機(jī)械CAD/CAM的發(fā)展趨勢探究

魏旭東

（天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，天津300160）

CAD即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD-Computer Aided Design），利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作;CAM（Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造），利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作的過程。

1 CAD/CAM功能簡介

在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)負(fù)計(jì)算、信息存儲和制圖等項(xiàng)工作。在設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對不同方案進(jìn)行大量的計(jì)算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計(jì)信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計(jì)人員通常用草圖開始設(shè)計(jì)，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作，可以交給計(jì)算機(jī)完成；由計(jì)算機(jī)自動產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以快速作出圖形顯示出來，使設(shè)計(jì)人員及時(shí)對設(shè)計(jì)作出判斷和修改；利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。

CAD能夠減輕設(shè)計(jì)人員的計(jì)算畫圖等重復(fù)性勞動，專注于設(shè)計(jì)本身，縮短設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。其輸入信息，是零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出信息是刀具加工時(shí)的遇到軌跡（刀位文件）和數(shù)控程序。CAM的核心，是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（簡稱數(shù)控），是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于制造生產(chǎn)過程的過程或系統(tǒng)。

2 CAD/CAM的應(yīng)用情況

以汽車工業(yè)為例，說明國內(nèi)外機(jī)械CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用情況。

汽車工業(yè)代表著一個(gè)國家機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的水平，一直是CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用的先鋒和大戶。下面就以汽車工業(yè)為例，說明國內(nèi)外機(jī)械CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用狀況。

國際上，美國福特汽車公司在CAD/CAM技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。早在上世紀(jì)80年代初，福特公司就著手CAD/CAM系統(tǒng)的規(guī)劃，建成了以工作站為主體的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；1985年已經(jīng)有一半以上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作使用圖形終端實(shí)現(xiàn)；1986年新開發(fā)的TAURUS和SABLE轎車，大約70%的外板件采用CAD/CAM；上世紀(jì)90年代初，全面實(shí)行產(chǎn)品開發(fā)的CAD/CAM，應(yīng)用率可達(dá)100%。福特公司1990年工作站已達(dá)2 000臺，以FGS工作站（約占70%）和CV工作臺（約占18%）為主，其應(yīng)用軟件主要為自行開發(fā)的PDGS和CAD/CAM。1993年以后，福特汽車公司提出了C3P（CAD/CAE/CAM/PDM）概念，并決定今后將采用I-DEAS軟件作為其主流核心軟件。

我國開展CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用工作并不算晚。通過引進(jìn)，不少企業(yè)的軟、硬件條件與國外相比也相差不大。但是，國內(nèi)的CAD/CAM應(yīng)用與國外先進(jìn)水平相比，存在較大的差距。原因主要是原有經(jīng)濟(jì)體制的弊端。采用CAD/CAM技術(shù)投資大，有較大風(fēng)險(xiǎn)，效益回報(bào)有一定的滯后期。

3 CAD/CAM的發(fā)展趨勢

3.1 集成化

集成化是CAD/CAM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)最為顯著的趨勢，是指把 CAD、CAE、CAPP、CAM以至 PPC（生產(chǎn)計(jì)劃與控制）等各種功能不同的軟件，有機(jī)地結(jié)合起來，用統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序來組織各種信息的提取、交換、共享和處理，保證系統(tǒng)內(nèi)部信息流的暢通，并協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)有效地運(yùn)行。

國內(nèi)外大量的經(jīng)驗(yàn)表明，CAD系統(tǒng)的效益，往往不是從其本身，而是通過CAM和PPC系統(tǒng)體現(xiàn)出來；反過來，CAM系統(tǒng)如果沒有CAD系統(tǒng)的支持，花巨資引進(jìn)的設(shè)備往往很難得到有效地利用；PPC系統(tǒng)如果沒有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為計(jì)劃的依據(jù)，訂出的計(jì)劃也較難貫徹執(zhí)行，所謂的生產(chǎn)計(jì)劃和控制將得不到實(shí)際效益。

因此，人們著手將 CAD、CAE、CAPP、CAM 和PPC等系統(tǒng)有機(jī)地、統(tǒng)一地集成在一起，從而消除“自動化孤島”，取得最佳的效益。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化

21世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)將全球化，制造業(yè)也將全球化，從獲取需求信息，到產(chǎn)品分析設(shè)計(jì)、選購原輔材料和零部件、進(jìn)行加工制造，直至營銷，整個(gè)生產(chǎn)過程也將全球化。CAD/CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，能使設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品方案在費(fèi)用、流動時(shí)間和功能上并行處理的并行化產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)；能提供產(chǎn)品、進(jìn)程和整個(gè)企業(yè)性能仿真、建模和分析技術(shù)的擬實(shí)制造系統(tǒng)；能開發(fā)自動化系統(tǒng)，產(chǎn)生和優(yōu)化工作計(jì)劃和車間級控制，支持敏捷制造的制造計(jì)劃和控制應(yīng)用系統(tǒng)；對生產(chǎn)過程中物流能進(jìn)行管理的物料管理應(yīng)用系統(tǒng)等。

3.3 智能化

人工智能在CAD中的應(yīng)用，主要集中在知識工程的引入，發(fā)展專家CAD系統(tǒng)。專家系統(tǒng)具有邏輯推理和決策判斷能力。其將許多實(shí)例和有關(guān)專業(yè)范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)、準(zhǔn)則結(jié)合在一起，給設(shè)計(jì)者更全面、更可靠的指導(dǎo)。應(yīng)用這些實(shí)例和啟發(fā)準(zhǔn)則，根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，不斷縮小探索的范圍，使問題得到解決。

4 CAD/CAM發(fā)展趨勢的表現(xiàn)特征

4.1 標(biāo)準(zhǔn)化

CAD/CAM系統(tǒng)可建立標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫，非標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫和模具參數(shù)數(shù)據(jù)庫。標(biāo)準(zhǔn)零件庫中的零件在CAD設(shè)計(jì)中，可以隨時(shí)調(diào)用，并采用GT（成組技術(shù)）生產(chǎn)。非標(biāo)準(zhǔn)零件庫中存放的零件，雖然與設(shè)計(jì)所需結(jié)構(gòu)不盡相同，但利用系統(tǒng)自身的建模技術(shù)，可以方便地進(jìn)行修改，從而加快設(shè)計(jì)過程。典型模具結(jié)構(gòu)庫，是在參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，按用戶要求對相似模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，即可生成所需要的結(jié)構(gòu)。

4.2 集成化技術(shù)

現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，不僅應(yīng)強(qiáng)調(diào)信息的集成，更應(yīng)該強(qiáng)調(diào)技術(shù)、人和管理的集成。在開發(fā)模具制造系統(tǒng)時(shí)強(qiáng)調(diào)“多集成”的概念，即信息集成、智能集成、串并行工作機(jī)制集成及人員集成，這更適合未來制造系統(tǒng)的需求。

4.3 應(yīng)用人工智能技術(shù)

應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用）各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程（包括組織、管理、計(jì)劃、調(diào)度、控制等）各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化，以及模具設(shè)備的智能化，也要實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的融合，以及人在其中智能的充分發(fā)揮。

4.4 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括硬件與軟件的集成實(shí)現(xiàn)，各種通訊協(xié)議及制造自動化協(xié)議、信息通訊接口、系統(tǒng)操作控制策略等，是實(shí)現(xiàn)各種制造系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)。目前早已出現(xiàn)了通過Internet實(shí)現(xiàn)跨國界模具設(shè)計(jì)的成功例子。

4.5 多學(xué)科多功能綜合產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)

未來產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，不僅用到機(jī)械科學(xué)的理論與知識，而且還用到電磁學(xué)、光學(xué)、控制理論等知識。產(chǎn)品的開發(fā)，要進(jìn)行多目標(biāo)全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以追求模具產(chǎn)品動靜態(tài)特性、效率、精度、使用壽命、可靠性、制造成本與制造周期的最佳組合。

4.6 逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

在許多情況下，一些產(chǎn)品并非來自設(shè)計(jì)概念，而是起源于另外一些產(chǎn)品或?qū)嵨铮谥挥挟a(chǎn)品原型或?qū)嵨锬Ｐ投鴽]有產(chǎn)品圖樣的條件下，進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和制造，以便制造出產(chǎn)品。此時(shí)需要通過實(shí)物的測量，然后利用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)物的CAD幾何模型的重新構(gòu)造，這個(gè)過程，就是逆向工程RE（Reverse Engineering）。逆向工程能夠縮短從設(shè)計(jì)到制造的周期，是幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)并行工程等現(xiàn)代設(shè)計(jì)概念的一種強(qiáng)有力的工具，目前在工程上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

4.7 快速成形技術(shù)

快速成形制造技術(shù)RPM（Rapid Prototyping&Manufacturing）是基于層制造原理，迅速制造出產(chǎn)品原型，而與零件的幾何復(fù)雜程度絲毫無關(guān)，尤其在具有復(fù)雜曲面形狀的產(chǎn)品制造中，更能顯示其優(yōu)越性。其不僅能夠迅速制造出原型供設(shè)計(jì)評估、裝配校驗(yàn)、功能試驗(yàn)，而且還可以通過形狀復(fù)制快速經(jīng)濟(jì)地制造出產(chǎn)品模具（如制造電極用于EDM加工、作為模芯消失鑄造出模具等），從而避免了傳統(tǒng)模具制造的費(fèi)時(shí)、高成本的NC加工，因而RPM技術(shù)在模具制造中日益發(fā)揮著重要的作用。

5 結(jié)束語

機(jī)械CAD/CAM技術(shù)是加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，增強(qiáng)企業(yè)競爭能力的最有效手段。企業(yè)應(yīng)看清應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)帶來的進(jìn)步性，并以自身為基礎(chǔ)，借鑒同行各企業(yè)應(yīng)用推廣的經(jīng)驗(yàn)，靈活應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，加快企業(yè)的設(shè)計(jì)制造一體化發(fā)展。

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