CADCAM应用技术13.docx

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CADCAM应用技术13

CAD/CAM应用技术

1.引言

当今的机械制造业已不是传统意义上的机械加工，而是集机械"电子"光学"信息"材料"生物"能源"管理等学科的最新成就为一体的新技术综合体系，世界各国的经济竞争，也主要体现在先进制造技术的竞争上，先进制造技术的发展已成为当代国际间科技竞争的重点!

在这种新形势下，我国机械制造业面临着巨大的挑战和机遇，机械制造中综合应用的CAD/CAM技术，曾为制造业提供了强有力的技术支持，它的应用现状及发展趋势必将对我国的机械制造业产生深远的影响!

2.CAD/CAM发展历程

1946年，美国麻省理工学院（MIT）研制成功世界上第一台电子计算机，他的高运算能力和大容量的信息存储能力，使得很多数值分析方法能在计算机上完成。

之后，人们不断将计算机引入设计制造领域。

1952年，世界第一台数控机床在美国MIT试制成功，通过改变数控程序就可实现对不同零件的加工。

之后，MIT研制开发了APT自动编程语言，通过描述走刀轨迹的方法来实现计算机辅助数控编程。

在次基础上人们联想到，能否不描述走刀轨迹，而通过直接描述零件本身来实现数控编程？

这就是CAD的最初概念。

人们设想如何通过直接自动运行各个程序来实现计算机辅助设计过程，并能由此解决不同复杂程度的生产计算问题的各个过程。

此间CAD处于准备孕育阶段，因整个20世纪50年代电子计算机仍处于电子管时代，计算机主要用于科学计算，且使用的是计算机语言编程，图形设计仅具有输出功能。

1963年，美国MIT学者I.E.Sutherland有关人机对话图形通信系统的论文问世，研制成功了世界上第一套实时交互功能的二维SKETCHPAD系统。

该系统允许设计者操作光笔和键盘，在荧光屏上显示图形，实现人机交互作业。

这项成果标志着CAD技术的诞生，为以后CAD技术的发展提供了基本条件和理论基础。

此后陆续出现了许多商品化的CAD系统与设备：

美国IBM公司开发了以大型机为基础的CAD/CAM系统，具有绘图，数控编程和强度分析功能；通用汽车公司为实现各个阶段的汽车设计，研制了CAD-1系统；洛克西德公司出台了CADCAM系统等。

1966年又出现了采用通用计算机直接控制多台数控机床的DNC系统。

1978年前后，CAD/CAM技术发展趋于成熟。

伴随计算机硬件的发展，以小型机，微型机为主机的CAD系统逐渐引入市场。

为了适应设计与加工的要求，三维几何处理技术应运而生，出现了面向中小企业的CAD/CAM商品化软件系统。

英国莫林公司研制的由计算机集中控制的自动化制造系统，包含6台加工中心和一条自动运输线，可进行连续作业，并可用计算机编制NC程序，作业计划，统计报表等；美国辛辛那提公司成功地研制了一条FMS柔性制造系统。

1980年以后，CAD/CAM技术进入迅速发展期。

计算机外围设备已逐渐成为系列产品，超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度下降。

相应的软件技术（如优化设计，有限元设计，数据库技术等）迅速提升，出现了很多商品化软件，推动了CAD/CAM技术的应用和推广，并使其他发达国家向发展中国家发展，从大型企业向中小型企业发展，从军用产品设计向工程产品设计发展，他还使一些与制造过程密切相关的计算机辅助技术得以发展，如计算机辅助工艺规程（CAPP），计算机辅助工装与夹具设计，计算机辅助质量控制（CAQ）等。

1990年以后，CAD/CAM技术一改过去的单一功能，单一领域，单一内容的运行模式，转向集成化，智能化，标准化的方向发展。

系统的继承，是为了实现资源共享，实现产品生产与组织管理的高度自动化，提高产品的市场竞争能力，缩短产品研发周期，加速新产品对市场需求的响应。

为此，国际标准化组织及一些工业发达国家都在从事标准接口的开发；同时，面向对象技术，并行工程思想，人工智能技术，计算机集成制造系统，快速成型技术，敏捷制造技术的研究，又极大地推进了CAD/CAM技术更高水平的发展。

3.我国CAD/CAM发展情况

在我国的制造业，二维CAD市场仍占相当大的使用份额，而二维绘图软件中，Autodesk公司的AutoCAD无疑仍然是龙头老大，它以极高的精度"完善的图形绘制功能方便的二次开发"较强的数据交换能力"良好的用户界面"多操作平台以及极为强大的Internet功能占据着很大的市场份额!

国产二维CAD发展至今已有20年的历程，在这20年风风雨雨的发展过程中，CAD行业由原来的几十家到现在所剩知名品牌不超过5家.而随着中国政府对知识产权的管理力度逐渐加大，企业对正版化的意识逐渐加强，推动了国内二维CAD市场的蓬勃发展，在2007年中迎来了二维CAD市场发展的第三次浪潮.

4.CAD/CAM软件

在机械制造业流行的三维软件主要有如下几种：

（1）UG：

是由美国麦到公司的产品，是由美国通用汽车公司EDS分部的独立子公司UnigraphicSolutions开发的，集CAD/CAM/CAE于一体的机械工程辅助系统，适用于航空"航天"汽车"通用机械及模具等的设计"分析及制造工程.是将优越的参数化和变量化技术与传统的实体"线框"表面功能结合在一起，还提供了二次开发工具GIRP、UFUNG、ITK，允许用户扩展UG的功能.

（2）Pro/e：

它是美国参数技术公司（PTC）1998年的产品，是世界上最大的三维CAD软件,具有先进的参数化设计"基于特征设计的实体造型"单一数据库和便于移植设计思想的特点，用户界面友好，符合工程技术人员的机械设计思想，能将整个设计和生产过程集成在一起.最近几年Pro/e已成为三维机械设计领域里最富有魅力的软件，自1990年代中期，国内许多大型企业开始选用Pro/Engineer，发展至今，已拥有相当大的用户群，尤其是在中国模具工厂得到了非常广泛的应用。

（3）SolidWorks：

由美国SolidWorks公司基于;Windows平台全参数化特征造型开发的SolidWorks软件（中端三维CAD）SolidWorks一贯倡导三维CAD软件的易用性"高效性N作为机械CAD的发展方向，易学易用"界面友好的三维设计软件SolidWorks在三维领域中占有不可忽视的地位.SolidWorks是一个基于三维造型的设计软件，它的设计思路是P实体造型"虚拟装配"二维图纸.

5.CAD/CAM发展趋势

（一）CAD技术的发展趋势主要体现在以下几方面∶ 

1、标准化 

    CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。

目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。

2、智能化 

    设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。

从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。

因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。

CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。

（二）CAM技术的发展趋势 

    CAM技术的发展趋势将体现在以下几方面∶ 

1、面向对象、面向工艺特征的结构体系 

    传统CAM曲面为目标的体系结构将被改变成面向整体模型（实体）、面向工艺特征的结构体系。

系统将能够按照工艺要求自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/ CAM的集成化、自动化、智能化达到一个新的水平。

2、基于知识的智能化系统 

    未来的CAM系统不仅可继承并智能化地判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。

同时也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。

使相关性编程成为可能 尺寸相关、参数式设计等CAD领域的特性，有希望被引伸到CAM系统之中。

目前，以Delcam 公司的PowerMILL及WorkNC为代表，采用面向工艺特征的处理方式，系统以工艺特征提取的自动化来实现CAM编程的自动化。

当模型发生变化后，只要按原来的工艺路线重新计算，即实现CAM的自动修改。

由计算审自动进行工艺特征?

工艺区域的重新判断并全自动处理，使相关性编程成为可能。

目前已有成熟的产品上市，并为北美、欧洲等发达国家的模具界所接受。

由於CAM系统专业化、智能化、自动化水平的提高，将导致机侧编程方式的兴起，将改变CAM编程与加工人员及现场分离的现象。

3、提供更方便的工艺管理手段 

    CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，未来CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及即时修改提供了条件。

较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员对产品进行工艺设计，CAM系统可按工艺规程全自动批次处理。

据报道，未来的CAM系统将能自动生成图文并茂的工艺指导文件，并能以超文本格式进行网络浏览。

（三）CAD/CAM发展趋势

（1）集成化

集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。

它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM以至PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。

国内外大量的经验表明，CAD系统的效益往往不是从其本身，而是通过CAM和PPC系统体现出来；反过来，CAM系统如果没有CAD系统的支持，花巨资引进的设备往往很难得到有效地利用；PPC系统如果没有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据，订出的计划也较难贯彻执行，所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。

因此，人们着手将CAD、CAE、CAPP、CAM和PPC等系统有机地、统一地集成在一起，从而消除"自动化孤岛"，取得最佳的效益。

（2）网络化

21世纪网络将全球化，制造业也将全球化，从获取需求信息，到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、进行加工制造，直至营销，整个生产过程也将全球化。

CAD/CAM系统的网络化能使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上并行处理的并行化产品设计应用系统；能提供产品、进程和整个企业性能仿真、建模和分析技术的拟实制造系统；能开发自动化系统，产生和优化工作计划和车间级控制，支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统；对生产过程中物流，能进行管理的物料管理应用系统等。

（3）智能化

人工智能在CAD中的应用主要集中在知识工程的引入，发展专家CAD系统。

专家系统具有逻辑推理和决策判断能力。

它将许多实例和有关专业范围内的经验、准则结合在一起, 给设计者更全面，更可靠的指导。

应用这些实例和启发准则，根据设计的目标不断缩小探索的范围，使问题得到解决。