CAM报告
计算机辅助制造
1.计算机辅助制造的概念及主要内容
计算机辅助制造是指在机械制造业中，利用数字计算机通过各种数字控制机床和设备，自动完成离散产品的加工、装配、检测和包装等制造过程。CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。CAM的广义概念包括的内容则多得多，除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。国际计算机辅助制造组织关于计算机辅助制造有一个广义的定义：“通过直接的或间接的计算机与企业的物质资源或人力资源的联接界面，把计算机技术有效地应用于企业的管理、控制和加工操作。”按照这一定义，计算机辅助制造包括企业生产信息管理、计算机辅助设计和计算机辅助生产、制造三部分。利用计算机分级结构将产品的设计信息自动地转换成制造信息，以控制产品的加工、装配、检验、试验和包装等全过程以及与此过程有关的全部物流系统和初步的生产调度。采用计算机辅助制造零件、部件，可改善对产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动生产率。
2.现有几何建模方法的局限性及其发展趋势
在CAD/CAM中，建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法，是实现计算机辅助设计与制造的前提条件，也是实现CAD/CAM一体化的核心内容。三维几何建模包括线框建模、曲面建模和实体建模，以及正在发展中的特征建模和行为建模。
建模方法线框建模采用表结构，在计算机内部存储物体的顶点及棱线信息，将实体的几何信息和拓扑信息层次清楚的记录在以边表、顶点表中。这种描述方法信息量少，计算速度快，对硬件要求低。数据结构简单，所占的存储空间少，数据处理容易，绘图显示速度快。但它也有许多缺点如：①存在二异性，即使用一种数据表示的一种图形，有时也可能看成另外一种图形。②由于没有面的信息，不能解决两个平面
交线问题。③由于缺少面的信息，不能消除隐藏线和隐藏面。④由于没有面和体的信息，不能对立体图进行着和特征处理，不能进行物性计算。⑤构造的物体表面是无效的，没有方向性，不能进行数控编程。
曲面建模是通过对物体的各个表面或曲面进行描述而构成曲面的一种建模方法。建模时，先将复杂的外表面分解成若干个组成面，这些组成面可以构成一个个基本的曲面元素。然后通过这些面素的拼接就构成了所要的曲面。曲面建模克服了线框模型的许多缺点，能够完整地定义三维物体的表面，可以在屏幕上生成逼真的彩图像，可以消除隐藏线和隐藏面。但是曲面建模实际上采用的蒙面的方式构造零件的形体，因此很容易在零件建模中漏掉某个甚至某些面的处理，这就是常说的“丢面”。
实体建模是在计算机内部以实体描述客观事物，这样一方面可以提供试实体完整的信息，另一方面可以实现对可见边的判断，具有消隐功能。实体建模主要通过定义基本体素，利用体素的集合运算，或基本变形操作实现的，特点在于覆盖三维立体的表面与其实体同时生成。实体建模系统对物体的几何和拓扑信息的表达克服了线框建模存在二义性以及曲面建模容易丢失面的信息等缺陷。可以生成真实感的图像和进行干涉检查，特别是在机械有限元分析、机器人编程、五坐标铣削过程模拟、空间技术、运动学分析上成为不可缺少的工具。但它也有自身的局限性如：几何模型难以修改，不能适应产品开发的动态过程，只能详细的描述物体的几何信息和拓扑信息，但是缺乏明显的工程含义，产品设计中的一些非几何信息如定位基准、公差、表面粗糙度、加工和装配精度及材料信息等在几何建模中不能充分的描述。
特征建模是以实体造型为基础，用具有一定设计或加工功能的特征作为造型的基本单元建立零部件的几何模型。特征是一种综合概念，它作为“产品开发过程中各种信息的载体”除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度信息和刀具信息等。特征建模着眼于更好表达产品的完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征的引用直接体现设计意图，使得建立的产品模型容易为别人理解和组织生产，设计的图样更容易修改。它有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到各个后续环节并且及时得到后者的意见反馈。特征建模技术被誉为CAD/CAM发展的新里程碑，它的出现和发展为解决CAD/CAPP/CAM集成提供了理论基础和方法。
行为建模技术是比基于特征的参数化建模更为先进的一种实体建模技术。它在设计产品时，综合考虑所要求的功能行为、设计背景和几何图形。采用知识捕捉和迭代求解的智能化方法，使工程师可以面对不断变化的要求，追求高度创新的、能满足行为和完善性要求的设计。该技术具有高度集成、高度智能的特点，其强大功能主要体现在三个方面：①智能模型。能捕捉设计信息和过程信息以及定义一件产品所需要的各种工程规范。②目标驱动式设计。能优化每件产品的设计，以满足使用自适应过程特征从智能模型中捕捉的多个目标和需求变化，并可解决相互冲突的目标问题。③开放式可扩展环境。行为建模技术的第三大支柱，提供了无缝工程设计功能，能保证产品不会丢失设计意图。行为建模技术所创建的智能化产品模型具有关联、基于特征、参数化的特点，通用的再生机制又使得关联性贯穿于整个设计流程。
3.CAPP领域的人工智能技术
人工智能又名机器智能，发展至今，人工智能的研究经历了三个飞跃阶段：第一阶段是实现了问题的求解，即代替人完成部分逻辑推理工作，如机器定理的证明和专家系统的应用等；第二阶段是智能系统已经能够和环境进行交互，即从运行的环境中获取信息，代替人完成包括不确定性在内的部分思维工作，通过自身的动作，对环境施加影响，并适应环境的变化，如智能机器人等；第三阶段是智能系统具备了人类的认知和思维能力，即能够发现新的知识，去完成面临的任务，如基于数据挖掘的系统等。智能化是CAPP发展的一个趋势，CAPP的智能化，将人工智能(AI)技术应用到计算机辅助工艺设计系统开发中，
使CAPP系统在知识获取、知识推理等方面模拟人的思维方式，解决复杂的工艺规程设计问题，使其具有人类“智能”的特性即为智能化CAPP。工艺设计是一个典型的复杂工程问题，在很大程度上依赖于具体制造资源和设计者的经验和技巧，常常没有算法可循，因此人们就用人工的方法和技术来模拟人类求解复杂问题的思维方式和过程，从而解决人类专家才能处理的工艺问题，这样就导致了人工智能技术的产生并在CAPP中得到广泛应用。CAPP 专家系统是将人工智能技术应用于CAPP系统中所形成的智能系统，以“推理+知识”为特征，包括知识库和推理机。其中，知识库是由零件设计信息和表达工艺决策的规划集组成，而推理机是根据当前事实，通过激活知识库的规则集，而得到工艺设计结果。专家系统采用独立的知识库，知识的扩充和修改与程序无关，可以灵活和
有效地处理工艺决策和领域专家知识，使得CAPP系统可以灵活地适应各种具体场合，扩充功能。除此之外，人工智能在CAPP中应用主要还有有人工神经网络技术和遗传算法。人工神经网络是按照生物神经系统原理处理真实世界的客观事物，它由大量的简单的非线性处理单元高度并联而成，具有信息的分布式存储、并行处理、自组织和自学习及联想记忆等特性；而遗传算法是模拟达尔文遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。在实际应用中，往往将多种智能技术相互结合，综合运用，发挥各自的特长，如人工神经网络具有知觉形象思维的特性，而模糊推理等具有逻辑思维的特性，将这些方法相互渗透和结合，可起到互补的作用，提高智能化水平。模糊技术、遗传算法、人工神经网络、基于实例的推理等技术在CAPP中的应用正受到人们越来越多的重视，它们与专家系统的有机结合，使得CAPP系统更具柔性，能处理更为复杂的工艺过程设计问题。
4.数控加工自动编程方法及过程
自动编程是一个使用计算机辅助编制数控加工程序的过程。编程人员根据零件的设计要求和现有工艺，利用自动编程软件生成刀位数据文件，再进行后置处理，生成加工程序，将加工程序输出至数控机床执行加工。自动编程可以分为语言输入方式、图形输入方式、语音输入方式和实物模型输入方式四种。
①语言数控自动编程
语言数控自动编程是指零件加工的几何尺寸、工艺参数、切削用量及辅助要求等原始信息用数控语言编写成源程序后，输入到计算机中，再由计算机通过语言自动编程系统进一步处理后得到零件加工程序。在语言式数控自动编程中，操作者承担的工作主要就是用数控语言编写零件源程序。数控语言是由一些基本符号、字母、词汇以及数字组成，并有一定的语法要求，它是自动编程系统的一部分，所以不同的自动编程系统，其数控语言是各不相同的。
②图形交互自动编程
图形交互自动编程是计算机配备了图形终端和必要的软件后进行编程的一种方法。图形终端由鼠标器，显示屏和键盘组成，它既是输入设备，又是输出设备，利用它能实现人与计算机的“实时对话”，发现错误能及时修改。编程时，可在终端屏幕上显示出所要加工的零件图形，用户可利用键盘和鼠标器交互确定进给路线和
切削用量，计算机便可按预先存储的图形自动编程系统计算刀具轨迹，自动编制出零件的加工程序。图形交互自动编程方法简化了编程过程，减少编程差错，缩短编程时间，降低编程费用，是一种很有发展前途的编程方法。
③语音提示自动编程
语音数控自动编程是利用人的声音作为输入信息，并与计算机和显示器直接对话，令计算机编出加工程序的一种方法。用语音自动编程的主要优点是：便于操作，未经训练的人员也可使用语音编程系统，可免打字错误，编程速度快，编程效率高。
④数字化仪自动编程
数字化仪自动编程适用于有模型或实物而无尺寸的零件加工的程序编制，因此也称为实物编程。这种编程方法应具有一台坐标测量机或装有探针，具有相应扫描软件的数控机床，对模型或实物进行扫描。由计算机将所测数据进行处理，最后控制输出设备，输出零件加工程序。
当前许多三维设计软件都具有数控加工自动编程功能，以CATIA为例其自动编程的过程大致如下所示：
(1)创建加工模型（包括被加工零件的几何模型和毛坯零件的几何模型）。
(2)加工工艺分析及规划。
(3)零件操作定义（包括选择加工机床、设置夹具、创建加工坐标系和定义零件等）。
(4)设置加工参数（包括几何参数、刀具参数、进给率以及刀具路径参数等）。
(5)生成数控加工刀具路径。
(6)检验数控加工刀具路径。
(7)利用后处理器生成数控程序。
5.计算机集成制造系统的组成和工作过程
CIMS即计算机集成制造系统，是通过计算机硬件和软件，并综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理三要素及其信息流与物料流有机集成并优化运行的复杂的大系统。它将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（包括市场预测、产品设计、加工制造、检验、销售及售后服务等）的各
个阶段。通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人、经营和技术三要素的集成，以降低产品的开发周期和成本，提升产品的质量和服务，从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。
从功能层方面分析，CIMS大致可以分为六层：生产/制造系统，硬事务处理系
图1流程CIMS体系结构图
统，技术设计系统，软事务处理系统，信息服务系统，决策管理系统。从生产工艺方面分，CIMS可大致分为离散型制造系统、连续性制造系统和混合型制造系统三种，其中连续性CIMS也称为流程CIMS。流程CIMS是一种在自动化技术、信息技术、计算机技术和各种生产技术的基础上，通过计算机网络和数据库将工厂全部生产经营活动所需的信息集成起来，集控制、调度、管理、经营、决策于一体，形成一个适应生产环境不确定性和市场需求多变性的总体最优的高质量、高效益、高柔性的智

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