CADCAM系統(tǒng)綜述論文04詳解

CAD/CAM技術(shù)及系統(tǒng)綜述摘要：介紹了機(jī)械CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用狀況及其組成,分析了該技術(shù)集成的意義及定義范疇,現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程與CAD/CAM的功能及特點(diǎn)，對(duì)該技術(shù)的發(fā)展做出了分析研究；提出了CAD/CAM系統(tǒng)的選擇原則和未來發(fā)展趨勢(shì),并指出我國(guó)開展這方面工作應(yīng)注意的問題。關(guān)鍵詞:CAD/CAM技術(shù)集成CAD/CAM系統(tǒng)1CAD/CAM技術(shù)的基本概念1.1CAD/CAM技術(shù)的定義(1)產(chǎn)品的生產(chǎn)從市場(chǎng)需求分析開始，需經(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造等過程，才能將產(chǎn)品從抽象的概念變成具體的最終產(chǎn)品。(2)這一過程具體包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、加工、裝配、檢測(cè)等階段。(3)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(ComputerAidedDesign&ComputerAided）（Manufacturing)簡(jiǎn)稱CAD/CAM。(4)以計(jì)算機(jī)作為主要技術(shù)手段，幫助人們處理各種信息，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造等活動(dòng)的總稱。(5)CAD/CAM能夠?qū)鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造這兩項(xiàng)彼此相對(duì)獨(dú)立的工作作為一個(gè)整體來考慮，實(shí)現(xiàn)信息處理的高度一體化。1.2CAD/CAM的定義范疇圖1.1CAD/CAM的定義范疇(1)CAD(ComputerAidedDesign，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，用各自的專業(yè)知識(shí)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的總體設(shè)計(jì)、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動(dòng)的總稱。CAD的功能包括草圖設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程分析、自動(dòng)繪圖、真實(shí)感顯示及渲染等。(2)CAPP(ComputerAidedProcessPlanning，計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì))是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)所給出的信息，對(duì)產(chǎn)品的加工方法和制造過程進(jìn)行的工藝設(shè)計(jì)。CAPP的功能包括毛坯設(shè)計(jì)、加工方法選擇、工藝路線制定、工序設(shè)計(jì)和工時(shí)定額計(jì)算等。(3)CAM(ComputerAidedManufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)，指計(jì)算機(jī)在產(chǎn)品制造過程中有關(guān)應(yīng)用的總稱。狹義CAM：指數(shù)控程序的編制，包括刀具路徑的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及NC代碼的生成等。廣義CAM：指利用計(jì)算機(jī)輔助從毛坯到產(chǎn)品制造過程中的直接和間接的活動(dòng)，可分為CAM直接應(yīng)用(也稱在線應(yīng)用)和CAM間接應(yīng)用(也稱離線應(yīng)用)。1.3CAD/CAM集成技術(shù)CAD和CAM兩項(xiàng)技術(shù)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里是按照各自的軌跡獨(dú)立發(fā)展起來的，在它們的形成和發(fā)展過程中，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域、用戶需求和技術(shù)環(huán)境，表現(xiàn)出了不同的發(fā)展水平和構(gòu)造模式。二者在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、軟件組織結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面存在很大差異，各系統(tǒng)之間很難自動(dòng)完成數(shù)據(jù)交換，由CAD生成的設(shè)計(jì)信息往往需要手工轉(zhuǎn)錄到CAPP、CAM系統(tǒng)中。效率低下，且難免發(fā)生錯(cuò)誤，從而嚴(yán)重阻礙了CAD、CAPP、CAM效益的發(fā)揮。所有的CAD/CAM功能都應(yīng)該與一個(gè)公共數(shù)據(jù)庫(kù)相連，應(yīng)用程序使用存儲(chǔ)在公共數(shù)據(jù)庫(kù)里的信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程編制、生產(chǎn)過程控制、質(zhì)量控制、生產(chǎn)管理等產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的信息集成。圖1.2CAD/CAM集成系統(tǒng)的總體模式2現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程與CAD/CAM的功能2.1現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程設(shè)計(jì)與制造的過程是一個(gè)關(guān)于產(chǎn)品信息的產(chǎn)生、處理、交換和管理的過程。人們利用計(jì)算機(jī)作為主要技術(shù)手段，對(duì)產(chǎn)品從構(gòu)思到投放市場(chǎng)的整個(gè)過程中的信息進(jìn)行分析和處理，生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息和圖形信息，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。CAD/CAM技術(shù)不僅是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造流程和方法的簡(jiǎn)單映像，而且該技術(shù)的應(yīng)用使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造模式發(fā)生了變化，形成了現(xiàn)代產(chǎn)品CAD/CAM模式。圖1.3現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM模式2.1現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程特點(diǎn)(1)建立了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造活動(dòng)的并行機(jī)制。在開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就可以分析該產(chǎn)品的可裝配性與可制造性(DFA&DFM)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)和制造的過程是集成的，所以能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各過程和環(huán)節(jié)中的問題并進(jìn)行修改。(2)每項(xiàng)設(shè)計(jì)制造活動(dòng)無論在廣度上還是深度上，其能力都得到大大加強(qiáng)。設(shè)計(jì)中普遍采用三維造型技術(shù)開展零部件的設(shè)計(jì)；采用虛擬裝配技術(shù)在計(jì)算機(jī)上完成裝配設(shè)計(jì)與仿真；采用有限元技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析；采用分析與仿真技術(shù)開展產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)和分析。一系列新技術(shù)的不斷產(chǎn)生和應(yīng)用(如逆向工程、快速原型制造、三維數(shù)字化測(cè)量、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了有力的保證。2.2CAD/CAM的主要功能為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程，需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造全過程的信息進(jìn)行處理，這些處理包括設(shè)計(jì)、制造中的數(shù)值計(jì)算、設(shè)計(jì)分析、繪圖、工程數(shù)據(jù)庫(kù)的管理、工藝設(shè)計(jì)、加工仿真等各個(gè)方面。1.產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助幾何建模幾何建模功能是CAD/CAM的核心功能。幾何建模所提供的有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各種信息是后續(xù)作業(yè)的基礎(chǔ)。幾何建模包括以下三部分內(nèi)容：零件的幾何造型產(chǎn)品的裝配建模DFX分析:包括DFA(面向裝配的設(shè)計(jì))、DFM(面向制造的設(shè)計(jì))、DFC(面向成本的設(shè)計(jì))、DFS(面向服務(wù)的設(shè)計(jì))等。2.產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)輔助工程分析運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析(Kinematics＆Dynamics)有限元分析(FiniteElementAnalysis)3.工程繪圖CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具備處理二維圖形的能力，包括基本視圖的生成、標(biāo)注尺寸、圖形的編輯及顯示控制等功能，以保證生成合乎生產(chǎn)實(shí)際要求、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品圖樣。目前三維CAD逐漸成為主流，這要求CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具有二、三維圖形的轉(zhuǎn)換功能，即從三維幾何造型直接轉(zhuǎn)換為二維圖形，并保持二維圖形與三維造型之間的信息關(guān)聯(lián)。計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)是連接CAD與CAM的橋梁。CAPP系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)決策出加工該產(chǎn)品所應(yīng)采用的加工方法、加工步驟、加工設(shè)備及加工參數(shù)。5．NC自動(dòng)編程CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具備三、四、五坐標(biāo)機(jī)床的加工產(chǎn)品零件的能力，能夠直接產(chǎn)生刀具軌跡，完成NC加工程序的自動(dòng)生成。6．模擬仿真模擬仿真是根據(jù)建立的產(chǎn)品數(shù)字化模型進(jìn)行產(chǎn)品的性能預(yù)測(cè)、產(chǎn)品的制造過程和可制造性分析的重要手段。工程數(shù)據(jù)處理和管理CAD/CAM工作時(shí)涉及大量種類繁多的數(shù)據(jù)，既有幾何圖形數(shù)據(jù)，又有產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)、生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)，既有靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，又有動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)能提供有效的管理手段，采用工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各種工程數(shù)據(jù)的管理，支持工程設(shè)計(jì)與制造全過程的信息流動(dòng)與交換。3CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用3.1CAD/CAM技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是相對(duì)獨(dú)立地先后發(fā)展起來的。20世紀(jì)50年代初期，美國(guó)麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室采用Whirlwind計(jì)算機(jī)研制成功了第一臺(tái)數(shù)控銑床，并實(shí)施APT(AutomaticallyProgrammedTools，自動(dòng)編程系統(tǒng))的開發(fā)。APT的出現(xiàn)被認(rèn)為是CAM的起源。CAD/CAM開發(fā)應(yīng)用階段(20世紀(jì)70～80年代)的發(fā)展具有如下特點(diǎn)：(1)小型成套系統(tǒng)(TurnkeySystems)的出現(xiàn)使CAD/CAM進(jìn)入了廉價(jià)的工業(yè)實(shí)用開發(fā)階段。(2)三維幾何造型和仿真軟件迅速發(fā)展，開發(fā)了許多面向中小企業(yè)的商品化CAD/CAM系統(tǒng)。(3)快速繪圖技術(shù)得到發(fā)展。(4)有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等商品化軟件的發(fā)展，使CAD/CAM從用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到用于工程設(shè)計(jì)。(5)發(fā)展了與制造過程相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，比如CAQ、MRP等。(6)計(jì)算機(jī)集中控制的自動(dòng)化制造系統(tǒng)—柔性制造系統(tǒng)(FMS)得以發(fā)展和應(yīng)用。3.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用1989年，美國(guó)權(quán)威科學(xué)家評(píng)出的25年間當(dāng)代10項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就中，CAD/CAM技術(shù)名列第4。登月應(yīng)用衛(wèi)星微處理器CAD/CAMCT高級(jí)復(fù)合材料噴氣客機(jī)激光光纖通信遺傳工程到20世紀(jì)90年代初，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用已進(jìn)入近百個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。航空航天、造船、汽車和機(jī)械制造等都是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)較早的工業(yè)部門。CAD/CAM技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用已取得了明顯的效益。在機(jī)械制造行業(yè)，應(yīng)用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶要求的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)與制造，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。在飛機(jī)制造和汽車工業(yè)中，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用更為普遍，使得國(guó)際上一些著名的企業(yè)已完全實(shí)現(xiàn)了無圖紙化生產(chǎn)。例如，美國(guó)波音777客機(jī)已100%實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維設(shè)計(jì)和制造，實(shí)現(xiàn)了無圖紙化生產(chǎn)。此之外，CAD/CAM技術(shù)還在建筑、輕紡、服裝設(shè)計(jì)與制造等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。4CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間、區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)了資源信息共享，異地、協(xié)同、虛擬設(shè)計(jì)和制造開始成為現(xiàn)實(shí)，這些都不斷推進(jìn)著CAD/CAM技術(shù)向更高的水平發(fā)展。當(dāng)今，CAD/CAM發(fā)展的重要趨勢(shì)是集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。1．集成化CAD/CAM技術(shù)集成化問題一直是CAD/CAM技術(shù)研究的重點(diǎn)。從CAD/CAM的信息集成、功能集成，發(fā)展為可實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品生命周期的過程集成，進(jìn)而向企業(yè)動(dòng)態(tài)集成、虛擬企業(yè)發(fā)展。信息集成主要實(shí)現(xiàn)單元技術(shù)自動(dòng)化孤島的連接，實(shí)現(xiàn)其信息交換與共享；過程集成通過并行工程等實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程的優(yōu)化；企業(yè)動(dòng)態(tài)集成通過敏捷制造模式來建立虛擬企業(yè)(動(dòng)態(tài)聯(lián)盟)，達(dá)到提升產(chǎn)品和企業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力的目的。計(jì)算機(jī)集成制造(ComputerIntegratedManufacturing，CIM)是CAD/CAM集成技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。CIM的最終目標(biāo)是以企業(yè)為對(duì)象，借助于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)，使企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備到生產(chǎn)實(shí)施及銷售過程中有關(guān)人、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理三要素及其形成的信息流、物流和價(jià)值流有機(jī)集成，并優(yōu)化運(yùn)行，從而達(dá)到產(chǎn)品上市快、高質(zhì)、低耗、服務(wù)好、環(huán)境清潔，進(jìn)而為企業(yè)贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的目的。智能化CAD/CAM技術(shù)將智能技術(shù)運(yùn)用于CAD領(lǐng)域目前已取得了令人矚目的進(jìn)展，智能CAD(IntelligentCAD，ICAD)已作為新的CAD概念迅速崛起。近幾年來，國(guó)內(nèi)外在開發(fā)ICAD方面做了大量工作，其應(yīng)用研究已遍及建筑、工程設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)等許多領(lǐng)域，新的思想和方法不斷出現(xiàn)，已成為現(xiàn)代CAD研究的熱門領(lǐng)域之一。在制造方面，人們一直著力于研究智能技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用，比如應(yīng)用智能控制實(shí)現(xiàn)對(duì)制造系統(tǒng)的控制，智能機(jī)器人的研究，作業(yè)的智能調(diào)度與控制，制造質(zhì)量信息的智能處理系統(tǒng)，智能監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)等。另外，智能化和集成化兩者之間存在著密切聯(lián)系，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，智能化是不可缺少的研究方向。3．網(wǎng)絡(luò)化CAD/CAM技術(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特別是Internet正在以令人驚奇的深度和廣度影響著制造業(yè)，對(duì)CAD/CAM技術(shù)的影響則更為巨大。引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把Internet作為系統(tǒng)的擴(kuò)展部分，是所有CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展方向?，F(xiàn)代制造企業(yè)往往分散于不同地域，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)需要各地的工程師密切合作。大型CAD/CAM系統(tǒng)為適應(yīng)這種分布式設(shè)計(jì)制造模式而提供了許多基于網(wǎng)絡(luò)的解決方案。通過Internet/Intranet，可以讓身處不同地理位置的工程師實(shí)時(shí)觀察、操作同一產(chǎn)品模型，進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品開發(fā)速度。支持團(tuán)隊(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)及并行設(shè)計(jì)是CAD/CAM系統(tǒng)所必須解決的首要問題，這已成為目前CAD/CAM系統(tǒng)重點(diǎn)研究與開發(fā)的功能。4．并行工程并行工程(ConcurrentEngineering)是隨著CAD/CAM和CIMS技術(shù)的發(fā)展而提出的一種新哲理和系統(tǒng)工程方法。并行地、集成地開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)及加工制造。要求產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有要求，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度、用戶要求等，以便最大限度地提高產(chǎn)品開發(fā)效率及一次成功率。作為并行工程主要使能工具的DFX技術(shù)的迅速發(fā)展，使得支持DFX的CAD/CAM技術(shù)的研究日趨活躍。4CAD/CAM系統(tǒng)4.1CAD/CAM系統(tǒng)組成與分類(1)CAD/CAM系統(tǒng)的組成CAD/CAM系統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)軟件支撐軟件應(yīng)用軟件按硬件和信息處理方式分類大型機(jī)（小型機(jī)）系統(tǒng)工程工作站和微機(jī)系統(tǒng)按支撐軟件規(guī)模分類（1）CAD系統(tǒng)（2）CAM系統(tǒng)（3）CAD/CAM系統(tǒng)按網(wǎng)絡(luò)使用情況分類單機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)特點(diǎn)4.2CAD/CAM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則4.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體原則（1）實(shí)用化原則（2）適度先進(jìn)性原則（3）系統(tǒng)性原則（4）整體設(shè)計(jì)與分步實(shí)施原則4.2.2系統(tǒng)中硬件設(shè)備的選用原則（1）系統(tǒng)功能CPU的能力內(nèi)、外存容量輸入、輸出性能圖形顯示和處理能力多種外部設(shè)備的接口聯(lián)網(wǎng)能力（2）系統(tǒng)的開放性和可移植性（3）系統(tǒng)的升級(jí)擴(kuò)展能力（4）系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性與服務(wù)質(zhì)量可靠性：給定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行不出錯(cuò)的概率可維護(hù)性：排除系統(tǒng)故障以及滿足新的要求的難易程度4.2.3系統(tǒng)中軟件的選用原則（1）系統(tǒng)功能與能力配置：按功能確定軟件模塊（2）軟件的性能價(jià)格比滿足要求運(yùn)行穩(wěn)定可靠容錯(cuò)性好人機(jī)界面友好價(jià)格相對(duì)合理的軟件（3）與硬件匹配原則：先選軟件，再選硬件版本：工作站版和微機(jī)版（4）二次開發(fā)環(huán)境軟件自身有語(yǔ)言能力及開發(fā)能力與高級(jí)語(yǔ)言（C、VC++）的接口（5）開放性與其它CAD/CAM系統(tǒng)的接口與通用數(shù)據(jù)庫(kù)的接口驅(qū)動(dòng)繪圖機(jī)及打印機(jī)繪圖的接口系統(tǒng)的應(yīng)用和擴(kuò)展（6）軟件商的綜合能力信譽(yù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力培訓(xùn)技術(shù)支持能力參考文獻(xiàn)[1]JorgeD.Camba,

ManuelContero,

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