／基本概念

CAD／CAM是计算机辅助设计／计算机辅助制造（Computer　Aided　Design／Computer　Aided　Manufacturing）的简称。其核心是利用计算机快速高效地处理各种信息，进行产品的设计与制造，它彻底改变了传统的设计、制造模式，利用现代计算机的图形处理技术、网络技术，把各种图形数据、工艺信息、加工数据，通过数据库集成在一起，供大家共享。信息处理的高度一体化，支撑着各种现代制造理念，是现代工业制造的基础。

CAD以计算机图形处理学为基础，帮助设计人员完成数值计算、实验数据处理、计算机辅助绘图，进行图形尺寸、面积、体积、应力、应变等的计算和分析，即高效、优化地进行产品设计。

CAM是指使用计算机辅助制造系统模拟、优化产品加工过程，并利用数控机床加工以及装配出产品（或监控生产过程）的技术。

把CAD／CAM作为一个整体来考虑，从产品设计开始到产品检验结束，贯穿于整个过程，可以取得明显的效果。CAD／CAM与传统的制造模式相比有以下的优点：

（1）能使个人技能、技巧等模拟量信息数字化，实现社会化共享。

（2）能使各工序信息共享、数值基准统一，便于推行整个工程的标准化。

（3）能够改变系统的顺序排列作业，进行并行化作业。

在制造业中使用CAD／CAM技术能提高产品质量，降低产品成本，缩短生产周期。近年来数控机床的普及以及CAD／CAM技术的快速推广，促进了我国制造业设备的更新换代，加强了我国产品在国际市场上的竞争力。在贸易全球化的趋势下，积极推广CAD／CAM技术，有利于我国企业加速融入全球的竞争机制。CAD／CAM技术在机械制造方面的功能可用框图1．1表示。

图1．1　CAD／CAM功能框图

①产品设计：是指从产品意图设计开始到三维实体造型，设计装配图和详细的零件图，强度校核、运动学分析，以及动态干涉检查等的过程。

②工艺设计（虚拟制造）：根据所设计的产品类型、特征、外形形状、材料等，选择不同的加工方式，根据加工条件，设定加工路线，确定工艺参数和切削用量，生成刀具路径。仿真实体切削加工过程，根据仿真结果，修改切削用量重新仿真，直至达到最佳效果。最后生成加工程序。

近年来制造企业都已采用CAD／CAM技术，但由于采用不同厂家的软件，导致使用不同软件的厂家之间从工程图到三维实体图的重复造型工作，且企业内部网络化普及不够完善，所以单一数据库方式的数据共享有待进一步普及。理想化的CAD／CAM一体化模式如图1．2所示。

图1．2　单一数据库系统的理想模式

所有的CAD／CAM功能都与一个公共数据库相连，应用程序使用公共数据库的信息，实现产品设计、工艺规程编制、生产过程控制、质量控制、生产管理等产品生产全过程的信息集成。UG软件就是使用单一数据库最好的软件之一。

本节介绍CAD／CAM系统的硬件种类及构成、信息流程及硬件的要求和规格。

下面简单介绍系统的硬件种类，如图1．3所示。

1）终端型

终端型硬件系统以大型计算机为核心。如当大型汽车厂家进行冲击、震动等结构分析时，把条件设计成与实际非常接近，计算量便会很大，就需要采用这种高速的计算机。

2）网络型

网络型硬件系统充分发挥EWS（工作站）的网络功能，作业分散化，能把直列作业状态变为并列作业状态，实现作业效率的提高，即同一时刻可以完成多个工作。该类型是主流型式。许多厂家都采用这种型式，以EWS为主，带多个终端，用于产品零件及模具的设计和生产。

3）台式型

EWS初期为台式型，看上去与PC机相同，不但轻巧，而且运算速度相当高。但用的是RISC CPU，图形是高分辨率的，有独立的图形用CPU。随着计算机技术的快速发展，计算机的性能，特别是PC机（个人计算机）的性能得到了大幅度提高，已完全达到了早期EWS的性能。

图1．3　常见的硬件种类

1）CAD／CAM系统的硬件组成

以往一直是以大、中型计算机作为控制系统，并从中枢延伸出许多终端的方式为主流。由于计算机技术性能的大幅提高，网络化、小型化、分散化将成为发展的主流，EWS（或微机）将代替大型计算机，如图1．4所示。系统的核心部分是EWS，把它作为上位机，依靠网络与下位机连接。下位机进行CAM和计算机辅助测量（Computer　Aided　Testing，CAT），也可进行工艺管理或生产管理及进行DNC（群控）控制。EWS的数值信息通过光缆网络传送给数控机床，加工所需的模具和零件。当有实体模型时，用NC（数控）仿形机床作为CAD输入，把形状数据送入EWS，实现高效率的CAD输入。在检验工序中，把CAD信息与三坐标测量仪测得的数据进行比较，组成了理想的单一数据库数据系统，并通过光缆网络连接在一起。其中作为EWS的计算机台数及机床台数，则根据企业的规模作相应的增减。在图1．4中有两台EWS，一台为管理系统的服务器，另一台为EWS主机，其他计算机作为分机。通常所指的CAD／CAM系统可细分为CAD／CAE／CAM／CAT，如图1．5所示。

图1．4　CAD／CAM硬件组成示例

图1．5　CAD／CAM系统构成及信息流程

2）硬件上的信息流程

图1．5中的信息流程为：在EWS上进行CAD，利用CAD信息进行计算机辅助分析（Computer　Aided　Engineering，CAE），在CAM上生成适合各种NC机床的加工信息，然后分别在相应工序所需的NC机床上加工，最后由CAT检验CAM加工出的模具及产品。

对于三维模具的制造，其过程为：先用CAD进行产品的意图设计、产品设计、模具设计、三视图制图。有实体模型的用数据采集器读取形状数据。接着对CAD绘制的几何图形数据进行CAE，包括分析尺寸、应力、应变等，验证设计的合理性。之后，以CAD中的数据作为基础，确定加工方法，设定加工区域、加工刀具、走刀路径等，即根据加工机床的不同及加工条件的不同生成符合实际情况的粗、精加工用刀具路径，以及确认是否有刀具干涉，残余量大小是否合适等。

将模具或产品制作的信息在CAM中数字化，再把它送给数控机床或加工中心进行加工。机外对刀装置把测量出的刀具直径、长度以及磨损情况，通过串行口送给CAM的刀具管理系统，在CAM的刀具管理中起作用，刀具管理系统的合理使用能减少辅助时间，提高生产效率。

用三坐标测量仪测量已加工的产品、模具，将测得的数据与设计模型的信息进行比较，若有差异，则可返回到CAD，对模型进行分析，寻找原因。有时可能还要重新审核设计思路，对原有信息进行修改，经过反复的修正、编辑之后，再送入到CAM中。

设计人员通过比较实测数据和设计数据，审核已加工好的产品，也能够评价CAM中的加工方法。图1．4中系统的组成是把EWS作为主机，其他计算机作为分机，用网络把它连接在一起。通过网络，依靠EWS，就能进行高速分散化处理，不仅能实现CAM功能，而且容易实现包含工艺管理在内的FA（Factory　Automation）环境。

如前所述的公共数据库的网络型系统比较理想，其关键硬件必须满足以下条件：

（1）建立能容纳大量数据的数据库。

（2）有快速响应性，不妨碍设计人员的思考。

（3）有良好的操作性。

显示自由曲面装配图的刷新速度须达到100万矢量／s，即显示图素点数为4万左右时，执行点、线等命令（或装配图的视角转换）的实时响应时间必须在1s以内。若要选择满足以上要求的硬件，则其规格要点如下：

（1）CPU：主频3GHz以上为好。

（2）数据总线：决定运算速度，必须64线以上，最好为128线。

（3）存储器：内存2G以上为好；现在硬盘容量都很大已足够。

（4）显示器：17英寸（1英寸＝2．54cm）以上，彩色。

（5）分辨率：1　024×768以上。

（6）显存：1G以上为好。

（7）刷新频率：70Hz以上。

（8）色彩：256色以上。

（9）鼠标：真三键。

（10）带有网卡。

CAD／CAM系统可以采用多种语言设计，应用较多的为C、C＋＋、PROLOG、FORTRAN等。以前的工作站硬件占整个系统经济价值的主要部分，而现在软件系统在CAM中占有越来越重要的地位。目前CAM系统的性能主要由软件决定。

系统软件管理和控制计算机的各部分运行，充分发挥各设备的功能，提高了效率，为用户提供便利的操作环境。为了开发、销售的便利，软件系统被设计成模块化的。它主要包括操作系统、程序设计系统和服务程序三大模块。

（1）操作系统：常用的有WIN视窗操作系统、UNIX操作系统和NT操作系统。

（2）程序设计系统：主要包括各种程序设计语言的语言处理系统及程序处理系统。如：连接程序、装入程序、错误诊断及程序编辑等。

（3）服务程序：主要包括数据转换、程序存档和程序管理，还包括监控系统和诊断系统。

应用软件是面向某一应用领域而设计的程序包，是由CAD／CAM系统生产厂家或CAD／CAM软件开发公司提供的。一般包括图形处理软件、几何造型软件、有限元分析软件、优化设计软件、动态仿真软件、数控加工软件以及检测与质量控制软件等，也包括针对某一特定任务而设计的软件包。只有配备了这些应用软件之后，CAD／CAM系统才能具备相应的功能，所以应用软件是CAD／CAM的主干部分。数据库系统既可看作系统软件，也可看作应用软件，这取决于数据库系统的应用环境。

数据库系统一般是由数据库和数据库管理系统（Date　Base　Management　System，DBMS）所构成。数据库管理系统可为用户提供管理和操作数据的功能，其中包括建立、输入数据，并对其进行查询、运算、更改和打印。它允许用户直接使用数据，而不必了解数据信息在其内部的存储细节。在数据库管理系统的集中管理下，数据和文件都具有较高的独立性，解决了数据的完整性和安全性的问题，为实现多用户的数据共享建立了良好的环境。

目前，国内外开发了许多通用数据库系统，比较著名的有：Oracal公司的用于微机的dBASE－Ⅱ、dBASE－Ⅳ、FOXBASE系统；IBM公司的IMS系统等。根据其应用领域的不同，数据库系统一般分为商用数据库系统和工程数据库系统。CAD／CAM一般使用工程数据库中的数据，其数据库管理系统称为工程数据库管理系统（Engineering　Date　Base　Management System，EDBMS）。CAD／CAM系统的数据库与普通数据库相比，所存储的数据不仅量大，而且形式多样、关系复杂、动态性强。它除了要处理表格数据、曲线数据、函数数据和文字信息以外，还需要处理大量的图形数据。另外，它还支持交互操作，即能满足在CAD／CAM系统工作过程中的信息交互和数据修改等方面的要求。

CAD／CAM系统及其应用环境对EDBMS的特殊要求可归纳为以下几个方面：

（1）数据模式的动态性：随着设计过程的扩展不断地变化扩充。

（2）交互式的用户接口：设计者要随时控制和操纵整个设计过程，因此要求EDBMS能提供一种灵活的、对话式的操作手段，即交互式作业方式，并要求系统作出快速、实时的响应。

（3）多用户工作环境：一个大规模的工程需要许多设计人员分工协作，所以，EDBMS的多用户环境是不可缺少的。而且还要提供多用户协调工作的条件，并保证各类数据的语义一致。

（4）数据类型的多释义性：不仅能表示字符，还要能支持描述各种规范、标准以及图形信息，并能提供方便、灵活的操作和显示。

（5）支持造型系统和多种表达模式：CAD／CAM材料数据库主要包括两个方面：一方面是供设计者使用的各种材料的特性数据；另一方面是各种刀具材料对各种零件加工的加工数据，这是一种与工艺有关的信息。由于其加工情况复杂，如①加工材料很多；②切削加工方法很多，各种加工方法又分为粗加工、半精加工、精加工等；③切削刀具材料种类繁多，有多种硬质合金材料、陶瓷材料，又有多种高速钢材料等；④润滑条件对刀具的耐用度也有影响。因此，建立这种材料库的难度很大，需进行工件、刀具材料的各项综合试验，再把得到的数据送到工业部门试用，并与工业部门多年积累的数据综合，然后提供给数据库，还需要花费大量的人力、物力和财力。

（1）Unigraphics　NX是SIEMENS公司的软件，功能多，性能好。机械产品设计从上而下，从装配的约束关系开始，若改变装配图中任一零件尺寸，所有关联尺寸会自动作相应的修改。大大减少了设计修改中的失误，思路更清晰，更符合机械产品的设计方法和习惯。UG除有以上的优越性能外，在以下功能方面也很突出：

①Unigraphics　NX的Wave功能——自动推断、优化设计，更方便、高效，产品的概念化设计、草图设计功能符合产品设计和零件外形设计方法，即从产品外形的美术设计开始，先设计出不同角度的二维工艺造型图的轮廓，再以这些轮廓曲线设计外形曲面，使造型更具艺术美。

②Unigraphics　NX的CAM模块相比其他品牌的CAM软件，它的加工模式、进给方法、刀具种类、压板的避让等设定的选项更丰富，功能更强。钣金模块具有现行工业设计中的各种钣金设计功能，如折边、展开、弯管、排料等。

③Unigraphics　NX的CAD数据交换功能更是上了一个台阶，在这之前的各种CAD／CAM软件之间虽然可以进行各种标准化格式的转换，但转换后特征就丢失了，这是因为各品牌软件特征的数学模型有差异。转换后的模型没有特征就难以再修改。而Unigraphics　NX经过格式转换的模型同样可以修改。所以Unigraphics　NX是CAD／CAM软件中功能最丰富、性能最优越的软件。UG软件是基于标准的IGES（Initial　Graphic　Exchange　Specification）和STEP（Standard　for　the　Transfer　and　Exchange　of　Product　Model　Date）的产品，被公认为在数据交换方面位于世界领先。UG还提供了大量的直接转换器（如CATIA、CADDS、SDRC、EMC和AUTOCAD），以确保同其他系统高效地进行数据交换。

（2）PRO／ENGINEER是美国参数科技公司（Parametric　Technology　Corporation，PTC）1989年开发出的CAD／CAE／CAM软件，在我国有许多用户。它采用面向对象的单一数据库和基于特征的参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的平台，该系统用户界面简洁、概念清晰，符合工程人员设计零件的思路与习惯，是典型的参数化三维零件造型软件，有许多模块可供选择，操作方便，性能优良，这一点正是国内许多厂家选用PRO／ENGNEER作为机械设计软件的主要原因。零件的参数化设计使修改很方便，零件全部设计完后，能进行虚拟组装，组装后的模型可以进行动力学分析，验证零件相互之间是否有干涉。CAM模块具有对曲面和实体的加工功能，还支持高速加工和多轴加工。带有多种图形文件接口。

（3）Cimatron系统是源于以色列为了设计喷气式战斗机所开发出来的软件。它集成了设计、制图、分析与制造，是一套结合机械设计与NC加工的CAD／CAE／CAM软件。从零件建模设计开始，产生凹凸模、模具设计、建立组件、检查零件之间是否关联、建立刀具路径，到支持高速加工、图形文件的转换和数据管理等都做得相当成功。它具有CAD／CAM软件所有的通用功能。其CAD模块采用参数式设计，具有双向设计组合功能。CAM模块功能除了能对含有实体和曲面的混合模型进行加工外，其进给路径能沿着残余量小的方向寻找最佳路线，使加工路径最优化，从而保证曲面加工残余量大小的一致性且无过切现象。CAM的优化功能使零件、模具达到最佳的加工质量，此功能明显优于其他同类产品。

（4）Mastercam是由美国CNC　Software公司开发的。其运行于Windows　2000或WindowsNT平台，是国内引进最早、使用较多的CAD／CAM软件。CAM功能操作简便、易学、实用。它包括2D绘图、3D模型设计、NC加工等，在使用线框造型方面具有代表性，具有各种连续曲面加工功能、自动过切保护以及刀具路径优化功能，可自动计算加工时间，并对刀具路径进行实体切削仿真，其后处理程序支持铣、车、线切割，激光加工以及多轴加工。Mastercam提供多种图形文件接口，如SAT、IGES、VDA、DXF、CADL等。

（5）Solidworks是一套智能型的高级3D实体绘图设计软件。它运行于Windows平台，拥有直觉式的设计空间，是三维实体造型CAD软件中用得最普遍的一个软件。它使用最新的物体导向软件技术，采用特征管理员的参数式3D设计方式及高效率的实体模型核心，并具有高度的文件兼容性，可输入编辑及输出IGES、Parasolid、STL、ACIS、STEP、TIFF、VDAFS、VRML等格式文件。

1）CAD／CAM发展的回顾

CAD／CAM的起源可以追溯到20世纪50年代美国麻省理工学院（MIT）的自动编程工具APT。1962年MIT的I．E．Sutherland开发出了用光笔与计算机进行对话、绘制图形的软件（SKETCHPAD），开创了CAD的历史。1963年，通用汽车公司（GM）和工业商务管理公司（IBM）共同开发出可以进行图形处理的DAC－Ⅰ，它生成的模型仅为二维平面上的线框模型。1964年，MIT的S．A．Coons发明了能够处理自由曲面的单片曲面，称为昆式曲面。1967年，Lockheed公司开发出了用于飞机设计制造的CADAM，该系统是以主机型的IBM大型计算机为核心的终端方式系统。该系统在世界上被广泛使用。此时，从线框模型向曲面模型发展。但由于缺少面的结构信息、面的表里信息以及与面对应的立体位置，所以当时还没有出现面向三维自由曲面的实用化的用于模具设计、制造的CAD／CAM系统。

1973年的国际会议PROLAMAT发表了现在还正在使用的实体模型表达方法，即CSG （Constructive　Solid　Geometry）和B－rep（Boundary　representation）。其中CSG是由当时北海道大学的冲野嘉数用TIPS系统提出的方案。B－rep是由英国剑桥大学的Braid．Lang用BUILD系统提出的方案，从而用实体模型解决了形状的难点。至此，出现了面向三维自由曲面的实用性强的模具设计、制造CAD／CAM系统。

有关图形的基（标）准化是从20世纪70年代末期开始的。美国提出了CORE系统方案，原联邦德国提出了GKS方案。到1980年发布了CAD／CAM三维数据转换标准IGES。由此，规定了数据转换的约束条件，促进了不同系统之间的数据交换的标准化。到了90年代，丰田汽车公司等强烈提出“单一数据库化”，并倡导“CAD／CAE／CAM／CAT的一体化”。

2）CAD／CAM展望

当今信息革命的浪潮正在冲刷着世界的每一个角落，世界统一市场正在形成，全球经济一体化正以超乎寻常的速度发展。因此，制造业所面临的环境比以往任何时候都要复杂多变，竞争之激烈在时空上超越了国家、地区的界限，而延伸至全球的各个角落。制造业要有能力对其外部环境的瞬间变化作出快速反应，必须采用先进的制造技术、战略理念，以求得长期的生存与发展。

CAD／CAM技术是先进的制造技术之一，是集成制造、敏捷制造、智能制造等先进理念和模式的基础技术。CAD／CAM技术的发展将集中在以下两个方面：

（1）高速宽带网络技术：把目前在内部CAD／CAM网络的单独场所的应用，扩展到多场所协同CAD／CAM应用，以满足制造业在全球化趋势下的协同CAD／CAM的需求。CAD／CAM信息的快速网络传递也将成为现代集成制造系统（CIMS）的一个重要组成部分。多场所的协同CAD／CAM通常按以下形式工作：两个以上地理位置分散的CAD／CAM设计者，能够协同和交互进行三维CAD几何造型和编辑。协同设计完成之后，就可产生刀具路径。在刀具路径生成之后，后置处理生成的加工程序立即被发送到产品销售区域的加工厂用于加工。这种工作形式潜在的利益在于减少了市场导入时间，在合适的地点即可生产恰当的产品，缩短了产品的装运时间，提高了竞争力。从而消除了阻碍跨国企业运行的地理障碍。

（2）快速无图纸设计／制造技术：快速无图纸设计／制造技术是指依靠数字化设计，并利用并行工作技术快速地进行系统安排、详细设计、分析计算、工艺规划。该技术预先在计算机中进行虚拟制造，设计采用单一数据库，以三维的方式设计全部零件，并通过虚拟制造提高可靠性，使各部门可以共享所有设计模型，能尽早获得相关技术、工艺的反馈信息，使设计更快、更合理。