CAD/CAM 技术概论陈作炳教授

工程训练中心 CAD/CAM技术概论陈作炳教授

工程训练中心 1.CAD/CAM的基本概念 CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。

工程训练中心 1.1 什么是CAD CAD是一个过程：由设计人员进行产品概念设计的基础上，完成产品几何模型的建立，抽取模型中的有关数据进行工程分析、计算和修改，最后编辑全部设计文档，输出工程图。 CAD是一项产品建模技术：CAD技术把产品的物理模型转化为产品数据模型，并把产品的数据模型存储在计算机内供后续的计算机辅助技术所共享，驱动产品生命周期的全过程。

工程训练中心 CAD系统应包括产品的概念设计、产品的三维建模、产品性能分析和仿真（称为CAE）；对设计结果进行判断和反复修改产品结构，直到获得产品的优化设计，并以图纸形式和文本文件输出结果，把产品的数据模型存入数据库供后续的CAX共享。

工程训练中心 1.2 什么是CAPP 计算机辅助工艺设计（CAPP）是根据产品设计结果进行产品的加工方法设计和制造过程设计。 CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。工序设计包括加工设备和工装的选用、加工余量的分配、切削用量选择以及机床、刀具的选择、必要的工序图生成等内容。

工程训练中心 工艺设计是产品制造过程中技术准备工作的一项重要内容，是产品设计与实际生产的纽带，是一个经验性很强且随制造环境的变化而多变的决策过程。随着现代制造技术的发展，传统的工艺设计方法已经远远不能满足自动化和集成化的要求。

工程训练中心 CAPP在CAD、CAM中起到桥梁和纽带作用：CAPP接受来自CAD的产品几何拓扑信息、材料信息及精度、粗糙度等工艺信息，并向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息；CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及刀具轨迹文件，同时接受CAM反馈的工艺修改意见。

工程训练中心 1.3 什么是CAM 狭义CAM：指计算机辅助编制数控机床加工指令。包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC代码生成以及与数控装置的软件接口等。广义CAM：指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，其中包括直接制造过程和间接制造过程。主要包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。凡涉及零件加工与检验、产品装配与检验的环节都属于广义CAM的范畴。

工程训练中心 1.4 CAD/CAM系统组成 CAD/CAM系统的工作流程如图1所示。一个完善的CAD/CAM系统应具有如下功能：快速数字计算及图形处理功能、几何建模功能、处理数控加工信息的功能、大量数据和知识的存储及快速检索与操作功能、人机交互通信功能、输入和输出信息及图形功能、工程分析功能等。图1 工作流程

工程训练中心 为实现这些功能，CAD/CAM系统的运行环境由硬件、软件和人三大部分所构成，如图2所示。图2 CAD/CAM系统组成

工程训练中心 硬件主要包括计算机及其外围设备等具有有形物质的设备，广义上讲硬件还包括用于数控加工的机械设备和机床等。硬件是CAD/CAM系统运行的基础，硬件的每一次技术突破都带来CAD/CAM技术革命性的变化。软件是CAD/CAM系统的核心，包括系统软件、各种支撑软件和应用软件等。硬件提供了CAD/CAM系统潜在的能力，而系统功能的实现是由系统中的软件运行来完成。

工程训练中心 任何功能强大的计算机硬件和软件均只是辅助设计工具，CAD/CAM系统的运行离不开人的创造性思维活动。因此，人在系统中起着关键的作用。目前CAD/CAM系统基本都采用人机交互的工作方式，这种方式要求人与计算机密切合作，发挥各自所长：计算机在信息的存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面具有特有的功能；人则在创造性思维、综合分析、经验判断等方面占有主导地位。

工程训练中心 1.5 CAD/CAM的软件组成计算机软件是指控制CAD/CAM系统运行、并使计算机发挥最大功效的计算机程序、数据以及各种相关文档。程序是对数据进行处理并指挥计算机硬件工作的指令集合，是软件的主要内容。文档是指关于程序处理结果、数据库、使用说明书等，文档是程序设计的依据，其设计和编制水平在很大程度上决定了软件的质量，只有具备了合格、齐全的文档，软件才能商品化。

工程训练中心 根据执行任务和处理对象的不同，CAD/CAM系统的软件可分系统软件、支撑软件和应用软件三个不同层次。系统软件与计算机硬件直接关联，起着扩充计算机的功能和合理调度与运用计算机硬件资源的作用。支撑软件运行在系统软件之上，是各种应用软件的工具和基础，包括实现CAD/CAM各种功能的通用性应用基础软件。应用软件是在系统软件及支撑软件的支持下，实现某个应用领域内的特定任务的专用软件。

工程训练中心 1).系统软件系统软件是用户与计算机硬件连接的纽带，是使用、控制、管理计算机的运行程序的集合。系统软件通常由计算机制造商或软件公司开发。系统软件有两个显著的特点：通用性：不同应用领域的用户都需要使用系统软件；基础性：即支撑软件和应用软件都需要在系统软件的支持下运行。

工程训练中心 系统软件主要包括三大部分：操作系统：是系统软件的核心，是CAD/CAM系统的灵魂，它控制和指挥计算机的软件资源和硬件资源。其主要功能是硬件资源管理、任务队列管理、硬件驱动程序、定时分时系统、基本数学计算、日常事务管理、错误诊断与纠正、用户界面管理和作业管理等。

工程训练中心 编程语言系统：主要完成源程序编辑、库函数及管理、语法检查、代码编译、程序连接与执行。按照程序设计方法的不同，可分为结构化编程语言和面向对象的编程语言；按照编程时对计算机硬件依赖程度的不同，可分为低级语言和高级语言。

工程训练中心 网络通信及其管理软件：主要包括网络协议、网络资源管理、网络任务管理、网络安全管理、通信浏览工具等内容。国际标准的网络协议方案为“开放系统互连参考模型”（OSI），它分为七层：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。目前CAD/CAM系统中流行的主要网络协议包括TCP/IP协议、MAP协议、TOP协议等。

工程训练中心 2).支撑软件支撑软件是CAD/CAM软件系统的重要组成部分，一般由商业化的软件公司开发。支撑软件是满足共性需要的CAD/CAM通用性软件，属知识密集型产品，这类软件不针对具体的应用对象，而是为某一应用领域的用户提供工具或开发环境。支撑软件一般具有较好的数据交换性能、软件集成性能和二次开发性能。

工程训练中心 根据支撑软件的功能可分为功能单一型和功能集成型软件。功能单一型支撑软件只提供CAD/CAM系统中某些典型过程的功能，如交互式绘图软件、三维几何建模软件、工程计算与分析软件、数控编程软件、数据库管理系统等。功能集成型支撑软件提供了设计、分析、造型、数控编程以及加工控制等综合功能模块。如Pro/E，UG，CATIA等。

工程训练中心 3)．应用软件应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上，针对专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发或委托软件开发商进行开发。应用软件开发可以基于支撑软件平台进行二次开发，也可以采用常用的程序设计工具进行开发。目前常见的支撑软件均提供了二次开发工具。应用软件和支撑软件之间并没有本质的区别，当某一行业的应用软件逐步商品化形成通用软件产品时，也可以称之为一种支撑软件。

工程训练中心 1.6 CAD/CAM的特点生产实践证明，应用CAD/CAM技术能为企业带来显著的经济效益和社会效益。与传统人工设计（包括结构设计和工艺设计等），CAD/CAM主要具有以下优点： 1）.提高产品开发效率，缩短产品开发周期，大幅度提高劳动生产率； 2）.设计与分析统一。在一个系统中完成全部设计与分析，具有逻辑统一的工作模式，实时交互的分析设计，可以达到最佳状态。

工程训练中心 3）.有效提高企业应变能力和管理水平，适应多品种、小批量高效生产，满足市场瞬息多变的需求，是参与国际合作和竞争的重要条件。 4）.有利于产品的标准化。系列化、通用化； 5）.有利于实现生产自动化，如实现计算机集成制造。

工程训练中心 1.7 CAD/CAM技术的发展趋势 1)．集成化随着计算机技术的发展，CAD/CAM系统已从简单、单一、相对独立的功能发展成为复杂、综合、紧密联系的功能集成系统。集成的目的是实现在整个产品生命周期中各个分系统间信息流的畅通和综合。集成涉及功能集成、信息集成、过程集成与动态联盟中的企业集成。

工程训练中心 2).网络化网络技术使CAD/CAM系统实现异地、异构系统在企业间的集成成为现实。网络化CAD/CAM技术可以实现资源的取长补短和优化配置，极大地提高企业的快速响应能力和市场竞争力，“虚拟企业”、“全球制造”等先进制造模式由此应运而生。

工程训练中心 3)．智能化设计是含有高度智能的人类创造性活动。智能化CAD/CAM技术不仅是简单地将现有的人工智能技术与CAD/CAM技术相结合，更要深入研究人类认识和思维的模型，并用信息技术来表达和模拟这种模型。智能化是CAD/CAM技术发展的必然趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。

工程训练中心 4)．标准化随着CAD/CAM技术的发展和应用，工业标准化问题日益越来越显得重要。目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的标准计算机图形接口（CGI）、面向图形应用软件的标准GKS和PHIGS、面向不同CAD/CAM系统的产品数据交换标准IGES和STEP等标准。这些标准规范了CAD/CAM技术的应用与发展，CAD/CAM系统的集成一般建立在异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，要求CAD/CAM系统必须是开放的系统，必须采用标准化技术。

工程训练中心 2.CAD/CAM产品建模技术 2.1 计算机辅助图形处理技术计算机图形技术是CAD/CAM的重要组成部分。什么是图形？从广义上说，能够在人的视觉系统中形成视觉印象的客观对象都称为图形。人眼观察到的自然界的景物或图片以及用数学方法描述的图形等等。计算机图形处理的范围早已超出用数学方法描述的图形，它不仅具有形状等几何信息，也具有颜色、材质等非几何信息。

工程训练中心 构成图形的要素有两个：一是刻画形状的点、线、面、体等几何要素；二是反映物体表面属性或材质的明暗、灰度、色彩等非几何要素。计算机辅助图形处理技术主要设计到：线段的生成原理；曲线曲面的基本理论；图形几何变换；图形裁剪；交互技术以及参数化绘图等。

工程训练中心 2.2 几何建模 CAD/CAM的几何建模就是采用什么样的数数字化模型来描述、存储和表达现实世界中的物体。也就是是把真实世界的三维物体的几何形状用一套合适的数据结构来描述，供计算机识别和处理的信息数据模型。信息数据模型中包含了三维物体的几何信息和拓扑信息，为后续的CAX模块提供了产品的原始信息，是CAD/CAE/CAM的集成资源。

工程训练中心 2.3 几何建模技术主要内容二维模型; 三维线框模型; 曲面模型; 实体模型; 特征模型; 集成产品模型;

工程训练中心 实体模型的边界表示法：边界表示（B-rep）是以物体边界为基础定义和描述几何形体的方法。边界表示详细记录了构成形体所有几何元素的几何信息及其拓扑信息。图3表示的实心四面体由四个表面组成，每个面有三条棱边，每个棱边由两个顶点定义，构成一种层次结构。

工程训练中心 图3 四面体及其边界表示边界模型的数据结构是网状关系，其核心信息是平面，而边构成了平面之间的关联。它强调物体的外表细节，把面、边、顶点的信息分层记录，并建立了层与层之间的关联。

工程训练中心 2.4 特征建模早期的CAD系统大多数都建立在几何模型的基础上，即建立在对已存在对象的几何数据及拓扑关系描述的基础上，这些信息无明显的功能、结构和工程含义，所提供的构型手段不符合工程师的习惯；同时缺乏产品开发全生命周期所需的信息，诸如材料、加工特征消息、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、装配要求等信息。

工程训练中心 特征是一种集成对象，包含丰富的工程语言，因此，它是在更高层次上表达产品的功能和形状信息。对于不同的设计阶段和应用领域有不同的特征定义，特征体现了新的设计方法学，它是新一代CAD/CAM建模技术。 2.5 基于特征的参数化造型系统基于特征模型的CAD系统被称为第三代CAD系统。主流产品有：Pro/Engineer、UG、CATIA等。其特点有：

工程训练中心 （1）几何模型是尺寸驱动的，尺寸变动了，几何图形自动重画。设计师可以勾画出草图，当最终尺寸确定后，模型重建。（2）具有完整连接性的数据结构。在整个设计过程中的任何一处发生变动，均可以前后反映在整个设计过程的相关环节上，如一旦在工程详图上有任何改变，NC刀具路径会自动更新。装配图如有变动，也会反映在整个三维模型上。

工程训练中心 （3）只建三维实体模型，能够自动标注尺寸，生成特征参数，还能生成详细的工程图。（4）建模参数不在是点、线、圆（圆弧）等，而是特征，如凸台、槽、倒角、腔、壳等。特征是参数化的，纯出在表尊特征苦衷、存储在标准特征库中。用户可以扩展标准特征库，可以很方便的调用，也可以将任何数量的特征组合在一起形成用户定义特征。

工程训练中心 3.数控加工 3.1 数控、数控机床与数控加工数字控制：是以数字化信号对机构的运动过程进行控制的一种方法。简称为数控（NC）。数控机床：指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。数控加工：泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。

工程训练中心 主轴动作伺服驱动系统机床主轴驱动装置操作面板主轴伺服单元 CNC装置控制软件 (软件功能) 硬件电路 (硬件功能) 程序主轴电机可编程控制器 M.S.T\辅助指令信号完成开关动作 PLC 完成进给动作输入输出设备进给驱动装置进给伺服单元进给电机电→机信号转换\放大测量装置(位置\速度) 图4 计算机数字控制装置CNC系统构成

工程训练中心 3.2 数控机床的坐标系在数控机床上，根据数控加工指令，刀具与工件在确定的坐标系中产生相对运动。为了确定机床的运动方向和运动距离，必须在机床上建立坐标系，以描述刀具和工件的相对位置及其变化关系。机床的直线运动采用笛卡尔直角坐标系，其坐标为X、Y、Z并用右手定律判定方向；

工程训练中心 Z轴：Z轴一般与机床的传递主功率的主轴线一致。对多根加工轴机床，使用多的轴可定义为Z轴；无主轴机床，Z轴垂直于工作台面。 X轴：通常是水平的且与工件的装夹面平行；对于工件旋转的机床，X轴沿工件的径向。 Y轴：与Z、X轴垂直，且按右手直角坐标系确定方向。

工程训练中心 围绕X、Y、Z坐标旋转与摆动运动，定义为A、B、C轴。其方向按有右旋螺纹前进的方向确定。产品在设计过程中有设计基准，同样在加工中也有加工基准。机床坐标系（Machine Coordinate System, MCS）原点即为加工基准。此外，还允许用户定义参考坐标系（ Reference Coordinate System, RCS）。

工程训练中心 零件安装校核程序与试切加工检验分析零件图纸确定工艺过程数学处理编制零件加工程序 3.3 数控加工过程图5 数控加工过程

工程训练中心 数控加工原理就是将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行必要的计算处理后产生相应的操作指令，控制机床运动，从而完成零件的自动化加工过程。

工程训练中心 3.4 插补运算在组成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间，按一定的算法进行数据点的密化工作，以确定一些中间点的方法就称之为“插补”。计算插补点的运算称为插补运算。插补运算的任务就是把这种时实计算出的各个轴的位移指令输入伺服系统，实现成形运动。

工程训练中心 逐点比较法插补运算是以区域判别为特征，每走一步都要将加工点的瞬时坐标与相应给定的图形上的点相比较，判别一下偏差，然后决定下一步的走向。这样就能得到一个接近给定图形的轨迹，其最大偏差不超过一个脉冲当量。

工程训练中心 图6 逐点比较法图示

工程训练中心 3.5 刀具插补零件的加工程序一般是按零件轮廓和工艺要求的进给路线编制的，而数控机床在加工过程中所控制的是刀具中心的运动轨迹。不同的刀具，其几何参数也不相同。加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹，这样才能加工出符合要求的零件。刀补运算就是完成这种转换的程序。

工程训练中心 3.6 数控编程方法 1）手工编程：从分析零件图纸、制定工艺规程、计算刀具运动轨迹、编写零件加工程序单、制备控制介质直到程序校核，整个过程都是由人工完成的。由于这种方法效率太低，易出错，目前已极少使用。手工编程相对于使用汇编语言的层次。对于不同的机床和纸带的格式，程序单有各种不同形式，处理十分烦琐。

工程训练中心 2）自动编程：由计算机进行工艺处理、数值计算、编写零件加工程序、自动输出零件加工程序单，并将程序自动地记录到穿孔纸带或其他的控制介质上。亦可由通讯接口将程序直接送到数控系统，控制机床进行加工。数控机床的程序编制工作大部分或一部分由计算机完成的方法称为自动编程方法。自动编程可大大减轻编程人员的劳动量，减少程序出错机会，提高编程效率。

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