二、技术信息分系统

技术信息分系统由计算机辅助设计、计算机辅助工艺规程编制和数控程序编制等功能组成。

（一）计算机辅助设计（CAD）。

CAD 的概念是美国生产、管理专家罗斯（T.Roos）于 1957 年在开发数控系统时首先提出的。三十多年来，由于计算机技术的发展，特别是图形学、图形显示器、二维、三维图形系统和图形数据库的发展，使 CAD 的应用逐步扩展。目前 CAD 是 CIMS 各组成部分中研究最深入、应用最广、发展最快的部分之一。

CAD 是一个综合的概念，它表示在产品设计和开发时，直接或间接使用计算机活动的总和。

CAD 子系统的主要任务有：几何建模、工程分析、设计审查与评价、自动绘图、优化设计、生成零件清单等方面，现分述如下：

几何建模。是把物体的几何形状转换为适合于计算机处理的数学描述形式的过程。在几何建模中，为了表示物体可以用几种不同的方法，其中最基本的方法是用线框表示物体，即用相互联系的线来表示物体，线框几何模

型有三种形式：

二维（2D）表示法。用以描述平面物体。
简单形式的三维（2 式的三维模型。

D）表示法。由二维轮廓线延伸成为简单形

三维（3D）表示法。用以描述完整的复杂形状的三维模型。

线框模型主要优点是输入信息量小、运算简单，由于它仅给出线条的信息，不具有面的概念，因此只适于表示绘图信息。尤其在描述二维目标方面十分理想，如工程图的绘制；生产平板零件的数控数据的生成；面积、周长、直径及其他简单几何参数计算等，用线框建模都十分方便。

由于二维线框图不是一个实体，因此无法将它剖切开来表示物体的内部结构。同时，线框图有时并不能唯一地确定形体，于是发展了三维实体建模方法。它是用称为体素的元素来构成物体的实体几何形状。近十年来，三维实体建模得到迅速发展，形成了一套完整的建模理论与方法。实体建模的目的是为设计、分析及生产功能的自动化提供基础，如实体图形显示、质量性质计算、有限元网格的生成、数控刀具轨迹的生成与检测、零件分类等，都以实体建模为基础。

工程分析。几乎所有工程项目，在设计过程中都应进行分析，这些分析包括结构分析中的应力—应变计算；热传导计算；质量特性分析等等。许多分析计算可由计算机通用程序或专用程序来完成。

质量特性分析是计算机辅助设计系统应用范围最广的分析功能，它提供被分析物体的表面积、重量、体积、重心与转动惯量等特性。对于一个平面

（如物体的横截面）可计算周长、面积或截面惯性矩等特性。

计算机辅助设计系统最常用的分析方法为有限元法，它是将物体分成许多有限单元（常为矩形或三角形），这些单元形成由节点相连结的网格，使用计算机能很快地计算出每一个节点上的应力一应变值、热传导及其他特性。通过确定系统中所有节点相互连接的特性，就可对整个物体性能进行估价。有些 CAD 系统对于给定的物体，可自动地确定节点与网格结构，用户可以对有限元模型确定一些参数，CAD 就能进行计算，有限元分析的结果用图像形式显示在屏幕上。用户可以人一机交互方式修改图形，由计算机进行分析，直到获得满意结果为止。

设计的审查与评价。CAD

可辅助设计审查、修改与评价，在图像终端上可以很方便地检查设计的精度，对图像密集部分可局部放大，进行详细分析。设计审查常使用分层方法，分阶段地检查零件设计过程中的每一步骤，并采用干涉检查的方法，分析装配结构中是否有不同的零件占有同一空间位置，有些 CAD 系统还有运动学分析程序，它可以对已设计好的机构，如铰接元件与连杆机构进行运动分析，这种分析能使设计者观察到机构的运动，并保证与其他构件不发生干涉。
自动绘图。自动绘图过程是直接从 CAD

数据库取得信息，产生。拷贝工程图。一些 CAD 系统的绘图功能包括：自动标定尺寸；产生剖面区；图形的放大或缩小；剖视及局部放大视图的能力，使零件旋转或这行其他方式的图形变换，如斜视、轴测图或透视图等。
设计的优化。调用存放于 CAD

中的方法库，边设计、边计算设计方案的经济效益和成本，对各种方案进行比较，从中选出最佳方案。
生成零件清单。自动生成构成产品或部件的零件清单（单层零件清单）。

CAD 工作流程如图 5—6 所示。CAD 的应用对缩短设计周期、提高设计质量和产品质量、降低生产成本有重要意义。

	Y
绘图、编写说明书

	产品试制

	Y
设计结束

图 5-6 CAD 工作流程

CAD 中所涉及的技术信息可分为两类：（1）与设计工作直接有关的信息。具有经过数值模型化的设计对象的形象属性以及精度、材料等特征，称为直接数据；（2）与设计间接有关的信息。主要有文献、图纸和实验数据等，称为间接数据。

直接数据是每个设计对象的固有信息，在 CAD 所有应用程序中，都要使用这些信息。同时，它们在设计完成后要提供给 CAPP、CAM 应用。由于设计对象的形象属性数据结构复杂、数据量大、形式多样，在设计过程中要不断修改、动态性强，因此，对于这类数据的管理，是 CAD 研究的主要课题之一。

（二）计算机辅助工艺规程编制（CAPP）。

CAPP 根据 CAD 系统的设计结果，产生用于指导零部件制造与装配的技术信息，即编制零部件加工工艺卡与装配工艺卡。

零部件加工工艺卡中，包括零部件制造工艺流程、工艺参数、所需工卡量具、材料名称、规格和牌号、加工工位号、机床型号、加工工时等信息。装配工艺卡中包括装配用零部件清单、装配过程、装配工具、工时定额等信息。

图 5—7 表示 CAPP 的工作过程。由图 5—7 可见，编制工艺卡的方法可分为两类：

重新编制工艺

图 5-7 CAPP 工作过程

重新编制工艺卡（又称创成法）。
参考类似零件的工艺卡，稍加修改后得到新工艺卡（又称样件法）。编制过程中，可以从

CAD 直接数据中获得零部件形状信息、毛坯尺寸，

以及零件清单等信息；从基本技术数据中获得工艺、工时、定额方面的信息作为编制的依据。

CAPP 将传统的、主要由人工完成的、比较枯燥单调的编制工艺为计算机所取代，不仅节省人力，而且对提高工艺规程编制的水平，从而保证产品质量有重要意义。近年来出现的 CAPP 专家系统，将有经验的工艺人员编制工艺规程的专门知识存入知识库中。专家系统具有综合人类专家知识的功能，利用 CAPP 专家系统编制的工艺规程，比单个工艺员、专家编制的工艺要好得多。专家系统的知识库可以随着人类知识的扩展而不断扩充、不断完善，使得编制工艺规程水平不断提高。开发 CAPP 专家系统，可以摆脱编制工艺规程中对个别专家、技术人员的依赖，保证产生高质量的工艺规程，是一件很有发展前途的工作。据报导，目前国外已开发出一些具有实用性的 CAPP 专家系

统，许多研究工作正在进行之中。

（三）数控程序编制（NCP）。数控零件编程，就是从分析零件图开始，分析确定零件在数控机床上加工的全部动作及其顺序、位移数据、所用刀具及加工工艺参数，计算刀具轨迹，直到将这些信息转换成数控机床程序或数控加工纸带为止的全部过程。

数控机床正式用于生产以后，为了摆脱手工编写数控加工程序的落后状态，在 50 年代就开始了数控自动编程工具（Automatically Programmed Tools，APT）软件的研究。1956—1958 年完成了 APT Ⅰ；1962 年发表了 APT Ⅲ；1980 年发展到 APTⅣ/SS。随着版本的提高，功能逐渐增强，APTⅣ/SS 已具有定义和加工复杂曲面的编程功能。

使用 APT 零件数控编程的过程如图 5—8 所示。在分析零件图和制订零件数控加工方案后，用 APT 写出源程序输入计算机。经过前处理，即将源程序翻译成可执行的计算机指令，经数学运算，求出刀具位置的坐标数据，再经过后处理，将刀具位置坐标数据转换成数控加工程序，最后输出数控加工纸带。

图 5-8 APT 零件数控编程过程

以 APT 为代表的许多自动编程系统有较强的几何定义功能，对各种几何图形能进行处理，并配有后置处理软件，可编制出适用于多种系统的多坐标联动控制的数控加工程序，因此，它们对促进数控技术的利用，起到重要作用。

由于 APT 的发展背景较早，设计思想是批处理的，并没有与 CAD 紧密联系在一起。因此，APT 编程有两个主要缺陷：（1）零件信息要由程序员用语言描述，CAD 的设计信息不能直接传递给制造部门；（2）其加工工艺、刀具轨迹、切削用量等都必须事先由人制订出来，再根据加工顺序和几何图形，按固定格式书写成源程序输进计算机自动编程系统，生成数控加工程序。不仅效率低，对技术人员依赖性强，同时，技术人员无法直观地见到所定义的零件和刀具轨迹，只能靠抽象思维描述零件及刀具运动，出错概率高。据统计由 APT 编制的程序平均需经过 4 次试切、修正后，才能得到合格的程序。针对 APT 存在的问题，70 年代开始出现了图像仪辅助编制数控加工程序

（简称图像编程）技术。它是采用人机交互功能的图像仪，在相应软件支持下，编程员先调取被加工零件图形，并显示在计算机屏幕上，然后发出编程命令，给出需要的工艺参数，就能编制出零件的数控加工程序的编程技术。采用图像编程，用户不需编写任何源程序，当然也就省去调试源程序的繁杂工作，提高了编程速度。由于零件图形直接由设计传递给工艺，减少了出错环节；同时零件图形与刀具轨迹均显示在屏幕上，可直观、形象地模拟加工状况，出错易及时纠正，可靠性得到提高。平均试切次数可降低到 1.8 次。

图像编程基本解决了 APT 存在的问题，在 CIMS 中，将取代 APT 成为主要的CNP 方法。

图像编程的大体步骤为：

调取零件图形显示在屏幕上。
确定加工定位基准面。
给定刀具起点，即“指点”某工艺孔，软件以此孔中心坐标作为起刀点。
给出下刀点，即“指点”屏上某一合适点，软件取此点坐标作为下刀点。
按工艺要求逐个“指点”被加工图形元素，软件自动算出刀具轨迹，

并立即显示出代表刀具的图和运动轨迹线。
“指点”出退刀点，刀具在该点抬刀，并返回起刀点，加工结束。对于简单的封闭连续轮廓的加工，则可不必由编程人员逐个“指点”组

成轮廓的各图形元素，软件自动查找后可以完成全部刀具轨迹的计算及显示工作。

软件把计算所得的全部刀位点信息保存在一个刀位文件中，再接后置处理程序就可输出加工程序单及数控机床加工控制带，从而完成自动编程工作。