面向現代制造的CAD/CAM應用研究

萬志鋒　倪占強　宋輝　耿浩

摘 要：計算機技術已經應用在社會生活的各個領域，在機械產品的設計制造過程中，廣泛應用了CAD/CAM技術。本文對CAD/CAM進行了研究，介紹了CAD及CAM中的核心技術及應用，最后展望了CAD/CAM未來的發展趨勢。

關鍵詞：現代制造；CAD；CAM；后置處理

1 CAD/CAM簡介

CAD技術（計算機輔助設計）和CAM的技術（計算機輔助制造）的組合CAD/CAM將設計和制造技術結合起來，能夠完成NC零件編程等機械工藝。CAD/CAM應用中包含的關鍵技術有：產品虛擬設計、虛擬制造、DNC加工等。CAD/CAM應用可以引入參數化及面向特征的實體進行數學建模，并在虛擬裝配后進行仿真；將CAD/CAM技術應用到虛擬制造過程中主要是建立一個虛擬制造環境，在此虛擬環境中可以完成諸如設計、制造、信息共享以及系統控制等任務。

產品的設計過程中從設計之初到加工物料等必然會經過頻繁的修改，如果在真實的環境中完成此過程必然會造成材料的極大浪費。CAD/CAM系統利用可變參數設計實現虛擬設計的功能。作為虛擬設計的核心，幾何建模完成后可以進一步完成動態仿真、有限元分析等過程，三維實體建模甚至可以對幾何物體進行唯一而又完整性的描述 ，從而產生一個有效的模型，便于設計者將主要工作投入到創造性的工作中。仿真技術使設計者在產品規劃的早期就可以事先看出產品的特性，了解已采用的加工方法的結果，預研加工過程的可行性，從而盡早發現產品設計的問題。

虛擬制造可以模擬實際環境在計算機上執行制造過程，虛擬制造技術把繪圖、有限元分析以及原型生成等和制造相關的技術集成起來，實現諸如設計工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗等產品制造的本質過程。虛擬制造具有高度集成、支持敏捷制造以及分布合作等特征[1]：在計算機虛擬環境中設計人員及用戶都可以對產品進行操作，不依賴于傳統的原型樣機。

2 CAD/CAM中的核心技術

CAD/CAM技術是一個涉及多項學科的系統工程，產品工藝設計人員能夠利用CAD過程展現的信息及CAM技術的功能，預先顯示產品加工狀況、控制部件加工的工藝路線，并生成零部件加工過程中的信息。

CAD（計算機輔助設計）指的是借助計算機完成產品設計過程中諸如繪圖、零部件設計、裝配及分析等工作的技術，以提高產品設計的質量、降低產品成本。CAD的核心技術包括[2]：

（1）幾何造型。設計人員利用交互方式將物體的想象造型作為虛擬制造技術的輸入存到計算機中，計算機將此模型存儲并進行幾何建模，為后續分析計算做準備；常見的幾何造型包括線框造型、曲面造型以及流曲線曲面造型等。線框造型描述物體時只通過直線、圓弧及簡單的曲線完成，實現簡單，但難以表達三維模型；曲面幾何模型克服了線框模型的缺點，光滑的曲面代替了原來的直線、圓弧等，曲面造型技術也先后經歷了曲面求交、曲面拼接、曲面變形及曲面重建等過程；隨著圖形圖像技術和三維數據采樣技術的發展，新近出現了基于物理模型的曲面造型方法以及三維打印技術等。CAD設計領域汽車、飛機等產品的設計會涉及到運動物體的曲線曲面外形，它們的外形光滑與否直接關系到產品性能。以流體力學為基礎的流曲線曲面造型方法設計的產品具有良好的物理流線型性能。

（2）有限元分析。現在產品的設計越來越復雜，所以需要設計者在設計初期就能夠準確預測產品的性能，并對產品的各種技術參數進行分析計算，這就是有限元分析（Finite Element Analysis）。進行有限元分析時，先將原來的產品分解為有限個子單元，分別根據限制平衡條件分析后，在重新把它們組合起來后綜合求解。利用有限元法進行分析時，需要輸入大量的數據，對輸入參數的處理成為前置處理；有限元分析后，也會產生大量的數據，對它們的處理成為后置處理，后置處理的任務就是將數據轉換為直觀的圖形表示。

（3）優化設計。優化設計以數學中的最優化理論為基礎，是在復雜設計問題中得到最優解的有效工具。對某一設計過程，先給出一些初始參數，由計算機完成對優化指標的優化工作，直到達到最優解。優化設計一般需要三個階段：先將設計問題抽象為數學模型，然后設計相應的算法和程序，最后由計算機進行求解。

CAM中的核心技術一般包括計算機輔助工藝過程設計（CAPP）、數控編程以及計算機仿真等[3]：

（1）CAPP。作為CAD和CAM的中間環境，CAPP可以根據建模得到的產品信息，決定加工該產品時將要使用的方法、步驟以及設備等，為CAM的NC編程服務。CAPP是CAD/CAM集成的關鍵技術，其主要任務是利用計算機輔助工藝完成CAD信息到CAM信息的傳遞。CAPP可以使產品設計人員從重復性事物中解脫出來，迅速編制出完整的工藝文件。

（2）數控編程。作為從零部件圖紙到數控加工的整個過程，數控編程（NC編程）的任務是計算加工走刀中的CL點，并完成諸如分析零部件圖樣、確定加工工藝、校對程序等加工過程。分析零部件圖樣時要明確加工的內容、方案、順序，選擇加工器具等；同時要選擇合適的工藝路線、編程原點等。數控編程方法有手工編程和自動編程方法。手工編程完成從零部件圖樣分析到程序校驗過程中的所有步驟，適合加工形狀簡單的零部件。APT（Automatically Programmed Tool）是一種可以自動編程的工具，可以有效解決幾何造型編程的問題。

（3）仿真。為預測產品的性能、模擬產品制造的過程，經常需要對系統模型進行試驗運行，這就是仿真技術。仿真技術可以分為物理仿真和計算機仿真兩種，前者是在物理模型基礎上所做的仿真，物理模型與實際系統間的相似性決定了物理仿真可以觀測到數學模型難以描述的特性；后者又成為數學仿真，是利用計算機程序完成仿真實驗的技術。不論哪種仿真技術，都可以有效地預測產品性能。

3 CAD/CAM的未來發展

CAD/CAM各自在應用中都可以發揮巨大的作用，在未來的發展過程中，可以考慮如下應用方向：（1）CAD/CAPP/CAM集成應用于并行工程環境。可以在CAD軟件上開發具備CAM功能的軟件，或者是基于CAD造型開發特征提取模塊，從而為CAPP提供特征制造信息。（2）建立基于STEP的工程數據基礎系統。在CAD軟件中建立各種零部件的形狀特征庫，存取不同形狀特征的相關信息后，實現形狀特征信息識別和提取的功能模塊，然后建立服務于CAPP的零部件特征信息主模型，最終實現產品數據信息集成。（3）面向制造的設計、集成控制系統。制造過程中的各個環節是高耦合的，現代制造技術中的一個關鍵問題就是如何在決策時得到全局最優解。目前集成DNC加工已經具備網絡基礎，要綜合考慮數控設備的通訊功能，以實現和DNC網絡的集成通訊；以CAD/CAM、CAPP以及DNC系統單元為基礎，實現CAD/ CAPP /CAM/DNC的整體集成，將可以實現從設計、制造到生產整個過程的信息共享。

參考文獻

[1]張黨飛.基于CAXA的數控雕刻CAD/CAM技術研究[D].西安建筑科技大學.2012.

[2]王軍.智能集成CAD/CAPP系統關鍵技術研究[D].2010.

[3]還大軍.復合材料自動鋪放CAD/CAM關鍵技術研究[D].南京航空航天大學.2010.

作者簡介：萬志鋒（1982，6-），男，河南省洛陽市（籍貫），現職稱：工程師，學歷：本科，研究方向：計算機輔助機械制造。