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CAD/CAM 在机械制造业中的应用

摘要：分析 CAD/CAM 技术在机械制造业的应用的迫切性及应用后明显的优越性.

关键词：CAD/CAM;设计;制造;应用

Key words: CAD/CAM; design; make; application

引言

CAD 系统是将人的创造性思维、专业知识及实践经验与计算机高速运算功能、大量信息储存及逻辑判

断能力有机结合，实现人机信息交流及交互工作的系统。CAD 是 Computer AidedDesign 的缩写，起源于

上世纪 50 年代，随着计算机技术的快速发展，CAD 技术得到了长足发展，国内的设计企业采用计算机绘

图已彻底替代了复杂、繁琐、费时的传统绘图，甩掉了传统的图板。

0 机械制造业应用 CAD/CAM 技术的可能性,必要性和迫切性

机械制造业是国民经济的基础产业，它的发展直接影响到国民经济各部门的发展，也影响到国计民生

和国防力量的加强，因此，各国都把机械制造业的发展放在首要位置。随着机械产品国际市场竞争的日益

加剧，各大公司都把高新技术注入机械产品的开发中，作为竞争取胜的重要手段。

国民经济中的任何行业的发展，必须依靠机械制造业的支持并提供装备；在国民经济生产力构成中，

制造技术的作用占 60%以上。美国认为社会财富的来源机械制造业占 68%；当今制造科学、信息科学、材

料科学、生物科学等四大支柱科学相互依存，但后三种科学必须依靠制造科学才能形成产业和创造社会物

质财富。而制造科学的发展也必须依靠信息、材料和生物科学的发展，机械制造业是任何其他高新技术实

现工业价值的最佳集合点。例如，快速原型成型机、虚拟轴机床、智能结构与系统等，已经远远超出了纯

机械的范畴，而是集机械、电子、控制、计算机、材料等众多技术于一体的现代机械设备，并且体现了人

文科学和个性化发展的内涵。

CAD/CAM，是指以计算机作为主要技术手段，帮助人们处理各种信息，进行产品设计与制造。模具 CAD/CAM

技术是以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使工种技术人员能借助于计算机对产品、

模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化，是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项

高科技、高效益的系统工种。企业要把握住时代潮流和行业新动态，抓机遇、结国情，积极开展 CAD/CAM

技术的研究和推广工作，增强企业竞争能力，加强企业现代化进程。

当前 CAD/CAM 主要运行在工作站或微机平台上。工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格昂

贵、操作使用复杂、培养专业技术人员周期长，这在一定程度上限制了 CAD/CAN 技术的推广。而由于微机

的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且其操作系统的安全性与掌握技术的简单

性和灵活性，使得 CAD/CAM 技术得以广泛地应用和推广。以下我们对一批比较优秀、流行的商品化软件作

一些简要的介绍和分析：

[1]． Unigraphics（UG）是 UnigraphicsSolutions 公司的拳头产品。该公司首次突破传统 CAD/CAM

模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在 UG 中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框

和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数 CAD/CAM 软件厂商所采用。UG

最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90 年

代初，美国通用汽车公司选中 UG 作为全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM 主导系统。

[2]．SOLIDEDGE 是真正 Windows 软件。它不是将工作站软件生硬地搬到 Windos 平台上，而是充

分利用 Windos 基于组件对象模型（COM）的先进技术重写代码。SOLIDEDGE 与 Microsoft office 兼容，

与 Windos 的 OLE 技术兼容，这使得设计师们在使用 CAD 系统时，能够进行 Windows 下字处理、电子报

表、数据库操作等。

SOLIDEDGE 具有友好的用户界面，它采用一种称为 SmartRibbon 的界面技术，用户只要按下一个命

令按钮，既可以在 SmartRibbon 上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一

步该做什么。SOLIDEDGE 是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计 CAD 系统，它是为设计人员专

门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。

[3]．AutoCAD 是 Autodesk 公司的主导产品。Autodesk 公司是世界第四大 PC 软件公司。目前在

CAD/CAE/CAM 工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，规模最大的基于 PC 平台的

CAD 和动画及可视化软件企业。Autodesk 公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计等一些

重大工程领域。AutoCAD 是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD

有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维

功能。AutoCAD 提供 ALISP、ADS、ARX 作为二次开发的工具。

[4]．MDT 是 Autodesk 公司在 PC 平台上开发的三维机械 CAD 系统。它以三维设计为基础，集设计、

分析、制造以及文档管理等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。

[5]．Solid Works 是生信国际有限公司推出的基于 Windows 的机械设计软件。生信公司是一家专业化

的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际 CAD/ CAE/CAN/PDM 市场同步。该公司提

倡的"基于 Windos 的 CAD/CAE/CAM/PDM 桌面集成系统"是以 Windos 为平台，以 Solid Works 为核心的

各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的

解决方案。

Solidworks 是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站出版的相应软件价格的 1/4～l/5

向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。是基于 Windos 平台

的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图

形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中。

[6]．Pro/Engineer 系统是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporatlon，简称 PTC）的产品。

PTC 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械 CAD/CAE/CAM 的传统观念，

这种全新的概念已成为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械

CAD/CAE/CAM 产品 Pro/Engineer 软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同

一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。

[7]．高华 CAD 是由北京高华计算机有限公司推出的 CAD 产品。包括计算机辅助绘图支撑系统

GHDrafting、机械设计及绘图系统 GHMDS、工艺设计系统 GHCAPP、三维几何造型系统 GHGEMS、产品

数据管理系统 GHPDMS 及自动数控编程系统 GHCAM 。其中 GHMDS 是基于参数化设计的

CAD/CAE/CAM 集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图索

拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。

[8]．CAXA 电子图板和 CAXA－ME 制造工程师软件是由北京北航海尔软件有限公司（原北京航空

航天大学华正软件研究所）开发与销售。

CAXA 电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、

装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计

构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。

CAXA--ME 是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面 CAD/CAM 软件。CAXA 制造工

程师 1.0 版于 1996 年推出，CAXA－ME2.0 版于 1998 年 3 月发布， CAXA－WE2000 版业已发布

[9]．金银花（Lonicera）系统是由广州红地技术有限公司开发的基于 STEP 标准 CAD/CAM 系统。该

系统是国家科委 863/CIMS 主题在"九五"期间科技攻关的最新研究成果。

该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计、制造一体化和自动化。该软件起点高，以制

造业最高国际标准 ISO-10303（STEP）为系统设计的依据。该软件采用面向对象的技术，使用先进的实体

建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI 标准数据存取接口的技术；具备机械产品设计、工艺

规划设计和数控加工程序自动生成等功能；同时还具有多种标准数据接口，如 STEP、DXF 等；支持产品

数据管理（PDM）。目前金银花系统的系列产品包括：机械设计平台 MDA、数控编程系统 NCP、产品数

据管理 PDS、工艺设计工具 MPP。

机械设计平台 MDA（Mechanical Design Assistant）是金银花系列软件之一，是二维和三维一体化设

计系统。目前，MDA1.7 版已投放市场，MDA99 版也已发布。

从计算机科学的角度看,设计与制造的过程是一个关于产品信息的产生,处理,交换和管理的过程.人们利

用计算机作为主要技术手段,对产品从构思到投放市场的整个过程中的信息讲行分析和处理,生成和运用各

种数字信息和图形信息,进行产品的设计与制造.CAD/CAM 技术不是传统设计,制造流通和方法的简单映像,

也不是局限在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具,而是将计算机科学与工程领域的专业技术以

及人的智慧和经验以现代的科学方法为指导结合起来,在设计,制造的全过程中各尽所长,尽可能地利用计算

机系统来完成那些重复性高,劳动量大,计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作,辅助而非代替工程技术人

员完成整个过程,以获得最佳效果.

在机械制造业中产品的设计,制造是从市场需求分析开始的,根据需求确定产品的性能,建立产品的总体

设计方案,进行综合分析论证;在此基础上,设计具体结构,包括结构方案的优化,评估,几何参数,力学特性的分

析计算;最后得出产品的设计结果.完成设计工作之后,需对产品的几何形状和制造要求做进一步分析,设计

产品的加工工艺规程,进行生产准备,随后,加工制造;装配,检测.由此可以得出两点结论:第一,设计,制造过程

的各个阶段事实上是客观存在的.正因为这个规律的存在,为程式化工作的计算机引人设计,制造领域,实现

CAD/CAM 提供了客观可能性.第二,人为地研究,分析,总结这个规律是为了更好地把握,运用这个规律,科学

地,有计划地,按步骤地实施设计与制造,为实现 CAD/CAM 创造条件.

针对整个设计过程中,各设计任务所占的比重将设计划分为如下设计类型:

1 新设计这是一种从无到有的开发性设计.或者从概念设计,功能设计开始,或者重新排列组合现有

的,或新的零部件来达到设计目的.新设计需要创造性的思维.

2 适应性设计其特点是保持总体布局不变,修改个别零部件的功能或形状以适应质和量的附加要求.

3 参数化设计其特点是功能,布局,零件的几何拓扑关系均保持不变,仅改变零件的尺寸参数,产生系

列化的设计结果.

据统计,机械制造领域的设计工作有 56%属于适应性设计,20%属于参数化设计,只有 24%属于新设计.某

些标准化程度高的领域,参数化设计达到 50%左右.上述数据说明,工程技术人员的大部分时间和精力是消耗

在重复性工作或局部小修小改之中了,不可能有充沛的精力去从事创造性劳动.也不会有足够的时间去学习

掌握新知识和新技能,久而久之,人的创造性思维能力也会随着日复一日,年复一年的重复,烦琐的劳动而萎

缩.尤其在市场竟争剧烈的条件下,很难适应发展的需要.因此,在机械制造领域为使设计方法及设计手段科

学化,系统化,现代化,实现 CAD 是非常必要的.

工艺设计是机械制造生产过程技术准备工作的一个重要内容,是产品设计与车间的实际生产的 My,工艺规

程是进行工装设计制造和决定零件加[方法与加 1 路线的 I 要依据,它对组织生产,保 id 产品质最,提高劳动

生产率,降低成本,缩短生产周期及改善劳动条件等有着 1 气接的影响,是经验性很强 LI 随环境变化而多变

的决策过程.过去一直是工艺人员手工完成,不仅效率低,而且依附于人的技能和经验,很难获得最住方案,远

不能适应当前机械制造行业发展的要求.同时,与产品设日一样,也存庄着繁琐 Btu 亚复的密集型劳动束缚工

艺人员,难以从事创造性开拓工作.因此,用 CAPP 技术代替传统的工艺设计对于机械制造业具有重要意义.

再考察制造阶段的生产状况.从机械制造行业来看,由于新工艺新技术的飞速发展,社会需求趋向多样化,

市场竞争激烈,迫使产品更新周期日益缩短.多品种小批量生产的企业大最增加,50 件以「的小批量生产约占

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