CADCAM技术概论.docx
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CADCAM技术概论
第1章CAD/CAM技术概论
1.1CAD/CAM基本概念
CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。
CAD/CAM技术的发展和应用对制造业产生了巨大的影响和推动作用，使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。
CAD/CAM技术的应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。
1.1.1CAD技术
由于在不同时期、不同行业中，计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）技术所实现的功能不同，工程技术人员对CAD技术的认识也有所不同，因此很难给CAD技术下一个统一的、公认的定义。
早在1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：
CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。
到20世纪80年代初，第二届国际CAD会议上认为CAD是一个系统的概念，包括计算、图形、信息自动交换、分析和文件处理等方面的内容。
1984年召开的国际设计及综合讨论会上，认为CAD不仅是设计手段，而且是一种新的设计方法和思维。
显然，CAD技术的内涵将会随着计算机技术的发展而不断扩展。
就目前情况而言，CAD是指工程技术人员以计算机为工具，运用自身的知识和经验，对产品或工程进行方案构思、总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等设计活动的总称，是一门多学科综合应用技术。
从方法学角度看，CAD是一种新的设计方法，它利用计算机系统辅助设计人员完成设计的全过程，将计算机的海量数据存储和高速数据处理能力与人的创造性思维和综合分析能力有机结合起来，人机交互各尽所长，“辅助”强调了人的主导作用，人机的有机结合必将提高设计质量、缩短设计周期、降低设计费用，从而达到最佳设计效率。
从技术角度看，CAD涉及以下基础技术：
（1）图形处理技术。
如二维交互图形技术、三维几何建模及其他图形输入输出技术。
第1章CAD/CAM技术概论
（2）工程分析技术。
如有限元分析、优化设计方法、仿真以及各行各业中的工程分析等。
（3）数据管理与数据交换技术。
如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口等。
（4）文档处理技术。
如文档制作、编辑及文字处理等。
（5）软件设计技术。
如窗口界面、软件工程规范及其工具系统的使用等。
一般认为，CAD系统应具有几何建模、工程分析、设计校核、工程绘图等主要功能。
一个完整的CAD系统应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。
人机交互接口是设计、开发、应用和维护CAD系统的界面，经历了从字符用户接口、图形用户接口、多媒体用户接口到网络用户接口的发展过程。
图形系统是CAD系统的基础，主要有
几何（特征）建模、自动绘图（二维工程图、三维实体图）等。
科学计算是CAD系统的主体，主要包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等。
工程数据库是对设计过程中使用和产生的数据、图形、图像及文档等进行存储和管理。
就CAD技术目前可实现的功能而言，CAD作业过程是在设计人员进行产品概念设计的基础上进行建模分析，完成产品几何模型的建立，然后抽取模型中的有关数据进行工程分析、设计计算和校核与修改，最后编辑全部设计文档，输出工程图。
从CAD作业过程可以看出，CAD也是一项产品建模技术，它将产品的物理模型转化为产品的数据模型，并把建立的数据模型存储在计算机内，供后续的计算机辅助技术共享，驱动产品生命周期的全过程。
CAD技术是随着计算机和数字化信息技术发展而形成的，是20世纪最杰出的工程成就之一，也是数字化、信息化制造技术的基础。
目前CAD技术广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、纺织、轻工及建筑等各个领域，对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业创新能力发挥着重要作用。
1.1.2CAE技术
计算机辅助分析（ComputerAidedEngineering，CAE）是以现代计算力学为基础、以计算机仿真为手段的工程分析技术，是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种数值分析方法。
CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足精度要求的近似结果来替代对实际结构的分析。
这样就将繁杂的工程分析问题简单化、将复杂的求解过程层次化，因此CAE技术的应用使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题通过计算机数值计算得到满意的解答，节省了大量时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。
随着计算机技术的发展，CAE的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为工程和产品结构分析、校核及结构优化中必不可少的数值计算工具。
CAE技术和CAD技术的结合越来越紧密，因此，有学者认为，CAE应属于广义CAD的重要组成部分。
采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。
同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成图形输出，如生成位移、应力、温度、压力分布等各种线图，称这一过程为CAE的后处理。
应用CAE软件也可以仿真零件、产品乃至生产线、工厂的运动和运行状态。
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CAE的基本功能包括产品和工程设计中的分析计算、动态仿真和结构优化。
CAE可以对工程、产品的设计方案快速实施性能与可靠性分析，对工程、产品的未来工作状态进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计，并验证未来工程、产品的功能和性能，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研发周期。
目前CAE技术作为设计人员提高工程创新和产品创新能力的得力助手和有效工具，已广泛应用于国防、航空航天、机械制造、汽车制造等各个工业领域。
1.1.3CAPP技术
计算机辅助工艺设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）是根据产品设计结果进行产品的加工方法设计和工艺过程设计，即在分析和处理大量产品设计信息的基础上进行加工方法、加工顺序、加工设备的选择或决策，并进行毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。
其中工序设计包括加工设备和工装的选用、加工余量的分配、切削用量选择以及机床、刀具的选择、工序图生成和工艺卡编制等内容。
工艺设计是机械制造过程的技术准备工作中的一项重要内容，是产品设计与车间生产的纽带。
工艺设计的经验性很强且影响因素很多，在同一资源及约束条件下，不同的工艺设计人员可能制订出不同的工艺规程。
传统的工艺设计主要是依靠工艺人员个人积累的经验完成的，存在着工艺设计周期长、重复性劳动多、一致性差等缺点。
随着市场对多品种、小批量生产的要求，传统工艺设计方法与现代制造技术发展要求不相适应，CAPP日益为工艺设计领域所重视。
CAPP的主要优点在于：
可以显著缩短工艺设计周期，保证工艺设计质量，提高产品的市场竞争能力；使工艺人员摆脱大量、繁琐的重复劳动，将主要精力转向新产品、新工艺、新装备和新技术的研究与开发；可以提高产品工艺的继承性，最大限度地利用现有资源，降低生产成本；可以帮助缺乏丰富经验的工艺人员设计出高质量的工艺规程，以缓解当前制造业工艺设计任务繁重、有经验工艺人员缺少的矛盾；CAPP亦有助于推进企业开展工艺设计标准化和最优化工作。
由于工艺设计是一个受企业资源及工艺习惯等诸多因素影响的决策过程，CAPP技术的应用远不及CAD、CAM等技术应用的广泛和深入。
CAPP在CAD、CAM中间起到桥梁和纽带作用：
CAPP接受来自CAD的产品几何拓扑信息、材料信息及精度、表面粗糙度等工艺信息，在完成工艺设计的同时，向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息；CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及刀位文件等，同时接受CAM反馈的工艺修改意见。
1.1.4CAM技术
一般而言，计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）是指计算机在制造领域有关应用的统称，有广义CAM和狭义CAM之分。
所谓广义CAM，是指利用计算机辅助完成从生产准备工作到产品制造过程的直接和间接的各种活动，包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等主要方面。
其中工艺准备包括
第1章CAD/CAM技术概论
计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、NC编程、计算机辅助工时定额和材料定额的编制等内容；物流过程的运行控制包括物料的加工、装配、检验、输送、储存等生产活动。
而狭义CAM通常指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和NC代码生成等。
本书采用CAM的狭义定义。
CAM中的核心技术是数控加工技术，这也是CAM最成熟的技术之一。
数控加工主要分程序编制和加工过程两个环节。
目前的CAM系统大部分采用图形交互式自动编程，即以CAD生成的零件几何信息为基础，采用人机交互对话方式，指定被加工件的几何特征、定义相关的加工参数后，由计算机进行分析处理，直接产生NC加工程序，并在计算机上动态显示加工路径，模拟实际切削加工。
通过各自的接口可将计算机与数控机床连接起来，利用CAM软件中的通信模块，能将NC加工程序直接送至数控机床上的计算机数字控制（CNC）系统中，控制数控加工，这个过程称为直接数字控制（DNC）。
CAM另一个重要作用是机器人编程，可以使机器人在加工单元内进行作业，独立地完成诸如焊接、装配、在车间内搬运设备或零件以及为数控机床选择刀具等任务。
作为应用性、实践性极强的专业技术，CAM直接面向数控生产实际。
生产实际的需求是所有技术发展与创新的原动力，CAM在实际应用中已经取得了明显的经济效益，并且在提高企业市场竞争能力方面发挥着重要作用。
1.1.5CAD/CAM集成技术
图1-1CAD/CAM系统工作流程
自20世纪70年代中期以来，出现了很多应用计算机辅助技术的分散系统，如CAD、CAE、CAPP、CAM等，但是这些各自独立的系统不能实现系统之间信息的自动交换和传递。
例如，CAD系统的设计结果不能直接为CAPP系统所接受，若进行工艺过程设计，仍需要设计者将CAD输出的图样文档转换成CAPP系统所需要的输入信息。
随着计算机辅助技术日益广泛的应用，人们很快认识到，只有当CAD系统一次性输入的信息能为后续环节继续应用时才能获得最大的经济效益。
为此，提出了CAD到CAM集成的概念，并首先致力于CAD、CAE、CAPP和CAM系统之间数据自动传递和转换的研究，以便将已存在和使用的各种独立的CAx系统集成起来。
亦有人认为：
CAD有狭义和广义之分，狭义CAD就是单纯的计算机辅助设计，而广义CAD则是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成。
不论何种计算机辅助软件，其软件功能不同、市场定位不同，但其发展方向是一致的，这就是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成。
CAD/CAM集成
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系统的工作流程如图1-1所示。
CAD/CAM集成技术的关键是CAD、CAPP、CAM、CAE各系统之间信息的自动交换与共享。
集成化的CAD/CAM系统借助于工程数据库技术、网络通信技术以及标准格式的产品数据接口技术，把分散于机型各异的各个CAD、CAPP、CAM子系统高效、快捷地集
成起来，实现软、硬件资源共享，保证整个系统内信息的流动畅通无阻。
CAD/CAM集成技术是各计算机辅助单元技术发展的必然结果。
随着信息技术、网络技术的不断发展和市场全球化进程的加快，出现了以信息集成为基础的更大范围的集成技术，如计算机集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）。
CIM是1974年美国的约瑟夫·哈林顿博士针对企业所面临的激烈市场竞争形势而提出的组织企业生产的一种哲理。
根据欧共体开放系统结构课题委员会的定义，CIM是信息技术和生产技术的综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力，由此，企业的所有功能、信息、组织管理方面都是一个集成起来的整体的各个部分。
CIM概念的两个基本出发点是：
（1）企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一考虑。
（2）整个制造生产
过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。
CIM是用全局观点（即系统观点）对待企业的全部生产经营活动，包括市场分析、产品设计、加工制造、管理及售后服务等。
实现CIM哲理，需要借助各种相关技术并组成计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）。
CIMS是通过计算机软、硬件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关的人、技术、经营管理及其信息流与物流有机集成并优化运行的复杂大系统。
当前，我国的CIM和CIMS已改为“现代集成制造（ContemporaryIntegratedManufacturing）与现代集成制造系统（ContemporaryIntegratedManufacturingSystem）”，这在广度与深度上拓展了原CIM、CIMS的内涵。
其中，“现代”的含义是计算机化、信息化、智能化；“集成”有更广泛的内容，包括信息集成、过程集成及企业间集成等3个阶段的集成优化，企业活动中人、技术、经营管理等三要素及工作流程、物流和信息流等三流的集成优化，CIMS有关技术的集成优化及各类人员的集成优化等。
CIMS不仅仅把技术系统和经营生产系统集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互的有机联系。
1.2CAD/CAM系统的构成
1.2.1CAD/CAM系统概述
所谓系统，是指为完成特定任务而由相关部件或要素组成的有机整体，CAD/CAM系统是基于CAD/CAM技术的计算机辅助系统。
一个完善的CAD/CAM系统应具有如下功能：
第1章CAD/CAM技术概论
高速计算及图形处理、几何建模、数控加工信息处理、大量数据和知识的存储及快速检索与操作、人机交互通信、信息及图形的输入和输出、工程分析等。
为实现这些功能，CAD/CAM系统由硬件、软件和人3部分构成，如图1-2所示。
图1-2CAD/CAM系统组成
硬件主要包括计算机及其外围设备等具有有形物质的设备，广义上讲硬件还包括用于数控加工的机械设备和机床等。
硬件是CAD/CAM系统运行的基础，硬件的每一次技术突破都带来CAD/CAM技术革命性的变化。
软件是CAD/CAM系统的核心，包括系统软件、各种支撑软件和应用软件等。
硬件提供了CAD/CAM系统潜在的能力，而系统功能的实现由系统中的软件运行来完成。
任何功能强大的计算机硬件和软件都只是辅助设计工具，而如何充分发挥系统的功能，则主要取决于使用者的素质。
CAD/CAM系统的运行离不开人的创造性思维活动，不言而喻，人在系统中起着关键的作用。
目前CAD/CAM系统基本都采用人机交互的工作方式，这种方式要求人与计算机密切合作，发挥各自所长，如计算机在信息存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面有特殊优势，而在设计策略、逻辑控制、信息组织及发挥经验和创造性方面，人将起主导作用。
1.2.2CAD/CAM系统的硬件
CAD/CAM系统的硬件主要由计算机主机、外存储器、输入设备、输出设备、网络设备和自动化生产装备等组成，如图1-3所示。
有专门的输入及输出设备来处理图形的交互输入与输出问题，是CAD/CAM系统与一般计算机系统的明显区别。
外存储器
网络设备
硬盘、软盘、光盘、磁带
网卡、传输介质、调制解调器
图形输入设备
NXCAD/CAM基础教程（第2版）图1-3CAD/CAM系统的硬件组成
1．计算机主机
主机是CAD/CAM系统的硬件核心，主要由中央处理器（CPU）及内存储器（也称内存）组成，如图1-4所示。
CPU包括控制器和运算器，控制器按照从内存中取出的指令指挥和协调整个计算机的工作，运算器负责执行程序指令所要求的数值计算和逻辑运算。
CPU的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。
内存是CPU可以直接访问的存储单元，用来存放常驻的控制程序、用户指令、数据及运算结果。
衡量主机性能的指标主要有两项，即CPU性能和内存容量。
按照主机性能等级的不同，可将计算机分为大中型机、小型机、工作站和微型机（微机）等档次。
目前国内应用的计算机主机主要是微机和工作站。
输入设备
内存储器
输出设备
图1-4主机结构
2．外存储器外存储器简称外存，用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。
当使用这些信息时，由操作系统根据命令调入内存。
外存储器的特点是容量大，经常达到数百GB，但存取速度较慢。
常见的有磁带、磁盘（软盘、硬盘）和光盘等。
随着存储技术的发展，移动硬盘、U盘等移动存储设备成为外存储器的重要组成部分。
3．输入设备输入设备是指通过人机交互作用将各种外部数据转换成计算机能识别的电子脉冲信号的装置，主要分为键盘输入类（如键盘）、指点输入类（如鼠标）、图形输入类（如数字化仪）、图像输入类（如扫描仪、数码相机）、语音输入类等。
4．输出设备
将计算机处理后的数据转换成用户所需的形式，实现这一功能的装置称为输出设备。
输出设备能将计算机运行的中间或最终结果、过程，通过文字、图形、影像、语音等形式表现出来，实现与外界的直接交流与沟通。
常用的输出设备包括显示输出（如图形显示器）打印输出（如打印机）、绘图输出（如自动绘图仪）及影像输出、语音输出等。
5．网络互联设备网络互联设备包括网络适配器（也称网卡）、中继器、集线器、网桥、路由器、网关及调制解调器等装置，通过传输介质联网以实现资源共享。
网络连接方式可分为星形、总线形、环形、树形以及星形和环形的组合等形式。
先进的CAD/CAM系统都是以网络的形式出现的。
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1.2.3CAD/CAM系统的软件
为了充分发挥计算机硬件的作用，CAD/CAM系统必须配备功能齐全的软件，软件配置的档次和水平是决定系统功能、工作效率及使用方便程度的关键因素。
计算机软件是指控制CAD/CAM系统运行，并使计算机发挥最大功效的计算机程序、数据以及各种相关文档。
程序是对数据进行处理并指挥计算机硬件工作的指令集合，是软件的主要内容。
文档是指关于程序处理结果、数据库、使用说明书等，文档是程序设计的依据，其设计和编制水平在很大程度上决定了软件的质量，只有具备了合格、齐全的文档，软件才能商品化。
根据执行任务和处理对象的不同，CAD/CAM系统的软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件3个不同层次，如图1-5所示。
系统软件与计算机硬件直接关联，起着扩充计算机的功能和合理调度与运用计算机硬件资源的作用。
支撑软件运行在系统软件之上，是各种应用软件的工具和基础，包括实现CAD/CAM各种功能的通用性应用基础软件。
应用软件是在系统软件及支撑软件的支持下，实现某个应用领域内的特定任务的专用软件。
1．系统软件
系统软件是用户与计算机硬件连接的纽带，是使用、控制、管理、维护计算机运行的程序集合。
系统软件通常由计算机制造商或软件公司开发，有两个显著特点：
一是通用性，不同应用领域的用户都需要使用系统软件；二是基础性，即支撑软件和应用软件都需要在系统软件的支持下运行。
系统软件首先是为用户使用计算机提供一个清晰、简洁、易于使用的友好界面；其次是尽可能使计算机系统中的各种资源得到充分而合理的应用。
系统软件主要包括操作系统、编程语言系统和网络通信及其管理软件等。
操作系统控制和指挥计算机的软件和硬件资源。
其主要功能是硬件资源管理、任务队列管理、硬件驱动程序、定时分时系统、基本数学计算、日常事务管理、错误诊断与纠正、用户界面管理和作业管理等。
操作系统依赖于计算机系统的硬件，任何程序需经过操作系统分配必要的资源后才能执行。
目前流行的操作系统有Windows、UNIX、Linux等。
编程语言系统的作用是将用高级语言编写的程序编译成计算机能够直接执行的机器指令，主要完成源程序编辑、库函数及管理、语法检查、代码编译、程序连接与执行。
按照程序设计方法的不同，可分为结构化编程语言和面向对象的编程语言；按照编程时对计算
机硬件依赖程度的不同，可分为低级语言和高级语言。
目前广泛使用面向对象的编程语言，如VisualC++、VisualBasic、Java等。
网络通信及其管理软件主要包括网络协议、网络资源管理、网络任务管理、网络安全管理、通信浏览工具等内容。
国际标准的网络协议方案为“开放系统互连参考模型（OSI）”它分为七层，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
目前CAD/CAM系统中流行的主要网络协议包括TCP/IP协议、MAP协议、TOP协议等。
2．支撑软件支撑软件是在系统软件的基础上开发的满足共性需要的通用性实用程序和软件开发的基础环境。
支撑软件属知识密集型产品，一般由商业化软件公司开发。
这类软件不针对具体的应用对象，而是为某一应用领域的用户提供工具或开发环境。
支撑软件一般具有较好的数据交换性能、软件集成性能和二次开发性能。
根据其功能可分为功能单一型和功能集成型软件。
功能单一型支撑软件只提供CAD/CAM系统中某些典型过程的功能，如交互式绘图软件、三维几何建模软件、工程计算与分析软件、数控编程软件、数据库管理系统等。
功能集成型支撑软件提供了设计、分析、建模、数控编程以及加工控制等综合功能模块。
1）功能单一型支撑软件
（1）交互式绘图软件这类软件主要以交互方法完成二维工程图样的生成和绘制，具有图形的编辑、变换、存储、显示控制、尺寸标注等功能；具有尺寸驱动参数化绘图功能；有较完备的机械标准件参数化图库等。
这类软件绘图功能很强、操作方便、价格便宜。
在微机上采用的典型产品是AutoCAD以及国内自主开发的CAXA电子图板、PICAD、开目CAD等。
（2）三维几何建模软件这类软件主要解决零部件的结构设计问题，为用户提供了完整准确的
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