第8章 CAD/CAM集成技术及其应用

学习目标

  1. 理解 CAD/CAM 集成的三种基本方式（数据接口、特征建模、工程数据库）及 STEP 标准的核心作用

  2. 掌握 PDM 技术在 CAD/CAM 集成中的角色与体系结构

  3. 了解柔性制造系统（FMS）、CIMS、并行工程、虚拟制造、敏捷制造、绿色制造等先进制造模式

核心概念

  • CAD/CAM 集成：在不同模块间实现数据共享与协同，消除"信息孤岛"

  • STEP 标准：ISO 10303 产品模型数据交换标准，定义 EXPRESS 描述的产品数据模型

  • IGES（初始图形交换规范）：早期二维/三维几何数据交换标准

  • PDM（产品数据管理）：在产品生命周期内管理所有数据、过程和资源

  • FMS（柔性制造系统）：由加工站、物流系统、控制系统组成的可加工多种零件的集成制造系统

  • CIMS（计算机集成制造系统）：将设计、制造、管理等环节用信息技术集成的现代制造范式

本章导读

本章作为全书的收尾，介绍 CAD/CAM 集成的核心技术与典型应用：从数据交换标准（IGES→STEP）到 PDM 系统集成方案，从柔性制造系统（FMS）到 CIMS、并行工程（CE）、虚拟制造（VM）、敏捷制造（AM）和绿色制造（GM）——勾勒出未来制造业数字化、网络化、智能化的整体图景。

8.1概述

8.1.1CAD/CAM集成的概念

为了实现CAD/CAM各模块之间数据资源的集成和共享，必须满足两个条件：一是要有统一的产品数据模型定义体系；而是要有 统一的产品数据交换标准。

8.1.2CAD/CAM集成的基本方式

1）基于数据接口技术的CAD/CAM集成

（1）基于专用数据接口的CAD/CAM信息集成。

（2）基于数据交换标准的通用接口CAD/CAM信息集成。

2）基于特征建模技术的CAD/CAM集成

3）基于工程数据库的CAD/CAM集成

8.2集成产品定义数据模型

所包含零件相关信息可分成四类：

（1）零件总体信息。

（2）基体信息。

（3）零件特征信息。

（4）零件几何拓扑信息。

8.3产品数据交换标准

  1. 初始图形交换规范（IGES）

  2. 产品模型数据交换标准STEP

1）STEP的产品数据模型

2）STEP的概念模型

3）STEP的基本组成

8.4PDM技术集成方案

产品数据管理（Product Data Management, PDM）技术是指以产品数据的管理为核心，通过计算机网络和数据库技术把企业 生产过程中所有与产品相关的信息和过程集成管理的一种技术。

  1. 基于PDM的CAD/CAM集成系统体系结构

基于PAM系统的CAD/CAM集成可分为三个层次，即封装、接口和集成。

  1. 基于PDM的CAD/CAM集成系统的主要功能

PDM系统的主要功能是用于管理在整个产品生命周期内所有与产品有关的信息。

基于PDM的CAD/CAM集成系统所包含的主要功能有：

（1）产品结构和配置管理。

（2）图文档管理。

（3）工作流程管理。

（4）动态权限设置。

（5）工程变更管理。

（6）项目管理。

（7）外部集成工具。

8.5先进制造技术中的CAD/CAM应用

8.5.1柔性制造系统

  1. FMS的产生

  2. FMS的组成

FMS由下述三个基本单元组成：

1）加工处理工作站

2）物流系统

3）计算机控制系统

4）FMS的软件系统

5）FMS中的计算机网络技术

6）FMS的刀具管理系统

7）FMS的检测监控系统

  1. FMS的分类

（1）柔性制造单元（FMC）

（2）柔性制造系统（FMS）

（3）柔性制造生产线（Flexible Manufacturinf Line, FML）

  1. FMS的工作过程

8.5.2计算机集成制造系统

  1. CIMS的相关技术

  2. CIMS的功能构成

（1）设计功能

（2）加工制造功能

（3）生产经营管理功能

  1. CIMS结构构成

  2. CIMS学科技术构成

六类技术：

1）总体技术

2）支撑环境技术

3）设计自动化技术

4）加工生产自动化技术

5）经营管理与决策系统技术

6）生产过程控制技术

  1. CIMS的集成模式

1）CIMS信息集成

2）CIMS的过程集成

3）CIMS的企业集成

  1. 我国CIMS的特点

1）系统论方法

2）管理在CIMS中的关键性作用

3）充分利用信息技术

8.5.3并行工程

  1. 定义

  2. 主要特点

1）并行特性（时序特性）

2）整体特性

3）协同特性

4）集成特性

3.并行工程的关键技术

1）并行工程过程重构技术

2）并行工程的组织结构

3）协同工作环境和协调管理

  1. 并行工程的使能技术

8.5.4虚拟制造

  1. 虚拟制造的定义

  2. 虚拟制造的特征

  3. 虚拟制造系统的分类

  4. 虚拟制造的内涵

  5. 虚拟制造环境

  6. 虚拟技术在生产制造上的应用

8.5.5敏捷制造

  1. 敏捷制造的概念

  2. 敏捷制造的组织结构

  3. 虚拟企业

8.5.6绿色制造

  1. 绿色制造（GM）的提出及可持续发展制造战略

  2. 绿色产品

  3. 绿色制造的定义

  4. 绿色制造的内涵及其体系结构

关键术语

  • CAD/CAM 集成（CAD/CAM Integration）

  • 数据交换标准 IGES（Initial Graphics Exchange Specification）

  • 产品模型数据交换标准 STEP（ISO 10303）

  • EXPRESS 信息建模语言

  • 产品数据管理（PDM）

  • 柔性制造单元（FMC）/ 柔性制造系统（FMS）

  • 计算机集成制造系统（CIMS）

  • 并行工程（Concurrent Engineering, CE）

  • 协同工作环境（CSCW）

  • 虚拟制造（Virtual Manufacturing, VM）

  • 敏捷制造（Agile Manufacturing, AM）

  • 虚拟企业（Virtual Enterprise）

  • 绿色制造（Green Manufacturing, GM）

工程应用场景

航空发动机整机制造

以 STEP 标准作为统一数据模型，PDM 系统管理百万级零部件；CIMS 把产品设计、工艺规划、生产调度、质量检测集成在同一平台。

多品种小批量柔性生产

汽车零部件厂用 FMS 灵活切换毛坯件品种，在同一加工单元内完成箱体类、轴类零件的自动加工与检测。

分布式协同设计

采用并行工程模式，总部研发与异地设计分部通过 PDM/CSCW 平台并行开展结构、热仿真与工艺设计，显著缩短开发周期。

复习问题

  1. CAD/CAM 集成有哪几种基本方式？请比较专用数据接口、STEP 通用接口、基于特征和基于工程数据库四种方式的差异。

  2. PDM 系统在 CAD/CAM 集成中扮演什么角色？其主要功能模块有哪些？

  3. 简述 FMS、CIMS、并行工程、敏捷制造的区别与联系。

延伸学习建议

  • 了解 STEP 标准（如 AP203 几何/AP214 汽车/AP242 复合）的应用范围及行业典型落地案例

  • 在企业实习或培训中体验 PDM 系统（如 Teamcenter/Windchill/ENOVIA）的文档管理与变更流程

  • 阅读敏捷制造与绿色制造相关文献，关注数字化转型（Digital Transformation）和工业 4.0 的最新进展