第三章 CAD/CAM首版制作

第一节 CAD/CAM技术介绍

CAD/CAM技术是目前工业设计产品首版制作行业最常用的技术。CAD/CAM技术主要包括CAD建模和CAM集成数控编程加工系统。

一、CAD建模

1．概念

CAD（Computer Aided Design）即计算机辅助设计，是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中，以计算机为工具，辅助人类完成产品的设计、分析、绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。CAD建模技术就是研究产品数据模型在计算机内部的建立方法、过程及采用的数据结构和算法。

对于现实世界中的物体，从人们的想象出发，到完成它在计算机内部表示的这一过程称之为建模。计算机内部表示及建模技术是CAD/CAM系统的核心技术。建模首先是得到一种想象模型，表示了用户所理解的客观事物及事物之间的关系，然后将这种想象模型以一定的格式转换成符号或算法表示的形式，即形成产品信息模型，它表示了信息类型和信息间的逻辑关系。最后形成计算机内部存储模型，这是一种数据模型，即产品数据模型。因此，产品建模过程的实质就是一个描述、处理、存储、表达现实世界中的产品，并将工程信息数字化的过程。

2．分类

产品数据模型的建模方法中目前最常用的是三维几何建模和特征建模。

（1）三维几何建模

三维几何建模，包括曲面建模（Surface Modelling）技术和实体建模（Solid Modelling）技术。曲面建模主要采用Bezier曲线、B样条曲线、NURBS曲线等生成曲面。实体建模技术是20世纪70年代后期、80年代初期逐渐发展完善并推向市场的，目前已成为CAD/CAM技术发展的主流。实体建模是利用一些基本体素，如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体及扫描体等通过集合运算生成复杂形体的一种建模技术，主要包括体素的定义描述和体素之间的布尔运算（并、交、差）等两部分内容。

（2）特征建模

特征建模技术，是CAD/CAM系统发展的新里程碑。除了包含零件的基本几何信息外，它还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息，如材料信息、尺寸、形状公差信息、热处理及表面粗糙度信息、刀具信息等。因此，它是更高层次上对几何形体上的凹腔、孔、槽等的集成描述。目前，国内外的大多数特征建模系统都建立在原有三维实体建模系统的基础上，将几何信息与非几何信息描述集中在一个统一的模型中，设计时将特征库中预定义的特征实例化，并作为建模的基本单元实现产品建模。

3．作用

运用CAD/CAM建模技术生成的产品数据模型在外观效果、内部机构和机电操作性能都力求与成品一致。除精确体现产品外观特征和内部结构外，有些还必须具有实际操作使用的功能，以检验产品结构、技术性能、工艺条件和人机关系等。

二、CAM集成数控编程加工系统

1．概念

CAM（Computer Aided Manufacturing）即计算机辅助制造，有广义和狭义两种定义。广义CAM是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等；狭义CAM通常是指由CNC数控机床执行的NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。在产品首版制作中所用到的CAM技术，主要是指狭义的CAM技术。

CAM集成数控编程加工系统中的重要内容之一就是数控自动编程系统与CAD集成，其基本任务就是要实现CAD和数控编程之间信息的顺畅传递、交换和共享。数控自动编程与CAD集成，可以直接从产品的数字定义提取零件的设计信息，包括零件的几何信息和拓扑信息。最后，CAM系统帮助产品制造工程师完成被加工零件的形面定义、刀具选择、加工参数设定、刀具轨迹计算、数控加工程序自动生成、加工模拟等数控编程的整个过程。

一个典型的CAM集成数控编程系统，其数控加工编程模块，一般应具备编程功能、刀具轨迹计算方法、刀具轨迹编辑功能、刀具轨迹验证功能。加工的产品模型力求与成品一致，因而在选用材料、结构方式、工艺方法等方面都应以批量生产要求为依据。数控加工的产品模型外观精美、精度高、表面质量好，适合各种复杂零件的制作装配及验证结构。并且，材料选择范围广泛，常用的ABS、尼龙、透明亚克力等材料均可加工。

2．步骤

为适应复杂形状零件的加工、多轴加工、高速加工，一般计算机辅助编程的步骤如下：

（1）零件的几何建模

对于基于图纸以及型面特征点测量数据的复杂形状零件数控编程，其首要环节是建立被加工零件的几何模型。

（2）加工方案与加工参数的合理选择

数控加工的效率与质量有赖于加工方案与加工参数的合理选择，其中刀具、刀轴控制方式，走刀路线和进给速度的优化选择，是满足加工要求、机床正常运行和刀具寿命的前提。

（3）刀具轨迹生成

刀具轨迹生成是复杂形状零件数控加工中最重要的内容，能否生成有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率。刀具轨迹生成的首要目标是使所生成的刀具轨迹能满足无干涉、无碰撞、轨迹光滑、切削负荷光滑并满足要求、代码质量高。同时，刀具轨迹生成还应满足通用性好、稳定性好、编程效率高、代码量小等条件。

（4）数控加工仿真

由于零件形状的复杂多变及加工环境的复杂性，要确保所生成的加工程序不存在任何问题十分困难，其中最主要的是加工过程中的过切与欠切、机床各部件之间的干涉碰撞等。对于高速加工，这些问题常常是致命的。因此，实际加工前采取一定的措施对加工程序进行检验并修正是十分必要的。数控加工仿真通过软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程来检验并优化加工程序，具有柔性好、成本低、效率高且安全可靠等特点，是提高编程效率与质量的重要措施。

（5）后置处理

后置处理是数控加工编程技术的一个重要内容，它将通用前置处理生成的刀位数据转换成适合于具体机床数据的数控加工程序。其技术内容包括机床运动学建模与求解、机床结构误差补偿、机床运动非线性误差校核修正、机床运动的平稳性校核修正、进给速度校核修正及代码转换等。因此，后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。

三、CAD/CAM技术特点

1．相关性、并行协作

一个完全集成的CAD/CAM软件，能辅助工程师从概念设计到功能工程分析再到制造的整个产品开发过程，如图3.1所示。

（1）相关性

通过应用主模型方法，使从设计到制造的所有应用相关联，如图3.2所示。

（2）并行协作

通过使用主模型、产品数据管理PDM、产品可视化（PV）以及杠杆运用Internet技术，运用CAD、CAE、CAPP、CAM等各种功能支持扩展企业范围的并行协作，如图3.3所示。

四、CAD/CAM技术的发展趋势

1．集成化

集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM以至PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。国内外大量的经验表明，CAD系统的效益往往不是从其本身，而是通过CAM和PPC系统体现出来；反过来，CAM系统如果没有CAD系统的支持，花费巨资引进的设备往往很难得到有效利用；PPC系统如果没有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据，制订出的计划也较难贯彻执行，所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此，人们着手将CAD、CAE、CAPP、CAM和PPC等系统有机地、统一地集成在一起，从而消除“自动化孤岛”，取得最佳的效益。

2．网络化

21世纪网络将全球化，制造业也将全球化，从获取需求信息，到产品分析设计、选购原/辅材料和零部件、进行加工制造，直至营销，整个生产过程也将全球化。CAD/CAM系统的网络化是指它是使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上并行处理的并行化产品设计应用系统；能提供产品、进程和整个企业性能仿真、建模和分析技术的拟实制造系统；能开发自动化系统，产生和优化工作计划和车间级控制，支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统；对生产过程中的物流能进行管理的物料管理应用系统等。

3．智能化

人工智能在CAD中的应用主要集中在知识工程的引入，发展专家CAD系统。专家系统具有逻辑推理和决策判断能力。它将许多实例和有关专业范围内的经验、准则结合在一起，给设计者更全面、更可靠的指导。应用这些实例和启发准则，根据设计的目标不断缩小探索的范围，使问题得到解决。