CADCAM在机械设计中的应用.docx
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CADCAM在机械设计中的应用
毕业设计（论文）
（成教）
题目：
CAD/CAM在机械设计中的应用
院（系）：
机电学院
专业：
机电一体化工程
姓名：
陈同榜
学号：
2010000121
指导教师：
张玉柱
二〇年月日
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
陈同榜
学号
2010000121
专业
机电一体化工程
院（系）
机电学院
毕业设计（论文）题目
CAD/CAM在机械设计中的应用
任务与要求
完成时间段
年月日至年月日共周
指导教师单位
职称
院（系）审核意见
毕业设计（论文）进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
教师对进度计划
实施情况总评
签名
年月日
毕业设计（论文）中期检查记录表
学生填写
毕业设计（论文）题目:
学生姓名:
学号：
专业：
指导教师姓名:
职称:
检查
教师填写
毕业设计（论文）题目工作量
饱满
一般
不够
毕业设计（论文）题目难度
大
适中
不够
毕业设计（论文）题目涉及知识点
丰富
比较丰富
较少
毕业设计（论文）题目价值
很有价值
一般
价值不大
学生是否按计划进度独立完成工作任务
学生毕业设计（论文）工作进度填写情况
指导次数
学生工作态度
认真
一般
较差
其他检查内容：
存在问题及采取措施:
检查教师签字:
年月日
院（系）意见
（加盖公章）:
年月日
摘要
CAD/CAM是计算机辅助设计与计算机辅助制造的英文缩写,是一项利用计算机帮助人们完成设计与制造的技术;将两者联系起来就是采用计算机后,传统的设计与制造两个分离的任务将作为一个整体来规划和开发,实现信息处理的高度一体化。
实践证明,将CAD和CAM作为一个整体来规划和开发,可以取得更明显的效益。
本文主要探讨CAD/CAM技术在机械设计中的应用。
关键词：
CAD/CAM技术机械设计
Abstract
CAD\/CAMisacomputeraideddesignandcomputeraidedmanufacturingoftheEnglishabbreviation,istheuseofacomputertohelppeoplecompletethedesignandmanufacturingtechnology;linkingthemtogetheristouseacomputer,andmanufactureoftraditionaldesigntwoseparatetasksasawholetoplanninganddevelopment,toachieveahighdegreeofintegrationofinformationprocessing.Practicehasprovedthat,CADandCAMasawholetoplanninganddevelopment,canbemademoreobviousbenefit.ThispapermainlydiscussestheapplicationofCAD\/CAMtechnologyinmechanicaldesign.
KEYWORD：
CAD/CAMtechnologyinmechanicaldesign
目录
第一章绪言7
第一节CAD/CAM技术的基础概念7
第二节CAD/CAM系统可以从不同的角度加以分类8
第二章计算机在设计和制造中的辅助作用9
第一节计算机在CAD/CAM设计和制造中的辅助作用9
第三章CAD/CAM在机械设计中的应用10
第一节零件与装配图的实体生成10
第二节模具CAD/CAM的集成制造11
第三节 机械CAE软件的应用11
第四章CAD前沿技术与发展趋势11
第一节图形交互技术11
第二节智能CAD技术11
第三节虚拟现实技术12
第一章绪言
第一节CAD/CAM技术的基本概念
CAD（计算机辅助设计）和CAM（计算机辅助制造）是60年代以来迅速发展起来的一门新兴的综合计算机应用技术。
计算机辅助设计和制造，简称CAD/CAM,指的是以计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计和制造中的各项活动。
计算机辅助设计是人相计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。
从思维的角度看，设计过程包含分析和综合两个方面的内容。
人可以进行创造性的思维活动，将设计方法经过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析这些模型的程序。
在程序运行过程中，人可以评价设计结果，控制设计过程；计算机则可以发挥其分析计算和存储信息的能力，完成信息管理、绘图、模拟、优化和其他数值分析任务。
人和计算机相结合，在设计过程中两者发挥各自的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期。
计算机辅助制造是利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制。
一般说来．计算机辅助制造包括工艺设计、数控编程和机器人编程等内容。
工艺设计主要是确定零件的加工方法、加工顺序和所用设备。
近年来，计算机辅助工艺设计（CAPP）已逐渐形成了一门独立的技术分支。
当采用NC（Numericalcontrol数控）机床加工零件时，需要编制NC机床的控制程序。
计算机辅助编制NC程序，不但效率高，而且错误率很低。
在自动化的生产线上，采用机器人完成装配相传送等项任务。
利用计算机也可以实现机器人编程。
在这里的CAM部分，主要阐述NC加工原理与程序编制，而不涉及机器人编程问题。
计算机辅助设计和计算机辅助制造关系十分密切。
开始，计算机辅助几何设计和数控加工自动编程是两个独立发展的分支。
但是随着它们的推广应用，二者之间的相互依存关系变得越来越明显了。
设计系统只有配合数控加工，才能充分显示其巨大的优越性。
另一方面，数控技术只有依靠设计系统产生的模型才能发挥其效率。
所以，在实际应用中二者很自然地紧密结合起来，形成了计算机辅助设计与制造集成系统。
通常，CAD/CAM系统指的就是这种集成系统。
在CAD/CAM系统中，设计和制造的各个阶段可利用公共数据库中的数据。
公共数据库将设计与制造过程紧密联系为一个整体。
数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型，形成数控加工机床所需的信息。
CAD/CAM可大大缩短产品的制造周期．显著提高产品质量，从而产生巨大的经济效益。
第二节CAD/CAM系统可以从不同的角度加以分类
按系统的功能范围，CAD/CAM系统可分为通用系统和专用系统两类。
通用的CAD/CAM系统功能全面，适用范围较广。
例如，CATIA、I—DEAS、CADDSS、Pro/Engineer和EUCLID等系统均属此类。
这类CAD/CAM系统通常包括线框、实体和曲面造型模块、绘图模块、装配与零件设计模块、有限元分析模块、数据交换与传输模块和NC加工模块。
专用的CAD/CAM系统指的是那些为特定的应用而开发的系统。
这类系统通常只能适用于一定的专业，或用于解决某一类问题。
例如，冲模CAD/CAM系统相注塑模CAD/CAM系统皆属此类。
按运行方式，CAD/CAM系统可分为交互式系统和自动化系统。
虽然人们正在研究以人工智能方法为基础的CAD/CAM系统，但在目前的技术发展水平方面计算机尚难以自动地完成设计和制造中的全部工作。
因此，绝大多数CAD/CAM系统都属于交互式系统。
这种系统以交互方式运行，由计算机检索数据，分析计算，并将运算结果以图形或数据的形式显示在屏幕上，用户可利用键盘和图形板等交互设备输入参数，选择方案，修改设计，控制运行的进程。
另外，CAD/CAM系统从硬件角度可分为主机系统、工作站系统和微机系统;按软件的开放性可分为交钥匙系统（Turn—KeySystem）和可编程系统（ProgrammableSystem）。
CAD/CAM技术随着计算机硬件和软件技术的迅速发展日趋完善，在机械、电子、宇航和建筑等部门得到广泛应用。
CAD/CAM技术使产品的设计制造和组织生产的传统模式产生了深刻的变革，成为产品更新换代的关键技术，被人们称为产业革命的发动机。
在工业发达国家，CAD/CAM已经形成了一个推动各行业技术进步的、具有相当规模的新兴产业部门。
模具的设计、制造水平和产品的质量、成本及生产周期息息相关。
随着制造工业的发展，产品对模具的要求越来越高。
传统的模具设计与制造方式已无法适应工业发展的需要，CAD/CAM技术成为解决模具设计与制造中的撂弱环节的有效途径。
随着模具CAD/CAM技术的广泛应用，必将给模具行业的技术改造和发展带来深刻影响，从而大大促进制造业的发展
第二章计算机在设计和制造中的辅助作用
第一节计算机在CAD/CAM设计和制造中的辅助作用
计算机辅助设计与制造这一术语本身包含了这样的意思，即在人能有效发挥作用的地方不用计算机，反之在计算机可被有效利用的场合不用人。
计算机在设计和制造过程中起重要的辅助作用，但不是取代人的作用。
为了弄清二者的作用，使人和计算机更好地结合，共同完成产品的设计与制造，有必要比较一下人和计算机的特点。
表1为人机特点的比较，由表中可以看出人和计算机的能力在绝大多数方面是互补的。
在某些地方人胜过计算机，在另一些地方计算机则优于人。
表1人机特点的比较
项目
人
计算机
项目
人
计算机
推理与逻辑判断
通过经验、想象进行直觉的逻辑推理
模拟的、系统的逻辑推理
提取重要信息的能力
强
差
信息的组织
非格式的、直觉的
格式化的、详细的
出错机会
多
少
信息存储能力
差、且与时间有关
强、与时间无关
分析能力
直觉分析能力强
无直觉分析能力，数值分析能力差
对重复工作的耐力
多
强
计算机在设计和制造中的辅助作用主要体现在数值计算、数据存储与管理、图样绘制三个方面。
计算机作为计算工具使用的优越性显而易见。
人工计算容易发生错误的问题在这里得到了完全的克服。
许多需要多次迭代的复杂运算，只有用计算机才能完成。
一些设计分析方法、例如优化方法、有限元分析，离开计算机便难以实现。
计算机作为计算工具提高了计算精度，保证了结果的正确性。
计算机可靠的记忆能力，使其能够在数据存储与管理方面发挥重要作用。
例如，常规设计时．设计人员必须从有关的技术文件或设计手册中查找数据，不但费时，而且容易出错。
使用CAD/CAM系统时，标准的数据存放在统一的数据库中，检索存储方便迅速。
有了数据库，设计人员便不再需要记忆具体的数据，也不必关心数据的存储位置，可以全神贯注于创造性的工作。
图样是工程的语言，是人们交流思想的工具。
虽然CAM将使图样在制造中的作用逐渐消失，但图样在审查设计方案、检验产品等方面的作用仍将存在。
图样的绘制工作约占整个设计工作量的60%以上，因此计算机绘图是对设计工作的有力辅助。
这就是为什么计算机绘图被广泛使用的原因。
另外，实际设计中很大一部分图样只是在现有设计的基础上加以局部修改。
一旦图形数据存储于图库之中，它们可以重复使用，可以进行修改与编辑，以产生新的图形。
人和计算机相结合，恰当地发挥二者的作用对CAD/CAM十分重要。
在建立一个CAD/CAM系统时，应在以下几个方面考虑人机的特点。
经验与判断相结合在产品和工艺过程设计中是不可缺少的，所以设计过程必须由人控制。
设计人员应能在设计的各个阶段行使控制权，应能利用其直觉进行设计，而不一定要遵循计算机的设计逻辑。
计算机的学习能力很差，学习的任务应由人来完成。
人可以从过去的设计中学习，总结经验。
对于费时费力的数值分析工作，计算机可以高速精确地完成。
在设计中应尽可能多地让计算机完成数值分析工作，使人有更多的时间利用数值分析的结果和他本身的直觉分桥能力完成决策性的工作。
计算机具有永久存储信息的能力，对重复性工作有极强的耐力。
所以，在设计和制造过程中，信息的存储管理应在人的指导下由计算机完成。
像绘制图样之类繁琐的、令人疲倦的工作，适合于计算机去完成，将人从重复劳动中解放出来。
计算机具有系统检错的能力，人则可用直觉方式检错。
一般说来，让计算机自动改正错误是困难的。
因此，改正错误、修改设计的任务应由人来完成。
总之，在设计和制造中计算机可以起到重要的辅助作用，正确地处理人机关系，发挥二者各自的优势，是CAD/CAM中的一个重要问题。
第三章CAD/CAM在机械设计中的应用
第一节零件与装配图的实体生成
零件的实体建模。
CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。
在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。
如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。
对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。
对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。
所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。
为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。
实体装配图的生成。
在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。
第二节模具CAD/CAM的集成制造
随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。
同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术（RPM）等,几乎覆盖了整个现代制造技术。
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。
如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。
这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。
第三节 机械CAE软件的应用
机械CAE系统的主要功能是:
工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。
CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。
第四章CAD前沿技术与发展趋势
第一节图形交互技术
CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。
一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。
因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。
此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。
第二节智能CAD技术
CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。
智能CAD/CAM是发展的必然方向。
智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。
并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。
第三节虚拟现实技术
虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。
结论
计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）技术已经越来越多地应用在数控加工领域,CAD/CAM软件技术也在飞速发展,出现了很多的软件产品,这些产品根据自身的开发档次及其适用度,被广泛应用在不同加工场合,大大节省了设计制造的时间周期,并在一定程度上提高了精度和速度
致谢
在本次论文设计过程中，张老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。
在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。
这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。
在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。
参考文献
［1］仲梁维，张国全，计算机辅助设计与制造，北京，北京大学出版社，2006.8
［2］李建雨，袁清珂，张湘伟，CAD/CAM/CAE系统原理。
北京，电子工业出版社，2006.6
［3］张夕琴.CAD/CAE技术在机械设计中的应用.装备制造技术，2007,（12）.
［4］佘蔚荔，佘冠洲，刘乐年，CAD/CAM应用技术，
［5］孙恒，陈作模，葛文杰，机械原理，北京，高等教育出版社，2006.
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