『壹』 機械cad/cam技術處理的對象主要是什麼模型
一、CAD/CAM的應用概況CAD/CAM(計算機輔助設計及製造)技術產生於本世紀50年代後期發達國家的航空和軍事工業中，隨著計算機軟硬體技術和計算機圖形學技術的發展而迅速成長起來。CAD/CAM技術是一項綜合性的，集計算機圖形學、資料庫、網路通訊等計算機及其他領域知識於一體的高新技術；是先進製造技術的重要組成部分；也是提高設計水平、縮短產品開發周期、增強行業競爭能力的一項關鍵技術。在CAD技術發展的初期，CAD僅限於計算機輔助繪圖，隨著計算機軟、硬體技術的飛速發展，CAD技術才從三維平面繪圖發展到三維產品建模，隨之也就產生了三維線框造型、曲面造型以及實體造型技術。而如今參數化及變數化設計思想和特徵造型則代表了當今CAD技術的發展方向。經過近五十年的發展，CAD/CAM技術有了長足的進步。現代集成製造系統(CIMS)是藉助計算機，把企業中與製造有關的各種技術系統地集成起來，進而提高企業適應市場競爭的能力。CIMS是工業自動化的發展方向。作為CIMS核心技術的CAD/CAM系統，主要支持和實現產品對象的設計、分析、工藝規劃、數控編程等一系列生產活動的自動化處理。近幾年，隨著計算機和數控技術的飛速發展，CAD/CAM已逐漸進入實用化階段，廣泛應用於航空航天、汽車、機械、模具製造、家電、玩具等行業。特別是CNC數控機床的普遍使用，使得CAD/CAM技術成為企業實現高度自動化設計及加工的有效手段之一。二、CAD/CAM軟體系統的特點CAD/CAM軟體系統具備以下特點：1.操作使用的方便性一個好的軟體應便於初學者掌握，操作簡便實用，一般應包含供初學者使用的學習模塊和即時幫助系統。2.軟體的集成化程度一個完整的CAD/CAM軟體系統是由多個功能模塊組成的，如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、數控加工、有限元分析、模擬模擬、動態顯示等。這些模塊應該以工程資料庫為基礎，進行統一管理。這樣既保持了底層數據的完整性和一致性，實現了數據共享，又節約了系統資源和運行時間。3.CAD功能CAD軟體系統能設計製作出既滿足設計使用要求又適合CAM加工的零件模型。優秀的CAD系統是一個高效的設計工具，應具有參數化設計功能，三維實體模型與二維工程圖形應能相互轉化並關聯。CAD可分為自動設計和交互設計兩類。自動設計效率高，但靈活性差，只適用於標准化程度高、產品結構固定的產品；交互設計靈活性大，能充分發揮設計人員的主觀能動性，但效率低，交互愈多愈復雜效率愈低。4.CAM功能CAM功能提供一種互動式編程並產生加工軌跡的方法，它包括加工規劃、刀具設定、工藝參數設置等內容。CAM功能檢測應注意以下幾方面：(1)建立三維和三維刀具路徑的難易程度；(2)加工方法的多樣性；(3)刀具路徑是否易於編輯和修改；(4)是否有刀具和材料資料庫，使系統能自動生成進給速度和主軸轉速；(5)有無內置的防碰撞和防過切功能；(6)能否手動超調任何機加工預設值(如進給速度，主軸轉速等)；(7)能否對加工過程進行模擬和估算加工時間。 5.後處理程序及數控碼輸出一般的CAD/CAM系統使用後處理程序提供用戶化的數控碼輸出，使用戶能夠靈活地使用不同的數控裝置。選擇軟體時，應了解以下幾方面：(1)提供哪些後處理和程序。是否包括車床、線切割、電火花機床或三維五軸數控編程的後處理程序；(2)後處理程序能否細調，以使數控輸出符合用戶的要求；(3)能否將NC程序反向處理，顯示刀具路徑。常見的CAD/CAM軟體有美國UGS公司的CAD/CAE/CAM一體化軟體NX、當今最流行的二維繪圖軟體AutoCAD、美國參數技術公司(PTC)開發的CAD/CAM軟體Pro/ENGINEER、應用廣泛的中低檔CAD/CAM軟體MasterCAM等。這些軟體在製造業的應用非常廣泛，並且市場需求的快速變化和全球經濟一體化極大地拓展了製造活動的深度和廣度，推動製造業朝著自動化、智能化、集成化、網路化和全球化的方向發展。三、數控編程技術設計的最終目標是生產。CAD技術的發展及普及為設計工程師提供了先進的設計手段。然而，傳統的加工技術及工具己不能適應設計技術的發展，計算機輔助製造技術(CAM)越來越成為加工需求的熱點。數控編程是目前CAD/CAPP/CAM系統中最能明顯發揮效益的環節之一，其在實現設計加工自動化、提高加工精度和加工質量、縮短產品研製周期等方面發揮著重要作用。數控編程是從零件圖紙到獲得數控加工程序的全過程。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點(cutter location point簡稱CL點)。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表面的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。數控編程的核心工作是生成刀具軌跡，然後將其離散成刀位點，經後置處理產生數控加工程序。包括基於點、線、面和體的NC刀軌生成方法及基於特徵的NC刀軌生成方法。四、CAD/CAM及CNC系統之間的聯系目前比較成熟的CAM系統主要以兩種形式實現CAD/CAM系統集成：一體化的CAD/CAM系統和相對獨立的CAM系統如：MasterCAM、SurfCAM等)。前者以內部統一的數據格式直接從CAD系統獲取產品幾何模型，而後者主要通過中性文件從其它CAD系統獲取產品幾何模型。然而，無論是哪種形式的CAM系統，都由五個模塊組成，即交互工藝參數輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動態模擬模塊和後置處理模塊。按照傳統的CAD/CAM系統和CNC系統的工作方式，CAM系統以直接或間接(通過中性文件)的方式從CAD系統獲取產品的幾何數據模型。CAM系統以三維幾何模型中的點、線、面、或實體為驅動對象，生成加工刀具軌跡，並以刀具定位文件的形式經後置處理，以NC代碼的形式提供給CNC機床，在整個CAD/CAM及CNC系統的運行過程中存在以下幾方面的問題：l.CAM系統只能從CAD系統獲取產品的低層幾何信息，無法自動捕捉產品的幾何形狀信息和產品高層的功能和語義信息。因此，整個CAM過程必須在經驗豐富的製造工程師的參與下，通過圖形交互來完成。如：製造工程師必須選擇加工對象(點、線、面或實體)、約束條件(裝夾、干涉和碰撞等)、刀具、加工參數(切削方向、切深、進給量、進給速度等)。整個系統的自動化程度較低。2.在CAM系統生成的刀具軌跡中，同樣也只包含低層的幾何信息(直線和圓弧的幾何定位信息)，以及少量的過程式控制制信息(如進給率、主軸轉速、換刀等)。因此，下游的CNC系統既無法獲取更高層的設計要求(如公差、表面光潔度等)，也無法得到與生成刀具軌跡有關的加工工藝參數。3.CAM系統各個模塊之間的產品數據不統一，各模塊相對獨立。例如刀具定位文件只記錄刀具軌跡而不記錄相應的加工工藝參數，三維動態模擬只記錄刀具軌跡的干涉與碰撞，而不記錄與其發生干涉和碰撞的加工對象及相關的加工工藝參數。4.CAM系統是一個獨立的系統。CAD系統與CAM系統之間沒有統一的產品數據模型，即使是在一體化的集成CAD/CAM系統中，信息的共享也只是單向的和單一的。CAM系統不能充分理解和利用CAD系統有關產品的全部信息，尤其是與加工有關的特徵信息，同樣CAD系統也無法獲取CAM系統產生的加工數據信息。這就給並行工程的實施帶來了困難。實際上解決這些問題也是我們繼續完善、發展CAD/CAM/CNC技術的努力方向。CNC的發展與CAD、CAM、CAE互相促進，相輔相成。CAD的發展，可以加速NC機床的設計；CAM的發展，可加速NC機床在實際生產中的應用；CAE的發展，使NC機床在整個機器製造業中應用更加廣泛。五、CAD/CAM技術的發展前景從CAD的發展來看，未來的趨勢將是與計算機模擬和工業設計技術的結合。在計算機網路化迅速發展，可用計算資源的豐富，計算機模擬在設計中的地位日見重要。隨著CAD技術的普及應用越來越廣泛，越來越深入，CAD技術正向著開放、集成、智能和標准化的方向發展。這在很大程度上說明了當今CAD/CAM技術的發展趨勢。首先，開放性是決定一個系統能否真正達到實用化並轉化為現實生產力的基礎，這主要體現在系統的工作平台用戶介面、應用開發環境及與其他系統的信息交換等方面。所謂集成就是向企業提供一體化的解決方案。並行工程是一種集成，企業的產品數據管理了(PDM)也是一種集成。通過集成能最大限度地實現企業信息共享，建立新的企業運行方式，提高生產效率。另外，計算機模擬是藉助計算機，利用系統模型對實際系統進行實驗研究的過程。它隨著計算機技術的發展而迅速地發展，在模擬中佔有越來越重要的地位。計算機模擬技術的發展趨勢；應用領域的擴大和模擬計算機的智能化。計算機模擬技術不僅在傳統的工程技術領域(航空、航天、化工等方面)繼續發展，而且擴大到社會經濟、生物等許多非工程領域，此外，並行處理、人工智慧、知識庫和專家系統等技術的發展正影響著模擬計算機的發展。數控加工模擬利用計算機來模擬實際的加工過程，是驗證數控加工程序的可靠性和預測切削過程約有力工具，以減少工件的試切，提高生產效率。另一方面，按照個人不同偏好的個性化的定製生產將是新世紀製造業的主流。如何滿足這些要求，是CAD領域的研究者非常關注的問題。
『貳』 CAD技術在機械設計和加工中的作用和運用
CAD技術在機械設計和加工中的作用和運用
1.引言
隨著計算機技術的不斷發展，CAD技術的應用范圍還在不斷擴大，已被應用在輔助設計與繪圖、產品設計檢驗、工程分析與結構優化、模具設計與製作以及逆向轉換設計等多個方面[1].CAD技術在提高產品質量的同時，也大幅提高了企業的設計和生產效率，成為機械製造企業提升市場競爭力的重要手段。因此，進行CAD技術在機械設計與加工中的應用研究，對提升我國機械製造水平，促進機械製造企業快速發展具有十分重要的意義。
2.CAD技術的概念
CAD（Computer Aided Design）技術，即計算機輔助設計技術，是指利用計算機軟體和硬體系統對產品進行設計、繪圖、輔助工程分析及技術文檔編制等應用技術的總稱。CAD技術是一種集計算機科學技術和工程設計方法為一體的計算機應用技術，其誕生於20世紀50年代，並隨著計算機技術及電子技術的發展不斷發展革新。CAD技術已被廣泛應用於交通、航天、機械、化工、電子以及建築等多個領域，用來解決產品設計、生產成本及周期等方面的相關問題，大幅提升了這些行業的生產效率。CAD技術在機械設計和加工中的應用解決了傳統設計和加工方式的誤差大、效率低等問題，使其產品在生產速度和生產質量上都實現了更新換代。因此，CAD技術已成為現代機械設計和加工中一個重要組成部分。
3.CAD技術在機械設計和加工中的作用
CAD技術在機械設計和加工中的作用主要有以下幾個方面：
（1）實現設計數字化。採用CAD技術，可以通過計算機的二維圖形繪制、三維實體建模，人機交互和機械模擬模擬等功能，實現機械設計過程的數字化。通過對產品的數字化設計，可以檢驗零件設計形狀和位置，充分保證零件間的精確結合，大大降低設計誤差。利用建模組合及模擬模擬，還可以提前檢驗機械部件的裝配問題。利用數字化的.部件可以透視到零部件的內部，觀察部件的裝配關系， 檢驗各部件是否已達到設計要求，迅速找出裝配中可能發生的問題，大幅降低產品的設計報廢率。
（2）縮短設計周期。在機械產品的傳統設計過程中，如果對某部件尺寸進行修改，需要重新將所有部件匹配為新的尺寸，從而導致整個機械產品的改型。而藉助CAD技術可以大幅縮短這個過程，例如，將某零件的尺寸從150mm改為300mm,僅需要在機械設計軟體上改變尺寸，其他相關零件也會相應自動調整尺寸。因此，CAD技術可以將機械設計效率提高3~5倍，大幅縮短了機械設計周期。
（3）提高產品質量和品質。藉助CAD技術，可以採用圖形優化、有限元受力分析等技術手段對機械設計進行結構優化，並將機械製造技術與信息技術相融合，在生產過程中引入了與CAD設計方法相結合的CIMS組織生產方式，進一步提高了產品的整體設計質量和品質。
（4）激發創新設計。在傳統的機械設計過程中，機械產品的修改困難且成本過高，導致機械產品多是常規設計，而創新類產品較少，嚴重限制了機械產品設計上的實質性創新。而藉助CAD技術，可以在常規設計數字模型上大膽嘗試新理論和新技術，設計出逼真的創新產品，充分激發設計人員的創新靈感，帶來全新的創新設計。
4.CAD技術在機械設計和加工中的應用
（1）機械設計和輔助繪圖。用於機械設計的三維CAD系統具有十分強大的設計功能，可以通過其重構功能快速得到一種全新的設計，也可以在特定的裝配環境中設計新零件，即利用相鄰零件的形狀及位置王靜錦西工業學校 遼寧葫蘆島 125001設計新零件，既方便、快捷，又避免了單獨設計零件可能導致的裝配失敗，大大提升了設計人員的工作效率，並加強了設計的標准化。在傳統的機械設計過程中，手工繪圖的工作量非常大，而且准確性和美觀性不高。利用CAD軟體自帶的豐富圖形庫與功能完備的繪圖命令，可以很容易地繪制出高質量的機械工程圖，大大減輕了繪圖人員的勞動強度。計算機輔助繪圖大幅提高了機械制圖的質量和效率。
（2）零件與裝配圖建模。三維CAD系統有線框模型、表面模型和實體模型三種建模形式，可用於機械產品零件和裝配圖的實體建模。利用CAD軟體中的基本體系和布爾運算，可以完成簡單結構零件的三維實體建模。而對於結構復雜的零件，可先用二維幾何元素構造大致形狀，再對其進行拉伸或旋轉等操作實現造型，最後通過計算獲得三維實體模型。當機械產品零件的實體建模完成後，設計人員就可以通過CAD軟體的三維編輯功能對零件模型進行「裝配」,整合出機械裝配圖。
（3）設計檢驗。利用CAD系統軟體的零件回放功能，可以通過動畫播放的形式，清晰直觀地演示機械產品的零部件裝配情況。在發現零部件結構或功能上的不合理之處後，可以利用資源查找器對整個機械產品中的某一個零件進行修改，避免零件錯誤導致整個機械產品的裝配失敗。在進行新機械產品的設計時，這種零部件設計的自動化檢驗方法，可以大幅提高機械零部件之間的適配准確性，防止新產品出現質量問題，從而保證了設計的可行性，並且提高了設計效率。
（4）工程分析與結構優化。對機械產品的力學性能分析和結構優化，是機械設計和加工過程中必不可少的環節。隨著有限元分析和動力學分析等現代分析方法的發展，CAD技術在工程分析和結構優化功能上得到了充分拓展。很多CAD軟體已具備了與ANSYS等有限元分析軟體的介面，設計人員可直接將產品的三維實體模型導入至有限元分析軟體中，對產品模型進行工程分析，並根據結果進行產品結構的優化。另外，還可以利用機械CAE軟體，對設計的動態特性、碰撞問題、運動特性、結構合理性以及材料強度等方面進行工程分析與結構優化。
（5）模具設計與製造。隨著製造業生產技術的革新，機械製造加工已從傳統機床發展為加工中心和數控機床，模具CAD/CAM技術及模具激光快速成型技術的使用越來越廣泛。利用CAD技術設計實體模具時，要盡量避免內腔、凹、凸模及加強助等潛在干擾因素，先繪制出數控刀具的路徑，再檢查加工過程的可行性。要特別注意的是，在設計沖壓零件表面時，必須使用專用的曲面設計軟體，只有這樣才能保證沖壓零件表面和模具表面的一致。
（6）逆向轉換設計。藉助CAD技術，可以通過多種方法實現產品的逆向轉換設計。可通過CAD制圖軟體的坐標測量方法，將實物轉化成虛擬模型；也可以利用數據繪制網格對點進行模擬，進而得到連續曲面，再通過對曲面的修復得到實物模型，或利用SCAN-TOOLS技術對生成的曲面進行裁剪、延伸等操作，將曲面轉換為實體；還可以利用相關軟體進行參數化設計來完成模型重建。
5.結束語
CAD技術已經給機械設計和加工行業帶來了一次技術革命，推動機械製造業進入了一個新的發展階段。隨著計算機技術的不斷發展，CAD技術還將不斷革新和更加完善，向著系統集成化和智能化方向發展，為機械產品的規模化生產提供更強有力支持，推動機械製造領域繼續發展創新。目前，我國機械設計和加工領域的CAD技術應用水平已經取得了很大進步，但和國際先進水平相比仍有很大差距，這就需要我們加大CAD技術的應用研究力度，進一步促進我國機械製造業的發展和壯大。
參考文獻
[1]徐小龍。淺析CAD在機械設計中的應用[J].魅力中國，2011（14）。
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