第1章 CAD/CAM概述
1.1 引言
计算机辅助设计( Computer Aided Design，CAD)和计算机辅助制造( Computer Aided Manufacturing，CAM)是指以计算机为主要技术手段来生成和运用各种数字信息与图形信息，并进行产品设计和制造。它们是人类智慧与计算机系统中的硬件和软件功能的巧妙结合。它们可以将远非单纯人脑所能承担的设计和制造任务当作日常工作处理，其处理的复杂程度将随着一代又一代新的计算机硬件和软件的出现而不断提高。
CAD/CAM技术是 20世纪中后期迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用系统技术。20世纪 40年代出现第一台计算机， 50年代出现第一台数控机床， 60年代出现交互式图像显示设备、定义自由曲面的方法和力学计算的有限元法， 70年代出现工作站( Workstation)和造型技术(线框模型 Wireframe Modeling、实体模型 Solid Modeling、表面模型 Surface Modeling)、数据库技术， 80年代出现智能机器人技术和专家系统， CAD/CAM经历了形成、发展、提高和集成各个阶段。市场环境(企业竞争、产品市场寿命短)、设计环境(开发新产品的成功率高而设计周期短)、制造环境(多品种、小批量和高质量)的变化是 CAD/CAM技术发展的动力。今天， CAD/CAM已渗透到工程技术和人类生活的几乎所有领域，并日益向纵深发展。迄今为止，在计算机技术的应用领域中， CAD/CAM的覆盖率可达 60%以上。
CAD/CAM技术主要服务于机械、电子、宇航、建筑、轻纺等产品的总体设计、外形设计、结构设计、优化设计、运动机构的模拟设计、有限元分析的前后置处理、物体质量特性计算、工艺过程设计、数控加工、检验测量等环节。它涉及计算机科学、计算数学、计算几何、计算机图形学、数据结构、数据库、数控技术、软件工程、仿真技术、机器人学、人工智能等学科领域。
CAD/CAM技术具有智力高、知识密集、更新速度快、综合性强、效益高、初始投入大等特点。 CAD/CAM技术的发展不仅深刻地改变了人们能够借以设计和制造各种产品的常规方式，而且影响到企业的管理和商业对策。因此，任何一个企业和研究机构要想保持设计和制造中的竞争力，就必须努力研究、开发或使用 CAD/CAM技术。
设计、制造和市场被看作从设计思想形成到交付产品的生产过程中三个不可分割的组成部分(图 1-1)。市场把产品的需求信息提供给设计部门，设计部门将产品的定义数据和各种参数传送到制造部门，制造部门中的计划职能单位将产品的定义数据(如几何数据、图 1-1 市场、设计和制造的相互关系加工信息等)转换成工艺定义数据和有关产品制造的说明，然后将这些信息传送到工厂的加工现场，工厂据此进行生产。以计算机为基础的计划和管理系统，可以直接定出进度计划并监视制造过程和控制产品质量。
1.2 CAD/CAM系统
物质世界的各种发明创造都是为了满足人类的需要而产生的。在各种情况下，总是先有某种需要，而后产生一种怎样才能满足那种需要的思想，*后经过努力将其变为现实。人们从需要到产生思想，再把这种思想变成实物，一般称其为设计和制造过程。这一过程包括市场需求分析、产品性能要求的确定、总体设计模型的建立、模型的综合分析、结构设计、方案优选、评估决策、工程描述、工艺规程设计、加工、装配和检测等环节(图 1-1)，或者概括地说，产品设计和制造是指从市场需求分析开始，直到生产出产品所必需的一系列有序活动。
从计算机科学的角度看，设计和制造过程是一个信息处理、交换、流通和管理的过程。因此，人们能够对产品从构思到投放市场的整个过程进行分析和控制，即对设计和制造过程中信息的产生、转换、存储、流通、管理进行分析和控制。 CAD/CAM系统实质上是一个有关产品设计和制造的信息处理系统。
产品的类型虽然成千上万，但其设计和制造的时间顺序模式却大同小异。从图 1-1可以看出，任何设计和制造过程都是从对一种需求的识别开始的。认识一种需求本身就是一个创造过程。设计者常在竞争形势的观察中察觉出大量的需求。在对需求进行了认真的分析后，才能进入创造性的工程设计阶段。是重新设计还是改型设计，都应从方案(总体)设计入手，使设计产品模型化，然后进行结构设计。一旦结构设计和性能分析等工作结束，就要与所要求的设计性能进行比较并得到*后的经过优选的各种参数。然后即可进入零部件的设计和制造。
为了提高设计师或一个群体解决设计、制造问题的创造性和工作效率，已经提出了多种辅助手段。CAD/CAM技术就是一种被人们广泛采用的主要辅助手段。这是工业革命以来工程技术领域中发生的*重大的变化之一。
CAD/CAM系统是围绕着产品的设计与制造两大部分独立发展起来的。 CAD从方程求解计算和绘图入手，发展到现在的诸项内容：建立数学模型、工程分析、产品设计(包括方案设计、总体设计、零部件设计)、动态模拟、自动绘图等。 CAM从手工编程、自动编程发展到现在的诸项内容：工艺装备设计、数字化(图形化)控制、计算机辅助过程计划( Computer Aided Process Planning，CAPP)、机器人、柔性制造系统( Flexible Manufacturing System，FMS)、工厂管理以及一些企业正在发展的 CIMS项目。
到目前为止，计算机辅助制造有狭义和广义的两个概念。 CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括 CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制定、资源需求计划的制定等。这是*初 CAM的狭义概念。到今天， CAM的狭义概念甚至更进一步缩小为 NC编程的同义词。 CAPP已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制定、资源需求计划的制定则划分给 MRP(Manufacturing Resource Planning，制造资源计划) /ERP(Enterprise Resource Planning，企业资源计划)系统来完成。 CAM的广义概念包括的内容则多得多，除上述 CAM狭义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程(加工、装配、检验、存储、输送)的监视、控制和管理。
纵观 CAD/CAM发展的历史，国内外的发展情况都是数控机床首先出现，进而发展了 CAM，CAM的要求促进了 CAD的发展。过去复杂外形零件生产方面的致命弱点是模拟量的信息传递，CAM中自动编程的出现，迫切要求用数学方法来定义零件。此外， CAD系统的出现彻底改变了设计工作过程的流程，也改变了与生产相关的处理。 1963年图形显示器的出现使原来的 CAD工作发生了根本的变革，通过数学方法建立产品的统一、完整的三维几何模型，使信息流直接从 CAD流到 CAM，即 CAD的输出正好是 CAM的输入，实现了真正的 CAD与 CAM的结合。
1.2.1 CAD/CAM系统的类型
根据功能的不同，目前市场上流行的商业性 CAD/CAM系统大体上可划分为以下两种类型。
1．通用性系统
典型的通用性系统有 CADAM、UG、CATIA、Pro-E、I-DEAS等。
1)CADAM
CADAM系统是美国洛克希德飞机公司 1965年开始研制的绘图加工系统， 1972年投入生产使用，1975年进入市场，现已有近百家飞机公司和其他部门采用。 CADAM系统是在 IBM大型机系列和 IBM2250光笔图形显示终端上开发的。
CADAM系统的设计思想是使新的计算机绘图方式尽量保持原来工程制图的习惯，用三面投影图描述三维形体。其内部的存储格式是 2 12坐标，如存放一个视图的 Z平面位置以及
各点的 x、y坐标值。该系统可以在屏幕上百分之百地完成一幅工程图的图面设计，包括标注尺寸线和全部图注，可以方便地存储、调用和修改图纸，还能对所设计的产品做几何分析、构造有限元模型、生成数控加工指令等。
2)UNIGRAPHICS
UG(UNIGRAPHICS)是麦道公司(并入电子数据系统公司( EDS)，后更名为 UGS公司，现被 Siements公司收购)1984年起推出的商品化 CAD/CAM/CAE系统软件，它*早是在 VAX计算机的通用环境下开发的，后来逐渐转移到 UNIX工作站上，如 SGI工作站。目前推出的 UG系统从 15版本开始已经可以在微机上运行，从 16版本开始已经完全抛开 UNIX操作系统，而采用 Windows NT或 Windows 2000，且用户界面与 Windows的界面风格相统一。
UG是业界*实用的工业设计软件包之一，它提供给用户一个灵活的复合建模模块。 UG作为一个 CAD/CAM/CAE系统，主要提供了以下功能：工程制图模块、线框、实体、自由曲面造型模块、特征建模、用户自定义 CAD/CAM/CAE系统特征、装配、虚拟现实及漫游、逼真着色、WAVE技术(参数化产品设计平台)、几何公差等 CAD模块。
UG还有较强的 CAM功能，主要包括车削加工、型芯和型腔铣削、固定轴铣削、清根切削、可变轴铣削、顺序铣、后置处理、切削仿真、线切割、图形刀轨编辑器、 NURBS(非均刀有理 B样条)轨迹生成器。
UG提供的 CAE部分主要有如下功能：有限元分析、机构分析、注塑模分析等。另外， UG还提供了较为完善的钣金件设计、制造、排样及高级钣金设计功能。
此外，UG还提供了用户进行二次开发的接口及用户界面的设计工具 UG OPEN/API等。 UG主要在汽车、船舶、航空发动机等行业广泛应用。
3)CATIA
CATIA是由法国著名飞机制造公司 Dassault Systèmes开发的 CAD/CAM/CAE/PDM应用系统， CATIA起源于航空工业，其*大的标志客户即美国波音公司。波音公司通过 CATIA建立起了一整套无纸飞机生产系统，并取得了重大的成功。
CATIA提供了下面几种功能。
(1)提供了基于规则驱动的实体建模、混合建模以及钣金件设计，相关装配与集成化工程制图产品等。
(2)提供了一系列易用的模块来生成、控制并修改结构及自由曲面物体。
(3)提供了*先进的高级电子样机检查及仿真功能；知识工程产品能帮助用户获取并重复使用本企业的经验，以优化整个产品生命周期。
(4)提供了在产品设计过程中集成并交换电气产品的设计信息。
(5)提供了容易使用、面向设计者的零件及其装配的应力与频率响应分析等功能。
(6)提供了面向车间的加工解决方案。
(7)提供了用户制造厂房设施的优化布置设计工作。
(8)提供了各类数据转换接口。 CATIA软件是与 UG软件功能类似的 CAD/CAM/CAE系统。主要应用于航空航天工业。 4)Pro-E Pro-E是 PTC公司(Parametric Technology Corporation)的著名产品。它备有统一的数据库，并具有较强的参数化设计、组装管理、刀具轨迹生成等功能；它还提供各种现有标准交换格式的转换器以及与著名的 CAD/CAE系统进行数据交换的专用转换器，所以也具有集成化功能。该系统的另一个特点是硬件独立性，它可以在 DEC、HP、IBM、SUN、SGI等各种工作站上运行。Pro-E采用实体造型技术，从 8.0版本开始增加了参数化曲面造型功能，并具有用户自定义形状特征的模块。
(1)参数化设计和特征功能。
Pro-E是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，也可以随
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