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CAD/CAM技术的发展与UG技术1.1CAD/CAM技术概述1.1.1基本概念CAD/CAM是计算机辅助设计与制造（ComputerAidedDesignandComputerAidedManufacturing）的英文缩写，是一项利用计算机软、硬件协助人完成产品的设计与制造的技术。CAD一般是指工程技术人员在计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、工程分析、绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低生产成本的目的。广义的CAM是指工程技术人员在计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成从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。狭义的CAM一般仅指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。CAD/CAM技术产生于20世纪50年代末、60年代初，高速发展于20世纪80至90年代。自20世纪80年代初以来，计算机的应用日益广泛，几乎深入到生产过程的全部领域，并形成了许多计算机辅助的分散系统。仅在制造业的产品设计与制造过程中就出现了如下分散系统：CAD、CAE（ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程分析）、CAPP（ComputerAidedProcessPlanning，计算机辅助工艺过程设计）、CAM、CAQ（ComputerAidedQuality，计算机辅助质量管理）、CAFD（ComputerAidedFixtureDesign，计算机辅助夹具设计）等。这些独立的分散系统分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方面起到了重要的作用。但是，采用这些各自独立的分散系统不能实现系统之间信息的自动传递和交换。例如，一个分散的CAD系统设计的结果既不能直接为CAPP系统接受，有关几何建模的技术信息也无法直接传递给一个独立的CAM系统，从而降低了计算机在产品设计和制造过程中的使用效率。为此，提出了CAD/CAPP/CAM集成的概念，进而产生了一批基于CAD/CAPP/CAM集成化的计算机辅助设计与制造商用软件，其中以美国的Unigraphics（简称UG）软件最具代表性。目前UG软件已经在汽车、航空航天、机械制造等领域得到越来越广泛的应用。所谓的CAD/CAM集成，是指在CAD、CAPP和CAM各模块之间有关信息的自动传基于UG的CAD/CAM技术2递和交换。集成化的CAD/CAM系统能够借助于公共的工程数据库、网络通信技术、以及标准格式的中性文件接口，把分散于机型各异的计算机中的CAD/CAM模块高效地集中起来，实现软、硬件资源共享，保证系统内信息的流动畅通无阻。1.1.2CAD/CAM系统的组成通常一个完善的CAD/CAM系统应具备：快速数字计算及图形处理功能、几何建模功能、处理数控加工信息的功能、大量数据和知识的存储及快速检索与操作功能、人机交互通信的功能、输入和输出信息及图形功能、工程分析功能等。CAD/CAM系统应由人、硬件、软件三大部分组成，其中硬件包括计算机及其外部设备，广义上讲硬件还包括用于数控加工的机械设备和机床等。软件一般包括系统软件、支撑软件和应用软件三类。系统软件主要负责管理硬件资源及各种软件资源，它面向所有用户，是计算机的公共底层管理软件，即系统开发平台；支撑软件运行在系统软件之上，是实现CAD/CAM各种功能的通用性应用基础软件，是CAD/CAM系统专业性应用软件的开发平台；专业性应用软件则是根据用户具体要求，在支撑软件平台上进行二次开发的专用软件。计算机系统的硬件为系统工作提供物资基础，而系统功能的实现由系统中的软件运行来完成。随着CAD/CAM系统功能的不断完善和提高，软件成本在整个CAD/CAM系统中所占比重越来越大。目前国外引进的一些高档软件，其价格已经远远高于系统硬件的价格。图1-1给出了CAD/CAM系统的基本组成。CAD/CAM系统计算机系统软件CAD/CAM硬件系统CAD/CAM软件系统外围设备支撑软件应用软件图1-1CAD/CAM系统的基本组成由于企业技术水平及生产能力不同，在CAD/CAM技术的应用及其系统的构建上可以有不同的形式。由于CAD/CAM系统的投资相对较大，如何科学、合理地选择适合本企业的系统，必须经过充分的论证，这也是当前我国在推广应用信息化技术改造和提升传统制造业企业技术水平的过程中需要重视的问题。随着软硬件技术和网络技术的发展，CAD/CAM系统的总体趋势是向着集成化、智能化、标准化和网络化方向发展。第1章CAD/CAM技术的发展与UG技术31.1.3CAD/CAM系统的支撑技术CAD/CAM系统除了配置必要的软、硬件之外，尚需要多种技术的支持，如数据管理技术、网络技术、成组技术、工程分析技术、仿真技术等。特别是数据管理技术和网络技术，随着CAD/CAM技术应用范围的不断扩大和深入，将占据越来越重要的地位。1．数据管理技术机械CAD/CAM涉及的数据具有数量大、种类多、结构复杂的特点，包括产品的物理特征、材料性能、数学模型、零件规格、几何形体描述、测试数据以及各种设计标准和规范等，内容极为广泛。数据表现形式除了数值、文字信息之外，还有大量的几何图形信息。如何管理这些数据信息，将直接影响CAD/CAM系统的应用水平和工作效率。目前流行的数据管理模式主要是数据库管理模式。数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）是用于对数据库及系统资源进行统一管理和控制的软件，它提供了对数据库的定义、建立、检索和编辑修改等操作功能；对数据的安全性、完整性和保密性进行统一的控制管理，起着应用程序与数据库之间的接口作用（如图1-2所示）。数据库的结构主要分为层次型、网状型和关系型三种基本模型，如图1-3所示。数据库系统与文件系统相比，具有如下特点：（1）数据的物理存储独立于应用系统，两者的单独改变不会相互影响；（2）由于同一数据可组织在不同的文件中，因此每个数据在理论上只需要存储一次，就可以实现数据共享；（3）应用程序的编制可以不考虑数据的存储管理和访问效率等问题；（4）通过DBMS实现对数据的统一控制，确保了数据的正确性和保密性。目前CAD/CAM集成系统的数据管理主要采取下列三种方法：（1）基于文件记录的专用数据管理方法，主要适合对非共享数据的管理；在商用数据库管理系统上建立一套软件接口的方法（用SQL数据操作语言编写），这是目前常用的方法；（3）采取工程数据库管理建立数据库的方法，这是下一代CAD/CAM和CIMS系统的数据管理主流。应用程序1应用程序2应用程序n数据库数据库管理系统图1-2数据库与数据管理系统的关系2．计算机网络技术计算机网络具有如下单个计算机所不具备的功能和特点：（1）能够在计算机之间快速基于UG的CAD/CAM技术4实现数据的传递；（2）共享计算机资源；（3）网内各计算机站点可互为后备，提高计算机系统的可靠性；（4）若干台地域不同的计算机可以共同完成一项大型的CAD/CAM任务，进行远程协同作业。……………（a）（b）机器1部件1部件2部件3机器2部件4部件n机器部件1部件2部件m零件11零件12零件1p零件m1零件m2零件mq名称图号数量材料固定钳身02101HT150螺杆0230245活动钳体02103HT150钳口板0230645螺钉02034HT150（c）图1-3数据库结构的三种基本数据模型按照网络覆盖的区域范围，可以将计算机网络分为基于全球Internet的广域网和局域网两种。广域网需要采用合理的接入方式来进行远程数据传送，而局域网一般仅限于数公里范围，是直接用于传送数字信号的计算机网络。目前CAD/CAM系统所用的网络均属于局域网。局域网产品的种类很多，构成型式也多种多样，但一般是由网卡与媒体、服务器、工作站（微机）、网间连接器并配以网络系统软件组成，如图1-4所示。3．成组技术成组技术是合理组织产品生产过程的一种将工程技术和管理集于一体的生产组织管理方法，它利用产品零件之间的相似性，工作站服务器网卡网卡媒体媒体媒体连接器工作站图1-4局域网系统的组成第1章CAD/CAM技术的发展与UG技术5将零件分类成组，然后根据每组零件所拥有的相似性，为同组零件找出相对统一的最佳方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益。作为一种机械制造的应用技术，成组技术涉及到对机械制造中相似性进行标识、开发和利用等方面的内容。通常应用组成技术时是通过分类编码系统对零件相似性进行识别。零件的分类编码系统是用数字和字母对零件特征进行标识和描述的一套特定的规则和依据。目前国内外有100多种编码系统在工业中使用，其中以Opitz编码系统最具代表性。通常每个企业或部门可以依据自身的产品特点选择其中一种，或是在某种编码系统的基础上加以改进，以适用本单位的使用需要。1.2制造业应用计算机的基本模式制造行业企业工作的核心是产品，因此企业应用计算机推进信息化的工作都是围绕着产品的开发、生产、经营等各项工作来开展的。（1）产品任务。根据上级公司下达的生产任务或市场定单，利用各种专业软件进行分析计算，确定产品的形状、尺寸及各子系统的技术指标，形成产品设计任务书，全部数据和有关任务均存放在统一数据库中。（2）详细设计。各专业人员从统一数据库中获取任务指令和相关的设计任务书，按时把各自的设计文档、图形、图纸、技术要求和相应的分析结果存入统一数据库中。（3）工艺规划。由统一数据库下达型号研制任务，一旦详细设计工作开始，工艺人员就着手开展并行工作。一方面给设计人员提供工艺方面的技术支持，避免返工，另一方面开始做工装的准备工作，检查相应的设备、刀具、材料等资源，及时向供应部门提供必要的采购信息。完成的文档存人数据库中。（4）生产制造。从统一数据库中获取统一的产品结构和制造结构。通过可视化技术准确地理解加工图形所对应的三维模型。统一数据库中提供的多媒体装配模型大大地方便了总装工作。生产制造部门也可以通过统一数据库反馈改进意见，提高设计水平，减少后期的返工。（5）物资供应。通过统一的数据库给设计、工艺和制造人员提供设备、材料、部件和标准件等信息，改善他们的工作环境。同时采购人员从统一数据库中自动生成某个型号、某个产品的材料清单（如标准件清单、外协件清单、原材料清单等），即减少工作人员的工作负担，又提高数据的一致性。为提高仓库管理水平，减少浪费创造有利条件。（6）生产计划。在统一的数据库中可以下达任务并实施监测，每项设计、工艺和制造等任务的完成状态，便于掌握整个项目的进度。从统一数据库中获取产品结构信息，支持型号管理。同时也可以获取工艺信息，自动生成统一的材料清单（如自制件清单、机加工件清单等），支持生产管理。一旦设计或工艺部门发生任何更改，生产计划部门通过统一数据库立即可以获得更改后的最新数据，大大减少数据不一致的错误和不必要的延误。（7）财务管理。统一数据库中包含产品全部设计和工艺数据。数据库提供各种查询检基于UG的CAD/CAM技术6索工具、汇总工具和报表工具等，财务系统监督型号研制费用、估算产品直接成本创造了有利条件。数据库的惟一性保证财务系统分析结果的可靠性。产品数据的不同配置为财务管理的灵活性提供有利的支持。（8）质量控制。为了改变以量求质的状况，统一数据库把产品的各种关键质量控制点数据进行统一管理，通过分析找出规律，提高生产力。因此，质量控制也离不开统一的产品数据所提供的准确的产品配置结果。（9）市场销售。型号批次的变化或市场需求的变化，要求中国企业能够做出快速反应。在统一的产品数据库中，积累了大量的成功经验。为了满足市场上变化了的需求，只需对产品结构中的部分零件做些适当的修正，通过虚拟电子样机的模拟就可以投入生产，抢占市场。同样电子样机不仅可以排除各种设计错误，大大减少生产环节的返工，还可以将设计的虚拟样机提前提供给最终用户，甚至可以通过互联网去吸引客户，扩大市场量。（10）统一数据库。上述各部门的工作指令来自于数据库，工作的结果也分门别类存回数据库，在数据库中不仅