第11章 CAD/CAM集成技术及其发展 第一节 21世纪制造业对CAD/CAM的需求 第二节 计算机集成制造系统(CIMS) 第三节 并行工程(CE) 第四节 虚拟制造系统(VMS) 第五节 网络化制造

第一节 21世纪制造业对CAD/CAM的需求 一、21世纪制造业的特点 二、制造技术的发展趋势

一、21世纪制造业的特点 1)产品开发周期缩短，上市时间更快。 2)提高市场占有率，在TQCSE目标下，加强时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力、创新竞争能力。 3)柔性更加提高，以响应“瞬息万变，无法预测”的市场。 4)生命周期内的质量保证。 5)企业的组织形式将是跨地区、跨国家的虚拟公司或动态联盟。 6)生产过程更加精良。 7)人员素质更加提高。 8)智能化程度更高。 9)更加注重环境问题。 10)分布、并行、集成并存。

二、制造技术的发展趋势 1．集合多学科成果形成一个完整的制造体系； 2．先进制造技术的动态发展过程； 3．信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用； 4．先进制造技术向超精微细领域扩展； 5．制造过程的集成化； 6．制造科学与制造技术、生产管理的融合； 7．绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征； 8．虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用虚拟现实技术； 9．制造全球化。

面向21世纪制造模式的CAD/CAM的发展 (1)集成化技术 (2)智能化技术 (3)网络技术 (4)分布式并行处理智能协同求解技术 (5)多学科多功能综合产品设计技术 (6)虚拟现实技术 (7)人一机一环境系统技术

二、制造技术的发展趋势 一、基本概念 二、CIMS的基本构成 三、CIMS中的主要功能模块

(一)基本概念 CIM基本思想： 1)企业的各种经营活动是不可分割的，要统一考虑。 2)整个生产制造过程实质上是信息采集、传递和加工处理过程。 CIMS具有下列两个特征： 1)在功能上，CIMS包含了整个工厂的全部生产经营活动，即从市场需求分析、生产经营决策、产品设计、加工制造、质量管理、经营销售等一直到售后服务全部活动。 2)C1MS与传统的自动化有所不同，其范围及复杂程度要大得多。

(二)CIMS的基本构成

(三)CIMS中的主要功能模块 1．工程设计自动化分系统 1)服务于产品生命周期的产品建模。 2)CAX集成的实现是指通过信息交换、共享技术将各分系统集成在一起。 2．制造自动化分系统 1)实现MAS的递阶结构控制，优化生产调度。 2)工具、夹具、量具集中管理与调度。 3)满足多品种小批量生产需求，实现加工过程柔性化。 4)信息采集自动化，加强工件检测、刀具监控和故障诊断的功能， 5)对零件加工质量进行统计分析，并反馈给质量保证系统。

3．质量保证系统 1)协调并组织与产品质量有关的各部门实施全面质量管理。 2) 进行质量规划，制定产品和设备，工装检测规划及要求。 3)对采集的质量信息进行分析，并对设计、工艺提出改进建议，对生产过程提出相应的控制。 4)对质量信息通过计算机辅助质量管理，全面支持质量最优决策。 5)实现质量成本的有效管理分析。 4．经营管理信息分系统(MIS)

第三节 并行工程(CE) 一、基本概念 二、面向并行工程的产品建模 三、任务分析及过程重构 四、人员重组(组织模型) 五、资源重组(资源模型) 六、并行产品开发集成框架

一、基本概念 并行工程是对产品及其相关过程(包括制造和支持过程)进行集成、并行地设计的系统化工作模式。 这种模式力图使产品开发人员从设计一开始就考虑到产品生命周期(从概念形成到报废)中的各种因素，包括质量、成本、进度及用户需求。基于并行工程哲理的面向产品生命周期的并行产品设计，不能简单地理解为时间上的并发，并行工程的核心是基于分布式并行处理的协同求解，及服务产品整个生命周期诸进程活动的产品设计结果的评价体系及方法，在两者支持下，面向产品整个生命周期寻求全局最优决策。

二、面向并行工程的产品建模 并行工程产品建模的特点如下： 1)产品数据定义模型是一个动态结构，多用户能实时、并行地对它进行操作。 2)具有管理机制。 3)具有调度机制。 4)具有控制机制。 5)具有决策机制。 有时，也称上述的建模技术为主模型技术。

二、面向并行工程的产品建模

三、任务分析及过程重构 为实现并行工程，必须对传统的产品开发模式进行改革，组建在并行工程哲理下所需要的集成产品开发团队。这种方法可称为产品开发过程重构。它包括市场分析、确定产品开发信息流程和开发进程。过程重构应按任务级、项目级、工程级和企业级分层次实施。随着团队规模的增大，过程重构的复杂程度成倍增长

四、人员重组(组织模型) 产品的设计、制造是一项涉及到多学科和多部门人员的极为复杂的工作。因此，系统开发的组织模型的关键是由管理、结构设计、结构分析、工艺、制造、物资供应、销售服务、质量控制等有关人员组成集成产品开发团队，它主要反映： 1)IFF组织结构定义。 2)IFF工作计划和任务分配。 3)IPT的管理与运行模式。 根据工程实际，IPT成员来自不同功能部门，并被授权代表各自功能部门作出决策，实行IFF集体负责的决策模式。

五、资源重组(资源模型) 系统的制造资源模型是企业的人、财、物、技术的集合。它主要反映： 1)系统资源的编号、名称和数量。 2)系统资源的分类。 3)系统资源的状态。 4)系统资源的分布。 在开发活动的开始，IPT负责人应根据产品的开发流程，定义任务、分解任务，定义实现任务所必备的资源，最终做到人-任务-信息-资源的一一对应，即：“由某一个人担任某一个角色，针对某一个设计对象，在某一个规定的时间约束范围内，利用指定的资源完成某一个设计任务。”这种开发环境即为并行设计所必须的运作环境，它也被称作“集成框架”。

六、并行产品开发集成框架 指能使企业内各应用部门实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。根据其应用领域的不同又可划分成企业层、领域层和子领域层集成框架。这里指的并行工程只涉及到机械制造领域，所用的集成框架应为支持并行设计的领域框架系统，在统一产品数据模型和产品数据库支持下，以主模型技术及数据仓库(Repository)技术为核心。

第四节 虚拟制造系统(VMS) 一、基本概念 二、VMS的基本构成 三、VMS的功能 四、VMS的开发环境 五、VMS的关键技术

一、基本概念 随着科学技术和生产技术的发展，以及生活水平的提高，用户对产品的性能、规格、品种不断地提出新的需求，产品的生命周期愈来愈短。各制造企业为适应市场瞬息多变的需求，适应多品种小批量的生产，在激烈的市场竞争中取胜，就必须大幅度地缩短产品研制开发周期和制造周期，快速、灵活地组织生产。为此，提出了许多新思想、新概念、新方法，诞生了许多新的制造技术与制造系统，如柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、智能制造系统(1MS)等。这些系统都是以高度柔性化、集成化、智能化为其特力有重大影响。然而，这些系统仍然存在一些问题，主要有：

1)这些系统投资较大，在系统正式建立与运行之前，难以对这些系统建立后所取得的效益及风险进行确实有效的评估。 2)在这些系统环境下，开发一个新产品，无法在投人大量人力及经费之前就能确定其开发价值及对投产后所取得的效益及风险进行确实有效的评估。 3)不能在产品设计开发的各个阶段，模拟产品制造过程各个阶段的实况，确实有效地协调设计与制造各阶段的关系，解决制造过程可能遇到的问题，以寻求企业整体全局最优效益，满足市场需求。

4)上述系统都强调集成的概念，它们的侧重点各不相同，CIMS强调“信息”的集成，IMS强调“智能”的集成。在研究现代制造系统时，应强调“多集成”的概念，它包括信息集成、技术集成、资源集成、智能集成、串并行工作机制集成、人机集成及功能集成等各个方面，从而实现分布式智能协同求解，以达到全局最优的目的。

为解决上述问题，虚拟制造技术(VMT)与虚拟制造系统(VMS)也就应运而生了，VMT&VMS被誉为21世纪的新型生产模式，是制造业迎接21世纪挑战的有效技术。 未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性，从而更有效、更经济、更灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率的最高化。

二、VMS的基本构成 VMS是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统(Real Manufacturing System，RMS)在虚拟环境下的映射，而现实制造系统是物质流、信息流、能量流在控制机的协调与控制下，在各个层次上进行相应的决策，实现从投入到产出的有效的转变。而其中物质流及信息流协调工作是其主体，它们相应于RMS中的两个主要子系统是：现实信息系统(Real lnformation System，RIS)和现实物理系统(Real Physical System，RPS)。

三、VMS的功能 1．通过虚拟制造系统实现制造企业产品开发过程的集成根据制造企业策略，基于虚拟制造系统，在信息集成和功能集成的基础上，实现产品开发过程的集成。 2．实现虚拟产品设计／虚拟制造仿真闭环产品开发模式。 3．提高产品开发过程中的决策和控制能力通过虚拟制造系统在人与系统之间、人工智能与非人工智能技术及工具之间、设计人员之间、现实世界与虚拟的计算机制造环境之间、不同的产品开发过程之间、不同的知识来源之间等建立起了连接的纽带。

4．提高企业自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力为企业实现多集成，使其能够根据复杂多变的竞争环境，不断调整组织结构，优化运营过程，合理配置人、财、物力资源，革新技术和提高人员素质等提供了一种系统的方法和途径，使企业的自我调节、自我完善、自我改造和自我发展的能力大为提高。

四、VMS的开发环境

五、VMS的关键技术 1)虚拟制造系统的理论体系。 2)基于分布式并行处理环境下的虚拟制造系统的开放式体系结构(VMS-OSA)的研究。 3)虚拟环境下的产品主模型技术。 4)虚拟环境下分布式并行处理的分布式智能协同求解技术与系统。 5)虚拟环境下系统全局最优决策理论与技术。 6)现实制造系统与虚拟制造系统之间的映射，虚拟设备、虚拟传感器、虚拟单元、虚拟生产线、虚拟车间及虚拟工厂(公司)的建立，以及各种虚拟设备的重用性和重组性技术。

7)基于虚拟现实、科学可视化技术、多媒体及计算机仿真等技术的综合可视化技术的研究，以实现真实动画感的虚拟产品的装配仿真、生产制造过程及生产调度仿真、数控加工过程仿真等技术与系统。 8)虚拟环境及虚拟制造过程中的人机协同求解模型。 9)VMS集成开发平台的体系结构、构件库及用户开发环境。 10)虚拟公司的组织、调度及控制策略与技术。

第五节 网络化制造 一、网络化制造的基本概念 二、网络化制造的特点 三、网络化制造逻辑体系结构 第五节 网络化制造 一、网络化制造的基本概念 二、网络化制造的特点 三、网络化制造逻辑体系结构 四、集中分布式模式下的企业新式产品开发技术体系 五、网络化制造的关键技术

一、网络化制造的基本概念 网络化制造的着眼点在于制造的各种要素和各个环节信息化、全球化、网络化、集成化、敏捷化的深入发展。它将原来局部的、小范围的、初级的制造形态充分扩展到全局性的、全球大范围的和高级的制造形态，从而实现制造资源、人、技术在全球范围内的高度集成与合理配置，达到对用户需求的充分发掘与快速动态响应，其关键特征是：全方位、信息化、全球化、网络化、集成化、敏捷化。它显然是未来人们数字化生存的重要支柱与组成部分，是适应21世纪知识经济时代需求的制造技术。

二、网络化制造的特点 网络化制造涉及制造技术的方方面面，从硬件到软件、从技术到管理、从企业到全社会的组织与个人、从局部资源到全球资源等，其显著特点有： 1)基于Intemet／Intranet的网络化。 2)产品设计、制造进程中的全程数字化。 3)制造设备的社会化、智能化、柔性化。 4)制造组织的全球化、敏捷化。 5)制造资源的分布性、共享性。 6)制造过程的并行化、协同化。 7)设计制造各要素全球性的分布化和集成化。 8)设计制造各个环节的并行协作与智能化。

三、网络化制造逻辑体系结构

四、集中分布式模式下的企业新式产品开发技术体系

五、网络化制造的关键技术 1)敏捷制造理论和企业机制的研究。 2)多企业间虚拟供应链管理技术研究。 3)基于网络的现代设计理论及方法的研究。 4)异地设计、异地制造分布式并行处理协同求解策略的研究。 5)多企业虚拟信息资源库的建立及其管理系统。 6)信息标准化研究。

7)动态网络联盟的网管中心建立基于动态联盟的驱动机制、资源重组及合理调配最佳决策系统的建立。 8)基于网络的机电产品虚拟设计、制造、咨询、教学网络联盟，开放式Web站点的建设及其管理机制的建设。 9)快速原型虚拟逼真创新设计及虚拟制造系统建模技术的研究。 10)产品研制开发过程中的经营决策、生产决策、产品设计/制造过程决策以及由此产生的效益和风险评价，以及针对产品开发的不同阶段，对产品性能、可制造性、可装配性、可维护性、可回收性等各方面进行评估的产品评价体系的建立。