CAX技術(shù)及其集成研究綜述

張宏琳

(中國人民銀行西安分行 營業(yè)管理部，陜西 西安710002)

對于工業(yè)行業(yè)尤其是制造業(yè)而言，計算機輔助技術(shù)(CAX)作為核心技術(shù)，已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用［1］，并已被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。CAX技術(shù)應(yīng)用水平的高低不僅可衡量企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造的能力，更會影響到企業(yè)在激烈的市場競爭中的生存空間和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

各種CAX技術(shù)現(xiàn)在只是離散地分布在工業(yè)設(shè)計或制造等應(yīng)用環(huán)節(jié)，只能實現(xiàn)局部的自動化和最優(yōu)化。CAX集成［2］是將各種計算機輔助技術(shù)有機結(jié)合，并協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)有效地運行，其受到了廣大工程技術(shù)人員和科研人員的關(guān)注，并已取得了一定的研究成果［3－4］。

1 CAX技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

技術(shù)研發(fā)部門是制造企業(yè)賴于持續(xù)生存和發(fā)展的關(guān)鍵部門?？傮w而言，CAX技術(shù)的應(yīng)用在技術(shù)研發(fā)部門起步較早，而在制造部門的應(yīng)用相對較晚，且在不同企業(yè)之間應(yīng)用程度也不盡相同［5］。

對于CAD技術(shù)，由于科技部“九五”期間“甩圖板工程”的大力推廣和三維CAD性價比的提升，二維和三維CAD已具有較高的應(yīng)用度;對于CAE技術(shù)，一方面因為企業(yè)目前在技術(shù)研發(fā)方面主要還是以解決企業(yè)的生產(chǎn)為主，在創(chuàng)新方面嚴重滯后于市場需求，另一方面是因為CAE價格居高不下，導(dǎo)致其應(yīng)用處于較低水平;對于CAPP技術(shù)，由于涉及到同后續(xù)系統(tǒng)的集成，眾多企業(yè)在應(yīng)用選型時相對謹慎，應(yīng)用水平也較低;對于CAM技術(shù)，由于CAM基于三維CAD的廣泛普及和企業(yè)數(shù)控等先進設(shè)備廣泛應(yīng)用兩大前提，因此CAM的應(yīng)用度也相對較低。

2 CAX集成

CAX集成技術(shù)是將CAD、CAPP和CAM等通過軟件有機結(jié)合，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，以保證系統(tǒng)內(nèi)信息流的暢通并協(xié)調(diào)各系統(tǒng)有效運行［6］。但目前為止CAX的集成問題仍未得到真正的解決。

工業(yè)生產(chǎn)過程中典型的產(chǎn)品設(shè)計與制造過程如圖1所示，不同的CAX技術(shù)應(yīng)用在不同的階段。而CAX技術(shù)集成的工作流程如圖2所示。

2.1 計算機輔助設(shè)計

CAD是指利用計算機強有力的計算功能和高效率的圖形處理能力，幫助知識勞動者進行工程和產(chǎn)品的設(shè)計與分析。其將人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計算機的高速運算、信息存儲等功能有機結(jié)合，從而達到縮短工程產(chǎn)品設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量的目的。用CAD進行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計，可從一定程度上幫助廣大工程技術(shù)人員從繁雜的查手冊、計算中得以解脫。提高了設(shè)計效率和準確性，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，且增強企業(yè)的競爭能力。

圖1 典型的產(chǎn)品設(shè)計與制造過程

圖2 CAD/CAE/CAPP/CAM工作流程

CAD是計算機科學與工程設(shè)計學科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計算機在工程中具有影響的應(yīng)用技術(shù)之一。

國內(nèi)應(yīng)用較廣的微機CAD軟件主要有Autodesk公司的AutoCAD、MDT及3DSMax，Solidworks公司的Solidworks，SolidEdge。PORTEL公司的protel，ORCAD公司的orcad。

2.2 計算機輔助制造

CAM是指應(yīng)用計算機來進行產(chǎn)品制造。廣義CAM是指利用計算機輔助完成從原材料到產(chǎn)品的全部制造過程。狹義CAM是指制造過程中某個環(huán)節(jié)應(yīng)用計算機。

CAM與CAD密不可分，隨著對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，每一個現(xiàn)代制造企業(yè)都離不開大量的數(shù)控設(shè)備，要高效地制造高精度的產(chǎn)品，CAM技術(shù)不可或缺。一方面，CAD只有配合數(shù)控加工才能充分顯示其優(yōu)越性;另一方面，數(shù)控技術(shù)只有依靠CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的模型才能充分地發(fā)揮其效率。所以，在實際應(yīng)用中，二者自然地緊密相結(jié)合，形成CAD/CAM系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中設(shè)計和制造的各個階段可利用公共數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，即通過公共數(shù)據(jù)庫將設(shè)計和制造過程緊密地聯(lián)系為一個整體，數(shù)控自動編程系統(tǒng)利用設(shè)計的結(jié)果和產(chǎn)生的模型，形成數(shù)控加工機床所需的信息。CAD/CAM系統(tǒng)大幅縮短了產(chǎn)品的制造周期，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并帶來良好的經(jīng)濟效益。

CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，先后走過大型機、小型機、工作站、微機時代，每個時代都有當時流行的CAD/CAM軟件?，F(xiàn)在，工作站和微機平臺的CAD/CAM軟件已占據(jù)主導(dǎo)地位，并且出現(xiàn)了一批比較優(yōu)秀、較為流行的商品化軟件。按照三維CAD/CAM軟件的集成度、功能，可將目前流行的CAD/CAM軟件劃分為高檔、中檔和低檔3類［7］。高檔軟件的代表有Unigraphics，Pro/Engineer，CATIA，I－DEAS等;中檔軟件 有CIMATRON，Mastercam，Surface，Solidwork，SolidEdge，CAXA實體等;低檔軟件主要有AUTOCAD、CAXA等。

2.3 計算機輔助工藝過程設(shè)計

CAPP［8］是指借助于計算機軟硬件技術(shù)和軟件支撐環(huán)境，利用計算機進行數(shù)值計算、邏輯判斷和推理等的功能來制定零件機械加工工藝過程。其是通過向計算機輸入被加工零件的幾何信息(形狀、尺寸等)和工藝信息(材料、熱處理、批量等)，由計算機自動輸出零件的工藝路線和工序內(nèi)容等工藝文件的過程。CAPP是聯(lián)結(jié)CAD和CAM的橋梁，并接受來自CAD的產(chǎn)品幾何拓撲信息、材料信息及精度、粗糙度等工藝信息，并向CAD反饋產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝性評價信息;CAPP向CAM提供零件加工所需的設(shè)備、工裝、切削參數(shù)、裝夾參數(shù)以及刀具軌跡等文件，同時接受CAM反饋的工藝修改意見。

1969年挪威推出了世界上第一個CAPP系統(tǒng)——AUTOPROS，并于1973年商品化。1976年美國的國際計算機輔助制造公司CAM－I所推出的CAPP系統(tǒng)最為著名、應(yīng)用最廣，在發(fā)展史上具有里程碑的意義。此后，世界上有眾多CAPP系統(tǒng)問世，上海同濟大學在1982年開發(fā)出國內(nèi)第一個CAPP系統(tǒng)，即TOJICAP系統(tǒng)。目前，中國CAPP市場主要有國內(nèi)供應(yīng)商所占據(jù)，主流廠商包括開目、京渝天河、西工大金葉、大恒和上海思普等。

2.4 計算機輔助工程

CAE是指用計算機輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、動力響應(yīng)、彈塑性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，利用CAE進行建模及性能仿真分析，可替代大多數(shù)昂貴而費時的物理樣機實驗，即用數(shù)字化樣機取代傳統(tǒng)的物理樣機實驗。

CAE技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)在主要應(yīng)用的CAE軟件有:Hyperworks、Ansys、ADINA、Abaqus、LS－DYNA、Nastran、Pam crash、Moldflow、AutoForm、Madymo等。

3 CAX技術(shù)及其集成的發(fā)展方向

3.1 網(wǎng)絡(luò)化

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)的全球化程度將日益加強，從獲取需求信息，到產(chǎn)品分析設(shè)計、選購原輔材料和零部件、加工制造，直至營銷的整個生產(chǎn)過程也將全球化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實現(xiàn)資源的取長補短和優(yōu)化配置，極大地提高企業(yè)的快速響應(yīng)能力和市場競爭力。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使CAX系統(tǒng)實現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成成為現(xiàn)實。

3.2 智能化

人工智能在CAX中的應(yīng)用主要集中在知識工程的引入，專家系統(tǒng)的發(fā)展等。智能化的CAX技術(shù)將具有一定的邏輯推理和決策判斷能力，可將許多實例、有關(guān)經(jīng)驗和準則相結(jié)合，根據(jù)設(shè)計的目標不斷縮小探索的范圍，使問題得到專業(yè)范圍內(nèi)的解決。

3.3 標準化

CAX系統(tǒng)的集成一般建立在異構(gòu)的工作平臺上，為了支持異構(gòu)跨平臺的環(huán)境，要求CAX系統(tǒng)必須是開放性的，必須采用標準化技術(shù)來規(guī)范CAX技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。隨著該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用逐漸廣泛，標準化問題也越發(fā)重要。目前已制定了一系列相關(guān)標準，如面向圖形設(shè)備的標準計算機圖形接口(CGI)、面向圖形應(yīng)用軟件的標準GKS和PHIGS、面向不同CAD/CAM系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準IGES和STEP等。

4 結(jié)束語

文中對CAX技術(shù)及其集成進行了研究。首先介紹了各種不同的CAX技術(shù)的概念、工作過程、應(yīng)用情況和主要應(yīng)用軟件等，然后介紹了CAX集成技術(shù)的框架和工作流程，最后探討了CAX技術(shù)及其集成的發(fā)展方向。

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