CADCAM技术的应用及发展趋势展望_cadcam技术的发展趋势

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CAD/CAM技术的应用及发展趋势展望

工业工程2011级姓名：崔成平学号：20111030311

5摘要：

在技术发达的今天工业社会，计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM)在工程设计、制造等领域具有重要革新、高效率的高新技术。随着计算机技术日益成熟和强大，CAD/CAM自动加工对社会的机械等行业产生了巨大的影响，对社会产生翻天覆地的影响和巨大的经济效益。自从1952年研究出来了数控铣床，即出现CAM技术，利用计算机来进行生产管理和操作；60年代出现CAD,随后在全球范围迅速普及和应用，至今CAD/CAM已经发展了大半个世纪。对制造业来说，CAD/CAM是提高产品设计品质和制造品质、缩短产品开发周期，降低产品开发成本的强有力手段，已成为企业赢得市场的制胜法宝。CAD/CAM技术的出现推动了几乎一切领域的设计革命,到如今CAD/CAM技术的发展和应用水平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 本文介绍了CAD/CAM技术的发展过程及应用领域, 阐述该技术的发展对现代化机械技术起到至关重要的作用和影响。并对该技术在集成化、智能化、网络化、绿色化、综合化等方面的发展趋势和应用前景进行展望。

现代各种新科学技术不断发展的今天，产品的设计和制造都可以有计算机来完成。特别是数字化CAD/CAM技术，在各种机械产品的生产和设计过程中有举足轻重的作用和重要地位。就目前而言，CAD/CAM技术和水平已经发展到相对成熟的时候，在工业发达的的国家，CAD/CAM技术应用已经快速的从军事工业向民事工业转移和发展，有大型企业向中小型企业推广，由高新技术产业区域逐步向汽车、日用家电、轻工业普及。由于CAD/CAM技术是逐步综合计算机辅助设计、制造和管理系统，他可以实现零件的设计和分析、有限元分析、虚拟装配和仿真、数控加工和仿真等许多计算机辅助功能，从而在工程设计制造人员的主要设计制造工具，在现代的设计制造业中发挥着愈发重要的作用。

一、CAD/CAMCAD/CAM软件技术现状

1.CAD/CAM技术向一体化技术过渡指的是指的是CAD与CAM各模块之间信息的提取、交换、共享和处理的集成。与之有关的技术有CAD、CAPP（计算机辅助工艺过程设计）、GT、Databases等。其中，产品建模技术、CAPP、及NC技术、工程数据的管理、各模块间的数据交换接口是CAD/CAM一体化的关键技术。基于图形学发展起来的CAD软件，它的基本功能有：产品信息的输入、检查修改和零件图的绘制。优秀的CAD软件，除了线框建模、曲面建模、实体造型的造型和建模方式外，还有特征造型、参数化设计、可变建模等功能。它不仅能提供产品的几何信息，还能提供公差、表面粗糙度、材料性能、加工要求等产品的制造信息。CAD软件系统还包含各种编辑工具、自定义功能、与其它高级语言的接口）并定义有符合国际标准的数据交换格式，以便用户在此基础上进行二次开发。

为了将CAD与CAM集成一个完整的系统集成一个完整的系统，即希望在CAD做出设计后，由计算机辅助工艺师制定出工艺计划，包括刀具选择、刀具轨迹、切削用量、切

削速度、主轴转速等，然后自动生成NC代码，这就是计算机辅助工艺规划（CAPP）。计算机辅助工艺规划是连接CAD和CAM的中间环节。CAD数据库的信息只有经过CAPP系统才能变为CAM的加工信息。CAPP的设计方法有两种。一种是以成组技术（GT）为基础的经验型CAPP，它有派生法或检索法；另一种是依靠事先规定的逻辑决策，利用规定的加工要求和逻辑原则自动生成零件的工艺过程的创成型CAPP（Generative Approach），它属于人工智能型的设计方法。派生法和创成法相结合的设计方法——综合设计法是当前主要的设计方法，它利用派生法设计工艺路线用创成法设计工序内容。一个比较完善的CAPP系统，应具有：加工方法的选择（车、铣、刨、磨、镗、钻等）；工艺路线安排；加工设备与工艺设备（刀具、夹具）的选择；工艺尺寸的换算（加工余量，工序尺寸及公差）；切削参数选择（切削速度，进给量、切削深度）；零件NC编程能力。由上所述，制造单元的计算机辅助制造单元（CAM）不是孤立的，它是以产品的计算机辅助设计（CAD）为基础，以计算机辅助工艺规划（CAPP）为桥梁，完成产品的计算机辅助制造，因此被称为CAD/CAM一体化。目前国内外研制、开发、销售的CAD/CAM软件，实际上是制造单元的CAD/CAM，主要是针对数控机床的CAD/CAM软件

二、数字化CAD/CAM技术应用

既然提到数字化，那么数字化CAD/CAM技术有别于传统的CAD/CAM技术。它是综合了传统的CAD/CAM技术、人机工程技术、工业设计技术、图形显示技术、现代控制技术、网络技术、数据库技术、逆向技术、数控加工技术于一身的多学科技术。CAD/CAM技术是不仅是为了缩短产品的研发周期、提高生产率和降低生产成本，更是对传统设计制造的一次彻底的更新。它不仅是一般意义上的无纸设计和计算机辅助设计制造，而是带来了一次全新的设计制造概念。例如数字化CAD/CAM技术的发展，对飞机制造技术的发生根本性的改变。波音飞机777的问世，标志着过去使用模线—样板—量规—标准样件——零件成型模具和装配型架的模拟量传递体系，转变为全机数字化定义一飞机的结构三维建模—数字化与装配—数控加工—数控检测的数字量传递体系。使工程设计水平和飞机研制效率得到了巨大的提高，设计更改和返工率减少了50%，装配时间出现的装配问题减少了50%到80%，制造成本降低了30%到40%，产品研发周期缩短了40%到60%，产品交货期有18个月减少到12个月。

数字化CAD/CAM技术的发展是决定机械制造产品制造周期和成本的两大核心技术，成为提高机械产品技术水平的关键因素。在机械产品的数字化设计中，利用CAD/CAM等先进技术实现机械产品的结构设计和优化。相对与传统的手工和计算机平面绘图，采用CAD/CAM技术可将机械产品的开发周期大大缩短、提高效率、节约人力、物力和财力。另外采用CAD/CAM技术可实现机械产品的三维可视化建模，有利于设计、制造和终端互相应用之间的沟通和交流，使机械产品延伸到机械产品的设计中。

数字化CAD/CAM技术也在液压系统中得到广泛的应用，如液压成块的设计与制造系统是集设计、工艺、制造、装配等为一体的计算机辅助系统。系统各模块内部以及相互之间存在着大量数据的运输和信息的交换。而工程数据库则是实行数据存取、管理和交换的工具。通过建立液压集成块CAD/CAM系统工程数据库，可以将系统的各项工作联系在一起。实现整个系统高度的集成，提高工作的效率，从而为最终的设计和生产保存数据。

三、CAD/CAM技术发展趋势

21世纪以CAD/CAM技术为代表的制造业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化，追求的目标是在最快的时间内、以最低的成本生产出满足用户需求的产品。具体表现出以下几个特征：

3.1 集成化

集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM以至PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。国内外大量的经验表明：CAD系统的效益往往不是其本身，而是通过CAM和PPC系统体现出来；反过来，CAM系统如果没有CAD系统的支持，花巨资引进的设备往往很难得到有效利用；PPC系统如果没有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据，订出的计划也较难贯彻执行，所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此，人们着手将CAD、CAE、CAPP、CAM和PPC等系统有机地、统一地集成在一起，从而消除“自动化孤岛”，取得最佳的效益。

3.2 智能化

智能型CAD/CAM系统是人工智能技术应用在产品的设计、分析、制造中，尤其是机器人技术和专家系统技术。专家系统是一种问题求解智能软件系统，在某些专业领域内，它把人类专家的知识和经验转换成计算机能够处理和接收的符号形式，按照专家的控制策略和推理方式，解决该领域内原来只有专家才能解决的问题。CAD/CAM系统应用逐步深入，逐渐提出智能化需求，设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等；并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。

3.3 网络化世纪，制造业从获取需求信息，到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、进行加工制造，直至营销，整个生产过程都将实现全球化。CAD/CAM系统的网络化是能使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上并行处理的并行化产品设计应用系统；是能提供产品、进程和整个企业性能仿真、建模和分析技术的拟实制造系统；是能开发自动化系统，产生并优化工作计划和车间级控制，支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统；是能对生产过程中物料进行管理的物料管理应用系统等。随着计算机网络技术的不断完善，CAD/CAE/CAM系统的网络化已成为不可阻挡的发展趋势。网络化可以充分发挥系统的总体优势，使一个项目在多台计算机上协作完成。借助现有的网络，不同设计人员可以通过网络交流设计数据，同时对产品的设计与制造进行操作和评价。

3.4 绿色化

绿色化现已成为CAD/CAM技术的新趋势。当前，全球环境的恶化程度与日俱增，制造业一方面是创造人类财富的支柱产业，但同时又是环境污染的主要源头。因此，无论从技术发展，还是从需求推动的角度，绿色制造已经在影响和引导当今的技术发展方向。从产品设计到制造技术，从企业组织管理到营销策略的制定，一批绿色制造技术的概念已经在发展之中。

3.5 综合化

未来产品的开发设计是机械科学的理论知识与电磁学、光学、控制理论等多学科知识的有机结合。未来的CAD/CAM技术最主要应该是与材料粒子或熔融状态下的模具成型技术有机地结合在一起，运用CAD/CAM 技术设计完成产品的制造流程后，连接CAD/CAM主机的制造系统(粒子填充机或熔融储存器)就会立即在自生系统内运用被无限细分后的小方块特殊板材（耐高温，高压）生成CAD/CAM所设计的零件形状，然后根据在CAD/CAM系统中设计好的材料的粒子或熔融态物质进行填充，填充满后进行冷却即得到所需的零件。当然，这其中还会涉及到粒子或熔融物质填充时的气泡消除技术，粒子或液态物资的冷却技术等相关模具化技术。4）分布式并行处理技术

该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。

3.6多学科、多功能综合产品开发技术

机电产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识（力学、材料、工艺等），而且还用到电磁学、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热特性、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。

3.7虚拟现实技术

是利用虚拟实现技术、多媒体技术及计算机仿真技术来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、图象、动画于一体，给人一种真实感及身临其境感。

3.8人－机－环境系统技术

将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳效益。研究的重点：人机环境的体系结构及集成技术，人在系统的作用及发挥，人机柔性交互技术，人机智能接口技术，清洁制造等。

总的来说，这些技术主要体现了21世纪制造技术对CAD/CAM技术的要求，也表达了CAD/CAM发展的方向。为今后CAD/CAM技术更加适应社会和科学技术的发展指明了道路。

四、CAD/CAM技术的应用前景CAD/CAM技术的应用前景

4.1 CAD/CAM技术在企业中的应用前景

CAD/CAM系统只有在企业实现以下几个方面的改革后才会得到飞速发展。1)提高重视，加大投入企业特别是中小企业必须提高对CAD/CAM 技术的 重视，不要认为CAD/CAM技术投资大、回报慢。要明白，CAD/CAM 技术虽然投资大、风险高、回报慢，然而这种技术却是目前制造业的先进技术，是未来制造业的一种发展趋势。因此，我们必须在战略上重视对这种先进技术的投入，企业的可持续性发展靠的就是这种对未来发展起关键性作用的具有长远性、战略性的风险投资。因此，企业（特别是中小企业）在规划自己的未来的时候必须把对CAD/CAM 技术的投资和人才的培养考虑进去。

2)加大创新，不断开发具有自主品牌特色的CAD/CAM软件创新是一个民 族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。我们只有坚持走自主开发、拥有自主品牌的道

路，才能在这个竞争激烈的行业中立于不败之地。只有紧跟市场，不断创新，不断满足用户的需求，不断开发出具有自主品牌特色的产品，才能使自己拥有核心竞争力，才不会在市场经济的游戏中被踢出局。国家应加大对开发 CAD/CAM软件的扶持和投资力度，采用免税等方式鼓励中小企业自主研发CAD/CAM 系统。各大高校和企业，应抓住国家高度重视的这一机遇，强强联合，共同开发出具有广阔的市场应用前景的产品。

4.2 CAD/CAM技术在家庭中的应用前景

在未来的 50~100 年内，随着生产力的飞速发展，CAD/CAM技术将会像计算机技术一样逐渐走进千家万户。人们将会在自己的家中与同伴一起运用已有的模块化技术生产自己需要的个性化的产品。他们所要做的只是把计算机与生产设备通过特定的I/O端口连接起来，然后按下按钮，即可实现CAD/CAM的家庭化模块化生产

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