教學(xué)課件：《機(jī)械CAD-CAM技術(shù)》(第二版)張建成

第1章緒論1.1概述

1.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1.1概述

1.1.1CAD/CAM的基本概念

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign，CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用的兩個(gè)主要方面，是指在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)作為主要手段，代替人的手工勞動(dòng)和部分腦力勞動(dòng)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由于CAD和CAM是緊密聯(lián)系和互相影響的兩個(gè)階段，聯(lián)系設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)環(huán)節(jié)的圖紙可以實(shí)現(xiàn)信息化，CAD的輸出結(jié)果常常作為CAM的輸入信息。因此，在發(fā)展過(guò)程中CAD和CAM就很自然地結(jié)合起來(lái)，逐漸趨于集成化，構(gòu)成統(tǒng)一的CAD/CAM系統(tǒng)，于是人們常把二者合稱為CAD/CAM。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)主要是指：使用計(jì)算機(jī)來(lái)輔助一項(xiàng)設(shè)計(jì)的建立、修改、分析和優(yōu)化，即整個(gè)設(shè)計(jì)工作先由設(shè)計(jì)人員構(gòu)思，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)有關(guān)產(chǎn)品的大量資料進(jìn)行檢索，根據(jù)性能要求及有關(guān)數(shù)據(jù)、公式進(jìn)行計(jì)算、分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖形顯示出來(lái)。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)設(shè)計(jì)方案或圖形作必要的修改，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

在沒有采用CAD技術(shù)之前，設(shè)計(jì)工作由設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的要求(用戶的要求或產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)想)，參考各種有關(guān)資料(各種參數(shù)、數(shù)據(jù)及制造標(biāo)準(zhǔn)等)、計(jì)算公式，考慮所采用的加工方法及生產(chǎn)設(shè)備條件，類比相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)思并擬訂產(chǎn)品的初步方案或結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行多次反復(fù)的計(jì)算分析、綜合比較，選定在經(jīng)濟(jì)性、工藝性和可靠性等方面較為合理完善的方案。根據(jù)這個(gè)初步設(shè)計(jì)繪制設(shè)計(jì)圖紙并編制有關(guān)文件資料(穿插著必要的設(shè)計(jì)修改、驗(yàn)算等)。這種設(shè)計(jì)方式不可避免地存在著以下一些不足之處：

(1)人工完成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)難以做到最佳(優(yōu)化)設(shè)計(jì)，僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，故只能停留在靠類比和估算來(lái)代替設(shè)計(jì)計(jì)算的階段上。

(2)設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，用于繁瑣、重復(fù)的手工計(jì)算、繪圖和編制表格，耗工費(fèi)時(shí)，拖長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。

(3)設(shè)計(jì)的精確性和可靠性受到了很大限制，影響了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(4)難以進(jìn)行精確的計(jì)算，設(shè)計(jì)中安全系數(shù)值較大，增大了材料的消耗。因此，這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已越來(lái)越不能適應(yīng)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的需要。由于市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品不斷提出各種各樣的要求，產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常迅速，生產(chǎn)向著多品種、中小批量方向發(fā)展。只有適應(yīng)這種日新月異的變化，努力追求T、C、Q、S、D，即以最短的交貨期(Time)、最小的成本(Cost),向市場(chǎng)推出質(zhì)量(Quality)最好的產(chǎn)品，同時(shí)為用戶提供最好的服務(wù)(Service)并不斷進(jìn)行新產(chǎn)品的研發(fā)(Developing)，企業(yè)才能在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中求得生存和發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必不可少的條件。一般來(lái)說(shuō)，能解決某類問題的CAD系統(tǒng)應(yīng)具備以下三個(gè)條件：

(1)有較完備的數(shù)據(jù)庫(kù)。凡解決該類問題所需的各種數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)曲線、表格等，都按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系存入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，以便于檢索調(diào)用或增刪修改。

(2)有較完備的程序庫(kù)，即將解決該類問題所必需的各種計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析方法，包括通用方法和專用方法，都編制出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，并匯集備用。

(3)具備人機(jī)會(huì)話功能的交互式圖形系統(tǒng)，即能利用實(shí)時(shí)輸入/輸出裝置，如鍵盤、鼠標(biāo)、圖形顯示器、自動(dòng)繪圖儀器，實(shí)時(shí)輸入設(shè)計(jì)人員的有關(guān)指令和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸出設(shè)計(jì)圖樣及數(shù)據(jù)。一般認(rèn)為，CAD系統(tǒng)應(yīng)能完成的工作包括草圖設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)、工程圖樣設(shè)計(jì)、工程分析、真實(shí)感及渲染、數(shù)據(jù)交換等。

一個(gè)較完善的CAD系統(tǒng)由數(shù)值計(jì)算與處理、交互繪圖與圖形輸入輸出、存儲(chǔ)和管理設(shè)計(jì)制造信息的工程數(shù)據(jù)庫(kù)等三大模塊組成。近十年來(lái)，國(guó)際上推出的商用CAD系統(tǒng)種類繁多，功能近似或有一定差異。分析十幾種通用的CAD系統(tǒng)，可歸納其主要功能如下：

(1)造型功能。造型包括實(shí)體造型(SolidModeling)和曲面造型(SurfaceModeling)。系統(tǒng)應(yīng)具有定義和生成體素的能力，以及構(gòu)造實(shí)體模型的能力。系統(tǒng)還應(yīng)具有根據(jù)給定的離散數(shù)據(jù)和工程問題的邊界條件來(lái)定義、生成、控制和處理過(guò)渡曲面與非矩形域曲面的拼合能力，提供曲面造型技術(shù)。

(2)二維與三維圖形的相互轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)反復(fù)修改、逐步逼近的過(guò)程。產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)需要三維圖形，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要用二維圖形，二維與三維圖形可進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，為設(shè)計(jì)繪圖提供了極其有力的工具。

(3)參數(shù)化設(shè)計(jì)。具有參數(shù)化設(shè)計(jì)功能的CAD系統(tǒng)，能使產(chǎn)品三維(包括二維)模型參數(shù)化，設(shè)計(jì)人員在任何階段修改尺寸時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成相應(yīng)實(shí)體形狀的改變。參數(shù)化設(shè)計(jì)能真正將初次設(shè)計(jì)從生產(chǎn)過(guò)程中分離出來(lái)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化減少零件的種類和數(shù)量，增加設(shè)計(jì)成果的儲(chǔ)備，以最快的速度適應(yīng)市場(chǎng)變化，滿足用戶的需求。

(4)三維幾何模型的顯示處理。系統(tǒng)應(yīng)具有動(dòng)態(tài)顯示模型、消隱、彩色濃淡處理的能力，以便設(shè)計(jì)人員能直接觀察、構(gòu)思和檢驗(yàn)產(chǎn)品模型，解決三維幾何模型的復(fù)雜空間布局問題。

(5)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析和仿真。系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡干涉檢查的分析能力，以及對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的能力。

(6)物體質(zhì)量特征計(jì)算。可根據(jù)幾何模型計(jì)算相應(yīng)物體的體積、質(zhì)量、表面積、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、回轉(zhuǎn)半徑等幾何特性，為工程分析提供必要的基本參數(shù)和數(shù)據(jù)。

(7)有限元分析。系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)產(chǎn)品模型的應(yīng)力分布、強(qiáng)度、變形、振動(dòng)等進(jìn)行有限元分析的能力，以便為設(shè)計(jì)人員研究產(chǎn)品的受力、變形，描述應(yīng)力提供分析技術(shù)。

(8)優(yōu)化?？蓪?duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選，以保證產(chǎn)品具有現(xiàn)代化設(shè)計(jì)水平。

(9)極強(qiáng)的圖形處理功能。圖形處理功能包括畫圖、編輯功能，以及圖形輸出、標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化圖素、各類特征符號(hào)庫(kù)等。

(10)先進(jìn)的二次開發(fā)工具。任何一種通用CAD系統(tǒng)都不可能同時(shí)滿足各行各業(yè)、各種情況的需要，因此CAD系統(tǒng)提供先進(jìn)、實(shí)用的二次開發(fā)工具是非常必要的。

(11)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)應(yīng)具有處理和管理有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造等方面信息的能力，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、管理的信息共享，并達(dá)到自動(dòng)檢索、快速存取、不同系統(tǒng)間傳輸和交換的目的。

實(shí)用的CAM系統(tǒng)大致分為以下兩類：

(1)?CAM的直接應(yīng)用。計(jì)算機(jī)與制造過(guò)程直接連接，對(duì)制造過(guò)程和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制。計(jì)算機(jī)監(jiān)視是指將計(jì)算機(jī)與制造過(guò)程連在一起，對(duì)制造過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行觀察以及在加工過(guò)程中收集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)并不直接控制操作。而計(jì)算機(jī)控制則是對(duì)制造過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行直接的控制。有些檔次較高的CAM系統(tǒng)既包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視，也包括計(jì)算機(jī)控制,形成了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。其具體內(nèi)容包括CNC、DNC、CAT、FMS和機(jī)床的自適應(yīng)控制(AdaptiveControl，AC)等。

(2)?CAM的間接應(yīng)用。計(jì)算機(jī)與制造過(guò)程不直接連接，而是以“脫機(jī)”(指設(shè)備不在計(jì)算機(jī)直接控制之下)工作方式提供生產(chǎn)計(jì)劃、進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備以及發(fā)出有關(guān)指令和信息等，通過(guò)這些可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和設(shè)備進(jìn)行更有效的管理。在此過(guò)程中，用戶向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和程序，再按計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果去指導(dǎo)生產(chǎn)。其具體內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)輔助NC編程，加工過(guò)程刀具軌跡生成，計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助生成工時(shí)定額，計(jì)算機(jī)輔助安排材料需求計(jì)劃，計(jì)算機(jī)輔助車間(工段)管理等。

CAPP是指在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段給出的信息，人機(jī)交互地或自動(dòng)地確定產(chǎn)品加工方法和工藝過(guò)程。一般認(rèn)為CAPP的功能包括毛坯設(shè)計(jì)、加工方法選擇、工藝路線制定、工序設(shè)計(jì)和刀具夾具設(shè)計(jì)。

工序設(shè)計(jì)又包含機(jī)床和刀夾量具等的選擇、切削用量選擇、加工余量分配以及工時(shí)定額計(jì)算等。通過(guò)應(yīng)用CAPP，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)既可以全部或部分地進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，又能以迅速和一致的方式向用戶提供優(yōu)化的方案。目前，有些人認(rèn)為應(yīng)用計(jì)算機(jī)完成設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)值計(jì)算、有關(guān)分析及計(jì)算機(jī)繪圖就是CAD，利用軟件進(jìn)行自動(dòng)編程便是CAM，應(yīng)該說(shuō)這是對(duì)CAD/CAM技術(shù)的片面理解和不全面的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)是人類高度智能化的一種活動(dòng)，往往貫穿了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，包含產(chǎn)品的需求規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、生產(chǎn)規(guī)劃、營(yíng)銷設(shè)計(jì)、報(bào)廢回收等流程，從而最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到實(shí)物、從抽象到具體、從定性到定量的生產(chǎn)過(guò)程，設(shè)計(jì)中既有大量的數(shù)值計(jì)算，也有眾多的推理決策判斷。從設(shè)計(jì)方法角度看，設(shè)計(jì)可分為常規(guī)設(shè)計(jì)、革新設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)等三類。目前，一般的CAD系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心、以交互圖形設(shè)計(jì)為手段,在建立產(chǎn)品幾何模型的基礎(chǔ)上，利用有限元和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析計(jì)算，而對(duì)推理和判斷卻做得不多，因此，在產(chǎn)品開發(fā)中，計(jì)算機(jī)只是作為一種輔助的設(shè)計(jì)工具，許多推理判斷工作仍需由人工完成，所以人們將它稱為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

由于CAD/CAM技術(shù)是一個(gè)發(fā)展著的概念，不同地區(qū)、不同國(guó)家的學(xué)者從不同的角度出發(fā)，對(duì)CAD、CAM內(nèi)涵的理解也不完全相同，因此要給CAD、CAM下一個(gè)確切的定義并不容易。一般認(rèn)為，CAD是指工程技術(shù)人員在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，以計(jì)算機(jī)為輔助工具，通過(guò)計(jì)算機(jī)和CAD軟件對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、計(jì)算、仿真、優(yōu)化與繪圖,在這一過(guò)程中，把設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維、綜合判斷能力與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的記憶、數(shù)值計(jì)算、信息檢索等能力相結(jié)合，各盡所長(zhǎng)，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、繪圖等工作，最終達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的目的。CAD的功能可以大致歸納為四類，即幾何建模、工程分析、動(dòng)態(tài)模擬和自動(dòng)繪圖。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，一個(gè)完整的CAD系統(tǒng)應(yīng)由科學(xué)計(jì)算、圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫(kù)等組成?？茖W(xué)計(jì)算包括有限元分析、可靠性分析、動(dòng)態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等；圖形系統(tǒng)則包括幾何造型、自動(dòng)繪圖、動(dòng)態(tài)仿真等；工程數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造集成在一起，稱為CAD/CAM系統(tǒng)；把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程和計(jì)算機(jī)輔助制造集成在一起，稱為CAD/CAE/CAM系統(tǒng)?，F(xiàn)在很多CAD系統(tǒng)逐漸添加了CAM和CAE功能，所以工程界習(xí)慣上把CAD/CAE/CAM稱為CAD系統(tǒng)或CAD/CAM系統(tǒng)。一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過(guò)程往往包括產(chǎn)品任務(wù)規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品試用、產(chǎn)品生產(chǎn)等階段，而計(jì)算機(jī)只是按用戶給定的算法完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造全過(guò)程中某些階段或某個(gè)階段中的部分工作，如圖1.1.1所示。圖1.1.1產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程及CAD、CAE、CAM的范圍1.1.2CAD/CAM集成的概念

近40年來(lái)，CAD、CAPP、CAM技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，幾乎深入到與生產(chǎn)過(guò)程有關(guān)的所有領(lǐng)域，形成了許多計(jì)算機(jī)輔助的分散系統(tǒng)。如不考慮企業(yè)行政管理方面的因素，這些分散系統(tǒng)包括PPS、CAD、計(jì)算機(jī)輔助工程分析(ComputerAidedEngineering，CAE)、CAPP、CAM、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理(ComputerAidedQuality，CAQ)、計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(ComputerAidedFixtureDesign，CAFD)。這些獨(dú)立的分散系統(tǒng)，分別在產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)自動(dòng)化和數(shù)控編程自動(dòng)化等方面起到了重要作用。但是采用這些各自獨(dú)立的分散系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動(dòng)傳遞和交換，信息資源還不能共享。例如CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果不能直接為CAPP系統(tǒng)所接受，進(jìn)行工藝過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)，還需要人工將CAD輸出的圖樣文檔等信息轉(zhuǎn)換成CAPP系統(tǒng)所需要的輸入數(shù)據(jù)，這不但影響了效率的提高，而且在人工轉(zhuǎn)換中難免發(fā)生錯(cuò)誤。所以，隨著計(jì)算機(jī)日益廣泛深入的應(yīng)用，人們很快認(rèn)識(shí)到，只有當(dāng)CAD系統(tǒng)一次性輸入的信息及其產(chǎn)生的結(jié)果能為后續(xù)環(huán)節(jié)(如CAPP、CAM)繼續(xù)應(yīng)用時(shí)才是最經(jīng)濟(jì)和最合理的。為此,提出了CAD/CAPP/CAM集成的概念，并首先致力于CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞和轉(zhuǎn)換的研究，以便將已存在和使用的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)集成起來(lái)。目前，這一技術(shù)已達(dá)到實(shí)用和逐步成熟階段。

利用數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP、CAM集成的基本工作步驟如下：

(1)?CAD設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，繪制產(chǎn)品圖樣，為CAPP、CAM過(guò)程準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

(2)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成中性文件(如IGES、STEP文件)。

(3)?CAPP系統(tǒng)讀入中性文件，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需格式后生成零件工藝過(guò)程。

(4)?CAD、CAPP系統(tǒng)生成數(shù)控編程所需數(shù)據(jù)，并按一定標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的中性文件。

(5)?CAM系統(tǒng)讀入中性文件，并將其轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需格式后生成數(shù)控程序。

這樣所形成的集成系統(tǒng)表達(dá)為CAD/CAPP/CAM，也可簡(jiǎn)寫為CAD/CAM。

CAD、CAPP和CAM之間密切的關(guān)系，也即CAD/CAM系統(tǒng)所具有的三大功能之間的關(guān)系可用圖1.1.2所示的框圖來(lái)表示。圖1.1.2

CAD、CAPP和CAM之間的關(guān)系1.1.3產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程與CAD/CAM過(guò)程

產(chǎn)品是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心。對(duì)于產(chǎn)品有不同的定義和理解。首先從生產(chǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看，產(chǎn)品是從需求分析開始，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程后變成可供用戶使用的成品，這一總過(guò)程也稱為產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程具體包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工、裝配過(guò)程。每一過(guò)程又劃分為若干個(gè)階段，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程可分為任務(wù)規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等四個(gè)階段；工藝設(shè)計(jì)過(guò)程可劃分為毛坯的確定，工件的定位與夾緊，工藝路線設(shè)計(jì)，工序設(shè)計(jì)，刀具、夾具、量具等的設(shè)計(jì)與選擇等階段；加工、裝配過(guò)程可劃分為數(shù)

控編程、加工過(guò)程仿真、數(shù)控加工、檢測(cè)、裝配、調(diào)試等階段。在上述各過(guò)程、階段內(nèi)，計(jì)算機(jī)獲得不同程度的應(yīng)用，并形成了相應(yīng)CAD/CAPP/CAM過(guò)程鏈，見圖1.1.3。按順序的生產(chǎn)觀點(diǎn)，這是一個(gè)串行的過(guò)程鏈，但按并行工程的觀點(diǎn)考慮到信息反饋，這也是一個(gè)交叉、并行的過(guò)程。圖1.1.3產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程與CAD/CAM過(guò)程 1.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1.2.1CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用

目前，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)滲透到工程技術(shù)和人類生活的幾乎所有領(lǐng)域，成為一個(gè)令人矚目的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，尤其是在機(jī)械、電子、航空、航天、兵器、汽車、船舶、電力、化工、建筑和服裝等行業(yè)應(yīng)用已較為普遍。CAD/CAM的發(fā)展把計(jì)算機(jī)的高速度、準(zhǔn)確性和大貯存量與技術(shù)人員的思維綜合分析能力結(jié)合起來(lái)，從而大幅度地提高了生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量，節(jié)約了原材料和能源，加速了產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。目前，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。我國(guó)近年來(lái)CAD/CAM技術(shù)的研究與應(yīng)用雖然已取得了可喜成績(jī)，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距依然很大。許多企業(yè)盡管引進(jìn)了CAD/CAM系統(tǒng)，但其功能卻沒能得以充分發(fā)揮。因此，我們應(yīng)抓緊時(shí)機(jī)，結(jié)合國(guó)情，積極開展CAD/CAM技術(shù)的研究與推廣工作，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力，加快企業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的步伐。1.2.2CAD/CAM技術(shù)的歷史沿革

1.CAD/CAM集成技術(shù)的產(chǎn)生

CAD/CAM即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造，是一門基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的、與機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)相互滲透結(jié)合的、多學(xué)科綜合性的技術(shù)。它隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展、數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用及CAD/CAM軟件的日益完善，在電子、機(jī)械、航空、航天、輕工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1989年，美國(guó)國(guó)家工程科學(xué)院對(duì)1965～1989年的25年間當(dāng)代十項(xiàng)杰出工程技術(shù)成就進(jìn)行評(píng)選,CAD技術(shù)名列第四。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)曾在一篇報(bào)告中指出：“CAD/CAM對(duì)直接提高生產(chǎn)率比電氣化以來(lái)的任何發(fā)展都具有更大的潛力，應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，將是提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵?！?/p>

CAD/CAM技術(shù)為什么能在短短的40余年間發(fā)展如此迅速呢？歸根到底是因?yàn)樗鼛缀跬苿?dòng)了整個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)革命，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短了產(chǎn)品從開發(fā)到上市的周期；同時(shí)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，用戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、價(jià)格、生產(chǎn)周期、服務(wù)、個(gè)性化等要求越來(lái)越高。對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)商來(lái)說(shuō)，為了立足市場(chǎng)，必須使用先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，CAD/CAM技術(shù)便是首選之一。因此，作為先進(jìn)制造技術(shù)重要組成部分的CAD/CAM技術(shù)，它的發(fā)展及應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，尤其是模具CAD/CAM技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代大批量?jī)?yōu)質(zhì)生產(chǎn)更具有重要意義。

2.?CAD/CAM發(fā)展歷程

1)?CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展歷程

從CAD/CAM技術(shù)誕生至今，它的發(fā)展始終與計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟硬件水平及相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)(如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等)的發(fā)展緊密相連。因此，我們?cè)诹私釩AD技術(shù)發(fā)展歷程的同時(shí)，也需要了解當(dāng)時(shí)與CAD技術(shù)相關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展情況。在CAD技術(shù)和CAM技術(shù)誕生初期，它們是獨(dú)立發(fā)展的，而CAM技術(shù)的發(fā)展促使了CAD技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。

20世紀(jì)40年代末期，美國(guó)有一位叫約翰·帕森斯的工程師構(gòu)思并向美國(guó)空軍展示了一種加工方法：在一張硬紙卡上打孔來(lái)表示需要加工的零件的幾何形狀，利用這張硬紙卡來(lái)控制機(jī)床進(jìn)行零件的加工。當(dāng)時(shí)美國(guó)空軍正在尋找一種先進(jìn)的加工方法以解決飛機(jī)外形樣板加工的問題，因此美國(guó)空軍對(duì)該構(gòu)思十分感興趣并大力贊助，同時(shí)委托麻省理工學(xué)院進(jìn)行研究開發(fā)。1952年，麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室和帕森斯公司合作研制出了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床在用于飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓檢驗(yàn)樣板的加工中取得圓滿成功。它是用含有某種指令的特定程序控制其運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)工件加工的：首先由人工編好程序并輸入數(shù)控機(jī)床，然后執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)零件的自動(dòng)加工。用這種方法在編制復(fù)雜零件的加工程序時(shí)存在編程比較麻煩、周期長(zhǎng)且容易出錯(cuò)等缺點(diǎn)。因?yàn)槌绦蚓幹戚^難，所以限制了它的有效應(yīng)用。針對(duì)這些問題，以該實(shí)驗(yàn)室D.T.Ross教授為首的研究小組開始著手研究一種能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程的系統(tǒng)，即APT(AutomaticallyProgrammedTools)。APT是一套純文字的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，主要由幾何定義語(yǔ)句、刀具語(yǔ)句、宏指令與循環(huán)指令、輔助功能及說(shuō)明語(yǔ)句、輸入輸出語(yǔ)句組成。編程人員首先描述需要加工的零件形狀和刀具形狀、加工方法、加工參數(shù)等，然后編制出零件的加工程序。1969年，美國(guó)UnitedComputing公司成功地開發(fā)出了APT軟件并取名為UNIAPT。APT軟件經(jīng)過(guò)軟件開發(fā)商的發(fā)展，先后推出了APT-Ⅱ、APT-Ⅲ、APT-Ⅳ、APT-SS等版本，其功能不斷擴(kuò)充，APT-Ⅲ具有立體切削功能，APT-Ⅳ實(shí)現(xiàn)了曲曲面加工，APT-SS可雕刻表面。APT軟件以語(yǔ)句為結(jié)構(gòu)對(duì)加工零件的幾何形狀進(jìn)行描述和定義，以應(yīng)用軟件對(duì)語(yǔ)句進(jìn)行信息處理，最終生成零件的數(shù)控加工程序的工作原理，就是CAM技術(shù)的開端。因此，早期的CAM主要用于解決程序編制問題，APT也成為自動(dòng)編程的一種形式—以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程。

雖然以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程方法解決了不少編程問題，但它仍存在許多明顯不足，如缺少對(duì)零件形狀和刀位軌跡進(jìn)行模擬驗(yàn)證的功能使得加工容易出錯(cuò)；程序編制時(shí)因?yàn)闆]有圖形而不直觀，不能處理復(fù)雜零件尤其是有曲面的零件等。第二次世界大戰(zhàn)后，隨著美國(guó)飛機(jī)制造業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)氣動(dòng)外形的準(zhǔn)確度要求逐漸提高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，人們開始嘗試著使用一種新的制造方法—模線樣板工作法，即在鋁板上，按真實(shí)尺寸繪制飛機(jī)各部分的外形輪廓及與外形有關(guān)的結(jié)構(gòu)零件圖，再用這些模線圖制作樣板和工裝，從而保證了飛機(jī)零件制造和裝配的精度。在飛機(jī)制造中，這種方法取得了很好的效果，缺點(diǎn)是生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、手工勞動(dòng)量大。20世紀(jì)50年代中期，由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，一些飛機(jī)制造公司開始嘗試用電子計(jì)算機(jī)建立飛機(jī)外形的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算切面數(shù)據(jù)，再用繪圖機(jī)輸出這些曲線。這種方法大大提高了飛機(jī)的制造精度，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低了人工工作量，這就是CAD技術(shù)的雛形。

CAD技術(shù)從出現(xiàn)至今大致經(jīng)歷了以下五個(gè)階段：

(1)孕育形成階段(20世紀(jì)50年代)。該階段最大的成果是：1950年麻省理工學(xué)院研制出了“旋風(fēng)Ⅰ號(hào)”(Whirlwind-Ⅰ)形顯示器，該顯示器類似于示波器。雖然它只能用于顯示簡(jiǎn)單的圖形且顯示精度很低，但它卻是CAD技術(shù)醞釀開始的標(biāo)志。隨后，1958年Calcomp公司和Gerber公司先后研制出了滾筒式繪圖儀和平板式繪圖儀。顯示器和繪圖儀的發(fā)明，表明了該時(shí)期的硬件具有圖形輸出功能。

(2)快速發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代)。20世紀(jì)50年代末期,美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研制出將雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)換為顯示器圖形的空中防御系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了光筆，操作者用它指向屏幕中的目標(biāo)圖形，即可獲得所需信息，這便是交互式圖形技術(shù)的開端。

1962年，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的I.E.Sutherland發(fā)表了《Sketchpad：一個(gè)人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)》的博士論文,首次提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲(chǔ)符號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想。他開發(fā)了人機(jī)對(duì)話式的二維圖形系統(tǒng)SKETCHPAD，第一次證實(shí)了人機(jī)對(duì)話工作的可能性，為CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。I.E.Sutherland的博士論文中所提出的CAD技術(shù)的思想，成了該時(shí)期的重大成果之一。計(jì)算機(jī)技術(shù)、交互式圖形技術(shù)等基礎(chǔ)理論的建立與發(fā)展、圖形輸入輸出設(shè)備(如光筆、圖形顯示器、繪圖儀等)的成功研制及對(duì)圖形數(shù)據(jù)處理方法的深入研究，大大推動(dòng)了CAD技術(shù)的完善和發(fā)展。一個(gè)有力證據(jù)就是商品化CAD軟件的出現(xiàn)和應(yīng)用。如1964年美國(guó)通用汽車公司和IBM公司聯(lián)合開發(fā)的DAC-1(DesignAugmentedbyComputer)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于汽車外形和汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1965年，美國(guó)的IBM公司和洛克希德公司共同開發(fā)了CADAM系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有三維造型和結(jié)構(gòu)分析能力，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、機(jī)械工業(yè)、飛機(jī)制造等行業(yè)。不過(guò)，該時(shí)期的CAD系統(tǒng)主要是二維系統(tǒng)，三維CAD系統(tǒng)也只是簡(jiǎn)單的線框造型系統(tǒng)，且規(guī)模龐大，價(jià)格昂貴。線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)幾何體基本的幾何信息，不能有效表達(dá)幾何體間的拓?fù)湫畔ⅲ簿蜔o(wú)法實(shí)現(xiàn)CAM和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)。

雖然CAD技術(shù)和CAM技術(shù)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)中獨(dú)立發(fā)展的兩個(gè)分支，但隨著CAD技術(shù)、CAM技術(shù)在制造業(yè)中的推廣，二者間的相互結(jié)合顯得越來(lái)越迫切。CAD系統(tǒng)只有配合CAM，才能充分顯示它的巨大優(yōu)越性；同樣，CAM只有利用CAD技術(shù)所建立的幾何模型，才能進(jìn)一步發(fā)揮它的作用。20世紀(jì)60年代末至70年代初，一些外國(guó)公司開始著手將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)進(jìn)行集成，建立一個(gè)統(tǒng)一的應(yīng)用程序庫(kù)，并逐步形成統(tǒng)一的系統(tǒng)。UnitedComputing公司向一家專門從事圖形開發(fā)的公司購(gòu)買其圖形系統(tǒng)ADAM，并將ADAM與自己開發(fā)的UNIAPT軟件結(jié)合起來(lái)，成為一套新的系統(tǒng)，并取名為UNI-GRAPHICS。1973年10月，在底特律召開的CAD/CAM會(huì)議上，UnitedComputing公司向外界發(fā)布了該系統(tǒng)。

(3)成熟推廣階段(20世紀(jì)70年代)。由于計(jì)算機(jī)硬件的快速發(fā)展，CAD技術(shù)進(jìn)入了成熟推廣時(shí)期，出現(xiàn)了一批專門從事CAD/CAM技術(shù)的公司，推出了具有代表性的CAD/CAM軟件：1970年，美國(guó)Applicon公司第一個(gè)推出了完整的CAD系統(tǒng)；法國(guó)Dassault公司開發(fā)出基于表面模型的自由曲面建模技術(shù)，推出三維曲面造型軟件CATIA；美國(guó)GE公司開發(fā)的CALMA；美國(guó)麥道飛機(jī)公司的UG等。1974年，人們開始把CAD系統(tǒng)和生產(chǎn)管理及力學(xué)計(jì)算相結(jié)合，1975年，發(fā)展為CAD/CAM集成系統(tǒng)。該時(shí)期CAD技術(shù)的應(yīng)用主要是“交鑰匙系統(tǒng)”(TurnkeySystem)，即軟件服務(wù)商提供以小型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、軟硬件齊備的CAD系統(tǒng)。曲面造型系統(tǒng)的出現(xiàn)是這一時(shí)期在CAD技術(shù)方面取得的重大成果，被認(rèn)為是第一次CAD技術(shù)革命。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)IBM公司和法國(guó)Dassault公司聯(lián)合開發(fā)了CATIA系統(tǒng)，該系統(tǒng)以自由曲面造型方法表達(dá)零件的表面模型，使人們從簡(jiǎn)單的二維工程圖樣中解放出來(lái)。曲面造型技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，雖解決了CAM的表面加工問題，但不能表達(dá)質(zhì)量、重心、體積、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等幾何物理量，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)CAE。

(4)廣泛應(yīng)用階段(20世紀(jì)80年代)。隨著微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，CAD系統(tǒng)逐漸開始從小型計(jì)算機(jī)向微型計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化，這為CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了良好的硬件條件。這一時(shí)期在CAD技術(shù)方面主要的技術(shù)特征是實(shí)體造型理論的建立和幾何建模方法的出現(xiàn)，構(gòu)造實(shí)體幾何法(CSG)和邊界表示法(B-mp)等實(shí)體表示方法在CAD軟件開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。由于實(shí)體造型技術(shù)的出現(xiàn)，統(tǒng)一了CAD、CAE、CAM的表達(dá)模型，從而使得CAE技術(shù)成為可能并逐漸得到應(yīng)用。因此，實(shí)體造型技術(shù)被認(rèn)為是第二次CAD技術(shù)革命。1979年，SDRC公司開發(fā)出了第一套基于實(shí)體造型技術(shù)的大型CAD/CAM軟件I-deas。

20世紀(jì)80年代中期，CV公司的一些技術(shù)人員提出了一種比無(wú)約束自由造型更新穎的造型技術(shù)—參數(shù)化設(shè)計(jì)，但CV公司否決了這一技術(shù)提案，參與策劃的技術(shù)人員便離開了CV公司，成立了PTC公司，并于1988年推出全球第一套基于參數(shù)化造型技術(shù)的CAD/CAM軟件Pro/E，獲得巨大成功。參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)的主要特點(diǎn)是基于特征、全數(shù)據(jù)相關(guān)、全尺寸約束、尺寸驅(qū)動(dòng)。參數(shù)化實(shí)體造型技術(shù)成為CAD技術(shù)發(fā)展史中的第三次技術(shù)革命。

20世紀(jì)80年代后期，SDRC公司的技術(shù)人員對(duì)參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和探索。1990年，經(jīng)過(guò)幾年的研究探索之后，發(fā)現(xiàn)參數(shù)化技術(shù)存在不少缺點(diǎn)，如全尺寸約束這一要求大大限制了設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造能力的發(fā)揮。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Gossard教授提出一種新的造型技術(shù)—變量化設(shè)計(jì)。變量化設(shè)計(jì)采用非線性約束方程組聯(lián)立求解，設(shè)定初始值后用牛頓迭代法進(jìn)行精化；同時(shí)，變量化設(shè)計(jì)擴(kuò)大了約束的類型，除了幾何約束外，還引入力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等約束，使得求解過(guò)程不僅含有幾何問題，也包含了工程實(shí)際問題。眾所周知，已知全部參數(shù)的方程組進(jìn)行順序求解比較容易。而在欠約束情況下，方程聯(lián)立求解的數(shù)學(xué)處理和軟件實(shí)現(xiàn)的難度則大大增加。但是，經(jīng)過(guò)了三年的努力，1993年，SDRC公司推出了基于變量化設(shè)計(jì)的全新體系結(jié)構(gòu)的I-DEASMaterSeries軟件。變量化設(shè)計(jì)既保留了參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)(如基于特征、全數(shù)據(jù)相關(guān))，又克服了參數(shù)化設(shè)計(jì)的不足(如全尺寸約束)，因此，變量化設(shè)計(jì)技術(shù)被認(rèn)為是CAD的第四次技術(shù)革命。

CAM也由簡(jiǎn)單的NC機(jī)床逐步發(fā)展成CNC、DNC、FMS等。在生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作和組織管理方面也出現(xiàn)了CAPP、CAFD、計(jì)算機(jī)輔助編程、PPS、CAQ等一系列獨(dú)立的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)化管理等。

(5)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化階段(20世紀(jì)80年代后)。隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化愈顯迫切和重要。從1977年推出CORE圖形標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，陸續(xù)出現(xiàn)了與應(yīng)用程序接口有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、與圖形存儲(chǔ)和傳輸有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和與虛擬設(shè)備接口有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的制訂和采用對(duì)CAD技術(shù)的推廣起到了重要的作用。

將人工智能AI(ArtificialIntelligence)引入CAD系統(tǒng)是CAD技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，這種結(jié)合大大提高了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。專家系統(tǒng)ES(ExpertSystem)是人工智能在產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)中最早獲得成功應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始階段，特別是在概念設(shè)計(jì)和構(gòu)思評(píng)價(jià)階段起到了積極的作用。

CAD技術(shù)與CAM、CAE等技術(shù)的集成形成了廣義的CAD/CAM系統(tǒng)。CAD/CAM系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了信息集成和功能集成，CIMS則是更高層次的集成。它包括了產(chǎn)品幾何、加工、管理等全方位的信息。

2)?CAE技術(shù)的發(fā)展歷程

CAE是指以現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)仿真為手段，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工程分析并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)。這里所指的工程分析包括有限元分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析、應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、電磁場(chǎng)分析等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，CAD技術(shù)完成了產(chǎn)品的幾何模型的建立，但是對(duì)于設(shè)計(jì)是否合理、產(chǎn)品能否滿足工程應(yīng)用要求，則需對(duì)模型進(jìn)行工程分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化，并根據(jù)需要對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的修改，使產(chǎn)品最終滿足有關(guān)要求。CAE是CAD/CAM進(jìn)行集成的一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，因此有些學(xué)者認(rèn)為CAE應(yīng)屬于廣義CAD的重要組成部分，目前在大型商業(yè)化CAD/CAM軟件中，CAE是該軟件的重要功能模塊。

CAE技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。

(1)技術(shù)探索階段(20世紀(jì)60～70年代)。20世紀(jì)50年代,飛機(jī)逐漸由螺旋槳式向噴氣式轉(zhuǎn)變。為了確定高速飛行的噴氣式飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)，必須對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行精確的分析計(jì)算。1956年，美國(guó)波音飛機(jī)公司開發(fā)了一種新的計(jì)算方法—有限元法，并把它應(yīng)用于飛機(jī)生產(chǎn)；1967年，SDRC公司成立并于1968年發(fā)布了世界上第一個(gè)動(dòng)力學(xué)測(cè)試及模態(tài)分析軟件包；1970年，SASI公司成立，開發(fā)了ANSYS軟件。

(2)蓬勃發(fā)展階段(20世紀(jì)70～80年代)。1977年，MDI公司成立，其主導(dǎo)軟件ADAMS廣泛應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析；1978年，ABAQUS軟件應(yīng)用于結(jié)構(gòu)非線性分析；1982年，CSAR公司成立，所開發(fā)的CSA/Nastran軟件主要應(yīng)用于大結(jié)構(gòu)、流-固耦合、熱學(xué)、噪聲分析等；1989年，ES-KD公司成立，發(fā)展了P法有限元程序。

(3)成熟推廣階段(20世紀(jì)90年代)。CAE軟件開發(fā)公司注意不斷增強(qiáng)自身CAE軟件的前、后置處理能力并積極開發(fā)與應(yīng)用CAD軟件的專用接口，使CAE技術(shù)逐漸走上了與CAD/CAM集成的軌道。1.2.3CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1.?CIMS

CIMS是CAD/CAM集成技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。它是一種計(jì)算機(jī)化、信息化、集成化、智能化的制造系統(tǒng)，是在自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)和制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)及其軟件，將制造工廠全部生產(chǎn)活動(dòng)所需的各種分散的自動(dòng)化系統(tǒng)有機(jī)地集成起來(lái)，能適合于多品種、中小批量生產(chǎn)的高柔性的先進(jìn)制造系統(tǒng)。它能有效地縮短生產(chǎn)周期，強(qiáng)化人、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)管理之間的密切聯(lián)系，減少再制品，壓縮流動(dòng)資金，提高企業(yè)的整體效益。應(yīng)用CIMS輸入的是產(chǎn)品的要求和信息，輸出的則是制造好的合格產(chǎn)品。在CIMS中，人參與的工作會(huì)更少，這是未來(lái)工廠自動(dòng)化的前景。CIMS的核心技術(shù)是CAD/CAM技術(shù)。

CIMS的核心是實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)總體優(yōu)化，產(chǎn)品達(dá)到上市快、質(zhì)量高、成本低、服務(wù)好的標(biāo)準(zhǔn)，從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力與生存能力。

CIMS又稱計(jì)算機(jī)綜合制造系統(tǒng)，它是在網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)支持下，由以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為核心的工程信息處理系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)輔助制造為中心的加工、裝配、檢測(cè)、儲(chǔ)運(yùn)、監(jiān)控自動(dòng)化工藝系統(tǒng)和經(jīng)營(yíng)管理信息系統(tǒng)所組成的綜合體。

2.智能化CAD/CAM系統(tǒng)

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，除了集成化之外，人們還將人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)應(yīng)用于CAD/CAM系統(tǒng)中，形成智能化的CAD/CAM系統(tǒng)，使其具有人類專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和判斷功能及智能化的視覺、聽覺和語(yǔ)言能力，從而解決那些以前必須由人類才能解決的復(fù)雜問題。因此,基于知識(shí)的智能化的專家系統(tǒng)也是CAD/CAM的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程是需要建立在大量的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。所謂專家系統(tǒng)，就是一個(gè)存貯有大量知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)庫(kù)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)來(lái)源于很多有關(guān)的人類專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。專家系統(tǒng)應(yīng)用人工智能技術(shù)，使計(jì)算機(jī)能夠在一定程度上代替人進(jìn)行推理、判斷和模擬人設(shè)計(jì)的思維過(guò)程，從而解決那些以前必須由人才能解決的復(fù)雜問題。一個(gè)成功的專家系統(tǒng)解決問題的能力可以達(dá)到甚至于超過(guò)單個(gè)人類專家的水平。此外，專家系統(tǒng)具有對(duì)所選擇的方案進(jìn)行解釋的功能。一些應(yīng)用實(shí)例表明，借助于基于知識(shí)的專家系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以從中學(xué)到本身不具備的知識(shí)。專家系統(tǒng)的出現(xiàn)，將計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)、制造中的應(yīng)用推向了一個(gè)全新的發(fā)展階段。這是一個(gè)具有巨大潛在意義的發(fā)展方向，它可以在更高的創(chuàng)造性思維活動(dòng)層次上，給技術(shù)人員以更有效的幫助。

3.并行工程

并行工程(ConcurrentEngineering)是隨著CAD/CAM、CIMS技術(shù)發(fā)展提出的一種新的系統(tǒng)工程方法。這種方法的思路，就是并行的、集成的設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其開發(fā)的過(guò)程。它要求開發(fā)人員在設(shè)計(jì)階段就考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有要求，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度、用戶要求等，以便最大限度地提高產(chǎn)品開發(fā)效率及一次成功率。并行工程的關(guān)鍵是用并行設(shè)計(jì)方法代替串行方法(順序法)，圖1.2.1為兩種方法示意圖。由圖1.2.1可見，在串行方法中信息流向是單向的；而在并行法中，信息流向是雙向的。圖1.2.1兩種設(shè)計(jì)方法示意圖

4.分布式網(wǎng)絡(luò)化

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代的標(biāo)志。所謂計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，就是用通信線路和通信設(shè)備將分散在不同地點(diǎn)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)，按一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來(lái)。這些功能使獨(dú)立的計(jì)算機(jī)按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)資源共享。CAD/CAM技術(shù)日趨成熟，可應(yīng)用于越來(lái)越大的項(xiàng)目。由于這類項(xiàng)目往往不是一個(gè)人，而是多個(gè)人、多個(gè)企業(yè)在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上協(xié)同完成，因此分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)非常適用于CAD/CAM的作業(yè)方式。同時(shí)，隨著Internet網(wǎng)的發(fā)展，可針對(duì)某一特定產(chǎn)品，將分散在不同地區(qū)的現(xiàn)有智力資源和生產(chǎn)設(shè)備資源迅速組合，建立動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的制造體系，以適應(yīng)全球化制造的發(fā)展趨勢(shì)。

5.先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造方法得到應(yīng)用和推廣

1)面向X的設(shè)計(jì)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，各企業(yè)已越來(lái)越重視快速推出新產(chǎn)品以占領(lǐng)市場(chǎng)，因此新產(chǎn)品開發(fā)的成功率也越來(lái)越受到關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在新產(chǎn)品的各種方案中只有6.5%能夠制造出實(shí)際產(chǎn)品，而制造出的產(chǎn)品能夠商品化的比例一般不足15%，商品化的產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后一般又約有半數(shù)未能獲得成功，這樣一來(lái)，新產(chǎn)品方案中真正能成功的不到0.5%。人們對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究之后，發(fā)現(xiàn)造成這種狀況的主要原因之一是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段只是注重了設(shè)計(jì)本身，而對(duì)產(chǎn)品在制造、裝配、成本、質(zhì)量、經(jīng)營(yíng)、銷售、維修等方面的影響因素考慮不夠，這就埋下了“隱患”。為在產(chǎn)品的策劃設(shè)計(jì)階段就能對(duì)后續(xù)階段可能出現(xiàn)的諸多影響因素加以全面的考慮，產(chǎn)生了面向X的設(shè)計(jì)，即DFX(DesignForX)，其中X可以代表產(chǎn)品生命周期中的各種因素，如制造、裝配、成本、質(zhì)量、檢驗(yàn)、經(jīng)營(yíng)、銷售、環(huán)境、使用、維修等。

DFX使設(shè)計(jì)者在早期就能考慮設(shè)計(jì)決策對(duì)后續(xù)的影響。目前較為成熟的DFX技術(shù)有：

(1)面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)。此處的制造在習(xí)慣上一般是取它的狹義定義，即主要包括加工和裝配兩個(gè)方面，因此又可分為面向加工的設(shè)計(jì)(DFM)和面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA)。前者強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮加工因素，即可加工性和加工的經(jīng)濟(jì)性；后者則要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮裝配因素，即可裝配性、裝配的經(jīng)濟(jì)性。

(2)面向質(zhì)量的設(shè)計(jì)(DFQ)。它強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就綜合考慮到一切與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的活動(dòng)，將質(zhì)量管理與控制活動(dòng)融入設(shè)計(jì)中，保證設(shè)計(jì)的完善性。

(3)面向成本的設(shè)計(jì)(DFC)。它在設(shè)計(jì)階段綜合考慮產(chǎn)品生命周期中的加工制造、裝配、檢測(cè)、維護(hù)等多種成本因素，并根據(jù)成本原因及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，從而達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的。

(4)面向維修的設(shè)計(jì)(DFS)。它要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就充分考慮產(chǎn)品的維護(hù)、保養(yǎng)和維修問題，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)中要包括維護(hù)簡(jiǎn)單、保養(yǎng)方便、修理工作容易進(jìn)行等。由于產(chǎn)品的維修一般都涉及產(chǎn)品的拆卸和重裝，因此DFS要考慮如何降低拆卸和重裝的難度，減少維修的時(shí)間，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)、盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件，以降低維修的成本。

(5)面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(DFE)。它的基本目標(biāo)是設(shè)計(jì)制造綠色產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，消耗的資源最少，對(duì)操作者的危害最低，產(chǎn)品可以回收利用，以節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。

2)綠色設(shè)計(jì)與制造

自20世紀(jì)中期尤其是70年代以來(lái)，全球性環(huán)境惡化達(dá)到了很嚴(yán)重的程度，引起人們的極大憂慮。面對(duì)日益嚴(yán)重的生態(tài)危機(jī)，人們不得不共同采取行動(dòng)來(lái)保護(hù)環(huán)境，以確保人類社會(huì)能持續(xù)健康發(fā)展。由此，綠色設(shè)計(jì)和綠色制造技術(shù)獲得了顯著的發(fā)展。

綠色設(shè)計(jì)又稱生態(tài)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、生命周期設(shè)計(jì)或環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)等，是由綠色產(chǎn)品而引申出的一種設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品能否達(dá)到綠色標(biāo)準(zhǔn)要求，其決定因素是該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)是

否采用綠色設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常主要是根據(jù)產(chǎn)品基本屬性(功能、質(zhì)量、壽命、成本)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則是：產(chǎn)品易于制造并滿足所要求的功能、性能，而較少或基本沒有考慮資源再生利用以及產(chǎn)品對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。這樣設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造出來(lái)的產(chǎn)品，在其使用壽命結(jié)束后回收利用率低，資源、能源浪費(fèi)嚴(yán)重，特別是其中的有毒、有害物質(zhì)會(huì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，影響生產(chǎn)發(fā)展的持續(xù)性。綠色設(shè)計(jì)是這樣一種設(shè)計(jì)，即在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)，著重考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護(hù)性、可重復(fù)利用性等)，并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足環(huán)境目標(biāo)的同時(shí)，保證產(chǎn)品應(yīng)有的基本功能、使用壽命、質(zhì)量等。綠色設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)必須按環(huán)境保護(hù)的指標(biāo)選用合理的原材料、結(jié)構(gòu)和工藝，在制造和使用過(guò)程中降低能耗、不產(chǎn)生毒副作用，其產(chǎn)品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生產(chǎn)。

綠色設(shè)計(jì)不僅停留在技術(shù)層面上，更體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的思維和原則方面，堅(jiān)持以人為中心、以自然為本的綠色思維，建立綠色產(chǎn)品和清潔生產(chǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建并完善綠色產(chǎn)品的服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。綠色設(shè)計(jì)必須遵循一定的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)程序，其中包括：環(huán)境規(guī)章評(píng)價(jià)，環(huán)境污染鑒別，環(huán)境問題的提出，減少污染、滿足用戶要求的替代方案，替代方案的技術(shù)與商業(yè)評(píng)估等。綠色設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮這樣的問題：制造過(guò)程中可能產(chǎn)生的廢棄物是什么，有毒成分的可能替代物是什么，報(bào)廢產(chǎn)品如何管理，設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品回收性有什么影響，零件材料對(duì)環(huán)境有何影響，用戶怎樣使用產(chǎn)品等。

綠色設(shè)計(jì)所關(guān)心的目標(biāo)除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)外，還有兩個(gè)：一是防止影響環(huán)境的廢棄物產(chǎn)生；二是良好的材料管理。也就是說(shuō)，避免廢棄物產(chǎn)生，用再造加工技術(shù)或廢棄物管理方法協(xié)調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使零件或材料在產(chǎn)品達(dá)到壽命周期時(shí)，以最高的附加值回收并重復(fù)利用。綠色設(shè)計(jì)通常有以下三個(gè)主要階段：

(1)跟蹤材料流，確定材料輸入與輸出之間的平衡。

(2)對(duì)特殊產(chǎn)品或產(chǎn)品種類分配環(huán)境費(fèi)用，并確定相應(yīng)的產(chǎn)品價(jià)值。

(3)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)性研究，而不是將注意力集中在產(chǎn)品本身。

從產(chǎn)品的整體質(zhì)量考慮，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)只根據(jù)物理目標(biāo)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，而應(yīng)以產(chǎn)品為用戶提供的服務(wù)或損害為主要依據(jù)。綠色設(shè)計(jì)是基于綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程起著舉足輕重的作用。它包括了產(chǎn)品壽命周期中與環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等有關(guān)的一切數(shù)據(jù)，如材料成分、各種材料對(duì)環(huán)境的影響值、材料自然降解周期、人工降解周期、費(fèi)用，制造、裝配、銷售、使用過(guò)程中所產(chǎn)生的附加物數(shù)量及對(duì)環(huán)境的影響值，環(huán)境評(píng)估準(zhǔn)則所需的各種判斷標(biāo)準(zhǔn)等。

綠色設(shè)計(jì)的原則包括資源最佳利用原則、能量消耗最小原則、零污染原則、零損害原則。綠色設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括綠色產(chǎn)品的描述和評(píng)價(jià)模型，綠色設(shè)計(jì)的材料選擇與管理，產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì)，綠色產(chǎn)品的成本分析，綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)等。

綠色設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)綠色制造，綠色制造就是使用綠色資源，運(yùn)用綠色生產(chǎn)技術(shù)來(lái)獲得綠色產(chǎn)品的過(guò)程。聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)署提出了綠色制造技術(shù)的三項(xiàng)原則。

(1)“不斷運(yùn)用”原則。綠色制造技術(shù)持續(xù)不斷運(yùn)用到社會(huì)生產(chǎn)的全部領(lǐng)域和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的整個(gè)過(guò)程。

(2)預(yù)防性原則。對(duì)環(huán)境影響因素從末端治理追溯到源頭，采取一切措施最大限度地減少污染物的產(chǎn)生。

(3)一體化原則。將空氣、水、土地等環(huán)境因素作為一個(gè)整體考慮，避免污染物在不同介質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。

根據(jù)這些原則，綠色制造過(guò)程應(yīng)當(dāng)做到盡量減少制造過(guò)程中的資源能源消耗、盡量減少制造過(guò)程對(duì)環(huán)境的不利影響、盡量使報(bào)廢的產(chǎn)品獲得再生和利用。

3)模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)源于樸素的“搭積木”的思想。20世紀(jì)初，機(jī)械制造業(yè)就出現(xiàn)了模塊化的產(chǎn)品，最有代表性的是組合機(jī)床?！澳K化設(shè)計(jì)”這一概念的提出，把模塊化設(shè)計(jì)的思想和方法提高到理論的高度來(lái)研究，具有重要的意義，促進(jìn)了模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展，并在工業(yè)實(shí)際中獲得了成功的應(yīng)用。

開發(fā)具有多種功能的不同產(chǎn)品時(shí)，不必對(duì)每種產(chǎn)品進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，而是精心設(shè)計(jì)出多種模塊，將其經(jīng)過(guò)不同方式的組合來(lái)構(gòu)成不同產(chǎn)品，以解決產(chǎn)品品種、規(guī)格和設(shè)計(jì)制造周期、成本之間的矛盾，這就是模塊化設(shè)計(jì)的含義。模塊化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)密切相關(guān)。三者之間互相影響、互相制約，通常合在一起作為評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)。

模塊是指一組具有同一功能和接合要素(指連接方式和連接部位的形狀、尺寸，連接件間的配合或嚙合等)，但性能、規(guī)格或結(jié)構(gòu)不同卻能互換的單元。

模塊具有兩個(gè)特征，一是與其他模塊連接的通用接口，二是模塊各自的特定單元。前一個(gè)特征使模塊之間能自由連接，后一個(gè)特征使得模塊的連接帶來(lái)不同功能的組合。

4)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際工作狀態(tài)下將承受各種復(fù)雜可變的載荷和環(huán)境因素的作用，因此，系統(tǒng)不但要具有預(yù)定的功能，而且其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能也要滿足一定的要求，使系統(tǒng)受到各種預(yù)期的變化載荷和環(huán)境因素作用時(shí)，仍然能保持良好的工作狀態(tài)。

振動(dòng)理論、材料疲勞斷裂理論等科學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、有限元分析技術(shù)、模態(tài)分析技術(shù)及試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)等的進(jìn)步，為機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)構(gòu)筑了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已經(jīng)普遍采用了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)估產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)性能和使用壽命。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析技術(shù)可分為兩類基本問題：一是動(dòng)態(tài)分析，即在已知系統(tǒng)模型、外部激勵(lì)載荷和系統(tǒng)工作條件的基礎(chǔ)上分析研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；二是以動(dòng)態(tài)性能滿足預(yù)定要求為目標(biāo)，建立系統(tǒng)模型，這是動(dòng)態(tài)修改、優(yōu)化、再設(shè)計(jì)的過(guò)程。1.2.4CAD/CAM技術(shù)產(chǎn)生的效益

CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，不僅深刻地改變著制造業(yè)的面貌，而且正在使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方法發(fā)生根本的變化。例如：

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已不再像過(guò)去那樣需要很長(zhǎng)周期，要用試制樣品去進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，而是可以在計(jì)算機(jī)屏幕上邊設(shè)計(jì)、邊模擬、邊實(shí)驗(yàn)、邊修改，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)成功。

設(shè)計(jì)信息的存儲(chǔ)已不再是采用圖紙的方式，而是采用將圖形和文字信息貯存在計(jì)算機(jī)的圖形庫(kù)或數(shù)據(jù)庫(kù)中。

繪圖也不再是利用繪圖板、丁字尺，而是采用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)繪圖機(jī)等。設(shè)計(jì)的修改工作也不再是非常費(fèi)時(shí)的事了，而是隨時(shí)可以調(diào)用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的模型，并按人的意愿，放大、縮小、轉(zhuǎn)換、修改，或同其他零件相連接等。

對(duì)產(chǎn)品中的運(yùn)動(dòng)部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、加工系統(tǒng)中工件的傳動(dòng)、刀具的切削運(yùn)動(dòng)和更換等都可以在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬。

工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)也不再完全依賴工藝人員的經(jīng)驗(yàn)和用手工操作進(jìn)行，而是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)程的自動(dòng)設(shè)計(jì)。工藝裝備也可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

加工設(shè)備將逐漸采用CNC機(jī)床、FMC和FMS等，對(duì)加工過(guò)程可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)化管理等。上述這一切必然能使企業(yè)在時(shí)間競(jìng)爭(zhēng)能力、質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)能力、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)能力和創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)能力等方面得以大大提高，產(chǎn)生非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)和工藝人員的教育和培訓(xùn)提出新的、更高的要求。為趕超世界先進(jìn)水平，成功地引進(jìn)、研制和正確使用CAD/CAM系統(tǒng)，也需對(duì)CAD/CAM的現(xiàn)狀和發(fā)展有一正確的認(rèn)識(shí)。CAD/CAM技術(shù)是一門方興未艾的學(xué)科，現(xiàn)有的系統(tǒng)不見得是最好的系統(tǒng)，在這一學(xué)科內(nèi)還有很多問題有待于深入研究與探索。第2章CAD/CAM系統(tǒng)2.1

CAD/CAM系統(tǒng)基礎(chǔ)2.2

CAD/CAM系統(tǒng)的硬件與軟件2.3國(guó)內(nèi)外典型CAD/CAM軟件簡(jiǎn)介2.4工程數(shù)據(jù)庫(kù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在CAD/CAM系統(tǒng)中的應(yīng)用 2.1CAD/CAM系統(tǒng)基礎(chǔ)

2.1.1CAD/CAM系統(tǒng)的組成

所謂系統(tǒng)，是指為某個(gè)共同目標(biāo)而組織在一起的相互關(guān)聯(lián)部分的組合。一個(gè)完整的CAD/CAM系統(tǒng)由硬件、軟件和人等三大部分組成。

硬件主要指計(jì)算機(jī)及各種配套設(shè)備，如各種檔次的計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、繪圖機(jī)等。廣義上說(shuō)，還包括數(shù)控加工的各種機(jī)械設(shè)備等，它是CAD/CAM系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件一般包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件等，它是CAD/CAM系統(tǒng)的核心。硬件的性能及其CAD/CAM功能的實(shí)現(xiàn)必須通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。人在CAD/CAM系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，是CAD/CAM系統(tǒng)的關(guān)鍵。CAD/CAM屬于高新技術(shù)，只有高素質(zhì)的技術(shù)人才才能把CAD/CAM系統(tǒng)的先進(jìn)性能充分發(fā)揮出來(lái)，為企業(yè)創(chuàng)造效益。圖2.1.1為CAD/CAM系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖。圖2.1.1CAD/CAM系統(tǒng)的組成2.1.2CAD/CAM系統(tǒng)的功能

一般來(lái)說(shuō)，CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

(1)交互圖形輸入及輸出功能?？捎糜诨镜漠a(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等任務(wù)。

(2)幾何建模功能，包括實(shí)體建模、線框建模及自由曲面建模等。幾何建模是CAD/CAM系統(tǒng)幾何處理的核心，提供有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各種數(shù)據(jù)，是后續(xù)作業(yè)處理的基礎(chǔ)。

(3)物理性能計(jì)算及工程分析功能?？筛鶕?jù)幾何建模的基本參數(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工程分析和數(shù)值計(jì)算，最常用的是有限元分析和優(yōu)化處理功能。

(4)處理數(shù)控加工信息的功能。可用于自動(dòng)編程、動(dòng)態(tài)仿真及多坐標(biāo)數(shù)控加工控制等。

(5)數(shù)據(jù)管理功能。可用于處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的全部信息，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)信息的共享。2.1.3CAD/CAM系統(tǒng)的選型及配置

1.?CAD/CAM系統(tǒng)的選型

由于CAD/CAM系統(tǒng)投資相對(duì)較大，因此如何科學(xué)、合理地選擇適合本企業(yè)技術(shù)水平及生產(chǎn)能力的系統(tǒng)，必須經(jīng)過(guò)詳細(xì)的考察與分析。選擇CAD/CAM系統(tǒng)最基本的出發(fā)點(diǎn)是性能價(jià)格比和其適用范圍，同時(shí)考慮其技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，特別是軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展。一般要進(jìn)行以下考慮：

(1)根據(jù)本企業(yè)的特點(diǎn)、規(guī)模、追求目標(biāo)及發(fā)展趨勢(shì)等因素，確定應(yīng)具有的系統(tǒng)功能。

(2)從整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中各個(gè)進(jìn)程的工作要求出發(fā)，考核擬選用的系統(tǒng)各模塊的功能，包括其開放性和集成性等特點(diǎn)。然后，根據(jù)性能價(jià)格比選擇合適的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。

(3)考慮如何使用、管理該系統(tǒng)，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用，真正為企業(yè)創(chuàng)造良好的效益。

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，軟硬件產(chǎn)品的更新周期很短，因此在組建CAD/CAM系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)在總體規(guī)劃指導(dǎo)下，先構(gòu)建系統(tǒng)的基本部分，再逐步擴(kuò)充。資金尚不充足或CAD/CAM基礎(chǔ)薄弱的企業(yè)，應(yīng)先選擇效益比較顯著的普及性應(yīng)用。

2.?CAD/CAM系統(tǒng)的配置

1)配置原則

CAD/CAM系統(tǒng)的硬件配置要考慮以下幾方面：

(1)系統(tǒng)功能。主要包括CPU的數(shù)據(jù)處理能力，內(nèi)外存容量，輸入輸出性能，圖像顯示和處理能力，與外部設(shè)備的接口能力，網(wǎng)絡(luò)通信能力。

(2)硬件系統(tǒng)要有良好的開放性且符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是否采用UNIX、Windows等操作系統(tǒng)、以太網(wǎng)、流行CPU芯片可作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，以利于系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)充、聯(lián)網(wǎng)以及支持更多種類的外圍設(shè)備。

(3)經(jīng)濟(jì)性能。

CAD/CAM系統(tǒng)的軟件配置要考慮以下幾方面：

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，一般選用網(wǎng)絡(luò)版。

(2)支撐軟件根據(jù)需要配置成低端、中端或高端系統(tǒng)。

(3)用戶多。

(4)運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單，性能價(jià)格比高。

(5)廠商信譽(yù)及售后服務(wù)好。

2)基本配置形式

按照所用主機(jī)分類，CAD/CAM系統(tǒng)的基本配置有四種形式：大型機(jī)系統(tǒng)、小型機(jī)系統(tǒng)、工程工作站系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)。大型機(jī)系統(tǒng)采用高性能的大型通用計(jì)算機(jī)為主機(jī)，用分時(shí)方式連接幾十臺(tái)圖形終端和字符終端。主機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是通用性強(qiáng)、計(jì)算能力強(qiáng)，但價(jià)格昂貴，主要應(yīng)用在需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和大量數(shù)據(jù)處理的CAD/CAM系統(tǒng)，如國(guó)外的大型飛機(jī)制造公司和汽車制造公司。常見的主機(jī)有IBM系列、西門子系列等。

小型機(jī)系統(tǒng)配有專用的軟件、硬件，并獨(dú)立地承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)，其優(yōu)點(diǎn)是軟件不需要變更即可在其系列產(chǎn)品上使用，但小型機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展能力差，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分散，因此現(xiàn)在應(yīng)用很少。工程工作站系統(tǒng)采用高性能的圖形工作站，其特點(diǎn)是運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、圖形顯示速度高、具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能,但工程工作站的價(jià)格相對(duì)昂貴，同時(shí)由于采用UNIX操作系統(tǒng)，其維護(hù)和使用都較難，不適合普通用戶使用。

微機(jī)系統(tǒng)采用微型計(jì)算機(jī)為主機(jī)，操作系統(tǒng)為流行的Windows系統(tǒng)或WindowsNT系統(tǒng)，其操作非常簡(jiǎn)單，適用于廣大中小用戶。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)的性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了傳統(tǒng)的工作站系統(tǒng)，過(guò)去一些基于工作站的CAD/CAM軟件也相繼推出微機(jī)版。微機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展,使CAD/CAM技術(shù)走出高樓，得以在廣大企業(yè)中真正得到普及。2.1.4CAD/CAM系統(tǒng)的工作方式

目前，計(jì)算機(jī)硬件的水平正以莫爾定律的規(guī)律飛速發(fā)展，CAD/CAM系統(tǒng)的軟件功能也日益強(qiáng)大。但是，要發(fā)揮出CAD/CAM系統(tǒng)的作用，關(guān)鍵在人。沒有掌握CAD/CAM技術(shù)的人才，CAD/CAM系統(tǒng)的價(jià)值將無(wú)法體現(xiàn)。CAD/CAM對(duì)人的要求包括：

1.基礎(chǔ)知識(shí)

必須包括以下三方面的基礎(chǔ)知識(shí)：

(1)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，主要包括系統(tǒng)軟件和硬件的基本原理和應(yīng)用基礎(chǔ)。

(2)專業(yè)基礎(chǔ)，如機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、電路設(shè)計(jì)等。

(3)外語(yǔ)基礎(chǔ)。

2.實(shí)踐知識(shí)

必須有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷地從事CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，在實(shí)踐中加深對(duì)先進(jìn)技術(shù)的掌握，并不斷豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.不斷學(xué)習(xí)和培訓(xùn)

CAD/CAM技術(shù)是飛速發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)，只有即時(shí)更新知識(shí)，始終掌握最前沿的軟件和技術(shù)，才能發(fā)揮更大的作用。

2.1.5CAD/CAM系統(tǒng)的工作過(guò)程

一個(gè)較為完整的CAD/CAM系統(tǒng)的工作過(guò)程如圖2.1.2所示。圖2.1.2CAD/CAM系統(tǒng)的工作過(guò)程從圖2.1.2可以看到，操作人員使用各種設(shè)計(jì)、分析、繪圖、仿真軟件，以人機(jī)交互的形式進(jìn)行操作。CAD/CAM軟件的強(qiáng)大功能為設(shè)計(jì)工作帶來(lái)許多方便，也使得一些靠人工不可能完成的任務(wù)得以完成。

圖2.1.2所示的CAD/CAM系統(tǒng)的工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面：

(1)各種專家系統(tǒng)可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品分析及方案設(shè)計(jì)。

(2)使用幾何造型系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地建立產(chǎn)品的三維模型，并得到產(chǎn)品的基本數(shù)據(jù)，有些基于特征的建模系統(tǒng)還包括加工制造信息。

(3)計(jì)算分析軟件利用產(chǎn)品模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格進(jìn)行分析，得到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的分析結(jié)果，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

(4)利用仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真、裝配仿真、檢驗(yàn)零件干涉碰撞情況、模擬刀具軌跡等，以代替物理模型試驗(yàn)或?qū)嶋H樣機(jī)檢驗(yàn)等。

(5)圖形處理軟件用于圖形的繪制、編輯、顯示與打印輸出等，可以得到產(chǎn)品的任意方向的視圖、剖面圖、效果圖等。

(6)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)軟件輔助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)工藝路線，確定工序，選擇機(jī)床、刀具，制定切削用量，計(jì)算工時(shí)定額、加工成本等，最后輸出完整的工藝文件等，實(shí)現(xiàn)零件加工工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。

(7)數(shù)控(NC)自動(dòng)編程軟件可以直接使用CAPP生成的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)編程，形成刀位文件，再經(jīng)處理而成為機(jī)床的加工代碼，即NC代碼。

根據(jù)應(yīng)用要求的不同，實(shí)際的CAD/CAM系統(tǒng)可支持上述全部過(guò)程，也可僅支持部分過(guò)程。上圖所示的系統(tǒng)包含了CAD/CAM的主要軟件功能，實(shí)際的系統(tǒng)往往會(huì)有差別，不可能或不必要包含所有的軟件模塊，有的系統(tǒng)還需要該圖中未列出的軟件功能。2.1.6CAD/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)

1.?CAD/CAM系統(tǒng)集成技術(shù)的內(nèi)涵

CAD/CAM系統(tǒng)是一個(gè)集成的系統(tǒng)，是由許多相關(guān)的技術(shù)集成在一起的綜合系統(tǒng)，其中每一部分既可以是獨(dú)立的，又可以是密切相關(guān)的。這些技術(shù)包含以下內(nèi)容：

1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡(jiǎn)稱CAD，是使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)，是CAD/CAM系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)方面：

(1)計(jì)算機(jī)輔助繪圖(ComputerAidedDrafting)。它是用計(jì)算機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖。CAD發(fā)展初期即計(jì)算機(jī)輔助繪圖，在企業(yè)中很多人所理解的CAD也是指計(jì)算機(jī)輔助繪圖。雖然用計(jì)算機(jī)代替手工繪圖可以減少圖紙上的錯(cuò)誤、提高工作效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，但計(jì)算機(jī)輔助繪圖并不是真正意義上的CAD。

(2)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是真正意義上的CAD，它包括以下幾個(gè)方面：①計(jì)算機(jī)輔助幾何建模(ComputerAidedGeometricModeling)。在CAD/CAM集成的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時(shí)已不存在繪圖的概念，而是直接建立產(chǎn)品的三維模型。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基本任務(wù)就是考慮如何構(gòu)建產(chǎn)品的三維幾何模型，利用計(jì)算機(jī)記錄產(chǎn)品的三維幾何模型數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)屏幕上真實(shí)顯示出三維形狀效果。三維幾何建模是CAD/CAM系統(tǒng)的核心技術(shù)，它提供有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各種數(shù)據(jù)信息，為后續(xù)作業(yè)打下基礎(chǔ)。產(chǎn)品的幾何建模包括零件建模和裝配建模。常見的建模方法有線框模型、曲面模型和實(shí)體模型。由于實(shí)體模型全面記錄零件的邊框、表面以及由面組成的體的信息，并可以記錄其材料屬性和加工屬性，因此目前廣泛采用的是實(shí)體建模，在很多CAD/CAM系統(tǒng)中為更好地表現(xiàn)異型表面，經(jīng)常采用曲面建模和實(shí)體建模一體的混合建模技術(shù)。②裝配及干涉分析(DesignForAssemble，DFA)。在裝配建模中，為分析和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的裝配性能，避免真實(shí)裝配中零件與零件、零件與部件、部件與部件之間產(chǎn)生干涉碰撞現(xiàn)象，必須對(duì)裝配模型進(jìn)行干涉分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決這些問題。

③可制造性分析(DesignForManufacturing)。在零部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)品的不可制造性，減少不合理的零件結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)品的制造作好準(zhǔn)備。

(3)計(jì)算機(jī)輔助分析(ComputerAidedEngineering，CAE)。利用計(jì)算機(jī)和產(chǎn)品的三維幾何模型，可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要和精確的計(jì)算及分析，這些計(jì)算和分析是過(guò)去采用手工設(shè)計(jì)方法不可能完成的。目前CAE主要包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和仿真(Kinematics&Dynamics)、有限元分析和仿真(FiniteElementAnalysis，F(xiàn)EA)及優(yōu)化設(shè)計(jì)(Optimization，OPT)。運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析是對(duì)機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度及各關(guān)節(jié)的受力進(jìn)行分析，并以形象直觀的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，從而全面了解機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能和運(yùn)動(dòng)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。有限元分析是對(duì)產(chǎn)品重要的零部件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，根據(jù)分析結(jié)果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性，并對(duì)不合理的地方進(jìn)行修改。優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的前提下，追求產(chǎn)品的最優(yōu)，如體積最小、重量最輕、壽命最長(zhǎng)等。

2)計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)是指在產(chǎn)品的制造過(guò)程中采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括以下幾個(gè)方面：

(1)計(jì)算機(jī)輔助編程(ComputerAidedProgramming)：一般人們所說(shuō)的CAM就是指計(jì)算機(jī)輔助編程。它是根據(jù)零件的模型，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)后置處理，生成數(shù)控加工代碼，直接傳送給數(shù)控機(jī)床來(lái)進(jìn)行零件的加工。在使用數(shù)控代碼之前，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工代碼仿真，確保加工過(guò)程中的安全性和正確性。

(2)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制(ComputerAidedProgramPlanning，CAPP)：利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行零件加工工藝路線的自動(dòng)編制，選擇合理的切削參數(shù)和加工設(shè)備，并確定合理的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3)計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制(ComputerAidedQuality，CAQ)：對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)檢驗(yàn)，并提出分析報(bào)告，對(duì)生產(chǎn)的組織、進(jìn)度和其他管理問題及時(shí)進(jìn)行跟蹤、反饋，并輔助做出決策。

2.?CAD/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)

CAD/CAM系統(tǒng)的集成就是按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際進(jìn)程，在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用程序所需的信息處理和交換，形成連續(xù)的、協(xié)調(diào)的和科學(xué)的信息流。因此，產(chǎn)生公共信息的產(chǎn)品造型技術(shù)、存儲(chǔ)和處理公共信息的工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口技術(shù)、對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理的技術(shù)、對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行統(tǒng)一組織的執(zhí)行控制程序以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的通信和數(shù)據(jù)等技術(shù)構(gòu)成了CAD/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。這些技術(shù)的實(shí)施水平將成為衡量CAD/CAM系統(tǒng)集成度高低的主要依據(jù)。

1)產(chǎn)品建模技術(shù)

一個(gè)完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型是CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行信息集成的基礎(chǔ)，也是CAD/CAM系統(tǒng)中共享數(shù)據(jù)的核心。為了實(shí)現(xiàn)信息的高度集成，產(chǎn)品建模是非常重要的。傳統(tǒng)的基于實(shí)體造型的CAD系統(tǒng)僅僅是產(chǎn)品幾何形狀的描述，缺乏產(chǎn)品制造工藝信息，從而造成設(shè)計(jì)與制造信息彼此分離，導(dǎo)致CAD/CAM系統(tǒng)集成的困難。CAD/CAM集成系統(tǒng)將特征概念引入CAD/CAM系統(tǒng)，建立CAD/CAPP/CAM范圍內(nèi)相對(duì)統(tǒng)一的、基于特征的產(chǎn)品定義模型。該模型不僅支持從設(shè)計(jì)到制造各階段所需的產(chǎn)品定義信息(包括幾何信息、工藝信息和加工制造信息)，還提供符合人們思維方式的高層次工程描述語(yǔ)言特征，能使設(shè)計(jì)和制造工程師用相同的方式考慮問題。它允許用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足設(shè)計(jì)和制造的需要，這就為CAD/CAM系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)和制造之間相互通信和相互理解的基礎(chǔ)，使其真正實(shí)現(xiàn)CAD/CAM系統(tǒng)的一體化。因而就目前而言，基于特征的產(chǎn)品定義模型是解決產(chǎn)品建模關(guān)鍵技術(shù)的比較有效的途徑。

2)集成的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

隨著CAD/CAM技術(shù)的自動(dòng)化、集成化、智能化和柔性化程度的不斷提高，集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的商用數(shù)據(jù)庫(kù)已滿足不了上述要求。CAD/CAM系統(tǒng)的集成應(yīng)努力建立能處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工程數(shù)據(jù)處理環(huán)境，使CAD/CAM各子系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，盡量避免數(shù)據(jù)文件和格式轉(zhuǎn)換，清除數(shù)據(jù)冗余，保證數(shù)據(jù)的一致性、安全性和保密性。采用工程數(shù)據(jù)庫(kù)方法將成為開發(fā)新一代CAD/CAM集成系統(tǒng)的主流，也是系統(tǒng)進(jìn)行集成的核心。

3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)

數(shù)據(jù)交換的任務(wù)是在不同的計(jì)算機(jī)之間、不同操作系統(tǒng)之間、不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間和不同應(yīng)用軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了克服以往各種CAD/CAM系統(tǒng)之間，甚至各功能模塊之間在開發(fā)過(guò)程中的孤島現(xiàn)象，統(tǒng)一它們的機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)表示格式，使不同系統(tǒng)間、不同模塊間的數(shù)據(jù)交換順利進(jìn)行，充分發(fā)揮用戶應(yīng)用軟件的效益，提高CAD/CAM系統(tǒng)的生產(chǎn)率，必須制訂國(guó)際性的數(shù)據(jù)交換規(guī)范和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開發(fā)各類系統(tǒng)接口。有了這種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，產(chǎn)品數(shù)據(jù)才能在各系統(tǒng)之間方便、流暢地傳輸。

4)集成的執(zhí)行控制程序

由于CAD/CAM集成化系統(tǒng)的程序規(guī)模大、信息源多、傳輸路徑不一，以及各模塊的支撐環(huán)境多樣化，因而沒有一個(gè)對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理、對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一組織的執(zhí)行控制程序是不行的。這種執(zhí)行控制程序是系統(tǒng)集成的最基本要素之一。它的任務(wù)是把各個(gè)相關(guān)模塊組織起來(lái)，按規(guī)定的運(yùn)行方式完成規(guī)定的作業(yè)，并協(xié)調(diào)各模塊之間的信息傳輸，提供統(tǒng)一的用戶界面，進(jìn)行故障處理等工作。2.1.7CAD/CAM集成的體系結(jié)構(gòu)

CAD/CAM系統(tǒng)分以下三個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)：

(1)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理層。它以STEP的產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)庫(kù)、工作格式(STEP)、文件交換等三種數(shù)據(jù)交換方式。這三種數(shù)據(jù)的存取由DBMS(數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))、工作格式管理模式及系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)基本功能層，包括幾何造型、特征造型、圖形編輯顯示及尺寸公差處理。通常的CAD/CAM集成軟件具備完整的功能界面、統(tǒng)一的產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)表。

(3)系統(tǒng)層，包括設(shè)計(jì)、分析、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和數(shù)控編程等?？梢酝ㄟ^(guò)用戶界面來(lái)完成從設(shè)計(jì)、分析到加工的任務(wù)。

2.1.8CAD/CAM集成的發(fā)展趨勢(shì)

目前CAD/CAM集成的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決，今后的CAD/CAM集成發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)面向并行工程。CAD/CAM集成系統(tǒng)應(yīng)該從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行管理和控制，并對(duì)已經(jīng)存在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和提高。

(2)面向生產(chǎn)過(guò)程的多種功能的高度集成。

(3)支持面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)。

(4)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

(5)多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口和具有二次開發(fā)的能力。

(6)智能化技術(shù)。

(7)現(xiàn)代CAD技術(shù)。 2.2CAD/CAM系統(tǒng)的硬件與軟件

2.2.1硬件的組成

1.主機(jī)

CAD/CAM系統(tǒng)中的主機(jī)包括大型機(jī)