目錄MENU第1章緒論第2章CAD/CAM系統(tǒng)第3章CAD技術(shù)第4章CAM技術(shù)第5章CAD/CAM集成技術(shù)及發(fā)展第1章緒論1.1概述1.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1.1概述

1.1.1CAD/CAM的基本概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign，CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用的兩個(gè)主要方面，是指在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程中利用計(jì)算機(jī)作為主要手段，代替人的手工勞動(dòng)和部分腦力勞動(dòng)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)主要是指：使用計(jì)算機(jī)來輔助一項(xiàng)設(shè)計(jì)的建立、修改、分析和優(yōu)化，即整個(gè)設(shè)計(jì)工作先由設(shè)計(jì)人員構(gòu)思，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)有關(guān)產(chǎn)品的大量資料進(jìn)行檢索，根據(jù)性能要求及有關(guān)數(shù)據(jù)、公式進(jìn)行計(jì)算、分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖形顯示出來。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)設(shè)計(jì)方案或圖形做必要的修改，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

在沒有采用CAD技術(shù)之前，設(shè)計(jì)工作由設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的要求(用戶的要求或產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)想)，參考各種有關(guān)資料(各種參數(shù)、數(shù)據(jù)及制造標(biāo)準(zhǔn)等)、計(jì)算公式，考慮所采用的加工方法及生產(chǎn)設(shè)備條件，類比相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)思并擬訂產(chǎn)品的初步方案或結(jié)構(gòu)草圖，進(jìn)行多次反復(fù)的計(jì)算分析、綜合比較，選定在經(jīng)濟(jì)性、工藝性和可靠性等方面較為合理完善的方案。根據(jù)這個(gè)初步設(shè)計(jì)繪制設(shè)計(jì)圖紙并編制有關(guān)文件資料(穿插著必要的設(shè)計(jì)修改、驗(yàn)算等)。

這種設(shè)計(jì)方式不可避免地存在著以下不足之處：

(1)人工完成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)難以做到最佳(優(yōu)化)設(shè)計(jì)，僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，故只能停留在靠類比和估算來代替設(shè)計(jì)計(jì)算的階段上。

(2)設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，用于煩瑣、重復(fù)的手工計(jì)算、繪圖和編制表格，耗工費(fèi)時(shí)，拖長了設(shè)計(jì)周期。

(3)設(shè)計(jì)的精確性和可靠性受到了很大限制，影響了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

(4)難以進(jìn)行精確的計(jì)算，設(shè)計(jì)中安全系數(shù)值較大，增大了材料的消耗。

由于市場對(duì)產(chǎn)品不斷提出各種各樣的要求，產(chǎn)品的更新?lián)Q代非常迅速，生產(chǎn)向著多品種、中小批量方向發(fā)展。只有適應(yīng)這種日新月異的變化，努力追求T、C、Q、S、D，即以最短的交貨期(Time)、最小的成本(Cost)，向市場推出質(zhì)量(Quality)最好的產(chǎn)品，同時(shí)為用戶提供最好的服務(wù)(Service)并不斷進(jìn)行新產(chǎn)品的研發(fā)(Developing)，企業(yè)才能在國內(nèi)外市場的激烈競爭中求得生存和發(fā)展。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必不可少的條件。一般來說，能解決某類問題的CAD系統(tǒng)應(yīng)具備以下3個(gè)條件：

(1)有較完備的數(shù)據(jù)庫。凡解決該類問題所需的各種數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)曲線、表格等，都按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系存入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，以便于檢索調(diào)用或增刪修改。

(2)有較完備的程序庫，即將解決該類問題所必需的各種計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析方法，包括通用方法和專用方法，都編制出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，并匯集備用。

(3)具備人機(jī)會(huì)話功能的交互式圖形系統(tǒng)，即能利用實(shí)時(shí)輸入/輸出裝置，如鍵盤、鼠標(biāo)、圖形顯示器、自動(dòng)繪圖儀器，實(shí)時(shí)輸入設(shè)計(jì)人員的有關(guān)指令和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)輸出設(shè)計(jì)圖樣及數(shù)據(jù)。

一個(gè)較完善的CAD系統(tǒng)由數(shù)值計(jì)算與處理、交互繪圖與圖形輸入/輸出、存儲(chǔ)和管理設(shè)計(jì)制造信息的工程數(shù)據(jù)庫等三大模塊組成。近十年來，國際上推出的商用CAD系統(tǒng)種類繁多，功能近似或有一定差異。

分析十幾種通用的CAD系統(tǒng)，可歸納其主要功能如下：

(1)造型功能。

(2)二維與三維圖形的相互轉(zhuǎn)換。

(3)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

(4)三維幾何模型的顯示處理。

(5)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析和仿真。

(6)物體質(zhì)量特征計(jì)算。

(7)有限元分析。

(8)優(yōu)化。

(9)極強(qiáng)的圖形處理功能。

(10)先進(jìn)的二次開發(fā)工具。

(11)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)交換。

實(shí)用的CAM系統(tǒng)大致分為以下兩類：

(1)?CAM的直接應(yīng)用：計(jì)算機(jī)與制造過程直接連接，對(duì)制造過程和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制。計(jì)算機(jī)監(jiān)視是指將計(jì)算機(jī)與制造過程連在一起，對(duì)制造過程和設(shè)備進(jìn)行觀察以及在加工過程中收集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)并不直接控制操作。而計(jì)算機(jī)控制則是對(duì)制造過程和設(shè)備進(jìn)行直接的控制。

(2)?CAM的間接應(yīng)用：計(jì)算機(jī)與制造過程不直接連接，而是以“脫機(jī)”(指設(shè)備不在計(jì)算機(jī)直接控制之下)工作方式提供生產(chǎn)計(jì)劃、進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備以及發(fā)出有關(guān)指令和信息等，通過這些可以對(duì)生產(chǎn)過程和設(shè)備進(jìn)行更有效的管理。在此過程中，用戶向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和程序，再按計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果去指導(dǎo)生產(chǎn)。

CAPP是指在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段給出的信息，人機(jī)交互地或自動(dòng)地確定產(chǎn)品加工方法和工藝過程。一般認(rèn)為CAPP的功能包括毛坯設(shè)計(jì)、加工方法選擇、工藝路線制訂、工序設(shè)計(jì)和刀具夾具設(shè)計(jì)。

工序設(shè)計(jì)又包含機(jī)床和刀夾量具等的選擇、切削用量選擇、加工余量分配以及工時(shí)定額計(jì)算等。通過應(yīng)用CAPP，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)既可以全部或部分地進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，又能以迅速和一致的方式向用戶提供優(yōu)化的方案。

值得注意的是，不應(yīng)該把CAD與計(jì)算機(jī)輔助繪圖、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)混淆起來。計(jì)算機(jī)輔助繪圖是指使用圖形軟件和硬件進(jìn)行繪圖及有關(guān)標(biāo)注的一種技術(shù)；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是研究通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的科學(xué)。計(jì)算機(jī)輔助繪圖主要解決機(jī)械制圖問題，是CAD的一個(gè)組成部分，其內(nèi)涵比CAD小得多；計(jì)算機(jī)圖形學(xué)是一門獨(dú)立的學(xué)科，但它的有關(guān)圖形處理的理論與方法是構(gòu)成CAD技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造集成在一起，稱為CAD/CAM系統(tǒng)；把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程和計(jì)算機(jī)輔助制造集成在一起，稱為CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。現(xiàn)在很多CAD系統(tǒng)逐漸添加了CAM和CAE(ComputerAidedEngineering，計(jì)算機(jī)輔助工程分析)功能，所以工程界習(xí)慣上把CAD/CAE/CAM稱為CAD系統(tǒng)或CAD/CAM系統(tǒng)。一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程往往包括產(chǎn)品任務(wù)規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品試用、產(chǎn)品生產(chǎn)等階段，而計(jì)算機(jī)只是按用戶給定的算法完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造全過程中某些階段或某個(gè)階段中的部分工作，如圖1.1.1所示。

圖1.1.1產(chǎn)品開發(fā)過程及CAD、CAE、CAM的范圍

1.1.2CAD/CAM集成的概念

近40年來，CAD、CAPP、CAM技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其是自20世紀(jì)70年代中期以來，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，幾乎深入到與生產(chǎn)過程有關(guān)的所有領(lǐng)域，形成了許多計(jì)算機(jī)輔助的分散系統(tǒng)。如不考慮企業(yè)行政管理方面的因素，這些分散系統(tǒng)包括PPS、CAD、CAE、CAPP、CAM、CAQ(ComputerAidedQuality，計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量管理)、CAFD(ComputerAidedFixtureDesign，計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì))。

這些獨(dú)立的分散系統(tǒng)，分別在產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化、工藝過程設(shè)計(jì)自動(dòng)化和數(shù)控編程自動(dòng)化等方面起到了重要作用。但是采用這些各自獨(dú)立的分散系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動(dòng)傳遞和交換，信息資源還不能共享。

利用數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)CAD與CAPP、CAM集成的基本工作步驟如下：

(1)?CAD設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，繪制產(chǎn)品圖樣，為CAPP、CAM過程準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

(2)經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成中性文件(如IGES、STEP文件)。

(3)?CAPP系統(tǒng)讀入中性文件，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需格式后生成零件工藝過程。

(4)?CAD、CAPP系統(tǒng)生成數(shù)控編程所需數(shù)據(jù)，并按一定標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的中性文件。

(5)?CAM系統(tǒng)讀入中性文件，并將其轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需格式后生成數(shù)控程序。

CAD、CAPP與CAM之間密切的關(guān)系，也即CAD/CAM系統(tǒng)所具有的三大功能之間的關(guān)系可用圖1.1.2所示的框圖來表示。

圖1.1.2CAD、CAPP與CAM之間的關(guān)系

1.1.3產(chǎn)品生產(chǎn)過程與CAD/CAM過程

產(chǎn)品是市場競爭的核心。對(duì)于產(chǎn)品有不同的定義和理解。首先從生產(chǎn)的觀點(diǎn)來看，產(chǎn)品是從需求分析開始，經(jīng)過設(shè)計(jì)過程、制造過程后變成可供用戶使用的成品，這一總過程也稱為產(chǎn)品生產(chǎn)過程。產(chǎn)品生產(chǎn)過程具體包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工和裝配過程。每一過程又劃分為若干個(gè)階段。

在上述各過程、階段內(nèi)，計(jì)算機(jī)獲得不同程度的應(yīng)用，并形成了相應(yīng)CAD/CAPP/CAM過程鏈，如圖1.1.3所示。按順序的生產(chǎn)觀點(diǎn)，這是一個(gè)串行的過程鏈，但按并行工程的觀點(diǎn)考慮到信息反饋，這也是一個(gè)交叉、并行的過程。

圖1.1.3產(chǎn)品生產(chǎn)過程與CAD/CAM過程

從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度看，設(shè)計(jì)與制造過程是一個(gè)信息處理、交換、流通和管理的過程，因此，CAD/CAM系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)和制造過程中信息的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、流通和管理進(jìn)行分析與控制，CAD/CAM系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的信息處理系統(tǒng)。這種信息處理系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，既可以使設(shè)計(jì)和制造信息有機(jī)地結(jié)合，可以相互利用這兩個(gè)領(lǐng)域的必要知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，也由于信息管理一體化，可以減少設(shè)計(jì)差錯(cuò)、制造失誤和信息傳輸錯(cuò)誤，從而縮短準(zhǔn)備時(shí)間和簡化修正程序，還便于技術(shù)和生產(chǎn)狀況的管理、記錄和質(zhì)量水平的提高。

1.2CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1.2.1CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用目前，CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)滲透到工程技術(shù)和人類生活的幾乎所有領(lǐng)域，成為一個(gè)令人矚目的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，尤其是在機(jī)械、電子、航空、航天、兵器、汽車、船舶、電力、化工、建筑和服裝等行業(yè)應(yīng)用已較為普遍。

目前，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。我國近年來CAD/CAM技術(shù)的研究與應(yīng)用雖然已取得了可喜成績，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比差距依然很大。許多企業(yè)盡管引進(jìn)了CAD/CAM系統(tǒng)，但其功能卻沒能得以充分發(fā)揮。因此，我們應(yīng)抓緊時(shí)機(jī)，結(jié)合國情，積極開展CAD/CAM技術(shù)的研究與推廣工作，提高企業(yè)競爭能力，加快企業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的步伐。

1.2.2CAD/CAM技術(shù)的歷史沿革

機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)可以分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造兩個(gè)階段。

1.CAD/CAM集成技術(shù)的產(chǎn)生

CAD/CAM是一門基于計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的、與機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)相互滲透結(jié)合的、多學(xué)科綜合性的技術(shù)。它隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展、數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用及CAD/CAM軟件的日益完善，在電子、機(jī)械、航空、航天、輕工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

CAD/CAM技術(shù)為什么能在短短的40余年間發(fā)展如此迅速呢？歸根到底是因?yàn)樗鼛缀跬苿?dòng)了整個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)革命，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)速度，縮短了產(chǎn)品從開發(fā)到上市的周期；同時(shí)，由于市場競爭的日益激烈，用戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、價(jià)格、生產(chǎn)周期、服務(wù)、個(gè)性化等要求越來越高。對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)商來說，為了立足市場，必須使用先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終提升產(chǎn)品的市場競爭力，CAD/CAM技術(shù)便是首選之一。

2.?CAD/CAM發(fā)展歷程

1)?CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展歷程

從CAD/CAM技術(shù)誕生至今，它的發(fā)展始終與計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟硬件水平及相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)(如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等)的發(fā)展緊密相連。因此，我們?cè)诹私釩AD技術(shù)發(fā)展歷程的同時(shí)，也需要了解當(dāng)時(shí)與CAD技術(shù)相關(guān)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展情況。在CAD技術(shù)和CAM技術(shù)誕生初期，它們是獨(dú)立發(fā)展的，而CAM技術(shù)的發(fā)展促使了CAD技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。

20世紀(jì)40年代末期，美國有一位叫約翰·帕森斯的工程師構(gòu)思并向美國空軍展示了一種加工方法：在一張硬紙卡上打孔來表示需要加工的零件的幾何形狀，利用這張硬紙卡來控制機(jī)床進(jìn)行零件的加工。當(dāng)時(shí)美國空軍正在尋找一種先進(jìn)的加工方法以解決飛機(jī)外形樣板加工的問題，因此美國空軍對(duì)該構(gòu)思十分感興趣并大力贊助，同時(shí)委托麻省理工學(xué)院進(jìn)行研究開發(fā)。

1952年，麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室和帕森斯公司合作研制出了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床在用于飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓檢驗(yàn)樣板的加工中取得圓滿成功。它是用含有某種指令的特定程序控制其運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)工件加工的：首先由人工編好程序并輸入數(shù)控機(jī)床，然后執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)零件的自動(dòng)加工。用這種方法在編制復(fù)雜零件的加工程序時(shí)存在編程比較麻煩、周期長且容易出錯(cuò)等缺點(diǎn)。因?yàn)槌绦蚓幹戚^難，所以限制了它的有效應(yīng)用。

1969年，美國UnitedComputing公司成功地開發(fā)出了APT軟件并取名為UNIAPT。APT軟件經(jīng)過軟件開發(fā)商的發(fā)展，先后推出了APT-Ⅱ、APT-Ⅲ、APT-Ⅳ、APT-SS等版本，其功能不斷擴(kuò)充，APT-Ⅲ具有立體切削功能，APT-Ⅳ實(shí)現(xiàn)了曲面加工，APT-SS可雕刻表面。APT軟件以語句為結(jié)構(gòu)對(duì)加工零件的幾何形狀進(jìn)行描述和定義，以應(yīng)用軟件對(duì)語句進(jìn)行信息處理，最終生成零件的數(shù)控加工程序的工作原理，就是CAM技術(shù)的開端。因此，早期的CAM主要用于解決程序編制問題，APT也成為自動(dòng)編程的一種形式——以計(jì)算機(jī)語言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程。

雖然以計(jì)算機(jī)語言為基礎(chǔ)的自動(dòng)編程方法解決了不少編程問題，但它仍存在許多明顯不足，如缺少對(duì)零件形狀和刀位軌跡進(jìn)行模擬驗(yàn)證的功能使得加工容易出錯(cuò)；程序編制時(shí)因?yàn)闆]有圖形而不直觀，不能處理復(fù)雜零件尤其是有曲面的零件等。

CAD技術(shù)從出現(xiàn)至今大致經(jīng)歷了以下5個(gè)階段：

(1)孕育形成階段(20世紀(jì)50年代)。

(2)快速發(fā)展階段(20世紀(jì)60年代)。

(3)成熟推廣階段(20世紀(jì)70年代)。

(4)廣泛應(yīng)用階段(20世紀(jì)80年代)。

(5)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化階段(20世紀(jì)80年代后)。

將人工智能(ArtificialIntelligence，AI)引入CAD系統(tǒng)是CAD技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，這種結(jié)合大大提高了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。專家系統(tǒng)(ExpertSystem，ES)是人工智能在產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)中最早獲得成功應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始階段，特別是在概念設(shè)計(jì)和構(gòu)思評(píng)價(jià)階段起到了積極的作用。

CAD技術(shù)與CAM、CAE等技術(shù)的集成形成了廣義的CAD/CAM系統(tǒng)。CAD/CAM系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了信息集成和功能集成，CIMS則是更高層次的集成，它包括產(chǎn)品幾何、加工、管理等全方位的信息。

2)?CAE技術(shù)的發(fā)展歷程

CAE是指以現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)為基礎(chǔ)、以計(jì)算機(jī)仿真為手段，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工程分析并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)。這里所指的工程分析包括有限元分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析、應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、電磁場分析等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，CAD技術(shù)完成了產(chǎn)品的幾何模型的建立，但是對(duì)于設(shè)計(jì)是否合理、產(chǎn)品能否滿足工程應(yīng)用要求，則需對(duì)模型進(jìn)行工程分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化，并根據(jù)需要對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的修改，使產(chǎn)品最終滿足有關(guān)要求。

CAE技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。

(1)技術(shù)探索階段(20世紀(jì)60—70年代)。

(2)蓬勃發(fā)展階段(20世紀(jì)70—80年代)。

(3)成熟推廣階段(20世紀(jì)90年代)。

1.2.3CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢

CAD/CAM技術(shù)還在不斷的發(fā)展之中，發(fā)展的主要趨勢是集成化、智能化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化，先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造方法得到不斷應(yīng)用與推廣。具體來說主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方向上。

1.?CIMS

CIMS是CAD/CAM集成技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

CIMS的核心是實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)總體優(yōu)化，產(chǎn)品達(dá)到上市快、質(zhì)量高、成本低、服務(wù)好的標(biāo)準(zhǔn)，從而提高企業(yè)的競爭能力與生存能力。

CIMS又稱計(jì)算機(jī)綜合制造系統(tǒng)，它是在網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫支持下，由以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為核心的工程信息處理系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)輔助制造為中心的加工、裝配、檢測、儲(chǔ)運(yùn)、監(jiān)控自動(dòng)化工藝系統(tǒng)和經(jīng)營管理信息系統(tǒng)所組成的綜合體。

2.智能化CAD/CAM系統(tǒng)

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，除了集成化之外，人們還將人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)應(yīng)用于CAD/CAM系統(tǒng)中，形成智能化的CAD/CAM系統(tǒng)，使其具有人類專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和判斷功能及智能化的視覺、聽覺和語言能力，從而解決那些以前必須由人類才能解決的復(fù)雜問題。因此，基于知識(shí)的智能化的專家系統(tǒng)也是CAD/CAM的重要發(fā)展趨勢之一。

所謂專家系統(tǒng)，就是一個(gè)存儲(chǔ)有大量知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)庫的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。知識(shí)庫中的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)來源于很多有關(guān)的人類專家的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。專家系統(tǒng)應(yīng)用人工智能技術(shù)，使計(jì)算機(jī)能夠在一定程度上代替人進(jìn)行推理、判斷和模擬人設(shè)計(jì)的思維過程，從而解決那些以前必須由人才能解決的復(fù)雜問題。一個(gè)成功的專家系統(tǒng)解決問題的能力可以達(dá)到甚至于超過單個(gè)人類專家的水平。

3.并行工程

并行工程(ConcurrentEngineering)是隨著CAD/CAM、CIMS技術(shù)發(fā)展提出的一種新的系統(tǒng)工程方法。這種方法的思路，就是并行的、集成的設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其開發(fā)的過程。它要求開發(fā)人員在設(shè)計(jì)階段就考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有要求，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度、用戶要求等，以便最大限度地提高產(chǎn)品開發(fā)效率及一次成功率。并行工程的關(guān)鍵是用并行設(shè)計(jì)方法代替串行設(shè)計(jì)方法(順序法)，圖1.2.1為兩種設(shè)計(jì)方法示意圖。由圖1.2.1可見，在串行法中信息流向是單向的，而在并行法中信息流向是雙向的。

圖1.2.1兩種設(shè)計(jì)方法示意圖

4.分布式網(wǎng)絡(luò)化

自20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展進(jìn)入新時(shí)代的標(biāo)志。所謂計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，就是用通信線路和通信設(shè)備將分散在不同地點(diǎn)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)，按一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來。這些功能使獨(dú)立的計(jì)算機(jī)按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)資源共享。CAD/CAM技術(shù)日趨成熟，可應(yīng)用于越來越大的項(xiàng)目。

5.先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和制造方法得到應(yīng)用及推廣

1)面向X的設(shè)計(jì)

DFX使設(shè)計(jì)者在早期就能考慮設(shè)計(jì)決策對(duì)后續(xù)的影響。目前較為成熟的DFX技術(shù)有：

(1)面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)。

(2)面向質(zhì)量的設(shè)計(jì)(DFQ)。

(3)面向成本的設(shè)計(jì)(DFC)。

(4)面向維修的設(shè)計(jì)(DFS)。

(5)面向環(huán)境的設(shè)計(jì)(DFE)。

2)綠色設(shè)計(jì)與制造

綠色設(shè)計(jì)又稱生態(tài)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、生命周期設(shè)計(jì)或環(huán)境意識(shí)設(shè)計(jì)等，是由綠色產(chǎn)品而引申出的一種設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品能否達(dá)到綠色標(biāo)準(zhǔn)要求，其決定因素是該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)是否采用了綠色設(shè)計(jì)。

綠色設(shè)計(jì)所關(guān)心的目標(biāo)除傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)外，還有兩個(gè)：一是防止影響環(huán)境的廢棄物產(chǎn)生；二是良好的材料管理。也就是說，避免廢棄物產(chǎn)生，用再造加工技術(shù)或廢棄物管理方法協(xié)調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使零件或材料在產(chǎn)品達(dá)到壽命周期時(shí)，以最高的附加值回收并重復(fù)利用。

綠色設(shè)計(jì)通常有以下3個(gè)主要階段：

(1)跟蹤材料流，確定材料輸入與輸出之間的平衡。

(2)對(duì)特殊產(chǎn)品或產(chǎn)品種類分配環(huán)境費(fèi)用，并確定相應(yīng)的產(chǎn)品價(jià)值。

(3)對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行系統(tǒng)性研究，而不是將注意力集中在產(chǎn)品本身。

綠色設(shè)計(jì)是基于綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫是一個(gè)龐大復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫，對(duì)綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程起著舉足輕重的作用。它包括產(chǎn)品壽命周期中與環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等有關(guān)的一切數(shù)據(jù)，如材料成分、各種材料對(duì)環(huán)境的影響值、材料自然降解周期、人工降解周期、費(fèi)用，制造、裝配、銷售、使用過程中所產(chǎn)生的附加物數(shù)量及對(duì)環(huán)境的影響值，環(huán)境評(píng)估準(zhǔn)則所需的各種判斷標(biāo)準(zhǔn)等。

綠色設(shè)計(jì)的原則包括資源最佳利用原則、能量消耗最小原則、零污染原則和零損害原則。

綠色設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)綠色制造，綠色制造就是使用綠色資源，運(yùn)用綠色生產(chǎn)技術(shù)來獲得綠色產(chǎn)品的過程。聯(lián)合國環(huán)境保護(hù)署提出了綠色制造技術(shù)的3項(xiàng)原則：

(1)“不斷運(yùn)用”原則：綠色制造技術(shù)持續(xù)不斷運(yùn)用到社會(huì)生產(chǎn)的全部領(lǐng)域和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的整個(gè)過程。

(2)預(yù)防性原則：對(duì)環(huán)境影響因素從末端治理追溯到源頭，采取一切措施最大限度地減少污染物的產(chǎn)生。

(3)一體化原則：將空氣、水、土地等環(huán)境因素作為一個(gè)整體考慮，避免污染物在不同介質(zhì)之間轉(zhuǎn)移。

3)模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)源于樸素的“搭積木”的思想。

模塊是指一組具有同一功能和接合要素(指連接方式和連接部位的形狀、尺寸，連接件間的配合或嚙合等)，但性能、規(guī)格或結(jié)構(gòu)不同卻能互換的單元。

模塊具有兩個(gè)特征，一是與其他模塊連接的通用接口，二是模塊各自的特定單元。前一個(gè)特征使模塊之間能自由連接，后一個(gè)特征使得模塊的連接帶來不同功能的組合。

4)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際工作狀態(tài)下將承受各種復(fù)雜可變的載荷和環(huán)境因素的作用，因此，系統(tǒng)不但要具有預(yù)定的功能，而且其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能也要滿足一定的要求，使系統(tǒng)受到各種預(yù)期的變化載荷和環(huán)境因素作用時(shí)，仍然能保持良好的工作狀態(tài)。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析技術(shù)可分為兩類基本問題：一是動(dòng)態(tài)分析，即在已知系統(tǒng)模型、外部激勵(lì)載荷和系統(tǒng)工作條件的基礎(chǔ)上分析研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；二是以動(dòng)態(tài)性能滿足預(yù)定要求為目標(biāo)，建立系統(tǒng)模型，這是動(dòng)態(tài)修改、優(yōu)化、再設(shè)計(jì)的過程。

1.2.4CAD/CAM技術(shù)產(chǎn)生的效益

CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，不僅深刻地改變著制造業(yè)的面貌，而且正在使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方法發(fā)生根本的變化。例如：

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已不再像過去那樣需要很長周期，要用試制樣品去進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，而是可以在計(jì)算機(jī)屏幕上邊設(shè)計(jì)、邊模擬、邊實(shí)驗(yàn)、邊修改，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)成功。

設(shè)計(jì)信息的存儲(chǔ)已不再是采用圖紙的方式，而是采用將圖形和文字信息貯存在計(jì)算機(jī)的圖形庫或數(shù)據(jù)庫中。

繪圖也不再是利用繪圖板、丁字尺，而是采用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)繪圖機(jī)等。

設(shè)計(jì)的修改工作也不再是非常費(fèi)時(shí)的事了，而是隨時(shí)可以調(diào)用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的模型，并按人的意愿，放大、縮小、轉(zhuǎn)換、修改，或同其他零件相連接等。

對(duì)產(chǎn)品中的運(yùn)動(dòng)部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)、加工系統(tǒng)中工件的傳動(dòng)、刀具的切削運(yùn)動(dòng)和更換等都可以在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬。

工藝規(guī)程的設(shè)計(jì)也不再完全依賴工藝人員的經(jīng)驗(yàn)和用手工操作進(jìn)行，而是用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)程的自動(dòng)設(shè)計(jì)。工藝裝備也可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

加工設(shè)備將逐漸采用CNC機(jī)床、FMC和FMS等，對(duì)加工過程可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)檢測和自動(dòng)化管理等。

上述這一切必然能使企業(yè)在時(shí)間競爭能力、質(zhì)量競爭能力、價(jià)格競爭能力和創(chuàng)新競爭能力等方面得以大大提高，產(chǎn)生非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)和工藝人員的教育與培訓(xùn)提出了新的、更高的要求。為趕超世界先進(jìn)水平，成功地引進(jìn)、研制和正確使用CAD/CAM系統(tǒng)，也需對(duì)CAD/CAM的現(xiàn)狀和發(fā)展有一正確的認(rèn)識(shí)。CAD/CAM技術(shù)是一門方興未艾的學(xué)科，現(xiàn)有的系統(tǒng)不見得是最好的系統(tǒng)，在這一學(xué)科內(nèi)還有很多問題有待于深入研究與探索。

第2章CAD/CAM系統(tǒng)2.1CAD/CAM系統(tǒng)基礎(chǔ)2.2CAD/CAM系統(tǒng)的硬件與軟件2.3國內(nèi)外典型CAD/CAM軟件簡介2.4工程數(shù)據(jù)庫與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在CAD/CAM系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1CAD/CAM系統(tǒng)基礎(chǔ)

2.1.1CAD/CAM系統(tǒng)的組成

所謂系統(tǒng)，是指為某個(gè)共同目標(biāo)而組織在一起的相互關(guān)聯(lián)部分的組合。一個(gè)完整的CAD/CAM系統(tǒng)由硬件、軟件和人等三大部分組成。

硬件主要指計(jì)算機(jī)及各種配套設(shè)備，如各種檔次的計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、繪圖機(jī)等。廣義上說，還包括數(shù)控加工的各種機(jī)械設(shè)備等，它是CAD/CAM系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件一般包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件等，它是CAD/CAM系統(tǒng)的核心。硬件的性能及其CAD/CAM功能的實(shí)現(xiàn)必須通過軟件實(shí)現(xiàn)。人在CAD/CAM系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，是CAD/CAM系統(tǒng)的關(guān)鍵。CAD/CAM屬于高新技術(shù)，只有高素質(zhì)的技術(shù)人才才能把CAD/CAM系統(tǒng)的先進(jìn)性能充分發(fā)揮出來，為企業(yè)創(chuàng)造效益。圖2.1.1為CAD/CAM系統(tǒng)組成簡圖。

圖2.1.1CAD/CAM系統(tǒng)的組成

2.1.2CAD/CAM系統(tǒng)的功能

比較完善的CAD/CAM系統(tǒng)，應(yīng)該能夠基本完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造全過程中的各項(xiàng)工作。一般來說，CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

(1)交互圖形輸入及輸出功能，可用于基本的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等任務(wù)。

(2)幾何建模功能，包括實(shí)體建模、線框建模及自由曲面建模等。幾何建模是CAD/CAM系統(tǒng)幾何處理的核心，提供有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各種數(shù)據(jù)，是后續(xù)作業(yè)處理的基礎(chǔ)。

(3)物理性能計(jì)算及工程分析功能，可根據(jù)幾何建模的基本參數(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工程分析和數(shù)值計(jì)算，最常用的是有限元分析和優(yōu)化處理功能。

(4)處理數(shù)控加工信息的功能，可用于自動(dòng)編程、動(dòng)態(tài)仿真及多坐標(biāo)數(shù)控加工控制等。

(5)數(shù)據(jù)管理功能，可用于處理產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的全部信息，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)信息的共享。

2.1.3CAD/CAM系統(tǒng)的選型及配置

1.?CAD/CAM系統(tǒng)的選型

由于CAD/CAM系統(tǒng)投資相對(duì)較大，因此如何科學(xué)、合理地選擇適合本企業(yè)技術(shù)水平及生產(chǎn)能力的系統(tǒng)，必須經(jīng)過詳細(xì)的考察與分析。選擇CAD/CAM系統(tǒng)最基本的出發(fā)點(diǎn)是性能價(jià)格比和其適用范圍，同時(shí)考慮其技術(shù)的發(fā)展趨勢，特別是軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展。一般要進(jìn)行以下考慮：

(1)根據(jù)本企業(yè)的特點(diǎn)、規(guī)模、追求目標(biāo)及發(fā)展趨勢等因素，確定應(yīng)具有的系統(tǒng)功能。

(2)從整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期中各個(gè)進(jìn)程的工作要求出發(fā)，考核擬選用的系統(tǒng)各模塊的功能，包括其開放性和集成性等特點(diǎn)。然后，根據(jù)性能價(jià)格比選擇合適的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。

(3)考慮如何使用、管理該系統(tǒng)，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用，真正為企業(yè)創(chuàng)造良好的效益。

2.?CAD/CAM系統(tǒng)的配置

1)配置原則

CAD/CAM系統(tǒng)的硬件配置要考慮以下幾方面：

(1)系統(tǒng)功能。主要包括CPU的數(shù)據(jù)處理能力、內(nèi)外存容量、輸入/輸出性能、圖像顯示和處理能力、與外部設(shè)備的接口能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力。

(2)硬件系統(tǒng)要有良好的開放性且符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用UNIX、Windows等操作系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件配置應(yīng)利于系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)充、聯(lián)網(wǎng)以及支持更多種類的外圍設(shè)備。

(3)經(jīng)濟(jì)性能。

CAD/CAM系統(tǒng)的軟件配置要考慮以下幾方面：

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，一般選用網(wǎng)絡(luò)版。

(2)支撐軟件根據(jù)需要配置成低端、中端或高端系統(tǒng)。

(3)用戶多。

(4)運(yùn)行可靠，維護(hù)簡單，性能價(jià)格比高。

(5)廠商信譽(yù)及售后服務(wù)好。

2)基本配置形式

按照所用主機(jī)分類，CAD/CAM系統(tǒng)的基本配置有4種形式：大型機(jī)系統(tǒng)、小型機(jī)系統(tǒng)、工程工作站系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)。

2.1.4CAD/CAM系統(tǒng)的工作方式

各種CAD/CAM系統(tǒng)基本采用人機(jī)交互的工作方式(也稱人機(jī)對(duì)話方式)。

目前，計(jì)算機(jī)硬件的水平正以摩爾定律的規(guī)律飛速發(fā)展，CAD/CAM系統(tǒng)的軟件功能也日益強(qiáng)大。但是，要發(fā)揮出CAD/CAM系統(tǒng)的作用，關(guān)鍵在人。沒有掌握CAD/CAM技術(shù)的人才，CAD/CAM系統(tǒng)的價(jià)值將無法體現(xiàn)。CAD/CAM對(duì)人的要求包括：

1.基礎(chǔ)知識(shí)

基礎(chǔ)知識(shí)必須包括以下3方面：

(1)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，主要包括系統(tǒng)軟件和硬件的基本原理與應(yīng)用基礎(chǔ)。

(2)專業(yè)基礎(chǔ)，如機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、電路設(shè)計(jì)等。

(3)外語基礎(chǔ)。

2.實(shí)踐知識(shí)

必須有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷地從事CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，在實(shí)踐中加深對(duì)先進(jìn)技術(shù)的掌握，并不斷豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.不斷學(xué)習(xí)和培訓(xùn)

CAD/CAM技術(shù)是飛速發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)，只有及時(shí)更新知識(shí)，始終掌握最前沿的軟件和技術(shù)，才能發(fā)揮更大的作用。

2.1.5CAD/CAM系統(tǒng)的工作過程

一個(gè)較為完整的CAD/CAM系統(tǒng)的工作過程如圖2.1.2所示。

圖2.1.2CAD/CAM系統(tǒng)的工作過程

圖2.1.2所示的CAD/CAM系統(tǒng)的工作過程包括以下幾個(gè)方面：

(1)各種專家系統(tǒng)可以協(xié)助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品分析及方案設(shè)計(jì)。

(2)使用幾何造型系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地建立產(chǎn)品的三維模型，并得到產(chǎn)品的基本數(shù)據(jù)，有些基于特征的建模系統(tǒng)還包括加工制造信息。

(3)計(jì)算分析軟件利用產(chǎn)品模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格進(jìn)行分析，得到靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的分析結(jié)果，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

(4)利用仿真軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真、裝配仿真、檢驗(yàn)零件干涉碰撞情況、模擬刀具軌跡等，以代替物理模型試驗(yàn)或?qū)嶋H樣機(jī)檢驗(yàn)等。

(5)圖形處理軟件用于圖形的繪制、編輯、顯示與打印輸出等，可以得到產(chǎn)品的任意方向的視圖、剖面圖、效果圖等。

(6)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)軟件輔助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)工藝路線，確定工序，選擇機(jī)床、刀具，制定切削用量，計(jì)算工時(shí)定額、加工成本等，最后輸出完整的工藝文件等，實(shí)現(xiàn)零件加工工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。

(7)數(shù)控(NC)自動(dòng)編程軟件可以直接使用CAPP生成的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)編程，形成刀位文件，再經(jīng)處理而成為機(jī)床的加工代碼，即NC代碼。

2.1.6CAD/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)

1.?CAD/CAM系統(tǒng)集成技術(shù)的內(nèi)涵

CAD/CAM系統(tǒng)是一個(gè)集成的系統(tǒng)，是由許多相關(guān)的技術(shù)集成在一起的綜合系統(tǒng)，其中每一部分既可以是獨(dú)立的，又可以是密切相關(guān)的。這些技術(shù)包含以下內(nèi)容：

1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡稱CAD，是使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)，是CAD/CAM系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)方面：

(1)計(jì)算機(jī)輔助繪圖(ComputerAidedDrafting)。它是用計(jì)算機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖。

(2)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是真正意義上的CAD，它包括以下幾個(gè)方面：

①計(jì)算機(jī)輔助幾何建模(ComputerAidedGeometricModeling)。

②裝配及干涉分析(DesignForAssemble，DFA)。

③可制造性分析(DesignForManufacturing)。

(3)計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)。

2)計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)是指在產(chǎn)品的制造過程中采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括以下幾個(gè)方面：

(1)計(jì)算機(jī)輔助編程(ComputerAidedProgramming)：一般人們所說的CAM就是指計(jì)算機(jī)輔助編程。它是根據(jù)零件的模型，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，通過后置處理，生成數(shù)控加工代碼，直接傳送給數(shù)控機(jī)床來進(jìn)行零件的加工。在使用數(shù)控代碼之前，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工代碼仿真，確保加工過程中的安全性和正確性。

(2)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程編制(ComputerAidedProgramPlanning，CAPP)：利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行零件加工工藝路線的自動(dòng)編制，選擇合理的切削參數(shù)和加工設(shè)備，并確定合理的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3)計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制(ComputerAidedQuality，CAQ)：對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)檢驗(yàn)，并提出分析報(bào)告，對(duì)生產(chǎn)的組織、進(jìn)度和其他管理問題及時(shí)進(jìn)行跟蹤、反饋，并輔助做出決策。

2.?CAD/CAM系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)

CAD/CAM系統(tǒng)的集成就是按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的實(shí)際進(jìn)程，在計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用程序所需的信息處理和交換，形成連續(xù)的、協(xié)調(diào)的和科學(xué)的信息流。

1)產(chǎn)品建模技術(shù)

一個(gè)完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型是CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行信息集成的基礎(chǔ)，也是CAD/CAM系統(tǒng)中共享數(shù)據(jù)的核心。

2)集成的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

隨著CAD/CAM技術(shù)的自動(dòng)化、集成化、智能化和柔性化程度的不斷提高，集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的商用數(shù)據(jù)庫已滿足不了上述要求。CAD/CAM系統(tǒng)的集成應(yīng)努力建立能處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工程數(shù)據(jù)處理環(huán)境，使CAD/CAM各子系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，盡量避免數(shù)據(jù)文件和格式轉(zhuǎn)換，清除數(shù)據(jù)冗余，保證數(shù)據(jù)的一致性、安全性和保密性。

3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)

數(shù)據(jù)交換的任務(wù)是在不同的計(jì)算機(jī)之間、不同操作系統(tǒng)之間、不同數(shù)據(jù)庫之間和不同應(yīng)用軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4)集成的執(zhí)行控制程序

由于CAD/CAM集成化系統(tǒng)的程序規(guī)模大、信息源多、傳輸路徑不一，以及各模塊的支撐環(huán)境多樣化，因而沒有一個(gè)對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理、對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一組織的執(zhí)行控制程序是不行的。這種執(zhí)行控制程序是系統(tǒng)集成的最基本要素之一。

2.1.7CAD/CAM集成的體系結(jié)構(gòu)

CAD/CAM系統(tǒng)分以下3個(gè)層次來實(shí)現(xiàn)：

(1)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理層。

(2)基本功能層，包括幾何造型、特征造型、圖形編輯顯示及尺寸公差處理。

(3)系統(tǒng)層，包括設(shè)計(jì)、分析、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和數(shù)控編程等。

2.1.8CAD/CAM集成的發(fā)展趨勢

目前CAD/CAM集成的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決，今后的CAD/CAM集成發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)面向并行工程。CAD/CAM集成系統(tǒng)應(yīng)該從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行管理和控制，并對(duì)已經(jīng)存在的產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和提高。

(2)面向生產(chǎn)過程的多種功能的高度集成。

(3)支持面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫。

(4)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

(5)多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口和具有二次開發(fā)的能力。

(6)智能化技術(shù)。

(7)現(xiàn)代CAD技術(shù)。

2.2CAD/CAM系統(tǒng)的硬件與軟件

2.2.1硬件的組成CAD/CAM系統(tǒng)中的硬件包括主機(jī)、輸入/輸出設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備等三大類。其中主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)；輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入信息和各種指令，輸出設(shè)備主要用于把計(jì)算機(jī)計(jì)算的結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖紙的形式傳送出來；網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備則使計(jì)算機(jī)能夠通過網(wǎng)絡(luò)互相傳遞信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)信息和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的共享。

1.主機(jī)

CAD/CAM系統(tǒng)中的主機(jī)包括大型機(jī)、小型機(jī)、圖形工作站和微型計(jì)算機(jī)。目前，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展得非常迅速，其性能已接近甚至超過了傳統(tǒng)的工作站，因此在CAD/CAM系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，是中小用戶的首選機(jī)型。

2.輸入設(shè)備

輸入設(shè)備是把圖形數(shù)據(jù)或指令傳送給計(jì)算機(jī)的一種裝置，計(jì)算機(jī)鍵盤就是一種最常見的輸入設(shè)備。除此之外，它還有以下幾種：

1)鼠標(biāo)

鼠標(biāo)是計(jì)算機(jī)上的主要輸入設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格便宜，因此現(xiàn)在已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

2)數(shù)字化圖形輸入板

數(shù)字化圖形輸入板是一種定標(biāo)設(shè)備，當(dāng)專用的觸筆或游標(biāo)(與鼠標(biāo)類似)在輸入板上移動(dòng)時(shí)，它向計(jì)算機(jī)發(fā)送觸筆或游標(biāo)的坐標(biāo)位置。

3)掃描儀

當(dāng)用戶希望把復(fù)雜的圖形或圖像輸入計(jì)算機(jī)時(shí)，掃描儀是首選設(shè)備。

常見的掃描儀有手持式、平板式(見圖2.2.1)和滾筒式等3種，其主要性能指標(biāo)為光學(xué)分辨率。

圖2.2.1平板式掃描儀

4)數(shù)碼相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)是新一代的輸入設(shè)備(見圖2.2.2)，它的外形和普通照相機(jī)相同，只是其感光部分用電子元件取代了傳統(tǒng)照相機(jī)的膠卷。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以像照相似的把實(shí)物的信息直接輸入到計(jì)算機(jī)中，供計(jì)算機(jī)處理使用。數(shù)碼相機(jī)的性能主要是分辨率(用像素表示)，像素越高則性能越好，如2500萬像素。與數(shù)碼相機(jī)的原理類似，還有數(shù)碼攝像機(jī)，它主要用于存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)的圖像。

圖2.2.2數(shù)碼相機(jī)

3.輸出設(shè)備

輸出設(shè)備是把計(jì)算機(jī)中生成的圖形或數(shù)據(jù)打印到圖紙上或顯示在屏幕上的設(shè)備，包括顯示器、打印機(jī)和繪圖儀等。

1)顯示器

顯示器是計(jì)算機(jī)中應(yīng)用的最主要的輸出設(shè)備，用于圖形、文字等各種信息的顯示，一臺(tái)沒有顯示器的計(jì)算機(jī)等于沒有了眼睛。

2)打印機(jī)

打印機(jī)是把計(jì)算機(jī)中的圖形或文字信息輸出到紙介質(zhì)的一種設(shè)備，它主要用于A3以下圖紙的打印。

3)繪圖儀

繪圖儀(見圖2.2.3)是CAD/CAM系統(tǒng)中的主要輸出設(shè)備，用于大幅面工程圖紙的輸出，其特點(diǎn)是輸出圖紙幅面大(可打印A0加寬加長的圖紙)、速度快、精度高。高性能的彩色噴墨式繪圖儀打印出的彩色圖像可與照片媲美。

圖2.2.3繪圖儀

4.網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備是組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的必要設(shè)備。目前企業(yè)CAD/CAM網(wǎng)絡(luò)主要使用局域網(wǎng)，組建其網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備有集線器(HUB)、網(wǎng)絡(luò)適配器(網(wǎng)卡)、傳送介質(zhì)(雙絞線、同軸電纜或光纜)等。網(wǎng)卡安裝在每臺(tái)用戶終端計(jì)算機(jī)上，通過傳送介質(zhì)與集線器相連，而集線器與服務(wù)器連接。另外，為保證在不同的企業(yè)局域網(wǎng)之間遠(yuǎn)距離傳送信息，組網(wǎng)時(shí)還應(yīng)根據(jù)具體情況選用調(diào)制解調(diào)器、中繼器、路由器、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、交換機(jī)等設(shè)備。

5.常見計(jì)算機(jī)硬件的配置

下面給出兩款CAD/CAM系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)的配置。

1)?Precision7000塔式工作站

戴爾工作站性能優(yōu)良，目前在CAD/CAM系統(tǒng)和其他領(lǐng)域都獲得了較廣泛的應(yīng)用。其中一款的Precision7000塔式工作站配置如下：

CPU：英特爾?至強(qiáng)?處理器E5-2620v3(6CHT，15MB緩存，2.4GHzTurbo)

內(nèi)存：16GB2133MHzDDR4(4?×?4GB)RDIMMECC

硬盤：1?TB3.5英寸SATA(7200r/min)

顯示卡：4GBnVIDIA?Quadro?K2200

2)兼容機(jī)

兼容機(jī)指非品牌計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)是價(jià)格便宜，配置靈活，可以根據(jù)自己的需求選用計(jì)算機(jī)配件。在CAD/CAM系統(tǒng)中，兼容機(jī)主要用于圖形終端或低檔用戶?，F(xiàn)列舉一款兼容機(jī)的配置如下：

CPU：3.4?GHz四核心/八線程

內(nèi)存：8GBDDR42133?MHz

硬盤：128GB?+?1?TB

顯示卡：2GB

顯示器：19英寸純平顯示器

2.2.2軟件的組成

軟件在CAD/CAM系統(tǒng)中占有重要的地位。

系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)管理硬件資源以及各種軟件資源，它面向所有用戶，是計(jì)算機(jī)的公共性管理軟件及應(yīng)用和開發(fā)CAD/CAM系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，一般包括操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等。

支撐軟件運(yùn)行在系統(tǒng)軟件之上，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM各種功能的通用性應(yīng)用基礎(chǔ)軟件，是CAD/CAM系統(tǒng)專業(yè)性應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)。

2.2.3操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件(包括主機(jī)、輸入/輸出設(shè)備)及系統(tǒng)配置的各種軟件進(jìn)行全面控制和管理的底層軟件，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)所有軟件和硬件資源的監(jiān)控與調(diào)度，使其協(xié)調(diào)一致、高效率地運(yùn)行。用戶只有通過操作系統(tǒng)才能控制和操縱計(jì)算機(jī)。目前在機(jī)械CAD/CAM中廣泛采用的操作系統(tǒng)有UNIX和Windows兩種。

2.2.4CAD/CAM系統(tǒng)的支撐軟件

支撐軟件是為計(jì)算機(jī)和用戶之間提供界面的軟件。支撐軟件主要由軟件開發(fā)商提供，也可以由用戶自己開發(fā)使用。CAD/CAM系統(tǒng)的支撐軟件主要指那些直接支撐用戶進(jìn)行CAD/CAM工作的通用性功能軟件，一般可分為功能集成型和功能單一型。

目前市場上出售的CAD/CAM基本屬于支撐軟件。各種數(shù)據(jù)庫軟件、高級(jí)語言軟件也屬于支撐軟件。

2.2.5CAD/CAM軟件的選擇原則

目前，市場上提供CAD/CAM軟件的廠商有多種，如何選擇一種適合用戶的軟件是非常重要的。

商品化的CAD/CAM軟件根據(jù)性能可以分為高端軟件和低端軟件。高端軟件一般包含CAD、CAE、CAM等模塊，功能齊全，但價(jià)格昂貴。

而低端軟件一般只包含單一的模塊，如只有CAD功能或CAM加工功能(雖然有些CAM軟件可以建立實(shí)體或曲面模型，但建模過程復(fù)雜，并且不能夠進(jìn)行裝配造型和三維圖形與二維圖形的轉(zhuǎn)換，因此，仍然屬于單獨(dú)的CAM軟件)，其特點(diǎn)是用戶可以根據(jù)需要單獨(dú)購買CAD或CAM軟件，使用戶節(jié)約資金。

選擇時(shí)可根據(jù)用戶的具體情況按需要購買。一般考慮以下幾點(diǎn)：

(1)用戶的應(yīng)用場合。

(2)用戶的應(yīng)用能力。

(3)用戶的經(jīng)濟(jì)能力。

(4)軟件的開放性。

(5)?CAD/CAM軟件提供商的背景。

2.3國內(nèi)外典型CAD/CAM軟件簡介

近幾年來，在微機(jī)上使用的CAD/CAM軟件發(fā)展非常迅速，而我國是世界上最大的CAD/CAM潛在市場。目前，國內(nèi)常見的CAD/CAM軟件可以分為單一的CAD軟件、單一的CAM軟件和CAD/CAM集成在一起的軟件。

表2-1所列為國內(nèi)外常見的CAD/CAM軟件。

2.3.1I-deas軟件

I-deas是美國機(jī)械軟件行業(yè)先驅(qū)SDRC公司的產(chǎn)品。該公司成立于1967年，早期以工程計(jì)算與結(jié)構(gòu)分析為主，后來逐步發(fā)展為CAD/CAE/CAM軟件公司。I-deas軟件的運(yùn)行環(huán)境為工作站和WindowsNT下的微機(jī)。

I-deas的突出特點(diǎn)是其獨(dú)創(chuàng)的基于特征的變量化實(shí)體造型系統(tǒng)，并且無論是單個(gè)模塊還是成組應(yīng)用都是以CoreMasterModeler為核心來運(yùn)行的。這種先進(jìn)的核心式體系結(jié)構(gòu)決定了它必然以主模型(MasterModeler)為單一數(shù)據(jù)庫，并且所有的模塊之間的數(shù)據(jù)全部并行關(guān)聯(lián)。

I-deas集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)控加工、塑料模具仿真分析、樣機(jī)測試及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理于一體，是高度集成化的CAD/CAE/CAM一體化工具。

2.3.2Pro/E軟件

Pro/E是美國PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件產(chǎn)品。該公司成立于1986年，它雖然成立較晚，但由于沒有沉重包袱，設(shè)計(jì)思想先進(jìn)，因此在短短的幾年里很快就開發(fā)出了一個(gè)面向機(jī)械工程的Pro/E系統(tǒng)，最早較好地實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)功能。

Pro/E包含了70多個(gè)專用功能模塊，如特征造型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、有限元分析、裝配等。

Pro/E僅生成實(shí)體模型來描述工程師所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型，不再應(yīng)用線框和表面模型轉(zhuǎn)換成實(shí)體模型的手段，思路清晰。

Pro/E采用基于參數(shù)化、特征設(shè)計(jì)的三維實(shí)體造型系統(tǒng)，這樣便于在新產(chǎn)品的開發(fā)中實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)，也可方便地依照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的零件族概念建庫。

Pro/E的用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)思想與習(xí)慣。

2.3.3UG軟件

UG起源于美國麥道飛機(jī)公司，它是美國麥道飛機(jī)公司1975年買下一家小公司UnitedComputingCorporation后發(fā)展起來的，1991年并入美國EDS(ElectronicDataSystem，電子資訊系統(tǒng))有限公司。多年來，UG匯集了美國航空航天與汽車工業(yè)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展成為集成化機(jī)械CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)，適用于航空航天器、汽車、通用機(jī)械以及模具等設(shè)計(jì)、分析、制造工程。該軟件的運(yùn)行環(huán)境為工作站和WindowsNT下的微機(jī)。

UG的曲面實(shí)體造型起源于英國形譜數(shù)據(jù)公司的Parasolid系統(tǒng)，采用了標(biāo)準(zhǔn)的R-rep結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型。

UG發(fā)展了概念設(shè)計(jì)思想，即草圖設(shè)計(jì)，通過修改參數(shù)而改變?cè)O(shè)計(jì)。

UG具有尺寸驅(qū)動(dòng)編輯功能。用戶利用編輯技術(shù)，指定草圖的約束、特征參數(shù)和幾何關(guān)系，利用尺寸驅(qū)動(dòng)生成所需的實(shí)體模型。

UG具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE/CAM之間無數(shù)據(jù)交換的自由切換。

2.3.4MDT軟件

MDT(MechanicalDesktop)是美國Autodesk公司的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。1996年3月，Autodesk公司率先向市場推出了基于微機(jī)平臺(tái)的，能使二維繪圖功能和三維造型功能無縫融合在同一套具有相同數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和相同交互界面的軟件系統(tǒng)——MDT。

MDT以ACIS為內(nèi)核，具有實(shí)體建模、曲面建模、產(chǎn)品裝配、二維工程圖等功能。該軟件的最大特點(diǎn)是與AutoCAD圖形數(shù)據(jù)完全兼容，并且具有相似的用戶操作界面。

2.3.5MasterCAM軟件

MasterCAM是美國CNCSoftware公司的產(chǎn)品，具有CAD和CAM功能，但其CAD建模功能較弱，而CAM功能強(qiáng)大，因此可以看成專門的CAM軟件。有些企業(yè)用Pro/E建模，而用MasterCAM進(jìn)行數(shù)控加工程序的編制。

MasterCAM運(yùn)行于微機(jī)環(huán)境，雖然不如工作站上的CAD/CAM軟件功能齊全，但就其性能價(jià)格比來說更有靈活性。目前MasterCAM的最新版本是MasterCAMX10。

MasterCAM包括三大模塊：Design、Mill和Lathe。

2.3.6CATIA軟件

CATIA是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以通過建模幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前期階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。

模塊化的CATIA系列產(chǎn)品提供產(chǎn)品的風(fēng)格和外形設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析和模擬。CATIA產(chǎn)品基于開放式可擴(kuò)展的V5架構(gòu)。

CATIA具有在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力，尤其是后期修改性。無論是實(shí)體建模還是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，用戶可方便快捷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計(jì)的最后階段需要做重大的修改，或者是對(duì)原有方案的更新?lián)Q代，對(duì)于CATIA來說，都是非常容易的事。

CATIA的各個(gè)模塊基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，因此CATIA的各個(gè)模塊存在著真正的全相關(guān)性，三維模型的修改能完全體現(xiàn)在二維模型、模擬分析、模具和數(shù)控加工的程序中。

CATIA提供了完備的設(shè)計(jì)能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個(gè)零件的設(shè)計(jì)到最終虛擬樣機(jī)的建立；同時(shí)，作為一個(gè)完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機(jī)械設(shè)計(jì)、工程分析及仿真、數(shù)控加工和CATweb網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案有機(jī)地結(jié)合在一起，可為用戶提供嚴(yán)密的無紙化工作環(huán)境。

2.3.7CAXA系列軟件

CAXA系列軟件是我國北京數(shù)碼大方科技股份有限公司研發(fā)的，公司前身為“北航海爾”，是中國領(lǐng)先的工業(yè)軟件和服務(wù)公司，提供二維、三維CAD軟件以及產(chǎn)品全生命周期管理PLM解決方案和工業(yè)云服務(wù)平臺(tái)。目前該系列軟件是國內(nèi)CAD/CAM市場國產(chǎn)軟件中占有率最大的正版軟件。

CAXA系列軟件主要包括以下產(chǎn)品：

1.?CAXA電子圖版

CAXA電子圖版是一套高效、方便、易學(xué)、價(jià)格低廉的二維CAD軟件。

2.?CAXA三維電子圖版

為彌補(bǔ)CAXA電子圖版只能繪制二維圖的缺陷，北航海爾推出了三維電子圖版。

3.?CAXA制造工程師2015

CAXA制造工程師2015是一套基于微機(jī)的CAD/CAM軟件。

2.4工程數(shù)據(jù)庫與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在CAD/CAM

系統(tǒng)中的應(yīng)用2.4.1CAD/CAM系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫1.工程數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)所謂工程數(shù)據(jù)庫，是指能滿足人們?cè)诠こ袒顒?dòng)中對(duì)數(shù)據(jù)處理需求的數(shù)據(jù)庫。理想的CAD/CAM系統(tǒng)，應(yīng)該是在操作系統(tǒng)的支持下，以圖形功能為基礎(chǔ)，以工程數(shù)據(jù)庫為核心的集成系統(tǒng)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析直到制造過程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)都應(yīng)在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫環(huán)境中維護(hù)。

2.工程數(shù)據(jù)的類型

工程數(shù)據(jù)的類型有以下4種：

(1)通用型數(shù)據(jù)：指產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中所用到的各種數(shù)據(jù)資料，如國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)品目錄等方面的數(shù)據(jù)。

(2)設(shè)計(jì)型數(shù)據(jù)：指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品功能要求描述數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)參數(shù)及分析數(shù)據(jù)、各種資源描述數(shù)據(jù)及各種工藝數(shù)據(jù)，包括各種工程圖形、圖表及三維幾何造型等數(shù)據(jù)。

(3)工藝加工數(shù)據(jù)：指專門為CAD/CAM系統(tǒng)工藝加工階段服務(wù)的數(shù)據(jù)，如金屬切削工藝參數(shù)、熱加工工藝參數(shù)等。

(4)管理信息數(shù)據(jù)：指包括生產(chǎn)活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)的信息數(shù)據(jù)，如工時(shí)定額、物料需求計(jì)劃、成本核算、銷售、市場分析等管理信息數(shù)據(jù)。

3.對(duì)工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本要求

工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求：

(1)支持復(fù)雜工程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，即能夠處理工程數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)化變長數(shù)據(jù)和特殊類型數(shù)據(jù)，支持多媒體信息的集成管理。這包括多方面的具體要求，如圖形、圖像數(shù)據(jù)多種格式存儲(chǔ)，不同媒體數(shù)據(jù)類型格式轉(zhuǎn)換與控制，多種媒體數(shù)據(jù)輸入/輸出設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，多種媒體數(shù)據(jù)編輯處理，支持復(fù)雜實(shí)體的表示及實(shí)體間關(guān)系的處理，支持超文本數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，支持動(dòng)態(tài)變長數(shù)據(jù)記錄和超長數(shù)據(jù)項(xiàng)的存儲(chǔ)。

(2)支持模型的動(dòng)態(tài)修改和擴(kuò)充，即不僅能夠?qū)Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)建模，而且能夠動(dòng)態(tài)地進(jìn)行模型的建立、修改和擴(kuò)充，這樣才能適應(yīng)工程數(shù)據(jù)庫對(duì)反復(fù)修改的工程設(shè)計(jì)的支持。

(3)具有數(shù)據(jù)恢復(fù)能力，滿足CAD/CAM各階段之間、各模塊之間信息交換及數(shù)據(jù)修改的要求。

(4)支持多庫操作和多版本管理。

(5)支持同一對(duì)象的多媒體信息表現(xiàn)形式和處理功能，以適應(yīng)不同要求。

(6)支持工程數(shù)據(jù)的長記錄存取和文件兼容處理。

(7)支持智能型的規(guī)則描述和查詢處理，即具有一定的語義識(shí)別、推理和查詢能力，能夠自動(dòng)檢測和維護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)則。

(8)具有良好的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)環(huán)境和支持工具，以適應(yīng)大容量、快速和分布式設(shè)計(jì)環(huán)境的要求。

(9)支持多用戶環(huán)境下各專業(yè)協(xié)同工作的各類數(shù)據(jù)的語義一致性和系統(tǒng)集成性功能，保證信息在流動(dòng)過程中的一致性和完整性。

(10)分布式數(shù)據(jù)庫管理功能，能為所有基本單元系統(tǒng)存取全局?jǐn)?shù)據(jù)提供統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)CAD/CAM系統(tǒng)硬件由異種機(jī)組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)程多用戶需求。

4.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)是一種先進(jìn)的生產(chǎn)信息管理模式，它通過控制各種數(shù)據(jù)信息的流動(dòng)、傳遞與共享，可以有效地把設(shè)計(jì)和制造聯(lián)系在一起。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的整個(gè)生命周期中，有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造過程中的數(shù)據(jù)信息起著核心的支撐作用。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理是以軟件為基礎(chǔ)，將所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息(包括數(shù)據(jù)、文字、圖形、圖像等)及與產(chǎn)品相關(guān)的過程(如工作流程、工程審批/發(fā)放、工程更改等)集成到一起，實(shí)施在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)，對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息和開發(fā)制造過程進(jìn)行全面管理。

PDM按內(nèi)容和管理范圍可分為3個(gè)層次，即圖紙文檔管理、部門級(jí)數(shù)據(jù)管理以及企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)管理。PDM的主要技術(shù)有：

(1)與應(yīng)用軟件集成的面向?qū)ο蟮那度肱c鏈接技術(shù)。

(2)支持產(chǎn)品生命周期內(nèi)數(shù)據(jù)建模與管理的對(duì)象管理技術(shù)。

(3)支持并行工程的多級(jí)分布式計(jì)算環(huán)境。

(4)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和管理的數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)管理技術(shù)。

(5)支持協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)、跨平臺(tái)的Web技術(shù)和Java技術(shù)。

(6)獨(dú)立于硬件平臺(tái)的圖形用戶界面(GUI)技術(shù)等。

2.4.2CAD/CAM系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)

CAD/CAM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以是獨(dú)立的小型局域網(wǎng)，也可以作為子網(wǎng)與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互聯(lián)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需求選用總線型、星型、環(huán)型、網(wǎng)狀型中的一種。工作模式一般采用客戶機(jī)/服務(wù)器工作模式。

在CAD/CAM系統(tǒng)中，要考慮工作效率、可靠性、投資大小及產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益等整個(gè)系統(tǒng)的性能，確定最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖2.4.1為一總線型CAD/CAM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM的結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)中的客戶在客戶端完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、繪圖、工藝設(shè)計(jì)、工程數(shù)據(jù)處理及數(shù)控自動(dòng)編程等任務(wù)，由加工中心及柔性制造單元完成產(chǎn)品的加工，從而形成CAD/CAM系統(tǒng)的一體化。

圖2.4.1總線型CAD/CAM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在CAD/CAM方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景，其表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)資源共享。

(2)易實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)。

(3)可以實(shí)現(xiàn)異地加工。

(4)提高計(jì)算機(jī)可靠性，均衡負(fù)荷，并可協(xié)同工作。

2.4.3產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

CAD/CAE/CAM的集成涉及不同的CAD/CAE/CAM子系統(tǒng)的信息傳遞。由于各子系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及格式不同，因此在信息傳遞過程中必須提供一個(gè)中性文件作為接口，以便提高各子系統(tǒng)之間信息傳遞的效率。這類接口是將各子系統(tǒng)的圖形與非圖形數(shù)據(jù)，按照某種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到一種統(tǒng)一的中性文件。

1．IGES標(biāo)準(zhǔn)

IGES(InitialGraphicExchangeSpecification，初始化圖形數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn))是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)公布的美國標(biāo)準(zhǔn)，IGES1.0版本僅限于描述工程圖樣的幾何圖形和注釋實(shí)體。

1)?IGES實(shí)現(xiàn)

IGES是一種中性文件，將CAD/CAE/CAM系統(tǒng)輸出(系統(tǒng)A)轉(zhuǎn)換成IGES時(shí)(如圖2.4.2所示)，必須由系統(tǒng)A中的前置處理器處理，把這些要傳遞的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成IGES中性文件格式。而IGES的實(shí)體數(shù)據(jù)則再由系統(tǒng)B中的IGES后置處理器處理，以生成系統(tǒng)B的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。因此，為了利用IGES文件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，各應(yīng)用程序必須具備相應(yīng)的前、后置處理程序。

圖2.4.2基于IGES的數(shù)據(jù)交換

2)?IGES的實(shí)體

IGES中的基本單元是實(shí)體，它分為三類：第一類是幾何實(shí)體，如點(diǎn)、直線、圓弧、樣條曲線、曲面等；第二類是描述實(shí)體，如尺寸標(biāo)注、繪圖說明等；第三類是結(jié)構(gòu)實(shí)體，如結(jié)合項(xiàng)、圖組、特征等。目前，國內(nèi)外常用的商用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)中的IGES接口所采用的實(shí)體基本上是IGES所定義的實(shí)體中的一個(gè)子集。

3)?IGES的文件結(jié)構(gòu)

IGES文件是以ASCII碼表示的，記錄長度為80個(gè)字符的順序文件。整個(gè)文件按功能分為五個(gè)部分：起始段、全程段、目錄段、參數(shù)段和結(jié)束段。IGES是目前應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前流行的主要商用CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)，如Pro/E、UnigraphicsNX和I-deas等都含有IGES接口。然而，IGES在實(shí)際應(yīng)用中仍存在以下問題：數(shù)據(jù)文件過大，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理時(shí)間過長；某些幾何類型轉(zhuǎn)換不穩(wěn)定；只注意了圖形數(shù)據(jù)的交換，而忽略了其他信息的交換。

2.?STEP標(biāo)準(zhǔn)

STEP是一個(gè)計(jì)算機(jī)可以處理的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和交換的國際標(biāo)準(zhǔn)。它的目標(biāo)是提供一個(gè)不依賴于任何具體系統(tǒng)的中性機(jī)制，它規(guī)定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造，甚至于產(chǎn)品生命周期中所包含的諸如產(chǎn)品形狀、解析模型、材料、加工方法、組裝分解順序、檢驗(yàn)測試等必要的信息定義和數(shù)據(jù)交換的外部描述，因而STEP是基于集成的產(chǎn)品信息模型。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)是指全面定義零部件或構(gòu)件所需要的幾何、拓?fù)?、公差、關(guān)系、性能和屬性等數(shù)據(jù)。產(chǎn)品信息的交換是指信息的存儲(chǔ)、傳輸和獲取，交換方式的不同會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)形式的差異。為滿足不同層次用戶的需求，STEP提供了四種產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換方式，即文件交換、應(yīng)用程序界面訪問、數(shù)據(jù)庫交換和知識(shí)庫交換。

產(chǎn)品信息的表示包括零件和裝配體的表示及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的中性機(jī)制。這個(gè)機(jī)制的特點(diǎn)是，它不僅適合于中性文件交換，而且可以作為實(shí)現(xiàn)共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)存檔的基礎(chǔ)。STEP標(biāo)準(zhǔn)中包括以下5個(gè)方面的內(nèi)容。

1)產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述方法

STEP的體系結(jié)構(gòu)分為3層：第一層(底層)是物理層，給出在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)形式；第二層是邏輯層，包括集成資源，是一個(gè)完善的產(chǎn)品模型，從實(shí)際應(yīng)用中抽象出來，與具體實(shí)現(xiàn)無關(guān)；第三層(最上層)是應(yīng)用層，包括應(yīng)用協(xié)議及對(duì)應(yīng)的抽象測試集，給出具體在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)形式。

2)集成資源

集成資源提供STEP中每個(gè)信息元素的唯一表達(dá)。集成資源通過解釋來滿足應(yīng)用領(lǐng)域的信息要求。集成資源分為兩類：第一類是一般資源，此類與應(yīng)用無關(guān)；第二類是應(yīng)用資源，此類針對(duì)特定的應(yīng)用范圍。

STEP中介紹的一般資源有：產(chǎn)品描述基礎(chǔ)和支持，幾何和拓?fù)浔硎荆磉_(dá)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置，視覺展現(xiàn)。

(1)產(chǎn)品描述基礎(chǔ)和支持。

(2)幾何和拓?fù)浔硎尽?/p>

(3)表達(dá)結(jié)構(gòu)。

(4)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置。

(5)視覺展現(xiàn)。

3)應(yīng)用協(xié)議

STEP標(biāo)準(zhǔn)支持廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。具體的應(yīng)用系統(tǒng)很難采用標(biāo)準(zhǔn)的全部內(nèi)容，一般只實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，如果不同的應(yīng)用系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的部分不一致，則在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類似IGES數(shù)據(jù)不可靠的問題。為了避免這種情況，STEP計(jì)劃制定了一系列應(yīng)用協(xié)議。所謂應(yīng)用協(xié)議是一份文件，用以說明如何用標(biāo)準(zhǔn)的STEP集成資源來解釋產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型文本，以滿足工業(yè)需要。也就是說，根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需要，確定標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)內(nèi)容，或加上必須補(bǔ)充的信息，強(qiáng)制要求各應(yīng)用系統(tǒng)在交換、傳輸和存儲(chǔ)產(chǎn)品數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)符合應(yīng)用協(xié)議的規(guī)定。

4)實(shí)現(xiàn)方式

產(chǎn)品數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)方式有4級(jí)，包括文件交換、應(yīng)用程序界面訪問、數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)和知識(shí)庫交換。CAD/CAE/CAM系統(tǒng)可以根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)交換的要求和技術(shù)條件，選取一種或多種形式。

第三級(jí)數(shù)據(jù)庫交換方式，是通過共享數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的，如圖2.4.3所示。產(chǎn)品數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS存入STEP數(shù)據(jù)庫，每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)庫中取出所需的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)字典，應(yīng)用程序可以向數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接查詢、處理、存取產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

圖2.4.3數(shù)據(jù)庫交換方式

5)一致性測試和抽象測試

一個(gè)STEP實(shí)現(xiàn)的一致性，是指實(shí)現(xiàn)符合應(yīng)用協(xié)議中規(guī)定的一致性要求。若兩個(gè)實(shí)現(xiàn)符合同一應(yīng)用協(xié)議中的一致性要求，則兩者應(yīng)該是一致的，兩方數(shù)據(jù)可以順利交換。與應(yīng)用協(xié)議對(duì)應(yīng)的抽象測試集，規(guī)定了對(duì)該應(yīng)用協(xié)議的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一致性測試的測試方法和測試題。一致性測試方法和框架提出了一致性測試的方法、過程和組織結(jié)構(gòu)等。應(yīng)用協(xié)議需指定一種或幾種實(shí)現(xiàn)方式。抽象測試集的測試方法和測試題與實(shí)現(xiàn)方式無關(guān)。

使用STEP交換標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)得到廣泛的國際開發(fā)組織的支持。

(2)?STEP定義了一個(gè)開放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)。

(3)有形式化的語言EXPRESS作為邏輯規(guī)范的描述，EXPRESS語言定義約束及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些約束描述了工程數(shù)據(jù)集的正確標(biāo)準(zhǔn)。

(4)?STEP前、后置處理器的開發(fā)，可以使用格式化的規(guī)范，通過自動(dòng)的軟件生成器來完成，由CAD數(shù)據(jù)產(chǎn)生STEP的前置處理器，由STEP數(shù)據(jù)產(chǎn)生CAD的后置處理器。

(5)?STEP提供了大量的工程數(shù)據(jù)定義，這些定義包括機(jī)械CAD、電子CAD、制造過程、軟件工程及其他專業(yè)領(lǐng)域。

(6)由STEP標(biāo)準(zhǔn)提供的一些與技術(shù)無關(guān)的定義，可以編譯出任何數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無論是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫還是面向關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

第3章CAD技術(shù)3.1幾何造型技術(shù)3.2草繪3.3基本特征3.4基準(zhǔn)特征3.5放置特征3.6

特征操作3.7工程圖3.8裝配

3.1幾何造型技術(shù)

幾何造型通過對(duì)點(diǎn)、線、面、體等幾何元素，經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)等幾何變換和并、交、差等集合運(yùn)算，產(chǎn)生實(shí)體模型。幾何造型技術(shù)作為CAD/CAM技術(shù)的基礎(chǔ)，在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。

3.1.1參數(shù)化造型技術(shù)

早期的CAD系統(tǒng)用固定的尺寸值來定義幾何元素，輸入的每一條線都有確定的位置，但不包括產(chǎn)品圖形內(nèi)在的尺寸約束、拓?fù)浼s束及工程約束(如應(yīng)力、性能約束等)。

參數(shù)化造型是先建立圖形與尺寸參數(shù)之間的約束關(guān)系，然后使用約束來定義和修改幾何模型。這些尺寸約束及拓?fù)浼s束反映了設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素。實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的一組參數(shù)與這些約束保持一定的關(guān)系，初始設(shè)計(jì)的實(shí)體自然要滿足這些約束，而當(dāng)輸入新的參數(shù)值時(shí)，也將保持這些約束關(guān)系并獲得一個(gè)新的幾何模型。

參數(shù)化造型尺寸約束如圖3.1.1所示，該幾何圖形由4個(gè)邊長l1～l4和4個(gè)夾角

表示，初始狀態(tài)見圖3.1.1(a)。保持4個(gè)邊長不變，當(dāng)改變夾角1時(shí)，如果仍保持該幾何圖圖3.1.1參數(shù)化造型尺寸約束示意圖

形的封閉性，那么其所有角度和每條邊的位置都將發(fā)生變化，成為圖3.1.1(b)所示的狀態(tài)。依次類推，隨著夾角的不斷變化，該幾何圖形也不斷變化，好像被夾角所驅(qū)動(dòng)而發(fā)生了變化，見圖3.1.1(c)。參數(shù)化造型的尺寸約束和拓?fù)?幾何位置)約束如圖3.1.2所示，該幾何圖形的初始狀態(tài)見圖3.1.2(a)，保持邊長l1～l3、l4的水平位置、l4與l5的垂直關(guān)系不變，當(dāng)改變l4時(shí)，為滿足上述尺寸和拓?fù)湟螅優(yōu)閳D3.1.2(b)所示的狀態(tài)。依次類推，隨著l4的不斷變化，該幾何圖形也不斷變化，好像被l4所驅(qū)動(dòng)而發(fā)生了變化，見圖3.1.2(c)。這種幾何圖形隨某參數(shù)變化而自動(dòng)變化的現(xiàn)象，稱為參數(shù)化。

圖3.1.2參數(shù)化造型尺寸約束和拓?fù)浼s束示意圖

3.1.2變量化造型技術(shù)

參數(shù)化造型技術(shù)具有基于特征、全尺寸約束、尺寸驅(qū)動(dòng)幾何形狀修改、全數(shù)據(jù)相關(guān)的特點(diǎn)，全尺寸約束既不能漏注尺寸(欠約束)，又不能多注尺寸(過約束)，全數(shù)據(jù)相關(guān)指一個(gè)參數(shù)的修改導(dǎo)致其他相關(guān)尺寸全部更新。變量化造型技術(shù)是在參數(shù)化造型技術(shù)的基礎(chǔ)上又做了進(jìn)一步修改后提出的設(shè)計(jì)思想，變量化造型既保留了參數(shù)化造型基于特征、尺寸驅(qū)動(dòng)幾何形狀修改、全數(shù)據(jù)相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，又在約束定義方面做了根本性的改變。變量化造型將幾何約束中的尺寸約束和拓?fù)浼s束分開處理，不苛求全約束，并增加了工程約束。

變量化造型的原理如圖3.1.3所示。圖中：幾何元素指構(gòu)成實(shí)體的直線、圓等幾何圖形要素；幾何約束包括尺寸約束及拓?fù)浼s束；尺寸值指每次賦給的一組具體值；工程約束表達(dá)設(shè)計(jì)對(duì)象的原理、性能等；約束管理用來確定約束狀態(tài)，識(shí)別欠約束或過約束等問題；約束網(wǎng)絡(luò)分解是將約束劃分為較小的方程組，通過代數(shù)聯(lián)立方程或推理方法逐步求解得到每個(gè)幾何元素特定點(diǎn)的坐標(biāo)，從而得到一個(gè)具體的幾何模型。

圖3.1.3變量化造型的原理

3.1.3特征造型技術(shù)

1.特征的概念

現(xiàn)實(shí)世界的物體具有三維形狀和質(zhì)量，因而三維實(shí)體造型可以更加真實(shí)地、完整地、清楚地描述物體，其利用計(jì)算機(jī)技術(shù)存儲(chǔ)物體的幾何信息和拓?fù)湫畔ⅲ砹薈AD/CAM技術(shù)的主流。

實(shí)體造型(SolidModeling)技術(shù)是20世紀(jì)70年代后期、80年代初期逐漸發(fā)展完善并推向市場的。實(shí)體造型是利用一些基本體素，如長方體、圓柱體、球體、錐體、圓環(huán)體以及平面輪廓掃掠體等通過布爾運(yùn)算生成復(fù)雜形體的一種造型技術(shù)。實(shí)體造型主要包括兩部分內(nèi)容，即體素的定義與描述、體素之間的布爾運(yùn)算(交、并、差)。體素是一些簡單的幾何形體，它們可以通過少量參數(shù)進(jìn)行描述，例如長方體可以通過長、寬、高定義形狀。

特征的概念很廣，本章僅限于討論幾何特征(以下簡稱特征)。特征指可以用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)體模型，其滿足下列條件：

(1)特征是一個(gè)實(shí)體或零件中的具體構(gòu)成之一；

(2)特征能對(duì)應(yīng)于某一形狀；

(3)特征具有工程上的意義(即與加工方法的一定對(duì)應(yīng)關(guān)系)；

(4)特征的性質(zhì)是可以預(yù)料的。

根據(jù)特征構(gòu)造和組合的先后順序，可以把特征分為基本特征和附加特征兩類。一個(gè)零件最重要的特征是基本特征，也是最先構(gòu)造的特征。基本特征具有以下特點(diǎn)：

(1)基本特征能反映零件的主要體積(或質(zhì)量)，能基本反映零件的主要形狀；

(2)基本特征是構(gòu)造后續(xù)特征的基礎(chǔ)。只有構(gòu)造好基本特征之后，才能再創(chuàng)建其他各種特征，其他特征是附加在基本特征之上的，所以稱為附加特征，零件形狀的不斷補(bǔ)充和細(xì)化是通過增加或減去附加特征進(jìn)行的。

2.特征造型過程及基本步驟

特征造型過程可以形象地比喻為一個(gè)由粗到精的泥塑過程，即在一個(gè)初始泥坯(基本特征)的基礎(chǔ)上，通過不斷增加膠泥材料(增加附加特征)或去除膠泥(減去附加特征)，逐步獲得一個(gè)精美的雕塑(幾何模型)。

特征造型過程要用到兩個(gè)基本技術(shù)：布爾運(yùn)算和模型樹。

通常，零件造型大致遵循下列步驟：

(1)造型方案規(guī)劃，主要包括分析零件的特征組成、分析零件特征之間的相互關(guān)系，分析特征的構(gòu)造順序以及特征的構(gòu)造方法。

(2)創(chuàng)建基本特征，即構(gòu)造零件