计算机辅助制造习题作业

答：在系统中，图形处理、产品造型、文档生成、人工智能和工程分析等工作都有大量的数据处理工作，称为工程数据库（EDB），它与一般的数据库有所不同。 工程数据库的主要特点为：

（1）工程数据类型和数据间的联系均比较复杂，所要处理的数据大多与产品设计和制造有关。

（2）工程数据经常是一些动态数据，数据模式和数据间的联系需要动态修改。

（3）要能支持对不同版本数据库产品的管理。 支持工程应用的数据库管理系统应有以下一些功能：

（1）能描述复杂的数据类型和结构，能动态的定义和修改数据模式。 （2）有严格的约束管理功能，保证数模结构的一致性；能有效的管理多卷数据，提供数据共享；有灵活的数据管理能力，支持工程设计中的长事物处理；具有版本管理机制。

（3）具有客户之间的交互通信服务功能和有效地存储管理机制，可快速访问和提取数据。

（4）提供功能完备的数据库程序设计语言和好友的交互式图形界面。

（5）有良好的集成性、可扩展性和兼容性。 （6）支持多个工程应用程序 （7）支持动态模式的修改和扩充 （8）支持反复的试探性设计 （9）支持在数据库中嵌入语义信息 （10）支持存储和管理各种设计结果版本 （11）支持复杂的抽象层次表示 工程数据库的应用：

新一代数据库系统，它会在CAD/CAM,CIM,CASE,OIS(办公信息系统),GIS(地理信息系统)、知识库系统、实时系统等这些新的数据库

应用领域大大发展，如它给人们的生活、经济带来的影响是深远无比的，它自身的市场潜力也将是潜力无限的。从小型单项事务处理系统到大型信息系统，从联机事务处理到联机分析处理，从传统的企业管理到计算机辅助设计与制造、计算机集成制造系统、办公信息系统、地理信息系统等，都离不开数据库管理系统。数据库的应用已经渗透到各个领域，在信息时代的今天，面对信息爆炸式的增长以及计算机技术的飞速发展，我们已经离不开数据库技术。

参考文献:

[1] 邵新宇，蔡丽彤.工程数据库的特点 [M].北京：机械工业出版社，2004，10.

[2] 王先逵 计算机辅助制造 北京：清华大学出版社，2008.12

6-16 试述德国OPITZ零件分类编码系统的结构和特点。

答：OPITZ零件分类编码系统是在20世纪60年代初由当时联邦德国Achen工业大学H.Opitz教授领导的机床和生产工程实验室开发的，是一个典型的有参考意义的系统，在组成技术中受到广泛应用。 （1）系统结构

OPITZ零件分类编码系统是一个十进制9位代码的组合结构系统。其横向分类环节分为主码和辅助码，主码为5位，主要用来描述零件的基本形状要素。

其中，第1位为零件类别码，将零件分为回转体类类零件和非回转体类零件两大类；第2-5位是描述零件的形状细节，按外部形状→

内部形状→平面加工→辅助孔、齿形和成型加工的顺序描述。 （2）系统特点

结构较简单，横向分类环节数适中，便于记忆和分类。 主码虽主要用来描述零件的基本形状要素，但实际上隐含着工艺信息。

纵向分类环节的信息排列中，有些采用了选择排列法，结构上欠严密，易出现多义性。

④通过辅助码考虑了工艺信息的描述，虽粗糙一些，但却是一个进步。

⑤与VUOSO系统相比，该系统所描述的信息要详尽的多，因此应用广泛。

参考文献

[1] 王先逵 计算机辅助制造 北京：清华大学出版社，2008.12

8-1试述计算机辅助工艺过程设计（CAPP）的含义和意义。

答：（1）CAPP的含义：

计算机辅助工艺过程设计（computer aided process planning，CAPP）是计算机辅助加工工艺过程设计的简称。

CAPP（computer aided process planning,计算机辅助工艺过程设计）的作用是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，把毛坯加工成工程图纸上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。

计算机辅助工艺过程设计也常被译为计算机辅助工艺规划。国际生产工程研究会（CIRP）提出了计算机辅助规划(CAP-computer aided planning)、计算机自动工艺过程设计 (CAPP-computer automated process planning)等名称，CAPP一词强调了工艺过程自动设计。实际上国外常用的一些，如制造规划(manufacturing planning)、材料处理(material processing)、工艺工程(process engineering)以及加工路线安排(machine routing)等在很大程度上都是指工艺过程设计。

计算机辅助工艺规划属于工程分析与设计范畴，是重要的生产准备工作之一。 由于计算机集成制造系统(CIMS-computer integrated manufacturing system)的出现，计算机辅助工艺规划上与计算机辅助设计 (CAD-computer aided design)相接，下与计算机辅助制造（CAM-computer aided manufacturing）相连，是连接设计与制造之间的桥梁，设计信息只能通过工艺设计才能生成制造信息，设计只能通过工艺设计才能与制造实现功能和信息的集成。由此可见CAPP在实现生产自动化中的重要地位。 （2）CAPP的意义：

①代替工艺工程师的繁重劳动

CAPP可以代替大量的工艺工程师繁重的重复劳动，利用人工智能，如专家系统等，减少工艺过程设计上所需要的某些人工决策，降低对工艺人员技能的要求。 ②提高工艺过程设计质量

CAPP可以编制出一致性好、精确的工艺过程。在人工编制工艺过程时，由于受到个人经历和知识的，在同样生产条件下，可能会编制出不同的工艺过程，影响了生产组织工作。同时，计算机能按程序要求编制出详尽的工艺过程，精确性好，减少了人为因素的影响 ③缩短生产准备周期，提高生产率

人工设计工艺过程繁琐、费时、速度慢，不能适应多品种生产、

产品更新换代、市场变化等要求。一个产品的开发周期包括设计、生产准备、加工生产、报废处理等四大阶段，其中，生产准备阶段包括工艺过程设计、专用夹具、专用刀具、专用检具以及专用机床等的设计。人工设计工艺过程所需时间约占整个生产准备时间的40％.CAPP能大大缩短生产准备周期，从而缩短产品开发周期，提高对市场变化的响应速度和竞争能力。

④减少工艺过程设计费用及制造费用

一个先进的CAPP系统可以大大减少工艺工程师的劳动，缩短产品开发周期，提高生产率，减少在质品数量，使生产制造费用、产品成本大为缩减。

⑤在计算机集成制造系统中，CAPP是连接CAD与CAM的桥梁 （3）CAPP的发展阶段性：

1）基于自动化思想的专用型CAPP系统

专用型CAPP不但环境依赖性很强,而且对零件 类型也非常敏感,无法与制造系统的其它环节进行柔性接口,各专用系统不可重用,因此没能得到推广应用.

2）基于Word/Excel/AutoCAD及其它图形系统的填表型CAPP系统 针对CAPP的不确定性特点,填表型CAPP彻底放弃了工艺决策的自动化目标[7],是一种纯粹的人工填表操作方式.这类系统片面强调工艺设计的“所见即所得”,完全以文档为核心,忽视企业信息化中产品工艺数据的重要性,存在难以保证产品工艺数据准确性、一致性和进行工艺信息集成的致命问题.

3）基于结构化数据的框架/工具型CAPP系统

从信息系统开发角度,分析产品工艺文件中所涉及的数据/信息,建立结构化的数据模型,并以模型驱动进行工艺设计.一些企业开发的专用CAPP系统基本属于该类系统,如CAPPFramework,其思想是构造一个支持多种零件和相异生产环境的框架系统,并设计一些可以针对具体环境生成决策模型的工具,通过重组工具来组成实际的CAPP系统,这样的框架不仅难于做到真正支持多种零件和不同生产环境,

而且要求用户深入了解设计技术,才能利用“工具”构造出具体的CAPP系统,难以使产品实用化.

4）基于产品数据的综合智能化CAPP系统

即开发面向产品的CAPP系统,首先应是以产品工艺数据为核心的集工艺设计与信息管理为一体的交互式计算机应用系统,并逐步集成检索、修订、创成等多工艺决策混合技术及多人工智能技术,实现人机混合智能(Human2MachineHybridIntelligence)和人、技术与管理的集成,逐步和部分实现工艺设计与管理的自动化,从设计和管理等多方面提高工艺人员的工作效率,且在应用中不断积累工艺设计人员的经验.因此基于产品数据的CAPP系统应是以交互式为基础,以知识库为核心,并采用检索、修订、创成等多工艺决策混合技术及多人工智能技术的综合智能化,从而形成基于知识库的智能化交互式CAPP框架.此类系统以产品数据库为核心,能够实现CAPP系统的通用性、柔性及实用性,是目前CAPP系统发展的理想模式.

参考文献：

[1] 吕琳.数字化制造技术国内外发展研究现状[J].现代零部件，2009（3）:76-79.

[2] 吕琳，胡海明.CAPP正在进化吗？[J].2009，22（1）:87-88.

[3] 杨海成，敬石开.CAPP的研究发展与应用实践[J].数字制造科学，2003,1（1_4）:39-51.

[4] 王先逵 计算机辅助制造 北京：清华大学出版社，2008.12

8-2试述CAPP的内容与步骤

答：（一）CAPP的内容：

由上图可知，过程为

⑴毛坯的选择及毛坯图的生成； ⑵定位基准与夹紧方案的选择； ⑶加工 方法的选择； ⑷加工顺序的安排；

⑸通用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备的选择； ⑹工艺参数的计算；

(7)专用机床、刀具、夹具、量具等工艺装备设计方案的提出；

⑻工艺文件的输出。 （二）CAPP的步骤： （1）输入产品图纸信息； （2）拟定工艺路线和工序内容； （3）确定加工设备和工艺装备； （4）计算工艺参数； （5）输出工艺文件

参考文献：

[1] 邵新宇，蔡丽彤.现代CAPP技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2004，10.

[2] 张振明，徐新，等.现代CAPP技术与应用[M].西安：西北工业大学出版社，2003.

[3] 吕琳.数字化制造技术国内外发展研究现状[J].现代零部件，2009（3）:76-79.

11-2 试述计算机辅助夹具设计过程。

答：从夹具设计的设计阶段来考虑，可以分为功能设计、结构

设计、结构分析、性能评价、家具图生成等阶段。在功能设计阶段，要考虑工件的定位方案、夹紧方案、对刀和刀具导向、夹具与机床的关系等功能是否满足加工要求。在结构设计阶段，要具体设计定位元件、夹紧元件和装置、对刀元件以及夹具体等总体结构。在结构分析阶段，主要进行一些必要的工程分析。例如，利用有限元法分析结构的刚度，夹具在进行夹紧时使工件产生的变形，在切削时由于切削力对定位、夹紧等的变形而造成的对加工精度的影响；又如，定位精度的分析、夹紧力的计算校核等。性能评价是指对夹具设计的技术经济分析。家具图生成是指输出夹具装配图、非标零件图和标准元件明细

表等。

下图为计算机辅助夹具设计的过程：

12-2 试述计算机集成质量系统信息流中各种信息的关系。

答：计算机集成质量系统的循环周期是从市场调查阶段开始到售

后服务阶段结束的。下图为计算机集成质量系统的信息流： 储运 售后服务 信息反馈 质量成本统 产品检验 产品检验计划 产品制造 工序控制计划 工序质量控制 CAQ 市场调查 质量功能展开 CAD CAPP 仿真 质量改进

在市场调查阶段，了解用户需求和竞争对手的情况，并以调查的结果作为设计阶段的输入信息。以此为基础，利用CAD技术设计出满足客户需求的产品，然后通过CAPP将设计信息转化为生产工艺计划。通过在线仿真系统对加工过程进行模拟，发现可能出现的问题并反馈给CAD/CAPP系统，进行修改设计，直到将所有设计以及工艺等方面的问题全部解决，以保证按工艺计划生产的产品能满足设计要求。 系统根据设计及工艺信息制定工序质量及产品质量监测计划，对产品的加工过程及加工质量进行质量控制，保证产品的质量。 产品售出后，通过售后的技术服务收集用户对产品质量的反映，并进行分析和归纳，同时统计产品质量控制的成品。这些信息有助于确定产品实际使用中用户意见和期望所反映的问题的性质范围，为改进设计和管理提供信息。 参考文献：

[1] 王先逵 计算机辅助制造 北京：清华大学出版社，2008.12

13-12 试述柔性制造的含义、特点、应用以及存在的问题。

答：（一）柔性制造系统的含义：

柔性制造系统一般由多台数控机床和加工中心组成，并有自动上下料装置、仓库和输送系统，在计算机及其软件的集中控制下，实现加工自动化。它具有高度柔性，是一种计算机直接控制的自动化可变加工系统。

（二）柔性制造系统的特点：

与传统的刚性自动线相比，柔性制造系统有下列突出的特点： （1）具有高度的柔性，能实现多种工艺要求不同的同族零件加工，实现自动更换工件、夹具、刀具及装夹，有很强的系统软件功能。成组技术与制造单元是进行柔性制造系统设计的基础，她按照成组的加工对象确定单元过程，选择相适应的数控加工设备和工件、工具等物

料的储运系统，并由计算机进行控制，故能自动调整并实现一定范围内多种工件的成批生产，并能及时的改变产品以满足市场需求。 （2）具有高度的自动化程度、稳定性和可靠性，能实现长时间的无人连续工作，提高产品质量的一致性。

（3）减少调整、准备终结等辅助时间，缩短生产周期，具有高生产率。

（4）兼有加工和部分生产管理功能，能及时安排零件的加工，实现及时生产，从而减少毛坯和在质品的库存量以及相应的流动资金占有量，提高设备的利用率，减少设备数量和厂房面积，综合提高生产效率。

（5）减少直接劳动力，可实现昼夜24小时连续无人生产，降低直接劳动费用，增加经济收益。 （三）柔性制造的应用：

柔性制造系统的应用范围很广，如下图。 大 批量 生产 专用机床 1000 中 100 柔性制造生产线 10000 自动线 生产率

少 小 10 柔性制造系统 柔性制造单元 柔性 10 通数用控机机床床 1000 多 100 中 零件品种数 图中，柔性制造单元、柔性制造线都属于柔性制造系统的范畴。柔性制造系统主要解决单件小批量生产的自动化，把高柔性、高质量、

高效率结合和统一起来，具有很强的生命力，是当前最有实效的生产手段，并逐渐向中大批多品种生产的自动化发展。柔性制造系统的工艺范畴正在不断扩大，可以包括毛坯制造、机械加工、装配和质量检验等。

1）柔性系统在加工回转类零件中的应用 （1)加工对象为轴、盘类零件．

（2)加工系统为以5台国产数控机床为基础模块(CNC车床2台，数控磨床1台，立式和卧式加工中心各1台)与4台搬运型工业机器人结合构成的加工单元。

（3)物流系统采用自动认址感应式无轨小车，机床前设有托板站，系统设有平面托板存储库。 （4)控制系统。

①管理系统(MAIN CPU)：总体管理和决策控制。由主计算机(CPU)通过光缆 与各单元、物流系统、控制机和自动编程机等联成控制网络。

②单元控制装置(CCU)：单元生产过程控制。 ③ 搬运控制和管理装置(MCU)：物流控制。 ④计算机数控(CNC)：切削加工控制。

⑤其他：中心孔清洗和工业监视电视系统等装置。 2）柔性系统在箱体加工中的应用 (1)加工对象为箱体类零件。

(2)加工系统是由3台立式数控机床和7台加工中心结合构成的加工单元。

(3)物流系统采用无轨导向小车自动完成零件的运送。 (4)控制系统。

①管理系统(MAIN CPU)：总体管理和决策控制． ②单元控制装置(CCU)：单元生产过程控制． ③搬运控制和管理装置(MCU)：物流控制． ④计算机数控(CNC)：切削加工控制．

⑤其他：托盘库和装卸站．零件的识别采用托盘库里托盘编码方式识读．在装卸站由人工完成零件装卸，采用无轨导向车自动完成零件的运送。零件加工切削由地下冷却液和切削系统集中处理，冷却液可循环利用。机床主轴和机床刀库之间自动换刀，机床刀库和外界换刀、测量和检验都是在每道工序加工完成后由人工进行。采用本系统后，获得的主要效益是提高机床利用率50％，缩短生产周期35％。提高了产品的质量，保证了产品质量的一致性[3]。 （四）存在的问题：

投资大、制造周期长、系统复杂，控制和管理难度大、其柔性在一定范围内，只能加工某一大类的零件。

参考文献：

[1] 柔性制造系统的关键技术及发展趋势 徐坤 黑龙江工程学工程训练中心 黑龙江哈尔滨150050

[2] 柔性制造系统及其应用 高 红 (沈阳工程学院机械工程系，沈阳 110136)

[3] 王先逵 计算机辅助制造 北京：清华大学出版社，2008.12

13-15 试述集成制造系统的概念、意义和存在的问题。

答：（一）CIMS的概念：

计算机集成制造系统是在自动化技术、信息技术和制造技术的基

础上，通过计算机及其软件，将制造工厂全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机的集成起来，成为适合于多品种、小批量生产的总体高效益、高柔性的智能制造系统。

CIMS又称计算机综合制造系统，它是在网络和数据库的支持下，由以CAD为核心的工程信息处理系统，以CAM为中心的加工、装配、检测、储运、监控自动化工艺系统和经营管理信息系统所组成的综合

体。

在CIMS的概念中应强调说明以下两点：

（1）在功能上，CIMS包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从市场预测、产品设计、加工工艺设计、制造、管理至售后服务的全部过程。因此CIMS比传统的工厂自动化的范围要大得多，是一个复杂的大系统，是工厂自动化的发展方向，也是未来制造工厂的模式。 （2）在集成上，CIMS涉及的自动化不是工厂各个环节的自动化的简单叠加，而是在计算机网络和分布式数据库支持下的有机集成。这种集成主要体现在以信息和功能为特征的技术集成，即信息集成和功能集成，以缩短产品开发周期、提高质量、降低成本。这种集成不仅是物质的集成，而且是人的集成。 (二）CIMS的意义：

CIMS是一种观念,一种哲理,它是生产发展的一定阶段的产物,在信息时代中,它是用信息集成方式来提高生产效益,使之符合不断变化的社会与市场需求的新方法.CIMS的概念和内容并不是一成不变的,它必须随着生产水平、生产方式的发展和人类社会的进步、信息技术的提高而在不断发展.

CIMS的研究必须不断更新,永远不会停止在一个水平上,就我国的情况来说,CIMS的目的是提升加工制造产业的现代化水平,适应不断变化的市场需求,增大经济效益和社会效益,以满足不断提高的日新月异的人民的生活需求.目前的各种CIMS方法、工具,只是适应目前的生产方式,是在人类加工业发展过程中的一个阶段.认为CIMS用处不大,或者认为CIMS完全可用,只要照搬世界上现存的软件方法就万事大吉的想法,都是片面的.CIMS的生命力就在于它必须与时俱进,必须不断地从日益变化的市场与日益更新的技术中得到发展.CIMS的定义,概念与内涵都不是一成不变的.展望未来,CIMS是我国加工制造业前进中不可缺少的观念,而它又必须不断地完善自己,特别在开放性与创新性方面继续开拓,才能真正起到促进企业发展,增强效益,为我国社会主义经济建设服务的目的。

（三）CIMS存在的问题：

1）在CIMS总体设计中存在的问题

在CIMS设计过程中，系统需求分析、初步设计和详细设计阶段均产生大量的文档资料。目前在CIMS开发过程中存在较严重的问题是： （1）CIMS分析和设计两个阶段脱节，形成“分析一堆纸，设计又一堆纸”的现象，分析成果未得到很好地利用，甚至是完全丢弃，设计阶段工作又从头开始。这不仅造成CIMS前期工作成果的极大浪费，更为重要的是，由于设计脱离分析结果，设计结果偏离实际需要，从而导致CIMS实施结果和预期目标之间的偏离。

（2）CIMS的一些规范要求过于繁琐，有的甚至是不需要的。为了应付评审，在设计过程中，有的敷衍了事，结果更助长了这种脱节。 （3）由于所用的设计方法本身存在弱点并缺少有效地工具支持，很难保证设计质量，工作效率低下，造成脱期。 2）CIMS应用工程的设计方法存在的问题分析

（1）IDEFO方法缺乏从分析向设计过度的完善机制，通常用IDEFO方法得到的分析结果不能很方便的过渡到实施，容易造成分析阶段创建的文档在实施阶段被抛弃，造成人力、物力资源的严重浪费。 （2）由于未建立IDEFO和IDEF1X之间的联系，使得IDEFO的分析结果不能在IDEF1X中得到很好的利用，分析设计人员用IDEF1X建立信息模型时只能凭经验和想象力进行，而抛弃了IDEFO的分析结果。同样造成了前期阶段工作的浪费，以及建模和实际需要的偏离。 （3）由于未建立IDEFO和IDEF1X之间的联系，使开发支持IDEFO和IDEF1X集成的CASE非常困难，因而需要分别建立功能模型和信息模型，而很少考虑它们之间的相互支持，从而容易形成脱节和多余的数据接口。

（4）IDEFO本身缺少从全局上对功能分解机制的宏观控制，使得在进行功能分解过程中随机的加上了各种条件，为了适应建模技术的要求，可能得到多于实际业务需求的建模结构。

（5）IDEF1X是基于分布方法建模的：①建立ER图；②定义主键和

外键；③向模型中加入非键属性。其目的是建立一个标准化的数据模型，结果使定义实体属性的工作一直推迟到建模的最后阶段，不仅推迟了对数据模型的属性的注意，还导致模型的随机性和不稳定性。 （6）IDEFO和IDEF1X都不能很好地描述系统的动态特性，导致CIMS分析和设计结果的片面性。

参考文献：

[1] 张训杰，童伟国.计算机集成制造系统发展现状的研究[J].装备制造技术，2007（11）

[2] 杨海成，敬石开.计算机集成制造系统的优点[J].数字制造科，2005,1（1_4）:39-51.

[3] 王先逵 计算机辅助制造 北京：清华大学出版社，2008.12 学