近年来，随着计算机、数控技术的迅猛发展，我国很多工厂、企业购置了数 控设备和柔性制造系统（FMS）。但是其中绝大多数仅作为某一类产品或某一 关键工序的加工设备，甚至仅加工一些简单的产品，没有充分发挥它们应有的作用。因此，如何把CAD、CAPP、CAM与FMS集成起来，就成为亟待解决的问题。"八五"期间，兵器工业第55研究所在这方面开展了研究工作，并开发出了CAD/CAPP/CAM/FMS一体化系统。目前，该系统已在FMS技术国防科技重点实验 室应用，运行良好。
一、系统开发环境及其主要特点
CAD/CAPP/CAM/FMS一体化系统框图如图1所示。该系统以I─DEAS为支撑软件，以机械零件的特征为基础，以SUN工作站为硬件平台，在Ethernet网络环境下实现集成。该系统包含CAD设计及特征标识子系统、CAPP子系统、CAM子系统、FMS集成管理子系统、检测信息提取子系统、工装设计子系统六个模块。该系统与以往的CAD/CAPP/CAM系统比较，具有以下特点：1.不仅能自动生成加工工艺规程和NC程序，还可以为FMS的计划、调度提供所需的信息，实现了CAD/CAPP/CAM与FMS的集成；2.在一次建立零件加工数据模型的前提下，可同时生成三坐标的测量程序；3.该系统建立了CAD/CAPP/CAM与FMS集成的网络环境，实现了各分系统的信息共享；4.在加工过程仿真过程中，可以及早发现刀具、夹具干涉情况，并对加工定位的合理性、工艺规划的工艺性以及零件设计的结构性、合理性等进行修改，而且能在产品设计的同时考虑工艺性（DFM），体现了并行工程的思想。
二、零件信息的描述
零件信息包括几何信息和加工工艺信息。合理描述的零件信息是实现CAD/ CAPP/CAM/FMS集成的基础。描述零件信息首先要合理完整，应使各模块间的信息既能共享，又冗余最小，并简化系统的设计。一般商品化的CAD/CAM软件（包括I─DEAS）具有相当强的CAD、CAM功能，零件的几何信息能按其内部格式传递给CAM，但并不包括加工工艺信息。本系统中零件信息包括从CAD系统内部提取的几何信息和交互输入的加工工艺信息，该信息模型贯穿产品的整个生命周期。
基于上述思想，本系统按机床加工方式将零件分解为若干个方位面，按每次加工的方位面将三维实体投影为二维图形，进行特征标识，匹配工艺参数，建立功能特征。本系统集成是针对棱体类零件设计的，加工设备为镗铣加工中心。棱体类零件的特点是形状复杂，根据成组技术的概念，将其特征分为以下几大类：孔特征、槽特征、面特征、轮廓特征、腔特征、组特征等。每一类特征又细化为若干具体的特征，如孔类特征包括通孔、沉头孔、锥孔、三台阶孔、螺纹孔等。每一种特征与具体加工方法相关联，体现了加工特征在制造和设计中的统一性。
三、工艺设计子系统
CAPP系统是在统一数据模型的基础上与CAD的特征标识系统集成，实现了CAD/CAPP/CAM的集成，解决了繁琐的信息输入问题。工艺决策过程可以完全在后台进行。利用UNIX操作系统本身的多任务机制进行系统运行的跟踪和管理，从而使操作者能够清晰地进行各项操作。CAPP系统采用C++语言编程，通过数据库或数据接口文件与CAD、CAM子系统集成。建立了特征工艺知识库、刀具库和切削用量库。
（一）产生式工艺决策逻辑系统
本系统根据人工智能专家系统的原理，建立了兵器零件的工艺决策逻辑系统，实现了决策系统的智能化和工具化。系统工艺决策过程是通过查询加工知识库、刀具库和切削用量库来实现的，面向特征确定加工方法，即根据特征查询该特征加工知识库中知识的条件部分并与所要加工的特征匹配，选出合适的加工方法；根据特征的几何参数和工艺参数从刀具库中选择合适的刀具；根据加工方法、工艺参数以及工件材料等条件确定合理的切削用量。这种方法不仅能得到优化的工艺决策结果，而且使程序结构简洁，减少冗余。nextpage
（二）用面向对象的方法实现工艺
采用面向对象方法的主要目标是通过增强软件的可扩充性和重复性，以改善程序员的软件生产活动和简化软件维护的复杂性。在工艺决策的实现中，本系统采用了面向对象的特征描述法，把零件分解为若干单一特征，从产品数据库中读取零件特征数据，对不同的特征引用不同的工艺决策逻辑，选择出不同特征的加工方法，机床、刀具、切削参数，最后根据一定的排序工艺决策逻辑，生成合理的工艺路线。
四、基于特征的CAM系统
FMS中使用的加工设备多为加工中心，但以往的数据编程系统都存在一个缺点，就是不能利用CAD、CAPP生成的零件几何信息和工艺信息直接转换成零件加工数 控代码，实现信息共享。商品化的CAM软件（包括I─DEAS）具有加工仿真功能，但是加工过程及加工参数的选择必须进行人工交互，对于加工较为复杂的零件，由于缺少CAPP环节，工艺路线的确定及加工参数的选择，很繁琐，交互输入的工作量很大且易出错。
本CAD/CAPP/CAM/FMS系统的集成是以商品化软件I─DEAS VI─i为支撑，它具有一般传统商品化CAD软件的CAM功能，本CAM子系统要解决的主要问题是在统一的产品数据模型下，建立CAD/CAPP与CAM的接口。这种接口应能读入CAD几何信息、控制点坐标、特征标识以及CAPP产生的加工方法、刀具参数、切削参数、定位方式等，并将上述信息综合、处理，形成CAM的内部指令程序，进行仿真检查，并可通过人机交互方式修改，最后经后置处理生成NC程序。这个过程实际上是特征模型的转换过程，实现设计阶段特征信息到制造阶段信息的映射。
CAPP是以面向对象的方法实现工艺决策，把零件按方位面分解为一个个特征，对不同的特征引用不同的工艺逻辑；选出不同的加工方法、刀具参数、切削参数，最后进行工艺编排。同一类特征由于公差等级、尺寸精度、表面光洁度等的不同导致其加工方法、刀具参数、切削参数的不同。如继续使用特征做为基本类就会产生一对多的关系，使特征模型具有多义性。
五、工装CAD系统
FMS是高生产率的自动化生产系统。在生产过程中，夹具对提高FMS利用率起 着重要的作用。传统的夹具设计方法存在设计周期长，夹具设计因人而异等缺 陷，无法满足现代生产的需要。提高工艺装备的设计水平，尤其是缩短夹具的 设计制造周期，是FMS技术应用研究的重要内容之一。长期以来，夹具设计自动 化的研究一直没有取得大的进展，原因是设计相关联的因素太多，如工件的几 何形状、形位公差、加工工序参数、机床参数以及夹具元件等。然而计算机 辅助夹具设计（CAFD）不仅可以提高效率，使夹具设计标准化、合理化，而且 对CAD/CAM集成是必不可少的，没有CAFD，NC加工过程的仿真不可能真正符合加 工情况。
本工装设计子系统利用I─DEAS软件的三维实体造型、装配、特征定义等模块，建立了组合夹具零件库。根据零件三维实体模型，进行夹具设计和组装。本子系统选用的组合夹具是机械部颁标准8mm系列，J45标准槽与组合夹具，该系列主要适合于中小型零件及仪表零件，已经实现了标准化、系列化生产。夹具CAD工作流程见图1夹具CAFD部分。
六、CAD/CAM与检测系统的集成
质量检测子系统采用自动检测装置，对零件进行检验，对产品进行试验。在FMS 中自动测量装置多采用CMM（Coordinate Measuring Machine─坐标测量机），但目前多采用人工在线示教方法为CMM编程，编程所占用的CMM时间约占总测量时间的75%～85%。这不仅是一种巨大的浪费，且无法满足CIMS、FMS在线测量与 质量控制的要求。CAIP作为质量检测子系统的重要部分，它在产品检验中，对 测量过程作出规划，确定CMM所用的测头和测量路线，测点点数及测点分布等， 并自动生成测量程序。
（一）检测特征识别及信息提取
CAIP子系统采用了在CAD、CAPP中建立的统一模型。自动识别检测特征后，由信息提取器分别提取：（1）检测信息，包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等；（2）被测形体的几何信息，包括几何形体的尺寸参数、位置参数以及零件总体信息等。
（二）测量特征相关性及测点规划
对一个零件的尺寸公差、形位公差的测量，首先要对组成零件形体的各个特征空间位置关系做出规划，并对各测量特征检测顺序进行优化，以选取最佳测量路径。
（三）数据格式转换与后置处理
CAIP产生的测量规划一般为符合DMIS标准的检测文件。对具体的CMM进行检测控制，还要经过后置处理，转换为CMM可接受的测量程序。在本子系统中，测量规划直接转换成该测量机（Brown Sharp)控制系统mm4的测量程序，由于该项研究还是初步，目前为止检测的特征种类还不完全。
七、CAD/CAPP/CAM与FMS的集成
CAD/CAPP/CAM与FMS的集成 主要是为车间控制器制定生产计划、优化调度、资料管理等提供所需的技术信息。
（一）技术信息管理
车间层控制器所需信息包括从CAD的几何信息、加工信息到CAPP的工艺规划、CAM产生的刀具文件、NC程序、CAFD的选定夹具及CAIP产生的检测程序，以及加工仿真中的零件加工时间等，很多技术信息是在子系统的推理过程中产生的，很难保留。而一个零件的每一次加工定位，每一个加工表面或每一个加工序列都对应一系列的特定加工技术信息，该子系统建立了集成技术信息跟踪记录管理机制，可将各个子系统中的分散信息集中记录，为车间调度提供依据。
（二）信息集成的网络环境
为实现CAD/CAPP/CAM与FMS的集成，本系统建立了异种机型构成的通讯网络，即以多台SUN工作站、HP工作站、PC机互联的Ethernet网，并开发了网络集成信息自动分类管理系统。CAD/CAPP/CAM/FMS集成系统由镗铣和车削两个加工单元组成。它处理的零件覆盖面广、程度复杂、实用性强。该系统已通过兵器工业总公司组织的鉴定，鉴定委员会认为本系统达到了国际先进水平。
