《機(jī)械CAD CAM技術(shù)》課件第1章

第1章緒論1.1概述

1.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1.1概述

1.1.1CAD/CAM的基本概念

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign，CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用的兩個(gè)主要方面，是指在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)作為主要手段，代替人的手工勞動(dòng)和部分腦力勞動(dòng)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于CAD和CAM是緊密聯(lián)系和互相影響的兩個(gè)階段，聯(lián)系設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)環(huán)節(jié)的圖紙可以實(shí)現(xiàn)信息化，CAD的輸出結(jié)果常常作為CAM的輸入信息。因此，在發(fā)展過(guò)程中CAD和CAM就很自然地結(jié)合起來(lái)，逐漸趨于集成化，構(gòu)成統(tǒng)一的CAD/CAM系統(tǒng)，于是人們常把二者合稱為CAD/CAM。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)主要是指：使用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助一項(xiàng)設(shè)計(jì)的建立、修改、分析和優(yōu)化，即整個(gè)設(shè)計(jì)工作先由設(shè)計(jì)人員構(gòu)思，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)有關(guān)產(chǎn)品的大量資料進(jìn)行檢索，根據(jù)性能要求及有關(guān)數(shù)據(jù)、公式進(jìn)行計(jì)算、分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖形顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)設(shè)計(jì)方案或圖形作必要的修改，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

在沒(méi)有采用CAD技術(shù)之前，設(shè)計(jì)工作由設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的要求(用戶的要求或產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)想)，參考各種有關(guān)資料(各種參數(shù)、數(shù)據(jù)及制造標(biāo)準(zhǔn)等)、計(jì)算公式，考慮所采用的加工方法及生產(chǎn)設(shè)備條件，類比相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)思并擬訂產(chǎn)品的初步方案或結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行多次反復(fù)的計(jì)算分析、綜合比較，選定在經(jīng)濟(jì)性、工藝性和可靠性等方面較為合理完善的方案。根據(jù)這個(gè)初步設(shè)計(jì)繪制設(shè)計(jì)圖紙并編制有關(guān)文件資料(穿插著必要的設(shè)計(jì)修改、驗(yàn)算等)。這種設(shè)計(jì)方式不可避免地存在著以下一些不足之處：

(1)人工完成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)難以做到最佳(優(yōu)化)設(shè)計(jì)，僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，故只能停留在靠類比和估算來(lái)代替設(shè)計(jì)計(jì)算的階段上。

(2)設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，用于繁瑣、重復(fù)的手工計(jì)算、繪圖和編制表格，耗工費(fèi)時(shí)，拖長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。

(3)設(shè)計(jì)的精確性和可靠性受到了很大限制，影響了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(4)難以進(jìn)行精確的計(jì)算，設(shè)計(jì)中安全系數(shù)值較大，增大了材料的消耗。因此，這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已越來(lái)越不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的需要。由于市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品不斷提出各種各樣的要求，產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常迅速，生產(chǎn)向著多品種、中小批量方向發(fā)展。只有適應(yīng)這種日新月異的變化，努力追求T、C、Q、S、D，即以最短的交貨期(Time)、最小的成本(Cost),向市場(chǎng)推出質(zhì)量(Quality)最好的產(chǎn)品，同時(shí)為用戶提供最好的服務(wù)(Service)并不斷進(jìn)行新產(chǎn)品的研發(fā)(Developing)，企業(yè)才能在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中求得生存和發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必不可少的條件。一般來(lái)說(shuō)，能解決某類問(wèn)題的CAD系統(tǒng)應(yīng)具備以下三個(gè)條件：

(1)有較完備的數(shù)據(jù)庫(kù)。凡解決該類問(wèn)題所需的各種數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)曲線、表格等，都按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系存入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，以便于檢索調(diào)用或增刪修改。

(2)有較完備的程序庫(kù)，即將解決該類問(wèn)題所必需的各種計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析方法，包括通用方法和專用方法，都編制出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，并匯集備用。

(3)具備人機(jī)會(huì)話功能的交互式圖形系統(tǒng)，即能利用實(shí)時(shí)輸入/輸出裝置，如鍵盤、鼠標(biāo)、圖形顯示器、自動(dòng)繪圖儀器，實(shí)時(shí)輸入設(shè)計(jì)人員的有關(guān)指令和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸出設(shè)計(jì)圖樣及數(shù)據(jù)。一般認(rèn)為，CAD系統(tǒng)應(yīng)能完成的工作包括草圖設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)、工程圖樣設(shè)計(jì)、工程分析、真實(shí)感及渲染、數(shù)據(jù)交換等。

一個(gè)較完善的CAD系統(tǒng)由數(shù)值計(jì)算與處理、交互繪圖與圖形輸入輸出、存儲(chǔ)和管理設(shè)計(jì)制造信息的工程數(shù)據(jù)庫(kù)等三大模塊組成。近十年來(lái)，國(guó)際上推出的商用CAD系統(tǒng)種類繁多，功能近似或有一定差異。分析十幾種通用的CAD系統(tǒng)，可歸納其主要功能如下：

(1)造型功能。造型包括實(shí)體造型(SolidModeling)和曲面造型(SurfaceModeling)。系統(tǒng)應(yīng)具有定義和生成體素的能力，以及構(gòu)造實(shí)體模型的能力。系統(tǒng)還應(yīng)具有根據(jù)給定的離散數(shù)據(jù)和工程問(wèn)題的邊界條件來(lái)定義、生成、控制和處理過(guò)渡曲面與非矩形域曲面的拼合能力，提供曲面造型技術(shù)。

(2)二維與三維圖形的相互轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)反復(fù)修改、逐步逼近的過(guò)程。產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)需要三維圖形，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要用二維圖形，二維與三維圖形可進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，為設(shè)計(jì)繪圖提供了極其有力的工具。

(3)參數(shù)化設(shè)計(jì)。具有參數(shù)化設(shè)計(jì)功能的CAD系統(tǒng)，能使產(chǎn)品三維(包括二維)模型參數(shù)化，設(shè)計(jì)人員在任何階段修改尺寸時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成相應(yīng)實(shí)體形狀的改變。參數(shù)化設(shè)計(jì)能真正將初次設(shè)計(jì)從生產(chǎn)過(guò)程中分離出來(lái)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化減少零件的種類和數(shù)量，增加設(shè)計(jì)成果的儲(chǔ)備，以最快的速度適應(yīng)市場(chǎng)變化，滿足用戶的需求。

(4)三維幾何模型的顯示處理。系統(tǒng)應(yīng)具有動(dòng)態(tài)顯示模型、消隱、彩色濃淡處理的能力，以便設(shè)計(jì)人員能直接觀察、構(gòu)思和檢驗(yàn)產(chǎn)品模型，解決三維幾何模型的復(fù)雜空間布局問(wèn)題。

(5)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析和仿真。系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡干涉檢查的分析能力，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的能力。

(6)物體質(zhì)量特征計(jì)算?？筛鶕?jù)幾何模型計(jì)算相應(yīng)物體的體積、質(zhì)量、表面積、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、回轉(zhuǎn)半徑等幾何特性，為工程分析提供必要的基本參數(shù)和數(shù)據(jù)。

(7)有限元分析。系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)產(chǎn)品模型的應(yīng)力分布、強(qiáng)度、變形、振動(dòng)等進(jìn)行有限元分析的能力，以便為設(shè)計(jì)人員研究產(chǎn)品的受力、變形，描述應(yīng)力提供分析技術(shù)。

(8)優(yōu)化?？蓪?duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選，以保證產(chǎn)品具有現(xiàn)代化設(shè)計(jì)水平。

(9)極強(qiáng)的圖形處理功能。圖形處理功能包括畫圖、編輯功能，以及圖形輸出、標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化圖素、各類特征符號(hào)庫(kù)等。

(10)先進(jìn)的二次開(kāi)發(fā)工具。任何一種通用CAD系統(tǒng)都不可能同時(shí)滿足各行各業(yè)、各種情況的需要，因此CAD系統(tǒng)提供先進(jìn)、實(shí)用的二次開(kāi)發(fā)工具是非常必要的。

(11)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)應(yīng)具有處理和管理有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等方面信息的能力，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、管理的信息共享，并達(dá)到自動(dòng)檢索、快速存取、不同系統(tǒng)間傳輸和交換的目的。

實(shí)用的CAM系統(tǒng)大致分為以下兩類：

(1)?CAM的直接應(yīng)用。計(jì)算機(jī)與制造過(guò)程直接連接，對(duì)制造過(guò)程和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制。計(jì)算機(jī)監(jiān)視是指將計(jì)算機(jī)與制造過(guò)程連在一起，對(duì)制造過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行觀察以及在加工過(guò)程中收集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)并不直接控制操作。而計(jì)算機(jī)控制則是對(duì)制造過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行直接的控制。有些檔次較高的CAM系統(tǒng)既包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視，也包括計(jì)算機(jī)控制,形成了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。其具體內(nèi)容包括CNC、DNC、CAT、FMS和機(jī)床的自適應(yīng)控制(AdaptiveControl，AC)等。

(2)?CAM的間接應(yīng)用。計(jì)算機(jī)與制造過(guò)程不直接連接，而是以“脫機(jī)”(指設(shè)備不在計(jì)算機(jī)直接控制之下)工作方式提供生產(chǎn)計(jì)劃、進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備以及發(fā)出有關(guān)指令和信息等，通過(guò)這些可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行更有效的管理。在此過(guò)程中，用戶向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和程序，再按計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果去指導(dǎo)生產(chǎn)。其具體內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)輔助NC編程，加工過(guò)程刀具軌跡生成，計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助生成工時(shí)定額，計(jì)算機(jī)輔助安排材料需求計(jì)劃，計(jì)算機(jī)輔助車間(工段)管理等。

CAPP是指在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段給出的信息，人機(jī)交互地或自動(dòng)地確定產(chǎn)品加工方法和工藝過(guò)程。一般認(rèn)為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)和刀具夾具設(shè)計(jì)。

工序設(shè)計(jì)又包含機(jī)床和刀夾量具等的選擇、切削用量選擇、加工余量分配以及工時(shí)定額計(jì)算等。通過(guò)應(yīng)用CAPP，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)既可以全部或部分地進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，又能以迅速和一致的方式向用戶提供優(yōu)化的方案。目前，有些人認(rèn)為應(yīng)用計(jì)算機(jī)完成設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)值計(jì)算、有關(guān)分析及計(jì)算機(jī)繪圖就是CAD，利用軟件進(jìn)行自動(dòng)編程便是CAM，應(yīng)該說(shuō)這是對(duì)CAD/CAM技術(shù)的片面理解和不全面的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)是人類高度智能化的一種活動(dòng)，往往貫穿了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，包含產(chǎn)品的需求規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、生產(chǎn)規(guī)劃、營(yíng)銷設(shè)計(jì)、報(bào)廢回收等流程，從而最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到實(shí)物、從抽象到具體、從定性到定量的生產(chǎn)過(guò)程，設(shè)計(jì)中既有大量的數(shù)值計(jì)算，也有眾多的推理決策判斷。從設(shè)計(jì)方法角度看，設(shè)計(jì)可分為常規(guī)設(shè)計(jì)、革新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)等三類。目前，一般的CAD系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心、以交互圖形設(shè)計(jì)為手段,在建立產(chǎn)品幾何模型的基礎(chǔ)上，利用有限元和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析計(jì)算，而對(duì)推理和判斷卻做得不多，因此，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，計(jì)算機(jī)只是作為一種輔助的設(shè)計(jì)工具，許多推理判斷工作仍需由人工完成，所以人們將它稱為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

由于CAD/CAM技術(shù)是一個(gè)發(fā)展著的概念，不同地區(qū)、不同國(guó)家的學(xué)者從不同的角度出發(fā)，對(duì)CAD、CAM內(nèi)涵的理解也不完全相同，因此要給CAD、CAM下一個(gè)確切的定義并不容易。一般認(rèn)為，CAD是指工程技術(shù)人員在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，以計(jì)算機(jī)為輔助工具，通過(guò)計(jì)算機(jī)和CAD軟件對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、計(jì)算、仿真、優(yōu)化與繪圖,在這一過(guò)程中，把設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維、綜合判斷能力與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的記憶、數(shù)值計(jì)算、信息檢索等能力相結(jié)合，各盡所長(zhǎng)，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、繪圖等工作，最終達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的目的。CAD的功能可以大致歸納為四類，即幾何建模、工程分析、動(dòng)態(tài)模擬和自動(dòng)繪圖。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，一個(gè)完整的CAD系統(tǒng)應(yīng)由科學(xué)計(jì)算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫(kù)等組成?？茖W(xué)計(jì)算包括有限元分析、可靠性分析、動(dòng)態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等；圖形系統(tǒng)則包括幾何造型、自動(dòng)繪圖、動(dòng)態(tài)仿真等；工程數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造集成在一起，稱為CAD/CAM系統(tǒng)；把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程和計(jì)算機(jī)輔助制造集成在一起，稱為CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。現(xiàn)在很多CAD系統(tǒng)逐漸添加了CAM和CAE功能，所以工程界習(xí)慣上把CAD/CAE/CAM稱為CAD系統(tǒng)或CAD/CAM系統(tǒng)。一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程往往包括產(chǎn)品任務(wù)規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品試用、產(chǎn)品生產(chǎn)等階段，而計(jì)算機(jī)只是按用戶給定的算法完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造全過(guò)程中某些階段或某個(gè)階段中的部分工作，如圖1.1.1所示。圖1.1.1產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程及CAD、CAE、CAM的范圍1.1.2CAD/CAM集成的概念

近40年來(lái)，CAD、CAPP、CAM技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，幾乎深入到與生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)的所有領(lǐng)域，形成了許多計(jì)算機(jī)輔助的分散系統(tǒng)。如不考慮企業(yè)行政管理方面的因素，這些分散系統(tǒng)包括PPS、CAD、計(jì)算機(jī)輔助工程分析(ComputerAidedEngineering，CAE)、CAPP、CAM、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理(ComputerAidedQuality，CAQ)、計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(ComputerAidedFixtureDesign，CAFD)。這些獨(dú)立的分散系統(tǒng)，分別在產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)自動(dòng)化和數(shù)控編程自動(dòng)化等方面起到了重要作用。但是采用這些各自獨(dú)立的分散系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動(dòng)傳遞和交換，信息資源還不能共享。例如CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果不能直接為CAPP系統(tǒng)所接受，進(jìn)行工藝過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)，還需要人工將CAD輸出的圖樣文檔等信息轉(zhuǎn)換成CAPP系統(tǒng)所需要的輸入數(shù)據(jù)，這不但影響了效率的提高，而且在人工轉(zhuǎn)換中難免發(fā)生錯(cuò)誤。所以，隨著計(jì)算機(jī)日益廣泛深入的應(yīng)用，人們很快認(rèn)識(shí)到，只有當(dāng)CAD系統(tǒng)一次性輸入的信息及其產(chǎn)生的結(jié)果能為后續(xù)環(huán)節(jié)(如CAPP、CAM)繼續(xù)應(yīng)用時(shí)才是最經(jīng)濟(jì)和最合理的。為此,提出了CAD/CAPP/CAM集成的概念，并首先致力于CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞和轉(zhuǎn)換的研究，以便將已存在和使用的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)集成起來(lái)。目前，這一技術(shù)已達(dá)到實(shí)用和逐步成熟階段。

利用數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP、CAM集成的基本工作步驟如下：

(1)?CAD設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，繪制產(chǎn)品圖樣，為CAPP、CAM過(guò)程準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

(2)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成中性文件(如IGES、STEP文件)。

(3)?CAPP系統(tǒng)讀入中性文件，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需格式后生成零件工藝過(guò)程。

(4)?CAD、CAPP系統(tǒng)生成數(shù)控編程所需數(shù)據(jù)，并按一定標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的中性文件。

(5)?CAM系統(tǒng)讀入中性文件，并將其轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需格式后生成數(shù)控程序。

這樣所形成的集成系統(tǒng)表達(dá)為CAD/CAPP/CAM，也可簡(jiǎn)寫為CAD/CAM。

CAD、CAPP和CAM之間密切的關(guān)系，也即CAD/CAM系統(tǒng)所具有的三大功能之間的關(guān)系可用圖1.1.2所示的框圖來(lái)表示。圖1.1.2

CAD、CAPP和CAM之間的關(guān)系1.1.3產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程與CAD/CAM過(guò)程

產(chǎn)品是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心。對(duì)于產(chǎn)品有不同的定義和理解。首先從生產(chǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看，產(chǎn)品是從需求分析開(kāi)始，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程后變成可供用戶使用的成品，這一總過(guò)程也稱為產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程具體包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工、裝配過(guò)程。每一過(guò)程又劃分為若干個(gè)階段，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程可分為任務(wù)規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等四個(gè)階段；工藝設(shè)計(jì)過(guò)程可劃分為毛坯的確定，工件的定位與夾緊，工藝路線設(shè)計(jì)，工序設(shè)計(jì)，刀具、夾具、量具等的設(shè)計(jì)與選擇等階段；加工、裝配過(guò)程可劃分為數(shù)

控編程、加工過(guò)程仿真、數(shù)控加工、檢測(cè)、裝配、調(diào)試等階段。在上述各過(guò)程、階段內(nèi)，計(jì)算機(jī)獲得不同程度的應(yīng)用，并形成了相應(yīng)CAD/CAPP/CAM過(guò)程鏈，見(jiàn)圖1.1.3。按順序的生產(chǎn)觀點(diǎn)，這是一個(gè)串行的過(guò)程鏈，但按并行工程的觀點(diǎn)考慮到信息反饋，這也是一個(gè)交叉、并行的過(guò)程。圖1.1.3產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程與CAD/CAM過(guò)程 1.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1.2.1CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用

目前，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)滲透到工程技術(shù)和人類生活的幾乎所有領(lǐng)域，成為一個(gè)令人矚目的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，尤其是在機(jī)械、電子、航空、航天、兵器、汽車、船舶、電力、化工、建筑和服裝等行業(yè)應(yīng)用已較為普遍。CAD/CAM的發(fā)展把計(jì)算機(jī)的高速度、準(zhǔn)確性和大貯存量與技術(shù)人員的思維綜合分析能力結(jié)合起來(lái)，從而大幅度地提高了生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量，節(jié)約了原材料和能源，加速了產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。目前，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。我國(guó)近年來(lái)CAD/CAM技術(shù)的研究與應(yīng)用雖然已取得了可喜成績(jī)，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距依然很大。許多企業(yè)盡管引進(jìn)了CAD/CAM系統(tǒng)，但其功能卻沒(méi)能得以充分發(fā)揮。因此，我們應(yīng)抓緊時(shí)機(jī)，結(jié)合國(guó)情，積極開(kāi)展CAD/CAM技術(shù)的研究與推廣工作，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力，加快企業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的步伐。1.2.2CAD/CAM技術(shù)的歷史沿革

1.CAD/CAM集成技術(shù)的產(chǎn)生

CAD/CAM即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造，是一門基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的、與機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)相互滲透結(jié)合的、多學(xué)科綜合性的技術(shù)。它隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展、數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用及CAD/CAM軟件的日益完善，在電子、機(jī)械、航空、航天、輕工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1989年，美國(guó)國(guó)家工程科學(xué)院對(duì)1965～1989年的25年間當(dāng)代十項(xiàng)杰出工程技術(shù)成就進(jìn)行評(píng)選,CAD技術(shù)名列第四。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)曾在一篇報(bào)告中指出：“CAD/CAM對(duì)直接提高生產(chǎn)率比電氣化以來(lái)的任何發(fā)展都具有更大的潛力，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，將是提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵?！?/p>

CAD/CAM技術(shù)為什么能在短短的40余年間發(fā)展如此迅速呢？歸根到底是因?yàn)樗鼛缀跬苿?dòng)了整個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)革命，大大提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，縮短了產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)到上市的周期；同時(shí)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，用戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、價(jià)格、生產(chǎn)周期、服務(wù)、個(gè)性化等要求越來(lái)越高。對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商來(lái)說(shuō)，為了立足市場(chǎng)，必須使用先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，CAD/CAM技術(shù)便是首選之一。因此，作為先進(jìn)制造技術(shù)重要組成部分的CAD/CAM技術(shù)，它的發(fā)展及應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，尤其是模具CAD/CAM技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代大批量?jī)?yōu)質(zhì)生產(chǎn)更具有重要意義。

2.?CAD/CAM發(fā)展歷程

1)?CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展歷程

從CAD/CAM技術(shù)誕生至今，它的發(fā)展始終與計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟硬件水平及相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)(如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等)的發(fā)展緊密相連。因此，我們?cè)诹私釩AD技術(shù)發(fā)展歷程的同時(shí)，也需要了解當(dāng)時(shí)與CAD技術(shù)相關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展情況。在CAD技術(shù)和CAM技術(shù)誕生初期，它們是獨(dú)立發(fā)展的，而CAM技術(shù)的發(fā)展促使了CAD技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。

20世紀(jì)40年代末期，美國(guó)有一位叫約翰·帕森斯的工程師構(gòu)思并向美國(guó)空軍展示了一種加工方法：在一張硬紙卡上打孔來(lái)表示需要加工的零件的幾何形狀，利用這張硬紙卡來(lái)控制機(jī)床進(jìn)行零件的加工。當(dāng)時(shí)美國(guó)空軍正在尋找一種先進(jìn)的加工方法以解決飛機(jī)外形樣板加工的問(wèn)題，因此美國(guó)空軍對(duì)該構(gòu)思十分感興趣并大力贊助，同時(shí)委托麻省理工學(xué)院進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。1952年，麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室和帕森斯公司合作研制出了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床在用于飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓檢驗(yàn)樣板的加工中取得圓滿成功。它是用含有某種指令的特定程序控制其運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)工件加工的：首先由人工編好程序并輸入數(shù)控機(jī)床，然后執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)零件的自動(dòng)加工。用這種方法在編制復(fù)雜零件的加工程序時(shí)存在編程比較麻煩、周期長(zhǎng)且容易出錯(cuò)等缺點(diǎn)。因?yàn)槌绦蚓幹戚^難，所以限制了它的有效應(yīng)用。針對(duì)這些問(wèn)題，以該實(shí)驗(yàn)室D.T.Ross教授為首的研究小組開(kāi)始著手研究一種能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程的系統(tǒng)，即APT(AutomaticallyProgrammedTools)。APT是一套純文字的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，主要由幾何定義語(yǔ)句、刀具語(yǔ)句、宏指令與循環(huán)指令、輔助功能及說(shuō)明語(yǔ)句、輸入輸出語(yǔ)句組成。編程人員首先描述需要加工的零件形狀和刀具形狀、加工方法、加工參數(shù)等，然后編制出零件的加工程序。1969年，美國(guó)UnitedComputing公司成功地開(kāi)發(fā)出了APT軟件并取名為UNIAPT。APT軟件經(jīng)過(guò)軟件開(kāi)發(fā)商的發(fā)展，先后推出了APT-Ⅱ、APT-Ⅲ、APT-Ⅳ、APT-SS等版本，其功能不斷擴(kuò)充，APT-Ⅲ具有立體切削功能，APT-Ⅳ實(shí)現(xiàn)了曲曲面加工，APT-SS可雕刻表面。APT軟件以語(yǔ)句為結(jié)構(gòu)對(duì)加工零件的幾何形狀進(jìn)行描述和定義，以應(yīng)用軟件對(duì)語(yǔ)句進(jìn)行信息處理，最終生成零件的數(shù)控加工程序的工作原理，就是CAM技術(shù)的開(kāi)端。因此，早期的CAM主要用于解決程序編制問(wèn)題，APT也成為自動(dòng)編程的一種形式—以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程。

雖然以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程方法解決了不少編程問(wèn)題，但它仍存在許多明顯不足，如缺少對(duì)零件形狀和刀位軌跡進(jìn)行模擬驗(yàn)證的功能使得加工容易出錯(cuò)；程序編制時(shí)因?yàn)闆](méi)有圖形而不直觀，不能處理復(fù)雜零件尤其是有曲面的零件等。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著美國(guó)飛機(jī)制造業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)氣動(dòng)外形的準(zhǔn)確度要求逐漸提高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，人們開(kāi)始嘗試著使用一種新的制造方法—模線樣板工作法，即在鋁板上，按真實(shí)尺寸繪制飛機(jī)各部分的外形輪廓及與外形有關(guān)的結(jié)構(gòu)零件圖，再用這些模線圖制作樣板和工裝，從而保證了飛機(jī)零件制造和裝配的精度。在飛機(jī)制造中，這種方法取得了很好的效果，缺點(diǎn)是生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、手工勞動(dòng)量大。20世紀(jì)50年代中期，由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，一些飛機(jī)制造公司開(kāi)始嘗試用電子計(jì)算機(jī)建立飛機(jī)外形的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算切面數(shù)據(jù)，再用繪圖機(jī)輸出這些曲線。這種方法大大提高了飛機(jī)的制造精度，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低了人工工作量，這就是CAD技術(shù)的雛形。

CAD技術(shù)從出現(xiàn)至今大致經(jīng)歷了以下五個(gè)階段：

(1)孕育形成階段(20世紀(jì)50年代)。該階段最大的成果是：1950年麻省理工學(xué)院研制出了“旋風(fēng)Ⅰ號(hào)”(Whirlwind-Ⅰ)形顯示器，該顯示器類似于示波器。雖然它只能用于顯示簡(jiǎn)單的圖形且顯示精度很低，但它卻是CAD技術(shù)醞釀開(kāi)始的標(biāo)志。隨后，1958年Calcomp公司和Gerber公司先后研制出了滾筒式繪圖儀和平板式繪圖儀。顯示器和繪圖儀的發(fā)明，表明了該時(shí)期的硬件具有圖形輸出功能。

(2)快速發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代)。20世紀(jì)50年代末期,美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制出將雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)換為顯示器圖形的空中防御系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了光筆，操作者用它指向屏幕中的目標(biāo)圖形，即可獲得所需信息，這便是交互式圖形技術(shù)的開(kāi)端。

1962年，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了《Sketchpad：一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)》的博士論文,首次提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲(chǔ)符號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想。他開(kāi)發(fā)了人機(jī)對(duì)話式的二維圖形系統(tǒng)SKETCHPAD，第一次證實(shí)了人機(jī)對(duì)話工作的可能性，為CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。I.E.Sutherland的博士論文中所提出的CAD技術(shù)的思想，成了該時(shí)期的重大成果之一。計(jì)算機(jī)技術(shù)、交互式圖形技術(shù)等基礎(chǔ)理論的建立與發(fā)展、圖形輸入輸出設(shè)備(如光筆、圖形顯示器、繪圖儀等)的成功研制及對(duì)圖形數(shù)據(jù)處理方法的深入研究，大大推動(dòng)了CAD技術(shù)的完善和發(fā)展。一個(gè)有力證據(jù)就是商品化CAD軟件的出現(xiàn)和應(yīng)用。如1964年美國(guó)通用汽車公司和IBM公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的DAC-1(DesignAugmentedbyComputer)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于汽車外形和汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1965年，美國(guó)的IBM公司和洛克希德公司共同開(kāi)發(fā)了CADAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有三維造型和結(jié)構(gòu)分析能力，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、機(jī)械工業(yè)、飛機(jī)制造等行業(yè)。不過(guò)，該時(shí)期的CAD系統(tǒng)主要是二維系統(tǒng)，三維CAD系統(tǒng)也只是簡(jiǎn)單的線框造型系統(tǒng)，且規(guī)模龐大，價(jià)格昂貴。線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)幾何體基本的幾何信息，不能有效表達(dá)幾何體間的拓?fù)湫畔?，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)CAM和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)。

雖然CAD技術(shù)和CAM技術(shù)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中獨(dú)立發(fā)展的兩個(gè)分支，但隨著CAD技術(shù)、CAM技術(shù)在制造業(yè)中的推廣，二者間的相互結(jié)合顯得越來(lái)越迫切。CAD系統(tǒng)只有配合CAM，才能充分顯示它的巨大優(yōu)越性；同樣，CAM只有利用CAD技術(shù)所建立的幾何模型，才能進(jìn)一步發(fā)揮它的作用。20世紀(jì)60年代末至70年代初，一些外國(guó)公司開(kāi)始著手將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)進(jìn)行集成，建立一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用程序庫(kù)，并逐步形成統(tǒng)一的系統(tǒng)。UnitedComputing公司向一家專門從事圖形開(kāi)發(fā)的公司購(gòu)買其圖形系統(tǒng)ADAM，并將ADAM與自己開(kāi)發(fā)的UNIAPT軟件結(jié)合起來(lái)，成為一套新的系統(tǒng)，并取名為UNI-GRAPHICS。1973年10月，在底特律召開(kāi)的CAD/CAM會(huì)議上，UnitedComputing公司向外界發(fā)布了該系統(tǒng)。

(3)成熟推廣階段(20世紀(jì)70年代)。由于計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展，CAD技術(shù)進(jìn)入了成熟推廣時(shí)期，出現(xiàn)了一批專門從事CAD/CAM技術(shù)的公司，推出了具有代表性的CAD/CAM軟件：1970年，美國(guó)Applicon公司第一個(gè)推出了完整的CAD系統(tǒng)；法國(guó)Dassault公司開(kāi)發(fā)出基于表面模型的自由曲面建模技術(shù)，推出三維曲面造型軟件CATIA；美國(guó)GE公司開(kāi)發(fā)的CALMA；美國(guó)麥道飛機(jī)公司的UG等。1974年，人們開(kāi)始把CAD系統(tǒng)和生產(chǎn)管理及力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，1975年，發(fā)展為CAD/CAM集成系統(tǒng)。該時(shí)期CAD技術(shù)的應(yīng)用主要是“交鑰匙系統(tǒng)”(TurnkeySystem)，即軟件服務(wù)商提供以小型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、軟硬件齊備的CAD系統(tǒng)。曲面造型系統(tǒng)的出現(xiàn)是這一時(shí)期在CAD技術(shù)方面取得的重大成果，被認(rèn)為是第一次CAD技術(shù)革命。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)IBM公司和法國(guó)Dassault公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了CATIA系統(tǒng)，該系統(tǒng)以自由曲面造型方法表達(dá)零件的表面模型，使人們從簡(jiǎn)單的二維工程圖樣中解放出來(lái)。曲面造型技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，雖解決了CAM的表面加工問(wèn)題，但不能表達(dá)質(zhì)量、重心、體積、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等幾何物理量，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)CAE。

(4)廣泛應(yīng)用階段(20世紀(jì)80年代)。隨著微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，CAD系統(tǒng)逐漸開(kāi)始從小型計(jì)算機(jī)向微型計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化，這為CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好的硬件條件。這一時(shí)期在CAD技術(shù)方面主要的技術(shù)特征是實(shí)體造型理論的建立和幾何建模方法的出現(xiàn)，構(gòu)造實(shí)體幾何法(CSG)和邊界表示法(B-mp)等實(shí)體表示方法在CAD軟件開(kāi)發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。由于實(shí)體造型技術(shù)的出現(xiàn)，統(tǒng)一了CAD、CAE、CAM的表達(dá)模型，從而使得CAE技術(shù)成為可能并逐漸得到應(yīng)用。因此，實(shí)體造型技術(shù)被認(rèn)為是第二次CAD技術(shù)革命。1979年，SDRC公司開(kāi)發(fā)出了第一套基于實(shí)體造型技術(shù)的大型CAD/CAM軟件I-deas。

20世紀(jì)80年代中期，CV公司的一些技術(shù)人員提出了一種比無(wú)約束自由造型更新穎的造型技術(shù)—參數(shù)化設(shè)計(jì)，但CV公司否決了這一技術(shù)提案，參與策劃的技術(shù)人員便離開(kāi)了CV公司，成立了PTC公司，并于1988年推出全球第一套基于參數(shù)化造型技術(shù)的CAD/CAM軟件Pro/E，獲得巨大成功。參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)的主要特點(diǎn)是基于特征、全數(shù)據(jù)相關(guān)、全尺寸約束、尺寸驅(qū)動(dòng)。參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)成為CAD技術(shù)發(fā)展史中的第三次技術(shù)革命。

20世紀(jì)80年代后期，SDRC公司的技術(shù)人員對(duì)參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和探索。1990年，經(jīng)過(guò)幾年的研究探索之后，發(fā)現(xiàn)參數(shù)化技術(shù)存在不少缺點(diǎn)，如全尺寸約束這一要求大大限制了設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造能力的發(fā)揮。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Gossard教授提出一種新的造型技術(shù)—變量化設(shè)計(jì)。變量化設(shè)計(jì)采用非線性約束方程組聯(lián)立求解，設(shè)定初始值后用牛頓迭代法進(jìn)行精化；同時(shí)，變量化設(shè)計(jì)擴(kuò)大了約束的類型，除了幾何約束外，還引入力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等約束，使得求解過(guò)程不僅含有幾何問(wèn)題，也包含了工程實(shí)際問(wèn)題。眾所周知，已知全部參數(shù)的方程組進(jìn)行順序求解比較容易。而在欠約束情況下，方程聯(lián)立求解的數(shù)學(xué)處理和軟件實(shí)現(xiàn)的難度則大大增加。但是，經(jīng)過(guò)了三年的努力，1993年，SDRC公司推出了基于變量化設(shè)計(jì)的全新體系結(jié)構(gòu)的I-DEASMaterSeries軟件。變量化設(shè)計(jì)既保留了參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)(如基于特征、全數(shù)據(jù)相關(guān))，又克服了參數(shù)化設(shè)計(jì)的不足(如全尺寸約束)，因此，變量化設(shè)計(jì)技術(shù)被認(rèn)為是CAD的第四次技術(shù)革命。

CAM也由簡(jiǎn)單的NC機(jī)床逐步發(fā)展成CNC、DNC、FMS等。在生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作和組織管理方面也出現(xiàn)了CAPP、CAFD、計(jì)算機(jī)輔助編程、PPS、CAQ等一系列獨(dú)立的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)化管理等。

(5)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化階段(20世紀(jì)80年代后)。隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化愈顯迫切和重要。從1977年推出CORE圖形標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，陸續(xù)出現(xiàn)了與應(yīng)用程序接口有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、與圖形存儲(chǔ)和傳輸有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和與虛擬設(shè)備接口有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的制訂和采用對(duì)CAD技術(shù)的推廣起到了重要的作用。

將人工智能AI(ArtificialIntelligence)引入CAD系統(tǒng)是CAD技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，這種結(jié)合大大提高了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。專家系統(tǒng)ES(ExpertSystem)是人工智能在產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)中最早獲得成功應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始階段，特別是在概念設(shè)計(jì)和構(gòu)思評(píng)價(jià)階段起到了積極的作用。

CAD技術(shù)與CAM、CAE等技術(shù)的集成形成了廣義的CAD/CAM系統(tǒng)。CAD/CAM系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了信息集成和功能集成，CIMS則是更高層次的集成。它包括了產(chǎn)品幾何、加工、管理等全方位的信息。

2)?CAE技術(shù)的發(fā)展歷程

CAE是指以現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)仿真為手段，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工程分析并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)。這里所指的工程分析包括有限元分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析、應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、電磁場(chǎng)分析等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，CAD技術(shù)完成了產(chǎn)品的幾何模型的建立，但是對(duì)于設(shè)計(jì)是否合理、產(chǎn)品能否滿足工程應(yīng)用要求，則需對(duì)模型進(jìn)行工程分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化，并根據(jù)需要對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的修改，使產(chǎn)品最終滿足有關(guān)要求。CAE是CAD/CAM進(jìn)行集成的一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，因此有些學(xué)者認(rèn)為CAE應(yīng)屬于廣義CAD的重要組成部分，目前在大型商業(yè)化CAD/CAM軟件中，CAE是該軟件的重要功能模塊。

CAE技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。

(1)技術(shù)探索階段(20世紀(jì)60～70年代)。20世紀(jì)50年代,飛機(jī)逐漸由螺旋槳式向噴氣式轉(zhuǎn)變。為了確定高速飛行的噴氣式飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)，必須對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行精確的分析計(jì)算。1956年，美國(guó)波音飛機(jī)公司開(kāi)發(fā)了一種新的計(jì)算方法—有限元法，并把它應(yīng)用于飛機(jī)生產(chǎn)；1967年，SDRC公司成立并于1968年發(fā)布了世界上第一個(gè)動(dòng)力學(xué)測(cè)試及模態(tài)分析軟件包；1970年，SASI公司成立，開(kāi)發(fā)了ANSYS軟件。

(2)蓬勃發(fā)展階段(20世紀(jì)70～80年代)。1977年，MDI公司成立，其主導(dǎo)軟件ADAMS廣泛應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析；1978年，ABAQUS軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)非線性分析；1982年，CSAR公司成立，所開(kāi)發(fā)的CSA/Nastran軟件主要應(yīng)用于大結(jié)構(gòu)、流-固耦合、熱學(xué)、噪聲分析等；1989年，ES-KD公司成立，發(fā)展了P法有限元程序。

(3)成熟推廣階段(20世紀(jì)90年代)。CAE軟件開(kāi)發(fā)公司注意不斷增強(qiáng)自身CAE軟件的前、后置處理能力并積極開(kāi)發(fā)與應(yīng)用CAD軟件的專用接口，使CAE技術(shù)逐漸走上了與CAD/CAM集成的軌道。1.2.3CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1.?CIMS

CIMS是CAD/CAM集成技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。它是一種計(jì)算機(jī)化、信息化、集成化、智能化的制造系統(tǒng)，是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)活動(dòng)所需的各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來(lái)，能適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的高柔性的先進(jìn)制造系統(tǒng)。它能有效地縮短生產(chǎn)周期，強(qiáng)化人、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理之間的密切聯(lián)系，減少再制品，壓縮流動(dòng)資金，提高企業(yè)的整體效益。應(yīng)用CIMS輸入的是產(chǎn)品的要求和信息，輸出的則是制造好的合格產(chǎn)品。在CIMS中，人參與的工作會(huì)更少，這是未來(lái)工廠自動(dòng)化的前景。CIMS的核心技術(shù)是CAD/CAM技術(shù)。

CIMS的核心是實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)總體優(yōu)化，產(chǎn)品達(dá)到上市快、質(zhì)量高、成本低、服務(wù)好的標(biāo)準(zhǔn)，從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力與生存能力。

CIMS又稱計(jì)算機(jī)綜合制造系統(tǒng)，它是在網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)支持下，由以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為核心的工程信息處理系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)輔助制造為中心的加工、裝配、檢測(cè)、儲(chǔ)運(yùn)、監(jiān)控自動(dòng)化工藝系統(tǒng)和經(jīng)營(yíng)管理信息系統(tǒng)所組成的綜合體。

2.智能化CAD/CAM系統(tǒng)

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，除了集成化之外，人們還將人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)應(yīng)用于CAD/CAM系統(tǒng)中，形成智能化的CAD/CAM系統(tǒng)，使其具有人類專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和判斷功能及智能化的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和語(yǔ)言能力，從而解決那些以前必須由人類才能解決的復(fù)雜問(wèn)題。因此,基于知識(shí)的智能化的專家系統(tǒng)也是CAD/CAM的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程是需要建立在大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。所謂專家系統(tǒng)，就是一個(gè)存貯有大量知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)庫(kù)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)來(lái)源于很多有關(guān)的人類專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。專家系統(tǒng)應(yīng)用人工智能技術(shù)，使計(jì)算機(jī)能夠在一定程度上代替人進(jìn)行推理、判斷和模擬人設(shè)計(jì)的思維過(guò)程，從而解決那些以前必須由人才能解決的復(fù)雜問(wèn)題。一個(gè)成功的專家系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力可以達(dá)到甚至于超過(guò)單個(gè)人類專家的水平。此外，專家系統(tǒng)具有對(duì)所選擇的方案進(jìn)行解釋的功能。一些應(yīng)用實(shí)例表明，借助于基于知識(shí)的專家系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以從中學(xué)到本身不具備的知識(shí)。專家系統(tǒng)的出現(xiàn)，將計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用推向了一個(gè)全新的發(fā)展階段。這是一個(gè)具有巨大潛在意義的發(fā)展方向，它可以在更高的創(chuàng)造性思維活動(dòng)層次上，給技術(shù)人員以更有效的幫助。

3.并行工程

并行工程(ConcurrentEngineering)是隨著CAD/CAM、CIMS技術(shù)發(fā)展提出的一種新的系統(tǒng)工程方法。這種方法的思路，就是并行的、集成的設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其開(kāi)發(fā)的過(guò)程。它要求開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)階段就考慮產(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(kāi)發(fā)效率及一次成功率。并行工程的關(guān)鍵是用并行設(shè)計(jì)方法代替串行方法(順序法)，圖1.2.1為兩種方法示意圖。由圖1.2.1可見(jiàn)，在串行方法中信息流向是單向的；而在并行法中，信息流向是雙向的。圖1.2.1兩種設(shè)計(jì)方法示意圖

4.分布式網(wǎng)絡(luò)化

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代的標(biāo)志。所謂計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，就是用通信線路和通信設(shè)備將分散在不同地點(diǎn)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)，按一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來(lái)。這些功能使獨(dú)立的計(jì)算機(jī)按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)資源共享。CAD/CAM技術(shù)日趨成熟，可應(yīng)用于越來(lái)越大的項(xiàng)目。由于這類項(xiàng)目往往不是一個(gè)人，而是多個(gè)人、多個(gè)企業(yè)在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上協(xié)同完成，因此分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)非常適用于CAD/CAM的作業(yè)方式。同時(shí)，隨著Internet網(wǎng)的發(fā)展，可針對(duì)某一特定產(chǎn)品，將分散在不同地區(qū)的現(xiàn)有智力資源和生產(chǎn)設(shè)備資源迅速組合，建立動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的制造體系，以適應(yīng)全球化制造的發(fā)展趨勢(shì)。

5.先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造方法得到應(yīng)用和推廣

1)面向X的設(shè)計(jì)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，各企業(yè)已越來(lái)越重視快速推出新產(chǎn)品以占領(lǐng)市場(chǎng)，因此新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率也越來(lái)越受到關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在新產(chǎn)品的各種方案中只有6.5%能夠制造出實(shí)際產(chǎn)品，而制造出的產(chǎn)品能夠商品化的比例一般不足15%，商品化的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后一般又約有半數(shù)未能獲得成功，這樣一來(lái)，新產(chǎn)品方案中真正能成功的不到0.5%。人們對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了研究之后，發(fā)現(xiàn)造成這種狀況的主要原因之一是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段只是注重了設(shè)計(jì)本身，而對(duì)產(chǎn)品在制造、裝配、成本、質(zhì)量、經(jīng)營(yíng)、銷售、維修等方面的影響因素考慮不夠，這就埋下了“隱患”。為在產(chǎn)品的策劃設(shè)計(jì)階段就能對(duì)后續(xù)階段可能出現(xiàn)的諸多影響因素加以全面的考慮，產(chǎn)生了面向X的設(shè)計(jì)，即DFX(DesignForX)，其中X可以代表產(chǎn)品生命周期中的各種因素，如制造、裝配、成本、質(zhì)量、檢驗(yàn)、經(jīng)營(yíng)、銷售、環(huán)境、使用、維修等。

DFX使設(shè)計(jì)者在早期就能考慮設(shè)計(jì)決策對(duì)后續(xù)的影響。目前較為成熟的DFX技術(shù)有：

(1)面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)。此處的制造在習(xí)慣上一般是取它的狹義定義，即主要包括加工和裝配兩個(gè)方面，因此又可分為面向加工的設(shè)計(jì)(DFM)和面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)。前者強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮加工因素，即可加工性和加工的經(jīng)濟(jì)性；后者則要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮裝配因素，即可裝配性、裝配的經(jīng)濟(jì)性。

(2)面向質(zhì)量的設(shè)計(jì)(DFQ)。它強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就綜合考慮到一切與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的活動(dòng)，將質(zhì)量管理與控制活動(dòng)融入設(shè)計(jì)中，保證設(shè)計(jì)的完善性。

(3)面向成本的設(shè)計(jì)(DFC)。它在設(shè)計(jì)階段綜合考慮產(chǎn)品生命周期中的加工制造、裝配、檢測(cè)、維護(hù)等多種成本因素，并根據(jù)成本原因及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，從而達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的。

(4)面向維修的設(shè)計(jì)(DFS)。它要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就充分考慮產(chǎn)品的維護(hù)、保養(yǎng)和維修問(wèn)題，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)中要包括維護(hù)簡(jiǎn)單、保養(yǎng)方便、修理工作容易進(jìn)行等。由于產(chǎn)品的維修一般都涉及產(chǎn)品的拆卸和重裝，因此DFS要考慮如何降低拆卸和重裝的難度，減少維修的時(shí)間，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)、盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，以降低維修的成本。

(5)面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(DFE)。它的基本目標(biāo)是設(shè)計(jì)制造綠色產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，消耗的資源最少，對(duì)操作者的危害最低，產(chǎn)品可以回收利用，以節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。

2)綠色設(shè)計(jì)與制造

自20世紀(jì)中期尤其是70年代以來(lái)，全球性環(huán)境惡化達(dá)到了很嚴(yán)重的程度，引起人們的極大憂慮。面對(duì)日益嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)，人們不得不共同采取行動(dòng)來(lái)保護(hù)環(huán)境，以確保人類社會(huì)能持續(xù)健康發(fā)展。由此，綠色設(shè)計(jì)和綠色制造技術(shù)獲得了顯著的發(fā)展。

綠色設(shè)計(jì)又稱生態(tài)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、生命周期設(shè)計(jì)或環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)等，是由綠色產(chǎn)品而引申出的一種設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品能否達(dá)到綠色標(biāo)準(zhǔn)要求，其決定因素是該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)是

否采用綠色設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常主要是根據(jù)產(chǎn)品基本屬性(功能、質(zhì)量、壽命、成本)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則是：產(chǎn)品易于制造并滿足所要求的功能、性能，而較少或基本沒(méi)有考慮資源再生利用以及產(chǎn)品對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。這樣設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造出來(lái)的產(chǎn)品，在其使用壽命結(jié)束后回收利用率低，資源、能源浪費(fèi)嚴(yán)重，特別是其中的有毒、有害物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，影響生產(chǎn)發(fā)展的持續(xù)性。綠色設(shè)計(jì)是這樣一種設(shè)計(jì)，即在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)，著重考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等)，并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足環(huán)境目標(biāo)的同時(shí)，保證產(chǎn)品應(yīng)有的基本功能、使用壽命、質(zhì)量等。綠色設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必須按環(huán)境保護(hù)的指標(biāo)選用合理的原材料、結(jié)構(gòu)和工藝，在制造和使用過(guò)程中降低能耗、不產(chǎn)生毒副作用，其產(chǎn)品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生產(chǎn)。

綠色設(shè)計(jì)不僅停留在技術(shù)層面上，更體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的思維和原則方面，堅(jiān)持以人為中心、以自然為本的綠色思維，建立綠色產(chǎn)品和清潔生產(chǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建并完善綠色產(chǎn)品的服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。綠色設(shè)計(jì)必須遵循一定的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)程序，其中包括：環(huán)境規(guī)章評(píng)價(jià)，環(huán)境污染鑒別，環(huán)境問(wèn)題的提出，減少污染、滿足用戶要求的替代方案，替代方案的技術(shù)與商業(yè)評(píng)估等。綠色設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮這樣的問(wèn)題：制造過(guò)程中可能產(chǎn)生的廢棄物是什么，有毒成分的可能替代物是什么，報(bào)廢產(chǎn)品如何管理，設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品回收性有什么影響，零件材料對(duì)環(huán)境有何影響，用戶怎樣使用產(chǎn)品等。

綠色設(shè)計(jì)所關(guān)心的目標(biāo)除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)外，還有兩個(gè)：一是防止影響環(huán)境的廢棄物產(chǎn)生；二是良好的材料管理。也就是說(shuō)，避免廢棄物產(chǎn)生，用再造加工技術(shù)或廢棄物管理方法協(xié)調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使零件或材料在產(chǎn)品達(dá)到壽命周期時(shí)，以最高的附加值回收并重復(fù)利用。綠色設(shè)計(jì)通常有以下三個(gè)主要階段：

(1)跟蹤材料流，確定材料輸入與輸出之間的平衡。

(2)對(duì)特殊產(chǎn)品或產(chǎn)品種類分配環(huán)境費(fèi)用，并確定相應(yīng)的產(chǎn)品價(jià)值。

(3)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)性研究，而不是將注意力集中在產(chǎn)品本身。

從產(chǎn)品的整體質(zhì)量考慮，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)只根據(jù)物理目標(biāo)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而應(yīng)以產(chǎn)品為用戶提供的服務(wù)或損害為主要依據(jù)。綠色設(shè)計(jì)是基于綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程起著舉足輕重的作用。它包括了產(chǎn)品壽命周期中與環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等有關(guān)的一切數(shù)據(jù)，如材料成分、各種材料對(duì)環(huán)境的影響值、材料自然降解周期、人工降解周期、費(fèi)用，制造、裝配、銷售、使用過(guò)程中所產(chǎn)生的附加物數(shù)量及對(duì)環(huán)境的影響值，環(huán)境評(píng)估準(zhǔn)則所需的各種判斷標(biāo)準(zhǔn)等。

綠色設(shè)計(jì)的原則包括資源最佳利用原則