機械CAD/CAM的發(fā)展趨勢探究

魏旭東

（天津工業(yè)大學 機電學院，天津300160）

CAD即計算機輔助設計（CAD-Computer Aided Design），利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作;CAM（Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造），利用計算機來進行生產設備管理控制和操作的過程。

1 CAD/CAM功能簡介

在工程和產品設計中，計算機可以幫助設計人員擔負計算、信息存儲和制圖等項工作。在設計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設計信息，不論是數字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索；設計人員通常用草圖開始設計，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作，可以交給計算機完成；由計算機自動產生的設計結果，可以快速作出圖形顯示出來，使設計人員及時對設計作出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖形數據加工工作。

CAD能夠減輕設計人員的計算畫圖等重復性勞動，專注于設計本身，縮短設計周期和提高設計質量。其輸入信息，是零件的工藝路線和工序內容，輸出信息是刀具加工時的遇到軌跡（刀位文件）和數控程序。CAM的核心，是計算機數值控制（簡稱數控），是將計算機應用于制造生產過程的過程或系統(tǒng)。

2 CAD/CAM的應用情況

以汽車工業(yè)為例，說明國內外機械CAD/CAM技術的應用情況。

汽車工業(yè)代表著一個國家機械制造業(yè)發(fā)展的水平，一直是CAD/CAM技術應用的先鋒和大戶。下面就以汽車工業(yè)為例，說明國內外機械CAD/CAM技術的應用狀況。

國際上，美國福特汽車公司在CAD/CAM技術方面處于領先地位。早在上世紀80年代初，福特公司就著手CAD/CAM系統(tǒng)的規(guī)劃，建成了以工作站為主體的環(huán)形網絡系統(tǒng)；1985年已經有一半以上的產品設計工作使用圖形終端實現；1986年新開發(fā)的TAURUS和SABLE轎車，大約70%的外板件采用CAD/CAM；上世紀90年代初，全面實行產品開發(fā)的CAD/CAM，應用率可達100%。福特公司1990年工作站已達2 000臺，以FGS工作站（約占70%）和CV工作臺（約占18%）為主，其應用軟件主要為自行開發(fā)的PDGS和CAD/CAM。1993年以后，福特汽車公司提出了C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）概念，并決定今后將采用I-DEAS軟件作為其主流核心軟件。

我國開展CAD/CAM技術應用工作并不算晚。通過引進，不少企業(yè)的軟、硬件條件與國外相比也相差不大。但是，國內的CAD/CAM應用與國外先進水平相比，存在較大的差距。原因主要是原有經濟體制的弊端。采用CAD/CAM技術投資大，有較大風險，效益回報有一定的滯后期。

3 CAD/CAM的發(fā)展趨勢

3.1 集成化

集成化是CAD/CAM技術發(fā)展的一個最為顯著的趨勢，是指把 CAD、CAE、CAPP、CAM以至 PPC（生產計劃與控制）等各種功能不同的軟件，有機地結合起來，用統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序來組織各種信息的提取、交換、共享和處理，保證系統(tǒng)內部信息流的暢通，并協(xié)調各個系統(tǒng)有效地運行。

國內外大量的經驗表明，CAD系統(tǒng)的效益，往往不是從其本身，而是通過CAM和PPC系統(tǒng)體現出來；反過來，CAM系統(tǒng)如果沒有CAD系統(tǒng)的支持，花巨資引進的設備往往很難得到有效地利用；PPC系統(tǒng)如果沒有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及時和準確的數據作為計劃的依據，訂出的計劃也較難貫徹執(zhí)行，所謂的生產計劃和控制將得不到實際效益。

因此，人們著手將 CAD、CAE、CAPP、CAM 和PPC等系統(tǒng)有機地、統(tǒng)一地集成在一起，從而消除“自動化孤島”，取得最佳的效益。

3.2 網絡化

21世紀網絡將全球化，制造業(yè)也將全球化，從獲取需求信息，到產品分析設計、選購原輔材料和零部件、進行加工制造，直至營銷，整個生產過程也將全球化。CAD/CAM系統(tǒng)的網絡化，能使設計人員對產品方案在費用、流動時間和功能上并行處理的并行化產品設計應用系統(tǒng)；能提供產品、進程和整個企業(yè)性能仿真、建模和分析技術的擬實制造系統(tǒng)；能開發(fā)自動化系統(tǒng)，產生和優(yōu)化工作計劃和車間級控制，支持敏捷制造的制造計劃和控制應用系統(tǒng)；對生產過程中物流能進行管理的物料管理應用系統(tǒng)等。

3.3 智能化

人工智能在CAD中的應用，主要集中在知識工程的引入，發(fā)展專家CAD系統(tǒng)。專家系統(tǒng)具有邏輯推理和決策判斷能力。其將許多實例和有關專業(yè)范圍內的經驗、準則結合在一起，給設計者更全面、更可靠的指導。應用這些實例和啟發(fā)準則，根據設計的目標，不斷縮小探索的范圍，使問題得到解決。

4 CAD/CAM發(fā)展趨勢的表現特征

4.1 標準化

CAD/CAM系統(tǒng)可建立標準零件數據庫，非標準零件數據庫和模具參數數據庫。標準零件庫中的零件在CAD設計中，可以隨時調用，并采用GT（成組技術）生產。非標準零件庫中存放的零件，雖然與設計所需結構不盡相同，但利用系統(tǒng)自身的建模技術，可以方便地進行修改，從而加快設計過程。典型模具結構庫，是在參數化設計的基礎上實現的，按用戶要求對相似模具結構進行修改，即可生成所需要的結構。

4.2 集成化技術

現代模具設計制造系統(tǒng)，不僅應強調信息的集成，更應該強調技術、人和管理的集成。在開發(fā)模具制造系統(tǒng)時強調“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作機制集成及人員集成，這更適合未來制造系統(tǒng)的需求。

4.3 應用人工智能技術

應用人工智能技術實現產品生命周期（包括產品設計、制造、使用）各個環(huán)節(jié)的智能化，實現生產過程（包括組織、管理、計劃、調度、控制等）各個環(huán)節(jié)的智能化，以及模具設備的智能化，也要實現人與系統(tǒng)的融合，以及人在其中智能的充分發(fā)揮。

4.4 網絡技術的應用

網絡技術包括硬件與軟件的集成實現，各種通訊協(xié)議及制造自動化協(xié)議、信息通訊接口、系統(tǒng)操作控制策略等，是實現各種制造系統(tǒng)自動化的基礎。目前早已出現了通過Internet實現跨國界模具設計的成功例子。

4.5 多學科多功能綜合產品設計技術

未來產品的開發(fā)設計，不僅用到機械科學的理論與知識，而且還用到電磁學、光學、控制理論等知識。產品的開發(fā)，要進行多目標全性能的優(yōu)化設計，以追求模具產品動靜態(tài)特性、效率、精度、使用壽命、可靠性、制造成本與制造周期的最佳組合。

4.6 逆向工程技術的應用

在許多情況下，一些產品并非來自設計概念，而是起源于另外一些產品或實物，要在只有產品原型或實物模型而沒有產品圖樣的條件下，進行模具的設計和制造，以便制造出產品。此時需要通過實物的測量，然后利用測量數據進行實物的CAD幾何模型的重新構造，這個過程，就是逆向工程RE（Reverse Engineering）。逆向工程能夠縮短從設計到制造的周期，是幫助設計者實現并行工程等現代設計概念的一種強有力的工具，目前在工程上得到越來越廣泛的應用。

4.7 快速成形技術

快速成形制造技術RPM（Rapid Prototyping&Manufacturing）是基于層制造原理，迅速制造出產品原型，而與零件的幾何復雜程度絲毫無關，尤其在具有復雜曲面形狀的產品制造中，更能顯示其優(yōu)越性。其不僅能夠迅速制造出原型供設計評估、裝配校驗、功能試驗，而且還可以通過形狀復制快速經濟地制造出產品模具（如制造電極用于EDM加工、作為模芯消失鑄造出模具等），從而避免了傳統(tǒng)模具制造的費時、高成本的NC加工，因而RPM技術在模具制造中日益發(fā)揮著重要的作用。

5 結束語

機械CAD/CAM技術是加快產品更新換代，增強企業(yè)競爭能力的最有效手段。企業(yè)應看清應用CAD/CAM技術帶來的進步性，并以自身為基礎，借鑒同行各企業(yè)應用推廣的經驗，靈活應用CAD/CAM技術，加快企業(yè)的設計制造一體化發(fā)展。

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