CIMS環境下CAD/CAM的開發

一、CAD/CAM集成的必要性

1.基本概念

    隨著計算機技術的不斷發展和激烈市場競爭對產品質量和設計制造的周期不斷增長的需求,CAD/CAM技術正在從傳統的方式向著集成環境下的CAD/CAM發展。

    傳統CAD/CAM系統是針對產品的設計、造型、分析和繪圖及產品制造等具體目標而研制的,著眼于實現產品設計和制造這些具體環節的自動化,而不是針對其整個過程開發的。各種CAD/CAM系統的數據格式不一致、不標準,沒有考慮與其它環節的聯系,信息不能共享,形成了一個個自動化獨立島。

    由于機械制造業是由經營決策、產品設計、制造和管理等一系列互相聯系的環節組成的。因此,CMIS環境下的CAD/CAM不僅要實現各系統之間信息的提取、交換、共享和處理的集成(即CAD/CAPP/CAM內部信息流的整體集成);而且要在分布式數據庫系統(DB)和計算機網絡(NET)的支持下,實現與外部系統,如管理信息系(MIS)、質量信息系統(QIS)、車間自動化系統(FA)之間信息的全面集成,以獲得最大的效益。

2.成飛CAD/CAM的應用成果

    成飛的CAD/CAM是在傳統環境下產生的,經過20年的應用與開發,正在向CMIS環境下的CAD/CAM發展。公司先后引進了IBM、CDC、HP大中型計算機、工程工作站、圖形終端、微機等500多臺,以及三坐標測量機、大型平板繪圖機、3、4、5坐標數控機床30多臺,自行開發和引進了一批CAD/CAM軟件系統。這些資源廣泛應用于飛機零件制造、新機研制和麥道機頭轉包生產,取得了顯著的效益。

    ①批生產零件的數控加工
    公司于70年代后期首先將CAD/CAM技術用于解決復雜飛機零件生產的瓶頸,對復雜機加結構零件采用數控編程與加工,使整機加大件的綜合生產能力提高了82.5%,零件重量輕,精度、光潔度提高一級,關鍵大件超差率由20%以下降至5%以下,零件質量明顯提高,曾榮獲航空部數控技術應用一等獎。

    ②新機研制應用CAD/CAM
    70年代末期,公司在J7X型新機研制中,采用CAD/CAM技術,在國產TQ-16計算機上自行開發了C-SURF曲面造型和雕塑曲面加工系統,建立了飛機機身、進氣道、座艙、垂尾等改型部位的數學模型,數控繪制模線,數控加工裝設備和機加大件,節省工裝200多套,使飛機研制周期縮短半年以上,節省大量新機研制費用,榮獲1985年國家科技進步二等獎。

    ③CAD/CAM的局部集成
    80年代以來,公司重視引進軟件的消化、吸收和二次開發工作,以及對不同CAD/CAM系統之間數據(包括圖形)轉換接口的研制以及工程數據庫的開發,初步實現了公司內部自行開發與引進的不同CAD/CAM軟件之間信息的局部集成,先后在多種新機研制、麥道機頭轉包生產和汽車模具等民品開發中得到廣泛的應用。如,J7X型飛機縮短研制周期8個月,節省研制費用200多萬元,榮獲1990年航空航天部科技進步二等獎。1988年為南京汽車制造廠加工出了國內第一個全面應用CAD/CAM的汽車主模型(IVECO),以專家鑒定達到國際先進水平,獲中國
汽車工業首屆科技進步二等獎,第三屆全國模具工業大會特優獎。

    進入90年代以來,公司在新機研制過程中,全機外形幾何設計、工程分析、結構模線設計與繪制方面全部采用計算機完成,飛機機加零件結構圖通過計算機直接傳遞到制造部門進行數控加工編程。此外,在復雜機加結構零件的數控加工、系統管道零件的數控彎管、飛機裝配型架、沖裁模、壓延模等工裝以及鈑金零件CAPP、裝配CAPP等方面,CAD/CAM應用都上了一個新的臺階。

3.CAD/CAM集成的必要性
    在傳統CAD/CAM應用環境中,企業內各個部門的應用是"各自為政"、相互孤立的,所用的程序、系統和方法不統一,數據格式不統一,信息不能共享,使CAD/CAM的效益受到很大的限制。在這方面,我們是有深刻體會的。
    80年代初,在某新機研制中,由于設計與制造部門分別選用了不同的CAD系統,設計與制造建立了兩個飛機外形數學模型,設計建模只能用于工程分析而不能傳遞到制造部門作為制造依據;制造部門必須重建數模去逼近設計數模以滿足加工制造的需要,嚴重影響了研制周期,增加了協調難度。雖然在飛機三維造型、工程分析、繪圖和數控零件編程上采用計算機完成,但是在飛機零件加工制造過程中大量的工藝規程等文件卻是用手工完成編制的。在20年的應用中,成飛已擁有各種類型的大型計算機和工作站,以及在不同時期、為開發不同產品引進和自行開發的各種軟件系統,組成了異構環境。為了解決異構環境之間數據(包括圖形)的傳輸和轉換問題,需要開發復雜的數據轉換接口。因此,我們花費了大量的精力和時間去開發、協調各CAD/CAM系統之間的接口,解決數據傳遞問題。
這些經歷都告訴我們,只有CIMS環境下的CAD/CAM,才能滿足產品設計和制造中日益增長的需求。

二、CAD/CAM集成系統與關鍵技術

1.CAD/CAM在CMIS中的作用
    CAD/CAM是CIMS工程信息的源頭,它提供經營決策所需要的產品設計和生產計劃信息,向管理信息系統、質量信息系統提供產品結構信息、工藝過程和檢驗信息,向制造車間提供生產單元控制與數控加工需要的工藝及加工信息,它是CIMS的基礎與核心系統之一,在CIMS工程中起著重要的作用。

2.系統的主要功能
  CAD/CAM集成系統是由產品設計(CAD)、工程分析(CAE)、工藝過程設計(CAPP)、數控加工編程(CAM)及仿真等子系統,在分布式數據庫系統和計算機網絡系統支持下組成的。其主要功能有:

  ①CAD/CAE:完成產品對象的方案設計、工程分析和詳細設計,通過設計-評價-再設計的有限次迭代,不斷優化設計,直到獲得滿意的設計結果。各種CAD、CAE環境中的數據(或圖形)能用于一個集成的設計環境中。

  ②CAPP:進行產品中各種零件的加工過程設計,守成工藝路線與工序、工步設計,產生工序圖和工藝文件,向MIS、QIS、FA各分系統提供所需的工藝信息,向CAM提供數控編程的工藝信息。

  ③CAM:按照產品的幾何信息和CAPP產生的工藝信息,完成零件的數控加工和數控測量自動編程及仿真,為車間提供數控加工和檢測指令文件及切削加工時間等信息。

3.系統的硬、軟件環境及配置

①硬件環境
·分布式工作站及微機方式。
·主機、工程工作站和個人計算機組成的具有開放性結構的異種機網絡方式(原有主機
的用戶)。
·工作站的數量可根據應用范圍和規模以及企業經濟實力配置。

②軟件環境
·工程基礎軟件:二維、三維造形、工程繪圖、工程分析、數控編程及仿真、檢測等軟
件。
·統一的產品定義數據交換規范。
·工程數據庫系統和分布式數據庫系統。
·異種機的網絡系統。

4.系統的關鍵技術
    ①產品定義數據(加工特征定義):包含產品生命周期(設計、分析、制造、檢測和產品支持維護等)中的所有信息。其目的是使產品生命周期內的產品數據交換實現標準化、格式化,解決CAD、CAPP、CAM之間的數據交換和信息集成的問題。目前,國外正在研究和發展以STEP規范為代表的產品定義數據規范。傳統的CAD系統沒有加工所需要的工程結構和工藝信息,無法滿足CAPP進行工藝過程設計的要求。因此,對于沒有特征造型的CAD軟件,需要研制和開發零件加工特征定義功能,使用戶能夠從結構特征和工藝特征統一的角度去定義零件的加工特征和工藝屬性,生成完整的產品定義數據信息。

    ②數據轉換接口技術:它是將各種系統的圖形與圖形數據按照某種標準規定的格式進行轉換,得到一種獨立于已有的CAD/CAM系統和各種不同應用模塊的統一的公用格式(中性文件),通過網絡和分布式數據庫系統傳遞到其它系統或本系統的其它應用模塊,再由公用格式還原成該系統的具體的圖形或非圖形數據。國際上比較流行的產品數據交換規范,早期是IGES、PDES,近年來國際標準化組織IS O正在組織制定和推廣的產品數據規范是SETP(Standard for the Exchange of ProductdelData)。

    在CAD/CAM集成系統開發中,對于新引進的CAD/CAM系統,應注意選擇和定購國際流行的標準數據轉換接口進行數據轉換,以便于對外合作與交流;對于已經具有CAD/CAM系統的企業,如果原系統沒有標準數據轉換接口,可根據實際情況,在不超過兩個需要集成的CAD軟件時,可采用專用數據轉換接口,待條件成熟后再改用國際流行的標準數據轉換規范。

    ③CAPP技術在:CIMS環境下,CAPP是作為將CAD數據轉換為各種加工、管理信息的橋梁,是CAD/CAM集成的關鍵。CAPP的核心是建立一個包含知識庫、工藝數據庫和推理機的專家系統。通過對所選定零件進行的廣泛工藝分析,從大量經驗知識中提煉工藝路線設計和工序設計規則以及工藝決策方法等知識,建立知識庫,利用規則表達方式進行知識表達。同時還要建立包含機床、刀具、夾具、切削參數的工藝數據庫,以滿足工藝決策的要求。

    ④工程數據庫系統:它把從產品設計到制造的所有生產環節緊密聯系起來,實現信息的共享與交換,是CAD/CAM集成系統的核心。由于系統中圖形與非圖形(即非格式化與格式化)數據并存,因此工程數據庫不同于一般商業與管理數據庫。它用文件方式存儲圖形數據和NC代碼文件等非格式化信息;以文件屬性方式存儲圖形中的零件圖號、材料、公差、技術條件等信息,用數據庫系統管理各個圖形文件,這是工程數據庫系統的特點。
同時,由于CAD/CAM是多用戶、多模塊、多結點采用網絡運行,故必須采用分布式數據庫系統進行管理。為了實現與其他系統如MIS、QIS、FA進行信息交換和共享,還必須在異構的數據庫之間開發接口程序,才能真正實現信息的全面集成。

三、CAD/CAM分系統的開發

1.成飛對CAD/CAM及其集成的需求
    成飛是國家"863"高技術發展計劃自動化領域CIMS主題的應用工廠之一,在成飛CMIS工程六個系統(MIS、CAD/CAM、FA、QIS、DB、NET)中,CAD/CAM是CIMS工程信息的源頭和基礎,在CIMS工程中起著十分重要的作用。

    結合公司新機研制和國外飛機轉包生產的實際,以實現飛機產品CAD、CAE、CAPP、CAM的信息集成,以及與MIS、QIS、FA的信息集成為總目標,選擇飛機制造中最薄弱的生產環節——飛機機加結構件CAD/CAPP/CAM集成為重點開發的主干線。

    ①解決飛機制造的瓶頸和關鍵,開發復雜飛機結構件(框、梁、肋類)的FA-CAD/CAPP/CAM集成系統(簡稱3C系統)并在新機研制的典型數控機加結構零件中應用。

    ②實現工藝文件的計算機管理(包括CAPP與手工編制的工藝規程),滿足自動化車間FA以及MIS、QIS對工藝信息的要求。

    ③利用現有的18臺數控機床,建立兩條直接數控(FDNC)生產線,在新建的1.1萬平方米、具有刀具立體庫和物料立體庫廠房內運行,能夠對車間、單元生產過程進行計算機調度控制和管理,提高飛機結構零件綜合生產能力和生產、物料管理水平。

2.系統組成
成飛CIMS工程CAD/CAM分系統由以下系統組成:

    ①飛機產品設計、結構與工程分析的CAD/CAE系統。
    ②復雜飛機平面3～5坐標機加結構件的FA-CAD/CAPP/CAM系統。
    ③飛機工藝文件管理系統。
    ④飛機工藝裝備的CAD/CAM系統(包括沖裁模CAD/CAM,壓延模CAD/CAM、飛機裝配型架CAD/CAM、機鉗工裝CAD/CAM、地面設備CAD和試驗設備CAD子系統)。
    ⑤飛機常規零件CAPP系統(包括常規機加件CAPP、鈑金件CAPP、裝配CAPP子系統)。
    ⑥飛機零件數控加工、數控彎管和數控檢測的CAM系統。

3.系統實施中解決的關鍵問題
    ①加工特征的抽取和定義;飛機結構零件的外形和內部結構復雜,加工特征的歸納和抽取非常困難。通過對幾百項數控機加結構零件所進行的工藝分析,利用成飛二十年來開發和應用CAD/CAM技術的經驗,從零件的結構設計和加工工藝統一的角度進行歸納和提煉,確定零件的加工特征,定義零件的特征模型,以此作為CAD、CAPP和CAM集成的基礎。共提取了15類特征,覆蓋了包括具有直紋曲面、復雜槽腔、下陷、凸緣、筋、凸臺、孔等的組成的平面3-5坐標框、梁、肋類復雜機加結構零件。

②基于特征的創成式CAPP技術
    CAPP自動獲取由FA-CAD定義的零件加工特征工藝信息,采用創成式原理,開發了推理機與知識庫獨立性很強的工藝決策專家系統,不需人工干預,可自動進行工藝決策。開發了直接面向用戶,知識透明性高的知識庫管理技術(引入知識的外部形式和內部形式),方便用戶進行知識庫的維護、完善和積累。工序圖的生成是根據工藝決策的結果,從零件的特征模型庫中提取各工序的特征幾何信息,自動生成工序圖、各種工藝文件和CAM需要的工藝信息。

    ③工作站的漢字系統:由于SGI工作站沒有漢字系統,為了方便用戶使用,特別是為了滿足工藝文件輸出的需要,開發了包括點陣和矢量漢字的漢字系統以及漢字編輯器,解決了工作站上的中文界面和漢字的輸入、輸出問題。

    ④工程數據管理:FA-CAD/CAPP/CAM系統中有幾何信息和工藝數據兩類不同的信息需要管理。在系統運行中,采用RMI工程數據庫管理幾何模型、加工特征模型等非結構化信息,應用ORACLE數據庫管理工藝信息,如刀量具、工裝信息、切削參數、工藝參數等結構化信息,不僅實現了系統內部CAD/CAPP/CAM的信息集成,而且實現了與FA、MIS和QIS等其它分系統的信息集成。

四、系統開發實施的體會

    通過成飛20年來的應用和發展,以及近5年來成飛CMIS工程CAD/CAM分集成系統的總體規劃與系統設計走過的道路,我們結合自身的體會,對系統開發、實施中應注意的幾個問題進行一下探討。

1.需求分析和目標選擇
    在進行系統總體規劃之前,要針對企業產品設計與制造的需要,進行詳細的需求分析,確定CAD/CAM及其集成應用的范圍和內容,結合企業生產的瓶頸和急需,選擇最容易獲得成功,最能產生效益和關鍵項目進行應用。國內外的成功經驗是在新產品研制中采用CAD/CAM,研制費用的5～10%用于CAD/CAM技術改造費用。

2.頂層領導的支持
    企業最高決策層的重視和支持是CAD/CAM應用及其集成系統開發實施能否成功的決定因素。包括制定統一的規劃和目標,組織機構的建立與調整,確定不同階段CAD/CAM應用的范圍和信息傳遞,正確評價和計CAD/CAM及其集成的經濟效益等。

3.總體規劃和系統設計
    CAD/CAM集成系統的開發與實施要在企業CIMS工程的總體規劃下進行,不僅要考慮CAD/CAPP/CAM內部的信息集成,而且要協調好CAD/CAM與外部其它集成系統(如MIS、QIS、FA)的信息集成,分析數據流程、確定數據元素和共享信息,建立全局數據字典,認真扎實地做好系統分析工作,才能保證CIMS全局的協調一致。為了少走彎路,應向有經驗的用戶和專家進行咨詢。對于新起步首先開展CAD/CAM單元技術的企業,要按照CIMS的思想進行總體規劃和系統設計,保證CAD/CAM具有可集成性。

4.利用已有資源,采用成熟技術
    對已經有一定CAD/CAM基礎的企業,在開發實施CIMS技術時,應充分利用已有的計算機硬、軟件資源,做必要的擴充并盡量采用成熟的技術進行應用和開發,減少風險。

5.CAD/CAM集成系統的配置
    根據企業的需求與經濟能力,合理選擇和配置CAD/CAM系統以及數據庫和網絡支持系統。在CAD/CAM系統選擇與配置時,一般應考慮以下幾個問題:

    ①從需求出發,量力而行。在選擇CAD/CAM系統時,不一定要選擇當時能夠獲得的最好的CAD/CAM系統,更重要的是選擇和使用滿足于本企業產品設計和制造需要的CAD/CAM系統,例如,產品對三維造型、曲面加工編程能力以及工程分析等特殊的需求。在配置系統時,還應考慮企業的經濟實力,合理構成系統。

    ②功能可靠,具有開放性。系統應采用當代先進的硬件、軟件技術,采用國際流行的操作系統、圖形支持軟件和圖形轉換接口,具有先進的計算方法和數據庫網絡系統等。系統應具有開放性,以利于今后的發展。

    ③接口能力。CAD/CAM及其集成的主要效益是來自產品數據可以共享。因此,在系統配置時,應注意選擇國際流行的數據轉換接口和系統提供的用戶接口等模塊,以便于與其他系統交換數據并提供用戶二次開發能力。

    ④用戶界面和數據管理。系統應提供良好的用戶界面(菜單、命令、信息等),易于學習和使用;還要具有先進的數據結構和數據管理能力,提供有效的方法進行查詢、修改和管理與維護。

    ⑤供應商的選擇。選擇可靠的供應商,除提供的產品先進可靠以外,應特別注意技術支持力量和系統維護等售后服務。還應注意軟件的質量與版權問題,為參與國際競爭提供可靠的保證。

6.CAD/CAM系統的支持與維護
    除了有專門的人員進行CAD/CAM集成系統的開發以外,要有一支隊伍來進行維護、推廣和應用。同時還應有健全的組織機構,能有效地進行系統運行、數據管理和項目管理,使系統的硬、軟件處于良好的工作狀態,為用戶提供方便。

7.培訓和教育
    要針對企業不同層次的人員(用戶、中層管理人員、CAD/CAM項目經理、系統支持及維護人員、公司頂層領導)分別進行不同層次和內容的培訓。培訓和教育要貫穿于系統開發與實施以及用戶使用的各個階段。使用戶了解CAD/CAM及其集成的優越性及產生的效益,激發用戶應用的積極性。認真聽取用戶意見,對他們提供幫助等。教育要不斷地進行。

8.軟件的標準化和商品化
    在CAD/CAM集成系統的研制開發中,要按照國家及行業有關軟件標準化、工程化的要求進行。要緊密結合產品應用不斷完善和更新,真正開發出具有自己版權的、實用可靠的商品化軟件系統。