CAD/CAM 原理与应用

1. CAD/CAM原理与应用 第1章 概 述

2. 简述 在机械制造领域中，随着市场经济的发展，用户对各类产品的质量，产品更新换代的速度，以及产品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。在当今高效益、高效率、高技术竞争的时代，要适应瞬息万变的市场要求，提高产品质量，缩短生产周期，就必须采用先进的制造技术。 计算机是现代科学技术发展的重大成就之一，现已普及应用到各个领域。计算机不仅能够大大减轻科技人员的脑力劳动和体力劳动，甚至能够完成人力所不及的工作。 计算机与机械制造技术相互结合与渗透，就产生了计算机辅助设计与辅助制造(Computer Aided Design and Manufacturing)这样一门 综合性的技术，简称CAD/CAM。它具有高智力、知识密集、综合性强、效益高等特点，是当前世界上科技领域的前沿课题。

3. 1.1 CAD/CAM 发展概况 CAD/CAM技术从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段。 • 形成（20世纪50年代~60年代） （1）技术准备 • 20世纪50年代，数控机床研制成功； • 麻省理工学院用计算机制作数控纸带，实现了NC编程的自动化； • CAD最初概念：设想计算机辅助的过程是通过自动运行的各个程序实现的，是解决不同复杂程度的生产计划问题的各个过程，从设计、分析到计算都是在人与计算机之间交互进行的。

4. CAD/CAM 发展概况 • 20世纪60年代初，MIT研究生I. E. Sutherland发表了《人机对话图形通信系统》论文，研制了SKETCHPAD系统。首次提出计算机图形学、交互技术及基于分层数据结构的图形符号存储技术等思想。 • 20世纪60年代初，出现了许多商品化的CAD设备及系统。IBM公司推出用于大型机设计与制造的CAD/CAM系统，该系统具有绘图、数控编程及强度分析等功能；通用汽车（GM）公司研制了用于汽车设计的DAC-1系统；洛克希德飞机公司开发了CADAM系统。 • 1962年，第一台工业机器人研制成功，实现了物料搬运的自动化。 • 1966年，出现了用大型通用计算机直接控制多台数控机床的DNC系统。

5. CAD/CAM 技术发展历史 （2）单元技术的出现 • 计算机辅助设计(CAD)是在20世纪60年代初期发展起来的，当时的技术特点主要是交互式绘图和三维线框建模。由于线框模型无法表达几何数据间的拓扑信息和表面信息，因而，无法实现计算机辅助工程分析(CAE)和计算机辅助制造(CAM)。 • 计算机辅助制造(CAM)是在20世纪50年代初期发展起来的，当时的CAM主要侧重于数控加工自动编程。 • 计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning，CAPP )是在20世纪50年代中期发展起来的，其主要功能是产品加工工艺规划的制定。 • 计算机辅助工程分析(Computer Aided Engineering，CAE ) 是在20世纪80年代发展起来的，其主要功能是指产品几何形状的模型化和工程分析与仿真。

6. CAD/CAM 发展概况 • 发展(20世纪60年代中期~70年代中期) • 以小型机、超小型机为主机的CAD系统； • 针对某个特定问题的CAD成套系统； • 面向中小企业的CAD/CAM商品化系统； • 1967年，英国莫林公司——CNC自动化制造系统； • 20世纪70年代初，美国辛辛那提公司——柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)。

7. CAD/CAM 发展概况 • 提高（20世纪80年代~90年代） • CAD/CAM技术在中小企业得到推广； • 应用领域：由产品设计发展到工程设计； • 计算机辅助工艺规程设计(CAPP)； • 计算机辅助工装设计； • 计算机辅助质量控制(CAQ) ； • 研制高效益、高柔性的智能化制造系统。

8. CAD/CAM 发展概况 • 集成（20世纪90年代后） • CAD/CAM技术向着集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化的方向发展。 • 以I-DEAS、UGⅡ、Pro/Engineer等为代表的CAD/CAM软件(硬件平台以工程工作站为主)推出了微机版本。 • 推出一批优秀的基于微机平台的CAD/CAM软件，如SolidWorks、Inventor、MDT、MasterCAM、CATIA、Cimatron、SolidEdge等。 • 国内一些公司开发了一批具有自主知识产权的CAD/CAM系统，如金银花CAD系统、CAXA系列软件、开目CAD系列软件等。

9. CAD/CAM 发展概况 • 发展趋势（20世纪90年代后） (1)集成化 (2)智能化 (3)网络化 (4)并行化 (5)标准化

10. 1.2 CAD/CAM的基本概念 • CAD/CAM是自50年代以来，随着电子计算机的发展而产生、发展的一门综合性的计算机应用技术。通常是指应用电子计算机及其外围设备，协助工程技术人员完成产品的设计和制造。 • 计算机的硬件结构，决定了其工作的系统化和格式化，计算机辅助设计与制造工作也不例外，实现CAD/CAM的前提是设计、制造过程的算法化和规律化。 • 机械产品的生产过程如图1-1所示，首先从市场需求分析开始，经过设计和制造，最后把抽象的概念转变为具体的产品。

11. CAD CAM 图1-1 机械产品的生产过程

12. 1. 产品设计制造过程分析 • 根据产品设计过程的特点，可将设计划分为： • (1)功能设计 确定产品功能和结构之间的对应关系。 • (2)布局设计 完成技术实体部分(零部件)的排列组合。 • (3)参数设计 定义零部件的几何形状及尺寸参数。 • (4)公差设计 制定形状、位置及尺寸精度。

13. 产品设计过程分析 • 根据各设计任务所占的比重不同，又可将设计划为： • (1)新设计 是一种从无到有的开放性设计。通常从概念设计、功能设计开始，或者重新排列现有的、新的零部件以达到设计目的。新设计通常需要创造性思维。 • (2)适应性设计 保持总体布局不变，通过修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的附加要求。 • (3)参数化设计 功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数，以产生系列化的设计结果。

14. 产品设计过程分析 • 据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计，20%属于参数化设计，只有24%属于新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。 • 上述数据表明，在设计过程中，工程技术人员的大部分时间和精力都消耗在重复性工作或局部小修小改过程中了。因此，有必要使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化，实现产品的计算机辅助设计。

15. 产品制造过程分析 • 工艺规程设计 编制工艺规程是设计、制造过程中生产技术准备工作的重要环节，过去一直是工艺人员手工完成，不仅效率低，而且依附于人的技能和经验，很难获得最佳方案。同时，与产品设计一样，也存在重复工作的问题。因此，迫切需要利用计算机技术进行工艺规程的辅助编制，即实现CAPP。 • 加工制造过程 在机械制造行业，50件以下的小批量生产约占75%。据统计，一个零件在车间的平均停留时间中，只有5%的时间在机床上，而这5%的时间中，又只有30%的时间用于切削加工。绝大部分时间都消耗在工件的装卸、调整、测量及等待切削上。要改进这一状况，必须借助计算机对产品的加工制造过程进行控制。

16. 2. CAD/CAM的基本概念 从计算机科学的角度看，设计与制造的过程是一个关于产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。 CAD/CAM技术不是传统设计、制造流程和方法的简单映像，也不是局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具，而是将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个过程，以获得最佳效果。CAD/CAM系统以计算机硬件、软件为支持环境，通过各个功能模块实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺规程设计、仿真以及NC加工。而广义的CAD/CAM集成系统还应包括生产规划、管理、质量控制等方面。

17. CAD/CAM的基本概念 ★计算机辅助设计(Computer Aided Design) 简称CAD，是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、仿真、分析及编写技术文档等设计活动的总称。 ★计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing) 简称CAM，是指使用计算机系统进行生产规划、管理和控制产品制造的全过程，它既包括与加工过程直接联系的计算机监测与控制，也包括使用计算机来管理生产经营，提供计划进度表等。 狭义的CAM是指计算机辅助机械加工，更确切地说，是指数控程序的编制。广义的CAM是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品全部制造过程中的各种直接和间接的活动，包括工艺准备、NC编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。

18. CAD/CAM系统 硬件系统 软件系统 计算机 外围设备 系统软件 支撑软件 应用软件 生产设备 3. CAD/CAM系统的组成 图1-2 CAD/CAM系统组成

19. NC编程 绘图 仿真 生 产 交互图形显示 几何 造型 机器人 数据库 计算 分析 CAPP 有限元 CAD CAM FMS 图1-3 CAD/CAM系统的功能模块 4. CAD/CAM系统的工作过程

20. CAD CAE CAM CAD/CAM系统的工作过程 图1-4 实例

21. 图1-5 工作流程 CAD/CAM系统工作过程

22. CAD/CAM系统的工作过程 • 通常，CAD/CAM系统输入的是系统的设计要求，而输出的则是制造加工信息。其工作过程如图1-5所示。 (1)通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求，向CAD系统输入设计要求，利用几何建模功能，构造出产品的几何模型，计算机将此模型转换为内部的数据信息，存贮在系统的数据库中。 (2)调用系统程序库中的各种应用程序对产品模型进行详细设计计算及结构方案优化分析，以确定产品总体设计方案及零部件的结构，主要参数，同时，调用系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输出在显示器上。 (3)根据屏幕显示的结果，对设计的初步结果作出判断，如果不满意，可以通过人机交互的方式进行修改、直至满意为止，修改后的数据仍存贮在系统的数据库中。

23. CAD/CAM的工作过程 (4)系统从数据库中提取产品的设计制造信息，在分析其几何形状特点及有关技术要求后，对产品进行工艺规程设计，设计的结果存入系统的数据库，同时在屏幕上显示输出。 (5)用户可以对工艺规程设计的结果进行分析、判断，并允许以人机交互的方式进行修改。最终的结果可以是生产中需要的工艺卡片或以数据接口文件的形式存入数据库，以供后续模块读取。 (6)利用外部设备输出工艺卡片，成为车间生产加工的指导性文件，或计算机辅助制造系统从数据库中读取工艺规程文件，生成NC加工指令，在有关设备上加工制造。 (7)有些CAD/CAM系统在生成了产品加工的工艺规程之后，对其进行仿真、模拟、验证其是否合理、可行。同时，还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、碰撞检验。 (8)在数控机床或加工中心上制造出有关产品。

24. 1.3 CAD/CAM系统的功能与任务 CAD/CAM系统所处理的对象不同，对硬件的配置、选型不 同，所选择的支撑软件不同，对系统功能的要求也会有所不同。 (1) 图形显示功能 CAD/CAM是一个人机交互的过程，从产品造型、构思、方案 确定、结构分析到加工过程仿真，系统随时保证用户能够观察、修 改中间结果，实时编辑处理。用户的每一次操作，都能从显示器上 及时得到反馈，直到取得最佳的设计结果。图形显示功能不仅能够 对二维平面图形进行显示控制，还应当包含三维实体的处理。 (2) 输入输出功能 在CAD/CAM系统运行中，用户需不断地将有关设计的要求、 各步骤的具体数据等输入计算机内，通过计算机的处理，能够输出 系统处理的结果，且输入输出的信息既可以是数值的，也可以是非 数值的(例如图形数据、文本、字符等)。

25. CAD/CAM系统的功能 (3) 存贮功能 由于CAD/CAM系统运行时，数据量很大，往往有很多算法 生成大量的中间数据，尤其是图形操作、交互式设计、结构分析 及网格划分等。为了保证系统能够正常运行，CAD/CAM系统必 须配置容量较大的存贮设备，支持数据在各模块运行时的正确流 通。另外，工程数据库系统的运行也必须有存贮空间的保障。 (4) 交互功能(即人机接口) 在CAD/CAM系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁。友 好的用户界面，是保证用户直接而有效地完成复杂设计任务的必 要条件，除软件中界面设计外，还必须有交互设备实现人与计算 机之间的不断通信。

26. CAD/CAM系统的主要任务 CAD/CAM系统需要对产品设计、制造全过程的信息进行处 理，包括设计、制造中的数值计算、设计分析、绘图、工程数据 库的管理、工艺设计、加工仿真等各个方面。 (1) 几何造型 几何造型是指在计算机中建立零件的 三维实体模型。设计人员在三维软件的 支持 下可以根据自己的设想将零件从计 算机中逐步“制作”出来。先进的CAD系统 都提供参数化的基于特征的实体造型方法。 几何造型技术是CAD/CAM系统的核心， 它为产品的设计、制造提供基本数据，同时 也为其他模块提供原始信息。

27. 几何造型 曲面造型 装配造型

28. 几何造型

29. CAD/CAM系统的主要任务 (2) 计算分析 CAD/CAM系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几 何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯 量等几何特性和物理特性，为进行工程分析和数值计算提供必要 的基本参数。还可以进行应力、温度、位移等结构分析计算。 (3) 工程绘图 产品的设计结果往往是工程图的形式， CAD/CAM系统中的 某些中间结果也是通过图形表达的。 CAD/CAM系统一方面应具 备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能，另一方 面，还需有处理二维图形的能力。 先进的CAD软件都具备根据零件的三维零件图和装配造型自 动生成投影图和局部视图的功能，并能自动标注尺寸。

30. CAD/CAM系统的主要任务 (4) 结构分析 CAD/CAM系统中结构分析常用的方法是有限元法。它是一 种数值近似解方法，用来求解形状比较复杂的工程构件的静态和 动态特性，以及构件的强度、振动、热变性、温度及应力分布等 的分析计算。 在进行静、动态分析计算之前，系统根据产品结构特点，划 分网格、标出单元号、节点号，并将划分的结果显示在屏幕上， 分析计算后，以图形或文件的形式输出计算结果，如应力分布 图、温度场分布图等。

31. 结构分析

32. CAD/CAM系统的主要任务 (5) 优化设计 CAD/CAM系统应具有优化求解的功能，也就是在某些条件 的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。 优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数 的优化等。 (6) 计算机辅助工艺规程设计 (CAPP) 设计的后续过程是加工制造，而工艺设计是为产品加工制造 提供的指导性的文件。因此，CAPP是CAD与CAM的中间环节。 CAPP系统应根据建模后生成的产品信息及制造要求，自动决 策出加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设备及加工 参数。CAPP的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡， 另一方面能直接输出一些信息，为CAM中的NC自动编程系统接 收、识别，直接转换为刀位文件。

33. CAD/CAM系统的主要任务 (7) NC自动编程 早期的NC自动编程是指技术人员在分析零件图和制定出数控 加工方案之后，采用APT语言对加工路径、加工参数、刀具参数等 进行描述，然后利用计算机对APT格式的数控程序进行分析处理， 并生成NC程序代码，最后制成穿孔纸带输入数控系统控制加工。 目前的CAM软件大部分采用图形交互式自动编程，即以CAD 生成的零件几何信息为基础，采用人机交互对话方式，在计算机 屏幕制定被加工零件的几何特征、定义相关的加工参数后，由计 算机进行分析处理，直接产生NC加工程序。仿真功能则能在计算 机上动态显示加工路径，模拟实际加工情况。 通过各自接口可将计算机与数控机床连接起来，利用CAM软件 中的通信模块，能将计算机上的NC加工程序直接送至数控机床的 CNC系统实现数控加工，这个过程称为直接数字控制 (DNC)。

34. CAD/CAM系统的主要任务 (8) 模拟仿真 在CAD/CAM系统内部建立一个工程设计的实际系统模型， 例如，机构、机械手、机器人等。通过运行仿真软件，代替、模 拟真实系统的运行，以预测产品的性能、产品的制造过程和产品 的可制造性。如数控加工仿真系统可以实现零件试切的加工模 拟，避免现场调试带来的人力、物力、财力的投入以及加工设备 损坏的危险，减少制造费用，缩短产品生产周期。 (9) 工程数据管理 由于CAD/CAM系统中数据量大、数据种类多，既有几何图形 数据，又有属性定义数据；既有静态标准数据，又有动态过程数 据。因此， CAD/CAM系统应提供有效的管理手段，支持工程设 计与制造全过程的信息流动与交换。通常，采用工程数据库系统 作为统一的数据环境，实现各种工程数据的管理。

35. CAD/CAM系统的主要任务 (10) 应用软件二次开发 由于机械产品的用途多种多样，任何强大的CAD系统都不 可能向用户提供各种具体产品的完善的CAD/CAM解决方案。大 多数商品化CAD系统都提供了基于C、C++、Visual C++、 Visual Basic的二次开发工具，为用户或者第三方在其基础上编 写应用软件提供了很大的方便。二次开发工具中提供的函数和 方法可以调用CAD系统内部命令，直接存取CAD内部数据库。 在实际应用中，有可能只需完成上述的某几项任务，故应 根据实际情况选购或开发所需的 CAD/CAM系统。

36. 1.4 CAD/CAM技术的应用 CAD/CAM系统充分发挥计算机及其外围设备的能力，将计 算机技术与工程领域中的专业技术结合起来，实现产品的设计、 制造，这已成为新一代生产技术发展的核心技术。 随着计算机硬件和软件的不断发展，CAD/CAM系统的性能 价格比不断提高，使得CAD/CAM技术的应用已进入近百个工业 领域。 (1) 机械CAD 汽车CAD和飞机CAD是这个行业的先驱。使用CAD设计车 身，可提高工效20倍，使企业在竞争中取得优势。我国造船工 业在20世纪60年代末就开始CAD/CAM的研究，与其他制造行 业相比，起步较早，现在已建成规模巨大的船舶CAD/CAM系统 CADIS-1，覆盖船舶设计与制造全过程。

37. CAD/CAM技术的应用 (2) 建筑CAD 建筑行业是CAD技术应用最广泛的领域之一，包括建筑设 计、结构设计、水电设计、小区规划、路桥设计、城市规划等。 (3) 电子CAD 包括集成电路CAD、印刷电路板CAD、整机系统模拟、故障 测试与诊断等。特别是大规模集成电路的设计与制造，由于密集 度和精度很高，采用CAD技术进行布局与布线已成为生产的必要 手段。 (4) 计算机辅助工业设计 包括家电、相机、钟表、车辆、器皿、家具等日用工业产品设 计，室内、室外、园林等环境设计，图案、广告、展览、动画等 视觉表达设计。

38. CAD/CAM技术的应用 (5) 地图CAD 包括行政区域图、地形图和电子沙盘、地质图、城市规划 图、地下管网图、交通图、人口分布图、环境保护图、生物分布 图、海图、气象图等与地域位置有关信息的操作和图形设计。由 于这些信息数量巨大，变化频繁，使用要求复杂，难以用手工方 式进行管理、分析、编辑及绘制，地图CAD技术的出现很好地解 决了这一难题。 地图CAD与地理信息管理、分析、处理等功能合在一起， 称为地理信息系统GIS (Geographic Information System)。GIS将CAD 技术与MIS技术结合起来，以图形库为核心，完成图形信息的管 理、分析、操作及显示。它在工业、农业、商业、城乡建设、军 事、环境保护和政府管理部门等行业中得到了广泛应用。

39. CAD/CAM技术的应用 CAD/CAM技术广泛应用主要原因是能给企业带来显著的经济效益。 ◆杭州汽轮机动力集团公司应用CAD/CAM技术，使产品设计图样的90%实现了CAD，每项产品设计时间从5~6个月缩短为1.5~2个月，关键零部件数控加工，中小零件工艺设计90%采用CAPP技术。 ◆ 据美国的统计资料，大规模集成电路采用CAD设计后，效率平均提高18倍；机械产品的设计效率平均提高5倍；建筑设计的效率平均提高3倍；编辑出版的效率提高4.4倍。 ◆日本夏普公司生产电视、录音机和汽车覆盖件的模具，采用传统方法的生产周期为一年，而采用CAD/CAM技术后，从设计到制造的周期仅为1.5~2个月。 发达国家的经验表明，采用CAD/CAM技术可以显著地缩短设计周期，提高设计质量，减少错误，降低成本，提高生产率。

40. CAD/CAM技术的应用 ★采用CAD/CAM技术的优越性 (1) 有利于发挥设计人员创造性，将他们从繁琐的重复劳动中解放出来。 (2) 减少设计、计算、制图、制表所需时间，缩短设计周期。 (3) 有利于实现设计方案的优化。 (4)有利于实现产品的标准化、通用化和系列化。 (5) 减少了零件在车间的流通时间和在机床上装卸、调整、测量、等待切削的时间，提高了加工效率。 (6) 有利于企业提高应变能力和市场竞争力。 (7) 提高了产品的质量和设计、生产效率。 (8) CAD/CAM的一体化，使产品的设计、制造过程形成一个有机整体，通过信息集成，在经济上、技术上给企业带来综合效益。

41. 常见的CAD/CAM单项技术 • 计算机辅助绘图，简称CAG (Computer Aided Graphics) • 计算机辅助工程分析，简称CAE (Computer Aided Engineering) • 计算机辅助工艺设计，简称CAPP (Computer Aided Process Planning) • 计算机辅助数控编程，简称NCP (Numerical Control Programming) • 企业资源计划，简称ERP (Enterprise Resource Planning) • 计算机辅助质量控制，简称CAQ (Computer Aided Quality) • 产品数据管理，简称 PDM (Product Data Management) • 虚拟设计，简称VR-CAD (Virtual Reality- CAD) • 虚拟制造，简称VM (Virtual Reality Manufacturing)

42. 复习思考题 1．CAD/CAM的基本概念。 2． CAD/CAM系统的基本功能。 3． CAD/CAM系统的主要任务。 4． CAD/CAM系统的组成。 5．常见的CAD/CAM单项技术的名称及缩写。