1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 基于 SolidWorks/Mastercam 三维零件 CAD/CAM 前 言 制造业是一个国家经济发展的基础，当今世界任何经济实力强大的国家都拥有发达的制造业，美、日、德、英、法等国家之所以被称为发达国家，很大程度上是由于他们拥有世界上最发达的制造业。因此，我国在大力推进国名经济信息话化的同时，必须清醒认识到，制造业是现代经济的支柱，加强和提高制造业科技水平是一项长期而艰巨的任务。发展信息化产业，首先要把信息技术应用到制造业。 众所周知，制造业信息化是企业发 展的必要手段，国家将制造业信息化提到关系到国家生存的高度上来。信息化是时代发展和进步的突出
2、标志。以信息化带动工业化，使信息化与工业化融为一体，互相促进，共同发展，是具有中国特色的跨越式发展之路。信息化主导着新时期工业化的方向，使工业朝着高附加值化发展；工业化是信息化的基础，为信息化德发展提供物资、能源、资金、人才以及市场，只有用信息化武装起来的自主和完整的工业体系，才能为信息化提供坚实的物质基础。 7 制造业信息化集成平台是通过并行工程、网络技术、数据库技术等先进技术将CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM/ERP 等与制造服务的软件个体有机地集成起来，采用统一的架构体系和统一的基础数据平台，涵盖目前常用的 CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM/ERP 软件，使软件交互和信息
3、传递顺畅，从而有效提高产品开发、制造等各个领域的数据集成管理和共享水平，提高产品开发、生产和销售全过程的数据整合流程的组织管理水平以及企业的综合实例，为营造一流的企业提供现代化的技术保证。本文主要涉及的是 CAD/CAM 技术发展状况和发展趋势。 20 世纪 60 年代，产生形成了的机械 CAD/CAM 技术，经过将近 40 年的快速发展，现在已经成为一 种高兴技术产业。该技术的迅猛发展和广泛应用，给机械制造业从产品设计到加工制造整个生产过程带来了非常深刻的变化。目前 CAD/CAM 技术广泛应用于机械、电子、汽车、船舶、航天、航空、轻工等等各个领域，其应用和开发能力反映了一个国家、一个企业的
4、技术水平。 CAD/CAM 技术在我国的推广和应用已经有 20 多年的历史了，如何让它进一步发展是应用企业、学术界和解决方案提供商共同关注的问题。本文主要介绍了国内外 CAD/CAM技术的发展动态和应用现状，分析国内 CAD/CAM 技术应用的发展趋势，为 CAD/CAM 技术的开发及应用 提供参考依据。 正 文 一、 CAD/CAM 技术的产生与发展 CAD CAM 技术首先是从 CAM 开始发展的。作为 CAM 技术之一的数控机床的研制可以追溯到第一台计算机诞生不久的 20世纪 40年代末。那时美国麻省理工学院 (以下简 MIT)对铣床轨迹的控制进行了研究。当时就认识到“利用纸带控制的机床
5、以及通过改变程序而改变工件形状”这一技术的意义可同产业革命并列。 1952 年在 MIT 的林肯实验室完成了数控铣床的研制，由于制作数控纸带很费工时。该室的 D T Ross 在 1957 年研究出了一种自动产生数控 纸带的工具。这就是 CAM 技术的开始。由于 CAD 技术对计算机的要求较高，它的发展较 CAM 晚。 20 世纪 50 年代末开始采用的计算机分时控制使得联机使用和人与计算机协同工作有了可能性。 50 年代中期研制出了 CRT、键盘、光笔等交互工具。 CDC 公司、 IBM 公司以及通用汽车公司等开展了计算机图学方面的工作。 1962 年， MIT 的林肯实验室 212 的 I
6、 E Sutherland 完成了 SKETCHPAD系统，把 CRT 显示器和光笔技术应用于计算机显示图形的输入输出和命令指示上，为人和计算机协同解决设计问题 (即 CAD)提供了技术上 的保证。 1963 年，在美国计算机联合会上， S A Coons 发表了 An Outline of the Requirements for the Computer Aided Design，报告中 Coons 对 CAD 进行了这样的描述：“设计者坐在 CRT的控制台前用光笔操作，从概念设计进而到生产设计以至于到制造为止，都可以做成与计算机对话的形式”，“计算机图学不仅仅限于设计，即使对任何创造性的
7、活动也适用，可以称为带有人工智能的奇迹变化。”， Sutherland 也发表了题为 SKETCHPAD： A Man Machine Graphical Communication System的著名论文。他们的工作虽然有些属于想象性的描述，也许显得粗糙，但确实宣告了一门生机勃勃的新学科的开始。 20 世纪 60 年代的 CAD 技术还处于实验室阶段。早期的资料中只有 MIT 和通用汽车公司的 CAD 系统。由于 S A Coons 的大力提倡，使得人们认识到了 CAD 系统的重要性。到了 60 年代中期，美国的很多大学、公司纷纷合作进行了 CAD 系统的研制，使得这一时期 CAD 的软件和
8、硬件方面发展都很快。软件方面的代表有通用汽车公司在 1964 年推出的DAC 一 1 系统。麦克唐纳一道格拉斯公司的 CAD 系统，洛克希德公司的 CAD CAM 系统。 1965 年，由 IBM、洛克希德、麦克唐纳、北美岩石公司等联合开展了一个叫 DEMAND的研究 CAD 软件的计划。该计划延续到 1969 年，对 CAD 技术的发展有很大的促进。上面提到的 CADD 和 CADAM 都直接受到它的影响。这一时期提出的曲面理论和几何模型概念直到现在人们还十分关注。 60 年代末还开展了研制“独立于计算机”的 CAD 系统的计划。这个时期的软件主要特点是只能处理二维图形。一般可以满足制图等二
9、维图纸的显示、绘制和编辑等技术要求 。由于 CAD 技术对数据的处理量大，这时的计算机技术水平还较低，使得 CAD 系统一般都安装在当时的大型机上。在理论上提出了 Bezier 曲线和曲面 (1962 年 )以及 Coons 曲面 (1967 年 )等新的构造空间曲线曲面的方法。硬件方面，新式存贮管式显示器代替了原来的 CRT，使得成本大大降低。新式显示器的发展使得动态显示得以实现。人们还实现了数据纸带的自动输出。在有限元分析中也可以利用图形显示技术。在 20 世纪 60 年代末出现了一种所谓的“ Turnkey”系统。这种系统通常包括有几个通用软件：硬件则为固定机型、固定配置、由 经销商安装
10、检测，用户只须“转动钥匙” (Turnkey)就可以使用。最初的Turnkey 系统由 Calma 公司 1968 年推出。 Applicon 公司和 Computer Vision 公司 (以下简称CV)在 1969 年也推出了各自的 Turnkey 系统。 CV 公司也由此而一度发展为 CAD 技术市场上的最大公司。这种系统由于简单方便， 20 世纪 70 年代曾风靡一时，目前已日趋衰落。 从 1969 年开始，随着各种 CAD 系统的推出， CAD CAM 技术进入了应用时期。由于当时的 CAD CAM 系统主要功能是二维交互式绘图，其应用领域主要集中 在电子工业，如印制线路板和集成电路
11、的掩膜设计等。 70 年代的 CAD 领域异常活跃，研究工作的重点多放在三维模型的表示及绘图方面。几何模型和工程的联合产生了各种分析与模拟方法。 CAD技术应用的经济学评价也开展起来。以数控设备为主的 CAM 同 CAD 的联合在很多系统上得到实现。 1975 年以后， CAD CAM 的重点已从研究逐渐转向应用开发，这时软、硬件技术比较成熟，由于三维模型技术的突破，开拓了 CAD CAM 在机械、建筑中的新的应用领域。 3 在 20 世纪 70 年代开发的软件中，大部分已经有了三维图形彩色显示、隐藏线面的 消除和形成浓淡阴影图形等功能，有些还可以利用数据库技术管理几何数据文件。软件方面的代表
12、是 CDC 公司的 CD2000 系统。 1975 年美国空军开始的 ICAM（ Integrated Computer Aided Manufacturing)计划是迈向更高层次的计算机集成制造技术的第一步。为了解决不同系统之间的数据交换， 1979 年美国国防部开始研制 IGES 系统，这个项目得到了美国国家标准局的支持，成为“初始图形交换规程” (Initial Graphic Exchange Specification)。在硬件方面， 1976 年出现了激光图学技术，它可提供非常高分辨率的显示器。 进入 20 世纪 80 年代， CAD CAM 系统更加成熟，一般都有实体模型分析模拟
13、和动态显示等功能。大部分 CAD CAM 系统都有同大型有限元程序的接口。新的 CAD CAM 的概念已经是同工程数据库、设计方法学、仿真模拟、人工智能等学科紧密相关的技术。 20 世纪 80 年代的 CAD CAM 系统有两大特点：硬件的小型化和软件的标准化。由于计算机技术的发展，使得现在的 CAD 系统已不只依靠大中型计算机了。在小型机、超小型机，甚至个人计算机上也有大量的 CAD 系统运行。 80 年 代初由 Tektronic 公司率先推出了工程工作站系统 以一个 32 位超级小型机、一个高分辨率的图形显示器和一个数字化仪为基本配置的计算机系统。由于这种系统的性能价格比高交互性能好，很
14、快成为 CAD CAM 系统硬件的一个重要发展趋势。很多专门从事 CAD CAM 技术的公司都推出了工程工作站系统。随着计算机网络技术的发展，人们对资源共享的需要和新的 CAD CAM 技术对数据库的依赖，使得 CAD 软件正在逐渐向标准化靠拢。美国制订了 Core 标准； 1985年英国推出了 GKS 标准，这两种标准得到了国际标准化组织 (ISO)的承认。已开发的系统大部分都加入新模块以便利用 IGES 交换文件，并能利用数据库技术管理几何模型。 17 二、 CAD/CAM 技术概述 CAD（计算机辅助设计， Computer Aided Design）是指工程设计人员以计算机为工具，应用
15、自身的知识和经验，对产品进行包括方案构思、总体涉及、工程分析、图形编辑和技术文档整理等一切设计活动的总称。 一般认为， CAD 系统具有几何建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图等主要功能。就目前 CAD 技术可实现的功能而言， CAD 作业过程是在设计人员进行产品概念设计的基础上从事 产品的几何造型，完成产品几何模型的建立；提取模型中的相关数据进行工程分析和计算，例如有限元分析、仿真模拟等；根据计算结果决定对设计结果的修改，满意后编辑全部设计文档，输出工程图的一个完整过程。从 CAD 作业过程可以看出， CAD 技术也是一项产品建模技术，它是将产品的物理模型转化为计算机内部的数据模型，以供后续的
16、产品开发活动所共享，驱动产品生命周期的全过程。 4 一个功能完备的 CAD 系统应包含产品设计数据库、应用程序库和多功能交互图形库。产品设计数据库存储有各类标准规范、计算公式、经验曲线等产品设计信息；应用程 序库包含有常规的设计程序、优化方法、有限元分析、可靠性分析等通用或专用的设计分析和计算程序；多功能交互图形库用于图形处理、工程图绘制、标准零部件图库的建立等图形处理作业。 在 CAD 系统中，若加入人工智能技术，用计算机模拟人类专家解决问题的思路和方法进行设计过程中的推理和决策，可大大提高设计过程自动化水平，可对产品进行功能设计、总体方案设计等产品的概念设计过程，以实现对产品设计全过程提高
17、有力的支持。 CAM（计算机辅助制造， Computer Aided Manufacturing）到目前为止尚无统一的定义。一 般而言， CAM 是指计算机在制造领域有关应用的通常，有广义 CAM 和狭义 CAM 之分。 所谓广义 CAM，一般是指利用计算机辅助完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种活动，包括工艺准备、生产作业计划制定、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等方面的内容，其中工艺准备包括计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、NC 编程、计算机辅助工时定额和材料定额的编制等任务、物流过程的运行控制包括物料的加工、装配、检验、输送、储存等生产活动。 而狭义 CAM
18、，通常指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成 、刀具轨迹仿真以及后置处理和 NC 代码生成等作业过程。通常 CAD/CAM 系统的 CAM 概念指的是狭义的 CAM。 自 20 世纪 60 年代开始， CAD 和 CAM 技术各自独立地发展，国内外学者和工业界研究开发了众多性能优良的互相独立地商品化 CAD、 CAPP、 CAM 系统。这些系统各自在产品设计自动化、工艺过程自动化和数控编程自动化方面起到了重要作业。这些系统的应用和推广，无疑使制造业企业大大提高了生产效率，缩短了产品设计与制造周期，使企业能够比过去以更快的速度更新自己的产品和响应市场的需求。 2 然而，这些各自独立
19、地系统相 互割裂，不能实现系统之间信息自动传递和转换，大量的信息资源得不到充分地利用和共享。例如： CAD 系统设计的结果不能直接为 CAPP 系统所读取，进行 CAPP 作业时，仍需设计者将 CAD 输出的图样文档转换成 CAPP 所需的数据信息进行人工录入，这不仅影响了设计效率的提高，而且难以避免人为的错误。因而，随着计算机辅助技术日益广泛的应用，人们很快认识到，只有到 CAD 系统一次性输入的信息能为后续生成制造环节（如 CAE、 CAPP、 CAM）直接应用才能取得最大的经济效益。为此，人们提出了 CAD/CAM 基础的概念，并首先致力于 CAD、 CAPP 和 CAM 系统之间数据自
20、动传递和转换的研究，以便将业已存在和使用的 CAD、 CAPP、 CAM 系统集成起来。目前，这一技术已达到使用水平。 所谓 CAD/CAM 集成，指的是 CAD、 CAPP、 CAM 各应用模块之间进行信息自动转换和传递。集成化德 CAD/CAM 系统借助于工程数据库技术、网络通信技术、以及标准格式的产品数据接口技术，把分散与机型各异的各个 CAD/CAM 模块高效、快捷地集成起来，实现软、硬件资源共享，保证整个系统内的信息流畅无阻。 三、国外 CAD/CAM 技术现状 CAD CAM 技术的迅速发展冲 击着整个设计与制造行业，现在任何一个企业，都不得不考虑由于 CAD CAM 技术的发展所
21、带来的影响。在国外， CAD CAM 技术被称为“经济起飞的发动机”。美国已经认识到，它未来的工业生产率的增长从根本上说将取决于全国在计算机辅助设计与制造中的研究与应用成果。英国的一位工业部长也指出：“现在的问题不是你能不能成为 CAD CAM 的用户，而是你能不能不是它的用户。”目前，世界上工业发达国家都把支持 CAD CAM 技术的发展作为一项国家政策。应用 CAD CAM 技术，可以导致设计效率成倍地增长，表 1 为 1981 年美国 ADL 公司对美国各行业应用 CAD 技术的效果进行调查的结果。由表可见，各行业应用 CAD 技术后，平均效率提高了 2 4 18 4倍，另外，据 IBM
22、 公司提供的表 1 美国 ADL 公司对美国各行业应用 CAD 技术的效果调查 数据，该公司在全球共有 3000 多个图形工作站从事机械设计工作，与手工设计相比，新产品设计的效率提高了 3 倍，产品改进设计的效率则提高了 11 倍。 5 在 1986 年，在联邦德国的约 5000 个机械制造企业中，已有 80的企业采用了 CADCAM 技术， 55的绘图工作量已由计算机承担。而在美国 LCM 公司内部， 90以 上的新设计图纸已经以数字的形式存在，在公司各部门之间以及公司与合同承包单位之问均实现了CAD CAM 数据交换。 20 世纪 80 年代初期，资本主义国家普遍发生了经济衰退，传统工业汽
23、车、钢铁等生产大幅度下降，机械制造工业也不景气。许多企业都把采用 CAD CAM 技术以提高产品竞争能力、缩短新产品研制期降低成本作为摆脱困境的出路。因此这一时期， CAD CAM 技术市场反而得到迅速增长。每年 CAD CAM 系统安装套数以 40左右的速度增加。 1981年统计美国安装的 CAD CAM 系统为 4000 套， 1985 年就达到了 20000 余套。表 2 为美国Datatech 公司统计的 1981 至 1986 年的全世界 CAD CAM CAE 市场销售总额。由该表可以看出， 1981 年至 1985 年全世界实际销售总额由 10 2 亿美元增长到 35 6 亿美元
24、。即4 年中增长了 2 5 倍。表 3 为各公司在世界总销售额中所占比例。 20 世纪 80 年代以来，在各种 CAD CAM 应用领域中，机械工程的应用已经取代了印刷电路及集成电路的应用而占据领先地位。表 4 为 1979 年及 1983 年全世界 CAD CAM 各种应用领域总销售额的比较及 1985 年增长预测，由表可见， CAD CAM 技术在机械工程中的应用已经占据全世界销售总额的一半以上。预计到 1988 年。机械行业在 CAD CAM 方面投入金额将比 1983 年增长 3 74 倍，并继续保持在各种应用领域中的绝对优势。作为 CAD CAM 技术诞生地的美国一直保持着 CAD
25、CAM 领域中的领先地位。由表 2 及表 3 可以看出，在世界 CAD CAM市场上销售额最大的前 10 家公司均为美国公司。从 1981 到 1985 年，仅这 10 家公司就占据全世界 CAD CAM 市场的 80左右。在这 10 家公司中，又以 IBM， Intergraph，ComputerVision3 家 为最，在 1981 到 1985 年这 5 年中，仅这 3 家便占据全球 CAD CAM市场的 50左右。表 5 为 1983 年全世界用户投入 CAD CAM 领域的金额在世界各地区的分布。由表可见，美国各企业在 CAD CAM 方面投入的资金占全世界的 62，包括日本及中国在
26、内的整个远东地区只占 12。 12 从中我们可以看出， CAD/CAM 技术 20 世纪 50 年代起源于美国 ， 经过近 60 年的发展 ，其技术和水平已经到达了相当成熟的阶段 ，并且 CAD/CAM 技术在发达国家已经成为国民经济的重要支柱 ，从中我们可以看出 CAD/CAM 技术发展的巨大潜 力。 1 四、我国 CAD/CAM 技术应用现状 我国 C A D / C A M 技术的应用起步于 20 世纪 60 年代末，经过近 50 年的研究、开发与推广应用， CAD/CAM 技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工和建筑等行业。应用 CAD/CAM 技术提高了企业的设计效率、优化了设计
27、方案、减轻了技术人员的劳动强度、缩短了设计周期、加强了设计的标准化。目前来看， CAD/CAM 技术的应用正在如火如荼地展开。 但是，应该看到这样一个现实，目前国内 C A D / C A M 系统的应用还停留在比较低的水平上。对于大多数中小企业来说，一旦企业在这方面进行了投资而又不能尽快地发挥其作用，就会给企业带来不必要的损失，也为下一步 C A D / C A M 技术的应用发展制造了障碍。因此，如何用好 CAD/CAM 系统就成了很多企业用户所关心的问题。 8 近几年来， CAD/CAM 技术的发展主要表现在以下方面： 1二维 CAD 市场日益红火 二维 CAD 软件日益成为工程师进行设计的一种必备工具。广大企业用户对 CAD 软件的功能和作用已经有了充分的认识，对市场可选择的 CAD 软件也都有较多的了解 ，对如何比较 CAD 软件的功能有了一定的认识。 这种情形下，用户正在建立自己的品牌倾向，很多用户在逐渐转向专业性较强的国产软件平台。一些条较好的企业，已从原来单机使用 C A D 软件转化为在计算机网络应用。此外，由于价格降低，国产 CAD 软件技术上又十分成熟，服务水平逐渐提高，所以企业在上 CAD 项目时，会加大二维 C A D 软件，特别是国产 C A D 软件的使用量。
