系统(简称3C系统)并在新机研制的典型数控机加结构零件中应用。

    ②实现工艺文件的计算机管理(包括CAPP与手工编制的工艺规程),满足自动化车间FA以及MIS、QIS对工艺信息的要求。

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    ③利用现有的18台数控机床,建立两条直接数控(FDNC)生产线,在新建的1.1万平方米、具有刀具立体库和物料立体库厂房内运行,能够对车间、单元生产过程进行计算机调度控制和管理,提高飞机结构零件综合生产能力和生产、物料管理水平。

2.系统组成
成飞CIMS工程CAD/CAM分系统由以下系统组成:

    ①飞机产品设计、结构与工程分析的CAD/CAE系统。
    ②复杂飞机平面3～5坐标机加结构件的FA-CAD/CAPP/CAM系统。
    ③飞机工艺文件管理系统。
    ④飞机工艺装备的CAD/CAM系统(包括冲裁模CAD/CAM,压延模CAD/CAM、飞机装配型架CAD/CAM、机钳工装CAD/CAM、地面设备CAD和试验设备CAD子系统)。
    ⑤飞机常规零件CAPP系统(包括常规机加件CAPP、钣金件CAPP、装配CAPP子系统)。
    ⑥飞机零件数控加工、数控弯管和数控检测的CAM系统。

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3.系统实施中解决的关键问题
    ①加工特征的抽取和定义;飞机结构零件的外形和内部结构复杂,加工特征的归纳和抽取非常困难。通过对几百项数控机加结构零件所进行的工艺分析,利用成飞二十年来开发和应用CAD/CAM技术的经验,从零件的结构设计和加工工艺统一的角度进行归纳和提炼,确定零件的加工特征,定义零件的特征模型,以此作为CAD、CAPP和CAM集成的基础。共提取了15类特征,覆盖了包括具有直纹曲面、复杂槽腔、下陷、凸缘、筋、凸台、孔等的组成的平面3-5坐标框、梁、肋类复杂机加结构零件。

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②基于特征的创成式CAPP技术
    CAPP自动获取由FA-CAD定义的零件加工特征工艺信息,采用创成式原理,开发了推理机与知识库独立性很强的工艺决策专家系统,不需人工干预,可自动进行工艺决策。开发了直接面向用户,知识透明性高的知识库管理技术(引入知识的外部形式和内部形式),方便用户进行知识库的维护、完善和积累。工序图的生成是根据工艺决策的结果,从零件的特征模型库中提取各工序的特征几何信息,自动生成工序图、各种工艺文件和CAM需要的工艺信息。

    ③工作站的汉字系统:由于SGI工作站没有汉字系统,为了方便用户使用,特别是为了满足工艺文件输出的需要,开发了包括点阵和矢量汉字的汉字系统以及汉字编辑器,解决了工作站上的中文界面和汉字的输入、输出问题。

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    ④工程数据管理:FA-CAD/CAPP/CAM系统中有几何信息和工艺数据两类不同的信息需要管理。在系统运行中,采用RMI工程数据库管理几何模型、加工特征模型等非结构化信息,应用ORACLE数据库管理工艺信息,如刀量具、工装信息、切削参数、工艺参数等结构化信息,不仅实现了系统内部CAD/CAPP/CAM的信息集成,而且实现了与FA、MIS和QIS等其它分系统的信息集成。

四、系统开发实施的体会

    通过成飞20年来的应用和发展,以及近5年来成飞CMIS工程CAD/CAM分集成系统的总体规划与系统设计走过的道路,我们结合自身的体会,对系统开发、实施中应注意的几个问题进行一下探讨。

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1.需求分析和目标选择
    在进行系统总体规划之前,要针对企业产品设计与制造的需要,进行详细的需求分析,确定CAD/CAM及其集成应用的范围和内容,结合企业生产的瓶颈和急需,选择最容易获得成功,最能产生效益和关键项目进行应用。国内外的成功经验是在新产品研制中采用CAD/CAM,研制费用的5～10%用于CAD/CAM技术改造费用。

2.顶层领导的支持
    企业最高决策层的重视和支持是CAD/CAM应用及其集成系统开发实施能否成功的决定因素。包括制定统一的规划和目标,组织机构的建立与调整,确定不同阶段CAD/CAM应用的范围和信息传递,正确评价和计CAD/CAM及其集成的经济效益等。

3.总体规划和系统设计
    CAD/CAM集成系统的开发与实施要在企业CIMS工程的总体规划下进行,不仅要考虑CAD/CAPP/CAM内部的信息集成,而且要协调好CAD/CAM与外部其它集成系统(如MIS、QIS、FA)的信息集成,分析数据流程、确定数据元素和共享信息,建立全局数据字典,认真扎实地做好系统分析工作,才能保证CIMS全局的协调一致。为了少走弯路,应向有经验的用户和专家进行咨询。对于新起步首先开展CAD/CAM单元技术的企业,要按照CIMS的思想进行总体规划和系统设计,保证CAD/CAM具有可集成性。

4.利用已有资源,采用成熟技术
    对已经有一定CAD/CAM基础的企业,在开发实施CIMS技术时,应充分利用已有的计算机硬、软件资源,做必要的扩充并尽量采用成熟的技术进行应用和开发,减少风险。

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5.CAD/CAM集成系统的配置
    根据企业的需求与经济能力,合理选择和配置CAD/CAM系统以及数据库和网络支持系统。在CAD/CAM系统选择与配置时,一般应考虑以下几个问题:

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    ①从需求出发,量力而行。在选择CAD/CAM系统时,不一定要选择当时能够获得的最好的CAD/CAM系统,更重要的是选择和使用满足于本企业产品设计和制造需要的CAD/CAM系统,例如,产品对三维造型、曲面加工编程能力以及工程分析等特殊的需求。在配置系统时,还应考虑企业的经济实力,合理构成系统。

    ②功能可靠,具有开放性。系统应采用当代先进的硬件、软件技术,采用国际流行的操作系统、图形支持软件和图形转换接口,具有先进的计算方法和数据库网络系统等。系统应具有开放性,以利于今后的发展。

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    ③接口能力。CAD/CAM及其集成的主要效益是来自产品数据可以共享。因此,在系统配置时,应注意选择国际流行的数据转换接口和系统提供的用户接口等模块,以便于与其他系统交换数据并提供用户二次开发能力。

    ④用户界面和数据管理。系统应提供良好的用户界面(菜单、命令、信息等),易于学习和使用;还要具有先进的数据结构和数据管理能力,提供有效的方法进行查询、修改和管理与维护。

    ⑤供应商的选择。选择可靠的供应商,除提供的产品先进可靠以外,应特别注意技术支持力量和系统维护等售后服务。还应注意软件的质量与版权问题,为参与国际竞争提供可靠的保证。

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6.CAD/CAM系统的支持与维护
    除了有专门的人员进行CAD/CAM集成系统的开发以外,要有一支队伍来进行维护、推广和应用。同时还应有健全的组织机构,能有效地进行系统运行、数据管理和项目管理,使系统的硬、软件处于良好的工作状态,为用户提供方便。

7.培训和教育
    要针对企业不同层次的人员(用户、中层管理人员、CAD/CAM项目经理、系统支持及维护人员、公司顶层领导)分别进行不同层次和内容的培训。培训和教育要贯穿于系统开发与实施以及用户使用的各个阶段。使用户了解CAD/CAM及其集成的优越性及产生的效益,激发用户应用的积极性。认真听取用户意见,对他们提供帮助等。教育要不断地进行。

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8.软件的标准化和商品化
    在CAD/CAM集成系统的研制开发中,要按照国家及行业有关软件标准化、工程化的要求进行。要紧密结合产品应用不断完善和更新,真正开发出具有自己版权的、实用可靠的商品化软件系统。

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