（机械制造及其自动化专业论文）法兰数字化制造cad系统的开发.pdf

d e v e l o p m e n to fc a ds y s t e m f o rf l a n g ed i g i t a lm a n u f a c t u r e b y y a n gf u j i a n b e ( l a nz h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u bm i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l 0 f l a nz h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx i nz h o u j u n e ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：飘旺 日期：ff 年6 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：静墨支 导师签名：翻 日期：少f 年6 月7 日 日期：c l e ，t 年6 月9 日 兰州理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 第1 章绪论1 1 1 数字化制造技术1 1 1 1 数字化制造技术概况1 1 1 2c a d c a m 技术的基本概念2 1 1 3c a d c a m 系统的工作流程4 1 1 4c a d c a m 技术的发展7 1 1 5c a d c a m 系统的软件层次结构9 1 1 6p r o e 二次开发技术的研究现状1 0 1 2 课题的研究背景及意义1 1 1 3 本课题的研究内容和技术路线。1 2 1 3 1 主要研究内容1 2 1 3 2 技术路线1 3 1 4 本章小结一1 4 第2 章法兰c a d 系统的总体规划1 5 2 1 法兰的简述1 5 2 2 法兰c a d 系统需求分析1 7 2 3 系统开发环境的选择1 8 2 3 1 系统开发平台的选择1 8 2 3 2 系统开发工具的选择2 0 2 4 法兰参数化c a d 系统总体框架结构。2 1 2 4 本章小结2 2 第3 章法兰参数化c a d 系统的设计。2 3 3 1 参数化设计介绍：2 3 3 1 1 参数化设计原理。2 3 3 1 2 参数化设计的应用2 3 3 2p r o e 二次开发工具介绍2 4 3 3 法兰参数化设计思路2 6 3 4 法兰三维模型的建立2 7 3 5 法兰参数化c a d 系统的界面开发3 1 法兰数字化制造c a d 系统的开发 3 5 1p r o t o o l k i t 应用程序的结构3 1 3 5 2 系统的法兰菜单设计3 2 3 5 3 编写菜单资源文件。：3 3 3 5 4 编写菜单程序文件3 4 3 5 5 基于p r o t o o l k i t 工具设计u i 对话框3 8 3 5 6 基于m f c 对话框设计3 9 3 5 7 对话框的具体创建过程4 0 3 5 8 p r o e 注册文件的编写4 5 3 6 应用程序注册运行4 5 3 7 本章小结4 6 第4 章法兰参数化c a d 系统数据库的设计4 7 4 1 引言4 7 4 2 数据库技术在本系统中的应用4 7 4 3 数据库与v c + + 的接口技术4 9 4 4 法兰数据库的建立5 1 4 4 1 数据库的建立51 4 4 2 添加a d o 数据绑定对话框5 2 4 4 3 设计法兰数据库子对话框5 4 4 4 4 创建法兰数据库主界面5 9 4 5 本章小结。6 2 第5 章法兰参数化c a d 系统的应用展示6 3 5 1 应用程序的注册运行6 3 5 2 系统的应用实例。6 3 5 3 本章小结6 7 结论与展望6 9 论文总结6 9 进一步工作的方向6 9 参考文献。7 1 致谢7 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录。7 7 兰州理工大学硕七学位论文 摘要 在当今经济全球化、市场竞争日趋激烈的时代，企业对数字化制造技术的需 求十分迫切。而在机械产品设计及制造中，存在着大量几何拓扑相同或相似而尺 寸规格不同的零件，这些零件常常造成频繁的重复性劳动；同时，也会用到大量 的设计资料以及工程数据，建立零件工程数据库，则可以很好的利用计算机的强 大处理能力，实现对数据的自动化处理和高效管理。采用数字化三维模型的 c a d c a m 系统为其提供了很好的解决方案，因而研究基于法兰的数字化制造 c a d 系统的技术和方法是很有意义的。 鉴于目前p r o e 软件已得到广泛应用，因此本文开发了基于p r o e 的法兰参 数化c a d 系统。本系统是在w i n d o w sx p 的微机操作系统上，利用v i s u a lc + + 6 0 作为开发工具，结合s q ls e r v e r 数据库管理技术，以p r o e2 0 为二次开发平台 来实现的。利用该c a d 系统，用户可以直接调用数据库中存储的法兰设计参数， 实现产品的快速开发与设计。本文开发的系统避免了法兰的重复造型，大大提高 产品的设计效率和设计质量，具有实用价值和可扩展性；同时本文的研究有利于 推动和促进c a d c a e c a m 技术和数据库管理系统在企业的深入发展和应用。 综上所述，本论文的主要内容有： 1 以基于p r o g r a m ( 程序) 的法兰自动化建模方法，在p r o e 环境下建立法兰 标准件三维模型库； 2 对p r o e 二次开发及接口技术作了深入研究和应用，利用p r o t o o l k i t 和v i s u a l c + + 6 0 开发工具进行系统接口应用程序的设计和人机交互界面的设计； 3 研究基于c s 模式的工程数据库的建立与管理技术，利用s q l s e r v e r 建立法 兰工程数据库，并对p r o e 系统和s q ls e r v e r 数据库的a d o 数据访问技术进行 了研究： 关键词：法兰；数字化制造；参数化设计；工程数据库；p r o e a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ee c o n o m i cg l o b a l i z a t i o na n d f i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n ，i ti s u r g e n t f o re n t e r p r i s et ou s ed i g i t a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y i nt h e m e c h a n i c a l p r o d u c t so fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，t h e r e e x i s tl o t so fg e o m e t r i ci d e n t i c a lo r s i m i l a rb u td i f f e r e n ts i z e so fp a r t s ，t h e s ep a r t so f t e nc a u s ef r e q u e n tr e p e t i t i v ew o r k ； m e a n w h i l e ，t h e r ew i l lb ep r o d u c eal o to fd e s i g ni n f o r m a t i o na n de n g i n e e rd a t ai nt h e p r o c e s s ，s ob u i l de n g i n e e r i n gd a t a b a s eo fp a r t s ，w h i c h c a nm a k et h em o s tu s eo f c o m p u t e r sp r o c e s s i n gp o w e r t oa c h i e v et h ea u t o m a t i o no fd a t ap r o c e s s i n g a n d e f f i c i e n tm a n a g e m e n t u s i n gt h ed i g i t a l3 dm o d e lf o ri t sc a d c a ms y s t e mp r o v i d e s ag o o ds o l u t i o n ，s ot h es t u d yo fd i g i t a lm a n u f a c t u r eb a s e do nt h ef l a n g ec a ds y s t e m t e c h n o l o g ya n d m e t h o di sv e r ym e a n i n g f u l g i v e nt h ep r o es o f t w a r eh a sb e e nw i d e l yu s e d ，t h e r e f o r et h i st h e s i sd e v e l o p t h e f l a n g e sp a r a m e t r i cc a ds y s t e mb a s e d o nt h ep r o e t h i ss y s t e mi si nt h ew i n d o w sx p o p e r a t i n gs y s t e m ，u s i n gt h ev i s u a lc + + 6 0c o m b i n e d w i t hs q ls e r v e rd a t a b a s e m a n a g e m e n tt e c h n o l o g y , b a s e do np r o e2 0 f o rs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mt o a c h i e v e u s i n gt h i sc a ds y s t e m ，u s e r sc a n c o n v e n i e n ta n dr a p i dd e s i g nf l a n g et h r o u g h t h ef l a n g ed e s i g np a r a m e t e r sd a t as t o r e di nt h ed a t a b a s e t h i st h e s i sd e v e l o p e dt h e s y s t e mc a na v o i dt h er e p e a tt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go ff l a n g e ，w h i c hg r e a t l y i m p r o v i n gp r o d u c tm o d e l i n gd e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fd e s i g n ，a n dh a sp r a c t i c a l v a l u e w h i l et h i sr e s e a r c hh e l p s t o p r o m o t e c a d c a e c a mt e c h n o l o g y a n d k n o w l e d g em a n a g e m e n ts y s t e mi nt h ee n t e r p r i s ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n t os u mu p ，t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri s ： 1 e s t a b l i s hf l a n g em o d e lb a s i n go nt h ep r o g r a ma n de x p a n d e d i n t of l a n g e s t a n d a r dl i b r a r yi nt h ep r o ee n v i r o n m e n t 2 f o rt h et e c h n o l o g yo ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fp r o em a k e sad e e p r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ，u s i n gp r o t o o l k i ta n dv i s u a lc + + 6 0d e v e l o p m e n tt o o l st o d e s i g n i n gs y s t e mi n t e r f a c e 3 r e s e a r c ht h ee n g i n e e r i n gd a t a b a s ee s t a b l i s h m e n ta n dm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y b a s e do nc s u s i n gs q ls e r v e rs o f t w a r ee s t a b l i s hf l a n g ee n g i n e e r i n gd a t a b a s e ，a n d s t u d yt h ep r o es y s t e ma n ds q l s e r v e rd a t a b a s ea d od a t aa c c e s st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：f l a n g e ；d i g i t a lm a n u f a c t u r e ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；e n g i n e e r i n gd a t a b a s e ； p r o e 兰州理工大学硕士学位论文 插图索引 图1 1 产品生产过程与c a d c a m 2 图1 2c a d c a m 系统的工作流程5 图1 3c a d c a m 系统软件层次结构1 0 图1 4 技术路线图1 4 图2 1 法兰1 5 图2 2 法兰参数化c a d 系统结构2 1 图3 1 参数化设计过程2 4 图3 2 系统关系框图2 6 图3 3 平面对焊钢制管法兰2 8 图3 4 突面( r f ) 对焊钢制管法兰2 9 图3 5 法兰参数设置2 9 图3 6 法兰参数关系图3 0 图3 7 法兰三维模型3 0 图3 8 菜单信息资源文件3 3 图3 9 法兰参数化c a d 系统主菜单3 8 图3 1 0 系统调用对话框图4 0 图3 1 1 建立动态链接库工程文件f l a n g e 4 1 图3 1 2 平面对焊法兰参数输入对话框( 1 ) 4 2 图3 1 3 平面对焊法兰参数输入对话框的变量添加。4 2 图3 1 4 注册文件4 5 图3 1 5 平面对焊法兰参数输入对话框( 2 ) 4 5 图4 1c s 结构4 8 图4 2o d b c 、o l e d b 、a d o 的比较5 0 图4 3 法兰工程数据库的数据交换关系5 1 图4 4 平面( f f ) 对焊法兰数据表5 2 图4 5 突面( r f ) 对焊法兰数据表5 2 图4 6 使用o l ed b 连接访问s o ls e r v e r 5 3 图4 7 测试数据库的连接5 4 图4 8 测试连接成功5 4 图4 9 查找程序流程图5 5 图4 1 0 修改程序流程图5 5 图4 1 1 添加程序流程图5 6 法兰数字化制造c a d 系统的开发 图4 1 2 删除程序流程图5 6 图4 1 3 平面对焊法兰参数输入对话框( 3 ) 5 6 图4 1 4 查找对话框j 5 9 图4 1 5 平面对焊法兰的主界面6 0 图5 1 应用程序注册6 3 图5 2 平面对焊法兰参数输入对话框( 4 ) 6 4 图5 3 新生成的平面对焊法兰模型6 4 图5 4 突面对焊法兰菜单6 5 图5 5 突面对焊法兰数据库系统主界面6 5 图5 6 突面对焊法兰参数输入对话框6 6 图5 7 新生成的突面对焊法兰模型6 6 i v 兰州理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 数字化制造技术 1 1 1 数字化制造技术概况 数字化制造技术：在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现实、 计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求， 迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组， 实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能 的产品整个制造全过程。可以认为，数字化制造就是用数字化定量、表述、存储、 处理和控制的方法，支持产品全生命周期和企业的全局优化运作。数控机床的诞 生是人类社会进入数字化制造时代的起点。 数字化制造技术的发展和起源： 1 n c 机床( 数控机床) 的出现 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院首先实现了三坐标铣床的数控化，数控装置 采用真空管电路。1 9 5 5 年，第一次进行了数控机床的批量制造。当时主要是 针对直升飞机的旋翼等自由曲面的加工。 2 c a m 处理系统a p t ( 自动编程工具) 出现 1 9 5 5 年美国麻省理工学院( m i t ) 伺服机构实验室公布了 a p t ( a u t o m a ti c a llyp r o g r a m m e dt o o ls ) 系统。其中的数控编程主要是发展 自动编程技术。这种编程技术是由编程人员将加工部位和加工参数以一种限 定格式的语言( 自动编程语言) 写成所谓源程序，然后由专门的软件转换成数 控程序。 3 加工中心的的出现 1 9 5 8 年美国k & t 公司研制出带a t c ( 自动刀具交换装置) 的加工中心。同 年，美国u t 公司首次把铣钻等多种工序集中于一台数控铣床中，通过自动 换刀的方式实现连续加工，成为世界上第一台加工中心。 4 c a d ( 计算机辅助设计) 软件的出现 1 9 6 3 年于美国出现c a d 的商品化的计算机绘图设备，进行二维绘图。7 0 年代，发展出现了三维的c a d 表现造型系统，中期出现了实体造型。 5 f m s ( 柔性制造系统) 系统的出现 1 9 6 7 年，美国实现了多台数控机床连接而成的可调加工系统，最初的 f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。 6 c a d c a m ( 计算机辅助设计计算机辅助制造) 的融合 法兰数字化制造c a d 系统的开发 进入7 0 年代，c a d 、c a m 开始走向共同发展的道路。由于c a d 与c a m 所 采用的数据结构不同，在c a d c a m 技术发展初期，主要工作是开发数据接口， 沟通c a d 和c a m 之间的信息流。不同的c a d 、c a m 系统都有自己的数据格式 规定，都要开发相应的接口，不利于c a d c a m 系统的发展。在这种背景下， 美国波音公司和g e 公司于1 9 8 0 年制定了数据交换规范i g e s ( 1n iti a g r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n s ) ，从而实现c a d c a m 的融合。 7 c i m s ( 计算机集成制造系统)的出现和应用 8 0 年代中期，出现c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 计算机集成制造系统，波音公司成功应用于飞机设计，制造，管理，将原需 八年的定型生产缩短至三年。 8 c a d c a m 软件的空前繁荣 8 0 年代末期至今，c a d c a m 一体化三维软件大量出现，如：c a d a m ，c a t i a ， u g ，i - d e a s ，p r o e ，a c i s ，m a s t e r c a m 等，并应用到机械、航空航天、汽 车、造船等领域。 数字化制造技术是在计算机技术和制造技术的不断融合、发展和广泛应用的 基础上形成的，其内涵是以是c a d c a m 为核心的技术，随着c a d c a m 一体化 软件的成熟及繁荣，数字化制造技术的功能越来越强大。在三维模型上设计刀具 轨迹等加工数据变得越来越简单，而且数控编程也变得越来越方便。加工过程的 仿真模拟使数控加工变得越来越安全。数字化制造技术为制造业提供了一套完整、 系统、先进的平台。能促进各种先进制造方法、思想和理念的实现心1 。 1 1 2c a d c a m 技术的基本概念 c a d c a m 是2 0 世纪制造业最杰出的成就之一，也是计算机在制造业中应用 最成功的范例之一。从传统的制造过程来看，产品从市场需求分析开始，经过产 品设计、工艺设计、加工装配、产品生产等环节，最后形成用户所需要的产品n 1 。 如图1 1 所示。 图1 1 产品生产过程与c a d ，c a m 2 兰州理工大学硕士学位论文 在产品设计阶段，主要完成任务规划、概念设计、结构设计、详细设计、结 构优化设计、工程设计等。如果借助计算机来完成这些任务，就叫做c a d 。在工 艺设计阶段，要完成毛坯设计、工艺规程设计、工装设计等任务。如果借助计算 机来完成这些任务。就成为c a p p 。在生产加工阶段，要完成数控编程、加工过 程仿真、数控加工、质量检测、产品装配、调试等。如果使用计算机来完成这些 工作，就称为c a m 。如果使用计算机信息集成技术，为c a d c a m 提供一个集 成的工作环境，将c a d 、c a p p 、c a m 有机地联系起来，称之为c a d c a m 集成 技术乜】。而c a d c a m 技术是当今先进制造技术的核心技术。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 技术是指以计算机为工具， 对产品进行包括方案构思、总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等设 计活动的技术，具有几何建模、工程分析、模拟仿真、优化设计、工程绘图和数 据管理等主要功能。 计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 是指借助计算机进 行产品制造的活动的简称。广义c a m ，一般指利用计算机辅助完成从毛坯到产品 制造过程中的直接和间接地各种活动，包括工艺过程的设计( c a p p ) 、制造过程 仿真( m p s ) 、生产准备、生产作业计划制定、物流过程的运行控制、生产控制、 质量控制、故障诊断、产品装配与检测等方面的内容；狭义c a m ，通常指数控程 序的编制，包括刀具路线规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后处理和n c 代码生成等作业过程“1 。实际应用中，包括商品化c a d c a m 系统和企业根据用 目标构建的c a d c a m 系统中，c a p p 属于c a m 范畴。 随着c a d 、c a m 软件技术的逐步应用以及各自地发展，研发了众多性能优 良的相互独立的商品化c a d 、c a p p 、c a m 系统，在各自的领域都起到了重要的 作用。然而，这些各自独立的系统相互割裂，不能实现系统之间信息的自动传递 和转换，信息资源不能共享，严重制约了各自独立的发展，人民认识到，c a d 系 统的信息必须能应用到后续的生产制造环节( 如c a e 、c a p p 、c a m ) ，提出了 c a d c a m 集成的概念，并首先致力于c a d 、c a p p 和c a m 系统之间数据自动 传递和转换的研究，以便将业已存在和使用的c a d 、c a p p 、c a m 系统集成起来。 集成化的c a d c a m 系统借助于工程数据库技术、网络通信技术以及标准格式的 产品数据库技术，把分散于机型各异的各个c a d c a m 模块高效、快捷地集成起 来，实现软、硬件资源共享，保证整个系统内的信息流动畅通无阻。 随着网络技术、信息技术的不断发展和市场全球化进程的加快，出现了以信 息集成为基础的更大范围的集成技术，包括信息集成、过程集成、资源集成、工 作机制集成、技术集成、人机集成以及智能集成等，譬如将企业企业内经营管理 信息、工程设计信息、加工制造信息、产品质量信息等融为一体的计算机集成制 造系统h ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 。通俗地讲，c a d c a m 3 法兰数字化制造c a d 系统的开发 系统的集成就是把c a d 、c a m 、c a e ( 计算机辅助工程) 、c a p p 、n c p ( 数控编 程) 以及p p c ( 生成计划与控制) 等各种功能不同的软件有机地结合起来，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 的畅通哺1 。c a d c a m 集成技术是当今计算机集成制造系统( c i m s ) 、并行工程、 敏捷制造等新兴集成系统中一项核心技术。 1 1 3c a d c a m 系统的工作流程 c a d c a m 系统是设计、制造过程中的信息处理系统，它主要研究对象描 述、系统分析、方案优化、计算分析、工艺设计、仿真模拟、n c 编程以及图形 处理等理论和工程方法，输入的是产品设计要求，输出的是零件的制造加工信息。 图1 2 所示为c a d c a m 系统的工作流程。 c a d c a m 系统的工作流程如下1 ： 1 通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求，向c a d 系统中输入设计要 求。在c a d 系统中首先进行设计方案的分析和选择，然后利用几何建模功能， 构造出产品的几何模型，计算机将此模型转换为内部的数据信息，存储在系统的 数据库中。 2 调用c a d c a m 系统程序库中的各种应用程序对产品模型进行详细设计计 算及结构方案优化分析，以确定产品总体设计方案以及零部件的结构、主要参数， 同时，调用系统中的图形库，将设计的初步结果以图形的方式输出到显示器上。 3 通过计算机辅助工程分析计算功能对产品进行性能预测、结构分析、工程 计算、运动仿真和装配仿真。即通过计算机数值分析求解速度快、效率高的优势， 对设计产品的结构和性能指标进行必要的工程分析、计算和仿真。 4 根据计算机显示的结果，对设计的初步结果做出判断，如果不满意，可以 通过人机交互的方式进行修改，直到满意为止，修改后的数据仍存储在c a d c a m 系统的数据库中，并可通过绘图机输出设计图和有关文档。 5 c a d c a m 系统从数据库中提取产品的设计制作信息，在分析其几何形状 特点后以及有关技术要求的基础上，对产品进行工艺过程设计，设计的结果存入 系统的数据库中，同时在屏幕上显示输出。 6 工艺设计人员可以对工艺过程设计的结果进行分析、判断，并允许以人机 交互的方式进行修改。最终的结果可以是生产中需要的工艺卡片或是以数据库接 口文件的形式存入数据库中，供后续模块读取。 7 利用打印机输出工艺卡片，成为为车间生产加工的指导性文件。n c 自动编 程子系统从数据库中读取零件几何信息和加工工艺规程，生产n c 加工程序。 8 c a d c a m 系统在生成了产品加工的n c 程序后，可对其进行加工仿真、模 拟，验证其是否合理、可行。同时，还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、 4 兰州理工大学硕士学位论文 图1 2c a d c a b 系统的工作流程 碰撞检验。 9 在普通机床、数控机床或加工中心上按照工艺规程和n c 加工程序加工制 造出有关产品。 5 法兰数字化制造c a d 系统的开发 根据应用要求的不同，实际的c a d c a m 系统可支持上述全部过程，也可支 持部分过程。 从c a d c a m 系统的工作流程我们可以了解到：c a d c a m 系统能对产品整 个设计和制造全过程的信息进行处理，包括产品的概念设计、详细设计、数值计 算与分析、工艺设计、加工仿真、工程数据管理等各方面，主要具有以下几个功 能4 1 。 1 几何造型功能。利用几何建模技术，构造各种产品的几何模型，描述基本 几何实体及实体间的关系，进行零件的构思的结构设计以及零部件的装配，解决 三维几何建模中复杂的空间布局问题，进行消隐、彩色浓淡处理、剖切、干涉检 查等，动态地显示几何模型，方便观察、修改模型，检验零部件装配的结果。几 何建模技术是c a d c a m 系统的核心，为产品的设计、制造提供基本的数据，同 时也为其他模块如有限元分析、绘图、仿真、加工等调用。 2 计算分析功能。c a d c a m 系统构型后，能够计算产品相应的体积、表面 积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性，对产品结构如应力、温 度、位移等进行计算，为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。 c a d c a m 系统对各类计算分析的算法不仅要求正确、全面，而且还要求有较高 的计算精度。 3 工程绘图功能。c a d c a m 系统不仅具备从三维图形直接向二维图形转换 的功能，还具备处理二维图形的能力，包括基本图元的生产、尺寸标注、图形编 辑以及显示控制、附加技术条件等功能，保证生成即合乎生产要求，又符合国家 标准规定的机械图样。 4 结构分析功能。c a d c a m 系统中结构分析常用的方法是有限元法。这是 一种逼近近似解方法，用来解决结构形状比较复杂的零件的静态特性、动态特性、 强度、振动、热变形、磁场强度、温度场强度、应力分布状态等计算分析。分析 计算之后，将计算结果以图形、文件的形式输出，例如应力分布图、温度场强度 分布图、位移变形曲线等，用户能方便、直观地看到分析结果。 5 优化设计功能。c a d c a m 系统应具有优化求解的功能。也就是在某些条 件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优的功能。优化包括总体方 案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法 学中的一个重要组成部分。 6 计算机辅助工艺规程设计( c a p p ) 功能。c a p p 是c a d 与c a m 的中间环 节，它根据建模后生成的产品信息以及制造要求，自动决策出加工该产品所采用 的加工方法、加工步骤、加工设备以及加工参数，其设计结果一方面能被生产实 际所用，生成工艺卡片文件，另一方面能直接输出一些信息，为c a m 中的n c 自动编程系统所接收、识别，直接转换为刀位文件。 6 兰州理工大学硕士学位论文 7 n c 自动编程功能。在分析零件图和制订出零件的数控加工方案后， c a d c a m 系统自动生成数控加工程序。 8 模拟仿真功能。在c a d c a m 系统内部，建立一个工程设计的实际模型， 例如机构、机械手、机器人等。通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行， 用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造型。如数控加工仿真软件， 从软件上实现零件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入以 及加工设备损坏的风险，减少了制造费用，缩短了产品设计周期。通常有加工轨 迹仿真，机构运动学模拟，机器人仿真，工件、刀具、机床的碰撞，干涉检验等。 9 工程数据管理功能。由于c a d c a m 系统中数据量大、种类繁多，如几何 图形数据、属性语义数据、产品定义数据、生产控制数据等，系统必须对其进行 有效管理，支持工程设计与制造全过程的信息流动与交换。通常，c a d c a m 系 统采用工程数据库系统作为统一的数据环境，实现各种工程数据的管理。 1 0 应用软件二次开放 由于机械产品的用途多种多样，任何强大的c a d 系统都不可能向用户提供 各种具体产品的完善的c a d c a m 解决方案。大多数商品化c a d 系统都提供了 基于c 、c + + 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 的二次开发工具，为用户将自己或者第 三方在其基础上编写应用程序提供了很大的方便。二次开发工具中提供的函数和 方法可以调用c a d 系统内部命令，直接存取c a d 内部数据库。 1 1 特征造型功能。随着计算机技术的发展，传统的几何造型方法已经暴露出 它的一些弊端。它只有零件的几何尺寸，没有加工、制造、管理需要的信息，因 而给计算机辅助制造带来不便。而面向设计和制造过程的特征造型系统，不仅含 有产品的几何形状信息，而且也将公差、表面粗糙度、孔、槽等工艺信息建在特 征模型中，有利于c a d c a p p 的集成。目前这种方法虽然出现了一些软件产品， 但仍在研究之中。 1 1 4c a d c a m 技术的发展 5 0 多年来，随着计算机、外围设备及软件的发展，c a d c a m 技术已经发展 成为以“计算机技术和“计算机图形学”为技术基础，并融合各工程学科知识 的一门综合性很高的新技术。c a d c a m 技术本身是一项综合性的、技术复杂的 系统工程，涉及许多学科领域，如计算机科学和工程、计算数学、几何造型、计 算机图形显示、数据结构和数据库、仿真、数控、机器人和人工智能学科和技术 以及与产品设计和制造有关的专业知识等。c a d c a m 技术可以承担产品设计中 的零件设计、装配设计、模具设计、机构设计与分析、有限元分析、数控加工与 仿真等环节的关键工作，与传统的设计内容和方式相比产生了根本性的变革订1 。 在国外，应用c d a c a m 技术最早的部门是航天和航空、汽车和造船等大型 7 法兰数字化制造c a d 系统的开发 制造业。随着计算机的硬件和软件技术的发展，c a d c a m 系统的价格不断下降， 而性能不断地提高，使得中小型企业也有经济能力应用c a d c a m 技术，所以， c a d c a m 技术正逐步由大型企业和军工企业向中小型和民用企业扩展和延伸。 c a d c a m 技术现在应用得成熟的是机械、电子、轻纺和建筑等工业领域，已经 有一批基础软件和专业化软件。机械工业作为c a d c a m 的主要应用领域，其主 要特点是设计和制造紧密联系，生产出精密复杂的产品，创造出比传统人工方式 更为可观的综合效益，显著缩短生产周期，提高质量和灵活性，降低了生产成本。 美国、英国、日本等工业发达国家早在2 0 世纪7 0 年代起就在汽车行业使用 c a d c a m 系统。如英国a u s i nr o v e r 汽车公司的l o n g b r i d g e 工厂采用