1、六、小論文二：“CAD/CAM新技術簡述”內容提要：就CAD/CAM技術的發展趨勢分析幾種從不同角度提出的不同的先進制造技術新模式、新哲理、新技術、新概念、新思想、新方法，對CAD/CAM新技術進行簡要概述。對被稱為未來制造業的兩大支柱技術“快速成型制造技術”與“虛擬技術”進行詳細介紹。關鍵字：CAD/CAM新技術、快速成型、虛擬技術。引言：隨著計算機技術和信息技術的發展，CAD /CAM技術在全球迅速普及開來。對制造業來說，CAD /CAM是提高產品設計品質和制造品質、縮短產品開發周期，降低產品開發成本的強有力手段，已成為企業贏得市場的制勝法寶。因此，研究CAD /CAM技術應用現狀，探討其

2、發展前景，對加快我國機械行業CAD /CAM技術推廣應用步伐，提高我國機械制造業的國際競爭力具有深遠意義。正文：1. CAD/CAM軟件的特點及現狀1.1國內外流行軟件計算機輔助設計與制造（CAD： Computer Aided Design， CAM： Computer Aided Manufacture）技術是以計算機、外圍設備及其系統軟件為基礎，包括二維繪圖設計、二維兒何造型設計、有限元分析（FEA）及優化設計、數控加工編程（NC）、仿真模擬及產品數據管理（ PDM）等內容。目前國內外分別流行MDT、PICAD、CAXA、金銀花系統（Lonicera）、高華CAD、GS-CAD98、開目

3、CAD、Unigraphics（UG）、AutoCAD和Pro/Engineer等軟件。其中UG是將優越的參數化和變量化技術與傳統的實體、線框、表面功能結合在一起，還提供了二次開發工具GRIP、UFUNG、ITK允許用戶擴展UG的功能。Auto-CAD軟件是目前世界上應用最廣的CAD軟件，占整個CAD/CAE/CAM軟件市場的37%左右。Pro/E近幾年已成為三維機械設計領域里最富有魅力的軟件，在中國模具工廠得到了非常廣泛的應用。1.2我國CAD/CAM技術應用現狀就目前我國機械制造業，CAD /CAM技術應用現狀主要呈現出起步晚，市場份額小，應用范圍窄、層次淺，功能單一，經濟效益并不明顯等特

4、點。過近幾十年的發展，我國CAD/CAM技術有了長足發展，已被廣泛用于我國企業;我國CAD/CAM軟件的開發水平也逐漸接近國外先進水平。但是整體來說，我國目前從產品開發水平、從商品化、市場化程度都與發達國家尚有不小差距。例如：不少企業對CAD的認識還僅停留在繪圖階段，從而使CAD產生的效益尚未充分發揮;CAD/CAM軟件應用人員參差不齊，CAD軟件不能得到高效率應用;缺少既適合教學又滿足企業需求的軟件及教學平臺。CAD/CAM技術水平還處于向高技術集成和向產業化商品化過渡的時期，還沒有針對性的軟件，一般都是使用通用性軟件。雖在微機平臺上開發CAD/CAM軟件方面我國與國外起點差不多，但對引進的

5、CAD/CAM系統的二次開發卻跟不上，致使引進軟件的效率不能完全發揮。針對21世紀機械制造行業的基本特征，CAD/CAM技術的發展趨勢也呈現出以下幾個特征：標準化、集成化技術、智能化技術、網絡技術的應用、多學科多功能綜合產品設計技術等。目前，激烈的市場競爭不斷向CAD/CAM提出更新更高的要求，另外人工智能技術、網絡技術、軟件工程中面向對象的方法以及工程數據庫技術的發展也為CAD/CAM技術的提高注入新的活力，使CAD/CAM技術不斷向著集成化、智能化、標準化、網絡化方向發展。為克服上述不足，適應未來發展方向，20世紀80年代開始，人們從各種不同角度提出了許多不同的先進制造技術新模式、新哲理、

6、新技術、新概念、新思想、新方法，如柔性制造系統FMS（Flexible Manufacturing System）、計算機集成制造系統CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）、并行工程CE（Concurrent Engineering）等；由于網絡技術的快速發展，80年代末90年代初又提出了敏捷制造AM（Agile Manufacturing）、精良生產LP（Lean Production）、分布式制造DM（Distributed Manufacturing）、虛擬制造VM（Virtual Manufacturing），高速加工技術、逆向工程

7、技術、快速成形技術和虛擬制造技術等新技術。這些新技術的使用，對提高制造業企業的競爭力起到了巨大的作用。2. CAD/CAM新技術2.1高速加工高速加工是以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的加工技術，高速加工可以縮短加工時間，提高生產效率和機床利用率；工件熱變形小，加工精度高，表面質量好；適合加工薄壁、剛性較差、容易產生熱變形的零件，加工工藝范圍廣，因此，在實際應用中，高速加工具有較好的技術經濟性。對于當今廣泛使用的數控機床、加工中心等投資費用較高的加工裝備，只有大幅度降低切削工時才能進一步提高其生產效率，而大幅度降低工時，只有通過提高切削速度和進給速度的方式才能實現，所以發展高速加

8、工技術具有十分重要的意義。高速加工機床有高速加工中心、高速車床、高速鉆床、高速銑床、高速磨床等，其中高速加工中心最為典型。按高速機床必須具備高主軸轉速和高進給速度與加速度的技術特征，通常將高速加工中心分為兩類：以高轉速為主要特征的高速加工中心，即HSM（High Speed Machining）型，這類機床一般只具有高轉速而沒有高進給速度；以高移動速度為主要特征的高速加工中心, 即HVM（High Velocity Machining）型，這類機床不僅具有高主軸轉速，且具有高進給速度。2.2逆向工程技術通過一定的途徑，將這些實物轉化為CAD模型，使之能利用CAD/CAM系統進行處理。這種從實物

9、樣件獲取產品數學模型的技術，稱為逆向工程RE （Reverse Engineering），也稱為反求工程、反向工程。它是在沒有產品原始圖紙、文檔或CAD模型數據的情況下，通過對已有實物的工程分析和測量，得到重新制造產品所需的幾何模型、物理和材料特性數據，從而復制出已有產品的過程，主要應用在產品仿制、新產品設計和舊產品改進。 圖7-1逆向工程工作流程2.3快速成形技術快速成形（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術，又稱為快速成形技術，是20世紀80年代末90年代初發展起來的一種先進制造技術，它結合了數控技術、CAD技術、激光技術、材料科學技術、自動控制技術等多門學科的先進成果，利用

10、光能、熱能等能量形式，對材料進行燒結、固化、粘結或熔融，最終成形出零件的三維實物模型。2.3.1 RP技術的工作原理和特點 RP技術是將復雜三維實體通過切片轉換為二維來加工的，通常又稱為層加工（Layer Manufacturing）。如圖7-2所示RP技術的工作原理是根據零件的三維CAD實體模型，利用專業切片軟件對其進行切片處理，得到模型每層截面的輪廓，再在快速成形設備中用激光或其他方法將材料進行逐層成形，從而形成零件的原型，可簡單地概括為數據離散、材料堆積。 圖7-2快速成型制造流程示意圖（1）實際應用的過程：1 利用高性能的CAD軟件設計出零件的三維曲面或實體模型。2 根據工藝要求，按照

11、一定的厚度在Z向（或其它方向）對生成的CAD模型進行分層切片。3 對層面信息進行工藝處理，選擇加工參數，系統自動生成刀具移動軌跡和數控加工代碼。4 加工過程進行仿真，確認數控代碼的正確性。5 利用數控裝置精確控制激光束選擇性地燒結/切割。具體流程如圖7-3所示。 圖7-3快速成形制造與反求工程（2）RP技術具有下列特點：1 由于采用分層成形、逐層疊加的成形原理，因此可以成形結構非常復雜的零件。2 成形過程不需要任何刀具、模具及工藝裝備，從而節省了成形前的準備時間，大大縮短了產品生產周期。3 產品的單價與批量無關，因此特別適合于新產品樣件的制作和單件、小批量零件的生產。4 與傳統制造方法相結合，

12、可實現快速制模、快速鑄造，為傳統制造方法注入了新的活力。5 成形過程為全自動控制，不需人員值守和看護，從而大大降低了操作人員的勞動工作量2.3.2 RP技術的應用 快速成形制造方法主要適合于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜零件的制造、模具設計與制造、也適合與難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗等。快速成形制造技術的應用主要表現在快速樣機制造、快速模具制造和快速制造。典型的有代表性的RPM技術有立體平面印刷（SLAStereolithography Apparatus）如圖7-4所示、分層實體制造（LOMLaminated Object Manufacturing）如圖7-5所示、

13、選擇性激光燒結（SLSSelective Laser Sintering）如圖7-6所示、熔融沉積成形（FDMFused Deposition Modeling）、噴墨印刷(InkJet Printing)等。 圖7-4立體平面印刷 圖7-5分層實體制造 圖7-6選擇性激光燒結2.3.3 RP技術的發展趨勢 快速成形制造技術目前的發展趨勢主要在兩方面，一是新型成形方法的研究和開發，其關鍵是尋找新的分層疊加成形原理；二是用什么材料進行分層疊加以及如何進行分層疊加。2.4虛擬制造技術隨著產品個性化、復雜性越來越高、產品生命周期越來越短，傳統的"試制原型產品試驗投產"的產品開發模

14、式由于產品需反復試制，造成產品開發周期長、成本高，這種模式已不能適應社會的發展，人們希望應用計算機技術，通過對產品的設計制造過程進行計算機模擬和仿真，來縮短產品的開發周期，提高產品開發的一次成功率。為解決上述問題，虛擬制造VM（Virtual Manufacturing）和虛擬制造系統VMS（Virtual Manufacturing System）誕生了。2.4.1虛擬現實技術虛擬現實技術具有多感知性、沉浸感、交互性、自主性和動態的顯示等特征可通過頭盔顯示器、數據手套和數據衣、語音識別系統（接受并識別用戶的語音命令）和三維環繞音響系統（為用戶營造身臨其境的聲音反饋）等實現虛擬現實環境。而虛擬

15、現實建模語言 (VirtualRealityModelingLanguage，VRML)是描述虛擬環境中場景的一種標準。設計VRML的一個主要目標是保證它作為多個虛擬現實（VR）系統或其組成部分中有效的三維文件的交換、描述標準，并且這些VR系統或其他組成部分可分布在網絡中的不同計算機上。同時VRML提供了二維、三維文字和多媒體集成為一個混合模型的技術。(1)VRML的基本概念1 頭文件。 #VRMLV2.0<encodingtype>optionalcomment<lineterminator> 2 場景圖結構。 3 事件結構。 4 感知器。 5 腳本和插值器 6 原型

16、、封裝和重用。 7 分布式場景。 8 VRML和WWW。 9 顯示和交互。 (2) VRML編程 1 *.wrl文件編程；為了使.wrl文件所模擬的現實世界具有較強的真實度，可通過Java語言來實現目的。 2 操縱 *.wrl文件編程。通過用Open Inventor編程，可實現虛擬現實瀏覽器的功能 2.4.2虛擬制造虛擬制造是新產品及其制造系統開發的一種哲理和方法論，可以看作是CAD/CAE/CAM集成化發展的高一層次，其本質是以新產品及其制造系統的全局最優化為目標，對設計、制造、管理等生產過程進行統一建模。它強調在實際投入原材料與產品實現過程之前，完成產品設計與制造過程的相關分析，以保證制

17、造實施的可行性，虛擬制造技術是基于產品模型、計算機仿真技術、可視化技術及虛擬現實技術，在計算機內完成產品的制造、裝配等制造活動的制造技術，具有功能一致性、結構相似性、組織的靈活性、集成化和智能化等特征。 （1） 虛擬制造與實際制造的關系 虛擬制造系統與實際制造系統之間關系如圖7-8所示 圖7-8虛擬制造系統與實際制造系統之間關系（2） 虛擬制造的分類1 以設計為核心的虛擬制造 2 以生產為核心的虛擬制造3 以控制為核心的虛擬制造 虛擬制造的分類及相互關系如圖7-9 所示： 圖7-9虛擬制造的分類及相互關系（3） 虛擬制造的體系結構1) 虛擬開發平臺 基于產品技術復合化的產品設計與分析；基于仿真

18、的零部件制造設計與分析；基于仿真的制造過程碰撞干涉檢驗及運動軌跡檢驗虛擬加工、虛擬機器人等；可實現材料加工成形仿真和產品虛擬裝配等。2) 虛擬生產平臺 可實現虛擬生產環境布局、設備集成和計劃與調度。 3) 虛擬企業平臺4）基于PDM的虛擬制造集成平臺 基于產品數據管理（PDM）的虛擬制造集成技術；基于PDM的產品開發過程集成。支持虛擬制造的產品數據模型。2.4.3虛擬制造的關鍵技術虛擬制造的關鍵技術主要有計算機及虛擬現實技術和虛擬制造應用關鍵技術。（1）計算機及虛擬現實技術 ： 1) 人機接口 2) 軟件技術 3) 虛擬現實計算平臺 （2）虛擬制造應用關鍵技術 ：1) 建模 2) 仿真 3) 可制造性評價2.4.4虛擬制造應用實例 (1) 虛擬設計 下圖劍桿織機虛擬產品 圖7-10劍桿織機虛擬產品可視化(2) 虛擬裝配 如圖7-11 圖7-11關鍵部件虛擬裝配（3）虛擬加工 如圖7-12所示為虛擬加工環境構造的虛擬機床模型。 圖7-12虛擬機床模型2.4.5虛擬產品開發 虛擬產品開發的主要特點是產品虛擬化，另外還包括功能虛擬化、地域虛擬化和組織虛擬化等特點。虛擬產品開發體系結構如圖7-13. 圖7-13虛擬產品開發體系結構虛擬產品開發的關鍵技術有：(1)產品開發的過程建模過程模型過程模型的描述方法及