CADCAM新技术简述.docx

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CADCAM新技术简述

六、小论文二：

“CAD/CAM新技术简述”

内容提要：

就CAD/CAM技术的发展趋势分析几种从不同角度提出的不同的先进制造技术新模式、新哲理、新技术、新概念、新思想、新方法，对CAD/CAM新技术进行简要概述。

对被称为未来制造业的两大支柱技术“快速成型制造技术”与“虚拟技术”进行详细介绍。

关键字：

CAD/CAM新技术、快速成型、虚拟技术。

引言：

随着计算机技术和信息技术的发展，CAD/CAM技术在全球迅速普及开来。

对制造业来说，CAD/CAM是提高产品设计品质和制造品质、缩短产品开发周期，降低产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。

因此，研究CAD/CAM技术应用现状，探讨其发展前景，对加快我国机械行业CAD/CAM技术推广应用步伐，提高我国机械制造业的国际竞争力具有深远意义。

正文：

1.CAD/CAM软件的特点及现状

1.1国内外流行软件

计算机辅助设计与制造（CAD：

ComputerAidedDesign，CAM：

ComputerAidedManufacture）技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、二维儿何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NC）、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容。

目前国内外分别流行MDT、PICAD、CAXA、金银花系统（Lonicera）、高华CAD、GS-CAD98、开目CAD、Unigraphics（UG）、AutoCAD和Pro/Engineer等软件。

其中UG是将优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框、表面功能结合在一起，还提供了二次开发工具GRIP、UFUNG、ITK允许用户扩展UG的功能。

Auto-CAD软件是目前世界上应用最广的CAD软件，占整个CAD/CAE/CAM软件市场的37%左右。

Pro/E近几年已成为三维机械设计领域里最富有魅力的软件，在中国模具工厂得到了非常广泛的应用。

1.2我国CAD/CAM技术应用现状

就目前我国机械制造业，CAD/CAM技术应用现状主要呈现出起步晚，市场份额小，应用范围窄、层次浅，功能单一，经济效益并不明显等特点。

过近几十年的发展，我国CAD/CAM技术有了长足发展，已被广泛用于我国企业;我国CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。

但是整体来说，我国目前从产品开发水平、从商品化、市场化程度都与发达国家尚有不小差距。

例如：

不少企业对CAD的认识还仅停留在绘图阶段，从而使CAD产生的效益尚未充分发挥;CAD/CAM软件应用人员参差不齐，CAD软件不能得到高效率应用;缺少既适合教学又满足企业需求的软件及教学平台。

CAD/CAM技术水平还处于向高技术集成和向产业化商品化过渡的时期，还没有针对性的软件，一般都是使用通用性软件。

虽在微机平台上开发CAD/CAM软件方面我国与国外起点差不多，但对引进的CAD/CAM系统的二次开发却跟不上，致使引进软件的效率不能完全发挥。

针对21世纪机械制造行业的基本特征，CAD/CAM技术的发展趋势也呈现出以下几个特征：

标准化、集成化技术、智能化技术、网络技术的应用、多学科多功能综合产品设计技术等。

目前，激烈的市场竞争不断向CAD/CAM提出更新更高的要求，另外人工智能技术、网络技术、软件工程中面向对象的方法以及工程数据库技术的发展也为CAD/CAM技术的提高注入新的活力，使CAD/CAM技术不断向着集成化、智能化、标准化、网络化方向发展。

为克服上述不足，适应未来发展方向，20世纪80年代开始，人们从各种不同角度提出了许多不同的先进制造技术新模式、新哲理、新技术、新概念、新思想、新方法，如柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingSystem）、计算机集成制造系统CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem）、并行工程CE（ConcurrentEngineering）等；由于网络技术的快速发展，80年代末90年代初又提出了敏捷制造AM（AgileManufacturing）、精良生产LP（LeanProduction）、分布式制造DM（DistributedManufacturing）、虚拟制造VM（VirtualManufacturing），高速加工技术、逆向工程技术、快速成形技术和虚拟制造技术等新技术。

这些新技术的使用，对提高制造业企业的竞争力起到了巨大的作用。

2.CAD/CAM新技术

2.1高速加工

高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，高速加工可以缩短加工时间，提高生产效率和机床利用率；工件热变形小，加工精度高，表面质量好；适合加工薄壁、刚性较差、容易产生热变形的零件，加工工艺范围广，因此，在实际应用中，高速加工具有较好的技术经济性。

对于当今广泛使用的数控机床、加工中心等投资费用较高的加工装备，只有大幅度降低切削工时才能进一步提高其生产效率，而大幅度降低工时，只有通过提高切削速度和进给速度的方式才能实现，所以发展高速加工技术具有十分重要的意义。

高速加工机床有高速加工中心、高速车床、高速钻床、高速铣床、高速磨床等，其中高速加工中心最为典型。

按高速机床必须具备高主轴转速和高进给速度与加速度的技术特征，通常将高速加工中心分为两类：

以高转速为主要特征的高速加工中心，即HSM（HighSpeedMachining）型，这类机床一般只具有高转速而没有高进给速度；以高移动速度为主要特征的高速加工中心,即HVM（HighVelocityMachining）型，这类机床不仅具有高主轴转速，且具有高进给速度。

2.2逆向工程技术

通过一定的途径，将这些实物转化为CAD模型，使之能利用CAD/CAM系统进行处理。

这种从实物样件获取产品数学模型的技术，称为逆向工程RE（ReverseEngineering），也称为反求工程、反向工程。

它是在没有产品原始图纸、文档或CAD模型数据的情况下，通过对已有实物的工程分析和测量，得到重新制造产品所需的几何模型、物理和材料特性数据，从而复制出已有产品的过程，主要应用在产品仿制、新产品设计和旧产品改进。

。

图7-1逆向工程工作流程

2.3快速成形技术

快速成形（RapidPrototyping，简称RP）技术，又称为快速成形技术，是20世纪80年代末90年代初发展起来的一种先进制造技术，它结合了数控技术、CAD技术、激光技术、材料科学技术、自动控制技术等多门学科的先进成果，利用光能、热能等能量形式，对材料进行烧结、固化、粘结或熔融，最终成形出零件的三维实物模型。

2.3.1RP技术的工作原理和特点

RP技术是将复杂三维实体通过切片转换为二维来加工的，通常又称为层加工（LayerManufacturing）。

如图7-2所示RP技术的工作原理是根据零件的三维CAD实体模型，利用专业切片软件对其进行切片处理，得到模型每层截面的轮廓，再在快速成形设备中用激光或其他方法将材料进行逐层成形，从而形成零件的原型，可简单地概括为数据离散、材料堆积。

图7-2快速成型制造流程示意图

（1）实际应用的过程：

1　利用高性能的CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型。

2　根据工艺要求，按照一定的厚度在Z向（或其它方向）对生成的CAD模型进行分层切片。

3　对层面信息进行工艺处理，选择加工参数，系统自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码。

4　加工过程进行仿真，确认数控代码的正确性。

5　利用数控装置精确控制激光束选择性地烧结/切割。

具体流程如图7-3所示。

图7-3快速成形制造与反求工程

（2）RP技术具有下列特点：

1　由于采用分层成形、逐层叠加的成形原理，因此可以成形结构非常复杂的零件。

2　成形过程不需要任何刀具、模具及工艺装备，从而节省了成形前的准备时间，大大缩短了产品生产周期。

3　产品的单价与批量无关，因此特别适合于新产品样件的制作和单件、小批量零件的生产。

4　与传统制造方法相结合，可实现快速制模、快速铸造，为传统制造方法注入了新的活力。

5　成形过程为全自动控制，不需人员值守和看护，从而大大降低了操作人员的劳动工作量

2.3.2RP技术的应用

快速成形制造方法主要适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂零件的制造、模具设计与制造、也适合与难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验等。

快速成形制造技术的应用主要表现在快速样机制造、快速模具制造和快速制造。

典型的有代表性的RPM技术有立体平面印刷（SLA—StereolithographyApparatus）如图7-4所示、分层实体制造（LOM－LaminatedObjectManufacturing）如图7-5所示、选择性激光烧结（SLS—SelectiveLaserSintering）如图7-6所示、熔融沉积成形（FDM－FusedDepositionModeling）、喷墨印刷（Ink－JetPrinting）等。

图7-4立体平面印刷

图7-5分层实体制造

图7-6选择性激光烧结

2.3.3RP技术的发展趋势

快速成形制造技术目前的发展趋势主要在两方面，一是新型成形方法的研究和开发，其关键是寻找新的分层叠加成形原理；二是用什么材料进行分层叠加以及如何进行分层叠加。

2.4虚拟制造技术

随着产品个性化、复杂性越来越高、产品生命周期越来越短，传统的"试制原型→产品试验→投产"的产品开发模式由于产品需反复试制，造成产品开发周期长、成本高，这种模式已不能适应社会的发展，人们希望应用计算机技术，通过对产品的设计制造过程进行计算机模拟和仿真，来缩短产品的开发周期，提高产品开发的一次成功率。

为解决上述问题，虚拟制造VM（VirtualManufacturing）和虚拟制造系统VMS（VirtualManufacturingSystem）诞生了。

2.4.1虚拟现实技术

虚拟现实技术具有多感知性、沉浸感、交互性、自主性和动态的显示等特征可通过头盔显示器、数据手套和数据衣、语音识别系统（接受并识别用户的语音命令）和三维环绕音响系统（为用户营造身临其境的声音反馈）等实现虚拟现实环境。

而虚拟现实建模语言（Virtual　Reality　Modeling　Language，VRML）是描述虚拟环境中场景的一种标准。

设计VRML的一个主要目标是保证它作为多个虚拟现实（VR）系统或其组成部分中有效的三维文件的交换、描述标准，并且这些VR系统或其他组成部分可分布在网络中的不同计算机上。

同时VRML提供了二维、三维文字和多媒体集成为一个混合模型的技术。

（1）VRML的基本概念

1　头文件。

#VRMLV2.0[optional　comment]

2　场景图结构。

3　事件结构。

4　感知器。

5　脚本和插值器

6　原型、封装和重用。

7　分布式场景。

8　VRML和WWW。

9　显示和交互。

（2）VRML编程

1　*.wrl文件编程；为了使.wrl文件所模拟的现实世界具有较强的真实度，可通过Java语言来实现目的。

2　操纵*.wrl文件编程。

通过用OpenInventor编程，可实现虚拟现实浏览器的功能

2.4.2虚拟制造

虚拟制造是新产品及其制造系统开发的一种哲理和方法论，可以看作是CAD/CAE/CAM集成化发展的高一层次，其本质是以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，对设计、制造、管理等生产过程进行统一建模。

它强调在实际投入原材料与产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性，虚拟制造技术是基于产品模型、计算机仿真技术、可视化技术及虚拟现实技术，在计算机内完成产品的制造、装配等制造活动的制造技术，具有功能一致性、结构相似性、组织的灵活性、集成化和智能化等特征。

（1）虚拟制造与实际制造的关系

虚拟制造系统与实际制造系统之间关系如图7-8所示

图7-8虚拟制造系统与实际制造系统之间关系

（2）虚拟制造的分类

1　以设计为核心的虚拟制造

2　以生产为核心的虚拟制造

3　以控制为核心的虚拟制造

虚拟制造的分类及相互关系如图7-9所示：

图7-9虚拟制造的分类及相互关系

（3）虚拟制造的体系结构

1）虚拟开发平台基于产品技术复合化的产品设计与分析；基于仿真的零部件制造设计与分析；基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验——虚拟加工、虚拟机器人等；可实现材料加工成形仿真和产品虚拟装配等。

2）虚拟生产平台可实现虚拟生产环境布局、设备集成和计划与调度。

3）虚拟企业平台

4）基于PDM的虚拟制造集成平台基于产品数据管理（PDM）的虚拟制造集成技术；基于PDM的产品开发过程集成。

支持虚拟制造的产品数据模型。

2.4.3虚拟制造的关键技术

虚拟制造的关键技术主要有计算机及虚拟现实技术和虚拟制造应用关键技术。

（1）计算机及虚拟现实技术：

1）人机接口

2）软件技术

3）虚拟现实计算平台

（2）虚拟制造应用关键技术：

1）建模

2）仿真

3）可制造性评价

2.4.4虚拟制造应用实例

（1）虚拟设计下图剑杆织机虚拟产品

图7-10剑杆织机虚拟产品可视化

（2）虚拟装配如图7-11

图7-11关键部件虚拟装配

（3）虚拟加工

如图7-12所示为虚拟加工环境构造的虚拟机床模型。

图7-12虚拟机床模型

2.4.5虚拟产品开发

虚拟产品开发的主要特点是产品虚拟化，另外还包括功能虚拟化、地域虚拟化和组织虚拟化等特点。

虚拟产品开发体系结构如图7-13.

图7-13虚拟产品开发体系结构

虚拟产品开发的关键技术有：

（1）产品开发的过程建模

①过程模型——过程模型的描述方法及在计算机上的处理和实现，过程的动态调整和优化

②组织模型——规划和描述组织结构、活动分工、权限和责任定义

③资源模型——对信息、设备、人力、资金等资源进行动态规划和配置控制。

④约束规则——时间约束.功能约束.关键参数约束

⑤过程监控和协调——进行实际约束管理、过程的实时监控调度和冲突仲裁，保障过程按照最优方向进展

（2）支持VPD的产品数据模型

①具有统一的数据结构

②并行方式定义产品

③支持工程分析工具的应用

④支持产品异地、并行设计

（3）多种协同机制

①组织协同

②人机协同

③知识协同

④人、技术、组织三者的协同

（4）全生命周期的产品演变仿真和产品开发全过程的活动仿真

（5）各种支持系统的开发。

7.4结束语

中国的制造业必须积极地承接世界制造业的转移，力争更快地跨进制造强国的行列;为了承接世界制造业的转移，在保护知识产权的同时努力加强研发力量，努力提高创新能力，使中国制造业从中低端产品加工厂转变为世界制造业中心之一。

那么依托强有力的CAD/CAM技术的支持，以工程项目带动科技进步，培养从设计、制造工艺到操作、管理的各类各级优秀人才，一定能使中国的制造业在21世纪之初，即实现工业化的过程中，再上一个新台阶，真正的成为世界制造业强国。

要时刻记住，开发CAD/CAM软件的最终目的是应用CAD/CAM技术，提高我国机械行业的设计和制造水平，所以，CAD/CAM软件不仅要水平高，有自己的特色，更要能够市场化，从市场中收回投入，从而能够根据机械行业用户的需求不断地更新发展软件。