CADCAM技术现状和发展趋势.doc

。CAD/CAM技术在我国的应用现状和发展趋势前言目前, 随着CAD、CAM、CAPP、CAE、CIMS等技术的出现和发展, 产品设计和制造的整个过程都可以由计算机辅助完成。特别是CAD技术, 从二维绘图向三维仿真模型发展的基础上, 逐步发展成熟的零件结构设计和分析、有限元分析、虚拟装配及仿真、数控加工与仿真等许多计算机辅助功能, 使CAD/CAE/CAM等逐步集成为综合的计算机辅助设计、制造和管理系统。当今的机械制造业已不是传统意义上的机械加工，而是集机械、电子、光学、信息、材料、生物、能源、管理等学科的最新成就为一体的新技术综合体系，世界各国的经济竞争，也主要体现在先进制造技术的竞争上，先进制造技术的发展已成为当代国际间科技竞争的重点。在这种新形势下，我国机械制造业面临着巨大的挑战和机遇，机械制造中综合应用的CAD/CAM 技术，曾为制造业提供了强有力的技术支持，它的应用现状及发展趋势必将对我国的机械制造业产生深远的影响。模具、材料等领域对CAD/CAM技术要求也日益提高，CAD/CAM 技术的使用, 极大地提高了产品质量, 加速了产品的开发, 缩短了从设计到生产的周期, 缩短了产品的上市周期, 实现了产品设计的自动化, 使设计人员从繁琐的绘图中解放出来, 集中精力进行创造性的劳动。所以“C”系列的计算机辅助技术已开始逐步占据制造业市场，为企业实现自动化生产做出巨大贡献。1、 CAD/CAM基本介绍 CAD是指计算机辅助设计(Computer Aided Design)，即利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。它不仅促使了生产模式的转变，同时也促进了市场的发展。目前，CAD/CAM技术已经在许多领域中得到应用，这里只讨论在制造业中的应用。在计算机辅助下进行设计与传统的以人为核心的设计明显不同。根据产品开发计划和对产品功能的要求，不再仅仅是依靠设计者个人的知识和能力去设计，而是运用包括设计者本人和存储在计算机中的多种知识，在CAD系统和数据库的支持下进行工作。这种工作方式设计出的产品大大优于单个设计师凭个人脑力和能力设计出的产品；另外，CAD输出的结果也不仅仅是装配图和零件图，还包括设计、制造过程中应用计算机所需的各种信息。CAM技术概念CAM技术主要是围绕着数控编程技术开始发展的。数控加工是CAD/CAM发挥效益最直接、最明显的环节之一。 加工对象的形状越复杂，加工精度越高，设计更改越频繁，数控加工的优越性越容易得到发挥。因此数控编程技术受到高度重视。然而从制造的全过程看，应用计算机作为辅助手段的不仅仅是数控编程，还有许多技术和方法归类于CAM的范畴，如计算机辅助工艺规划（CAPP）、计算机辅助生产管理（CAPM）、生产活动控制（PAC）等。其中有些内容已经超出了制造过程和间接制造过程；狭义CAM则是指制造过程中某个环节上应用计算机。是对狭义CAM的一种概念性解释，其中在制造全过程的数控编程环节上应用了计算机。实际应用中，CAD/CAM是以系统方式出现的，包括商品化CAD/CAM系统和企业根据应用目标构件的CAD/CAM系统。系统中包括设计与制造过程的三个主要环节，即CAD、CAPP（Computer Aided Process Planning）和NCP(Numerical Control Programming)。其中CAPP和NCP属于CAM范畴。完善的CAD/CAM系统一般包括产品设计、工程分析、工艺过程规划、数控编程、工程数据库以及系统接口几个部分。这些部分以不同的形式组合集成就构成各种类型的系统。其各部分的功能如下所述。1.产品设计产品设计包括产品的方案设计和结构设计，它们均在计算机的辅助下完成。在结构设计中，可以应用当前较成熟的曲面造型技术、实体造型技术和特征造型技术。另外，在设计阶段就要考虑零件的几何特征和制造工艺特征，使产品设计的数据能在其他环节中使用。2.工程分析工程分析包括对产品的性能、特征进行理论分析和计算。它包括的内容很多，不同类型的产品，工程分析的内容也不尽相同，但至少应进行结构分析、应力计算、载荷计算、有限元分析、优化设计。除此之外，还应根据产品的特殊性，增加动力计算、振动分析、重心分析等内容。3.工艺过程规划工艺过程规划是将产品设计阶段的几何特性和制造工艺特性等数据信息转换为各种加工和制造管理信息。零件加工过程的计算机辅助设计包括完成工艺路线与工序设计、产生工序图和工艺文件、向CAM提供数控编程所需的工艺信息。CAPP一般采用样件法和创成法原理。特征造型技术完整地描述了零件的几何与工艺特征信息。CAPP首先要建立一个工艺路线设计、工序设计规划、工艺决策方法等知识建立知识库。工艺数据库包括机床、刀具、夹具和切削参数等。4.数控编程加工零件需要来自CAD方面的几何信息和来自CAPP方面的工艺信息。利用这些信息完成零件的数控加工编程及仿真，并提供数控加工指令文件和切削加工时间信息。5.工程数据库与一般的管理型数据库不同，工程数据库的主要特点是数据量大、形式多样、结构繁琐、关系复杂、动态性强、图形数据与非图形数据并存。工程数据库将产品从设计到制造的所有环节用信息流联系起来，实现信息的共享与交换。6.系统接口系统的接口通常是标准化接口或者是定义成通用接口，目的是减少系统对设备的依赖，避免工作重复，提高CAD/CAM集成系统的工作效率。标准接口为系统的信息集成提供了重要的基础。2、 CAD/CAM 的发展与应用中国作为世界制造业大国，制造业总体规模已居世界第4 位（仅次于美、日、德、中），但却不是制造业的强国！我国如何尽快地由制造业大国成为制造业强国呢?21 世纪初的机械制造业，总的发展趋势为：柔性化、灵捷化、智能化、信息化（网络化），信息产业将成为社会的主导产业，机械制造业也将由信息主导，并采用先进生产模式、先进制造技术、先进组织管理方式组成全新的机械制造业。CAD/CAM 技术是一项利用计算机系统帮助人们完成产品的设计与制造的新技术，它是计算机技术在零件生产中综合应用的新飞跃。CAD 包括建立几何模型、工程分析、产品分析、动态模拟、自动绘图等；CAM 包括数字化控制、工艺过程设计、机器人、柔性制造系统（FMS）、工厂管理等，CAD/CAM 技术是制造自动化技术的主要组成部分。自改革开放政策实施以来，我国CAD/CAM 技术有了长足发展，已逐步用于企业，但整体来说，我国目前CAD/CAM 软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家尚有不小差距。例如：不少企业对CAD 的认识还仅停留在绘图阶段，从而使CAD产生的效益尚未充分发挥；CAD/CAM 软件应用人员参差不齐，CAD 软件不能得到高效率应用是目前存在的一个。据2007 年中国制造业产品创新数字化市场发展研究报告摘要分析，从全球市场来看，CAD、CAM、EDA、仿真分析及技术出版等工具类软件的销售容量达132 亿美元，而该领域市场的主要投资驱动力来源于EDA 和中端三维CAD 的投入，高端三维CAD 和仿真分析的增长速度有所放缓，工具类市场2007 年中将达140 亿美元。与国际市场相比，中国的该市场仍就处于发展初期阶段，具有巨大的发展潜力，我国目前CAD/CAM 软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家尚有不小差距。三、CAD/CAM典型领域的发展概述模具CAD/CAE/CAM技术应用：独立开发的CAD 、CAE 、CAM 技术缺乏统一的数据模型及通信约定, 在应用于复杂产品的设计与制造时会遇到不少问题。为最大限度地发挥各环节的经济效益, 需要实现CAD/CAE/CAM 的集成化。国外模具CAD/CAE/CAM 系统的发展已有20 多年的历史, 主要研究以下内容:设计制造一体化系统集成框架的研究, 开发出支持各应用系统的运行的平台;开发具有强大几何造型和工程绘图功能, 以及能进行基于参数化特征的精确实体造型的三维几何设计系统;开发能分析工艺过程、动态显示仿真效果的计算机辅助模拟系统;研究产品有限元分析前后置处理技术;开发能实现产品数据的描述、变换、共享、集成、存档等数据库技术与数据交换技术和接口;开发具有智能的图形互式坐标编程系统的多轴数控编程系统。模具CAD/CA E/CAM 技术是改造传统模具生产方式的关键技术, 是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式, 为用户提供一种有效地辅助工具, 使工程技术人员能借助计算机对产品、模具结构、成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。模具CA D/CAE/CAM 技术之所以发展迅速、应用广泛,深受广大设计人员的欢迎, 是因为它具有以下几方面的优势 :提高模具制造的综合质量。CAD/CA E/CAM 系统中, 制造所需数据直接取自系统数据库, 并经系统内部直接传送, 速度快、错误少。模具制造广泛采用数控机床, 精度高、自动化程度高, 通过采用CA D/CAE/CAM 技术生产的模具, 精度和尺寸协调一致性得到进一步提高, 对于型腔几何形状复杂的大型模具质量保证, 效果尤为明显;节省设计时间、缩短生产周期、提高劳动生产率。模具产品更新频繁的形势下, 生产周期成为产品赖以生存的重要条件。采用CAD/CA E/CAM 技术可以大大缩短模具设计制造周期, 模具设计时间可以“小时”或“分钟”计算;有利于实现设计方案的优化。提高模具设计水平是提高模具质量的重要环节, 采用CAD/CA E/CAM 技术可以通过计算机检索来继承前人的经验积累, 采用一系列优化设计程序, 通过人机交互, 反复修改, 发挥出设计者最大的才智, 并利用计算机模拟成型, 增大设计可靠性;有利于提高产品的标准化。CAD/CAE/CAM技术要求模具设计过程、生产制造过程和工艺条件的标准化, 通过信息的集成, 使产品的设计、制造过程形成一个有机的整体;有利于发挥设计人员的创造性。CAD/CAE/CAM 技术通过计算机查阅设计模具时所需数据及图表, 速度快、精度高、不易出错, 用于自动绘图和编程, 可以使技术人员从繁冗的计算、绘图和NC编程工作中解放出来, 使其可以从事更多的创造性劳动。四、总结我国开展CAD/CAM技术应用工作并不算晚,通过引进, 不少企业的软、硬件条件与国外相比也相差不大。但是, 国内的CAD/CAM应用与国外先进水平相比存在较大的差距。原因是:1、原有经济体制的弊端采用CAD/CAM技术投资大, 有较大风险, 效益回报有一定的滞后期, 产品数据交换标准建立统一的产品数据交换标准是实现CAD/CAM技术集成化的必要条件。复杂机械产品的生产需要不同企业、部门的分工协作完成, 由于产品信息是在不同的地点、不同的计算机和不同的CAD/CAM系统中产生,造成同一转机械启停机及正常运行时的特性, 可分为转速上升、转速下降、转速不变、转速变化等, 负荷状态可分为满载、空载、部分载荷、载荷骤增和骤减等。2、管理上的缺陷由于条块分割, 重复引进, 企业相互之间缺乏必要的交流和协作, 影响了CAD/CAM技术效益的发挥。3、人才培养的不足福特等企业之所以CAD/CAM技术应用得好,是因为得益于几十年来一直大力开展CAD/CAM应用而积淀下来的宝贵经验以及培养出了一支高水平的技术队伍, 现在国内既懂计算机软、硬件, 又有丰富专业知识的人才奇缺, 而这恰是企业最为宝贵的财富。CAD/CAM集成是现代化企业提高产品质量、缩短设计周期、提高竞争力所必须的设计和制造模式, CAD/CAM集成的关键技术也成为企业实现现代化生产所必须解决的问题, 国际和国内的各种理论和实践给我们提供了很好的方法和理念, 并且不断完善, 拓展了我们更多的发展空间。参考文献：1 高慧.CAD/CAM 技术及应用对我国机械制造业的影响J.机械管理开发，2007（4）：79-81.2 黄山市科学技术情报研究所.2007 年中国制造业产品创新数字化（PLM）市场发展研究报告摘要EB/OL. 3 王宗彦，冯敬华，暴建岗，等.从三维设计出发改革传统机械图教学J.华北工学院学报（社科版），2004，20（2）：70-74. 4梅黎锦.CAD/CAM 技术在我国的发展和应用现状.上海电机学院，上海200240：TP391.7 5黄艳.机械CAD/CAM集成系统的发展趋势.西京学院机电系, 陕西西安710123:TG485;TP391.7 6 钟佩思, 沈友徽, 马静敏, 等.模具先进制造技术发展趋势综述 J .模具制造, 2005 ,(3):1-4 . 7 刘方辉, 钱心远, 张