第一章 CAD/CAM技术概述,1.1 CAD/CAM的基本概念 CAD/CAM是计算机辅助设计和计算机辅助制造（ComPuter Aided Desgin andComupter Aided Manufacturing）的缩写，是一项利用计算机协助人们完成产品设计与制造的技术。把CAD、CAM写成CAD/CAM，作为专门术语出现在70年代初期，这意味着设计和制造过程的自动化和信息的集成化 。 CAD/CAM技术则是现代制造技术的核心技术之一。,1.1.1 什么是CAD 按CAD技术而言，CAD技术可以从两个角度给予定义：狭义： 简单地讲，CAD就是由计算机代替人在设计过程中的部分体力和脑力劳动。其优点主要表现如下几点： 支持快速、高质量的工程图绘制。 支持更精确、更广泛的产品信息的生成、处理、交换和管理。 支持设计过程的自动化。 支持制造过程的自动化。,广义： (1) CAD是一个过程 “在计算机环境下完成产品设计的创造、分析和修改，以达到预期的设计目标。”(2) CAD是一项产品建模技术“CAD技术把产品的物理模型转化为产品数据模型，并把产品的数据模型存储在计算机内供后续的计算机辅助技术（CAX）所共享，驱动产品生命周期的全过程。”,1.1.2 什么是CAM CAM的定义也是在不断发展的，可以从狭义和广义两个方面来定义： （l） 狭义 CAM指计算机辅助编制数控机床加工指令。 （2） 广义 CAM指应用计算机进行制造信息处理的全过程。它包括用计算机辅助生产前的准备工作，如工艺过程规划、工装清单、数控编程、车间作业计划编制、生产过程控制和质量监控等。,1.1.3 什么是 CAD/CAM CAD/CAM的定义：“产品从设计到制造全过程的信息集成和信息流自动化”。 在数据库技术的支撑下，由CAD的产品建模系统生成的数字化产品数据模型，为产品的性能分析计算、装配、数控编程、机器人编程等等的子过程提供了产品的原始信息，驱动产品设计到制造的全过程。并藉助于直接数控（DNC）系统，实现CAD/CAM系统和车间数控设备之间的集成。,1.1.4 什么是 CIM CIM（Computer Integrated Manufacturing）的定义是：“CIM是信息技术和生产技术的综合应用。旨在提高制造型企业的生产率和对市场的响应能力。由此，企业的所有功能、信息、组织管理都是一个集成起来的整体的各个部分。,CIM的通俗解释是：“用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益。” CIM核心思想： 全部生产活动是一个不可分割的整体； 整个生产活动是一个数据采集、传递和加工处理的过程。,CIM概念的实施称为 CIMS（Computer Interated ManufacturingSystem），即计算机集成制造系统。CIMS是在CAD/CAM技术、网络、电子通讯、数据库技术、车间自动化技术和现代化管理技术充分发展的基础上实施，是未来工厂的模式。,l.2 CAD/CAM的运行环境 CAD/CAM的运行环境由硬件、软件和人三大部分组成：1.2.1 CAD/CAM的硬件系统 1）CAD/CAM系统对硬件系统的要求 （l）高性能的计算机 大容量内存和外存 高运行速度,（2）人机交互设备 由输入设备（如键盘、鼠标器、轨迹球和图形输入板）和图形显示装置组成。 图形显示装置（显示器和显卡）的要求： 高分辨率 真实感色彩 实时显示速度显存容量,（3）输出设备 显示器 绘图仪 打印机 影像输出设备 语音输出 通讯接口,4）网络化CADCAM技术的实施涉及产品生命周期的全过程，这就必然涉及到多个部门和多方面的使用人员。这些部门很可能分布在全厂各个不同的建筑物内，甚至不在同一地区或国境，而且它们所配备的计算机软硬件可能是相互不相同的，这样就构成了一个异构环境。为达到CAD/CAM信息流集成的目的，就必须藉助于网络技术，把分散在各个地点、相同或不相同的CADCAM硬件系统按一定的网络拓扑结构关系联接起来，实现信息流的自动化。,2）CAD/CAM系统计算机配置形式 有以大型或小型计算机构成的集中式系统（Mainhaln）、工程工作站或微型计算机的独立型和由工程工作站、微型机组成的网络系统。,（l）主机型集中式系统各终端上并不配备有CPU，只有依靠主机的CPU进行各种处理和运算，因此该类系统按分时批处理的方式运行，效率低；大型机价格昂贵。 （2）工程工作站多为64位机，具有高速网络通讯能力（l000MBS），采用多CPU并行处理技术，高性能的图形显示和多媒体功能等优越性能，适用于复杂产品的造型设计、大型电子装配和大型分析计算、仿真模拟。,（3）微型计算机 90年代初出现了 Pentium 芯片，使微型机成为 32位机。引入了工程工作站的 RISC芯片技术，采用了64位传送的PIC总线，使微型计算机与工作站、小型计算机的性能差距缩小，价格上却占绝对优势，作为网络系统的客户机，大大降低系统的投资。成为中、小型企业CAD/CAM系统选择的主要硬件平台。,（4）客户/服务器系统 客户/服务器（C/S）系统是90年代CAD/CAM系统运行的主流模式，把应用放在客户端上，而共享的数据放在服务器上，实现资源共享。客户/服务器系统实现数据分布和处理分布及数据的集中监控和管理，易于保证数据的安全性、一致性和完整性。客户/服务器系统是一种开放型的结构，根据需要可方便地增加或更新客户机，也可增加服务器的数量或提高档次，以及配置相应的软件，从而扩大系统容量和处理的能力，以适应新的需求。,1.2.2 CAD/CAM系统的软件 CAD/CAM系统的软件由系统软件、支撑软件和应用软件组成。系统软件包括操作系统、高级语言编译系统等。 图形软件支持系统如 Graphics Library（ GL），它是三维图形系统的开发工具。事实国际上公认的标准OPEN GL。 CAD/CAM系统的二次开发需要基于CAD/CAM软件系统提供的用户编程语言（UPL）。如 UGll的GRIP、AutoCAD的 lisp语言和ADS环境等。CAD/CAM系统软件中的支撑软件通常简称CAD/CAM软件系统。,1）工程工作站级CAD/CAM软件系统 工程工作站级的CAD/CAM软件系统绝大多数是从大型机或小型机集中式系统运行平台上移植过来的。功能模块：（l）CAD部分 二维图形设计和绘图模块三维几何造型模块真实感图形显示模块装配模块,（2）CAE部分 有限元分析模块 机构动态仿真模块,（3）CAM部分 数控加工的前置处理模块数控加工编程模块数控加工的后置处理模块切削加工检验模块DNC模块,（4）数据交换标准和接口 CAD/CAM系统均提供数据交换标准，如IGES、DXF、STEP，以实现异构环境下的图形数据交换。接口是指与第三方软件公司所提供的软件系统的通信接口。,（5）用户编程工具 用户编程工具包括用户编程语言（UPL）和图形库等。用户可利用CAD/CAM软件系统提供的开发工具对软件系统进行二次开发。 （6）数据库部分 核心组成部分之一。统一管理 CAD/CAM全过程的数据，实现信息共享。,2）微机级的CAD、CAM软件 Master CAM UG PRO/E 等等,1.2.3 人才 人才是企业的秘密武器，企业间的竞争实质上是人才的竞争。在CAD/CAM系统的运行环境中人才是关键。CAD/CAM人员是具有计算机应用和工程专业知识相结合的综合性人才。,1.3 CAD/CAM技术的发展 CAD/CAM技术的发展与计算机技术的发展有着紧密的联系。对40年代中期美国麻省理工大学（MIT）研制成功世界上第一台计算机，由于它的高速运算能力和大容量的信息存储能力，使得数值分析方法、有限元方法（FEM）等能在计算机上实现。50年代中期计算机已应用于工程和产品设计的分析计算，促进了计算机辅助工程技术(CAE)的发展。,1952年在美国MIT试制成功世界上第一台数控铣床，它的诞生解决了形状复杂零件，尤其是由自由曲面组成的复杂零件的自动加工，促使了数控编程技术的发展。同期，MIT研制开发了自动编程工具（APT）语言，解决了如何方便 地将被加工零件的形状输入到计算机中去进行刀具轨迹计算和数控指令的自动生成。,1962年美国MIT教授IESutherland发表了题为SKETCHPAD一人机对话系统一文，是第一篇世界公认的计算机图形设计论文，为发展CAD技术提供了理论基础。1963年，在实验室实现了该论文中提出的很多技术思想，如屏幕菜单的拾取、功能键操作。光笔定位、图面动态修改等交互设计技术。1966年价格较低的实用交互式图形显示装置的出现，促使计算机图形学（Computer GraPhics-简称CG）和 CAD技术的迅速发展。,CAD/CAM技术在30余年的发展过程中大致经历了以下三个阶段： （1）单元技术的发展和应用阶段特点：是CAD/CAE/CAM各功能模块已基本形成，但数据结构尚不统一，集成性差。企业尚处于单元技术的应用阶段，主要是计算机辅助绘图、有限元分析计算和数控编程等单项功能。,（2）CAD/CAM的集成化阶段 特点：几何造型技术已日趋成熟，成为CAD/CAM软件系统的核心功能模块；具有统一的数据结构和工程数据库；系统集成性好等。流行的硬件运行平台是基于工程工作站的网络系统。企业的应用已从二维计算机绘图向着三维CAD建模、CAD/CAE/CAM集成化应用方向发展，CAD/CAM技术的应用已取得了显著的效益。,（3）面向产品并行制造环境的CAD/CAM阶段 90年代，CAD/CAM技术从传统的面向一个零件的CAD/CAM集成系统向着面向产品的并行制造环境（CAPE）的CAD/CAM系统发展。CAPEA的软件系统的主要特点是电子产品建模（EPD），它包括产品生命全过程中的完整信息和基于工程数据库的企业级的产品数据管理系统（PDM）。该阶段的CAD/CAM系统流行的硬件环境是由工程工作站或微机组成的（C/S）网络系统。,l.4 CAD/CAM技术的贡献 CAD/CAM技术从根本上改变了传统的手工设计，以及用图纸为介质驱动生产全过程的技术管理模式。 这是制造业的信息革命。可实现： （l）并行工程 并行工程提倡群体的协同工作（Team Work），采用并行方法处理产品及其相关过程，缩短了生产周期。,（2）虚拟新产品开发 传统的新产品开发，从人工设计、绘图到样机试制需要一个相当长的周期。倘若样机不能满足客户要求，还需重新修改设计和制造样机，这是十分耗时的，必将严重地影响新产品的上市。 借助于CAD的三维造型技术设计新产品，利用CAD的可视化技术在屏幕上显示出拟生产的新产品的外形、色彩和结构。在计算机屏幕上显示的新产品称为虚拟产品。通过CAE和CAM技术，对虚拟产品进行性能分析和机构动态仿真，以及数控加工的模拟，使用户在产品尚未生产前就可知道产品的性能和可加工性。,（3）实现CIMS的基础借助于CAD/CAE/CAM集成系统实现产品设计到制造全过程的信息流自动化。,