第1章概述1.1

CAD/CAM的基本概念1.2

CAD/CAM系統的功能和工作過程1.3

CAD/CAM系統的硬件與軟件1.4

CAD/CAM技術的應用與發展

1.1CAD/CAM的基本概念

1.CAD/CAM技術原理

CAD/CAM技術是以計算機、外圍設備及其系統軟件為基礎，綜合計算機科學與工程、計算機幾何學、機械設計與制造、人機工程學、控制理論、電子技術、信息技術等學科知識，并以工程應用為對象，在機械制造業實現包括二維繪圖設計、三維幾何造型設計、工程計算分析與優化設計、數控加工編程、仿真模擬、信息存儲與管理等相關功能的實用技術。廣義的CAD/CAM技術是指利用計算機輔助技術進行產品設計與制造的整個過程以及與之直接和間接相關的活動，包括產品設計（幾何造型、分析計算、優化設計、工程繪圖等）、工藝準備（計算機輔助工藝設計，計算機輔助工裝設計與制造、NC自動編程、工時定額和材料定額編制等）、物料作業計劃和生產作業計劃的運行與控制（加工、裝配、檢測、輸送、存儲等）、生產質量控制、工程數據管理等。狹義的CAD/CAM技術是指利用CAD/CAM系統進行產品的造型、計算分析和數控程序的編制（刀具路徑的規劃、刀位文件的生成、刀具軌跡的仿真及NC代碼的生成等）。

2.CAD/CAM與制造模式

CAD/CAM技術在制造業中的應用改變了傳統的設計與制造方式，在流程、信息、控制等模式上發生了質的變化，成為先進制造技術的核心。傳統的設計與制造方式是以技術人

員為中心展開的，產品及其零件在加工過程中所處的狀態，設計、工藝、制造、設備等環節的延續與保持等，都是由人工進行檢測并反饋的，所有的信息均交匯到技術和管理人員處，由技術人員進行對象的相關處理。傳統設計制造方法的一般流程如圖1-1所示。在市場需求的驅動下，企業的技術人員經過概念設計，構思出具有一定形狀和結構，并具備一定功能的產品。這種產品需要經過分析計算才能投入到實際的加工與裝配之中，構成面向市場、滿足客戶要求的產品。圖1-1傳統設計制造的一般流程以CAD/CAM為核心的設計制造過程如圖1-2所示。技術人員作為系統的操作與控制者，通過計算機網絡平臺，幾乎可同時介入到產品設計制造的各個環節，即后續的技術人員可以參與產品的設計，產品的整個設計制造過程鏈已經大大縮短。圖1-2以CAD/CAM為核心的設計制造過程

3.CAD/CAM的生存環境

CAD/CAM系統的運行需要一定的工作環境和支撐平臺，主要包括：

（1）操作系統。

（2）計算機網絡。

（3）數據管理平臺。

（4）集成制造環境。

1.2CAD/CAM系統的功能和工作過程

1.CAD/CAM系統的主要功能

1）幾何建模

產品幾何建模又稱幾何實體造型，是在產品設計構思階段通過對產品基本幾何實體及其相互間關系的描述，按照一定的數據結構在計算機中構造出產品的三維幾何模型的過程。幾何建模是CAD/CAM作業的基礎，通過所構造的產品及其部件的三維幾何結構模型，可對產品各組成零件間可能存在的裝配干涉進行分析，評價產品的可裝配性；可對產品傳動

機械的運動關系進行分析，檢驗機構內部零部件之間以及與周圍環境是否存在碰撞；可動態顯示產品的三維圖形，進行圖形的消隱、色彩濃淡處理，以提高所設計產品的真實感。利用CAD/CAM提供的幾何建模功能，用戶可構造各種產品的幾何模型，對其性能進行分析評價，及時修改所發現的缺陷和不足。目前市場上提供的CAD/CAM系統，一般均具

備完善的實體造型、曲面造型和參數化特征造型功能，可滿足不同產品開發和復雜曲面造型的建模要求。

2）計算分析

一方面，CAD/CAM系統在構造了產品的形狀模型之后，能夠根據產品的幾何形狀，計算出產品的體積、表面積、質量、重心位置、轉動慣量等幾何特性和物理特性，為系統進行工程分析和數值計算提供必要的基本參數。另一方面，CAD/CAM中的結構分析需進行應力、溫度、位移等的計算和圖形處理中變換矩陣的運算及體素之間的交、并、差計算等，同時，在工藝規程設計中還有工藝參數的計算，因此要求CAD/CAM系統中各類計算分析的算法要正確、全面，有較高的計算精度。

3）工程繪圖

產品設計的結果往往是以機械圖的形式表現出來的，CAD/CAM中的某些中間結果也是通過圖形表達的。CAD/

CAM系統一方面應具備將幾何建模的三維圖形直接向二維圖形轉換的功能，另一方面還需有處理二維圖形的能力，包括基本圖元的生成、標注尺寸、圖形的編輯（如比例變換、平移、圖形拷貝、圖形刪除等）、顯示控制及附加技術條件等功能，保證生成滿足生產實際要求并符合國家標準的機械圖。

4）結構分析

在進行靜態、動態特性分析計算之前，系統根據產品結構特點，劃分網格，標出單元號、節點號，并將劃分的結果顯示在屏幕上。進行分析計算之后，系統又將計算結果以圖形、文件的形式輸出，例如應力分布圖、溫度場分布圖、位移變形曲線等，使用戶方便、直觀地看到結果。

5）優化設計

CAD/CAM系統具有優化求解的功能，也就是說，在某些條件的限制下，使產品或工程設計中的預定指標達到最優。優化包括總體方案的優化、產品零件結構的優化、工藝參數的優化等。優化設計是現代設計方法學中的一個重要的組成部分。

6）工藝規程設計

設計的目的是為了加工制造，而工藝設計的作用是為產品的加工制造提供指導性的文件，因此，CAPP是CAD與CAM的中間環節。CAPP系統應當根據建模后生成的產品信息及制造要求，自動決策出加工該產品所采用的加工方法、加工步驟、加工設備及加工參數。

7）數控功能

根據CAD所建立的幾何模型以及CAPP所制定的加工工藝規程，選擇所需要的刀具和工藝參數，確定走刀方式，自動生成刀具軌跡，經后置處理，生成特定機床的NC加工指令。

8）模擬仿真

利用數控加工仿真系統從軟件上實現零件試切的加工模擬，可避免現場調試帶來的人力、物力的投入及加工設備損壞等，從而減少制造費用，縮短產品設計周期。模擬仿真包括加工軌跡仿真，機械運動學模擬，機器人仿真，工件、刀具、機床的碰撞、干涉校核等。

9）工程數據庫功能

CAD/CAM系統所涉及的數據量大，數據種類多，既有幾何圖形數據又有屬性語義數據，既有產品模型數據又有加工工藝數據，既有靜態數據也有動態數據，且數據結構復雜。因此，CAD/CAM系統應能提供有效的工程數據管理手段，支持產品設計與制造全過程的數據信息的流動和處理。

2.CAD/CAM系統工作過程

CAD/CAM系統是設計、制造過程中的信息處理系統，它主要研究對象描述、系統分析、方案優化、計算分析、工藝設計、仿真模擬、NC編程以及圖形處理等理論和工程方法，輸入的是產品設計要求，輸出的是零件的制造加工信息。圖1-3所示為CAD/CAM系統的工作流程。圖1-3CAD/CAM系統的工作流程1.3CAD/CAM系統的硬件與軟件

1.CAD/CAM系統組成

CAD/CAM系統是由硬件、軟件和設計者組成的人機一體化系統，見圖1-4。其中的硬件是CAD/CAM系統運行的基礎，主要包括計算機主機、計算機外圍設備以及生產設備等具有有形物質的設備。CAD/CAM系統的核心包括操作系統、各種支撐軟件和應用軟件等。圖1-4CAD/CAM系統的組成

2.CAD/CAM的硬件系統

硬件是指一切可以觸摸到的物理設備。根據機械設計與制造的要求，針對系統的應用范圍和相應的軟件規模，可以選用不同規模、不同結構、不同功能的計算機、外部設備及其生產加工設備。CAD/CAM硬件組成如圖1-5所示。圖1-5CAD/CAM系統的硬件組成在CAD/CAM系統中，硬件應具有以下幾項基本功能：

（1）計算功能。

（2）存儲功能。

（3）輸入/輸出功能。

（4）交互功能。

3.CAD/CAM的軟件系統

CAD/CAM系統是按照程序和數據進行工作的，這些程序、數據及相關的文檔就是軟件。

根據CAD/CAM系統中執行的任務及服務對象的不同，可將軟件系統分為三個層次，即系統軟件、支撐軟件和應用軟件，如圖1-6所示。圖1-6CAD/CAM系統的軟件層次結構

1）系統軟件

系統軟件主要用于計算機的管理、維護、控制和運行，以及對計算機程序的翻譯和執行。

系統軟件主要包括各類操作系統和語言編譯系統。操作系統有Windows、Linux、UNIX等。

2）支撐軟件

從功能上可將支撐軟件劃分為自動繪圖、幾何建模、工程分析與計算、仿真與模擬、工藝過程設計、專用設備控制程序生成、集成與管理等幾種類型。

（1）繪圖軟件。

（2）幾何建模軟件。

（3）工程分析與計算軟件。（4）仿真與模擬。

（5）工藝過程設計。

（6）專用設備控制程序生成。

（7）集成與管理。

3）應用軟件

根據用戶的要求和配備支撐軟件系統的不同，應用軟件可分為檢索與查詢軟件、專用圖形生成軟件、專用數據庫、專用計算與算法軟件、專用設備接口與控制程序（含專用設備驅動程序）、專用工具軟件等。

4.機械CAD/CAM系統分類

（1）機械CAD/CAM系統根據使用的支撐軟件規模大小的不同，可分為三種類型：

①CAD系統。這類系統具有較強的幾何造型、工程繪圖、仿真與模擬、工程分析與計算、文檔管理等功能。②CAM系統。這類系統具有數控加工編程、加工過程仿真、生產系統及設備的控制與管理、生產信息管理等功能。在硬件方面，圖形輸入/輸出設備相對較少，而大多數是與生產相關的設備；在軟件方面，幾何造型、自動繪圖、工程分析與計算、運動學和力學分析與仿真等功能很弱或沒有。③CAD/CAM集成系統。這類系統規模較大、功能齊全、集成度較高，同時具備CAD、CAM系統的功能，以及系統間共享信息和資源的能力，硬件配置較全，軟件規模和功能強大。該類系統是面向CAD/CAM一體化而建立的，是目前CAD/CAM發展的主流。（2）根據CAD/CAM系統使用的計算機硬件及其信息處理方式的不同，也可分為三種類型：

①主機系統。這類系統以一個主機為中心，如圖1-7(a)所示。系統集中配備某些公用的外部設備（如繪圖機、打印機、磁帶機等）與主機相連，同時可以支持多個用戶工作站及字符終端。一般至少有一個圖形終端，并配有圖形輸入設備，如鍵盤、鼠標或圖形輸入板，如圖1-7(b)所示，用來

輸入字符或命令等。圖1-7主機系統的基本結構②工程工作站系統。工作站本身具有強大的分布式計算功能，因此能夠支持復雜的CAD/CAM作業和多任務進程。該類系統的信息處理不再采用多用戶分時系統的結構與方式，

而是采用計算機網絡技術將多臺計算機（工程工作站或微型計算機）連接起來，一般每臺計算機只配一個圖形終端，每位技術人員使用一臺計算機，以保證對操作命令的快速響應，如圖1-8所示。圖1-8工作站系統的基本結構③微機系統。微機系統也稱個人機（PC機）系統。近年來，微機在速度、精度、內外存容量等方面已能滿足CAD/CAM應用的要求，一些大型工程分析、復雜三維造型、數控編程、加工仿真等作業在微機上已經運行得比較順暢了，微機的價格也越來越便宜。（3）根據CAD/CAM系統是否使用計算機網絡，又可分為單機系統和網絡化系統。

①單機系統。單機系統中，每臺計算機上都具備完成CAD/CAM指定任務所需要的全部軟/硬件資源，但計算機之間沒有實施網絡連接，無法進行通信和信息傳遞，不能實

現資源共享。②網絡化系統。這類系統將本地或異地的多臺計算機以網絡形式連接起來，完成CAD/CAM任務所需要的全部軟/硬件資源分布在各個節點上，計算機之間可以進行通信和信

息交互，實現設計及制造資源的共享，如圖1-9所示。圖1-9網絡化CAD/CAM系統1.4CAD/CAM技術的應用與發展

1.CAD/CAM技術的歷程

20世紀50年代，美國麻省理工學院（MIT）首次研制成功了數控機床，通過數控程序對零件進行加工。后來，MIT又研究成功了名為“旋風”的計算機。

1962年，美國學者I.E.Sutherland發表了“人機對話圖形通信系統”的論文，首次提出了計算機圖形學、交互式技術等理論和概念，并研制出SKETCHPAD系統，第一次實現了人機交互的設計方法，使用戶可以在屏幕上進行圖形的設計與修改，從而為交互式計算機圖形學理論及CAD技術奠定了基礎。

20世紀70年代，交互式計算機圖形學及計算機繪圖技術日趨成熟，并得到了廣泛的應用。隨著計算機硬件的發展，以小型機、超小型機為主機的通用CAD系統，以及針對某些

特定問題的專用CAD系統開始進入市場。

20世紀80年代，CAD/CAM技術及應用系統得到了迅速的發展。促進這一發展的因素很多，主要是：計算機硬件的性能大幅度提高，32位字長的工作站及微機的性能已達到甚至超過了過去的小型機及中型機；計算機外圍設備（如彩色高分辨率的圖形顯示器、大型數字化儀、大型自動繪圖機、彩色打印機等）性能大幅提高，而且品種繁多，已經形成了系列化產品；計算機網絡技術得到廣泛應用，為將CAD/CAM技術推向更高水平提供了必要的條件。

20世紀90年代，CAD/CAM技術已走出了它的初級階段，進一步向標準化、集成化、智能化及自動化方向發展。為了實現系統集成，更加強調信息集成和資源共享，強調產品生

產與組織管理的自動化，從而出現了數據標準和數據交換問題，并隨之出現了產品數據管理（PDM）軟件系統。進入21世紀，CAD/CAM技術開始注重其在工程中的工具性，把系統集成的焦點集中在新的設計與制造理念上，如基于知識工程的CAD/CAM技術、面向制造與裝配的CAD/CAM

技術等，使得CAD/CAM技術更貼近工程實際和工程技術人員。

2.國內CAD/CAM技術的應用

1）引進、跟蹤、研發階段

國內CAD/CAM技術方面的研究是從20世紀70年代中期開始的，主要圍繞二維圖形軟件進行開發，并在航空領域和造船工業首先應用。20世紀80年代初，開始成套引進國外CAD/CAM系統，在此基礎上進行開發，并應用在少數大型企業和設計研究所。直到“七五”、“八五”、“863/CIMS”計劃的實施，才真正開始了中國以CAD為基礎的計算機輔助技術與產品的研究與開發。

2）自主開發和快速成長階段

進入20世紀90年代后，隨著“863/CIMS”計劃的推進，北航、清華、華中理工等一批高校和科研院所相繼推出了研究成果，并在政府的大力扶持下展開了科研成果向產