CAD/CAM技術在機械設計制造中的應用研究

崔松華

摘 要： 隨著計算機技術的迅速發展，CAD/CAM技術在機械制造業中得到廣泛應用，尤其是CAD技術從二維繪圖向三維仿真模型的發展，以及在此基礎上逐步發展成熟的零件結構設計和分析、有限元分析、裝配設計及仿真、數控加工與仿真等計算機輔助功能，使CAD/CAE/CAMP/DM等逐步集成為綜合的計算機輔助設計、制造系統。本文結合工作實踐，在分析CAD/CAM系統關鍵技術的基礎上，對CAD/CAM技術在機械設計與加工中的應用進行了探討。

關鍵詞： CAD/CAM技術 機械設計制造 應用教學

1. CAD/CAM系統概述

CAD/CAM系統軟件主要針對計算機的硬件和軟件資源進行管理，是進行CAD/CAM系統應用及開發的軟件平臺，通常包括的內容有三個：操作系統、網絡管理系統和編譯系統。當前微軟系統中主要的操作系統是Windows98、Windows2000、WindowsXP和WindowsNT，而相關工作站中主要使用的是UNIX操作系統，在蘋果計算機中則主要使用Mac操作系統等；編譯系統實際上就是通過高級語言編寫計算機應用程序，形成計算機可以直接執行的語言，其中主要的高級語言有：C/C++、Basic、Pascal、Lisp、Prolog等。

2. CAD/CAM系統的關鍵技術

2.1 CAM數據庫

CAM數據庫是將全部需要存儲的數據進行存儲，然后通過計算機高速存取信息功能，提供設計和生產過程中需要的各種數據信息，同時還可以對產品生產的整個過程進行監控。

2.2生產管理

在數控程序編制完成之后，需要加工的零件將信息存入CAM數據庫。全部的生產計劃經過相關的調度程序調控生產的進行。調度程度通過對相關的生產程序進行接收，然后制訂下列生產計劃：（1）關注生產中各個零部件的生產情況；（2）關注生產中不同數控機床的運行情況；（3）對比生產時間和計劃時間的差異；（4）機床或者其他的設備系統出現問題。根據調度程序將上述信息進行檢測和確定后，明確不同的機床生產中的負荷和排列計劃。如果調度程序對下一步的零件程序予以確定后，就可以將緩沖器中通過直接或者間接的方式存儲的信息，傳輸到數控機床的相關生產單元中。

3. CAD/CAM技術在機械設計與加工中的應用

3.1 CAD/CAM技術在機械設計的應用

3.1.1零件的建模設計。零件生產的建模過程就是對零件需要的特征進行確定的過程，通過合理的組合方法形成零部件的生產模型。在零件與特征之間主要體現的關系是層次性的關系，這就要求相關設計人員在設計的過程中，不僅要有非常清楚的空間想象能力，還要對零件建模的各種技巧加以掌握，增強建模的靈活性，進而有效提高零部件建模的速度和效率。

3.1.2裝配建模設計。在相關機械產品的生產中，需要將各種零部件進行組裝，然后將組裝后的零部件整合形成機器。因此，可以將一個非常復雜的機器看做是由無數個零部件組合而成的，而復雜的部件則可以當做若干組件形成的局部。可以說這是對機器的層次性描述，通過這種描述能夠極大地方便機器的制造和設計。此外，機器在模型的裝備中也會體現這種層次性關系。

在計算機上安裝各種零部件的層次性組合，通過零部件的組合形成完整的裝配體的過程就是裝配建模和設計，回轉、直線運動機構（裝配鉤）是通過兩個子裝配（驅動部分和傳動部分）加上一個零件（活塞缸）組成。一個裝配系統對零部件之間的構成關系進行完整的記錄，同時也規定不同的零部件之間的限制關系。

3.2 CAD/CAM技術在機械加工中的應用

CAD/CAM技術在機械加工中的應用主要是針對產品的加工和制造中必須完整的工作而設計的，其中主要的內容是工藝設計、用于零件加工的數控編程、用于零件裝配的機器人編程等的準備工作。其中工藝設計主要內容是通過研究和確定零件加工需要使用的加工順序、設備和方法等內容。工藝設計需要較多的經驗，在傳統的加工中需要很多具有豐富經驗的工作人員，而通過機械工具的運用，可以將經驗數據存儲在計算機中，然后通過人機對話，操作人員只要執行計算機操作就能完成工藝設計和生產任務。

美國科學院進行了相關調查，通過CAD/CAM集成技術，有效地降低50%設計時間、30%的制造時間和10%的成本投入，同時具有非常高的一次成功率。以整體鋁合金車輪的生產過程為例：當前，轎車輪轂通常是使用整體式鋁合金來制作的，在生產上大多使用金屬型鑄造進行生產。隨著我國社會的進步和經濟的發展，轎車生產廠家在生產中會對輪轂進行不斷的修改，從而更好地滿足消費者的實際。這就要求在進行新產品的設計和研發中需要縮短周期，但同時要確保產品的質量不斷提高。因此，依靠傳統的生產模式是無法適應當前市場發展的，必須采用CAD/CAE/CAM/RPM的一體化這一全新的生產模式進行。

利用CAD/CAM技術加工輪轂，首先利用Pro/E系統設計出輪轂產品的模型，其次根據產皮結構設計產品模具，具體包括產品的上、下模具和側模（4塊）等。對輪轂和模具設計方案不斷地通過模擬實現優化，優化的內容包括傳熱過程模擬及冷卻工藝分析。在模擬的基礎上對方案進行優化和分析，然后將優化后方案輸入CAD/CAM系統中，從而迅速制造出低壓鑄造模具，進而生產處符合要求的產品。采用CAD/CAM集成技術，輪轂的實際制造過程可以縮減為6天，大大縮短生產周期。

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