CAD／CAM的基本概念

CAD/CAM的基本概念

一、概念

CAD(计算机辅助设计)和CAM(计算机辅助制造)是60年代以来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术。计算机辅助设计和制造，简称CAD/CAM，指的是以计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计和制造中的各项活动。

计算机辅助设计是人相计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。从思维的角度看，设计过程包含分析和综合两个方面的内容。人可以进行创造性的思维活动，将设计方法经过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析这些模型的程序。在程序运行过程中，人可以评价设计结果，控制设计过程；计算机则可以发挥其分析计算和存储信息的能力，完成信息管理、绘图、模拟、优化和其他数值分析任务。人和计算机相结合，在设计过程中两者发挥各自的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期。

计算机辅助制造是利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制。一般说来．计算机辅助制造包括工艺设计、数控编程和机器人编程等内容。工艺设计主要是确定零件的加工方法、加工顺序和所用设备。近年来，计算机辅助工艺设计(CAPP)已逐渐形成了一门独立的技术分支。当采用NC(Numerical control数控)机床加工零件时，需要编制NC机床的控制程序。计算机辅助编制NC程序，不但效率高，而且错误率很低。在自动化的生产线上，采用机器人完成装配相传送等项任务。利用计算机也可以实现机器人编程。在这里的CAM部分，主要阐述NC加工原理与程序编制，而不涉及机器人编程问题。

计算机辅助设计和计算机辅助制造关系十分密切。开始，计算机辅助几何设计和数控加工自动编程是两个独立发展的分支。但是随着它们的推广应用，二者之间的相互依存关系变得越来越明显了。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，形成了计算机辅助设计与制造集成系统。通常，CAD/CAM系统指的就是这种集成系统。在CAD/CAM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。公共数据库将设计与制造过程紧密联系为一个整体。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可大大缩短产品的制造周期．显著提高产品质量，从而产生巨大的经济效益。

CAD/CAM系统可以从不同的角度加以分类。

按系统的功能范围，CAD/CAM系统可分为通用系统和专用系统两类。通用的CAD/CAM系统功能全面，适用范围较广。例如，CATIA、I—DEAS、CADDSS、Pro/Engineer和EUCLID等系统均属此类。这类CAD/CAM系统通常包括线框、实体和曲面造型模块、绘图模块、装配与零件设计模块、有限元分析模块、数据交换与传输模块和NC加工模块。专用的CAD/CAM系统指的是那些为特定的应用而开发的系统。这类系统通常只能适用于一定的专业，或用于解决某一类问题。例如，冲模CAD/CAM系统相注塑模CAD/CAM系统皆属此类。

按运行方式，CAD/CAM系统可分为交互式系统和自动化系统。虽然人们正在研究以人工智能方法为基础的CAD/CAM系统，但在目前的技术发展水平方面计算机尚难以自动地完成设计和制造中的全部工作。因此，绝大多数CAD/CAM系统都属于交互式系统。这种系统以交互方式运行，由计算机检索数据，分析计

算，并将运算结果以图形或数据的形式显示在屏幕上，用户可利用键盘和图形板等交互设备输入参数，选择方案，修改设计，控制运行的进程。

另外，CAD/CAM系统从硬件角度可分为主机系统、工作站系统和微机系统;按软件的开放性可分为交钥匙系统(Turn—Key System)和可编程系统(Programmable System)。

CAD/CAM技术随着计算机硬件和软件技术的迅速发展日趋完善，在机械、电子、宇航和建筑等部门得到广泛应用。CAD/CAM技术使产品的设计制造和组织生产的传统模式产生了深刻的变革，成为产品更新换代的关键技术，被人们称为产业革命的发动机。在工业发达国家，CAD/CAM已经形成了一个推动各行业技术进步的、具有相当规模的新兴产业部门。

模具的设计、制造水平和产品的质量、成本及生产周期息息相关。随着制造工业的发展，产品对模具的要求越来越高。传统的模具设计与制造方式已无法适应工业发展的需要，CAD/CAM技术成为解决模具设计与制造中的撂弱环节的有效途径。随着模具CAD/CAM技术的广泛应用，必将给模具行业的技术改造和发展带来深刻影响，从而大大促进制造业的发展。

二、计算机在设计和制造中的辅助作用

计算机辅助设计与制造这一术语本身包含了这样的意思，即在人能有效发挥作用的地方不用计算机，反之在计算机可被有效利用的场合不用人。计算机在设计和制造过程中起重要的辅助作用，但不是取代人的作用。为了弄清二者的作用，使人和计算机更好地结合，共同完成产品的设计与制造，有必要比较一下人和计算机的特点。表1为人机特点的比较，由表中可以看出人和计算机的能力在绝大多数方面是互补的。在某些地方人胜过计算机，在另一些地方计算机则优于人。

表1 人机特点的比较 项 目 人 计算机 项 目 人 计算机 通过经验、想模拟的、系 提取重要推理与逻辑象进行直觉的统的逻辑推信息的能强 差 判断 逻辑推理 理 力 非格式的、直格式化的、出错机会 信息的组织 多 少 觉的 详细的 无直觉分析信息存储能差、且与时间强、与时间 分析能 直觉分析能力，数值 力 有关 无关 力 能力强 分析能力差 对重复工作 多 强 的耐力 计算机在设计和制造中的辅助作用主要体现在数值计算、数据存储与管理、图样绘制三个方面。

计算机作为计算工具使用的优越性显而易见。人工计算容易发生错误的问题在这里得到了完全的克服。许多需要多次迭代的复杂运算，只有用计算机才能完成。一些设计分析方法、例如优化方法、有限元分析，离开计算机便难以实现。计算机作为计算工具提高了计算精度，保证了结果的正确性。

计算机可靠的记忆能力，使其能够在数据存储与管理方面发挥重要作用。例如，常规设计时．设计人员必须从有关的技术文件或设计手册中查找数据，不但费

时，而且容易出错。使用CAD/CAM系统时，标准的数据存放在统一的数据库中，检索存储方便迅速。有了数据库，设计人员便不再需要记忆具体的数据，也不必关心数据的存储位置，可以全神贯注于创造性的工作。

图样是工程的语言，是人们交流思想的工具。虽然CAM将使图样在制造中的作用逐渐消失，但图样在审查设计方案、检验产品等方面的作用仍将存在。图样的绘制工作约占整个设计工作量的60%以上，因此计算机绘图是对设计工作的有力辅助。这就是为什么计算机绘图被广泛使用的原因。另外，实际设计中很大一部分图样只是在现有设计的基础上加以局部修改。一旦图形数据存储于图库之中，它们可以重复使用，可以进行修改与编辑，以产生新的图形。

人和计算机相结合，恰当地发挥二者的作用对CAD/CAM十分重要。在建立一个 CAD/CAM系统时，应在以下几个方面考虑人机的特点。

经验与判断相结合在产品和工艺过程设计中是不可缺少的，所以设计过程必须由人控制。设计人员应能在设计的各个阶段行使控制权，应能利用其直觉进行设计，而不一定要遵循计算机的设计逻辑。计算机的学习能力很差，学习的任务应由人来完成。人可以从过去的设计中学习，总结经验。

对于费时费力的数值分析工作，计算机可以高速精确地完成。在设计中应尽可能多地让计算机完成数值分析工作，使人有更多的时间利用数值分析的结果和他本身的直觉分桥能力完成决策性的工作。

计算机具有永久存储信息的能力，对重复性工作有极强的耐力。所以，在设计和制造过程中，信息的存储管理应在人的指导下由计算机完成。像绘制图样之类繁琐的、令人疲倦的工作，适合于计算机去完成，将人从重复劳动中解放出来。

计算机具有系统检错的能力，人则可用直觉方式检错。一般说来，让计算机自动改正错误是困难的。因此，改正错误、修改设计的任务应由人来完成。

总之，在设计和制造中计算机可以起到重要的辅助作用，正确地处理人机关系，发挥二者各自的优势，是CAD/CAM中的一个重要问题。

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