CADCAM技术的应用及发展趋势.doc

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CAD/CAM技术的应用及发展趋势

摘要:

介绍了CAD/CAM技术的发展过程,预测了该技术在集成化、智能化、网络化、绿色化、综合化等方面的发展趋势，并阐述了CAD/CAM技术未来的应用前景。

关键词:

数字化;CAD/CAM；发展趋势

1引言

目前,随着CAD、CAM、CAPP、CAE、CIMS等技术的出现和发展,产品设计和制造的整个过程都可以由计算机辅助完成。

特别是CAD技术,从二维绘图向三维仿真模型发展的基础上,逐步发展成熟的零件结构设计和分析、有限元分析、虚拟装配及仿真、数控加工与仿真等许多计算机辅助功能，使CAD/CAE/CAM等逐步集成为综合的计算机辅助设计、制造和管理系统。

数字化CAD/CAM技术在机械设计中起到非常重要的作用。

在工业发达国家，CAD/CAM技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小企业推广,由高技术领域的应用向汽车、日用家电、轻工产品等的设计和制造中普及。

CAM技术可应用于计算机进行制造信息处理的全部过程,包括采用计算机系统进行生产的规划、管理和控制产品制造的全过程，它包括与加工过程直接联系的计算机监测与控制,如控制数控机床、工业机器人和进行质量的监控等。

CAM技术已经成为CAX体系的重要组成部分,可以直接在CAD系统上建立起来的参数化、全相关的三维几何模型（实体+曲面）上进行加工编程,生成正确的加工轨迹。

典型的CAM系统有UG、MDT、Pro/E、Inventor和CAXA等。

CAM作为整个集成系统的重要一级,向上与CAD、CAPP实现无缝集成，向下可方便、快捷、智能、高效地为数控生产服务，这是CAM技术发展的主题。

2CAD/CAM的发展历程

2.1CAM的发展历程

从时间上看，CAD/CAM的发展是随着计算机软硬件技术的发展而发展的，CAD/CAM的发展历程要从CAM的历史说起。

1952年，美国麻省理工学院研制成功了世界上第一台NC机床来取代以往的手工作业。

此机床由于控制程序纸带由人工完成，因而花费时间且容易出错。

为解决这些问题，麻省理工学院开发了APT（AutomaticallyProgrammedTools）的自动编程系统，根据加工零件的形状，自动计算刀具轨迹。

1957年和1961年又相继推出了APT-II和APT-III。

伊利诺斯工业大学于1969年研制成功了APT-IV。

联邦德国的汉堡大学吸收了APT技术并开发了EXAPT-I、EXAPT-II和EXAPT-III。

1969年，雷诺公司开发成功了第一个标准设计系统AUTO-PROS。

APT模式是第一代CAM的模式，基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路，编程目标与对象也都直接是数控刀路。

第二代CAM能处理曲面，系统结构一般是CAD/CAM混合系统，较好地利用了CAD模型，以几何信息作为最终的结果，自动生成加工刀路，自动化、智能化程度得到了大幅度提高，具有代表性的是美国的UG、加拿大的Cimatron、美国的MarsterCAM、法国CATIA。

由于工序设计中的一些技术处理问题，CAM技术是CAD/CAE/CAM发展中最缓慢的。

2.2CAD的发展概述

20世纪50年代后期，麻省理工学院在开发APT的同时，探索了如何把计算机用于设计过程。

其开发的计算机图形对话系统叫SKET-CHPAP，可以通过光笔在显示器屏幕上给出一些简单的命令来绘出直线、圆、弧线等几何图形。

会话式计算机图形处理，是实现CAD概念的第一步。

CAD首先成功地应用在电子工业领域中，利用计算机图形处理的功能，提高了设计的效率。

随后，在机械、土木、建筑等领域中也应用CAD来进行二维图形的绘制。

这些二维绘图的CAD系统为第一代CAD技术。

1973年，布达佩斯国际会议首次公布了一种能与实物一模一样的图形存入计算机中的设计系统——立体模化器，成功实现了三维CAD，这就是第二代CAD系统，主要是进行二维交互式绘图和三维几何绘图。

第二代CAD系统在几何造型方面采用了三维线框模型、曲面模型和实体模型，在实体造型上采用实体几何构造法（CSG法）和边界表示法（B-rep法）。

第三代CAD系统始于20世纪80年代中期，建模方法上出现了特征建模、基于约束的参数化和变量化建模方法及2种建模方法互相交叉、融合。

这种系统常常与CAM系统之间有内部统一的数据结构及共同的数据库,做到了二、三维模型修改时的相互关联性以及CAD/CAM的信息集成。

自20世纪90年代后期开始，CAD技术正在向第四代CAD系统发展，以全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。

2.3CAD/CAM一体化技术

CAD/CAM一体化技术指的是CAD与CAM各模块之间信息的提取、交换、共享和处理的集成。

与之有关的技术有CAD、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）、GT、Databases等。

其中，产品建模技术、CAPP、及NC技术、工程数据的管理、各模块间的数据交换接口是CAD/CAM一体化的关键技术。

基于图形学发展起来的CAD软件，它的基本功能有：

产品信息的输入、检查修改和零件图的绘制。

优秀的CAD软件，除了线框建模、曲面建模、实体造型的造型和建模方式外，还有特征造型、参数化设计、可变建模等功能。

它不仅能提供产品的几何信息，还能提供公差、表面粗糙度、材料性能、加工要求等产品的制造信息。

CAD软件系统还包含各种编辑工具、自定义功能、与其它高级语言的接口）并定义有符合国际标准的数据交换格式，以便用户在此基础上进行二次开发。

为了将CAD与CAM集成一个完整的系统集成一个完整的系统，即希望在CAD做出设计后，由计算机辅助工艺师制定出工艺计划，包括刀具选择、刀具轨迹、切削用量、切削速度、主轴转速等，然后自动生成NC代码，这就是计算机辅助工艺规划（CAPP）。

计算机辅助工艺规划是连接CAD和CAM的中间环节。

CAD数据库的信息只有经过CAPP系统才能变为CAM的加工信息。

CAPP的设计方法有两种。

一种是以成组技术（GT）为基础的经验型CAPP，它有派生法或检索法（VariantApproachorRetrieveApproach）；另一种是依靠事先规定的逻辑决策，利用规定的加工要求和逻辑原则自动生成零件的工艺过程的创成型CAPP（GenerativeApproach），它属于人工智能型的设计方法。

派生法和创成法相结合的设计方法——综合设计法是当前主要的设计方法，它利用派生法设计工艺路线用创成法设计工序内容。

一个比较完善的CAPP系统，应具有：

加工方法的选择（车、铣、刨、磨、镗、钻等）；工艺路线安排；加工设备与工艺设备（刀具、夹具）的选择；工艺尺寸的换算（加工余量，工序尺寸及公差）；切削参数选择（切削速度，进给量、切削深度）；零件NC编程能力。

由上所述，制造单元的计算机辅助制造单元（CAM）不是孤立的，它是以产品的计算机辅助设计（CAD）为基础，以计算机辅助工艺规划（CAPP）为桥梁，完成产品的计算机辅助制造，因此被称为CAD/CAM一体化。

目前国内外研制、开发、销售的CAD/CAM软件，实际上是制造单元的CAD/CAM，主要是针对数控机床的CAD/CAM软件。

3CAD/CAM技术发展趋势

21世纪以CAD/CAM技术为代表的制造业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化，追求的目标是在最快的时间内、以最低的成本生产出满足用户需求的产品。

具体表现出以下几个特征：

3.1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。

3.2智能化

智能型CAD/CAM系统是人工智能技术应用在产品的设计、分析、制造中，尤其是机器人技术和专家系统技术。

专家系统是一种问题求解智能软件系统，在某些专业领域内，它把人类专家的知识和经验转换成计算机能够处理和接收的符号形式，按照专家的控制策略和推理方式，解决该领域内原来只有专家才能解决的问题。

CAD/CAM系统应用逐步深入，逐渐提出智能化需求，设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。

智能CAD/CAM是发展的必然方向。

智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等；并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。

3.3网络化

21世纪，制造业从获取需求信息，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，整个生产过程都将实现全球化。

CAD/CAM系统的网络化是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；是能提供产品、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；是能开发自动化系统，产生并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；是能对生产过程中物料进行管理的物料管理应用系统等。

随着计算机网络技术的不断完善，CAD/CAE/CAM系统的网络化已成为不可阻挡的发展趋势。

网络化可以充分发挥系统的总体优势，使一个项目在多台计算机上协作完成。

借助现有的网络，不同设计人员可以通过网络交流设计数据，同时对产品的设计与制造进行操作和评价。

3.4绿色化

绿色化现已成为CAD/CAM技术的新趋势。

当前，全球环境的恶化程度与日俱增，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源头。

因此，无论从技术发展，还是从需求推动的角度，绿色制造已经在影响和引导当今的技术发展方向。

从产品设计到制造技术，从企业组织管理到营销策略的制定，一批绿色制造技术的概念已经在发展之中。

3.5综合化

未来产品的开发设计是机械科学的理论知识与电磁学、光学、控制理论等多学科知识的有机结合。

未来的CAD/CAM技术最主要应该是与材料粒子或熔融状态下的模具成型技术有机地结合在一起，运用CAD/CAM技术设计完成产品的制造流程后，连接CAD/CAM主机的制造系统（粒子填充机或熔融储存器）就会立即在自生系统内运用被无限细分后的小方块特殊板材（耐高温，高压）生成CAD/CAM所设计的零件形状，然后根据在CAD/CAM系统中设计好的材料的粒子或熔融态物质进行填充，填充满后进行冷却即得到所需的零件。

当然，这其中还会涉及到粒子或熔融物质填充时的气泡消除技术，粒子或液态物资的冷却技术等相关模具化技术。

4CAD/CAM技术的应用前景

4.1CAD/CAM技术在企业中的应用前景

CAD/CAM系统只有在企业实现以下几个方面的改革后才会得到飞速发展。

1）提高重视，加大投入企业特别是中小企业必须提高对CAD/CAM技术的

重视，不要认为CAD/CAM技术投资大、回报慢。

要明白，CAD/CAM技术虽然投资大、风险高、回报慢，然而这种技术却是目前制造业的先进技术，是未来制造业的一种发展趋势。

因此，我们必须在战略上重视对这种先进技术的投入，企业的可持续性发展靠的就是这种对未来发展起关键性作用的具有长远性、战略性的风险投资。

因此，企业（特别是中小企业）在规划自己的未来的时候必须把对CAD/CAM技术的投资和人才的培养考虑进去。

2）加大创新，不断开发具有自主品牌特色的CAD/CAM软件创新是一个民

族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。

我们只有坚持走自主开发、拥有自主品牌的道路，才能在这个竞争激烈的行业中立于不败之地。

只有紧跟市场，不断创新，不断满足用户的需求，不断开发出具有自主品牌特色的产品，才能使自己拥有核心竞争力，才不会在市场经济的游戏中被踢出局。

国家应加大对开发CAD/CAM软件的扶持和投资力度，采用免税等方式鼓励中小企业自主研发CAD/CAM系统。

各大高校和企业，应抓住国家高度重视的这一机遇，强强联合，共同开发出具有广阔的市场应用前景的产品。

4.2CAD/CAM技术在家庭中的应用前景

在未来的50~100年内，随着生产力的飞速发展，CAD/CAM技术将会像计算机技术一样逐渐走进千家万户。

人们将会在自己的家中与同伴一起运用已有的模块化技术生产自己需要的个性化的产品。

他们所要做的只是把计算机与生产设备通过特定的I/O端口连接起来，然后按下按钮，即可实现CAD/CAM的家庭化模块化生产。

5结语

CAD/CAM是现代化企业提高产品质量、缩短设计周期、提高竞争力所必须的设计和制造模式,CAD/CAM的关键技术也成为企业实现现代化生产所必须解决的问题，国际和国内的各种理论和实践给我们提供了很好的方法和理念，并且不断完善，拓展了我们更多的发展空间。

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