『壹』 机械cad/cam技术处理的对象主要是什么模型
一、CAD/CAM的应用概况CAD/CAM(计算机辅助设计及制造)技术产生于本世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。CAD/CAM技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其他领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。在CAD技术发展的初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，CAD技术才从三维平面绘图发展到三维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特征造型则代表了当今CAD技术的发展方向。经过近五十年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步。现代集成制造系统(CIMS)是借助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。CIMS是工业自动化的发展方向。作为CIMS核心技术的CAD/CAM系统，主要支持和实现产品对象的设计、分析、工艺规划、数控编程等一系列生产活动的自动化处理。近几年，随着计算机和数控技术的飞速发展，CAD/CAM已逐渐进入实用化阶段，广泛应用于航空航天、汽车、机械、模具制造、家电、玩具等行业。特别是CNC数控机床的普遍使用，使得CAD/CAM技术成为企业实现高度自动化设计及加工的有效手段之一。二、CAD/CAM软件系统的特点CAD/CAM软件系统具备以下特点：1.操作使用的方便性一个好的软件应便于初学者掌握，操作简便实用，一般应包含供初学者使用的学习模块和即时帮助系统。2.软件的集成化程度一个完整的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、数控加工、有限元分析、仿真模拟、动态显示等。这些模块应该以工程数据库为基础，进行统一管理。这样既保持了底层数据的完整性和一致性，实现了数据共享，又节约了系统资源和运行时间。3.CAD功能CAD软件系统能设计制作出既满足设计使用要求又适合CAM加工的零件模型。优秀的CAD系统是一个高效的设计工具，应具有参数化设计功能，三维实体模型与二维工程图形应能相互转化并关联。CAD可分为自动设计和交互设计两类。自动设计效率高，但灵活性差，只适用于标准化程度高、产品结构固定的产品；交互设计灵活性大，能充分发挥设计人员的主观能动性，但效率低，交互愈多愈复杂效率愈低。4.CAM功能CAM功能提供一种交互式编程并产生加工轨迹的方法，它包括加工规划、刀具设定、工艺参数设置等内容。CAM功能检测应注意以下几方面：(1)建立三维和三维刀具路径的难易程度；(2)加工方法的多样性；(3)刀具路径是否易于编辑和修改；(4)是否有刀具和材料数据库，使系统能自动生成进给速度和主轴转速；(5)有无内置的防碰撞和防过切功能；(6)能否手动超调任何机加工缺省值(如进给速度，主轴转速等)；(7)能否对加工过程进行模拟和估算加工时间。 5.后处理程序及数控码输出一般的CAD/CAM系统使用后处理程序提供用户化的数控码输出，使用户能够灵活地使用不同的数控装置。选择软件时，应了解以下几方面：(1)提供哪些后处理和程序。是否包括车床、线切割、电火花机床或三维五轴数控编程的后处理程序；(2)后处理程序能否细调，以使数控输出符合用户的要求；(3)能否将NC程序反向处理，显示刀具路径。常见的CAD/CAM软件有美国UGS公司的CAD/CAE/CAM一体化软件NX、当今最流行的二维绘图软件AutoCAD、美国参数技术公司(PTC)开发的CAD/CAM软件Pro/ENGINEER、应用广泛的中低档CAD/CAM软件MasterCAM等。这些软件在制造业的应用非常广泛，并且市场需求的快速变化和全球经济一体化极大地拓展了制造活动的深度和广度，推动制造业朝着自动化、智能化、集成化、网络化和全球化的方向发展。三、数控编程技术设计的最终目标是生产。CAD技术的发展及普及为设计工程师提供了先进的设计手段。然而，传统的加工技术及工具己不能适应设计技术的发展，计算机辅助制造技术(CAM)越来越成为加工需求的热点。数控编程是目前CAD/CAPP/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点(cutter location point简称CL点)。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。包括基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法及基于特征的NC刀轨生成方法。四、CAD/CAM及CNC系统之间的联系目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：一体化的CAD/CAM系统和相对独立的CAM系统如：MasterCAM、SurfCAM等)。前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。然而，无论是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即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。按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接(通过中性文件)的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD/CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题：l.CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此，整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。如：制造工程师必须选择加工对象(点、线、面或实体)、约束条件(装夹、干涉和碰撞等)、刀具、加工参数(切削方向、切深、进给量、进给速度等)。整个系统的自动化程度较低。2.在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息(直线和圆弧的几何定位信息)，以及少量的过程控制信息(如进给率、主轴转速、换刀等)。因此，下游的CNC系统既无法获取更高层的设计要求(如公差、表面光洁度等)，也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。3.CAM系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。4.CAM系统是一个独立的系统。CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。CAM系统不能充分理解和利用CAD系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样CAD系统也无法获取CAM系统产生的加工数据信息。这就给并行工程的实施带来了困难。实际上解决这些问题也是我们继续完善、发展CAD/CAM/CNC技术的努力方向。CNC的发展与CAD、CAM、CAE互相促进，相辅相成。CAD的发展，可以加速NC机床的设计；CAM的发展，可加速NC机床在实际生产中的应用；CAE的发展，使NC机床在整个机器制造业中应用更加广泛。五、CAD/CAM技术的发展前景从CAD的发展来看，未来的趋势将是与计算机模拟和工业设计技术的结合。在计算机网络化迅速发展，可用计算资源的丰富，计算机模拟在设计中的地位日见重要。随着CAD技术的普及应用越来越广泛，越来越深入，CAD技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。这在很大程度上说明了当今CAD/CAM技术的发展趋势。首先，开放性是决定一个系统能否真正达到实用化并转化为现实生产力的基础，这主要体现在系统的工作平台用户接口、应用开发环境及与其他系统的信息交换等方面。所谓集成就是向企业提供一体化的解决方案。并行工程是一种集成，企业的产品数据管理了(PDM)也是一种集成。通过集成能最大限度地实现企业信息共享，建立新的企业运行方式，提高生产效率。另外，计算机仿真是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有越来越重要的地位。计算机仿真技术的发展趋势；应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域(航空、航天、化工等方面)继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程约有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。另一方面，按照个人不同偏好的个性化的定制生产将是新世纪制造业的主流。如何满足这些要求，是CAD领域的研究者非常关注的问题。
『贰』 CAD技术在机械设计和加工中的作用和运用
CAD技术在机械设计和加工中的作用和运用
1.引言
随着计算机技术的不断发展，CAD技术的应用范围还在不断扩大，已被应用在辅助设计与绘图、产品设计检验、工程分析与结构优化、模具设计与制作以及逆向转换设计等多个方面[1].CAD技术在提高产品质量的同时，也大幅提高了企业的设计和生产效率，成为机械制造企业提升市场竞争力的重要手段。因此，进行CAD技术在机械设计与加工中的应用研究，对提升我国机械制造水平，促进机械制造企业快速发展具有十分重要的意义。
2.CAD技术的概念
CAD（Computer Aided Design）技术，即计算机辅助设计技术，是指利用计算机软件和硬件系统对产品进行设计、绘图、辅助工程分析及技术文档编制等应用技术的总称。CAD技术是一种集计算机科学技术和工程设计方法为一体的计算机应用技术，其诞生于20世纪50年代，并随着计算机技术及电子技术的发展不断发展革新。CAD技术已被广泛应用于交通、航天、机械、化工、电子以及建筑等多个领域，用来解决产品设计、生产成本及周期等方面的相关问题，大幅提升了这些行业的生产效率。CAD技术在机械设计和加工中的应用解决了传统设计和加工方式的误差大、效率低等问题，使其产品在生产速度和生产质量上都实现了更新换代。因此，CAD技术已成为现代机械设计和加工中一个重要组成部分。
3.CAD技术在机械设计和加工中的作用
CAD技术在机械设计和加工中的作用主要有以下几个方面：
（1）实现设计数字化。采用CAD技术，可以通过计算机的二维图形绘制、三维实体建模，人机交互和机械模拟仿真等功能，实现机械设计过程的数字化。通过对产品的数字化设计，可以检验零件设计形状和位置，充分保证零件间的精确结合，大大降低设计误差。利用建模组合及模拟仿真，还可以提前检验机械部件的装配问题。利用数字化的.部件可以透视到零部件的内部，观察部件的装配关系， 检验各部件是否已达到设计要求，迅速找出装配中可能发生的问题，大幅降低产品的设计报废率。
（2）缩短设计周期。在机械产品的传统设计过程中，如果对某部件尺寸进行修改，需要重新将所有部件匹配为新的尺寸，从而导致整个机械产品的改型。而借助CAD技术可以大幅缩短这个过程，例如，将某零件的尺寸从150mm改为300mm,仅需要在机械设计软件上改变尺寸，其他相关零件也会相应自动调整尺寸。因此，CAD技术可以将机械设计效率提高3~5倍，大幅缩短了机械设计周期。
（3）提高产品质量和品质。借助CAD技术，可以采用图形优化、有限元受力分析等技术手段对机械设计进行结构优化，并将机械制造技术与信息技术相融合，在生产过程中引入了与CAD设计方法相结合的CIMS组织生产方式，进一步提高了产品的整体设计质量和品质。
（4）激发创新设计。在传统的机械设计过程中，机械产品的修改困难且成本过高，导致机械产品多是常规设计，而创新类产品较少，严重限制了机械产品设计上的实质性创新。而借助CAD技术，可以在常规设计数字模型上大胆尝试新理论和新技术，设计出逼真的创新产品，充分激发设计人员的创新灵感，带来全新的创新设计。
4.CAD技术在机械设计和加工中的应用
（1）机械设计和辅助绘图。用于机械设计的三维CAD系统具有十分强大的设计功能，可以通过其重构功能快速得到一种全新的设计，也可以在特定的装配环境中设计新零件，即利用相邻零件的形状及位置王静锦西工业学校 辽宁葫芦岛 125001设计新零件，既方便、快捷，又避免了单独设计零件可能导致的装配失败，大大提升了设计人员的工作效率，并加强了设计的标准化。在传统的机械设计过程中，手工绘图的工作量非常大，而且准确性和美观性不高。利用CAD软件自带的丰富图形库与功能完备的绘图命令，可以很容易地绘制出高质量的机械工程图，大大减轻了绘图人员的劳动强度。计算机辅助绘图大幅提高了机械制图的质量和效率。
（2）零件与装配图建模。三维CAD系统有线框模型、表面模型和实体模型三种建模形式，可用于机械产品零件和装配图的实体建模。利用CAD软件中的基本体系和布尔运算，可以完成简单结构零件的三维实体建模。而对于结构复杂的零件，可先用二维几何元素构造大致形状，再对其进行拉伸或旋转等操作实现造型，最后通过计算获得三维实体模型。当机械产品零件的实体建模完成后，设计人员就可以通过CAD软件的三维编辑功能对零件模型进行“装配”,整合出机械装配图。
（3）设计检验。利用CAD系统软件的零件回放功能，可以通过动画播放的形式，清晰直观地演示机械产品的零部件装配情况。在发现零部件结构或功能上的不合理之处后，可以利用资源查找器对整个机械产品中的某一个零件进行修改，避免零件错误导致整个机械产品的装配失败。在进行新机械产品的设计时，这种零部件设计的自动化检验方法，可以大幅提高机械零部件之间的适配准确性，防止新产品出现质量问题，从而保证了设计的可行性，并且提高了设计效率。
（4）工程分析与结构优化。对机械产品的力学性能分析和结构优化，是机械设计和加工过程中必不可少的环节。随着有限元分析和动力学分析等现代分析方法的发展，CAD技术在工程分析和结构优化功能上得到了充分拓展。很多CAD软件已具备了与ANSYS等有限元分析软件的接口，设计人员可直接将产品的三维实体模型导入至有限元分析软件中，对产品模型进行工程分析，并根据结果进行产品结构的优化。另外，还可以利用机械CAE软件，对设计的动态特性、碰撞问题、运动特性、结构合理性以及材料强度等方面进行工程分析与结构优化。
（5）模具设计与制造。随着制造业生产技术的革新，机械制造加工已从传统机床发展为加工中心和数控机床，模具CAD/CAM技术及模具激光快速成型技术的使用越来越广泛。利用CAD技术设计实体模具时，要尽量避免内腔、凹、凸模及加强助等潜在干扰因素，先绘制出数控刀具的路径，再检查加工过程的可行性。要特别注意的是，在设计冲压零件表面时，必须使用专用的曲面设计软件，只有这样才能保证冲压零件表面和模具表面的一致。
（6）逆向转换设计。借助CAD技术，可以通过多种方法实现产品的逆向转换设计。可通过CAD制图软件的坐标测量方法，将实物转化成虚拟模型；也可以利用数据绘制网格对点进行模拟，进而得到连续曲面，再通过对曲面的修复得到实物模型，或利用SCAN-TOOLS技术对生成的曲面进行裁剪、延伸等操作，将曲面转换为实体；还可以利用相关软件进行参数化设计来完成模型重建。
5.结束语
CAD技术已经给机械设计和加工行业带来了一次技术革命，推动机械制造业进入了一个新的发展阶段。随着计算机技术的不断发展，CAD技术还将不断革新和更加完善，向着系统集成化和智能化方向发展，为机械产品的规模化生产提供更强有力支持，推动机械制造领域继续发展创新。目前，我国机械设计和加工领域的CAD技术应用水平已经取得了很大进步，但和国际先进水平相比仍有很大差距，这就需要我们加大CAD技术的应用研究力度，进一步促进我国机械制造业的发展和壮大。
参考文献
[1]徐小龙。浅析CAD在机械设计中的应用[J].魅力中国，2011（14）。
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