CADCAM软件的应用

一、前 言

波音777新一代大型客机以4年半的周期研制成功，采用的新结构、新发动机、新的电传操纵等都是一步到位，立刻投入批量生产。飞机出厂后直接交付客户使用，故障返修率几乎为零。媒介宣传中称之为"无纸设计"，而波音公司本身认为，这主要应归功于CAD/CAM设计制造一体化。采用CAD/CAM的技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点。

二、正 文

在机械设计中引入CAD/CAM技术,可以解决机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题,缩短产品开发周期,具有巨大的经济效益和应用前景。 CAD/CAM（计算机辅助设计与制造）与PDM（产品数据管理）构成了一个现代制造型企业计算机应用的主干。对于制造行业，设计、制造水平和产品的质量、成本与生产周期息息相关。人工设计、单件生产这种传统的设计与制造方式已无法适应工业发展的要求。

1．CAD/CAM软件的产生

现代社会中无论是哪方面的设计都离不开图形，但是传统的手工图形绘制不仅速度慢，而且质量也不高。对于传统制图有个最大的缺点就是所花费的精力非常大。而随着时代的进步，科技的发展，尤其是计算机技术的进步，使得以计算机为辅助系统的绘图工具的优点和效率日渐突出。

CAD(ComputerAided Design)，即计算机辅助设计，在数控加工过程中是一种生产辅助工具，它将计算机高速而精确的运算功能，大容量存储和处理数据的能力，丰富而灵活的图形、文字处理功能与设计者的创造性思维能力、综合分析与逻辑判断能力结合起来，形成一个设计者思想与计算机处理能力紧密配合的系统，大大加快了设计进程。CAD技术包括下列功能:几何建模、计算分析、仿真与实验、绘图与技术文档生存、工程数据库的管理和共享。

CAM(Computer Aided Manufacturing)，即计算机辅助制造。CAM内容广泛，从狭义上讲指的是数控程度的编制，包括刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以与NC代码的生成等。CAM与CAD密不可分，甚至比CAD应用得更为广泛。几乎每一个现代制造企业都离不开大量的数控设备。随着对产品质量要求的不断提高，要高效地制造高精度的产品，CAM技术不可或缺。

设计系统只有配合数控加工才能充分显示其巨大的优越性。另一方面，数控技术只有依靠设计系统产生的模型才能发挥其效率。所以，在实际应用中，二者很自然地紧密结合起来，形成CAD/CAM系统，在这个系统中设计和制造的各个阶段可利用公共数据库中的数据，即通过公共数据库将设计和制造过程紧密地联系为一个整体。数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型，形成数控加工机床所需的信息。

CAD/CAM大大缩短了产品的制造周期，显著地提高产品质量，产生了巨大的经济效益。

2．CAD/CAM软件分类 CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。现在，工作站和微机平台CAD/CAM软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。

(1).高档CAD/CAM软件

高档CAM软件的代表有Unigraphics、I-DEAS /Pro/Engineer、CATIA等。这类软件的特点是优越的参数化设计、变量化设计与特征造型技术与传统的实体和曲面造型功能结合在一起，加工方式完备，计算准确，实用性强，可以从简单的2轴加工到以5轴联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化，同时提供了二次开发工具允许用户扩展UG的功能。是航空、汽车、造船行业的首选CAD/CAM软件。

(2).中档CAD/CAM软件

CIMATRON是中档CAD/CAM软件的代表。这类软件实用性强，提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以与集成化的产品数据管理。

(3).相对独立的CAM软件

相对独立的CAM系统有Mastercam、Surfcam等。这类软件主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。系统主要有交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。主要应用在中小企业的模具行业。

(4).国内CAD/CAM软件

国内CAD/CAM软件的代表有CAXA-ME、金银花系统等。这类软件是面向机械制造业自主开发的中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件，具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能。这些软件价格便宜，主要面向中小企业，符合我国国情和标准，所以受到了广泛的欢迎，赢得了越来越大的市场份额。

3．CAD/CAM软件在设计中的优点

通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点:

(1). 零件设计更加方便

使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置与形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。

(2). 装配零件更加直观

在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,与时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。

(3). 缩短了机械设计周期 采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。

(4). 提高机械产品的技术含量和质量

由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CAD CIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。

4．CAD/CAM软件在设计中的应用

(1). 零件与装配图的实体生成

①. 零件的实体建模。

CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。

对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。

②. 实体装配图的生成。

在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。

(2). 模具CAD/CAM的集成制造

随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。

一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。

(3). 机械CAE软件的应用

机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。

5．典型零件的CAD/CAM软件应用实例

在此，笔者以UG为例简单的做一个螺旋丝攻的设计实例

（1）.首先打开UG软件，新建模型命名为“luoxuansigong”。

（2）.在“草图”中绘制丝攻的截面，如图1。

（3）.完成草图，将草图“回转”，得到一个实体，如图2，位方便表述，暂且称之为实体一 （4）.进入“草图”绘制，在yz平面内绘制如图3的线条。

（5）.将实体一隐藏，方便后续绘制.

（6）.将线条绕y轴“回转”，选择片体，得到如图4所示图样，暂命名为片体二。

（7）.选择片体二小端截面与Y轴的交点，使其绕Y轴旋转，选择绘制“螺旋线”，选择圈数为1，螺距95，半径为30，旋转方向为右手，在“点构造器”中选择“自动判断点”，得到如图5所示图样。

（8）.将绘制的螺旋线“投影”到片体二的外表面上，如图6所示，得到一条新的螺旋线，如图7所示，暂且命名为螺旋线三，将除螺旋线三之外的特征隐藏，方便后续绘制。

（9）.选择螺旋线三，选择“管道”特征，外径为12，并将实体一取消隐藏，选取管道的端面，“偏置”，使管道端面突出实体一的端面，如图8所示。

（10）.选中管道，在“移动”选项中，角度为120，“复制原先的”，“指定矢量”，得到如图9所示图样。

（11）.选中绘制螺纹的表面，“插入”“特征”“螺纹”小径为26.5，长度为70，螺距为3.5,角度为60，方向为右手，如图10所示。

（12）.螺纹绘制完成，通过布尔运算将实体一中的管道部分切除，如图11所示，得到图12图样。

（13）.在ZY平面内绘制线框四，如图13所示。

（14）.退出草图，将线框四沿Z轴“拉伸”，如图14所示。

（15）.将拉伸“阵列”，以Z轴为基准，数量为2，“圆形阵列”，如图15所示，得到如图16图样。

（16）.选中丝攻末端端面，倒斜角，如图16所示。

（17）.将不必要的线条和实体隐藏，螺旋丝攻绘制完成。

6．CAD/CAM软件的发展趋势

(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从其本身，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地利用；PPC系统如果没有CAD和CAM的支持，既得不到完整、与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。