面向現(xiàn)代制造的CAD/CAM應(yīng)用研究

萬志鋒　倪占強(qiáng)　宋輝　耿浩

摘 要：計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程中，廣泛應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)。本文對(duì)CAD/CAM進(jìn)行了研究，介紹了CAD及CAM中的核心技術(shù)及應(yīng)用，最后展望了CAD/CAM未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代制造；CAD；CAM；后置處理

1 CAD/CAM簡(jiǎn)介

CAD技術(shù)（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）和CAM的技術(shù)（計(jì)算機(jī)輔助制造）的組合CAD/CAM將設(shè)計(jì)和制造技術(shù)結(jié)合起來，能夠完成NC零件編程等機(jī)械工藝。CAD/CAM應(yīng)用中包含的關(guān)鍵技術(shù)有：產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造、DNC加工等。CAD/CAM應(yīng)用可以引入?yún)?shù)化及面向特征的實(shí)體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并在虛擬裝配后進(jìn)行仿真；將CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用到虛擬制造過程中主要是建立一個(gè)虛擬制造環(huán)境，在此虛擬環(huán)境中可以完成諸如設(shè)計(jì)、制造、信息共享以及系統(tǒng)控制等任務(wù)。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中從設(shè)計(jì)之初到加工物料等必然會(huì)經(jīng)過頻繁的修改，如果在真實(shí)的環(huán)境中完成此過程必然會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)。CAD/CAM系統(tǒng)利用可變參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)的功能。作為虛擬設(shè)計(jì)的核心，幾何建模完成后可以進(jìn)一步完成動(dòng)態(tài)仿真、有限元分析等過程，三維實(shí)體建模甚至可以對(duì)幾何物體進(jìn)行唯一而又完整性的描述 ，從而產(chǎn)生一個(gè)有效的模型，便于設(shè)計(jì)者將主要工作投入到創(chuàng)造性的工作中。仿真技術(shù)使設(shè)計(jì)者在產(chǎn)品規(guī)劃的早期就可以事先看出產(chǎn)品的特性，了解已采用的加工方法的結(jié)果，預(yù)研加工過程的可行性，從而盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的問題。

虛擬制造可以模擬實(shí)際環(huán)境在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行制造過程，虛擬制造技術(shù)把繪圖、有限元分析以及原型生成等和制造相關(guān)的技術(shù)集成起來，實(shí)現(xiàn)諸如設(shè)計(jì)工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程。虛擬制造具有高度集成、支持敏捷制造以及分布合作等特征[1]：在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)人員及用戶都可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行操作，不依賴于傳統(tǒng)的原型樣機(jī)。

2 CAD/CAM中的核心技術(shù)

CAD/CAM技術(shù)是一個(gè)涉及多項(xiàng)學(xué)科的系統(tǒng)工程，產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)人員能夠利用CAD過程展現(xiàn)的信息及CAM技術(shù)的功能，預(yù)先顯示產(chǎn)品加工狀況、控制部件加工的工藝路線，并生成零部件加工過程中的信息。

CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）指的是借助計(jì)算機(jī)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中諸如繪圖、零部件設(shè)計(jì)、裝配及分析等工作的技術(shù)，以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本。CAD的核心技術(shù)包括[2]：

（1）幾何造型。設(shè)計(jì)人員利用交互方式將物體的想象造型作為虛擬制造技術(shù)的輸入存到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)將此模型存儲(chǔ)并進(jìn)行幾何建模，為后續(xù)分析計(jì)算做準(zhǔn)備；常見的幾何造型包括線框造型、曲面造型以及流曲線曲面造型等。線框造型描述物體時(shí)只通過直線、圓弧及簡(jiǎn)單的曲線完成，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但難以表達(dá)三維模型；曲面幾何模型克服了線框模型的缺點(diǎn)，光滑的曲面代替了原來的直線、圓弧等，曲面造型技術(shù)也先后經(jīng)歷了曲面求交、曲面拼接、曲面變形及曲面重建等過程；隨著圖形圖像技術(shù)和三維數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的發(fā)展，新近出現(xiàn)了基于物理模型的曲面造型方法以及三維打印技術(shù)等。CAD設(shè)計(jì)領(lǐng)域汽車、飛機(jī)等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)會(huì)涉及到運(yùn)動(dòng)物體的曲線曲面外形，它們的外形光滑與否直接關(guān)系到產(chǎn)品性能。以流體力學(xué)為基礎(chǔ)的流曲線曲面造型方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有良好的物理流線型性能。

（2）有限元分析?，F(xiàn)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，所以需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期就能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，并對(duì)產(chǎn)品的各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，這就是有限元分析（Finite Element Analysis）。進(jìn)行有限元分析時(shí)，先將原來的產(chǎn)品分解為有限個(gè)子單元，分別根據(jù)限制平衡條件分析后，在重新把它們組合起來后綜合求解。利用有限元法進(jìn)行分析時(shí)，需要輸入大量的數(shù)據(jù)，對(duì)輸入?yún)?shù)的處理成為前置處理；有限元分析后，也會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對(duì)它們的處理成為后置處理，后置處理的任務(wù)就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的圖形表示。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，是在復(fù)雜設(shè)計(jì)問題中得到最優(yōu)解的有效工具。對(duì)某一設(shè)計(jì)過程，先給出一些初始參數(shù)，由計(jì)算機(jī)完成對(duì)優(yōu)化指標(biāo)的優(yōu)化工作，直到達(dá)到最優(yōu)解。優(yōu)化設(shè)計(jì)一般需要三個(gè)階段：先將設(shè)計(jì)問題抽象為數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法和程序，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。

CAM中的核心技術(shù)一般包括計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP）、數(shù)控編程以及計(jì)算機(jī)仿真等[3]：

（1）CAPP。作為CAD和CAM的中間環(huán)境，CAPP可以根據(jù)建模得到的產(chǎn)品信息，決定加工該產(chǎn)品時(shí)將要使用的方法、步驟以及設(shè)備等，為CAM的NC編程服務(wù)。CAPP是CAD/CAM集成的關(guān)鍵技術(shù)，其主要任務(wù)是利用計(jì)算機(jī)輔助工藝完成CAD信息到CAM信息的傳遞。CAPP可以使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員從重復(fù)性事物中解脫出來，迅速編制出完整的工藝文件。

（2）數(shù)控編程。作為從零部件圖紙到數(shù)控加工的整個(gè)過程，數(shù)控編程（NC編程）的任務(wù)是計(jì)算加工走刀中的CL點(diǎn)，并完成諸如分析零部件圖樣、確定加工工藝、校對(duì)程序等加工過程。分析零部件圖樣時(shí)要明確加工的內(nèi)容、方案、順序，選擇加工器具等；同時(shí)要選擇合適的工藝路線、編程原點(diǎn)等。數(shù)控編程方法有手工編程和自動(dòng)編程方法。手工編程完成從零部件圖樣分析到程序校驗(yàn)過程中的所有步驟，適合加工形狀簡(jiǎn)單的零部件。APT（Automatically Programmed Tool）是一種可以自動(dòng)編程的工具，可以有效解決幾何造型編程的問題。

（3）仿真。為預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、模擬產(chǎn)品制造的過程，經(jīng)常需要對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行，這就是仿真技術(shù)。仿真技術(shù)可以分為物理仿真和計(jì)算機(jī)仿真兩種，前者是在物理模型基礎(chǔ)上所做的仿真，物理模型與實(shí)際系統(tǒng)間的相似性決定了物理仿真可以觀測(cè)到數(shù)學(xué)模型難以描述的特性；后者又成為數(shù)學(xué)仿真，是利用計(jì)算機(jī)程序完成仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。不論哪種仿真技術(shù)，都可以有效地預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能。

3 CAD/CAM的未來發(fā)展

CAD/CAM各自在應(yīng)用中都可以發(fā)揮巨大的作用，在未來的發(fā)展過程中，可以考慮如下應(yīng)用方向：（1）CAD/CAPP/CAM集成應(yīng)用于并行工程環(huán)境。可以在CAD軟件上開發(fā)具備CAM功能的軟件，或者是基于CAD造型開發(fā)特征提取模塊，從而為CAPP提供特征制造信息。（2）建立基于STEP的工程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)系統(tǒng)。在CAD軟件中建立各種零部件的形狀特征庫，存取不同形狀特征的相關(guān)信息后，實(shí)現(xiàn)形狀特征信息識(shí)別和提取的功能模塊，然后建立服務(wù)于CAPP的零部件特征信息主模型，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息集成。（3）面向制造的設(shè)計(jì)、集成控制系統(tǒng)。制造過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)是高耦合的，現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問題就是如何在決策時(shí)得到全局最優(yōu)解。目前集成DNC加工已經(jīng)具備網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，要綜合考慮數(shù)控設(shè)備的通訊功能，以實(shí)現(xiàn)和DNC網(wǎng)絡(luò)的集成通訊；以CAD/CAM、CAPP以及DNC系統(tǒng)單元為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)CAD/ CAPP /CAM/DNC的整體集成，將可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、制造到生產(chǎn)整個(gè)過程的信息共享。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：萬志鋒（1982，6-），男，河南省洛陽市（籍貫），現(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械制造。