万志锋　倪占强　宋辉　耿浩

摘 要：计算机技术已经应用在社会生活的各个领域，在机械产品的设计制造过程中，广泛应用了CAD/CAM技术。本文对CAD/CAM进行了研究，介绍了CAD及CAM中的核心技术及应用，最后展望了CAD/CAM未来的发展趋势。

关键词：现代制造；CAD；CAM；后置处理

1 CAD/CAM简介

CAD技术（计算机辅助设计）和CAM的技术（计算机辅助制造）的组合CAD/CAM将设计和制造技术结合起来，能够完成NC零件编程等机械工艺。CAD/CAM应用中包含的关键技术有：产品虚拟设计、虚拟制造、DNC加工等。CAD/CAM应用可以引入参数化及面向特征的实体进行数学建模，并在虚拟装配后进行仿真；将CAD/CAM技术应用到虚拟制造过程中主要是建立一个虚拟制造环境，在此虚拟环境中可以完成诸如设计、制造、信息共享以及系统控制等任务。

产品的设计过程中从设计之初到加工物料等必然会经过频繁的修改，如果在真实的环境中完成此过程必然会造成材料的极大浪费。CAD/CAM系统利用可变参数设计实现虚拟设计的功能。作为虚拟设计的核心，几何建模完成后可以进一步完成动态仿真、有限元分析等过程，三维实体建模甚至可以对几何物体进行唯一而又完整性的描述 ，从而产生一个有效的模型，便于设计者将主要工作投入到创造性的工作中。仿真技术使设计者在产品规划的早期就可以事先看出产品的特性，了解已采用的加工方法的结果，预研加工过程的可行性，从而尽早发现产品设计的问题。

虚拟制造可以模拟实际环境在计算机上执行制造过程，虚拟制造技术把绘图、有限元分析以及原型生成等和制造相关的技术集成起来，实现诸如设计工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等产品制造的本质过程。虚拟制造具有高度集成、支持敏捷制造以及分布合作等特征[1]：在计算机虚拟环境中设计人员及用户都可以对产品进行操作，不依赖于传统的原型样机。

2 CAD/CAM中的核心技术

CAD/CAM技术是一个涉及多项学科的系统工程，产品工艺设计人员能够利用CAD过程展现的信息及CAM技术的功能，预先显示产品加工状况、控制部件加工的工艺路线，并生成零部件加工过程中的信息。

CAD（计算机辅助设计）指的是借助计算机完成产品设计过程中诸如绘图、零部件设计、装配及分析等工作的技术，以提高产品设计的质量、降低产品成本。CAD的核心技术包括[2]：

（1）几何造型。设计人员利用交互方式将物体的想象造型作为虚拟制造技术的输入存到计算机中，计算机将此模型存储并进行几何建模，为后续分析计算做准备；常见的几何造型包括线框造型、曲面造型以及流曲线曲面造型等。线框造型描述物体时只通过直线、圆弧及简单的曲线完成，实现简单，但难以表达三维模型；曲面几何模型克服了线框模型的缺点，光滑的曲面代替了原来的直线、圆弧等，曲面造型技术也先后经历了曲面求交、曲面拼接、曲面变形及曲面重建等过程；随着图形图像技术和三维数据采样技术的发展，新近出现了基于物理模型的曲面造型方法以及三维打印技术等。CAD设计领域汽车、飞机等产品的设计会涉及到运动物体的曲线曲面外形，它们的外形光滑与否直接关系到产品性能。以流体力学为基础的流曲线曲面造型方法设计的产品具有良好的物理流线型性能。

（2）有限元分析。现在产品的设计越来越复杂，所以需要设计者在设计初期就能够准确预测产品的性能，并对产品的各种技术参数进行分析计算，这就是有限元分析（Finite Element Analysis）。进行有限元分析时，先将原来的产品分解为有限个子单元，分别根据限制平衡条件分析后，在重新把它們组合起来后综合求解。利用有限元法进行分析时，需要输入大量的数据，对输入参数的处理成为前置处理；有限元分析后，也会产生大量的数据，对它们的处理成为后置处理，后置处理的任务就是将数据转换为直观的图形表示。

（3）优化设计。优化设计以数学中的最优化理论为基础，是在复杂设计问题中得到最优解的有效工具。对某一设计过程，先给出一些初始参数，由计算机完成对优化指标的优化工作，直到达到最优解。优化设计一般需要三个阶段：先将设计问题抽象为数学模型，然后设计相应的算法和程序，最后由计算机进行求解。

CAM中的核心技术一般包括计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、数控编程以及计算机仿真等[3]：

（1）CAPP。作为CAD和CAM的中间环境，CAPP可以根据建模得到的产品信息，决定加工该产品时将要使用的方法、步骤以及设备等，为CAM的NC编程服务。CAPP是CAD/CAM集成的关键技术，其主要任务是利用计算机辅助工艺完成CAD信息到CAM信息的传递。CAPP可以使产品设计人员从重复性事物中解脱出来，迅速编制出完整的工艺文件。

（2）数控编程。作为从零部件图纸到数控加工的整个过程，数控编程（NC编程）的任务是计算加工走刀中的CL点，并完成诸如分析零部件图样、确定加工工艺、校对程序等加工过程。分析零部件图样时要明确加工的内容、方案、顺序，选择加工器具等；同时要选择合适的工艺路线、编程原点等。数控编程方法有手工编程和自动编程方法。手工编程完成从零部件图样分析到程序校验过程中的所有步骤，适合加工形状简单的零部件。APT（Automatically Programmed Tool）是一种可以自动编程的工具，可以有效解决几何造型编程的问题。

（3）仿真。为预测产品的性能、模拟产品制造的过程，经常需要对系统模型进行试验运行，这就是仿真技术。仿真技术可以分为物理仿真和计算机仿真两种，前者是在物理模型基础上所做的仿真，物理模型与实际系统间的相似性决定了物理仿真可以观测到数学模型难以描述的特性；后者又成为数学仿真，是利用计算机程序完成仿真实验的技术。不论哪种仿真技术，都可以有效地预测产品性能。

3 CAD/CAM的未来发展

CAD/CAM各自在应用中都可以发挥巨大的作用，在未来的发展过程中，可以考虑如下应用方向：（1）CAD/CAPP/CAM集成应用于并行工程环境。可以在CAD软件上开发具备CAM功能的软件，或者是基于CAD造型开发特征提取模块，从而为CAPP提供特征制造信息。（2）建立基于STEP的工程数据基础系统。在CAD软件中建立各种零部件的形状特征库，存取不同形状特征的相关信息后，实现形状特征信息识别和提取的功能模块，然后建立服务于CAPP的零部件特征信息主模型，最终实现产品数据信息集成。（3）面向制造的设计、集成控制系统。制造过程中的各个环节是高耦合的，现代制造技术中的一个关键问题就是如何在决策时得到全局最优解。目前集成DNC加工已经具备网络基础，要综合考虑数控设备的通讯功能，以实现和DNC网络的集成通讯；以CAD/CAM、CAPP以及DNC系统单元为基础，实现CAD/ CAPP /CAM/DNC的整体集成，将可以实现从设计、制造到生产整个过程的信息共享。

参考文献

[1]张党飞.基于CAXA的数控雕刻CAD/CAM技术研究[D].西安建筑科技大学.2012.

[2]王军.智能集成CAD/CAPP系统关键技术研究[D].2010.

[3]还大军.复合材料自动铺放CAD/CAM关键技术研究[D].南京航空航天大学.2010.

作者简介：万志锋（1982，6-），男，河南省洛阳市（籍贯），现职称：工程师，学历：本科，研究方向：计算机辅助机械制造。