／应用基础

CAD／CAM是以计算机图形处理为基础的。当一名熟练的操作人员，在制造“简单产品”时，他的脑子里就应该有要制作的模型，不需要图纸都能制造。如果是工业产品，就无法参照那样的无形模型，必须进行设计作业，把实体设计成信息化的图纸，根据图纸加工零件。其意义为：图纸就是制作对象物的模型描述。但模型只表达了实体的一个方面，根据不同的目的，需要各种不同的模型来表达，所以需绘制相应的图纸。

工业图纸是按标准规定绘制的，使用对象是能够理解其标准的人。所以至今为止设计图纸的画法或标记完全是依赖人的意识和推理能力。图纸制作及其理解就是设计制造中的信息生成和处理，这时图纸的绘制者必须明确要制造的对象才行，如果看图的人不能具体地理解图纸要表达的对象，他就不能读懂图纸。所以根据设计人员的理解程度（换句话说，在他的头脑里能够形成怎样的内部模型）的不同，作业的质量也有所不同。

计算机不可能像人一样智能地理解图纸，把握目的，独立地设计图纸。为此，在传统的以图纸为中心的设计方式中，计算机的作用仅限于接受用来制图的准备数据、指令并进行绘图，以及接受人解释的制作图纸的数据。

可是，如果计算机能根据人的指示，与人理解图纸一样制作信息、进行作业，那么计算机就能针对设计的对象，制作、处理信息。

图纸信息计算机化，不仅仅是编制绘图的程序，还必须在计算机内部存在规定的要制作对象的信息以及能够处理要制作对象的程序作为前提。将制作对象的信息和对其进行处理的程序称为设计对象的内部实体模型。

如果有程序能从模型中存在抽出必要（关键）信息，这样根据内部实体模型就能够生成工程图、说明图、装配图、分解图，就可以进行各种设计计算，并模拟制造过程、NC加工以及进行机械装配等。

人机对话图解：因为计算机内部的信息处理过程设计人员是不清楚的，想要生成、处理外部实体模型，必须使应答可视化，只有在计算机接受图形的情况下，才能实施。因此，人机交互式绘图很有必要。必须把内部实体模型转化成人能理解的外部模型形式进行显示，并且人能对其进行操作，才能得到相应的结果。所以计算机图形处理系统需要配备优秀的图形界面。

随着科技的发展，通过网络与他人协同设计也将成为现实，在显示器界面上设计时，利用图形及图像的超级多媒体功能就能调出设计人员关心的详细信息，在可视化显示设计对象的工作过程、部件装配的情况下，完成产品的性能、外观设计。设计人员设计时可以对操作进行确认，所以，设计人员既可在线直接从数据库中取出与设计关联的信息来使用，又可与他人包括制造关联人员协同讨论设计对象，所以它将改变设计方法和设计质量。

CAD／CAM的目标是使机械零件的制造及装配自动化，使汽车车体、家电用品等外形工艺设计、分析、制造自动化。

为了利用计算机作图，由设计人员编写命令让机器代替圆规和直尺来移动笔绘图，但仅仅有绘图的程序移动笔和向CRT的显示缓冲面中写入画面的图素数据，计算机是不能绘制出图形的，这是因为计算机内部不存在图形的模型。要使计算机实现以上功能至少要在计算机内部存储用语言描述的图形要素以及它们之间的关系，即必须给计算机制作图形模型。

为了直观地进行上述操作，须使用计算机图形交互式输入手段，通过操作菜单、对话框进行零件的显示、选择并输入数据，最后在显示器上合成图形。与此对应的在计算机内部对图纸进行描述的程序就是内部模型。通过解释内部模型并在画面上进行图形显示。计算机要把立体图（投影显示在屏幕上的）解释成立体，必须制作内部模型，这种详细的描述相当麻烦。所以要使用与绘图时相同的交互手段，利用坐标变换、空间移动功能，在显示器上进行基本立体的组合、变形处理操作，合成出想要得到的立体。至此，由软件在计算机内部生成实体的特征模型。画面上的立体图不是内部特征模型的直接输出，是要经过以下处理，用假想的照相机拍摄立体的特征模型，生成二维信息的特征模型，再用图形处理命令输出二维特征模型。实体模型各部分附属的技术信息必须由设计人员输入。

形状模型是计算机内部描述和处理的对象，进行模型的构建和处理，对模型各部分的几何信息以及它所附加的非几何信息的提问给出合适的回答。首先用于内部描述到外部显示处理的转换，再用于设计时提供对象的体积、惯性、应力、刚性、热传导等等各种计算的数据，管理和控制工艺设计、日程制作、数控加工、装配、检查等。当机器人进行装配、检查时，除了需制造对象的形状模型以外，还要求增加特征模型占有空间的信息，快速发现物体相互干涉的部位，以及可能冲突的地方。这是因为计算机内部制作的模型不仅是制作对象，而且需要了解制作方的机械。随着制造过程自动化范围的扩大，根据计算机内部模型，进行制造、装配模拟测试，如果测试合格，则模拟用的指令就能用于实际作业。

在理想的一体化CAD／CAM中，一旦给出产品要求，在概念设计的支持下，经过假设的产品设计过程制作产品规格，用多个设计方案验证产品概念，据此进行设计、制作产品。根据前面的设计制定产品基本计划，经过详细设计把产品信息传送给生产设计部门。制定出生产工艺框架，接着按工序制作详细的作业顺序，希望以后的工序“忠实”地执行所制定的指令直至产品最后完成。把这个作为目标就是模型化。包含产品和产品必要信息的模型就是产品模型。随着CAD／CAM的发展，产品模型有待继续开发。

上述CAD／CAM过程并不完全是自动化的，计算机是辅助的，人是主角。重要的是计算机能接受生成的信息。

产品模型处理的信息范围有如下几项：

（1）制造对象：①设计对象信息的生成与管理（支持系统和数据的接受）。②对象的特征描述（三视图中标准的信息：形状、尺寸、公差；形状特征：表面精加工、材料及装配等的约束条件）。③生产准备信息（工序、作业、原材料、使用机械等）。④管理信息。

（2）制造过程：设计顺序、生产准备顺序。

（3）制造资源：设计关联数据、生产设备。

（4）质量保证：产品检查的对象和方法。

传统的制造对象以基准形状为主，就其信息而言，希望上述几项能自动处理、检验，但在方法上，是否需要人介入，这要根据与装配相关的模型间的约束条件处理的自动化程度来定。不论人是否介入，重要的是向后面传递的信息要正确无误。

在CAD系统中，计算机内部存放的三维几何体称为几何模型。模具设计和制造中通常使用的几何模型有：“线框模型”、“曲面模型”、“实体模型”三种，它们在计算机内部所占存储空间“线框模型”最小，“实体模型”最大。

1）线框模型（Wire　frame　model）

线框模型是以物体形状的轮廓、棱边或交线作为形状数据来描述物体的。在图2．1中，定义了8个三维空间点，图2．2是由这些点连成的线生成的立方体，该立方体就是用线条来表达立体的，所以称为线框模型。

图2．1　立方体的8个空间点

图2．2　立方体的线框模型

该立方体在内存中存放的数据结构如图2．3所示，表2．1为P1～P8顶点对应的8个坐标值，表2．2为12条线与顶点的对应关系。

图2．3　立方体各顶点及棱边

表2．1　顶点与坐标值的对应表

表2．2　线与顶点的对应表

像图2．4（a）、（b）中所示的圆柱、圆锥等情况，除棱线以外没有轮廓线的多面体形状，用线框模型难以表达，即不清楚应该用怎样的棱线来形成侧面，所以需要添加图2．4（c）所示的辅助线。

图2．4　线框模型表达外形有时需要加辅助线

线框模型在计算机内部数据存放结构简单，计算机处理速度快，但形状所带的信息不完整，所以无法得到剖面图、消除隐蔽线和两个形体间的交线，不能计算出物体的体积、表面积、重量、重心等。

2）曲面模型（Surface　model）

曲面模型是在三维物体线框模型的基础上再加进面的信息（数据），即把三维线框模型的物体表面定义成面。图2．5所示的立方体是线框模型加上F1～F6的6个面的信息，线与顶点的对应关系见表2．3，面与线的对应关系见表2．4。最简单的面是由多边形和圆形成的平面，其他有旋转面、球面、锥面以及复杂的自由曲面。自由曲面是绘制复杂曲面的主要手段，UG中有：通过曲线组、网格曲面、扫掠曲面等。不论哪种面都带有方向的信息，由这些信息可以生成阴影线、截面轮廓线、相贯线等。曲面模型虽然边界得到了定义，但每个面都是单独存储，并未记录面与面之间的相邻的拓扑关系，没有表示实体在哪一侧的信息，即不明确边界面所包围的是实心体还是空洞。

表2.3　线与顶点的对应表

表2.4　面与线的对应表

图2．5　面与点线的对应关系

3）实体模型（Solid　model）

实体模型是在曲面模型的基础上，定义了曲面相互之间的位置关系，即实体在面的那一侧的信息。定义实体侧的方法主要有三种，即一点指定法、法线矢量指定法、包围面的棱线指定法。如图2．6所示。

在图2．6中，一点指定法是指定实体所在的内侧。法线矢量指定法是指法线矢量指向实体的内侧。包围面的棱线指定法是按右螺旋指向实体侧，指定棱线的顺序，就面F1而言，顺序为S1、S4、S3、S2。

图2．6　实体侧的定义方法

（1）实体模型造型方法：主要有两种：CSG法和B－rep法。

①CSG（Constructive　Solid　Geometry）结构实体造型表达法：使用立方体、圆柱体、圆锥体、四分之一圆柱体、倒圆角体等单一的基本实体进行和、差、残留共同部分的运算来表达复杂的形状，典型的基本实体如图2．7所示。

②B－rep（Boundary　representation）实体边界表达法：用模型的面与面之间的边界来表达实体形状，即空间实体可以定义为被有限面包围而成，每个面都是由有限条边界围成的封闭域。

B－rep表达法比CSG表达法麻烦一些，但边界表达法能清楚地表达出形体的面、边、点及其相互之间的关系。目前大多数几何造型系统都是以一种造型方法为主兼用另一种。

图2．7　典型的基本实体

（2）特征建模（Feature　modeling）：实体模型在几何造型上已经很完善，它不仅仅是几何形状的描述，还能提供产品开发整个周期所需的信息。几何模型再加上工艺设计中所需的其他信息：如加工特征、材料、公差和表面粗糙度等，就称为零件特征。特征造型将促进CAD／CAM一体化的进程，实现工艺自动化。在零件设计时采用前述的具有某些使用功能和加工信息的形状特征进行组合、拼装，这样构建的模型称为特征模型。这种构造思维方式称为特征建模。

在理想情况下，设计人员对要制作的对象、要设计的相关东西都具有丰富的知识，参照所能利用的信息，在设计的各个阶段提出问题的解决方案并进行解答，从设计产品的功能和效率，制造和装配的经济性等观点出发，求得更好的解决方案，或结束其工序转向下一步，把设计工作进行下去。这些作业中有许多计算机辅助进行的作业——绘制图形和对图形进行计算，参照已有的图纸完成图纸的描述保存等。以往的CAD就是如此开发出来的。

从设计信息中取出生产准备、控制制造所必需的信息，并加以利用，从整体考虑CAD和CAM是以准确描述信息的形式和保持其意义的一贯性为前提的，这样才能使信息流程多样化，才能对上述设计作业流程进行修改。

在产品制作的先期——设计过程中，要详细生成制造对象的信息，但没有必要把所有的制造信息都表达出来。这是因为设计人员不可能对制作的所有细节都了解，同时因制作环境的不同，细节上的信息也会有所不同，因此不可能在设计时都预先描述出来。

集成了这些设计信息的制造部门，有必要进行规划，首先做什么，怎样做，用什么手段，这就是设计规划。短期规划要进行材料清单的处理、生产计划及数控程序的编制等繁杂的工作；中期规划有成本和质量管理计划；长期规划应具有最优化的手段以及对其投资的计划。

在这些计划下决定由谁做、什么时间、用什么、做多少，这就是过程计划。根据这些总规划和阶段计划，执行作业管理，这就是过程管理。

实现设计一体化和生产系统的自动化，其前提是在计算机内部存在能代替图纸的内部模型且计算机能够理解并进行描述，生成总体规划和现阶段规划的软件组群。为实现这个目的，在计算机内部必须有程序能从零件图纸、装配图纸中取出特征信息和用作制造的信息。

图纸中记录的信息有：形状及其尺寸公差；位置公差；面的精加工；材料和材质；零件清单；有关技术方面的标准事项。

以上这些可以抽出或制成以下信息：公差分析；设计的完整性和管理的合理性；标准零部件的使用管理；装配作业的设计；制造过程的计划编制；数控加工、测量的程序编制。

从设计时生成的制造对象的内部模型本身，自动地导出总体规划、阶段规划。到现在为止，所有的CAM软件还不是很完善，也必须由人介入输入信息。生成内部实体模型时，即使是由人给模型的各部分输入与图纸相同的、与制造相关的信息，也必须能自动化解释。为了能够取出与工程设计相关的信息，将带有制造作业特征的领域和种类名的模型，叫做基本特征模型。一般自动抽取这样的特征，是以加工条件、使用工具的文件（名）中的信息为基础，生成工艺设计，或从类似的特征中，取出已存在的工艺设计加以修改。

设计作业中的信息的生成以及下游信息的利用，过去都是无重叠的顺序流程，现在采用单一数据库，使信息能自由传递，并有多个流向，不仅能同时协同作业，而且下游能解释上游决定的信息，进而能参照其数据进行作业，与此对应，在上游生成信息时，下游就能参照其数据，就可提高下游作业的自动化效率。