机械 CAD/CAM 技术

机械CAD/CAM技术 山东理工大学机械工程学院

第一章概述 第一节 CAD/CAM的基本概念第二节 CAD/CAM的发展历史第三节 CAD/CAM的发展趋势第四节我国CAD/CAM的发展状况

第一章概述 引言：随着人们生活水平的提高，消费者的价值观正在发生结构性的变化，呈现出多样化与个性化，用户对各类产品的质量，产品的更新换代的速度，以及产品从设计、制造到投放到市场的周期都提出了越来越高的要求。为了适应这种变化，工厂的产品也向着多品种、中小批量方向发展。要适应这种瞬息万变的市场要求，则要求生产更具有柔性。传统的批量法则面临着严重的挑战。计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)就是满足这种新的要求而产生的一种新的制造方法。本章要点 1．CAD/CAM的基本概念 2．CAD/CAM的基本功能 3．CAD/CAM的发展历史 4．CAD/CAM技术的应用状况及其发展方向。

第一节CAD/CAM的基本概念 一．产品的生产过程如图为产品生产过程与CAD/CAM的应用过程

二．CAD/CAM的基本概念 1．CAD CAD是Computer Aided Design System的缩写，是指以计算机为辅助手段来完成整个产品的设计过程，广义的CAD包括设计和分析两个方面。 2．CAM CAM是Computer Aided Manufacturing System 的缩写，通过计算机与生产设备直接的或间接的联系，进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。主要包括使用计算机来完成数控编程、加工过程仿真、数控加工、质量检验、产品装配、调试这些工作。 3. CAPP（Computer Aided Process Planning）借助计算机来完成毛坯设计，工艺规程设计，工装设计等任务，称为CAPP。

4．CAD/CAM集成技术 CAD产生的图纸直接被CAPP，CAM以及以后的CIMS所利用，这就是CAD/CAM集成。 CAD/CAM系统的集成就是把CAD、CAM 、CAE（计算机辅助工程）、CAPP、NCP（数控编程）以及PPC(生产计划与控制)等各种功能不同的软件有机的结合起来，用统一的执行机制来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内的信息的畅通。CAD/CAM集成是机械制造迈向CIMS（计算机集成制造系统）的基础。

二．CAD/CAM的组成 CAD/CAM 系统由硬件和软件两部分组成

1．硬件组成 硬件组成主要是指计算机及各种配件设备，如各种档次的计算机、打印机、绘图机、数控机床等。 1）对硬件的主要要求是：具备强大的人机交互功能需要有相当大的外存储容量良好的联网通信功能

2）CAD/CAM硬件的类型 • 根据系统总体配置、组织方式及所用计算机的不同，有不同的分类方法。 • （1）按系统总体配置分类 • 主机系统， • 成套系统 • 超级微型工作站 • 个人计算机系统。

（2）按系统的组织方式分类 • 单机系统： • 是指由一台计算机加上输入和输出设备提供给单一用户使用的系统。 • 联机系统： • 是由一组连接成网络的多台计算机组成，网络内的计算机可以各司其职，有的计算机用于面向用户的数据处理，有的则用于控制整个网络的数据通讯，还有一部分完成特定的功能。此外，各个终端还可以独立使用。

2．软件组成 软件组成一般包括系统软件、支撑软件和应用软件。 1）系统软件主要负责管理硬件资源和各种软件资源，它面向所有用户，是计算机的公共性底层管理软件，即系统开发平台，系统软件主要包括三个部分：管理和操作程序、维护程序和用户服务程序。 CAD/CAM系统中比较流行的操作系统有：小型工作站上用的VMS；超级小型机用UNIX和XENIX，微机上用的为MS-DOS，PC-DOS，OS/2、UNIX、WINDOWS和XENIX。

2）支撑软件 • 支撑软件是建立在系统软件之上的，是实现CAD/CAM各种功能的通用的应用基础软件，是CAD/CAM系统专业性应用软件的开发平台。 • 绘图软件例如Auto CAD绘图软件 • 几何建模软件例如Pro-E UG 软件 • 有限元分析软件例如SAP 软件 • 优化方法软件例如OPB软件 • 数据库系统软件例如ORACLE SQL Server 数据库系统软件、FOXBASE、FOXPRO等 • 系统运动学/动力学仿真软件例如ADAMS机械动力学自动分析软件 • 网络系统软件 NOVELL公司的NET WARE

3）应用软件 应用软件是用户为了解决某个实际问题在支撑软件的基础上经过二次开发出来的软件。计算机硬件与系统软件、支撑软件及应用软件的关系如图：

三．CAD/CAM功能与任务 • 1．CAD/CAM系统的基本功能 • 图形显示功能 • 输入输出功能 • 存储功能 • 交互功能 (即人机接口) • 2． CAD/CAM系统的主要任务 • 几何造型 • 计算分析 • 工程绘图 • 结构分析 • 优化设计 • 计算机辅助工艺规程设计 (CAPP) • NC自动编程 • 模拟仿真 • 工程数据管理 • 特征造型

四．CAD/CAM集成的方法 1．硬件集成：CAD系统网络和CAM系统网络互联 2．信息集成：CAD/CAM系统双向数据共享与集成 3．功能集成：产品数据管理系统（PDMS） 4．集成方法 1）通过专用数据接口集成 2）利用标准格式接口文件集成：IGES，STEP 3）基于统一产品模型和数据库的集成：统一工程数据库 4）基于产品数据管理的系统集成：PDM 5）基于特征方法的集成：特征造型系统 6）面向并行工程的系统集成：并行工程

第二节CAD/CAM的发展历史 1952年由空军部门委托帕森斯公司(Parsons Co.)和麻省理工学院伺服机构研究所(Servo Mechanism Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology)试制成功世界上第一台数控机床。1955年研制出APT编程系统，并用于加工复杂的零件曲面。 1962年，麻省理工学院的研究生I.E.Sutherland发表了《人机对话图形通讯系统》的论文，推出了二维SKETCHPAD系统，该系统容许设计者在图形显示器前操作光笔和键盘，同时在屏幕上显示图形。他的论文首次提出了计算机图形学，交互技术及图形符号的存储采用分层的数据结构等思想，为CAD技术提供了理论基础。 1969年挪威正式发表了AUTOPROS系统。它是根据成组技术的原理，利用零件的相似性准则去检索和修改零件的标准工艺来制定相应的零件工艺规程的，这是开发得最早的CAPP系统。

70年代中期小型计算机出现。由于其较低的价格，高超的数据处理和输入输出功能，使它迅速应用到数控机床的控制系统中，出现了所谓的计算机数控系统(CNC)。七十年代以后，随着CNC技术的不断发展，DNC发展为分布式数字控制。 80年代初CAD开始全面打入市场八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和CIMS技术的发展，DNC的内涵和功能不断扩大。 90年代技术上最大进展莫过于信息技术，信息高速公路和互联网的发现，使世界在20世纪的最后十年里发生了巨大的变化。计算机硬件、软件、通讯技术的进步把制造业带进了新的发展阶段，数控机床的控制系统进入"以PC机为平台、开放式结构、无产权"的新阶段，

第三节CAD/CAM的发展趋势 1．CAD/CAM系统的集成化方向发展 2．向CAD/CAM智能化方向发展 3．向CAD/CAM网络化方向发展 4．并行工程 5．面向先进制造技术的CAD技术的发展 6．虚拟设计技术

目前国内国外流行的CAD/CAM软件 一、国外软件１．Unigraphics(UG) UG是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月UnigraphicsSolutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和WindowsNT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。

２．SOLIDEDGE SOLIDEDGE是真正Windows软件。它不是将工作站软件生硬地搬到Windows平台上，而是充分利用Windows基于组件对象模型(COM)的先进技术重写代码。SOLIDEDGE与MicrosoftOffice兼容，与Windows的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时，能够进行Windows下字处理、电子报表、数据库操作等。 SOLIDEDGE具有友好的用户界面，它采用一种称为SmartRibbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮，既可以在SmartRibbon上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步该做什么。SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。

3．AutoCAD AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。AutoCAD提供AutoLISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。在许多实际应用领域(如机械、建筑、电子)中，一些软件开发商在AutoCAD的基础上已开发出许多符合实际应用的软件。目前，Autodesk公司已经发布AutoCAD2005。

4．MDT MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。MDT 具有基于特征的参数化实体造型功能。基于NURBS的曲面造型，可以构造各种各样的复杂曲面，以满足如模具设计等方面对复杂曲面的要求。可以比较方便地完成几百甚至上千个零件的大型装配。 MDT提供相关联的绘图和草图功能，提供完整的模型和绘图的双向联结。该软件的推出受到广大用户的普遍欢迎。至今为止，全世界累计销售已达７万套，国内已销售近千套。由于该软件与AutoCAD同时出自Autodesk公司，因此两者完全融为一体，用户可以方便地实现三维向二维的转换。MDT为AutoCAD用户向三维升级提供了一个较好的选择。

5．SolidWorks SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/CAE/CAM/PDM市场同步。该公司提倡的"基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统"是以Windows为平台，以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。SolidWorks是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的1/4～1/5向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。

6．Cimatron CimatronCAD/CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。CimatronCAD/CAM系统自从80年代进入市场以来，在国际上的模具制造业备受欢迎。近年来，Cimatron公司为了在设计制造领域发展，着力增加了许多适合设计的功能模块，每年都有新版本推出，市场销售份额增长很快。1994年北京宇航计算机软件有限公司(BACS)开始在国内推广Cimatron软件，从8版本起进行了汉化，以满足国内企业不同层次技术人员应用需求。用户覆盖机械、铁路、科研、教育等领域，目前已销售200多套，市场前景看好

7. Pro/Engineer Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(PTC)的产品。PTC公司提出了单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。利用该概念开发出来的Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。Pro/Engineer系统实现了真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方；具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力；具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图；容易使用，可以极大地提高设计效率。Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。Pro/Engineer建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植

8.I-DEAS I-DEAS是美国SDRC公司开发的CAD/CAM软件。 I-DEASMasterSeries5于2004年6月20日在美国首次展示，引起了广泛的注意。该软件是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。I-DEAS是全世界制造业用户广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。SDRC也是全球最大的专业CAM软件生产厂商。 I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。I-DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。

二、国内软件 1.高华CAD高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。该公司是由清华大学和广东科龙(容声)集团联合创建的一个专门从事CAD/CAM/PDM/MIS集成系统的研究、开发、推广、应用、销售和服务的专业化高技术企业。高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。其中GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。GHGEMS5.0曾获第二届全国自主版权CAD支撑软件评测第一名。

2．CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)。该公司是从事CAD/CAE/CAM软件与工程服务的专业化公司。CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。2．CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)。该公司是从事CAD/CAE/CAM软件与工程服务的专业化公司。CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。 CAXA-ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。CAXA制造工程师1.0版于1996年推出，CAXA-ME2.0版于1998年3月发布，CAXA-ME2000版业已发布。目前的最新版本为CAXA实体设计2006和CAXA电子图版2005r3。

3．GS-CAD98 GS-CAD98是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统。该公司是国家科委高技术研究发展中心、浙江大学和中国航天总公司CAD/CAM中心在杭州联合创建的高新技术研究、开发和应用企业。大天公司集软件开发、工程应用、信息系统集成和计算机类产品销售为一体，是从事CAD/CAPP/CAM工程数据库和MIS/OA的开发、应用、销售和服务的专业化高技术公司。GS-CAD98是一个具有完全自主版权、基于微机、中文Windows95/NT平台的三维CAD系统。该软件是在国家“七五”重大攻关及863/CIMS主题目标产品开发成果的基础上，参照SolidWorks的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程关联，在任一模块中所做的变更，在其他模块中都能自动地做出相应变更。

4．金银花系统金银花(Lonicera)系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。该系统是国家科委863/CIMS主题在“九五”期间科技攻关的最新研究成果。该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计/制造一体化和自动化。该软件以STEP为系统设计的依据，采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术;具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能;同时还具有多种标准数据接口，支持产品数据管理(PDM)。4．金银花系统金银花(Lonicera)系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。该系统是国家科委863/CIMS主题在“九五”期间科技攻关的最新研究成果。该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计/制造一体化和自动化。该软件以STEP为系统设计的依据，采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术;具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能;同时还具有多种标准数据接口，支持产品数据管理(PDM)。目前金银花系统的系列产品包括:机械设计平台MDA、数控编程系统NCP、产品数据管理PDS、工艺设计工具MPP。机械设计平台MDA(MechanicalDesignAssistant)是金银花系列软件之一，是二维和三维一体化设计系统。目前，MDA1.7版已投放市场，MDA99版也已发布。“金银花”MDA在国内率先实现商品化，并向国外三维CAD软件发出了强有力的挑战。

5.开目CAD开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。5.开目CAD开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。

第四节我国CAD/CAM的发展状况 我国CAD/CAM技术发展较晚，发展速度较快。在“七五”期间国家提供了大量资金开展了CAD/CAM的研究，许多大厂，研究所、高校引进了不少的CAD/CAM系统，在引进的基础上，通过消化吸收，开发不同的接口软件和前后置处理程序等。随后结合各行业的不同需要二次开发了一些典型零件，典型产品的软件，并且应用到了生产实际。随后许多高校和研究所在消化的基础上，开始开发自主版权的软件。工厂中比较典型的有：第一汽车制造厂和第二汽车制造厂，天津内燃机研究所完成的“建立汽车计算机辅助设计和辅助制造系统”项目洛阳拖拉机厂开发的轮式拖拉机的计算机辅助设计系统杭州汽轮机厂的CAD/CAM系统可以大大提高工厂的市场的应变能力。

国内的高等院校和研究所成果有： 华中理工大学的OPB及机械部分的优化设计程序。典型二维自主版权软件软件有华中科技大学的开目CAD、凯图CAD，北京航空航天大学的CAXA软件、PANDA软件，清华大学和华中科技大学共同研制的CADMIS系统实现了参数化特征造型、曲面造型、数控加工、有限元分析的集成。在数控方面南京航空航天大学的超人CAD/CAM和华中理工大学的GHNC均实现了复杂曲面的造型和数控代码的自动生成。工程数据库方面有华中科技大学的GHEDBMS和浙江大学的OSCAR。

CAD/CAM系统的选择原则 一、硬件选择原则 1、系统功能 2、系统的开放性和可移植性 3、系统升级扩展能力、系统可靠性、可维护性和服务质量。二、软件选择原则 1、软件性能价格比 2、与硬件匹配 3、二次开发环境 4、开放性 5、软件商的综合能力

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