哈工大——CADCAM技术基础大作业Word格式文档下载.docx
《哈工大——CADCAM技术基础大作业Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈工大——CADCAM技术基础大作业Word格式文档下载.docx（8页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
关键词：
CAD/CAM应用现状发展趋势汽车工业
1.CAD/CAM技术概述
计算机辅助设计和计算机辅助制造（CAD/CAM）技术是设计人员和组织产品制造的工艺技术人员在计算机的辅助之下，根据产品的设计和制造程序进行设计和制造的一项新技术，是传统技术与计算机技术相结合的产物。
设计人员通过人机交互操作方式进行产品设计构思和论证，产品总体设计、技术设计、零部件设计，完成有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和零件加工信息（工程图纸或数控加工信息等）的输出，以及技术文档和有关技术报告的编制。
而工艺设计人员则可以利用CAD过程提供的信息和CAM系统的功能，进行零部件加工工艺路线的控制和加工状况的预显，并生成控制零件加工过程的信息。
目前，CAD/CAM的工作内容主要有以下几个方面：
（1）产品设计数据库；
（2）加工工艺库；
（3）基础图形库；
（4）应用程序库；
（5）产品计算机辅助设计；
（6）产品计算机辅助制造；
（7）产品数理等。
CAD用于产品结构的表示，其作用是形成数字化产品。
也就是说顾客需要什么产品，那么设计者就根据顾客的需求，利用电脑做出它的模样。
当然从创作上讲，首先它有艺术创作的意义。
不过作为工厂加工时，它就应该遵循工厂加工条件。
狭隘的理解，所谓产品结构其实就是以前工程师的工程制图。
只是现在把制图工作计算机化。
当然，CAD实现的不仅仅是平面工程图的绘制，它也能给出复杂的三维造型。
CAD往往采用边界表示法（就是计算机存储模型图像时是以点线面的信息存储）和体素构造法（在以体素法为核心的CAD软件中如圆柱、长方体等作为基本体素，如果要产生其他实体，就用基本体素进行加减并交等组合）存储实体模型数据，这就为下一步进行可行性分析（计算模拟仿真）提供了基础，而这个功能是CAD相对于传统手工绘图的巨大延拓。
CAE是对数字化产品的性能进行分析或仿真，其目的是在产品样机实现以前，对设计产品的性能进行全面预测和优化，以减少物理样机的制作次数和提高产品性能的活动。
譬如说一个系统中各机构的布置，如果系统中有些机构会与其他机构发生非预定碰撞，那这个设计就得优化（所谓基于几何建模的CAE分析）。
再譬如如果进行铸造某个零件，如果根据设计的模具和工艺条件进行数理分析（如传热、流动等），也能够及早发现设计的不合理地方。
这就避免了做大量的实验而付出的巨大成本。
（所谓基于数理建模的CAE分析）CAM则是对产品制造进行设计，形成产品加工的工艺过程和数控代码，并利用数控设备进行制造。
CAD、CAE、CAM三种方法和手段的集成，能够大大提高产品开发的速度和质量。
给出的图反映了这种集成的工作模式，一般来说是市场提出需求。
然后是厂家进行产品造型（为了适应CAE计算,对于非运动分析而言,一般进行三维造型），然后根据造型结果把数据转换后传递给CAE软件（现在大多数CAE软件都有其简单造型功能）,然后进行CAE优化分析（这里我们从图上看到初始CAD造型的数据流向CAE和CAM,在CAM处探索工艺加工的可能性）,经过优化分析和可行性分析后,最终确定最优化的模型,然后可以输出工程制图（2D草图,这步也可以不用）,并且根据产品要求制定合适的工艺,再进行分析后确认,然后生成数控机床代码（最终目标是自动生成）进行实际生产。
如果加工过程中有机器人的参与,也要生成驱动机器人工作的编码。
可见，CAD/CAE/CAM其实是制图（实体造型）计算机自动化、计算机分析优化、计算机辅助加工自动化的过程。
2.CAD/CAM技术的应用现状
2.1.CAD/CAM技术在国外的应用现状
CAD/CAM技术20世纪50年代起源于美国,经过近50年的发展,其技术和水平已经到达了相当成熟的阶段。
日本、法国、德国也相继在机械制造、航空航天、汽车工业、建筑化工等行业中广泛使用CAD/CAM技术。
CAD/CAM技术在发达国家已经成为国民经济的重要支柱。
2.2CAD/CAM技术在我国的应用现状
我国CAD/CAM技术的应用起步于20世纪60年代末,经过40多年的研究、开发与推广应用,CAD/CAM技术已经广泛应用于国内各行各业。
综合来看,CAD/CAM技术的在国内的应用主要有以下几个特点:
（1）起步晚、市场份额小
我国CAD/CAM技术应用从20世纪80年代开始,“七五”期间国家支持对24个重点机械产品进行了CAD/CAM的开发研制工作,为我国CAD/CAM技术的发展奠定了一定的基础。
国家科委颁布实施的863计划也大大促进了CAD/CAM技术的研究和发展。
“九五”期间国家科委又颁发了《1995～2000年我国CAD/CAM应用工程发展纲要》,将推广和应用CAD/CAM技术作为改造传统企业的重要战略措施。
有些小企业由于经济实力不足、技术人才缺乏,CAD/CAM技术还不能够完全应用到生产实践中。
国内研发的CAD/CAM软件在包装和功能上与发达国家还存在差距,市场份额小。
（2）应用范围窄、层次浅
CAD/CAM技术在企业中的应用在CAD方面主要包括二维绘图、三维造型、装配造型、有限元分析和优化设计等。
其中CAD二维绘图技术在企业应用情况较好,这一方面得益于国家大力推进“甩图板”工程,另一方面是由于二维绘图技术解决的是所有企业的共性问题。
三维造型软件由于早期没有推出微机版本,需要在工作站环境中工作,投资较大,所以只有部分大企业有所应用。
在CAM方面,目前企业普遍应用的只是数控程序编制,国内企业已经开始广泛使用华中数控系统、南京SKY系统、日本FUNUC系统、德国SIEMENS系统。
而广义的CAM只有少数大型企业采用,中小企业极少应用。
（3）功能单一、经济效益不突出
CAD/CAM技术在企业中的应用只是单元的智能技术应用,是从企业生产的几个侧面来提高效率。
功能分散的CAD/CAM技术其效果是有限的,只有将CAD、CAPP、CAM、PDM等技术集成在一起,综合应用在设计与制造生产的过程中,才能产生显著的经济效益。
2.3CAD/CAM技术在汽车工业的应用现状
汽车工业代表着一个国家机械制造业发展的水平，一直是CAD/CAM技术应用的先锋和大户。
下面就以汽车工业为例，说明CAD/CAM技术的应用状况和国内外的一些差别。
国际上，美国福特汽车公司在CAD/CAM技术方面处于领先地位。
早在80年代初，福特公司就着手CAD/CAM系统的规划，建成了以工作站为主体的环形网络系统；
1985年已经有一半以上的产品设计工作使用图形终端实现；
1986年新开发的TAURUS和SABLE轿车，大约70%的外板件采用CAD/CAM;
90年代初全面实行产品开发的CAD/CAM,应用率可达100%。
福特公司1990年工作站已达2000台，以FGS工作站（约占70%）和CV工作台（约占18%）为主，其应用软件主要为自行开发的PDGS和CAD/CAM。
1993年以后，福特汽车公司提出了C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）概念，并决定今后将采用I-DEAS软件作为其主流核心软件。
日本三菱汽车公司1960年从冲模的NC数控加工着手，以CAD/CAE/CAM为动力，对从设计到制作的各项工程踏踏实实地进行了改革，至今，已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的CAD/CAE/CAM系统。
法国雷诺汽车公司应用Euclid软件作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，并开发出很多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavision,用于钣金成形分析的OPTRIS等。
德国各大汽车公司普遍采用CATIA作为其CAD/CAM系统的主导软件。
1994年，德国大众集团决定用CATIA和Pro/Engineer作为其将来开发新车型的主导CAD系统。
我国的CAD/CAM工作始于70年代，发展迅速，已取得了良好的经济效益。
少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的CAD/CAM系统，其应用水平也接近国际先进水平。
许多中小企业应用CAD/CAM技术在保证产品质量、提高劳动率等方面也取得了显著的经济效益。
但是总的说来，国内在CAD/CAM技术应用的深度和广度方面与国外先进水平相比还有很大差距。
随着社会主义市场经济的发展，国有企业需要对传统的产品结构、生产设备和管理模式进行改造，以提高企业的活力和适应市场的应变能力，而采用CAD/CAM技术被认为是唯一的出路。
3.CAD/CAM新技术简介
随着计算机辅助设计的应用，产品造型和设计能力得到极大提高，然而在产品设计完成后，批量生产前，必须制出样品以表达设计构想，快速获取产品设计的反馈信息，并对产品设计的可行性作出评估、论证。
为了提高产品市场竞争力，从产品开发到批量投产的整个过程都迫切要求降低成本和提高速度。
在这种背景下，近年来出现了一些能够解决这些问题的新技术，下面简单介绍以下这些技术中的典型案例。
3.1.快速原型
快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：
产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。
该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。
图1.快速成型
快速原型技术突破了“毛坯→切削加工→成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。
与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：
（1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。
（2）属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。
（3）无振动、噪声和切削废料。
（4）可实现夜间完全自动化生产。
（5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。
3.2.并行工程
并行工程（ConcurrentEngineering）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。
它具有如下特点：
（1）并行工程强调在产品开发一开始，就考虑到产品生命周期从概念生成到产品报废整个过程的所有因素，力求做到综合优化设计，最大限度避免设计错误，减少设计更改和反复次数，提高质量，降低成本，使产品开发一次成功，缩短产品的开发周期。
（2）并行工程摆脱了传统产品开发模式的串行，强调产品开发过程的并行。
通过过程的并行和集成优化，达到缩短产品开发周期的目的。
产品开发一般有若干子过程组成，并行工程强调各子过程尽可能地并行。
（3）并行工程强调产品及相关过程的一体化设计和协同设计。
并行工程主张协同、集成和一体化，主张在产品开发过程取消专业部门及由此形成的人为阻隔，从根本上摒弃“抛过墙”式的串行产品开发模式的种种缺陷。
并行工程通过组建统一的集成化产品开发团队，由集成化产品开发团队负责整个产品的开发，团队的所有成员在统一的部署下，消除了利益冲突，为着共同的目标，一体化、协同地开展产品开发活动，有利于实现产品及相关过程设计的协同、集成和综合化。
（4）并行不仅意味着产品开发过程的并行，而且更重要的是意味着产品及相关过程设计的并行。
一个复杂的产品往往需要开发人员共同完成大量的产品及相关过程的设计。
并行工程强调所有这些人员要并行地进行设计。
（5）并行工程强调持续改进产品及相关过程的设计，持续改进产品开发过程。
对于任何一项产品及相关过程的设计，产品生命周期上、下游之间难免会出现冲突，通过设计协调，可使冲突消除，设计得到改进。
产品开发过程随着产品开发工作的不断进行而逐步展开，是一个动态演进的过程，在整个产品开发过程演进的每一阶段，都需要实施过程的优化与改进，以保证产品开发过程整体上的优化。
图2.并行工程
3.3.PDM
PDM的中文名称为产品数据管理（ProductDataManagement）。
PDM是一门用来管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和所有与产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术。
PDM以软件为基础，是一门管理所有与产品相关的信息（包括电子文档、数字化文件、数据库记录等）和所有与产品相关的过程（包括工作流程和更改流程）的技术。
它提供产品全生命周期的信息管理，并可在企业范围内为产品设计和制造建立一个并行化的协作环境。
PDM的基本原理是，在逻辑上将各个CAX信息化孤岛集成起来，利用计算机系统控制整个产品的开发设计过程，通过逐步建立虚拟的产品模型，最终形成完整的产品描述、生产过程描述以及生产过程控制数据。
技术信息系统和管理信息系统的有机集成，构成了支持整个产品形成过程的信息系统，同时也建立了CIMS的技术基础。
通过建立虚拟的产品模型，PDM系统可以有效、实时、完整的控制从产品规划到产品报废处理的整个产品生命周期中的各种复杂的数字化信息。
除了上述的一些技术之外，CAD/CAM技术中还有很多的诸如高速加工、逆向工程等新的技术，这些新技术的出现为未来CAD/CAM技术的发展指明了方向，也是今后CAD/CAM技术发展中的主要方面，这些技术对解决传统的设计制造中存在的问题有重要的意义。
4.CAD/CAM系统的发展方向
CAD/CAM软件的功能将不断得到完善和优化,逐步实现CAD/CAM无缝整体化集成。
具体体现在以下几方面。
4.1.CAD/CAM技术应与多媒体技术更好的结合
CAD/CAM技术应与多媒体更好的结合,增强使用的灵活性。
未来的人机交互界面将会更加友善和方便,还可引入触摸式、声控式等各种操作方式。
把多媒体技术与CAD/CAM软件相结合,将CAD/CAM走进有声有色的世界,不仅具有强大的设计、分析、制造功能,还能使工作人员在声像结合的丰富多彩的计算机环境中工作,工作更加轻松有效。
4.2.CAD/CAM系统应具有高度的开发性
CAD/CAM系统的开放性主要体现在系统的工作平台、用户接口、应用开发环境及与其他系统的信息交换等方面。
现在市场上的CAD/CAM产品一般都会为用户提供二次开发环境,方便用户订制自己的CAD/CAM系统,具有较好的开放性。
CAD/CAM供应商应向企业提供易学易用的二次开发工具,即开发面向行业和企业应用的专用CAD/CAM软件和数据库。
4.3.CAD/CAM系统应具备更好的集成性
集成就是向企业提供CAD/CAM一体化的解决方案,企业中各个环节不可分割,统一考虑。
企业的整个生产过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。
提高系统的集成性,从以下四方面来实现:
以“甩掉图板”为目标的计算机辅助绘图与设计;
以资源共享为目标的产品信息管理系统;
建立全局产品模型、无纸设计、加工管理为目标的计算机三维造型、分析设计、仿真模拟、加工处理的集成系统;
以控制产品生命周期为目标的优化设计,从产品性能设计、制造工艺性能设计、监测性能设计等入手进行优化设计。
4.4.CAD/CAM系统应具备更强的智能性
智能化设计功能是未来CAD/CAM软件的一个重要标志。
CAD/CAM系统将包括专家系统、经验储存、智能库、推理规则和自动学习功能。
软件开发要将产品设计加工过程直接与系统相结合,使用户轻松完成工作任务。
5.CAD/CAM技术的发展趋势
21世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化,追求的目标是提高产品质量及生产效率,缩短设计周期及制造周期,降低生产成本,最大限度地提高模具制造业的应变能力,满足用户需求。
具体表现出以下几个特征。
（1）标准化CAD/CAM系统可建立标准零件数据库,非标准零件数据库和模具参数数据库。
标准零件库中的零件在CAD设计中可以随时调用,并采用GT（成组技术）生产。
非标准零件库中存放的零件,虽然与设计所需结构不尽相同,但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改,从而加快设计过程,典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的,按用户要求对相似模具结构进行修改,即可生成所需要的结构。
（2）集成化技术现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成,更应该强调技术、人和管理的集成。
在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念,即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成,这更适合未来制造系统的需求。
（3）智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、使用）各个环节的智能化,实现生产过程（包括组织、管理、计划、调度、控制等）各个环节的智能化,以及模具设备的智能化,也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥。
（4）网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协议及制造自动化协议,信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。
目前早已出现了通过Internet实现跨国界模具设计的成功例子。
（5）多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。
产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。
6.结论
总的来说，这些技术主要体现了21世纪制造技术对CAD/CAM技术的要求，也表达了CAD/CAM发展的方向。
为今后CAD/CAM技术更加适应社会和科学技术的发展指明了道路。
CAD/CAM技术对企业产生的变革和带来的效益是毋庸置疑的,企业应正充分利用CAD/CAM技术这一有力武器。
只有合理利用这一资源,采用先进的生产方式才能在在世界经济危机中顽强生存并且不断发展壮大。
参考文献
[1]范玉青、冯秀娟、周建华。
CAD软件设计。
北京航空航天大学出版社1996.9
[2]袁波、周昀、胡事民、孙家广。
基于三维模型的二三维一体化设计。
计算机辅助设计与制造。
1998（6）
[3]计算机辅助设计与制造/姚英学蔡颖主编.-北京：
高等教育出版社，2002
升级会员 