计算机辅助设计与制造（／）

21.1.1 计算机辅助设计（CAD）概述

计算机辅助设计（computer aided design，CAD）是指工程技术人员在计算机硬件与软件的支撑下，通过对产品的描述、造型、系统分析、优化、仿真和图形处理的研究，利用计算机辅助完成产品的全部设计过程。

1.CAD系统的基本功能

完整的CAD系统具有图形处理、几何建模、工程分析，仿真模拟及工程数据库的管理与共享等功能见表21－1。

表21－1 CAD系统的基本功能

续表

2.CAD系统的类型

1）CAD系统的软件类型

图21－1 CAD软件的层次结构

CAD系统的软件分为三个层次：系统软件，支撑软件和应用软件，其关系见图21－1。系统软件与硬件的操作系统环境相关，支撑软件主要指各种工具软件；应用软件指以支撑软件为基础的各种面向工程应用的软件。

2）CAD系统的配置类型

CAD系统常以其硬件组成特征分类，按主机功能等级，CAD系统可分为大中型机系统、小型机系统、工程工作站和微型机系统。

3.CAD系统的几何建模技术

1）几何建模过程

在传统的机械设计与加工中，技术人员通过二维工程图纸交换信息。应用计算机辅助设计后，所有工程信息，如几何形状、尺寸、技术要求等都是以数字形式进行存取和交换的。

对于现实世界中的物体。从人们的想象出发，到完成它的计算机内部表示的这一过程称之为建模。建模步骤如图21－2所示，实质上，建模过程就是—个产生、存储、处理，表达现实世界的过程。建模技术是CAD／CAM系统的核心技术，是实现计算机辅助制造的基本手段。

2）几何建模方法

计算机内部的模型可以是二维模型，2维模型和三维模型，这主要取决于应用场合和目的。根据描述的方法及存储的几何信息和拓扑信息的不同，又可将三维几何建模分为如图21－3所示的三种类型。

（1）线框（线素）几何模型。线框模型是CAD／CAM技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边，由物体上的点、直线和曲线组成。

图21－2 建模过程

图21－3 三维建模系统的类型

（2）表面（面素）几何模型。表面模型除了存储有线框几何模型的线框信息外，还存储了各个外表面的几何描述信息。

（3）实体几何模型。实体几何模型存储的是物体的完整三维几何信息，它可区别物体的内部和外部，可以提取各部几何位置和相互关系的信息。

实体造型以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单位元素，通过集合运算，生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。

采用计算机进行辅助设计，改变了传统的经验设计方法，使设计由静态和线性分析向动态和非线性分析过渡，由可行性设计向优化设计方法过渡。

21.1.2 计算机辅助制造（CAM）概述

1.CAM的定义

计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）是指计算机在产品制造方面有关应用的统称，可分为广义CAM和狭义CAM。

广义CAM是指应用计算机去完成与制造系统有关的生产准备和生产过程等方面的工作，包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等工作。

狭义CAM常指工艺准备或其中的某个活动应用计算机辅助工作，如数控程序编制。

2.CAM的功能

按计算机与物流系统是否有硬件“接口”联系，可将CAM功能分为直接应用功能和间接应用功能。

1）直接应用功能

CAM的直接应用功能是指计算机通过接口直接与物流系统连接，用以控制、监视、协调物流过程，它包括物流运行控制、生产控制和质量控制。

（1）物流运行控制。根据生产作业计划的生产进度信息控制、监视和协调物料的流动过程。

（2）生产控制。在生产过程中，随时收集和记录物流程的数据，当发现偏离作业计划时，即予以协调与控制。

（3）质量控制。质量控制指通过现场检测随时记录现场质量数据，当发现偏离或即将偏离预质量指标时，向工序作业级发出命令，予以校正。

2）间接应用功能

CAM的间接应用功能是指计算机与物流系统没有直接的硬件连接，用以支持车间的制造活动，并提供物流过程和工序作业所需数据与信息，它包括计算机辅助工艺过程设计（CAPP），计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计及计算机辅助编制作业计划。

（1）计算机辅助工艺过程设计。其本质就是用计算机模拟人工编制工艺规程的方法编制工艺文件。

（2）计算机辅助数控程序编制。它是指根据CAPP所指定的工艺路线和所选定的数控机床，用计算机编制数控机床的加工程序，即通常所说的自动数控编程。

（3）计算机辅助工装设计。用计算机辅助包括专用夹具、刀具的设计与制造。

（4）计算机辅助编制作业计划。用计算机根据数据库中人员、设备、资源的情况以及生产计划和工艺设计的数据，编制出详细的生产作业计划，确定在哪台设备，由谁何时进行何种作业以及完工时间，以作为车间的生产命令。

21.1.3 CAD／CAM集成系统

1.CAD／CAM集成技术的产生和发展

CAD／CAM（computer aided design／computer aided manufacturing），即计算机辅助设计与计算机辅助制造，是一门基于计算机技术而发展起来的、与机械设计和制造技术相互渗透相互结合的、多学科综合性的技术，它随着计算机技术的迅速发展、数控机床的广泛应用及CAD／CAM软件的日益完善，在电子、机械、航空、航天、轻工等领域得到了广泛的应用。1989年，美国国家工程科学院对1965—1989年的25年间当代十项杰出工程技术成就进行评选， CAD技术名列第四。美国国家科学基金会曾在一篇报告中指出，CAD／CAM对直接提高生产率比电气化以来的任何发展都具有更大的潜力，应用CAD／CAM技术，将是提高生产率的关键。

CAD／CAM技术为什么能在短短的40余年间发展如此迅速呢？归根到底是因为它几乎推动了整个领域的设计革命，大大提高了产品开发速度，缩短了产品从开发到上市的周期；同时，由于市场竞争的日益激烈，用户对产品的质量、价格、生产周期、服务、个性化等要求越来越高，对于产品开发商来说，为了立足市场，必须使用先进设计制造技术，以缩短产品的设计开发周期、提高产品质量，最终提升产品的市场竞争力，CAD／CAM技术便是首选之一。因此，作为先进制造技术重要组成部分的CAD／CAM技术，它的发展及应用水平已成为衡量一个国家的科学技术进步和工业现代化的重要标志之一，尤其是模具CAD／CAM技术对于现代大批量优质生产更具有重要意义。

2.CAD／CAM系统集成方式

把计算机辅助设计和计算机辅助制造集成在一起，称为CAD／CAM系统；把计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助工程集成在一起，称为CAD／CAE／CAM系统。现在很多CAD系统逐渐添加了CAM和CAE功能，所以工程界习惯上把CAD／CAE／CAM称为CAD系统或CAD／CAM系统。一个产品的设计制造过程往往包括产品任务规划、方案设计、结构设计、产品试制、产品试用、产品生产等阶段，而计算机只是按用户给定的算法完成产品设计制造全过程中某些阶段或某个阶段中的部分工作，如图21－4所示。

图21－4 产品开发过程及CAD、CAE、CAM的范围