CADCAM在机械制造业中的应用.docx
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CADCAM在机械制造业中的应用
CAD/CAM在机械制造业中的应用
摘要：
分析CAD/CAM技术在机械制造业的应用的迫切性及应用后明显的优越性.
关键词：
CAD/CAM;设计;制造;应用
Key words:
CAD/CAM; design; make; application
引言
CAD系统是将人的创造性思维、专业知识及实践经验与计算机高速运算功能、大量信息储存及逻辑判断能力有机结合，实现人机信息交流及交互工作的系统。
CAD是ComputerAidedDesign的缩写，起源于上世纪50年代，随着计算机技术的快速发展，CAD技术得到了长足发展，国内的设计企业采用计算机绘图已彻底替代了复杂、繁琐、费时的传统绘图，甩掉了传统的图板。
1 机械制造业应用CAD/CAM技术的可能性,必要性和迫切性
机械制造业是国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部门的发展，也影响到国计民生和国防力量的加强，因此，各国都把机械制造业的发展放在首要位置。
随着机械产品国际市场竞争的日益加剧，各大公司都把高新技术注入机械产品的开发中，作为竞争取胜的重要手段。
国民经济中的任何行业的发展，必须依靠机械制造业的支持并提供装备；在国民经济生产力构成中，制造技术的作用占60%以上。
美国认为社会财富的来源机械制造业占68%；当今制造科学、信息科学、材料科学、生物科学等四大支柱科学相互依存，但后三种科学必须依靠制造科学才能形成产业和创造社会物质财富。
而制造科学的发展也必须依靠信息、材料和生物科学的发展，机械制造业是任何其他高新技术实现工业价值的最佳集合点。
例如，快速原型成型机、虚拟轴机床、智能结构与系统等，已经远远超出了纯机械的范畴，而是集机械、电子、控制、计算机、材料等众多技术于一体的现代机械设备，并且体现了人文科学和个性化发展的内涵。
CAD/CAM，是指以计算机作为主要技术手段，帮助人们处理各种信息，进行产品设计与制造。
模具CAD/CAM技术是以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使工种技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化，是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工种。
企业要把握住时代潮流和行业新动态，抓机遇、结国情，积极开展CAD/CAM技术的研究和推广工作，增强企业竞争能力，加强企业现代化进程。
当前CAD/CAM主要运行在工作站或微机平台上。
工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格昂贵、操作使用复杂、培养专业技术人员周期长，这在一定程度上限制了CAD/CAN技术的推广。
而由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且其操作系统的安全性与掌握技术的简单性和灵活性，使得CAD/CAM技术得以广泛地应用和推广。
以下我们对一批比较优秀、流行的商品化软件作一些简要的介绍和分析：
[1]． Unigraphics（UG）是 UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。
该公司首次突破传统 CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。
在 UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。
UG最早应用于美国麦道飞机公司。
它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。
90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM主导系统。
[2]．SOLIDEDGE是真正Windows软件。
它不是将工作站软件生硬地搬到Windos平台上，而是充分利用Windos基于组件对象模型（COM）的先进技术重写代码。
SOLIDEDGE与Microsoft office兼容，与Windos的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时，能够进行Windows下字处理、电子报表、数据库操作等。
SOLIDEDGE具有友好的用户界面，它采用一种称为SmartRibbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮，既可以在SmartRibbon上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步该做什么。
SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。
[3]．AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。
Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。
目前在 CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。
Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计等一些重大工程领域。
AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。
AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。
AutoCAD提供ALISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。
[4]．MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。
它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。
[5]．Solid Works是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。
生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/ CAE/CAN/PDM市场同步。
该公司提倡的"基于 Windos的 CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统"是以Windos为平台，以Solid Works为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。
Solidworks是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站出版的相应软件价格的1/4～l/5向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。
是基于Windos平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。
图形界面友好，用户上手快。
该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中。
[6]．Pro/Engineer系统是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporatlon，简称PTC）的产品。
PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。
利用该概念开发出来的第三代机械 CAD/CAE/CAM产品 Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。
[7]．高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。
包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。
其中GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图索拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。
[8]．CAXA电子图板和CAXA－ME制造工程师软件是由北京北航海尔软件有限公司（原北京航空航天大学华正软件研究所）开发与销售。
CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。
CAXA--ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。
CAXA制造工程师1.0版于 1996年推出，CAXA－ME2.0版于1998年3月发布， CAXA－WE2000版业已发布
[9]．金银花（Lonicera）系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准CAD/CAM系统。
该系统是国家科委863/CIMS主题在"九五"期间科技攻关的最新研究成果。
该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计、制造一体化和自动化。
该软件起点高，以制造业最高国际标准ISO-10303（STEP）为系统设计的依据。
该软件采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术；具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能；同时还具有多种标准数据接口，如 STEP、DXF等；支持产品数据管理（PDM）。
目前金银花系统的系列产品包括：
机械设计平台MDA、数控编程系统NCP、产品数据管理PDS、工艺设计工具MPP。
机械设计平台MDA（Mechanical Design Assistant）是金银花系列软件之一，是二维和三维一体化设计系统。
目前，MDA1.7版已投放市场，MDA99版也已发布。
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.人们利用计算机作为主要技术手段,对产品从构思到投放市场的整个过程中的信息讲行分析和处理,生成和运用各种数字信息和图形信息,进行产品的设计与制造.CAD/CAM技术不是传统设计,制造流通和方法的简单映像,也不是局限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.
在机械制造业中产品的设计,制造是从市场需求分析开始的,根据需求确定产品的性能,建立产品的总体设计方案,进行综合分析论证;在此基础上,设计具体结构,包括结构方案的优化,评估,几何参数,力学特性的分析计算;最后得出产品的设计结果.完成设计工作之后,需对产品的几何形状和制造要求做进一步分析,设计产品的加工工艺规程,进行生产准备,随后,加工制造;装配,检测.由此可以得出两点结论:
第一,设计,制造过程的各个阶段事实上是客观存在的.正因为这个规律的存在,为程式化工作的计算机引人设计,制造领域,实现CAD/CAM提供了客观可能性.第二,人为地研究,分析,总结这个规律是为了更好地把握,运用这个规律,科学地,有计划地,按步骤地实施设计与制造,为实现CAD/CAM创造条件.
针对整个设计过程中,各设计任务所占的比重将设计划分为如下设计类型:
1新设计这是一种从无到有的开发性设计.或者从概念设计,功能设计开始,或者重新排列组合现有
的,或新的零部件来达到设计目的.新设计需要创造性的思维.
2适应性设计其特点是保持总体布局不变,修改个别零部件的功能或形状以适应质和量的附加要求.
3参数化设计其特点是功能,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,产生系
列化的设计结果.
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.上述数据说明,工程技术人员的大部分时间和精力是消耗在重复性工作或局部小修小改之中了,不可能有充沛的精力去从事创造性劳动.也不会有足够的时间去学习掌握新知识和新技能,久而久之,人的创造性思维能力也会随着日复一日,年复一年的重复,烦琐的劳动而萎缩.尤其在市场竟争剧烈的条件下,很难适应发展的需要.因此,在机械制造领域为使设计方法及设计手段科学化,系统化,现代化,实现CAD是非常必要的.
工艺设计是机械制造生产过程技术准备工作的一个重要内容,是产品设计与车间的实际生产的My,工艺规程是进行工装设计制造和决定零件加[方法与加1路线的I要依据,它对组织生产,保id产品质最,提高劳动生产率,降低成本,缩短生产周期及改善劳动条件等有着1气接的影响,是经验性很强LI随环境变化而多变的决策过程.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,很难获得最住方案,远不能适应当前机械制造行业发展的要求.同时,与产品设日一样,也存庄着繁琐Btu亚复的密集型劳动束缚工艺人员,难以从事创造性开拓工作.因此,用CAPP技术代替传统的工艺设计对于机械制造业具有重要意义.
再考察制造阶段的生产状况.从机械制造行业来看,由于新工艺新技术的飞速发展,社会需求趋向多样化,市场竞争激烈,迫使产品更新周期日益缩短.多品种小批量生产的企业大最增加,50件以「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问中,只有5%的时间是在机床上,而在这个5%的时间中,又只有30%的时间用于切削加工.由此可见,零件在机床上的切削时间只占零件在车间停留时间的1.5%.要提高零件的加工效率,改善经济性,就要减少零件在车间的流通时问和装卸,调整,测量,等待切削的时间.而做到这一点必须综合考虑生产的管理,调度,零件的传递和装卸方法等多方而因素.这需要通过计算机辅助人们做全面安排,控制加工过程.
上述设计,制造过程分析充分说明了机械制造业应用CAD/CAM技术的可能性,必要性和迫切性.
2 机械制造业应用CAD/CAM后明显的优越性
开发CAD/CAM软件的目的是应用CAD/CAM技术，从60年代初第一个CAD/CAM系统问世以来，经过四十多年的发展，CAD/CAM系统在技术上、应用上已日趋成熟。
在"七五"期间，国家支持对24个重点机械产品进行了CAD的开发研制工作，为我国 CAD/CAM技术的发展奠定了一定的基础。
另外，通过国家科委实施的863计划中的CIMS主题，也促进了CAD/CAM技术的研究和发展。
尤其是机械行业自1995年以来，相继开展了"CAD应用1215工程"和"CAD应用1550工程"，前者是树立12家"甩图板"的CAD应用典型企业，后者是培育50～100家CAD/CAM应用的示范企业，扶持500家，继而带动5000家企业的计划。
贵州省经过实施CAD应用工程，企业CAD推广应用面明显扩大，应用水平显著提高，企业市场竞争能力大大增强。
贵州省的24家示范企业在CAD应用工程启动之后，在已有CAD系统的基础上，新投资了3554万元用于CAD软硬件设备的购置。
这24家示范企业经过实施CAD应用工程后，企业综合竞争能力显著提高：
产品设计效率显著提高（平均提高92％），产品设计及制造周期明显缩短（设计周期平均缩短 65.33％），显著提高产品设计质量（20家显著提高，4家较显著提高），平均的CAD覆盖率达到95.18％（比CAD应用工程实施前增加34.01％），平均CAD普及率达到 96.15％（比 CAD应用工程实施前增加37％），企业应用CAD共新增产值壹拾亿肆仟柒佰陆拾贰万元整（ l，047，620，000元），新增利税壹亿肆仟壹佰万元整（141，000， 000元），降低成本壹亿壹仟伍佰贰拾叁万元整（115，230，000元），投入产出比为1：
29．48，贵州省所取得的CAD应用效益处于国内领先水平，取得了十分显著社会经济效益
经过四十多年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步。
现在CAD/CAM主要运行在工作站或微机平台上。
工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。
随着Pentium芯片和WindowsNT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。
由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且windowsNT操作系统的安全性与DOS、Windows3.x、Windows95/98等操作系统相比有了很大提高。
所以，微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。
在此基础上，CAD/CAM软件厂商展开了新一轮的竞争。
一方面工作站上著名的CAD/CAM的软件（如UG、CATIA）全功能地移植到微机平台，使微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力；另一方面CAD/CAM软件打破了原有Unix环境的桎梏，在Windows平台上全面拓展。
Pentium以上处理器和NT环境已经或者正在成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台。
目前,机械制造业中CAD/CAM技术己经得到了一定范围的应用,并且带来了显著的经济效益.据初步统计,有67%的机械制造单位现有产品设计图样的95%实现了CAD,每项产品设计周期平均缩短为原设讨周期的30%,大大减少了产品从设计到投产的时间,降低产品设计成本约15%一300/n.有7%的机械制造单位将CAD/CAM技术用于产品设计,制造的各环节,不仅降低了产品设计的成本,由于较准确地预测了产品的合格率而提高了产品的质量,其预测量级提高1.5 -3倍;增加投人设备的生产率卜2倍;增加产品作业生产率40%一60%;减少加工过程20%一40%;降低人力成本10%一25%.
模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上发展起来的，它是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。
采用单独的CAD和CAM技术设计生产模具，就其整个生产过程来看，与传统模具设计生产过程没有什么本质变化，仍然分成两个环节-设计与制造，且二者之间有着明显的分界，图纸是它们之间传递信息的最重要的手段。
模具CAD/CAM则是把CAD和CAM紧密地联系起来，实现设计制造一体化，其实质是设计与制造的综合计算机化。
在CAD/CAM系统中，产品的几何模型是关于产品的最基本核心数据，并作为整个设计、计算、分析过程中最原始的数据。
其结果可运用数据库和网络技术将其存储和直接传送到生产制造环节的各有关方面，从而实现设计制造的一体化。
这时，图纸不再是设计与制造环节的分界线，也不再是制造过程的唯一依据，在系统中传递的是整个设计、计算、分析后所获得的大量信息。
模具CAD/CAM技术所以能很快地得到发展和广泛的应用，主要是它具有如下的一些特点：
（1）知识、技术密集,综合性强。
模具CAD/CAM技术是由多种先进制造技术和计算机技术的综合，其知识、技术高度密集，涉及学科领域多，知识面广，技术性更强，这就要求从业人员不仅要有较高的专业技术和技能，而且要有多学科的综合知识和技术。
（2）生产率高，经济效益显著。
模具CAD/CAM技术可以极大地提高生产率和经济效益，据有关资料统计分析，用传统的方法制造模具，从设计到制成产品交货，大约需要几个月的时间。
而采用模具CAD/CAM技术则可缩短为十几天甚至几天的时间，这就为企业在激烈的市场竞争中赢得了时间，以创造良好的经济效益。
（3）有利于提高模具的标准化程度，极大地发挥人的创造性。
标准化工作可有效地促进模具CAD/CAM技术的发展，而模具CAD/CAM则要求模具设计过程的标准化、模具结构的标准化、模具制造过程的标准化和工艺条件的标准化。
（4）更新速度快，初始投资大。
模具CAD/CAM技术的更新速度快，能适应市场形势的变化，为企业带来很高的效益，但它的初始投资却是巨大的，这也是制约模具CAD/CAM推广应用的一个重要因素。
（5）适应性广，这是模具CAD/CAM技术的又一特点。
它不仅能适应于大型企业，而且也适用于中、小型企业。
模具CAD/CAM技术仍然是在不断发展中的技术，其发展的最高阶段是计算机集成制造系统（CIMS），其目标是模具制造的全盘自动化，这就要求有较长时间的研究开发和巨额的资金投入。
人们相信，随着CAD/CAM技术的不断发展和完善，必将在机械制造业中发挥巨大的作用，为社会带来不可估量的经济效益 ，而面对全球，信息、技术飞速发展，机械制造业尤其是装备制造业的现代化水平高速提升，中国（这里只讲大陆的情况，不包括台湾和港澳地区）铸造业当清醒认识自己的历史重任和与发达国家的现实差距，大胆利用现代科学技术及管理的最新成果，认清“只有实现高新技术化才能跟上时代步伐”的道理，把握现代铸造技术的发展趋势，采用先进适用技术，实施可持续发展战略，立足现实又高瞻远瞩，以振兴和发展中国铸造业的累累硕果来奠定中国现代工业文明进程的坚实基础 。
3CAD/CAM在现代机械制造业中的典型应用
3.1CAD/CAM/CAPP系统在数控加工中的应用
随着数控技术的发展，数控加工已经被广泛的应用于各个生产领域。
数控加工过程中加工程序的编制也越来越得到重视，数控加工程序编制实质是一个迭代过程，设计的更改，工艺方案的更改，刀具的更换等，都会导致数控程序的重新编制。
编制人员对工艺方案可能产生错误的理解，编程的操作过程也容易发生错误。
这些错误必须用ＣＡＭ系统重新编程来进行修改。
因此，一个高效、可靠的CAM系统必须能够方便、有效地解决编程过程中出现的问题。
目前国际上数控编程技术的发展使得CAM系统处理复杂几何形状
的能力非常强，但在使用的方便程度上还远远不够，用户要对系统熟练掌握也非常难。
对于像飞机构件这样的复杂对象，加工过程常常需要几十个工步，上百个数控程序才能完成。
采用传统的CAM系统，无论是编程还是程序修改，工作量都是非常惊人的，一般需要1～2个月才能完成。
目前现有的CAM系统主要存在以下问题：
1.除零件的基本形状外，往往需要增加定义一些辅助几何元素，比如原来几何元素的限定和延长等，以满足加工的需要。
这样就产生了新的几何模型，即经过改造的用于CAM的几何模型，因而破坏了数据一致性原则。
2.零件加工部位的指定不是用工艺“语言”特征来描述，而是用多个几何元素来描述，而且操作繁琐，容易出错。
3.没有CAPP接口，工艺信息要靠编程人员消化工艺方案后，再交互地输入计算机中，这容易发生错误。
此外，由于每个人的理解都不一样，程序的一致性也不好。
4.无论是对设计还是加工方案，如果有修改，则会对零件的程序带来大量的改动，这会导致工作量加大，版本管理容易发生混乱，有时不得不重新进行程序编制。
5.对系统的掌握比较难，编程负担比较重，对使用人员要求高。
在CAD/CAM/CAPP集成系统中，
由于采用了面向特征的编程方式，CAM的编程基本单元由几何元素上升为特征。
用户不需要一次次地从几何元素中指定被加工部位，只要拾取一个特征，那么这个特征所包含的所有几何信息便可由CAM系统在内部直接提取出来并组织好。
通过接口程序，可用CAPP生成的加工指令文件来驱动CAM系统进行刀位计算，加工要求、加工部位、工艺参数等数据直接由程序传送到程序，避免了人为的理解和操作错误。
刀具轨迹计算采用自动方式，可在20分钟内完成一个复杂零件的刀位计算。
从系统结构的角度来看，一个同CAPP集成的CAM系统与传统的CAM相比，主要是在传统的CAM中增加了一个CAPP接口和特征几何预处理模块。
该预处理模块的作用是把要加工的特征所并联的几何元素提取出来，进行必要的组合、分段、参数设置等，为刀位计算作准备。
数控加工的工艺性也是CAM系统应该考虑的重要问题。
CAM系统必须满足CAPP提出的工艺要求。
例如，以下这些考虑对提高数控加工的质量，减少人工干预是十分有意义的，即：
1.采用合理的下刀方式。
例如，切入材料时采用“之”字形下刀或者采用螺旋式下刀。
2.进退刀采取直线加圆弧引入，使进退刀所形成的刀痕达到最小。
3.处理对称特征时，为保证加工质量，将加工方向全部调整为顺铣。
4.采用转角减速处理，在加工凹转角处，由于前面的粗加工或精加工工序采用的刀具半径较大，该处残留的材料
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