萬志鋒　倪占強　宋輝　耿浩

摘 要：計算機技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在社會生活的各個領(lǐng)域，在機械產(chǎn)品的設(shè)計制造過程中，廣泛應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)。本文對CAD/CAM進行了研究，介紹了CAD及CAM中的核心技術(shù)及應(yīng)用，最后展望了CAD/CAM未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代制造；CAD；CAM；后置處理

1 CAD/CAM簡介

CAD技術(shù)（計算機輔助設(shè)計）和CAM的技術(shù)（計算機輔助制造）的組合CAD/CAM將設(shè)計和制造技術(shù)結(jié)合起來，能夠完成NC零件編程等機械工藝。CAD/CAM應(yīng)用中包含的關(guān)鍵技術(shù)有：產(chǎn)品虛擬設(shè)計、虛擬制造、DNC加工等。CAD/CAM應(yīng)用可以引入?yún)?shù)化及面向特征的實體進行數(shù)學(xué)建模，并在虛擬裝配后進行仿真；將CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用到虛擬制造過程中主要是建立一個虛擬制造環(huán)境，在此虛擬環(huán)境中可以完成諸如設(shè)計、制造、信息共享以及系統(tǒng)控制等任務(wù)。

產(chǎn)品的設(shè)計過程中從設(shè)計之初到加工物料等必然會經(jīng)過頻繁的修改，如果在真實的環(huán)境中完成此過程必然會造成材料的極大浪費。CAD/CAM系統(tǒng)利用可變參數(shù)設(shè)計實現(xiàn)虛擬設(shè)計的功能。作為虛擬設(shè)計的核心，幾何建模完成后可以進一步完成動態(tài)仿真、有限元分析等過程，三維實體建模甚至可以對幾何物體進行唯一而又完整性的描述 ，從而產(chǎn)生一個有效的模型，便于設(shè)計者將主要工作投入到創(chuàng)造性的工作中。仿真技術(shù)使設(shè)計者在產(chǎn)品規(guī)劃的早期就可以事先看出產(chǎn)品的特性，了解已采用的加工方法的結(jié)果，預(yù)研加工過程的可行性，從而盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的問題。

虛擬制造可以模擬實際環(huán)境在計算機上執(zhí)行制造過程，虛擬制造技術(shù)把繪圖、有限元分析以及原型生成等和制造相關(guān)的技術(shù)集成起來，實現(xiàn)諸如設(shè)計工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程。虛擬制造具有高度集成、支持敏捷制造以及分布合作等特征[1]：在計算機虛擬環(huán)境中設(shè)計人員及用戶都可以對產(chǎn)品進行操作，不依賴于傳統(tǒng)的原型樣機。

2 CAD/CAM中的核心技術(shù)

CAD/CAM技術(shù)是一個涉及多項學(xué)科的系統(tǒng)工程，產(chǎn)品工藝設(shè)計人員能夠利用CAD過程展現(xiàn)的信息及CAM技術(shù)的功能，預(yù)先顯示產(chǎn)品加工狀況、控制部件加工的工藝路線，并生成零部件加工過程中的信息。

CAD（計算機輔助設(shè)計）指的是借助計算機完成產(chǎn)品設(shè)計過程中諸如繪圖、零部件設(shè)計、裝配及分析等工作的技術(shù)，以提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本。CAD的核心技術(shù)包括[2]：

（1）幾何造型。設(shè)計人員利用交互方式將物體的想象造型作為虛擬制造技術(shù)的輸入存到計算機中，計算機將此模型存儲并進行幾何建模，為后續(xù)分析計算做準(zhǔn)備；常見的幾何造型包括線框造型、曲面造型以及流曲線曲面造型等。線框造型描述物體時只通過直線、圓弧及簡單的曲線完成，實現(xiàn)簡單，但難以表達三維模型；曲面幾何模型克服了線框模型的缺點，光滑的曲面代替了原來的直線、圓弧等，曲面造型技術(shù)也先后經(jīng)歷了曲面求交、曲面拼接、曲面變形及曲面重建等過程；隨著圖形圖像技術(shù)和三維數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的發(fā)展，新近出現(xiàn)了基于物理模型的曲面造型方法以及三維打印技術(shù)等。CAD設(shè)計領(lǐng)域汽車、飛機等產(chǎn)品的設(shè)計會涉及到運動物體的曲線曲面外形，它們的外形光滑與否直接關(guān)系到產(chǎn)品性能。以流體力學(xué)為基礎(chǔ)的流曲線曲面造型方法設(shè)計的產(chǎn)品具有良好的物理流線型性能。

（2）有限元分析?，F(xiàn)在產(chǎn)品的設(shè)計越來越復(fù)雜，所以需要設(shè)計者在設(shè)計初期就能夠準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品的性能，并對產(chǎn)品的各種技術(shù)參數(shù)進行分析計算，這就是有限元分析（Finite Element Analysis）。進行有限元分析時，先將原來的產(chǎn)品分解為有限個子單元，分別根據(jù)限制平衡條件分析后，在重新把它們組合起來后綜合求解。利用有限元法進行分析時，需要輸入大量的數(shù)據(jù)，對輸入?yún)?shù)的處理成為前置處理；有限元分析后，也會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對它們的處理成為后置處理，后置處理的任務(wù)就是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的圖形表示。

（3）優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，是在復(fù)雜設(shè)計問題中得到最優(yōu)解的有效工具。對某一設(shè)計過程，先給出一些初始參數(shù)，由計算機完成對優(yōu)化指標(biāo)的優(yōu)化工作，直到達到最優(yōu)解。優(yōu)化設(shè)計一般需要三個階段：先將設(shè)計問題抽象為數(shù)學(xué)模型，然后設(shè)計相應(yīng)的算法和程序，最后由計算機進行求解。

CAM中的核心技術(shù)一般包括計算機輔助工藝過程設(shè)計（CAPP）、數(shù)控編程以及計算機仿真等[3]：

（1）CAPP。作為CAD和CAM的中間環(huán)境，CAPP可以根據(jù)建模得到的產(chǎn)品信息，決定加工該產(chǎn)品時將要使用的方法、步驟以及設(shè)備等，為CAM的NC編程服務(wù)。CAPP是CAD/CAM集成的關(guān)鍵技術(shù)，其主要任務(wù)是利用計算機輔助工藝完成CAD信息到CAM信息的傳遞。CAPP可以使產(chǎn)品設(shè)計人員從重復(fù)性事物中解脫出來，迅速編制出完整的工藝文件。

（2）數(shù)控編程。作為從零部件圖紙到數(shù)控加工的整個過程，數(shù)控編程（NC編程）的任務(wù)是計算加工走刀中的CL點，并完成諸如分析零部件圖樣、確定加工工藝、校對程序等加工過程。分析零部件圖樣時要明確加工的內(nèi)容、方案、順序，選擇加工器具等；同時要選擇合適的工藝路線、編程原點等。數(shù)控編程方法有手工編程和自動編程方法。手工編程完成從零部件圖樣分析到程序校驗過程中的所有步驟，適合加工形狀簡單的零部件。APT（Automatically Programmed Tool）是一種可以自動編程的工具，可以有效解決幾何造型編程的問題。

（3）仿真。為預(yù)測產(chǎn)品的性能、模擬產(chǎn)品制造的過程，經(jīng)常需要對系統(tǒng)模型進行試驗運行，這就是仿真技術(shù)。仿真技術(shù)可以分為物理仿真和計算機仿真兩種，前者是在物理模型基礎(chǔ)上所做的仿真，物理模型與實際系統(tǒng)間的相似性決定了物理仿真可以觀測到數(shù)學(xué)模型難以描述的特性；后者又成為數(shù)學(xué)仿真，是利用計算機程序完成仿真實驗的技術(shù)。不論哪種仿真技術(shù)，都可以有效地預(yù)測產(chǎn)品性能。

3 CAD/CAM的未來發(fā)展

CAD/CAM各自在應(yīng)用中都可以發(fā)揮巨大的作用，在未來的發(fā)展過程中，可以考慮如下應(yīng)用方向：（1）CAD/CAPP/CAM集成應(yīng)用于并行工程環(huán)境?？梢栽贑AD軟件上開發(fā)具備CAM功能的軟件，或者是基于CAD造型開發(fā)特征提取模塊，從而為CAPP提供特征制造信息。（2）建立基于STEP的工程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)系統(tǒng)。在CAD軟件中建立各種零部件的形狀特征庫，存取不同形狀特征的相關(guān)信息后，實現(xiàn)形狀特征信息識別和提取的功能模塊，然后建立服務(wù)于CAPP的零部件特征信息主模型，最終實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息集成。（3）面向制造的設(shè)計、集成控制系統(tǒng)。制造過程中的各個環(huán)節(jié)是高耦合的，現(xiàn)代制造技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題就是如何在決策時得到全局最優(yōu)解。目前集成DNC加工已經(jīng)具備網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，要綜合考慮數(shù)控設(shè)備的通訊功能，以實現(xiàn)和DNC網(wǎng)絡(luò)的集成通訊；以CAD/CAM、CAPP以及DNC系統(tǒng)單元為基礎(chǔ)，實現(xiàn)CAD/ CAPP /CAM/DNC的整體集成，將可以實現(xiàn)從設(shè)計、制造到生產(chǎn)整個過程的信息共享。

參考文獻

[1]張黨飛.基于CAXA的數(shù)控雕刻CAD/CAM技術(shù)研究[D].西安建筑科技大學(xué).2012.

[2]王軍.智能集成CAD/CAPP系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].2010.

[3]還大軍.復(fù)合材料自動鋪放CAD/CAM關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué).2010.

作者簡介：萬志鋒（1982，6-），男，河南省洛陽市（籍貫），現(xiàn)職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：計算機輔助機械制造。