《機(jī)械CADCAM》課件第1章

第1章緒論1.1CAD/CAM技術(shù)的基本概念1.2現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程與CAD/CAM的功能1.3CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用1.4CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)習(xí)題與思考題

1.1CAD/CAM技術(shù)的基本概念1.1.1CAD/CAM技術(shù)的定義產(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。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。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(ComputerAidedDesign&ComputerAidedManufacturing)簡(jiǎn)稱CAD/CAM，是指以計(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。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。CAD/CAM的定義范疇如圖1.1所示。圖1.1CAD/CAM的定義范疇由圖可知，CAD的概念涉及設(shè)計(jì)構(gòu)思、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)；CAPP的概念涉及生產(chǎn)計(jì)劃和工藝設(shè)計(jì)；CAM的概念涉及數(shù)控編程、加工過程、裝配和檢測(cè)等。

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。一般認(rèn)為，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。

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)。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)和工時(shí)定額計(jì)算等。其中，工序設(shè)計(jì)又包含裝夾設(shè)備的選擇或設(shè)計(jì)，加工余量分配，切削用量選擇，機(jī)床、刀具和夾具的選擇，必要的工序圖生成等。

CAM(ComputerAidedManufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)目前尚無統(tǒng)一的定義，一般而言，是指計(jì)算機(jī)在產(chǎn)品制造過程中有關(guān)應(yīng)用的總稱。CAM有廣義和狹義之分。狹義CAM通常僅指數(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一般是指利用計(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)。CAM的直接應(yīng)用主要包括計(jì)算機(jī)對(duì)制造過程的監(jiān)視與控制。CAM的間接應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)與制造、NC自動(dòng)編程、計(jì)算機(jī)輔助物料需求計(jì)劃編制、計(jì)算機(jī)輔助工時(shí)定額和材料定額編制、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制等。1.1.2CAD/CAM集成技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)和制造是密切相關(guān)的，制造階段所需的信息和數(shù)據(jù)大多來自設(shè)計(jì)階段，因此，對(duì)制造和設(shè)計(jì)來說，這些數(shù)據(jù)和信息應(yīng)該是共享的。但是，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，這樣不但效率低下，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。為此，自20世紀(jì)70年代后期，業(yè)界就開始研究CAD、CAPP和CAM之間的信息和數(shù)據(jù)的傳遞、轉(zhuǎn)換與共享技術(shù)，將CAD、CAPP、CAM集成起來，形成一體化的CAD/CAM集成系統(tǒng)，這就是CAD/CAM集成技術(shù)。自20世紀(jì)80年代起，出現(xiàn)了一大批工程化的CAD/CAM集成軟件系統(tǒng)，其中較著名的有CATIA、UG?Ⅱ、I-DEAS、Pro/E等，它們?cè)跈C(jī)械、航空航天、造船等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是自20世紀(jì)90年代以來，CAD/CAM系統(tǒng)的集成度不斷增加，使得CAD/CAM系統(tǒng)能夠發(fā)揮更高的效益。理想的CAD/CAM集成化系統(tǒng)的模式如圖1.2所示。所有的CAD/CAM功能都應(yīng)該與一個(gè)公共數(shù)據(jù)庫相連，應(yīng)用程序使用存儲(chǔ)在公共數(shù)據(jù)庫里的信息，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。

CAD/CAM集成技術(shù)作為工業(yè)技術(shù)界公認(rèn)的重要課題之一，得到了廣泛的研究并取得了很大的進(jìn)展，有些技術(shù)已達(dá)到了實(shí)用的水平。圖1.2CAD/CAM集成系統(tǒng)的總體模式1.2現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程與

CAD/CAM的功能1.2.1現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度而言，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。該模式如圖l.3所示。圖1.3現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM模式

1．創(chuàng)意該環(huán)節(jié)進(jìn)行需求分析，并生成產(chǎn)品的概念和功能創(chuàng)意。

2．構(gòu)思、草繪該環(huán)節(jié)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)和原理設(shè)計(jì)在條件具備時(shí)可以由方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)輔助完成；工業(yè)設(shè)計(jì)可在2D和3D工業(yè)設(shè)計(jì)軟件的輔助下，結(jié)合人工的創(chuàng)造性工作完成產(chǎn)品外觀造型。

3．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與工程分析該環(huán)節(jié)應(yīng)用CAD技術(shù)展開詳細(xì)設(shè)計(jì)、分析與計(jì)算，包括裝配設(shè)計(jì)、零件造型設(shè)計(jì)、工程計(jì)算與有限元分析等。這是現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)模式中最有代表性的活動(dòng)。

4．快速成型制造在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中，產(chǎn)品只有在接近完成時(shí)才能成為看得見摸得著的產(chǎn)品，而快速成型制造(也稱快速原型制造)應(yīng)用數(shù)字化制造原理提供了一種廉價(jià)和快速產(chǎn)生接近于真實(shí)的產(chǎn)品的方法。在快速成型制造中，人們利用快速成型設(shè)備，以非切削加工的方法，直接根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，快速而廉價(jià)地生成和實(shí)際設(shè)計(jì)的產(chǎn)品形狀、尺寸一致的產(chǎn)品模型，供人們分析和評(píng)價(jià)，借此發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題和進(jìn)行多個(gè)設(shè)計(jì)方案比較。

5．計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)該環(huán)節(jié)應(yīng)用計(jì)算機(jī)取代工藝人員設(shè)計(jì)并編寫產(chǎn)品的加工和裝配工藝，這樣編制的工藝更合理，工藝文件更規(guī)范，提高了質(zhì)量和效率。

6．計(jì)算機(jī)輔助制造現(xiàn)代產(chǎn)品的制造手段和傳統(tǒng)加工方法的重要區(qū)別，是大量采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件的加工。數(shù)控機(jī)床的各種加工動(dòng)作靠數(shù)控程序設(shè)置并通過計(jì)算機(jī)來控制，計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控代碼的自動(dòng)生成和正確性檢驗(yàn)，大大提高了數(shù)控編程的質(zhì)量和效率。各種數(shù)控加工設(shè)備和裝配機(jī)器人的使用，使得產(chǎn)品加工和裝配過程的效率、質(zhì)量相對(duì)于傳統(tǒng)方法都有著質(zhì)的提高。

7．逆向工程與數(shù)字化測(cè)量逆向工程也稱為反求工程，是指設(shè)計(jì)和制造者在只有實(shí)物樣件而沒有圖紙或CAD模型數(shù)據(jù)的情況下，通過對(duì)已有實(shí)物的數(shù)字化測(cè)量和工程分析，得到重新制造產(chǎn)品所需的幾何模型、物理和材料特性數(shù)據(jù)，從而復(fù)制出已有產(chǎn)品的過程。這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)字模型的技術(shù)，已發(fā)展成為CAD/CAM技術(shù)中相對(duì)獨(dú)立的重要技術(shù)?？捎萌S數(shù)字化測(cè)量的方法對(duì)產(chǎn)品樣件或創(chuàng)作的實(shí)物原型進(jìn)行測(cè)量，從而獲得計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)的各種分析、設(shè)計(jì)和計(jì)算。三維數(shù)字化測(cè)量工作目前主要在坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備上完成。典型的坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備有接觸式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、接觸式多自由度測(cè)量臂、激光測(cè)量?jī)x等。這些測(cè)量設(shè)備上配備有功能強(qiáng)大的測(cè)量軟件系統(tǒng)，可完成各類測(cè)量任務(wù)。

8．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)技術(shù)可以使人們“沉浸”在計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的虛擬環(huán)境中，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和分析。VR技術(shù)的應(yīng)用，為CAD/CAM提供了真實(shí)感更強(qiáng)的工作環(huán)境，為創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供了良好的運(yùn)行條件與機(jī)制。圖1.4所示是虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的應(yīng)用。圖1.4虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程有如下特點(diǎn)：

(1)建立了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造活動(dòng)的并行機(jī)制。通過自上而下的關(guān)聯(lián)和自下而上的反饋機(jī)制，現(xiàn)代產(chǎn)品的CAD/CAM過程可確保設(shè)計(jì)制造活動(dòng)的整體正確性。例如，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)。同時(shí)，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。這種機(jī)制由圖1.3中各實(shí)線和虛線箭頭表示。

(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)。例如：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。

(3)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。

CAD/CAM過程的基本特征如下所述：

(1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造環(huán)境的計(jì)算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化。幾乎每一項(xiàng)設(shè)計(jì)制造活動(dòng)都是借助計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)在不同人員、不同部門、不同地點(diǎn)之間，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的設(shè)計(jì)制造平臺(tái)，建立了密切的聯(lián)系。

(2)設(shè)計(jì)制造對(duì)象的數(shù)字化。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造模型在計(jì)算機(jī)中以電子數(shù)據(jù)的形式保存，各個(gè)設(shè)計(jì)制造活動(dòng)都是對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行操作、處理，并生成新的數(shù)據(jù)。

(3)制造過程的數(shù)字化。CAD/CAM使產(chǎn)品的加工、成型、裝配、測(cè)量等制造過程實(shí)現(xiàn)了數(shù)字指令控制，產(chǎn)生了“無紙化”制造。1.2.2CAD/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)庫的管理、工藝設(shè)計(jì)、加工仿真等各個(gè)方面。一般而言，CAD/CAM應(yīng)具備的基本功能如下。

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：

(1)零件的幾何造型：在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造出零件的三維幾何結(jié)構(gòu)模型，并能夠以真實(shí)感很強(qiáng)的方式顯示零件的三維效果，供用戶隨時(shí)觀察、修改模型?，F(xiàn)階段對(duì)CAD/CAM的幾何造型功能的要求是，不但應(yīng)具備完善的實(shí)體造型和曲面造型功能，更重要的是應(yīng)具備很強(qiáng)的參數(shù)化特征造型功能。

(2)產(chǎn)品的裝配建模：在計(jì)算機(jī)中構(gòu)造產(chǎn)品及部件的三維裝配模型,解決三維產(chǎn)品模型的復(fù)雜的空間布局問題，完成三維數(shù)字化裝配并進(jìn)行裝配及干涉分析，分析和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可裝配性，避免真實(shí)裝配中的種種問題；對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部零部件之間及機(jī)構(gòu)與周圍環(huán)境之間的干涉碰撞分析檢查，避免各種可能存在的干涉碰撞問題。

(3)?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。在零部件設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用DFX技術(shù)在計(jì)算機(jī)中分析和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可裝配性和可制造性，可以避免一切導(dǎo)致后續(xù)制造困難或制造成本增加等不合理的設(shè)計(jì)。

2．產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)輔助工程分析采用產(chǎn)品的三維幾何模型和裝配模型可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行深入準(zhǔn)確的分析，這種分析的深度和廣度是手工設(shè)計(jì)方法無法比擬的，并且，可以采用豐富多彩的手段把分析結(jié)果表示出來，非常形象直觀。常用的工程分析內(nèi)容包括：

(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析(Kinematics＆Dynamics)。對(duì)機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度以及關(guān)節(jié)的受力進(jìn)行自動(dòng)分析，并以形象直觀的方式在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，從而全面了解機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能和運(yùn)動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，進(jìn)行修改。

(2)有限元分析(FiniteElementAnalysis)。結(jié)構(gòu)分析常用的方法是有限元法，用有限元法對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜/動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)度、振動(dòng)、熱變形、磁場(chǎng)、流場(chǎng)等進(jìn)行分析計(jì)算。

(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)(Optimization)。為了追求產(chǎn)品的性能，不僅希望設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是可行的，而且希望設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是最優(yōu)的，比如，體積最小、重量最輕、壽命最合理，等等。因此，CAD/CAM應(yīng)具有優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。優(yōu)化包括總體方案的優(yōu)化、產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、工藝參數(shù)的優(yōu)化等。

3．工程繪圖在現(xiàn)階段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果往往需要用產(chǎn)品圖樣形式來表達(dá)，因此，CAD/CAD系統(tǒng)的工程繪圖功能必不可少。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)。

4．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)能根據(jù)建模后生成的產(chǎn)品信息及制造要求，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)。CAPP的設(shè)計(jì)結(jié)果一方面能被生產(chǎn)實(shí)際采用，生成工藝卡片文件；另一方面能直接輸出一些信息，為CAM中的NC自動(dòng)編程系統(tǒng)接收、識(shí)別，直接轉(zhuǎn)換為刀位文件。

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。通過模擬仿真軟件代替、模擬真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行，避免了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試帶來的人力、物力的投入以及加工設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，減少了成本并縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

7．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。因此，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。1.3CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用1.3.1CAD/CAM技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

CAD/CAM技術(shù)是隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。值得注意的是，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。

20世紀(jì)60年代初，CAD的創(chuàng)始人之一、年僅24歲的MIT研究生I．E．Sutherland在美國(guó)計(jì)算機(jī)聯(lián)合會(huì)年會(huì)上宣讀了題為“Sketchpad——人機(jī)交互系統(tǒng)”的論文，文中提出了對(duì)CAD的設(shè)想：設(shè)計(jì)師坐在交互式制圖機(jī)的顯示器前，通過人機(jī)對(duì)話的方式，實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到技術(shù)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，并首次提出了CAD術(shù)語。這標(biāo)志著CAD技術(shù)的誕生。

CAD/CAM的整個(gè)發(fā)展過程大致可分為以下幾個(gè)階段：

1．研究初始階段(20世紀(jì)50～60年代)該階段主要提出了CAD/CAM的設(shè)想，并為CAD/CAM的應(yīng)用進(jìn)行硬、軟件準(zhǔn)備。1951年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制成功第一臺(tái)數(shù)控銑床和自動(dòng)數(shù)控程序APT，被認(rèn)為是實(shí)施CAM的起點(diǎn)；1956年發(fā)明了CRT顯示裝置；1957年巴克斯(Backus)創(chuàng)建了FORTRAN語言，同年有人發(fā)明了大尺寸的自動(dòng)繪圖機(jī)；1958年發(fā)明了數(shù)控作圖機(jī)。這些成就使得CAD/CAM具有了一定的硬、軟件基礎(chǔ)。

2．工程研究階段(20世紀(jì)60～70年代)該階段以CAD/CAM進(jìn)入工程實(shí)際應(yīng)用的研究與開發(fā)為主要特征。1963年，CAD的創(chuàng)始人之一Sutherland研制出Sketchpad程序，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)圖形交互系統(tǒng)；60年代中期，美國(guó)MIT、通用汽車(GM)、貝爾電話實(shí)驗(yàn)室(BellTelephoneLab.)、當(dāng)時(shí)的洛克希德飛機(jī)公司(LockheedAircraft)以及英國(guó)劍橋大學(xué)等都投入大量精力從事計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究。美國(guó)通用汽車公司研制出DAC-1系統(tǒng)，使汽車工業(yè)首先進(jìn)入CAD時(shí)代；1964年，IBM公司公布了計(jì)算機(jī)圖像儀終端IBM2250顯示裝置；1965年，洛克希德加里福尼亞分公司研制出對(duì)話式圖像儀；1966年，由上述兩種系統(tǒng)發(fā)展而成的對(duì)話式計(jì)算機(jī)圖像儀系統(tǒng)(CADAM系統(tǒng))問世。1964年，麥道公司開發(fā)了一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制、采用陰極射線管顯示、功能較強(qiáng)的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)圖像儀系統(tǒng)(CADD系統(tǒng))，并于1970年3月首次在F-15飛機(jī)研制中投入使用。在制造領(lǐng)域，1962年，在機(jī)床數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上研究成功了工業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了物料搬運(yùn)的自動(dòng)化；1966年，出現(xiàn)了大型計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的DNC系統(tǒng)。

3．CAD/CAM開發(fā)應(yīng)用階段(20世紀(jì)70～80年代)隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的硬件性能得以大幅度提高而使成本下降，外圍設(shè)備日趨完善，工作站和微機(jī)進(jìn)入了市場(chǎng)，這些都為開發(fā)和應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)提供了良好的條件。這一時(shí)期是CAD/CAM技術(shù)研究的黃金時(shí)代，CAD/CAM技術(shù)日趨成熟，CAD/CAM的功能模塊已基本形成，各種建模方法及理論得到了深入研究，CAD/CAM的單元技術(shù)及功能得到了較廣泛的應(yīng)用。但就技術(shù)及應(yīng)用水平而言，CAD/CAM各功能模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)尚不統(tǒng)一，集成性較差。該階段CAD/CAM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。自20世紀(jì)80年代起，CAD/CAM技術(shù)的研究重點(diǎn)不再局限于三維幾何設(shè)計(jì)、加工編程、仿真分析等單元技術(shù)的提高，而進(jìn)入了將各種單元技術(shù)集成起來，提供更完整的工程設(shè)計(jì)、分析和開發(fā)環(huán)境的時(shí)期。

4．完善提高階段(1990年至今)自20世紀(jì)90年代起，各種集成的CAD/CAM商品化軟件日趨成熟，應(yīng)用越來越廣泛。CAD/CAM技術(shù)已不停留在過去單一模式、單一功能、單一領(lǐng)域的水平，而向著標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，PC＋Windows操作系統(tǒng)、工作站＋UNIX操作系統(tǒng)以及以以太網(wǎng)(Ethernet)為主的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)成了CAX系統(tǒng)的主流平臺(tái)。同時(shí)，CAX系統(tǒng)的功能日益增強(qiáng)，接口趨于標(biāo)準(zhǔn)化，GKS、IGES、STEP等國(guó)際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了不同CAX系統(tǒng)之間的信息兼容和數(shù)據(jù)共享，有力地促進(jìn)了CAX技術(shù)的普及。特別應(yīng)指出的是，20世紀(jì)90年代以后，隨著改革開放的深入和經(jīng)濟(jì)全球化步伐的加快，我國(guó)在CAD/CAM領(lǐng)域與世界迅速接軌，UG、CATIA、Pro/E、I-DEAS、ANSYS、SolidWorks、SolidEdge、MasterCAM、Cimatron等世界領(lǐng)先的CAD/CAM軟件紛紛進(jìn)入我國(guó)，并在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。1.3.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，促使制造業(yè)發(fā)生了根本性的變革。其顯著特點(diǎn)是產(chǎn)品向著機(jī)電一體化、智能化和精密化方向發(fā)展，其生產(chǎn)組織方式從傳統(tǒng)的大批量、少品種的剛性生產(chǎn)結(jié)構(gòu)向著多品種、中小批量的柔性生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)與制造的手段和方法也隨之改變，以CAD/CAM為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造技術(shù)正以驚人的速度向前發(fā)展。這一切預(yù)示著制造業(yè)的發(fā)展開始進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。CAD/CAM技術(shù)的普及已給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。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(如表1.1所示)。表1.1當(dāng)代10項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就登月應(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

1991年3月20日，即海灣戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后的第三周，美國(guó)政府發(fā)表了跨世紀(jì)國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，列舉了與美國(guó)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)繁榮至關(guān)重要的6大技術(shù)領(lǐng)域的22項(xiàng)關(guān)鍵項(xiàng)目，其中就有兩大領(lǐng)域的11個(gè)項(xiàng)目與CAD/CAM技術(shù)密切相關(guān)。

CAD/CAM充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備的能力，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程領(lǐng)域中的專業(yè)技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造，這已成為新一代生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的不斷發(fā)展，CAD/CAM系統(tǒng)的性能價(jià)格比不斷提高，使得CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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。應(yīng)用CAD/CAM系統(tǒng)可首先進(jìn)行飛機(jī)、船體、汽車和機(jī)械產(chǎn)品零部件的外形設(shè)計(jì)；然后進(jìn)行一系列的分析計(jì)算，如結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真模擬，并根據(jù)CAD的幾何數(shù)據(jù)與加工要求生成數(shù)控加工紙帶；最后采用數(shù)控機(jī)床、加工中心等高效加工設(shè)備完成產(chǎn)品的制造。

CAD/CAM技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用已取得了明顯的效益。比如在機(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。而在飛機(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)。

CAD/CAM技術(shù)在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用也得到迅速發(fā)展。比如，電子工業(yè)應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行印刷電路板生產(chǎn)，以至于現(xiàn)在不采用CAD/CAM根本無法實(shí)現(xiàn)集成電路的生產(chǎn)。除此之外，CAD/CAM技術(shù)還在建筑、輕紡、服裝設(shè)計(jì)、制造等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.4CAD/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)。目前，為適應(yīng)現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，CAD/CAM的集成化正向著深度和廣度發(fā)展，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。CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)則是一種基于CIM哲理構(gòu)成的復(fù)雜的人機(jī)系統(tǒng)，從第10章關(guān)于CIMS的內(nèi)容可以看出，作為CIMS的主要子系統(tǒng)，CAD/CAM及其集成系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)CIMS的重要一步。

2．智能化CAD/CAM技術(shù)設(shè)計(jì)和制造是一項(xiàng)創(chuàng)造性活動(dòng)，在這一活動(dòng)過程中，很多工作是非數(shù)據(jù)、非算法的，所以，應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期(設(shè)計(jì)、制造、銷售、售后服務(wù)到報(bào)廢)各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化顯得尤為重要。將人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)應(yīng)用于CAD/CAM系統(tǒng)中，形成智能的CAD/CAM系統(tǒng)，使其具有人類專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和判斷功能及智能化的視覺、聽覺、語言能力，從而解決那些以前必須由人類專家才能解決的問題。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)層次上給予設(shè)計(jì)人員有效的輔助。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。這些研究已取得了許多重要的進(jìn)展。智能制造系統(tǒng)作為制造系統(tǒng)新的發(fā)展方向，其前景非常廣闊。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)自20世紀(jì)90年代以來，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。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。現(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。為此，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。隨著基于Internet網(wǎng)絡(luò)的支持異地設(shè)計(jì)制造的CAD/CAM技術(shù)迅速發(fā)展和敏捷制造理念的應(yīng)用，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)備資源迅速整合，建立動(dòng)態(tài)聯(lián)盟制造體系。這種分散網(wǎng)絡(luò)化制造體系是人們正在研究和探索的一種生產(chǎn)模式，用以適應(yīng)全球化制造的發(fā)展趨勢(shì)。

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。這種方法的思路就是并行地、集成地開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)及加工制造。它要求產(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。并行工程的發(fā)展對(duì)CAD/CAM技術(shù)也提出了更高的要求，特別是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。

DFX指的是面向某一領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，它代表了當(dāng)代的一種產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)