CAD／CAM的基本功能.doc

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1、第2学时1.1.2 CADCAM的基本功能在CADCAM系统中，计算机主要帮助人们完成产品结构描述、工程信息表达、工程信息传输与转化、结构及过程的分析与优化、信息管理与过程管理等工作，因此。作为CADCAM系统，应具备图形图像处理、产品与过程建模、信息存储与管理、工程计算分析与优化、工程信息传输与交换、模拟与仿真、人机交互、信息的输入和输出等基个功能。1图形图像处理机电产品设计中，涉及大量的图形图像处理任务，如图形的坐标变换、裁剪、渲染、消隐处理、光照处理等，无论是CAD、CAPP、CAM，都需要用到这项功能，是CADCAM系统所必备的。2产品与过程建模在CADCAM系统中，对产品信息及其相关

2、过程信息的描述是一切工作的基础。对于机电CADCAM系统来说，几何造型是其核心技术，因为在机电产品设计制造过程中，必然要涉及大量结构体的描述与表达，如在设计阶段，需要应用几何造型系统来表达产品结构形状、大小、装配关系等；在有限元分析中，要应用几何模型进行网格划分才能输入解算器处理；在数控编程中，要应用几何模型来完成刀具轨迹定义和加工参数输入等，几何造型是产品设计的基本工具。3信息存储与管理由于CADCAM系统中数据量大、种类繁多，既有几何图形数据，又有属性语义数据；既有产品定义数据，又有生产控制数据；既有静态标准数据，又有动态过程数据，结构还相当复杂。因此CADCAM系统应能提供有效的管理手段

3、，支持设计与制造全过程的信息流动与交换。通常，CADCAM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。4工程计算分析与优化在产品设计制造过程中，涉及大量的分析计算任务如根据产品几何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特件和物理特性，为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数；在结构分析中，需要进行应力、温度、位移等计算；图形处理中矩阵变换的运算、体素之间的布尔运算（交、并、差）等；在工艺规程设计中有工艺参数的计算。因此，要求CADCAM系统对各类计算分析的算法正确、全面，还要有较高的计算精度。CADCAM系统中结构分析常用的方法是有限元法，这

4、是一种数值近似求解方法用来计算复杂结构形状零件的静态、动态特性，强度、振动、热变形、磁场、温度场强度、应力分布状态等。所谓有限元法：先把一个原来是连续的物体剖分（离散）成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上（图6.1），承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体再综合求解。由于单元的个数是有限的，节点数目也是有限的，所以称为有限元法。CADCAM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。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

5、要的组成部分。5工程信息传输与交换CADCAM系统不是一个孤立的系统，它必须与其它系统相互联系，即使是在CADCAM内部，各功能模块之间也要进行信息交换。随着并行作业方式的推广应用，还存在着几个设计者或工作小组之间的信息交换问题，因此，CADCAM系统应具备良好的信息传输管理功能和信息交换功能。6模拟与仿真 在CAD/CAM系统内部，建立一个实际产品或系统的数字化模型，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性。如数控加工仿真系统，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

6、的风险，减少可制造费用，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。 7人机交互 在CAD/CAM系统中、人机接口是用户与系统连接的桥梁。友好的用户界面，是保证用户直接而有效地完成复杂设计任务的必耍条件，除软件界面设计外，还必须有交互设备实现人与计算机之间的不断通信。8信息输入在CAD/CAM系统中，大量的信息是以人机交互方式输入系统的，但也有许多情况，如车间运控系统、质量保证系统、以反求工程为基础的造型系统等，是以计算机自动采集方式输入的，因此CAD/CAM系统还应具备自动信息输入功能。9信息输出CAD/CAM系统的信息输出包括各种

7、信息在显示器上的显示、工程图的输出、各种文档的输出和控制命令输出等。图形和各种信息的显示是实现人机交互的基础；工程图的输出，是CAD/CAM系统的基本要求，尽管在某些场合实现了无图加工，但在工程设计中，二维图形依然是表达工程信息最直观的手段，在许多场合均需要输出二维图纸，加人工审图、CAPP中的工艺图、复杂的加工信息标注等；文档的输出种类繁多，如设计文档、工艺文档、数控程序、程序检验报方、备类调度单、质检单等；控制命令包括设备驱动命令等。在上述基本功能的基础上，分别构成成CAD、CAPP、CAM中各项任务的具体功能，如图1。3所示。1.1.3 CAD/CAM系统的组成与工作过程CAD/CAM是

8、辅助人们完成产品设计、制造各个环节的信息处理和辅助决策的技术，它克服了传统手工设计和信息处理的许多缺陷，充分利用计算机的信息处理与存储管理能力，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、名尽所长、紧密配合的系统。它主要研究对象的描述、系统的分析、方案的优化、计算分析、工艺设计、仿真模拟、NC编程以及图形处理等理论和工程方法。输入的是设计要求，输出的是制造加工信息，如图14所示CAD/CAM的工作过程包括以下几个方面：（1）通过市场需求调查以及用户对产品性能的要求，向CAD系统输入设计要求，利用几何建模功能构造出产品的几何模型，计算机特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

9、用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，确定产品总体设计方案及零部件的结构和主要参数，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在显示器上。（3）根据屏幕显示的结果，对设计的初步结果作出判断，如果不满意，可以通过入机交互的方式进行修改，直至满意为止，修改后的数据仍存储在系统的数据库中。（4）系统从数据库中提取产品的设计制造信息，在分析其几何形状特点及有关技术要求后，对产品进行工艺规程设计，设计的结果存入系统的数据库，同时在屏幕上显示输出。（5）用户可以对工艺规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

10、的工艺卡片或以数据接口文件的形式存人数据库，以供后续模块读取。（6）利用外部设备输出工艺卡片，作为车间生产加上的指导性文件，或由计算机辅助制造系统从数据库中读取工艺规程文件，生成NC加工指令，在有关设备上加工制造。（7）CADCAM系统在生成了产品加工的工艺规程之后，对其进行仿真、模拟，验证其是否合理、可行，还可以进行刀具、夹具、工件之间的干涉、碰掩检验。（8）将所生成的工艺文件和数控加工程序输人生产计划系统，进行生产平衡后制订相应的作业计划（包括物料采购计划、制造资源添置计划、生产加工计划、产品装配计划、质量检测计划等）。（9）将生成的作业计划输入运行控制系统，完成产品加工生产任务在付诸实施

11、的过程中，进行质量检测控制、进度控制、成本控制等，最后按要求生产出相应的产品。由上述过程可以看出，从初始设计要求、产品设计的中间结果到最终的产品生产，都是信息不断产生、修改、交换、存取的过程。系统应能保证用户随时观察、修改各个阶段的数据，实施编辑处理，直到获得最佳结果。因此，CAD/CAM系统应当具备支持上工作过程的基本功能。12 CADCAM技术的发展回顾1.2.1 CAD技术的发展CAD技术大致经历了四个发展阶段：1形成期 1950年美国麻省理工学院采用阴极射线管（CRT）研制成功图形显示终端，实现了图形的动态显示，从此结束了计算机只能处理字符数据的历史。1950年美国麻省理工学院（MIT

12、）研制出类似于示波器的图形设备“旋风I号”（Whirlwind I），用它可以显示简单图形。1958年，美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪；Gerber公司研制出平板绘图仪。整个50年代，人们大多采用电子管计算机，用机器语言编程。计算机主要用于科学计算，为之配置的图形设备仅具有输出功能，CAD技术处于被动式的图形处理阶段。2发展期 20世纪50年代后期出现了光笔，从而开始了交互式绘图。20世纪60年代初，开发了屏幕菜单点击、功能键操作、光笔定位、图形动态修改等交互绘图技术。1962年美国学者Ivan Suthcrland开发出第一个交互式图形系统Skechpad。此后，相继出现了一大批C

13、AD商品软件。如1964年美国IBM公司推出了商品化的计算机绘图设备，美国通用汽车公司的多路分时图形控制台，可实现各阶段的汽车设计。60年代未，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。但当时由于显示器价格昂贵，CAD系统很难推广应用，到20世纪60年代未期，显示技术产生了突破，显乐器成本大幅下降，CAD系统的性能价格比大大提高，CAD用户以每年30的速度增加。形成CAD产业。20世纪70年代的CAD技术还是以二维绘图和三维线框图形系统为主。 3成熟期 1973年诞生了第一个实体造型（Solid Modeling）试验系统，并于1978年推出了第一代实体造型软件，此后的二十年中实体

14、造型技术成为CAD技术发展的主流，并走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的CAD软件系统。实体造型技术的发展和应用大大拓宽了CAD技术的应用领域，出现了面向中小企业的CADCAM商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用者超过25000人。4集成期 在这个时期，图形系统和CADCAM工作站的销售量与日惧增。1981年美国实际安装CAD系统5000套，1983年超过12000套，1988年发展到63000套。CAD/AM技术从大中企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。同时，CAD技术和系统的开放性取决于其所用计算

15、机和系统软件的开放性。在这个时期由于微机加Windows 9598NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此，现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。同时，CAD、CAM各自对设计和生产所产生的巨大推动作用已被认同，加之设计和制造自动化的需求，出现了集成化的CAD/CM系统。1.2.2 CAM技术的发展美国自1946年研制出世界上第一台电子计算机以后，就不断地将计算机技术引入机械制造领域。1952年首次研制成功数控（Numerical control，NC）机床，该机床只需通过改变数控程序即可完成不同零件的加工，奠定了CAM的硬件基础。为解决加

16、工编程问题，1955年研制成功在通用计算机上运行的自动编程工具（APT）语言，实现了NC程序编制的自动化。为了进一步提高NC机床的生产效率和加工质量，于1958年研制成功自动换刀镗铣加工中心（Machining Center，MC），能在一次装夹中完成多工序的集中加工。随即于1962年，在机床数控技术的基础上研制成功第一台工业机器人，实现了物流搬运的柔性自动化。1962年出现了用一台通用计算机集中控制多台数控机床的直接数控（Direct Nc，DNC），从而降低了机床数控装置的制造成本，提高了工作的可靠性。数控机床与计算机辅助数控程序编制的出现，成为CAM硬、软件的开端。它将高效率与高柔性融合

17、于一体、实现了单机的柔性自动化，为现代制造技术柔性制造技术奠定了基础。1967年，英国莫林公司首先建造了一条由计算机集中控制的自动化制造系统，称之为“莫林24”（意即24小时连续加工）。它包括6台加工中心和1条由计算机控制的自动输送线并用计算机编制NC程序、作业计划和统计报表。紧接着美国辛辛那堤公司研制了一条与莫林24类似的系统，于20世纪70年代初期定名为柔性制造系统（Flexible Manufacturing System,FMS）。随着APT语言编程方法的广泛应用，编程方法的改进和加工程序的检验与评价成为CAM中的关键问题，20世纪70年代后期，由于几何造型技术、图形显示技术和数控编程

18、后置处理技术的发展和应用，出现了交互式图形编程系统，标志着CAM技术发展到了成熟阶段，随后，出现了加工过程仿真和加工程序检验系统，也为CAD/CAM集成莫定了基础。计算机辅助制造正向智能化、最佳化、集成化等方面发展和延伸，例如工艺设计方面的专家系统、智能化质量控制系统、优化作业排序与动态调度正处于发展之中。1.2.3 CAPP技术的发展最早出现的CAPP系统是挪威工业公司于1969年开发的AUTOPROS系统。早期的CAPP系统一般以成组技术为基础，把零件分类归并成族，制订出各零件族相应的典型工艺过程，然后按有关零件的具体工艺信息生成加工该零件的工艺规程，英国曼彻斯特大学于1980年开发的AU

19、TOCAP系统等均属此类系统。这类系统针对性强,只适用于特定的工厂,可移植性差，因而局限性大、适应能力差。但派生式CAPP系统的开发周期短、费用低、投资少和易于取得实际效益，是中小企业常用的方式。为了克服派生式CAPP系统的缺点，许多学者进行了创成式CAPP系统的研究工作。创成式CAPP系统中不存储典型工艺过程，它采用一定的逻辑算法，对输入的几何要素等信息进行处理并确定加工要素，从而自动生成工艺规程。例如美国普渡大学在1977年开发的APPAS系统、美国普渡大学和宾州大学在1983年联合开发的TIPPS系统、德国阿亨大学在1980年开发的AUTAP系统等。由于工艺过程涉及的因素太多，完全自动创

20、成工艺规程的通用系统仍停留在研究阶段。从20世纪80年代中期起，创成式CAPP系统的研究转向具有人工智能的专家系统方面，专家系统已成为CAPP的重要发展趋势。专家系统可模仿工艺专家的逻辑思维方式，利用专家的知识对非确定性的工艺过程设计做出逻辑决策。目前各国学者均在致力于使CAPP专家系统达到实用化和工具化。我国从20世纪70年代末期才开始研究CAPP。同济大学在1982年开发出国内第一个CAPP系统，即TOJICAP系统。至今国内已开发出上百个CAPP系统，其中有派生式、创成式，也有的是在人工智能技术基础上开发的专家系统。目前，CAPP主要应用在零件的机械加工方面，但已逐渐向其它工艺领域扩展，

21、如热处理、锻造、冲压和装配等，应用前景是广阔的。1.2.4 CADCAM的集成技术CAD/CAM系统在其形成和发展过程中，针对不同的应用领域、用户需求和技术环境，表现出不同的发展水平和构造模式。在数据结构、软件组织结构、数据标淮方面存在很大差异，CAD和CAM两项技术虽然差不多是同时诞生的，但在相当长的时间里却是按照各自轨迹独立地发展起来的。由于CAD、CAPP、CAM在数据结构、软件结构等方面的差异各系统之间很难自动完成数据交换，往往由CAD生成的设计信息需要手工转录到CAPP、CAM系统中，严重阻碍了CAD、CAPP、CAM效益的发挥。于是，20世纪70年代后期、80年代初提出了CAD/C

22、AM集成的概念，有力地推动了CAD、CAM技术向着一体化和集成化的方向发展。20世纪80年代，出现了一大批工程化的CAD/CAM商品化软件系统，其中较著名的有CADAM、CADIA、UG、IDEAS、ProENGINEER、ACIS等，它们应用于机械、航空航天、造船等领域。进人20世纪90年代以来，CAD/CAM系统的集成度不断增加，特征造型技术的成熟应用，为从根本上解决由CAD/CAM的数据流无缝传递奠定了基础，使CAD/CAM达到了真正意义上的集成，使得CAD/CAM系统能够发挥出最高的效益。13 CADCAM技术的应用1.3.1 CAD/CAM的应用状况近二十年中，CAD/CAM是发展最

23、迅速的技术和产业之一，也是应用领域最广泛的实用技术之，它推动了制造领域的革命。1990年，美国国家工程科学院对人类25年（1964一1989）的工程成就进行评比的结果中，CAD/CAM技术开发和应用在十大成就中居第六位：同时，这一新技术及其应用水平也己成为衡量一个国家工业生产技术水平和现代化程度的重要标志。目前，工业发达国家已有80以上的企业使用CAD/CAM技术；国内也的70的大中型企业使用了CAD/CAM技术，随着计算机硬件和软件的不断发展，CAD/CAM系统的性能价格比不断提高，使得CAD/CAM技术的应用领域也不断扩大；1990年全世界CAD/CAM的销售额已经超过100亿美元并逐年增

24、加，明显高于其它产业的增长率。据统计，到20世纪90年代切，CAD/CAM技术的应用已进入近百个工业领域。各种资料表明：公认应用比较成熟的是机械、电子、建筑等领域。表1.1出了1991一1995年全球CAD/CAM软件销售额。CAD/CAM软件销售额逐年增长，销售额年增长率也逐年提高（表12）并且最近几年有超过10的势头。这说明rADrAM系统的社会需求量大，应用前景十分广阔。航空航天、造船、机床制造、汽车都是国内外应用CAD/CAM技术较早的工业部门。首光是用于飞机、船体、机床、汽车零部件的外形设计；然后进行一系列的分析计算，如结构分析、优化设计、仿真模拟；最后根据CAD的几何数据与加工要求

25、令成数控加工纸带。航天部门不仅CAD/CAM的实施与推广应用做得好，而且在计算机管理力面也有较高水平；造船行业利用CAD/CAM系统提高了船体钢板下料的精度。每艘万吨级的船舶仅此一项就书约钢材约150200 t机床行业应用CAD/CAM系统进行模块化设计，实现了对用户特殊要求的快速响应制造，缩短了设计制造周期，提高了整机质量；电子工业应用CAD/CAM技术进行印刷电路板生产，并实现了不采用CAD/CAM根本无法实现的集成电路生产；在土木建筑领域，CAD技术，可节省方案设计时问约90、投标时间30、重复绘制作业费90；除此之外，CAD技术还可用于轻纺服装行业的花纹图案与色彩设计、款式设计、排料放

26、样及衣料裁剪；人文地质领域的地理图、地形图、矿藏勘探图、气象图、人口分布密度图以及有关的等值线、等位面图的绘制；电影电视中动画片及特技镜头的制作等许多力面。商品化以CAD/CAM软件系统代表了CAD/CAM技术应用的水平，目前市场上流行的CAD/CAM系统可大致分为两类，类是通用集成化系统，如CADAM、UGII、ProENGINEERI-DEASCV等；另一类是单功能系统，如GDS、GNC、PLOYSURF、GEMS等。我国在CAD/CAM技术方面的研究始于20世纪70年代中期，主要的研究单位是高等学校、当时的研究内容主要围绕二维图形软件进行开发，并在航空和造船工业首先获得应用，20世纪80

27、年代初，开始成套引进国外CAD/CAM系统，在此基础上进行二次开发并应用在少数大型企业和设计院所，取得了一定的成果。经过“六五”起步、“七五”攻关、“八五”推广，我国的CAD/CAM应用到20世纪90年代进入全面推广阶段，在科技部的统一部署下、原机械部开展CAD应用1550工程，培育了50家应用示范企业，带动了近500家CAD重点应用企业，与此同时，科技部、国防科工委也重点扶持了一批民用、国防企业推广应用CAD/CAM技术，如西安和成都飞机制造工业公司都建立厂飞机CAD/CAM系统；北京第一机床厂是国内推广应用CAD/CAM技术成效显著的企业，1994年通过了国家科委组织的BYJC-CIMS应

28、用工程项目的验收，并于1995年获得美国制造工程种师协会（ASME）颁发的“工业领先奖”。至20世纪90午代后期，我国CAD/CAM技术的应用企业覆盖了重型机械、矿山机械、工程机械、电工电器、机床、航空航天、兵器、仪器仪表、建筑、服装等行业，覆盖面和普及率达到近70，并形成了全国范围内的教育培训体系。在大力推广应用CAD/CAM技术的同时，在各级政府和企业资助下，开发了一批具有自主知识产权的软件系统，如清华大学高华CAD、华中科技大学开发的开目CAD、北京航空航大大学开发的华正CADCAM系统等，这使我国的CAD/CAM技术研究及应用水平有了一个较大的提高。我国科学技术部在CAD应用工程200

29、0年规划纲要中指出：“到2000年，在国民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广CAD技术，实现甩掉图板（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率推广我国CAD市场，扶持发展以CAD为突破口的我国自主创新的软件产业，建它起我国的CAD产业”。重点在机械制造业的大中型骨干企业和科研单位中普及应用CAD技术；同时，在全国各类企事业单价中大规模应用CAD技术。到2000年，机械制造业应用CAD技术的普及率和覆盖率均达70以上，CAD应用水平达到国外工业发达国家80年代未、90年代初的水平。工程设计行业CAD普及率和覆盖率均达到100，实现勘察设计手段从传统的手工方式向现代化方式转变。CAD

30、应用水平达到国际90年代中期先进水平。广义CAD的应用一般从绘制二维工程图开始，逐步深入到图纸文档电子化管理、三维造型、装演渲染、有限元分析与优化设计、工艺设计、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、制造资源管理、企业资源管理、异地协同虚拟设计制造等内容。 1.3.2应用CADCAM的效益如前所述，CAD/CAM不仅本身作为一项高新技术产业，产生厂巨大的经济效益（如表1.1），而且CAD/CAM的应用，从多个方面为企业带来了巨大的经济效益和社会效益。应用CAD/CAM技术进行产品的开发，能使设计、生产、维修工作快速而高效率地进行。例如，过去生产一个大规模集成电路芯片要花两年的时间而采用CAD/CA

31、M技术只要两用即可完成。美国道格拉斯公司开发F15战斗机，用CAD/CAM技术设计、试制，生产第一架飞机即解决了发动机气道和机舱密封等关键问题；美国采用CAD/CAM技术开发、生产波音747，要比英国的三叉戟飞机少用两年时间；美国GM公司在汽车开发中应用CAD/CAM技术，使得新型汽车的设计周期由5年缩短为3年。而且，新产品的可信度由20提高到60。1995年，制造业出现了一个划时代的创举波音777未经生产样机就获得了订货。CAD/CAM技术（数字化预装配）是实现这一创举、确保飞机设计和生产一次成功的关键技术之一。我国杭州汽轮机动力集闭公司推广应用CAD/CAM技术使得现有的90产品设计图样实

32、现了CAD，每项产品设计财间从个月缩短为个月关键零部件实现了数控加工，中小零件的工艺没计采用了CAPP技术，再如沈阳鼓风机厂将CAD/CAM技术用于透平压缩机生产，报价周期从原来的6周缩短到2周；技术准备用期从原来的12个月缩短到6个月；设计周期从原来的6个月缩短到3个月；该产品的三元叶片压型模的设计与创造周期由原来的个月，缩短到10天左右；供货周期从原来的18个月缩短到个月；整机运行效率提高了。沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得7三峡工程的招标项目；沪东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短13以上，造船的设计开发能力提高一倍使其从粗

33、放的造船模式向精密造船模式转化；西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改，避免了重大损失；寰球化工工程公司应用CAD技术在盘纳乙烯装置工程中，进行碰撞检查后，使95以上错误得以纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米，钢结构压缩机厂房10万个钉孔中，不对中的孔不到10个，这是人工设计。绝对办不到的。在我国类似的实例不胜枚举。美国科学研究院的工程技术委员会曾对CADCAM集成技术所能得到的效益进行了测算（表1.3）。 综上所述，CAD技术与CAM技术结合起来，实现设计、制造一体化，具有明显的

34、优越性,主要体现在；（1）有利于发挥设计人员的创造性，将他们从大量繁琐的重复劳动中解放出来。（2）减少了设计、计算、制图、制表所需的时间缩短了设计周期。（3）由于采用了计算机辅助分析技术，可以从多方案中进行分析、比较，选出最佳方案，有利于实现设计方案的优化。（4）有利于实现产品的标准化、通用化和系列化。（5）减少了零件在车间的流通时间和在机床上装卸、调整、测量、等待切削的时间，提高了加工效率。（6）先进的生产设备既有较高的生产过程自动化水平，又能在较大范围内适应加工对象的变化，有利于企业提高应变能力和市场竞争力。（7）提高了产品的质量和设计、生产效率。（8）CADCAM的一体化，使产品的设计、

35、制造过程形成在经济上、技术上给企业带来综合效益。14 CADCAM技术的新发展1.4.1制造业面临的市场形势当今世界，科学技术突飞猛进，世界经济格局变化已大，市场竞争日益激烈。产品需求向个性化、多样化方向发展，传统的制造模式不能适应瞬息万变的市场需求。世界性的激烈竞争使得市场变化得太快，以至企业的自我调整变化的速度跟不上市场变化速度，这是影响企业生成和发展的世界性问题。在这种情况下，多品种、变批量的制造模式正逐渐取代传统的制造模式。新的制造模式和竞争策略要求企业追求更完善的T、Q、C、S，即上市时间（Time to Market）短、质量（Quality）高、成本（Cost）低及售后服务（Se

36、rvice）完善，这给产品设计与制造带来了很大的压力。人类已经步入知识经济和信息化的时代，随着世界自由贸易体制的不断完善，全球统一大市场的形成以及全球信息高速公路网络和交通运输体系的建立，制造业将得以借助全球互联网络、计算机通汛和多媒体技术实现全球或异地制造资源（知识、人才溃金、软件、设备等）的共享与互补。制造业、制造产品和制造技术走向国际化，制造自动化系统也进一步向网络化、全球化方向发展。基于因特网的全球制造将在不久的将来变成现实，敏捷制造企业和虚拟公司将应运而生，真正的虚拟制造系统和敏捷制造系统也将在21世纪面世。进人20世纪90年代以来，世界经济表现为竞争全球化、贸易自由化、需求多样化产

37、品生产朝多品种变批量方向发展，从而对制造企业快速响应市场和一次制造成功的要求日益迫切，快速设计、快速可重组制造、敏捷制造等技术也因此得到快速发展。在制造自动化系统内部，计算机集成技术、智能技术、柔性自动化技术、现代管理技术等相互交织在一起。在CIMS中，加工、检测、物流与装配过程之间，产品设计、材料应用、加工制造、组织督理之间界限逐渐模糊，趋于一体化；CADCAM一体化技术的发展，使设计与制造连接为体，以开发少图纸、无图纸快速制造技术。综上所述，未来制造业正呈现出如下特点：1）产品开发周期缩短、上市时间更快。这是本世纪市场环境和用户消费观所要求的，也是赢得竞争的关键所在。这一点从美国制造业竞争

38、策略的变化可以看出。美国制造业的策略从20世纪60年代的“规模效益第一”，经过70年代和80年代的“价格竞争第一”和“质量竞争第一”，发展到90年代的“市场速度第一”，时间因素板提到首要位置。企业若要提高市场占有率，在T（时间）、Q（质量）、C（成本）、S（服务）、E（环境）目标下，加强时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力、创新竞争能力。其中最重要的能力是创新能力，企业的创新不仅指产品设计和生产工艺上的创新，还要包括制造观念的更新，组织和经营的重构、资源、技术和过程的重组。2）制造系统柔性化。面对市场需求的多样化、个性化，企业不仅要具备技术上的柔性，还要具备管理和人员组织上的柔性。未来制造

39、业必须通过快速重组来捕捉不可预见的机会。3）整个产品生命周期内的质量保证。产品质量的完整概念是顾客的满意度，包括可用、实用、耐用、好用、宜人。4）企业的组织形式将是跨地区、跨国家的虚拟公司或动态联盟。Internet为虚拟公司或动态联盟的实现提供了信息技术的基础。5）生产过程更加精良。产品开发、生产、销售、维护过程更加简化，生产工序更加简单，从而降低成本，提高劳动生产率，缩短上市时间。6）人员素质要求更高。未来制造业要求全体职员具有更高的技术、管理和协作素质，每个人都应常握多种技术，胜任多种工作，对企业状况和市场环境了解，员工之间有高度的信任和协作精神，充分发挥企业的群体优势。7）智能化程度更

40、高。广泛应用人工智能技术、各种设备的智能化程度大大提高。8）绿色制造。因为环境问题是人类社会所面临的共同问题是关系到人类生存的大问题、也是社会能否持续发展的重要问题，因此引起了人们的广泛关注。 9）分布、并行、集成并存。分布性更强、分布范围更广，是全国、全球范围的分布；并行化程度更高，许多作业可以跨地区、跨部门、分布式并行实施；集成化程度更高，不仅包括信息、技术的集成，而且包括管理、人和环境的集成。 为了适应未来制造业的发展，对CADCAM及其相关技术提出了新的需求； 1）集成化 在过去制造系统中仅强调信息的集成，这是不够的。现在更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念

41、，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成、技术集成及人员集成。2）智能化 应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、支持用户到产品报废回收等）各个环节的智能化，实现生产过程包括组织、管理、计划、调度、控制等）各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合及人的智能的充分发挥。3）网络化 网络技术包括硬件与软件的实现。各种通讯协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。4）分布式并行处理技术 分布式并行处理技术实现制造系统中各种问题的协同求解、获得系统的全局最优解，实现系统的最优决策。5）多学科、多功能综合产品开发

42、技术 机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理论与知识（力学、材料、工艺等），而且还涉及到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。6）虚拟现实技术 利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像、动画于一体，给人一种真实感及身临其境感。7）人一机一环境系统技术 将人、机器和环境作为一

43、个系统来研究，发挥系统的最佳效益：研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术、人在系统中的作用及发挥、人机柔性交互技术、人机智能接口技术、清洁制造等。 1.4.2 CADCAM新的发展方向尽管对于传统意义的设计制造而言，CADCAM技术的发展己比较成熟，但对于如上所述的强大的社会需求和相关新技术的发展与推动而言。CADCAM技术仍然具有很大的发展空间、CADCAM是一项仍处于高速发展的技术。CADCAM的新发展主要围绕CADCAM的纵深发展、概念的拓展和工作环境改善三个主要方面展开。CADCAM的纵深发展主要表现在功能的完善和水平的提高上，如支持TOPDOWN的CADCAM技术、支持DFx的C

44、ADCAM技术。智能CADCAM技术等；CADCAM概念的拓展主要表现在CADCAM向产品设计制造过种的各个环节的延伸、覆盖面的不断扩大，如计算机集成制造、CADCAM与MPR、ERP的集成等：工作环境的改进与完善主要表现在并行工程、虚拟制造技术、支持异地设计制造的CADCAM技术等。具体的发展内容和方向是多种多样的，下面仅从几个方面对CADCAM的新发展作简要介绍。1支持TOPDOWN的CADCAM技术众所周知，产品的设计过程实际上是从概念设计阶段入手，逐阶段确定并求解设计参数直到详细设计阶段完全确定零件的设计参数，即自顶向下（TOPdown）的设计。然而目前的绝大多数CADCAM系统则相反

45、、它要求先完成产品零件的详细设计后，才能得到产品的部件及整机的装配图和整体性能分析，即只支持自底向上（Bottom-up）设计。支持TOPDOWN的CADCAM技术，首先应进行功能分解，即通过设计计算将总功能分解成一系列的第一级子功能，确定每个子功能参数；其次进行结构设计，即根据总的功能及各个子功能要求，设计出总体结构（装配）及确定各个子部件（子装配体）之间的位置关系、连接关系、配合关系、位置关系、连接关系、配合关系及其它参数（如子功能参数）通过几何约束或功能参数约束等求解确定。对各个子部件（子装配体）功能进行功能分析，对结构进行装配性、工艺性等分析之后，返回修改不满意之处，直到得到全局综合指

46、标最优。然后分别对每个部件进行功能分解和结构设计，直到分解至零件。图15是面向装配、制造的概念设计、系统结构设计的集成理论框架。2支持DFx的CADCAM技术DFx代表了当代的一种产品开发技术，它能有效地运用于产品升发，实现产品质量的提高、成本的下降和缩短设计周期。 DFx具体包含有面向装配的设计、面向制造的设计、面向服务的设计、面向可靠性的设计和面向检测的设计。面向装配的设计（DFA），目的是在设计时通过对零部件的控制来降低装配时的复杂性。也就是通过消除或合并零部件的方式，使制造商达到减少装配时间和装配成本的目的。对每一个零部件都考虑是否有必要单独设计或是与其余零部件融合在一起以减少装配数，

47、以此指导产生了产品设计的系统化简化。面向制造的设计（DFM），是注重制造过程中每一零部件的成本估算，成本受制造的繁简、工艺要求、工序多少影响。需要设计师在加工过程和装配成本以及零部件优化设计中做出平衡决策。同时，也要求设计师在资源库中编制出合适的工装、机床及材料的使用分配方案。另外，要在一定的约束下考虑，如精度要求、能源限制等。面向服务的设计（DFS）、为产品高效的维护和维修而提供的一种产品设计方法，它为具体的每一款服务建立了一套操作顺序，区分出维护时哪一部分军部件是需废弃或是可替代，是根据具体维护方式的难易而定，并且需要考虑维护、维修操作中的拆卸顺序的规范、时间消耗以及拆卸后的再装配顺序和时

48、间消耗。3智能CADCAM技术机械设计是一项创造性活动，在这一活动过程中、很多工作是非数据、非算法的。所以，随着CADCAM技术的发展，除了集成化之外，将人工智能技术、专家系统应用于系统中，形成智能的CADCAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能及智能化的视觉、听觉、语言能力，从而解决那些以前必须由人类专家才能解决的概念设计问题。这是一个具有巨大潜在意义的发展方向，它可以在更高的创造性思维活动层次上给予设计人员有效的辅助。基于计算机智能技术的产品敏捷开发技术就是智能制造思想与CADCAM技术密切结合的必然结果。智能化产品敏捷开发技术包括方案优化智能子系统、结构优化智能子系统、结构分析智能子系统、产品详细设计智能子系统、CAM智能子系统和智能化产品数据管理模块，分别对应智能CAD、CAE、CAPP、CAM技术，如图l. 6所示。4并行工程并行工程（Concurrent Engineering）是随着CADCAM、CIMS技术发展提出的一种新哲理、新的系统工程方法。这种方法的思路，就是并行地、集