关于CADCAM的初步认识

关于CAD/CAM的初步认识 专 业： 机电一体化 论文提纲一、CAD/CAM的基本概念（一）1.1 CAD技术1.2 CAM技术（二）、 CAD的分类及用处二、CAD/CAM系统组成及其软硬件三、CAD/CAM系统中计算机的配置四、国内CAD市场状况及CAD/CAM主流（一）软件产品概述（二）引进的国外主要软件及国内生产的软件五、CAD的实用性及优越性六、计算机绘图的目标七、使用CAD技术的优缺点八、总结摘要 【内容摘要】计算机技术的飞速发展，给传统的制造业带来了巨大的变革，CAD/CAM技术是一项利用计算机系统来帮助人们完成产品的设计和制造的新技术，他是计算机技术在零件生产中综合应用的新飞跃，CAD包括建立几何模型、工程分析、产品分析、动态模拟、自动绘图等；CAM包括数字化控制、工艺过程设计、机器人、柔性制造系统（FMS）、工厂管理等，CAD/CAM技术是制造的主要组成部分，文中简述了CAD/CAM的发展与应用现状。CAD/CAM（计算机辅助设计及制造)技术产生于本世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。1989年美国国家工程科学家将CAD/CAM技术评为当代（1964-1989）十项最杰出的工程技术成就之一。三十几年来CAD技术和系统有了飞速的发展，CAD/CAM的应用迅速普及。在工业发达国家，CAD/CAM技术的应用已迅速从军事工业向民用工业发展，由大型企业向中小型企业推广，由高技术领域的应用向日用家电、轻工产品的设计和制造中普及。而且正在发达国家流向发展中国家。对经济也起到了一定的推动作用。本文通过阐述CAD/CAM给国家带来的巨大发展和意义，同时随着社会的进一步发展出现了大量相关的问题，最后表达了本人对于CAD学习的无比热爱和继续求知的热情，它带来的无尽空间和神秘感让我不断进取！ 【关键词】飞速发展 自动绘图 数字化控制 自动化技术 一、 CAD/CAM的基本概念CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM技术是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式都发生了根本性的变化。CAD/CAM技术已经成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。1.1 CAD技术诞生于二十世纪60年代（CAD-Computer Aided Design)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在设计中通常需要计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优秀方案，各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始计算，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速做出图形，使设计人员及时对设计做出判断和修改的；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD技术起源于美国，它经历了一个由二维设计技术向三维设计技术发展的过程。CAD不仅是设计手段，而且是一种新的设计方法和思维。显然，CAD技术的内涵会随着计算机技术的发展而不断扩展。就目前情况而言，CAD是指工程技术人员以计算机为工具，运用自身的知识和经验，对产品或工程进行方案构思、总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等设计活动的总称，是一门多学科综合应用的新技术。CAD是一种新的设计方法，它采用计算机系统辅助设计人员完成设计的全过程，将计算机的海量数据存储和高速数据处理能力与人的创造性思维和综合分析能力有机会结合起来，充分发挥各自所长，使设计人员摆脱繁重的计算和绘图工作，从而达到最佳设计效果。CAD对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业创新能力发挥着重要作用。一般认为，CAD系统应具有几何建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图等主要功能。一个完整的CAD系统应有人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。人机交互接口是设计、开发、应用和维护CAD系统的界面，科学计算是CAD系统的主体，主要有有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等。工程数据库是对设计过程中使用和产生的数据、图形、图像及文档等进行存储和管理。就CAD技术目前可实现的功能而言，CAD作业过程是在由设计人员进行产品概念设计的基础上从建模分析，完成产品几何模型的建立，然后抽取模型中的有关数据进行工程分析、计算和修改，最后编辑全部设计文档，输出工程图。1.2 CAM技术计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing,简称CAM）到目前为止尚无统一的定义。一般而言，CAM是指计算机在制造领域有关应用的统称，有广义CAM和狭义CAM之分。所谓广义CAM，是指利用计算机辅助完成从生产准备工作到产品制造过程中的直接和间接的各种活动，加工、装配、检验、输送、储存的生产活动。而狭义CAM通常指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和NC代码生成等。CAM中核心的技术是数控加工技术。数控加工主要分程序编制和加工过程两个步骤。程序编制是根据图纸或CAD信息，按照数控机床控制系统的要求，确定加工指令，完成零件数控程序编制；加工过程是将数控程序传输给数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床，使刀具和工件严格按执行程序的规定相对运动，加工出符合要求的零件。作为应用性、实践性极强的专业技术，CAM直接面向数控生产实际。生产实际的需求是所有技术发展与创新的原动力，CAM在实际应用中已经取得了明显的经济效益，并且在提高企业市场竞争能力方面发挥着重要作用。2.CAD的分类及用处CAD是一个包括范围很广的概念，概括来说CAD的设计对象有两大类，一类是机械、电子、电气、轻工和纺织产品；另一类是工程设计产品、即工程建筑，国外简称AEC（Architecture、Engineering、Construction）。而如今，CAD技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。CAD在机械制造业的应用最早，也最为广泛，采用CAD技术进行产品不但可以使设计人员甩掉图板，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力，还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛先采用CAD/CAM技术进行产品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。计算机辅助建筑设计（Computer Aided Architecture Design，简称CAAD）是CAD在建筑方面的应用，它为建筑设计带来了一场真正的革命。随着CAAD软件从初的二维通用绘图软件发展到如今的三维建筑模型软件，CAAD软件技术已开始被广为采用，这不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约2%-5%的建筑投资，而近几年来我国每年的基本建筑投资都有千亿元之多，如果全国大小近万个工程设计单位都采用CAD技术，则可以大大提高基本建筑的投资效益。CAD技术还被广泛用于轻纺及服装行业中，以前我国纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而且目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要速度，这使得我国放在产品在国际市场上的竞争力不强。采用CAD技术后大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。如今，CAD技术已进入到人们的日常生活中，在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史，美国好莱坞电影公司主要利用CAD技术构造布景，可以利用虚拟现实的手法设计出人工不可能做到的布景。这不仅能节省大量的人力、物力，降低电影的拍摄成本，而且还可以给观众造成一种新奇、古怪和难以想象的环境，获得极大的票房收入。比如美国的星球大战、外星人、侏罗纪公园等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片玩具总动员，都取得了极大的成功。轰动全球的大片泰坦尼克应用了大量的三维动画制作，用计算机真实地模拟了泰坦尼克航行、沉船的全过程。此外动画和广告制作中也充分利用计算机造型技术，实质上也是一种虚拟显示技术。寻现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。二、 CAD/CAM系统组成及其软硬件CAD/CAM系统是由工作人员、硬件和软件三大部分组成的。电子计算机及其外围设备构成CAD/CAM的硬件系统；操作系统和用于软件构成CAD/CAM的软件系统。工作人员在CAD/CAM系统中起主导作用，只有把软件、硬件及工作人员融为一体，才能更有效地发挥CAD/CAM系统的功能，从而完成诸如计算、绘图、模拟、数控编程等一系列任务。在选择硬件系统时应特别考虑下述几点：工作能力经济性使用方便性工作可靠性维修方便性标准化程度及可扩充性工作环境响应时间及处理速度采用的语言磁盘容量等。根据当前计算机市场的情况，CAD/CAM硬件的配置大致有4种类型：主机系统（Main Frame System），成套系统（Turnkey System），超级微型机CAD工作站（Stand Alone CAD w/s），个人计算机CAD工作站（PC CAD）。三 、CAD/CAM系统中计算机的配置（1）由于CAD/CAM系统要完成相当复杂的任务，刚引入阶段，它只能在大型计算机上完成，大型计算机主机系统，它的主机由3部分组成一个容量有限的主存贮器和快速的中央处理机外存贮器外围设备，如输入、输出、设备等。显示设备是最终产生图形效果的部件，目前使用较多的仍是阳极射线管CRT（Cathode Ray Tube）显示器，其核心部件即为CRT。CRT一般是利用电磁场产生高速的，经过聚焦的电子来偏转到屏幕的不同位置，轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。目前计算机上普遍使用彩色CRT，最常用的彩色显像管是遮蔽板式CRT。（2）随机扫描显示器又称为直线画线器或轨迹扫描设备。它有一个独立的存储器来存储图形信息。它的基本工作过程是：从文件存储器中取出画线或显示字符、亮度、线型指令，送至显示器，从而在屏幕上产生图形轨迹。此设备具有高度的动态性能，较高的分辨率，明显的对比度，以及线条质量好，易于修改等优点，因此在许多图形系统中仍然使用它作为图形输出设备。（3）光栅扫描显示器是基于电视机的工作原理产生的。电子束在水平偏转线圈产生的水平磁场作用下，沿着水平方向扫描，在垂直偏转线圈产生的垂直磁场作用下，沿着垂直方向扫描。每幅图像可扫描512512个点（或更多），每个点称为一个像素，每一个像素具有不同的灰度级颜色等属性，可组合显示不同的图形。可以输出具有真实感的主题图形。它具有较好的动态性能，适于做模拟器，不足之处是在交互操作时响应速度慢输入图形信息较费时。四、国内CAD市场状况及CAD/CAM主流（一）软件产品概述我国自60年代开始研究开发CAD软件以来。经过“六五”“七五”“八五”的成果积累，CAD软件产业在建筑、石化、轻工、造船、机械、电子等行业，以及二维参数化绘图、有限无分析，曲面造型和数控加工编程等方面已经初具规模，成绩显著，而其中建筑CAD软件已经在国内占据统治地位，比较有名的有：中国建筑科学研究院的ABD建筑，结构、设备系列，我国目前推出的自主版权CAD软件基本上都是微机版本，价格合适，而且符合我国设计人员的设计习惯，虽然与国外同类CAD软件相比，在资金投入、商点化包装以及企业的集团化规模化方面存在一定的差距，但仍有着广阔的市场前景和发展潜力。（二）引进的国外主要软件及国内生产的软件AutoCAD系统是美国Autodesk公司为微机开发的一个互交式绘图软件，他基本上是一个工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制，天才标注以及方便用户的二次开发功能，也具有部分的三维作图造型功能，它也是目前世界上应用最广的CAD软件，占整个（市场）世界个人微机CAD/CAE/CAM软件市场额37%左右，是诸多微机CAD软件的佼佼者，把其他微机CAD软件，如Cad key、Eagle CAD、CAD-Plan等远远地抛在后面。如今AutoCAD已经推出了R14版本，并且有中文化的最新版本面市。国内开发的主要软件PLCAD：该系统及系列软件是中科院凯思软件集团及北京凯思博宏应用工程公司开发耳朵具有自主版权的CAD软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性，对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航。五、CAD的实用性及优越性说到它的使用性，相信许多同学都有同感。以前我们画工程制图是手工画，画一张完整耳朵A3也得两三个小时，还记得最后的测绘用了两三天，今大家倍感疲惫。而且要注意图纸的整洁，线条的宽度，字体的美观，绘制过程需要花费很多时间。现在用AUTCAD就完全没有这方面的问题，粗细线条全用“特性”来规范，一目了然，天才也相当准确，在命令提示行里输入多少就是多少，也不用拿着丁字尺在图纸上比来画去，到头来还是达不到十分准确。画线线连接的时候CAD尺寸方面的优势就更加明显，比如画圆与直线相切的时候，手工绘图只能凭感觉觉得差不多就画上去，每一条画的都不一样，怎么看都不对称，用CAD画，打开对象捕捉就能把切点给抓起来，又快又准！天才标注更是快捷，两个点一拉，左键一点就完成一个标注，不用画箭头，不用标文字，只要自己设计好标注格式，计算机就能按要求标出来，插入文字也是很方便，在多行文本编辑器里输入文字内容就能出来绝对标准的国标字，比起我们手写的字就美观漂亮的多！粗糙度，基准符号、标题栏等做成块就可以随意插入，用不着一个一个地画了，用起来确实很快！以上说的都是画二维图形时AUTCAD的优越性，不仅二维图形方便快捷，AUTCAD作为世界上工能最强大的绘图工具，在绘制三维图形方面同样卓越！打开“等轴侧”，F5键切换绘图方向，可在立体图上倒角。所以先画平面图，经过等功能转为立体后进行组合，在进行交、差、并等实体编辑计算，就能得到准确美观的三维图形，不仅如此，将模型空间转为图纸空间时，还可以把三维图形的俯、 主等师徒表达出来，这样就和以前绘制的工程制图统一起来了，不同的是手工画总共要画三个视图，这里一个也不用，只需改变三维图形的投影方向就完成了。六、计算机绘图的目标计算机绘图的目标就是要使设计的结果在生产时间中发挥作用。目前的设计结果基本上以图纸的方式进入到生产中，同时，在设计单位，纸基的图纸也是图纸档案管理的主要对象。虽然计算机辅助设计的发展方向是达到设计、生产的无纸化，但除了极少数巨型的制造企业外，绝大多数普通的设计生产单位还是以纸基为准。七、使用CAD技术的优缺点CAD技术优点毋庸置疑CAD技术的长处使得人们趋之若鹜，它有以下几项优点。一、劳动强度降低，图面清洁手绘图，工作人员常常手里拿着几只不同粗细的墨笔，丁字尺、三角板、曲线板等工具不停地在手里更换，而且一旦画错，修改非常费事，甚至从头来过，图面修修补补显得脏乱。用CAD绘图则可以一只鼠标做你想做的任何事情。它有统一的线型库、字体库，图面整洁统一。CAD软件所提供的UNDO功能让你不必担心画错，它可以使你返回到你画错之前的那一步。你更可以在电脑系统后台运行一些音乐播放软件，一边听音乐一边工作。CAD软件绘图真正做到方便、整洁、清洁、轻松。二、设计工作的高效及设计成果的重复利用CAD之所以高效，因其最伟大的功能之一：“COPY”。一些相近、相似的工程设计，图纸只要简单修改一下就行了，活着直接套用，而你只需要按几下键盘、鼠标。CAD软件可以将建筑施工图直接转成设备底图，使水暖、电气的设计师不会在描绘设备底图上浪费时间。而且现在流行的CAD软件大多提高丰富的分类图库、通用详图，设计师需要时可以直接调入。重复工作越多，这种优势越明显。结构计算的高效，一个普通的框架结构，以往手工设计需要一个星期左右时间，用CAD快的一天就可以完成。三、精度提高建筑设计的精度一般标注到毫米，结构设计的精度也不是很高，施工时的精度更低，但对于一些特型或规模大、复杂的建筑离开了CAD困难将成倍增长。CAD在日影分析、室内声场分析、灯光照度分析等方面的计算精度、速度也是手工计算无法比拟的。四、资料保管方便CAD软件制作的图形、图像文件可以直接存储在软盘、硬盘上，资料的保管，调用极为方便。你可以将设计项目刻录成光盘，数据至少可以保存50年。你可以将以前的图纸通过扫描仪，数字仪输入电脑，避免资料因受潮、虫蛀以及破坏性查阅造成的不必要损失。资料的管理更有科学性，只要一台电脑就可以管理的井井有条，资料室也将告别成排的资料柜，因为一个院所从成立到现在所有的资料几张光盘就装下了。五、CAD在建筑表现图上的优势这也是CAD在建筑设计上最出风头的。CAD制作的建筑效果图其透视关系、光影关系、建筑材料的质感，都可以真实再现，惟妙惟肖，在加上真实的树木、人、天空、汽车配景，儿可乱真。如果在加上现场环境照片融合更有说服力。CAD制作效果图形优势还在于，只要建筑的三维模型搭建完成，就可以任意指定透视角度，模型材质，快速生成多张效果图而无需从头做起，这是传统手绘效果图形无法比拟的。CAD的虚拟现实技术使人身临其境，在建筑物没有建成时去真实体验它的存在，你可以在虚拟但真实的建筑中游览、走查，当戴上VR手套、眼罩时你甚至可以去触摸它。这一切都让设计师在建筑设计上受益非浅，在向甲方推销自己的设计成果时也更有说服力。六、设计理念的改变CAD的智能化将部分取代设计师的一些设计工作，而CAD对设计的标准化、产业化起这巨大的推动作用。随着信息技术、网络技术的发展，跨地区合作设计，异地招投标、设计评审也将普及。在第一时间接受科技信息，与世界同步。通过一根电话线“在家工作”将成为可能。CAD技术的缺点CAD技术在给建筑设计业带来巨大效益的同时其负面作用也日益显现，值得我们深思。一、CAD技术对设计思想的束缚由于电脑屏幕尺寸的限制，设计师关注的往往是设计的局部，对全局的把握有一定的影响，使得整个建筑物的比例、体量失控。CAD的精确性要求其每一笔都要有准确的数据，使得方案设计中需要的模糊性、随机性被扼杀，设计缺乏灵感。另一方面CAD软件自身功能的局限性以及设计师对CAD软件掌握的熟练程度，使得建筑师好的灵感、创意不能通过CAD表达出来，建筑师的思想、思路、灵感被束缚。二、CAD技术扼杀建筑艺术建筑是一门融科技、艺术、文化、哲学与一体的学科。建筑即是一件商品，也是一件艺术品。有关人事认为CAD技术的滥用会使建筑设计工作一种艺术创作变为一种工业化生产，CAD引以为荣的复制、套用的高效率手段，使得设计过程本身就伤害了这一学科，而CAD的标准化、工业化使得建筑作品千篇一律，缺乏灵气、缺乏个性和人情味，建筑已经 变为纯粹的商品。而最有艺术气息的手绘建筑效果图，也将要被电脑效果图取代，电脑效果图虽然正式可信，快捷方便，但它缺少手绘所体现的个性以及设计师笔下流露的特有的感觉。三、CAD浪费资源CAD是一项科技含量很高的技术，通常一名设计师要用半年到一年的时间才能熟悉掌握CAD软件及电脑知识。可是在科技飞速发展的今天你学习的步伐永远追不上电脑、外设、CAD软件的更新、升级的步伐。设计师不得不花费大量时间应付这些变化。CAD的复杂、难懂使得设计师望而却步，一些院所专门设立、配备电脑操作维修人员，甚至设立一个专门的CAD工作部，因为一个优秀的设计师不一定是CAD高手，反而亦然。CAD对人力、时间的浪费可见一斑。其次，CAD对物质财力的浪费更甚。一个院所要想实现微机制图其硬件设备如：电脑、工作站、绘图仪、复印机、扫描仪、数字化仪、数码相机、可录光驱、UPS等的投资不菲，而它们的折旧率、升级费用也很高。它的软件投资也居高不下，当然前提是使用正版软件。在国内一套建筑软件花费1-2万元，而水暖、电、结构、预算各专业都要配齐要十几到二十几万元，在加上操作系统软件、常用办公软件其花费惊人。再有就是耗材花费惊人。耗材包括软盘、纸张、绘图仪墨水、复印碳粉等。这里纸张、墨水的小号最多，尤以纸张为甚虽然表面上CAD技术让人摆脱了图版，实现了无纸化办公，但事实上由于电脑屏幕尺寸的限制，一次只能看一张图形而且是局部，图纸很难审核，往往需打印多次核对，相应的也带来了墨水的浪费。对整个社会的可持续发展、环境保护极为不利。CAD设备的调试、维修、管理的花费亦