CIMS应用工程的实例.docx
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CIMS应用工程的实例
第5章其他一些CIMS应用工程的实例
5.1东风汽车公司CIMS应用工程
5.1.1概况
东风汽车公司（原中国第二汽车制造厂）是我国汽车行业的大型骨干企业，具有年产
20万辆汽车的生产能力。
汽车工业是我国的支柱产业，90年代以来国内汽车行业竞相迅速
发展。
东风汽车公司在日益激烈的市场竞争环境下，迫切需要应用CIMS技术，以保证快速、
高质量、低成本地推出满足市场需求的汽车新产品。
东风汽车公司“八五”规划的基本目标
是：
“扩大卡车优势，实现更新换代，上新水平；开创轿车新业，从高起点追赶，走向国际。
”东风汽车公司在其下属的技术中心和冲模厂开发应用CIMS单元技术，即在技术中心的
车身设计中采用CAD在冲模厂的车身覆盖件模具的设计制造采用CAD/CAPP/CAM以缩短车
身开发和生产准备时间，增强开发新车型的能力，提高产品质量。
只有这样，才能真正做到
“预研一代，开发一代，改进一代”，为实现东风汽车公司的“八五”目标创造条件，为企业的长远发展注入新的活力。
东风汽车公司技术中心是东风汽车公司下属的技术部门，其主要职能是全厂的产品开发、生产服务、配套零件的质量鉴定。
东风汽车公司冲模厂是东风汽车公司下属的一个专业分厂，目前是国内规模最大、设备最全，技术力量最雄厚的汽车模具专业厂。
东风汽车公司于1991年完成CIMS应用工程可行性论证，1992年完成初步设计，1994年完成详细设计与部分实施，1995年被批准为CIMS应用工程突破口项目，1996年4月通过CIMS主题专家组组织的二期工程验收。
5.1.2生产经营特点及对CIMS的需求
5.1.2.1生产经营特点
在汽车产品的开发中，车身设计和覆盖件模具的设计制造起着十分关键的作用，是影响
汽车产品更新换代的瓶颈环节。
传统的车身开发与覆盖件模具设计制造方法，存在着设计制
造周期长、质量难以保证和信息不能共享等问题。
东风汽车公司应用CIMS技术的目的，在
于将车身设计、模具设计与模具制造活动集成起来，建立汽车车身与覆盖件模具CAD/CAPP/CAI集成系统，以缩短产品开发和生产准备时间，提高产品质量。
车身设计和覆盖件模具设计制造中存在的问题归结为以下几个方面：
（1）车身设计中存在的问题
设计信息量大，复杂程度高，设计周期长；
CAD技术的应用面较窄；
设计分析和计算能力较差；
信息共享程度低。
（2）覆盖件模具设计中存在的问题
设计周期长，设计能力不足；
现行设计方法难以保证型面的设计制造精度；
现行设计方式阻碍了CAM的应用；
凭经验设计，结果难以预测。
（3）模具制造工艺设计中的问题
工艺设计效率低；
工艺质量不稳定；
成套模具的生产过程规划不尽合理。
（4）模具制造中存在的问题
制造周期长：
加工精度严重依赖于工艺模型；
模具型面的NC加工应用不普遍。
5.122对CIMS技术的需求
总体需求
（1）交流和合作
企业技术水平的提高和生产的发展，离不开与国外先进企业之间的交充和合作。
国际市
场的开拓，必须广泛与国外汽车厂商交往。
目前，国外先进的汽车生产厂家已广泛采用了CAD/CAPP/CA或CIMS技术。
如果东风汽车公司自身不具备相应条件和一定的技术水平，将很难开展国际间的技术交流和合作、合资生产和技术转让等。
东风汽车公司近年来通过提高产品质量、逐步提高了产品创汇能力，近五年来出口创汇
4475万美元，冲模厂先后为美国、日本的客商制造了五批四十多套中型模具。
随着企业的发展和市场的开拓，企业的产品将进一步走向国际市场。
要达到上述目标，必须采用计算机
集成制造技术，实现从产品设计到制造的计算机一体化，提高产品质量，降低产品的成本，缩短产品开发周期，增强产品在国际市场上的竞争能力。
另一方面，东风汽车公司为赢得国内市场，也必须进一步提高企业的整体素质和产品技
术水平，缩短与国际先进水平的差距，促进我国汽车工业的发展。
（2）对车身CAD的需求
东风汽车公司在引进CADAM等软件的基础上，已自行研制了一些CAD系统和有限元前后处理软件，将CAD技术初步应用于车身二维图纸绘制、外表央三维几何造型及线图绘制等方
面。
但是，在应用范围和水平上，都还不能满足产品更新换代和企业发展的需要。
为了逐步
设计开发自己的轿车产品，必须研制开发车身CAD系统，以缩短车身的设计开发周期，提高
车身设计能力。
通过在车身设计中应用CAD技术，提高分析和计算的能力，特别是完成结构分析、人体工程分析和机构运动分析等项工作，将提高设计方案的科学性和可靠性，优化设
计结果，减少样件试验次数，从而达到提高产品的设计和降低设计费用的目的。
实施CIMS应用工程前，车身设计、模具设计和模具制造各环节之间均采用二维图纸传递信息。
这种传递信处的方式难以保证模具形状与设计形状的一致性，而且各环节间也不能
实现信息共享，因此，只有在车身设计采用三维造型方法，定义统一的产品模型，才能实现
在各个环节上共享产品模型的信息，实现车身CAD与覆盖件模具CAD/CAPP/CAI的集成。
（3）对模具CAD勺需求
在实施CIMS应用工程前，东风汽车公司模具设计为手工完成，工作量大且缺少定量的设计准则，主要依靠设计者的经验，因此，设计能力低，并且模具设计结果不能提供模具CAM所需的模具型面的三维信息。
这种设计和制造的脱节，严重阻碍了CAM的采用，难以保
证零件设计形状和模具型面形状的一致性。
（4）对模具CAPP的需求
在实施CIMS应用工程前，是人工凭经验设计模具加工工艺，工作效率较低，工艺质量不能保证。
成套模具的生产规划靠人工安排，往往造成模具生产投入和管理上的忙乱。
导致
在制品积压，延长了成套模具的制造周期。
（5）对模具CAM的需求
制造高加工精度及加工效率。
5.1.3CIMS应用工程开发及实施
5.1.3.1CIMS应用工程的目标
（1）总目标
东风汽车公司CIMS应用工程从实际情况出发，以信息集成为核心，以解决企业的全局性关键问题为突破口应用CIMS技术。
在初步设计阶段，确定了“八五”期间的总目标是：
开发车身CAD子系统、覆盖件模具CADCAPF和CAM子系统，在计算机网络和数据库管理系统的支持下，实现车身与覆盖件模具CAD/CAPP/CAM系统的信息集成，实现各子系统的
数据交换和产品模型的共享。
系统建成后使东风汽车公司的车身开发和模具设计制造周期缩短。
（2）突破口目标
完善计算机支撑环境的建设；
完成车身CAD模具CADCAPF和CAM子系统，实现系统的集成；在车身设计和覆盖件模具设计制造实际应用中，取得显著的经济效益。
5.1.3.2CIMS应用工程总体结构
东风汽车公司车峰与覆盖件模具CAD/CAPP/CAM系统由4个应用子系统组成，即车身CAD模具CAD模具CAPF和模CAM子系统组成（图5-1）。
该系统包括了车身设计和覆盖件模具设计制造过程的主要功能。
车身与覆盖模具CAD/CAPP/CAM系统还包括一个集成支持环境子系统。
4个应用子系统
在网络和数据库子系统的支持下实现集成。
系统采用了多级以太网结构，以CHALLENGE网
络服务器。
在技术中心，网络系统将计算机科、技术科和加工车间联系起来，包括了模具CADCAPP和CAM子系统的设备。
技术中心和冲模厂之间可通过IBM4381仿真终端实现通讯
和数据传输。
（1）应用系统结构
（2）支撑系统结构
5.1.3.3车身CAD子系统
车身CAD子系统将CAD技术应用于车身设计过程，对现行的设计流程进行重新组织和合理安排。
新的设计流程的特点主要表现在：
a.在1：
5模型的制作和测量完成后，直接进行外表面和部分内饰件的3D造型；
b.从车身造型、结构布置到零件设计全过程，始终采用3D造型技术，由3D几何模型与
其他非几何信息构成产品定义模型；
c.加强了结构分析在设计过程中的作用，为设计方案的评价和修改提供了可靠的依据。
该子系统包括几何造型、总体布置、结构布置、性能分析和零件设计等主要功能模块。
车身CAD子系统的结构分为两个层次。
系统的上层为应用层，由五大功能模块组成，支撑层由CAD支撑软件和信息管理软件组成。
数据库系统对产品设计、结构分析、设计标准和法规等数据进行统一管理。
车身CAD子系统在SGI工作站上运行。
（1）目标
在现有CAD系统软件及支撑环境的基础上，自行开发造型与设计功能模块，初步建成与
车身设计有关的标准件库、汉字库、设计标准、法规库和设计分析计算软件包。
在上述工作
基础上，依据信息集成与共享的原则，实现主要功能模块的集成，建立起一个具有良好的开放性的CAD系统，支持CAD/CAPP/CAM!
成系统。
（2）子系统结构
车身CAD系统由基础层、技术支撑层和应用层组成，系统结构如下图5-4所示：
（3）车身CAD子系统中主要模块的工作方式及功能，如表5-1所示。
5.1.3.4模具CAD子系统
模具CAD子系统在车身覆盖件产品模型的基础上，完成覆盖件模具的设计，提供模具CAPP和CAM所需的模具产品模型。
模具CAD子系统以EUCLIDPRO/E和DUCT等软件为支撑软件，在SGI工作站上实现。
模具CAD子系统由冲压工艺设计、模具结构设计和成形分析与模拟等模块组成。
冲压工
艺设计模块完成工艺方案设计、工序设计、材料与工时定额制定和设备选择等项工作。
模具
结构设计模块包括结构方案设计、详细设计和模具图绘制等功能。
通过模具结构与零件的标
准化和建立图库，提高模具结构设计的效率，成形分析与模拟软件用以模拟覆盖件的冲压成形过程，分析工件变形，计算工艺力，预测成形缺陷，对冲压工艺设计和模具结构设计的结果进行验证。
冲压成形分析与模拟结果,身零件设计的信息反馈给车身
1.目标
在数据库和网络的支持下，利用引进的CAD软件，建立汽车覆盖件拉延模CAD系统，以
提高覆盖件拉延模的设计质量，缩短设计时间，支持车身CAD覆盖件模具CADCAPP和CAM
的集成。
同时，利用现有CAD软件及建立的图库、数据库，在模具设计中逐步采用CAD方法，使用具设计工作量的30%采用CAD方法完成。
2.结构
模具CAD子系统由冲压工艺设计，成形分析与模拟和模具结构设计三大模块组成。
其中,
冲压工艺设计和模具结构设计模块的是在SGI工作站上利用EUILID软件为基础实现的。
子
系统的结构如图5-5所示。
3.功能
（1）冲压工艺设计模块的功能
（2）模具结构设计模块的功能与结构
模具结构设计模块完成模具结构设计，主要包括拉延模结构设计和标准件图库二个部分，其结构如图5-7，图5-8所示。
（3）拉延件成形分析软件的功能与结构
拉延件成形分析模块完成汽车覆盖件成形过程的有限元模拟，提供拉延件成形过程中变
形和应力分布。
该分析软件采用动力显式有限元算法，避免了因非线性引入的迭代计算，具
有计算时间短、稳定性高等优点。
冲压工艺设计模块由四个部分组成，即工艺预处理、冲压方向确定、工艺补充部分设计
和特征曲线设计。
5.1.3.5模具CAPP子系统
建立基于成组技术，以派生法为主体的模具CAPP系统，提供CAM所需的信息，实现
CAD/CAPP/CA的集成。
模具CAPP子系统包括毛坯设计、加工工艺设计、材料定额的编制、二级工装设计和模具制造网络控制计划的制定等功能模块。
模具CAPP子系统在486和386微机上实现，利用AutoCAD为图形支撑软件。
成套模具投入制造的网络控制计划对组织模具制造的网络控制计划制定的功能，是CAPP功能的扩展，可满足冲模厂在这方面的需求，有利于CIMS单元技术应用与生产计划管
理的结合，此项功能可以按并行、串行和交叉投入制造方式制定网络控制计划。
（1）目标
利用成组技术、特征描述技术、网络技术和优化技术等，自行开发模具CAPP子系统。
在“八五”期间，实现变异式CAPP系统，完成拉延模的工艺设计，实现模具网络计划图的
绘图功能。
（2）结构
系统在结构上分为三个层次：
核心层、工具层和应用层。
核心层操作系统、数据库管理系统、网络软件、图形软件包等。
工具层该层将为用户提供开发工具，包括模具生产全过程的网络计划软件的开发工具、
模具工装设计图形软件的开发工具等。
应用层模具零件的CAPP等。
应用层CAPP的结构
如图5-10a，系统分解为五个部分：
毛坯设计、机加工工艺设计、材料定额、二级工装设计以及模具生产网络计划图设计。
（3）功能如图5-10b所示
5.1.3.6模具CAM子系统
模具CAM子系统包括工序设计、刀位文件和测头文件生成与仿真、后置处理和加工检验
功能。
模具CAM子系统利用EUCLID和DUCT等软件在SGI和SUN工作站上运行。
根据冲模厂的实际情况，有些外来加工模具，不需要设计模具，而是提供样件或三维扫描数据，为此该子系统加入了造型功能。
为了保证NC加工质量，实现加工过程中的质量控制，CAM子系统可生成测头文件和程
序，用于联机NC检验。
这是CAM功能的扩展，是整个模具制造过程质量保证体系的重要组成部分。
加工和检测过程的仿真功能可以及早发现和纠正NC程序的错误，有利于保证模具加工
CAM子系统的编程工作站通过网络与车间NC床相连，实现DNC
（1）目标
将现有的CAD/CAM软件一一DUCT系统及EUCLID系统用于实际生产中，使汽车车身外覆盖件的主要拉延模具实现NC加工。
加工质量符合设计要求。
对DUCT和EUCLID系统用于冲模制造过程中存在的问题，在现有软件和研究成果的基础
上作二次开发。
在分布式数据库支持下，实现冲模CAM子系统与CADCAPP子系统的信息集成。
（2）结构
模具CAM子系统的体系结构（图5-11所示）
（3）功能
1）数控编程
a）三维型面数控国工轨迹生成；
b）成形刀沿过渡面纵向生成加工轨迹；
c）球面刀沿圆弧过渡面纵向生成加工轨迹。
2）后置处理
a）刀具加工轨迹仿真；
b）将刀位文件转换为相应机床的数控程序。
3）工艺管理
a）建立数控编程任务单子数据库；
b）建立数控指导书子数据库；
1991年4月，郑州纺织机械厂列为863/CIMS单元技术应用工厂，1991年12月完成CIMS可行性论证，1992年7月完成CIMS初步设计，1995年2月通过CIMS主题专家组组织有CIMS应用工程（一期）的验收，1996年6月通过二期工程的验收。
5.2.2生产经营特点及对CIMS需求
1.生产经营特点
郑州纺织机械厂是一个典型的多品种，中小批量生产的机械制造企业。
各类产品的功能、作用与构成都不相同。
仅有部分产品如浆纱机、烘干机等系列和孪生型设计。
在几种大型产品中，才有一部分结构相似，功能相同的通用零部件。
近年来，由于改进设计、测绘设计以及与国外合作生产的产品项目较多，所以产品的系列化、标准化程度比较低。
多品种、中小批量生产造成了设计、工艺工作量大，工艺装备制造任务重，生产技术准备和生产制造周期长，生产过程和生产管理十分复杂，生产透明度低，难以实现高效率，低
成本与高质量的统一。
产品品种繁多，管理业务复杂，信息量大。
2.对CIMS技术的需求
（1）对CAD/CAPP/CA啲需求
郑州纺织机械厂目前采用的设计方法和手段，远远不能满足生产发展的需要，主要表现
为：
1设计周期长
由于设计手段落后，缺乏计算机和相应的现代设计技术，产品设计周期较长。
平均新产
品开发周期：
从调研初步设计到试制鉴定为22个月，到生产鉴定周期为31个月。
其中初步
设计、施工设计为8.5个月，占设计制造周期的38.5%。
若要使产品定型，需多次修改、多次反复，则设计周期更长。
2设计质量不够高
由于设计力量薄弱，设计、试验手段落后，设计工作主要依靠设计人员的知识和经验，采用类比和仿制的设计方法并通过手工绘图、描图来完成。
产品设计工作量大、技术性高，采用常规设计方法，设计水平和质量难以提高，且有不少差错，一般图纸在设计过程的修改率往往达20〜30%由于设计中主要依赖于经验和类比，缺乏工程分析和优化设计，这样设计出来的产品，难以适应新产品开发和市场竞争的需要。
工艺设计工作量大而集中，工艺设计的标准化程度低，从80年代开始，郑州纺织机械
厂在CADCAPPCAM方面做了一些工作，但它们相互间缺乏紧密的联系，尚未实现相互间数据的传输与共享，致使信息反馈不及时，冗余大，准确性差，不能充分发挥各系统的潜力。
（2）对MIS的需求
提高决策科学性
高效率管理
合理利用资源
提高产品质量
（3）对MAS的需求
1解决生产瓶颈
据产品零件制造的统计分析，约有10%勺零件属于工序长，精度高的关键零件，尤其是
大型结构件。
对其中的中、小批量墙板，箱体类结构件应用数控加工技术和柔性制造技术，对于大批量钣金件应采用数控专机生产线生产。
2推行成组技术
对于中、小批量的轴套类、齿轮类等零件，采用成组技术，通过计算机管理，实现物料自动化控制。
再适当补充数控机床来解决劳动强度大、效益低，质量难保证等老大难问题。
3改进钣金工艺
有的新产品90%A上的零件是用钢材来制造的。
许多零件经过冷作加工成形，焊接而成。
为保证成形精度高，表面质量好，需要采用钣金FMS技术和自动焊接技术。
5.2.3CIMS应用工程开发及实施
5.2.3.1总目标
以采用CIM技术支持郑州纺织机械厂的经营战略为基本出发点，根据企业2000年纺机
产品多品种，中小批量生产和出口创汇需求，针对生产薄弱环节，充分发挥信息技术的作用，
建立实用，可靠，具有明显经济效益的计算机辅助经营、管理、设计和制造的集成系统CIMS
使企业能迅速、及时、经济地提供优质纺机产品。
为此，要结合成组技术（GT的全面应用，
开发覆盖全厂的管理信息系统（MIS）,建立CAD/CAPP/CAM!
成系统，要建立经济高效的多
层次制造自动化系统（MIS），建立CAD/CAPP/CAM集成系统，要建立经济高效的多层次制造自动化系统（MAS。
所有这些分系统在实用、可靠、技术较先进的计算机网络和准分式数据
管理的统一环境下运行，以实现整个系统的信处集成。
523.2CIMS应用工程总体结构
郑州纺织机械厂CIMS由MIS（含CAQ、CAD/CAPP/CAMCAS三个应用系统和网络、数据库两个支撑系统组成。
5.2.3.3CAD/CAPP/CAM集成系统
1.目标
郑州纺织机械厂CAD/CAPP/CAMI成系统的目标是要在微机（包括工作站、超级微机等）CIMS环境下，在产品定义的基础上，实现覆盖加转体类、非回转体类和钣金类零件的CAD/CAPP/CAM集成，以提高设计与制造能力，缩短加工周期，提高及时供货能力，提高机床利用率和生产均衡率，缩短产品开发周期。
2.结构
郑州纺织机械厂CAD/CAPP/CAMI成系统，复盖产品CAD工装CADCAPPCAM等活动，为了便于充分利用现有资源，便于系统的扩展，系统的总体结构应为开放式的体系结构。
系统的总体结构图如5-12所示，该系统是在微机CIMS环境下，以工程数据库为核心，以统一的产品定义和设备环境定义为基础，以回转体、非回转体和钣金类零件为对象，在网
络、微机586、SGI工作站以及IDEASAutoCAD等的支持下，实现CAD/CAPP/CA啲集成。
系统中，除网络和数据库外，用统一的产品定义支持信息和功能的集成，并为数据的产生者
和使用者之间提供共享数据。
用设备环境定义为CAPF和CAM提供统一的设备及环境的结构化数据。
产品CAD设备环境定义、CAPP工装CADCAM子系统的结构如图5-13至图5-14所示。
3.各应用子系统结构
（1）产品CAD子系统结构
产品CAD系统主要用于产品、典型部件和零件的设计。
系统在微机、SGI工作站及其相
应的支撑软件的支持下，在产品定义的基础上，实现产品、典型部件和零件等的初步技术设
计、施工设计和工程分析，并通过图形、文件与检索系统，对图形和文件（表文件和技术文件）进行管理与检索。
（2）设备环境定义子系统结构
设备环境定义子系统分为信息获取，特征建模和数据交换三个功能模块。
信息获取模块
是在对郑纺机的各种加工设备的信息进行调查、分析的基础上进行预处理的过程。
该功能模
块还必须完成对设备的数据进行完备性和一致性检验，如存在不合理的或重新添加的数据，则必须进行调整和客理。
特征建模模块是设备环境定义的关键，它利用特征模型，并将特征
描述出来。
数据交换功能模块可满足设备环境定义子系统向其它各子系统提供数据的需要，它通过对特征模型中所描述的内容进行信息分解，并按标准的数据交换方式对数据初始化，然后通过映射处理将各子系统所需数据传递过去。
该子系统在微机上实现，并以数据库管理
系统作为支撑。
（3）CAPP子系统结构
整个系统分成装配CAPP和冷加工CAPP两大部分，以满足CAPP?
系统的功能需求。
冷加工CAPP按郑州纺织机械厂三类主要零件分为回转体零件CAPP非回转体零件CAPF和钣
金零件CAPP四个主要模块（典型工艺检索、工艺规程编制、工序图生成和刀位文件生成）用以完成冷加工工艺设计的主要工作。
其中对回转体零件，采用GT思相对零件进行分类编
码，通过对典型工艺的修订完成工艺设计，对非回转体零件，则按半创成原理构造
CAPP系统，实现箱体，墙板和支架类零件的工艺设计。
（4）工装CAD子系统结构
工装CAD子系统主要包括工装方案设计系统、工装参数设计系统、工装图形设计系统和
图形、文件管理系统。
在网络、微机及相应的软件支持下，以数据为核心，完成模具、刀具、量具的设计。
（5）CAM子系统结构
CAM子系统结构
a.NC程序自动生成
NC程序自动生成主要包括数据格式转换、工艺文件整理和NC程序生成三个模块。
数据格式转换是将生成NC程序所需信息如工艺规程，刀位文件按该子系统的要求转化为标准格式。
工艺文件整理是根据刀位文件对工艺文件进行综合处理，生成NC程序所需要
的切削路径文件，而NC程序生成模块则是根据切削路径规划和设备环境信息以生成NC程序
并提供刀具使用清单。
该系统主要需要CAPP的工艺规程和刀位文件以及设备定义的设备环境信息。
生成的NC
程序提供给NC程序检验仿真子系统和DNC或直接提供给NC机床、刀具清单则提供给技术准备室或加工机床。
NC程序自动生成系统的结构见图5-17。
b.NC程序检验和仿真
本系统目前包括NC程序编译和编辑、图形处理、干涉检查及图形仿真三个功能模块。
今后将由半自动的图形输入系统及自动编程取代前两个功能。
NC程序编译和编辑主要针对NC程序进行处理，使之成为计算机能识别的中间代码，不但为用户提供全屏幕编程NC程序的功能，同时能查出NC程序编制错误。
图形处理主要对刀、夹具、零件加工环境进行造型，为仿真提供图形工具。
干涉检查及图形仿真则能检查出刀具与夹具的碰撞、刀具与工件的干涉以及过切等错误。
系统能以动态图形显示出数控加工的全
过程。
本系统处理的NC程序来自动生成系统，图形主要来自CAD工艺信息部分来自CAD其它部分业自CAP
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