計算機輔助製造

除cam的狹義定義外，國際計算機輔助製造組織（ cam-i ）關於計算機輔助製造有一個廣義的定義：“通過直接的或間接的計算機與企業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於企業的管理、控制和加工操作。”按照這一定義，計算機輔助製造包括企業生產信息管理、計算機輔助設計（cad ）和計算機輔助生產、製造3部分。計算機輔助生產 、製造又包括連續生產過程控制和離散零件自動製造兩種計算機控制方式。這種廣義的計算機輔助製造系統又稱為整體制造系統（ims）。採用計算機輔助製造零件、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。

在CAD/CAM系統中，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製造過程會產生大量、種類繁多的數據，如設計分析數據、工藝數據、製造數據、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；有動態和靜態數據等。怎樣將CAD/CAM系統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，優化設計等。

5、工程信息傳輸與交換信息交換有CAD/CAM系統與其他系統的信息交換和同一CAD/CAM系統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，並具有破壞性，時間長，成本大。通過建立產品或系統的數字化模式，採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、刀具和機牀碰撞與干涉檢驗等。

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。

CAD/CAM系統由硬件和軟件系統組成。硬件系統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。軟件系統通常是指程序及其相關文檔的總和，軟件系統一般分為系統軟件、支撐軟件和應用軟件 ^[1]  。

從不同的角度，CAD/CAM系統可分為不同的類型 ^[1]  。

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、多用户分時系統。主機系統的特點：1)外圍設備和用户工作站與主機相連，用户工作站中至少有一台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，使用性能取決於軟件水平。3）缺點：系統專用性強，比較封閉，終端過多，系統速度變慢，價格較高。另外，系統的可靠性取決於主機（主機發生故障，整個系統都將癱瘓） ^[1]  。

2、工程工作站或微機系統的單用户系統。此係統特點：1）每一個工程工作站或微機系統都能獨立完成CAD/CAM系統所要求的各項任務；2）價格較低；3）可靠性高 ^[1]  。

按功能劃分，CAD/CAM系統可分為CAD、CAM、CAD/CAM ^[1]  。

1、CAD系統：專門為設計而建立的系統，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 ^[1]  。

2、CAM系統：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 ^[1]  。

3、CAD/CAM系統：具備CAD與CAM的所有功能，並可進行信息的自動交換。已成為主流 ^[1]  。

根據是否使用計算機網絡，CAD/CAM系統又可分為單機系統和網絡系統 ^[1]  。

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、必須有兩台或兩台以上的具有獨立功能的計算機系統相互連接在一起，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之間進行信息交換，必須遵循共同的約定與規則即協議 ^[1]  。

1、單機CAD/CAM系統：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 ^[1]  。

2、網絡CAD/CAM系統：將具備CAD/CAM的軟件與硬件功能的各個節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。可實現資源與信息共享。已成為主流。網絡結構有星型、環型、總線型和網絡等形式。由於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 ^[1]  。

計算機輔助製造的核心是計算機數值控制(簡稱數控)，是將計算機應用於製造生產過程的過程或系統。1952年美國麻省理工學院首先研製成數控銑牀。數控的特徵是由編碼在穿孔紙帶上的程序指令來控制機牀。此後發展了一系列的數控機牀，包括稱為“加工中心”的多功能機牀，能從刀庫中自動換刀和自動轉換工作位置，能連續完成銑、鑽、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。麻省理工學院於1950年研究開發數控機牀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所涉及的範圍，包括計算機數控，計算機輔助過程設計。

數控除了在機牀應用以外，還廣泛地用於其它各種設備的控制，如衝壓機、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CAM的基礎。

計算機輔助製造系統是通過計算機分級結構控制和管理製造過程的多方面工作，它的目標是開發一個集成的信息網絡來監測一個廣闊的相互關聯的製造作業範圍，並根據一個總體的管理策略控制每項作業。

從自動化的角度看，數控機牀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製造系統是完成一族零件或不同族零件的自動化加工過程，而計算機輔助製造是計算機進入製造過程這樣一個總的概念。

一個大規模的計算機輔助製造系統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，並對下屬的計算機工作站或微型計算機發佈指令和進行監控，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。

計算機輔助製造系統的組成可以分為硬件和軟件兩方面：硬件方面有數控機牀、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、計算機輔助作業計劃編制與調度、計算機輔助質量控制等。

（一）數控系統

數控系統是機牀的控制部分，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，然後通過電脈衝數，再經伺服驅動系統帶動機牀部件作相應的運動。圖3-4-2為數控系統的功能示意圖。

傳統的數控機牀（NC）上，零件的加工信息是存儲在數控紙帶上的，通過光電閲讀機讀取數控紙帶上的信息，實現機牀的加工控制。後來發展到計算機數控（CNC），功能得到很大的提高，可以將一次加工的所有信??閲讀機。更先進的CNC機牀甚至可以去掉光電閲讀機，直接在計算機上編程，或者直接接收來自CAPP的信息，實現自動編程。後一種CNC機牀是計算機集成製造系統的基礎設備。現代CNC系統常具有以下功能：

(1) 多座標軸聯動控制;

(2) 刀具位置補償;

(3) 系統故障診斷;

(4) 在線編程;

(5) 加工、編程並行作業;

(6) 加工仿真;

(7) 刀具管理和監控;

(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（美國電子工業協會）兩種系統。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於檢驗紙帶閲讀機的讀錯信息。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後的數字和符號組成。每個程序都代表着一個特殊功能，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的座標值，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系統編程； （4） 自動編程。

手工編程是編程人員按照數控系統規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、表面加工先後順序、切削參數）；

（3） 確定刀具移動軌跡（起點、終點、運動形式）；

（4） 計算機牀運動所需要數據；

（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程的內容，手工編程目前已用得很少。

使用數控語言編程往往被稱為“自動編程”，這種叫法來源於APT（Automatically Programmed Tools）數控編程語言。事實上，它並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，由於採用類似於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，計算機接受源程序後，首先進行編譯處理，再經過後置處理程序才能生成控制機牀的數控程序。目前常用的數控編程語言是美國麻省理工學院開發的APT語言。APT語言詞彙豐富，定義的幾何類型多，並配有多種後置處理程序，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。而語句則是由詞彙、數值、標識符號等按一定語法規則組成的。

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分別表示圓心的座標值和半徑值。

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係；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於零件面上和不位於零件面上，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。例如採用SPINDL/n，CLW表示主軸的轉速（n）和轉動方向（CLW），採用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系統編程

圖3-4-6 自動編程系統

採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，後來又發展了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，並顯示在屏幕上，採用多級功能菜單作為人機界面。編程過程中，系統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。

對於一些功能強大的CAD/CAM系統，甚至還包括數據後置處理器，自動生成數控加工源程序，並進行加工模擬，用來檢驗數控程序的正確性。圖3-4-5為這種系統的示意圖。

上述CAD/CAM系統編程中，仍需要編程人員過多地干預才能生成數控源程序。隨着CAPP技術的發展，使數控自動編程成為可能。圖3-4-6所示為自動編程系統的組成。系統從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，然後調用NC源程序生成數控源程序，再對源程序進行動態仿真，如果正確無誤，則將加工指令送到機牀進行加工。

計算機輔助製造的支撐環境總的來説可分為硬件和軟件兩大方面，具體來説可分為計算機硬件、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，是相對於計算機軟件而言，計算機硬件和軟件共同組成計算機系統，計算機必須同時具備硬件和軟件才能工作。

計算機硬件通常可分為主機和外部設備兩部分。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軟件和應用軟件。系統軟件主要包括計算機操作系統和支持軟件，支持軟件一般指為用户進行二次開發的工具（或平台），應用軟件是指用户自行開發的專用軟件。

數據庫是通用化的綜合性的數據集合，可以提供各種用户共享而具有最小的多餘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，並提供安全性及可靠性。

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

計算機網絡是指將地理上分散配製而又具有獨立功能的多台計算機、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羣體。

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、終端設備、通信傳輸設備等。網絡軟件包括網絡操作系統、網絡數據庫、網絡協議、通信協議、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、電話之後的第三代通信。它不是單純的數據通信，而是把原始信息進行整理、系統化，將其精華在適當的時空進行傳輸，以發揮起作用。

成組技術是計算機輔助製造系統的基礎。它從50年代出現的成組加工，發展到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，其範圍也從單純的機械加工擴展到整個產品的製造過程。70年代以後，成組工藝與計算機技術和數控技術結合，發展成為成組技術，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製造系統，並被系統地運用到產品設計、製造工藝、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、計算機輔助製造，以及有成組技術特色的計算機集成製造系統。

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製造，這樣就擴大了批量，減少了品種，便於採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闢了一條途徑。

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，在製造、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，是工業企業得到統一的數據和信息，獲得經濟效益，併為建立集成信息系統打下基礎。

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）信息描述要易於被計算機接受和處理，界面友好，使用方便，工效高；

（3）信息描述要易於被工程技術人員理解和掌握，便於被操作人員運用；

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

cam 已廣泛應用於飛機、汽車、機械製造業、家用電器和電子產品製造業。

cam的應用領域包括：

① 機械產品的零件加工（切削、衝壓、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， 根據測量系統測得的參數和機牀工作狀況，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。

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製電路板，波峯焊接，裝置板、機箱佈線的自動繞接，部件、整件和整機的自動測試。

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複雜產品（如飛機發動機、超大規模集成電路、電子計算機等）的大量測試工作。