CAM技术在汽车制造行业应用_cam在汽车行业应用

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CAD/CAM技术在汽车制造

行业中的应用

课程：CAM与自动编程姓名:学号:

日期: 2012年12月

一、CAD/CAM技术概述

CAD/CAM是先进制造技术中的重要组成部分。其中，CAD 是Computer Aided Design的英文缩写，指计算机辅助设计。狭义的计算机辅助设计是指采用计算机开展机械产品设计的技术，主要应用于计算机辅助绘图（Computer Aided Drafting），广义的计算机辅助设计指借助计算机进行设计、分析、绘图等工作，包括几何建模、装配及干涉分析DFA、制造性分析DM、产品模型的计算机辅助分析CAE等等。CAM即Computer Aided Manufacturing，指计算机辅助制造，狭义上指计算机辅助编程，即一个从零件图纸到获得数控加工程序的全过程，主要任务是计算加工走刀中的刀位点(Cutter Location Point)，包括三个主要阶段：首先是工艺处理，即分析零件图，确定加工方案，设计走刀路径等：其次是数学处理，即处理计算刀具路径上全部坐标数据；最后是自动编制出加工程序，即按数控机床配置的数控系统的指令格式编制出全部程序。广义上的CAM则还包括计算机辅助工艺规程编制CAPP（Computer Aided Program Planning）和计算机辅助质量控制CAQ（Computer Aided Quality）。

二、CAD/CAM技术的发展

CAD/CAM指的是计算机辅助设计和计算机辅助制造的集成技术，CAD/CAM将设计和工艺通过计算机有机结合起来，直接面向制造，减少中间环节。上世纪50年代CAD技术处于被动式的图形处理阶段。60年代计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想被首次提出，从而为CAD/CAM技术的发展和应用打下了基础。60年代中后期出现了许多商品化的CAD设备。1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统，出现了面向中小企业的CAD/CAM商品化系统。到了80年代，CAD/CAM技术迅猛发展，CAD/CAM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。90年代，CAD/CAM技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，图形接口、图形功能日趋标准化。

我国开展CAD/CAM技术应用工作在上世纪70年代，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。由于采用CAD/CAM技术投资大，有较大风险，效益回报有一定的滞后期，所以在原有经济体制下难以推广。在过去，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。另外，人才培养的不足也影响了在我国的发展，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。

三、CAD/CAM技术在汽车工业的应用状况

美国福特汽车公司在CAD/CAM技术方面处于领先地位。早在80年代初，福特公司就着手CAD/CAM系统的规划，建成了以工作站为主体的环形网络系统；1985年已经有一半以上的产品设计工作使用图形终端实现；1986年新开发的TAURUS和SABLE轿车，大约70%的外钣金件使用CAD/CAM;90年代初全面实行产品开发的CAD/CAM应用率可达100%。福特公司1990年工作站已达2000台，以FGS工作站(约占70%)和CV工作台(约占18%)为主，其应用

软件主要为自行开发的PDGS和CAD/CAM。1993年以后，福特汽车公司提出了C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)概念，并决定今后将采用I-DEAS软件作为其主流核心软件。德国各大汽车公司普遍采用CATIA作为其CAD/CAM系统的主导软件。1994年，德国大众集团决定用CATIA和Pro/Engineer作为其将来开发新车型的主导CAD系统。法国雷诺汽车公司应用Euclid软件作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，并开发出很多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavision,用于钣金成形分析的OPTRIS等。日本三菱汽车公司1960年从冲模的NC数控加工着手，以CAD/CAE/CAM为动力，对从设计到制作的各项工程踏踏实实地进行了改革，至今，已形成了从车型款式设计到车身组装的新车型开发的完整的CAD/CAE/CAM系统。

我国的CAD/CAM工作始于70年代，发展迅速，已取得了良好的经经济效益。少数大型企业，如一汽、二汽等，已建立起比较完整的CAD/CAM系统，其应用水平也接近国际先进水平。汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一。汽车车身模具是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一个关键环节。在汽车新车型的设计调试直至投产的整个周期中，模具设计和制造约占三分之二的时间，汽车覆盖件模具作为车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车的质量和新车型的开发周期。汽车覆盖件不同于一般的冲压件，它具有曲面多、尺寸大、材料薄、结构形状复杂、精度要求高等特点，其模具制造技术难度大、成本高、开发周期和质量都难以控制。CAD/CAM技术作为一种现代设计制造方法，把它引入汽车覆盖件模具生产实际中，可以大大缩短汽车开发周期，提高生产效率和市场竞争力。

在上世纪末期，CAD/CAM技术就在上海汽车公司的汽车开发方面得到了很好的应用。汽车结构的设计,主要是零部件的设计及装配设计。由于汽车零件不仅多, 而且形状复杂,自从CAD技术引进之后,传统的手工绘图已基本过时。三维建模二维出图的CAD方式,目前在汽车设计行业中占绝对主角。CAD软件一般都具有丰富的建模能力,主要分曲面建模和实体建模两大类曲面建模就是用曲面表达物体的形状, 这种建模方式适于车身这类复杂曲面形状的钣金件设计。实体建模就是过几何体布尔运算得出物体形状,这种建模方式适于底盘零部件的设计一些软件还应用工程概念提供特征建模功能,可直接生成孔,摘、抽薄壳,拔模角等。当然, 现代的CAD软件一般都兼备多种建模方式,只是各自优势不同。模型生成之后,工程师可在计算机屏幕上随意旋转设计模型,从各种不同的角度观察物体,对产品形状进行分析修改,最终得到形状、尺寸满意的零件数模。三维建模完成后,可以立即转入图纸生成方式,计算机会自动将三维模型投射成所需的各种视图,工程师只要选择图纸幅面,然后合理安排各视图。再进行尺寸标注,增加技术要求,填写明细栏等图纸完善工作。即可输到绘图机上绘制出干净整洁的工程图纸。当然，CAD应用之初,许多人对CAD的理解为用计算机出图纸。但对现代的CAD技术来说,这种看法是片面的。CAD的实质是辅助设计者进行产品设计,设计者用三维建模表达出设计思想后,相当于拥有了一个虚拟的样品,不仅可观察其形状,更可用它做一项重要的工作—盛拟装配。对于汽车这一复杂的产品, 教以万计的零部件要完全正确装配,除了制造上的要求,设计的合理也是至关重要的。零部件的三维建模正是度拟装配的得力助手,它不仅能带助设计者了解零部件的空间位置关系,还能通过一些机构分析软件,如ADAMS等了解零部件在使用过程中的运动情况,观察零部件在工作状态是否会出现运动干涉。可以说，在产品生产出来之前，设计者就能了解零部件的情况工作，对设计很有帮助。

在设计开发过程中,为了实际观察零部件的具体形状,而不仅仅是在屏幕上看到零件的图形,往往要试加工出零件,目前在世界上各大汽车厂都还保留着用木头,塑料等易成型材料手工制作模型的手段但是现在,通过用快速成型及数控加工等现代技术,尽快加工出零件进行形状分析及尺寸检查已越来越普及地得到应用。另外,更为重要的是,CAM加工出的模型,今后可以直接用来翻制模具,可节约模具制作的成本。

除了能够进行汽车的开发与设计工作，CAD/CAM技术还在汽车覆盖件模具的设计制造方

面得到了广泛的应用。一般情况下，一个基本车型全套模具的设计制造周期长达4年之久，因此汽车覆盖件模具的开发生产是汽车新产品开发的决定性环节。应用CAD/CAM/CAPP集成技术是保证模具设计、加工质量和提高生产效率最有效的途径。为适应汽车工业的发展．国外模具厂已普遍采用CAD/CAPP/CAM集成技术进行模具设计制造。大大缩短了模具设计制造周期，降低了成本。世界上较著名的汽车制造公司都有自己的模具CAD/CAM/CAPP系统。如美国AUTODIE公司采用了CAD/CAM/CAPP系统后。一种车型覆盖件的模具设计与制造只需要8个月左右。经过几十年的努力．我国一些大型汽车模具制造厂家已经广泛采用DNC/CAD/CAM等先进制造技术，取得了长足的发展。但与国外相比存在很大的差距。各项技术的相互独立，造成生产力低下，一些关键的汽车覆盖件模具仍然依靠国外来设计制造。因此，汽车覆盖件模具CAD/CAPP/CAM集成技术的应用已成为国内工业界和学术界研究的重点。

（1）汽车覆盖件的要求与特点

汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件、车身以及驾驶室的全部外部和内部形状都是由汽车覆盖件组装而成；由于汽车覆盖件属于外观装饰性零件，它不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。因此对表面质量要求很高，表面必须光顺，不允许有任何皱裂和拉痕等缺陷，任何微小的缺陷都会破坏外形的美观。这给覆盖件成形的关键工序--拉延--提出了很高的要求，而传统的手工设计制造方法难以保证拉延件的质量，这也是车身制造技术的难点和关键所在。此外，汽车覆盖件又是封闭薄壳状的受力零件，当汽车高速行驶时，如果覆盖件刚性分布不均匀，刚性较差部位受到震动会产生空洞声，从而产生较大噪音。因此在拉延成形时，我们必须克服由于塑性变形的不均匀性而产生的覆盖件刚性分布不均匀。除此之外，由于汽车覆盖件多为空间立体曲面，还具有形状复杂、结构尺寸大、材料薄等特点，所有这些，都对汽车覆盖件模具设计和制造提出了特殊的要求。

（2）CAD/CAPP/CAM技术在汽车覆盖件模具设计制造中的应用

CAD/CAPP/CAM技术以计算机和数控机床为主要设备，以覆盖件的数学、力学模型为依据，在模具设计、成形分析及制造技术各环节中直接发挥作用。

汽车覆盖件模具设计，主要包括工艺设计和结构设计。工艺设计主要是指汽车覆盖件的三维设计以及工艺补充面的三维设计，工艺设计主要解决曲面造型问题，由于汽车覆盖件空间曲面多、形状复杂，因此这个过程技术难度较高。而结构设计是依据工艺设计的结果，设计模具具体部件，对这个过程要求速度快、效率高，要解决上述问题，必须借助先进的计算机辅助设计CAD技术。汽车覆盖件模具的制造过程中，采用计算机辅助制造CAM技术具有加工精度高、生产周期短等优点。传统的车身开发是以实物模型来表示车身表面的几何信息，这样，在传递过程中，很容易发生模型变形、数据传递误差、误差积累等诸多问题，严重影响车身覆盖件模具的制造精度。同时延长生产周期，采用CAM技术制造模具，省略了制造工艺模型这一环节，首先是按产品图或数据表把零件的特征点元素输入计算机，利用软件提供的曲线-曲面功能建立零件表面的数学模型，从而生成数控加工所需的刀具轨迹文件，用来控制数控机床的运动，加工出所需的零件表面，由于加工过程是基于高准确性的计算机模型，从而减少了产生制造误差的因素，提高了制造精度。

对于一个已掌握CAD/CAM技术的厂家，更加关心的则是冲压件能否成形，产品质量能否合格，但这往往是难以预知的，由于汽车覆盖件形状复杂，冲压成形过程中板材成形性难以预先估计，模具设计正确与否无法事先知道，模具加工完成以后问题才会暴露出来，这样给模具调试带来很大困难，计算机辅助工程,CAM技术可以协助CAD/CAM对冲压成形过程进行模拟，对实际冲压件的成形性进行分析，及早发现问题，并通过计算机模拟改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模成本。

采用CAD/CAM技术和各种数控机床及三坐标测量仪相结合，使汽车覆盖件模具的开发制

造呈现前所未有的面貌，模具精度大幅度提高，模具寿命延长，2倍以上，模具开发周期较原来缩短3倍以上，开发制造的成功率也大幅度提高。

汽车覆盖件模具CAD/CAM技术必然会朝着智能化、专业化、集成化方向继续发展。为了真正实现汽车覆盖件模具设计制造的自动化，必须开展智能化研究工作，把总结出来的以往设计、制造中的成功经验应用到模具设计中去，形成计算机里的知识库和智能库，并采用检索、修订、创成等混合决策技术和多智能体技术的综合智能化，从而形成基于知识的智能化交互式系统框架，真正实现先进性和实用性的要求。在未来几年里，对国外先进的CAD/CAM软件进行二次开发，使之更加专业化，也将是许多模具厂家的经济可行的选择。此外，汽车覆盖件模具设计制造过程是一个信息处理、交换流通和管理的过程，将CAD/CAM技术有机地集成在一起，能够更好对设计和制造过程中信息的产生、转换、存储、流通管理进行分析和控制，从而实现效益最大化。一些发达国家在这方面的应用技术已经相当成熟，我国在这方面的研究也已取得一定的进展，但还未进入实质性的应用阶段，在接下来的时间里CAD/CAM的系统集成技术也必然在我国得到广泛应用。

结束语：

CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM技术是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。CAD/CAM技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。在汽车覆盖件模具设计制造过程中引入CAD/CAM技术，不仅提高了模具设计质量，而且缩短了模具制造、调试周期，降低了制模成本。随着科研人员的不断努力，许多新技术、新设备、新工艺将陆续投入到生产实际中，从而缩短与国际先进水平的差距。而汽车覆盖件模具CAD/CAM技术的不断成熟必将推动我国汽车工业的进一步发展。

CAD/CAM技术给制造行业带来了巨大变革，使传统的制造业发生了质的飞跃，在全球范围内受到普遍关注和重视，在这一时代背景下，我国机械制造业要想跟上时代的步伐，必须把握好机械CAD/CAM技术的正确发展方向，更加深入的应用CAD/CAM技术。在国家举措的推动下，我国机械制造企业要重视CAD/CAM技术的推广应用，把CAD/CAM技术视作企业发展的关键，不惜代价投入资金、引进人才。科研单位要紧跟世界潮流，跟踪国际动态，并结合我国国情及规范，面向国内生产单位，开发出具有我国特色的CAD/CAM产品。不断加大科技创新力度，使我国的CAD/CAM产品更加方便实用，成为世界先进产品。

参考文献：

［1］《客车车身覆盖件的设计与制造》 周方寿 机械工业出版社，1998

［2］《汽车覆盖件模具CAD技术的应用与发展》 王洪俊 机械工业出版社，2000［3］《汽车车身制造工艺学》 邓仕珍 北京理工大学出版社，2001

［4］ 《CAD/CAM技术在工程设计中的应用》 周激流,何其超编

［5］ 《CAD/CAM应用技术》 汤德忠 李正吾编著 机械工业出版社，1988