CADCAM及计算机辅助工艺过程设计

CAD/CAM及计算机辅助工艺过程设计

同济大学中德学院

沈斌教授、博士

博士生导师

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CDHKCAD/CAM

第一章创新与企业自主开发能力

第二章现代开发设计技术

第三章CAD/CAM的概述

第四章CAD/CAM硬件

第五章CAD/CAM软件

第六章几何造型的原理和方法

第七章Pro/E的特征造型

第八章计算机辅助工艺设计

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第一章创新与企业自主开发能力

1.1创新是企业兴旺发达的根本条件

美籍奥地利经济学家熊彼特(J.A.Schumpter,1833-1950)认为，创

新是指“企业家对于生产要素的新组合”。他将创新分为以下五种形

式：

•引入新的产品或提供产品的新质量；

•采用新的生产方法、新的工艺过程；

•开拓并利用新的原材料或半制成品的供给来源；

・开辟新的市场；

d添用里的缎然瑞氤tzteKonstruktionu.ArbeitsplanungIProf.Dr.-ingBinShen

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熊彼特所描述的五种创新，大致可归纳为三大类：

■技术创新，包括新产品的开发，老产品的改造，新生产方式的

采用，新供给来源的获得，以及新原材料的利用；

■市场创新，包括扩大原有市场的份额及开拓新的市场；

•组织创新，包括变革原有组织形式及建立新的经营组织［1］。

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。技

术创新是技术与经济有机结合、一体化发展的创造性活动过程，建

立以企业为主体的技术创新机制是建立社会主义市场经济体制的一

个重要目标，是发展、壮大我国民族工业并形成国际上有竞争力的

大企业、大集团的重要条件。加强企业技术创新工作是转变经济增

长方式、举高国际竞争力的重要途径。

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1.2自主开发能力是企业生存的源泉

自主研究开发同从国外引进技术在技术来源的获取方式上不同。

•一种是一般广泛应用的技术创新模式

•另一种重要的技术创新模式是指引进国外先进技术的消化、吸收

和二次创新，形成自己的知识产权。

自主开发能力是技术创新能力的重要组成部分。根据技术创新过

程，创新能力包括：

•决策能力

•技术获取能力

■工程化能力

•生产能力

•平均开拓能力

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技术创新是企业的自主行为，是市场经济条件下的技

Y需,我舌国企业存在的一大差距是企业自主开发和消化吸收

能力薄弱，对近几年开发成功的92种典型产品技术的来源分

析，57%源于国外，自主开发的科技成果形成产业较少。现

有轿车品种全部来自国外，机械产品缺乏国际竞争力，工业

发达国家机电产品的名义竞争力（即出口额与进口额之比）一

般是1,例如，1991年日本为5.13,德国为1.45,而我国机械

行业还不到。5,产品竞争力不仅没有加强的态势，反而有

减弱的趋势，如1993年机械产品进口额高达388亿元，占全

国外贸进口总额的37%,进出口逆差达242亿元。

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要改变这种格局，很重要的手段就是大力采取先进制

造技术，提高企业自主开发和消化吸收创新能力，增强企业

竞争力。先进制造技术是提高企业自主开发能力的手段，同

时它又是在自主开发和引进技术中发展。我国“九五”期间

机械工业的主要任务为“集中力量打好产品质量翻身、组织

结构优化和开发能力提高"三大战役。可见自主开发能力是

多么重要。新技术、新工艺、新材料、新组织管理等的开发

是当前先进制造技术的主要开发内容。在强调自主开发的同

时，通过引进技术也是发展先进制造技术的一条捷径，并可

以使得高起点发展，同时以此入门加强引进技术的消化吸收

和创新工作，最终形成自己的技术特色。

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1.3产品开发是企业经营和生产首要任务

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第二章现代开发设计技术

2.1开发设计和现代开发设计

开发设计是把各种先进技术成果转化成为生产力的一种手段和方

法，是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动。现代开发设

计是指运用现代先进的科学技术原理和方法，对产品进行综合集成设

计计算，是传统设计的延伸和发展。目前，用于现代开发设计中的新

兴理论与方法有；计算机辅助设计、人-机工程、设计方法学。系统分

析法、并行工程、工业造型、技术预测法、反求工程设计、智能工程、

优化设计、信息分析法、工程遗传算法、可靠性设计、相似性设计、

创造性设计、模糊评价与决策、三次设计、有限元法、模块化设计、

人工神经元计算方法、价值工程、动态设计、摩擦学设计、防腐设计、

可维护性设计、稳健(Robust)设计等。

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2.2现代开发设计方法的特点

1）综合性

2）系统性

3）社会性

4）创造性

5）最优化

6）动态性

7）宜人化

8）智能化

___________9）J算机化

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2.3现代开发设计应遵循的原则

1）三面向原则：面向社会、面向市场、面向用户

2）全寿命周期开发设计

3）广泛性

2.4产品设计的步骤

1）产品规划

2）原理方案设计

3）技术术设计

4）施工设计

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第三章CAD/CAM的概述

3.1CAD/CAM的发展概况

十九世纪的产业革命，大大地增强了人们的体力。21

世纪，随着电子计算机的出现，人们的智力得到了增强，从

而产生了第二次产业革命。

在工程设计时，传统上习惯于用工程图纸传递信息。图象传递信息是工程

设计的一个主要组成部分。

•20世纪50年代计算机辅助设计与绘图诞生第一代平板式绘图机在美国由奥地利

人H.JosphGerber研制成功后，人工绘图开始了一个崭新的革命，然而由于当时的

软件都是静态的，绘图过程必须通过高级语言编程实现，绘图过程又不能人工干预,

因而发展缓慢。

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・60年代交互式计算机绘图系统美国麻省理工学院（MIT）展示了一种称之为

“SKETCHPAD”的系统。该系统由林肯（Lincoln）TX2型计算机绘制的阴极射线

示波器组成，它可将图形信息显示在荧光屏上，利用一种称为光笔的装置，在荧光

屏上绘图并修改。基于SKETCHPAD这种设计思想的一些系统所使用的方式，都称

之为交互式绘图（INTERACTIVEGRAPHICS）o由于这些系统很复杂，并且需要

依靠的计算机功能和资源价格昂贵，因此，只适合于像航空工业这样重要的工业部

门使用。在这样的部门用它进行设计，即使投资大，也是值得的。

•七十年代，CAD、CAM软件系统小型机的问世，大大地降低了计算费用。采用大

规模集成技术（LSI）制造的微型计算机的出现，使计算机世界发生了革命。美国

各大公司开始竞相研制交互式计算机辅助设计及绘图软件包，CAD开始真正进入实

用性阶段。随着数控机床的发展，CAM技术得到广泛应用，CAM用来代替手工编

程，实现从设计到加工的数据一体化，在航空、航天、汽车、船舶等领域，CAM技

术已经成为精密、大型零件加工中所不可缺少的了。从某种意义上看，CAM比CAD

更能直接地产生经济效益，因而倍受用户欢迎。在此期间，以CV、Intergraph>

Applicon>Calma等公司为代表形成了CAD/CAM产业。

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・80年代CAD/CAM集成系统32位工程工作站的兴起、高档微机的实用化及网络技

术的发展，形成了分布式CAD工作站系统，如Apollo、Sun、HP等。它打破恶劣过

去主机——终端式CAD系统的统治地位，从根本上改变了CAD市场的格局。随着

RISC、UNIX、ETHERNET为支柱的计算机工业的进一步发展，应用计算机先进最

多、最快、更新最频繁的CAD工作站，其性能越来越好，价格越来越低。它们强化

的图形功能及软件的进一步集成，使CAD/CAM的技术和应用都在向广度、深度和

综合化方面迅速推进，并取得了重大进展。

・90年代CIM/CIMS随着CAD/CAM技术的日新月异，必然会对产品设计、制造、

销售等全部信息的产生、传输和管理自动化提出更高的要求，从而不可避免地导致

计算机集成制造（CIM）的产生。CIM是一种新的制造思想和技术型态。它既是未

来工厂的模式，也是信息技术与制造过程高度结合的自动化技术和学科。在制造业

中，CAD日益与CAM密切结合，为生产带来显著的经济效益，成为CIMS（计算机

集成制造系统）的一个重要组成部分。可以毫不夸张地说，CAD/CAM技术已经在

工业生产和设计中引起了一场革命性的变革。

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・80年代CAD/CAM集成系统32位工程工作站的兴起、高档微机的实用化及网络技

术的发展，形成了分布式CAD工作站系统，如Apollo、Sun、HP等。它打破恶劣过

去主机——终端式CAD系统的统治地位，从根本上改变了CAD市场的格局。随着

RISC、UNIX、ETHERNET为支柱的计算机工业的进一步发展，应用计算机先进最

多、最快、更新最频繁的CAD工作站，其性能越来越好，价格越来越低。它们强化

的图形功能及软件的进一步集成，使CAD/CAM的技术和应用都在向广度、深度和

综合化方面迅速推进，并取得了重大进展。

・90年代CIM/CIMS随着CAD/CAM技术的日新月异，必然会对产品设计、制造、

销售等全部信息的产生、传输和管理自动化提出更高的要求，从而不可避免地导致

计算机集成制造（CIM）的产生。CIM是一种新的制造思想和技术型态。它既是未

来工厂的模式，也是信息技术与制造过程高度结合的自动化技术和学科。在制造业

中，CAD日益与CAM密切结合，为生产带来显著的经济效益，成为CIMS（计算机

集成制造系统）的一个重要组成部分。可以毫不夸张地说，CAD/CAM技术已经在

工业生产和设计中引起了一场革命性的变革。

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3.2CAD/CAM的定义

•CAD/CAM指的是计算机辅助设计与辅助制造。它是在设计和生产中用计算机完成

某些功能的一种技术，也就是从设计到制造的整个过程应用计算机进行有关信息处

理技术的总称。这种技术使生产厂在习惯上是各自独立的设计和制造部门的工作进

一步相结合，最终CAD/CAM又将为今后计算机集成化工厂提供技术基础。

•CAD可定义为用计算机系统来辅助一个设计工作的产生、修改、分析或优化，它是

一种人机机器合作，解决问题的技术。这一技术密切配合和充分发挥了人和机器各

自的长处，并且采用了多学科的方法，发挥了它们相互协作的优点。确切地讲，

CAD是计算机技术在工程设计方面的综合应用技术。它将产品工程设计所需要的基

础技术、设计理论、方法、数据，以及设计人员的经验与智慧同计算机强大的功能

有机地结合起来。设计者利用它，从人——机交互式高速度、高质量地完成产品的

最佳方案设计。

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•CAM可定义为通过对生产资源的直接或间接的计算机接口联系，来达到用计算机

系统对制造厂的作业进行设计、管理和控制。它是产品制造和管理方面的综合应用

技术，它将产品在制造过程中所需的各项技术、管理思想、管理方法，以及工程技

术人员、管理人员的经验与智慧同计算机的强大功能有机地结合起来。有了CAM技

术，管理人员和工程技术人员就可以借助计算机实现产品制造及最佳管理方案。按

定义CAM的用途可分成两大类：

1）计算机监视和控制

这是直接应用的一种类型，它是将计算机与制造过程直接连接，以便对过程进行监

视和控制。

计算机过程监视包括计算机和制造过程的直接连接，用来观察加工过程及其关联设

备和收集加工过程中的数据。计算机不是直接用于控制作业，加工过程仍然由操作

人员按计算机编译信息来手工控制。

计算机过程控制它不仅能观察过程，而且能在观察的基础上进行控制。监视和控制

之间的区别如图3.1所示。

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“依,口।加工过程数据百十一工口||4工士n科工过程数据1方TT工口I

计算机------------加工过程计算机_____________加工过程

控制信号

a）计算机监视b）计算机控制

图3.1计算机监视与控制

2.支持制造的应用

这是间接应用的一种类型，这是计算机用于支持工厂中的生产过程。但是计算机

与制造过程之间没有直接连接，而是以“脱机”（off-Line）方式来提供设计、计划

表、预测、指令和信息，使企业的生产资源的管理更为有效。计算机和加工过程之

间的联系形式如图3.2所示，虚线表示通讯和控制的连接是一种“脱机”的联系，这

种通讯和控制的接口连接作用常常由操作员来完成的。

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2.支持制造的应用

这是间接应用的一种类型，这是计算机用于支持工厂中的生产过程。但是计算机上

制造过程之间没有直接连接，而是以“脱机”（off-Line）方式来提供设计、计划表、

预测、指令和信息，使企业的生产资源的管理更为有效。计算机和加工过程之间的用

系形式如图3.2所示，虚线表示通讯和控制的连接是一种“脱机”的联系，这种通讯禾I

控制的接口连接作用常常由操作员来完成的。

加工过程数据

|计算机|’1加工作业

插而言号

b）计算机控制

图3.2用于支持制造的CAM

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用于支持制造的CAM的一些实例，它们是：

计算机数控零件编程为自动化机床配置控制程序。

计算机自动工艺过程设计计算机制定加工专用产品或零件的操作顺序表。

计算机制定工作规范计算机确定专用生产作业的时间定额。

生产进度表计算机确定符合生产需要的合理计划。

材料供应计划计算机用于确定何时订购原材料、购买零件和应订购多少才能达

到生产进度。

车间现场控制在CAM的这个用途中，是利用从工厂中收集的一些数据来确定各种

生产作业顺序的进度。

上述例子，在使用中要为计算机程序提供输入，或要解释计算机输出结果和执行所

要求的动作，这些工作均由人工方式进行。

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把CAD和CAM技术及其相辅相成的能力结合在一起，就是CAD/CAM系统。在一个集成

系统理想模式中(如图3.3),所有的CAD/CAM功能都跟一个公用的数据库连接。用

户利用图像终端与计算机对话，实用存储在公用数据库里的信息，实现从产品设计、

过程控制、直到获得产品的全过程自动化。如果集成系统中包括了企业管理信息系

统，就将形成自动化工厂系统。

几何造型工具设计

数控

自动绘图

数据库生产计划

设计分析

(DB)工厂管理

模拟仿真机器人

图3.3集成系统的理想模式

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3.3CAD/CAM的应用与效益

CAD和CAM是围绕着产品的设计和制造两大部分独立发展起来的。计算机技术的

飞速发展，迅速扩展着它们的应用领域。起初人们把CAD只看作是自动绘图，CAM

也只是准备数控纸带；到了今天，CAD/CAM已有了明确的功能范围。普遍认为，

CAD功能可归纳为四大类：建立几何模型、工程分析、动态模拟和自动绘图；CAM

技术的主要活动集中在数字化控制、过程计划、机器人和工厂管理四个领域。对于

机电类产品，它们的应用范围如图3.4所示。

图3.3集成系统的理想模式

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图3.4产品循环（设计和制造）

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图3.5CAD-CAM两者合并后的产品循环

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应用集成化的CAD/CAM系统与非集成化的系统相比，前者可大幅度

降低成本。初步估计，装配成本降低44%,维护成本降低30%,采购

成本降低35%,总产量提高70%。集成应用的效益如表3—1所示

项目增益

降低工程设计造价15〜30%

缩短生产周期30〜60%

提高劳动生产率40〜70%

减少工序中的工作量30〜60%

增加工程能力3〜3.5倍

增加主要设备的利用率2〜3倍

提高产品质量2〜5倍

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下面简要说明CAD/CAM技术在各工业部门中的应用情况

•在机械工业方面的应用

一当今CAD/CAM技术已成为现代机械工程技术、新一代生产技术发展的核心技术，也是实现更

深层的集成化制造技术的基础。

机械工业作为CAD/CAM的主要应用领域，其主要特点是设计和制造密切联系，生产出精密复杂

的产品，创造出比传统人工方式更为可观的综合效益，显著缩短周期，提高质量和灵活性，

降低生产成本。

机械制造业应用CAD/CAM系统的范围包括机电产品的设计和制造、工程设计、工厂施工设计等,

其中产品设计和制造领域应用CAD/CAM技术最为广泛。

美国、英国、日本等工业发达国家早在70年代起就在汽车行业使用CAD/CAM系统。如英国

AustinRover汽车公司的Longbridge工厂采用CADDS系统对汽车发动机和部件进行CAD、CAPP、

工程分析、CAM和计算机仿真等方面的研究和应用工作。

随着我国改革开放政策的实施和计算机的广泛使用，CAD/CAM技术在机床工具、汽车、造船、

航空、通用机械等制造领域的重点企业已经得到了初步应用，取得了明显的效益。

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•1.机床工具行业

不少企业都利用微机系统进行产品设计、强度和有限元计算等。有些企业在采用成组技术(GT)

的基础上，开发了计算机辅助工艺设计系统(CAPP)o如已开发出的TOJICAP系统，适用

于回转体零件的工艺规程编制。

•2.汽车行业

我国汽车工业从80年代初就开始应用有限元分析的方法进行汽车设计，应用SAP-5程序做发动

机曲轴静强度计算，机油滤清器壳应力计算，动力传动系统扭振系数和车轮应力计算。

研制出计算机辅助车身外表面交互设计系统(SUMS/SAM),提高工效20倍。该系统包括

数据处理、几何造型、人机造型、人机交互和绘制L1车身表面图形的全面功能，并可

为NC加工和有限元分析提供几何模型数据。

・3.航空、造船行业

造船工业中最先在舰艇、武器装备的研究计算、船体的设计与制造方面应用了CAD/CAM技术。

现在已成功的开发出计算机辅助船体制造系统、船舶管系CAD/CAM系统。

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在航空工业方面，工程技术人员在飞机的CAD/CAM方面作了大量工作，基本适应了飞机制

造零件部件种类繁多、加工精度高、改型快、投资大、可靠性要求高的特点。它们研制

了SKC数控语言，飞龙79绘图程序，计算机辅助几何设计与制造系统（CAGD/CAM系统）等,

开发出飞机CAD/CAM系统。该系统按照超音速军用飞机设计流程，开发出飞机总体设计、

几何外形设计、汽车分析、结构设计和分析、数控加工编程、生产作业计划等分系统。

与国外合作开发了交互式集成化系统（CLEM-CADEMAS系统），包括工程分析（CAE）、几

何设计（CAD）、辅助制造（CAM）、工程管理（CAPR）、后勤支持（CAPS）以及系统结

构等模块。

•4.通用机械行业

在通用机械行业中，研制出了计算机绘制工程图软件包；开发了数百种零件的数控加工与后

处理程序；自行开发了“三元叶轮CAD/CAM一体化”应用软件，成功的解决了三维空间扭

曲叶片展开和胎具制造的难题。可以根据输入的设计参数，进行设计选型、气动分析、

强度分析、有限元网络自动划分、自动生成性能曲线和图表文件、自动生成源扭曲叶片

压型胎具的NC纸带，以及刀具轨迹仿真验证程序。利用NC纸带加工叶片压型胎具，可提

高工效15倍。

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模具CAD/CAM

模具的设计和加工水平直接关系到产品的质量与更新换代。随着工业的发展，人们越来越关

注如何能缩短模具设计与加工的生产周期及提高模具加工精度。一些先进工业国家首先

应用计算机来进行成行工艺与模具的设计计算、绘制模具图纸并由用计算机控制的加工

设备来加工模具，从而出现了模具CAD/CAM系统，达到了提高模具设计效率与加工质量、

缩短了模具生产周期的目的。

国外模具CAD/CAM技术的研究从60年代中开始，70年代投入使用，80年代应用较为普遍并有商

品软件出售。据有关方面统计，美国、日本、德国、瑞士等国已有10%左右的模具厂使

用CAD/CAM系统。

•1.冷冲模CAD/CAM

美国Diecomp公司开发出了计算机辅助设计级进模的PDDC系统。该系统包括产品图及技术要求

输入一一设计最佳样图一一确定操作顺序、步距、空位、总工位数、绘制带料排样图

——输出模具装配图、零件图以及压床吨位、材料清单、数控线切割纸带等。该系统的

投入使用，使连续设计由手工设计的8周时间缩短为1周。

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•2.注塑模CAD/CAM

随着计算机技术的迅速发展，注塑模CAD/CAM的研究逐渐成为热门课题。加拿大Mcgill大学化

学工程系从1972年开始对注塑成形工艺的计算机模拟、工程控制和塑料性能试验等方面

开始了系统的研究。他们系统的研究了塑料在型腔内流动、保压、冷却的行为和特征。

建立了各个阶段的数学模型，在此基础上，建立注塑工艺过程计算机模拟的集成化系统

MCKAMo美国Cornell大学对注塑模CAE/CAD/CAM进行了深入的研究，先后建立了注塑过程

的流动、保压冷却的一维、二维、三维数学模型，开发了塑料熔体流变形能和热性能的

试验研究，创立了流到平衡计算的数学模型，完善了三维造型TIPS,成功的实现了注塑

模型腔的三轴、五轴NC加工的计算机仿真，其目标是全系统最优控制，从模具结构、工

艺模拟到注塑机生产过程控制实现一体化与智能化。

•3.锻模CAD/CAM

美国贝特尔、哥伦布实验室已研制成功铝制件锻模CAD/CAM系统，精锻模CAD系统，成形模和

模拟成形工序的CAE系统。日本大坂钢铁厂于1980年开发了热锻模CAD/CAM系统，它可以

用于顶锁和压力机模锻等，可以进行模锻件制坯、预成形和终端模膛的设计、切边模和

精整模设计等；具有三维数控加工软件，可以加工复杂形状的模膛。

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•英国牛津大学和伯明汉大学先后开发了冷锻模CAD/CAM系统和轴对称锻模CAD系统。冷锻

模CAD/CAM系统采用FORTRANVI语言编写，在VAX11-780机上开发，采用体素构形来描述

冷锻件的几何形状，同时列出锻压机器的详细参数后便能自动决定冷锻工步和每一工步

工件的形状尺寸。

国内模具CAD/CAM应用技术的研究始于80年代。由华中理工大学与国营733厂共同开发的我国

第一模具CAD/CAM系统于1984年通过技术鉴定。此后又相继开发成功冲裁模CAD/CAM系统,

弯曲成行级进模CAD/CAM系统，注塑模CAD/CAM系统。华中理工大学开发的彩电外壳注塑

模CAD/CAM系统包括图形输入、冷却分析、流动模拟、模具结构设计、绘图、数控编程等

模块。

天津712厂的注塑模CAD/CAM工作是在Apollo工作站上进行研制的，系统主要功能有：塑料流

体分析、冷却系统分析、模具结构设计、数控加工编程、注塑模具加工制造等，尽管CAD

和CAM是分段进行工作的，但该工厂已将该系统成功的用于彩电外壳的设计和制造。

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•在电子工业中的应用

印1.制电路板设计

在电子工业中，CAD技术首先用于印制电路板设计，包括：

•原理图获取及分析；

•门阵列电路设计；

・双面、多层印制电路板设计；

・故障模拟器、电路模拟器。

CAD系统中的中央数据库向设计者提供可支持全部设计活动的应用程序，同时还提供诸多省时

又不易出错的有效功能。

2.集成电路设计

由于IC技术的迅速发展，LSI、VLSI以及各类复杂的专用集成电路(ASIC)等器件的研制水平

早已超出了完全由人工方式设计的极限。预计，当单一芯片的功能更加完善、芯片集成

____度达到10个元件时，手T设计一个芯片将耗时数万个人年，有些甚至不能实现。______

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为了适应集成电路设计和制造的要求，CAD/CAM技术很早就应用于其中。

用CAD技术进行集成电路设计的主要环节有：逻辑设计、输入、逻辑验证、时间检查、可测性

分析、逻辑模拟、工艺模拟、布局分析、自动布线、测试码生成和掩模板几何数据得出

等几百个。

在建筑工程方面的应用

CAD技术在建筑行业中已用来进行房屋设计和建造分析、技术条件论证、材料清单编造、门窗

镶嵌进度于材料控制、建筑面积计算、室内设计与装饰、用电与照明布置、设计与分析

供暖和通风设施、气流与热交换以及所需要能源的确定和分析等工作.在土木工程方面，

可处理关于土地开发利用的勘测、绘图与地层模型及断面的分析、道路街道的设计、场

地的规划等。

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在服装行业中的应用

CAD技术在服装行业中用于提高衣料利用率和生产率以及改善质量管理。主要应用有三个方面:

服装款式设计、排料和放样、衣料切割。

服装款式设计、配色软件系统可以灵活、迅速地帮助设计师进行服装设计，使用户在内容极

其丰富的颜色板上选择颜色，能快速绘制、修改设计图。还可以配以电视摄像系统，使

用户能拍摄特殊的织物图案、、选配颜色，并将其直接用于显示在屏幕上的设计草图。

排料和放样软件系统可通过数字化仪，将精确的纸样输入CAD/CAM系统，然后显示出紧凑的排

料图，绘图仪可画出一定比例的生产排料图供校对、生产和存档。计算机辅助排料和放

样系统能使排料人员尝试更多的排料方案，从中选出效率最高的排料图，以便更好的利

用布料。新款式的纸样在这一系统的帮助下还能节省工作时间。这种系统能确保放样的

一致性，以保证适当的服样。放样规则库存存储着各种放样规则，以便用到纸样上，因

此可减少人为的错误，从而可减少漏排或错误旋转纸样。

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第四章CAD/CAM硬件

一个完整的CAD/CAM系统应由计算机系统、工作站、绘图机等计算机硬件，

数控机床、数控测量机等制造和检测设备，各种CAD/CAM软件系统组成。典型的

CAD/CAM系统的工作流程如图4.1所示。

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4.1计算机的基本系统配置

(1)中心主机系统通常由大型或中型计算机连接多个图形显示终端构

成。见图2.2。

(2)多主机系统它由几个小型机组成，每个小型机上带有几台图形终

端，小型机间用局部网络系统相连。见图2.3。

(3)分布式系统它由很多工作站组成。每个工作站都有配套的计算机

和图形显示终端。工作站间通过局部区域网连成一集成系统。其计算

机可为小型机，如Prime2250,也可为32位微型机，如APOLLO,SUN。

见图2.4。

(4)单机系统它由一台计算机带一台图形显示终端构成。其计算机既可

为小型机，也可为微型机。

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以上各种计算机系统配置各有优缺点，具体分析如下：

(1)中心机系统的优缺点

中心机系统的主要优点是：

①适合于处理3D模型或有限元分析；

②在初始投资后，增加另外的工作站其费用较少；

③环境要求容易满足，只有主机和外设需空调。

其主要缺点是：

①CAD/CAM用户的处理任务比较繁重，例如一个双位的小型机可支持30〜40个事物

处理终端，而相同的计算机在可接受的响应时间内只能支持6个CAD/CAM工作站。

因此，对于中心机系统来说，在可接受的响应时间内平衡各工作站的处理时间是非

常困难的；

②一旦计算机出现故障或进行软件维护，只能停止全部工作；

③初始投资大。

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(2)多主机系统的优缺点

多主机系统的主要优点是：

①每一主机一般支持四个工作站，所以它是具有中心机系统的大部分优点。所不同

的是所有主机可通过局部网相连，可建立更大的系统；

②当某一主机进行程序维护或出现故障时，不会停止整个系统的工作，只有这一台

主机受影响；

③具有繁重任务的用户可从限制在某一特定主机上。这样，系统中其它用户的响应

时间不受限制；

④初始投资比中心机系统小。

其主要缺点是：

①价格比较高；

②运行环境要求比较高。

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(3)分布式系统

分布式系统的主要优点是：

①由于每台计算机只有一个用户，这种类型的工作站对于CAD/CAM有关的任务豆油足够的处理能力，包括3D模型及有

限元分析；

②多台工作站可以连成局部区域网LAN,而LAN又可彼此相连构成更大的网。网络上的用户可以共享公共图纸工程数据

文件、外部设备。另外，如果网络使用标准通信协议，还可以与超级小型机或大型机相连，构成功能更强的CAD/CAM

系统；

③各工作站的响应时间互相不受影响；

④操作简单；

⑤如果一个工作站出故障，只有一个工程师(操作员)受影响。这是任何其它配置系统不可比拟的。即使是在用网络连

到大计算机的情况下，当大计算机出现故障时，在故障排除前，每个用户的工作仍可在自己的工作站上继续进行，并可

将其结果保存在工作站计算机的局部存储器中。

⑥容易增加新型的比较先进的工作站，只要新工作站与使用的网络兼容即可\这样可以使系统随着计算机技术的发展而

功能日益完善和增强；

⑦由于有专用微型机处理所有图形显示功能，与其它配置相比，图形显示速度是比较快的；

⑧这写工作站允许在图显示屏幕上运行多任务，即一个用户可以定义一系列独立窗口，而且可以在每一窗口运行不同的

程序或任务。例如，在图纸设计阶段，工程师可以在屏幕上定义一个窗口并用它去运行某一专门的设计程序；在编程期

间，可以定义一个窗口去运行一切削速度计算程序。

分布式系统的缺点很少，特别是随着计算机技术的发展大部分缺点将被消除。由此可见，分布式系统是未来CAD/CAM

系统的一■个重要发展方向。

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(4)单机系统一般由微机所组成，它分为由超级微机和一般微机系统，从超级微机组

成的工作站系统一般具有与超级小型机相匹配的处理速度。这样的工作站系统，初

期投资少，并具有良好的可扩充性，因此，见效快。经济效益高，深得中小企业重

视。不久将成为中小企业发展CAD的主流。

PC/CAD系统由于价格低廉，配置简便，功率显著，对中小企业应用CAD/CAM技术非常

适宜，于是迅速普及，为微机PC/CAD系统提供了一个庞大的市场。

PC/CAD系统通常是一类单用户的微机基本系统(如IBMPC/AT.国产长城系列机等)，

带有高分辨率的彩色显示器和40〜80MB的硬盘，并配有数字化仪和绘图机等，一般

有2D图形软件支持，能使用高级语言，并具备某些应用软件和一些商品化软件。

系统的主要特点是响应快、价格低、配置方便、性能不断提高，对于小型产品的设

计、分析具有一定的通用性。

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4.2CAD/CAM的外围设备

中央处理单元(CPU)和主存储器(MM)构成计算机的主体，称为主机。主机以外的

大部分硬件都称为外围设备，简称外设。它包括常用的输入输出设备、外存储器等。

图4.5是各种CAD/CAM系统的I/O设备示意图。

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输入

COM

功修细立（计不况缩放品出胶片）

用心输入板图形打印机

他宇化仪

版标器

图4.5CAD/CAM系统的I/O设备示意图。

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第五章CAD/CAM软件

5.1概述

任何计算机硬件若离开了软件的支持，单靠硬件本身是无法工作的。一般用“软件

”(Software)这个术语来概括所有的计算机上运行以完成各种作业的程序。它是

使计算机进行工作的信息的逻辑组织。软件常采用指令形式和数据形式。指令(

Instruction)是用来指示计算机进行某种算术运算或逻辑运算等。数据是计算机所

要处理的对象，由数字、字符及符号等所构成。

CAD/CAM系统的开发于应用有赖于各种软件的支持，这些软件包括操作系统、图形

系统、应用软件、数据库管理系统、网络软件及各种高级语言编译程序等。从应用

角度出发，CAD/CAM软件由以下四个部分组成：

1)操作系统；

2)交互式图形显示软件，简称图形系统；

3)应用软件；

4)数据库管理软件；

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图4-6人机交互式CAD-CAM系统

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操作系统CAD/CAM系统的最低层，它为用户提供

使用图形系统、应用系统和数据库管理系统（DBMS）

的软件环境。图形系统提供一些基本的图形功能，

用户可以在其基础上建立应用系统。为了组织与管

理CAD/CAM系统中的数据，采用数据库DB,实现数据

共享、最小冗余、对应用的独立性以及集中统一的

处理方式，特别是DBMS为设计对象的分析和构形提

供必要的自动化数据管理工具，减轻应用程序的负

担。

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5.2操作系统

操作上统可以定义成一个程序，它把计算机的硬

件组织成一个协调一致的实体，以便尽可能容易地

发挥计算机的卓越功能和最大限度地利用计算机的

各种资源。实际上，操作系统作为用户和计算机之

间的一个接口。因而操作系统也称为系统程序。

从功能方面来看，操作系统可分为控制程序、语

言处理程序和支持程序三个部分。如图6-2所示。

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图6-2操作系统的构成

1-编译程序2-汇编程序

3-存储管理4-时间管理

5-装入程序6-编辑程序

7-实用程序8-调试工具

9-应用程序

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5.3图形系统

产品设计通常要解决两个问题，一是建立产品的几何模型，确立

产品的形状、大小，并产生制造用的工程图；二是要在几何模型基础

上进行分析、计算。采用评价一一设计的方法将形状、尺寸确定下来

o可见，计算机图形系统是CAD/CAM技术的核心，也是CAD/CAM系

统的支撑软件。

图形软件的功能主要是提供绘图功能。因而各种不同的应用领域

都可以利用图形软件来辅助解决其设计和研究任务。用计算机实现产

品几何造型技术，随着计算机技术的发展，处理方式从批处理进入了

高互处理方式，其功能从二维造型发展到了三维实体造型。

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二维图形软件的主要目标是要绘制传统的工程图(例如零件图)，

它是实现产品CAD的最重要的基础。目前二维图形系统从交互式为主

,其功能大致相似，都具有绘制各种图形实体，进行图形变换，赋予

图形以特定属性，编辑已有图形，提供字符及尺寸标注等功能。

三维图形软件可分为线架(wireframe),表面(surface)及实体(

solid)模型造型三大类，在计算机内存储空间的比例依次为1：10：

100,它们当前市场上占的比例依次为5：3：2o实体模型是一种高级

造型技术，70年代后期已从实验室走向实用，出现了各种商品化的软

件系统。它特别适合研究复杂机构的干涉和碰撞的检查、物体质量特

性的计算，以及要求物体非常逼真的显示等情况。因此它将逐渐成为

CAD/CAM系统中主要的几何造型手段。

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80年代，特别是80年代后期，动态三维显示技术开始从实验室走向

工厂，变为产品。在模拟物体运动时，动态三维显示不仅能模拟刚体

的运动，还可以模拟物体的弹性、塑性变形、阻尼的影响和爆炸过程

等。实用动态或静态的三维显示功能，设计者在设计阶段就能看到设

计对象的真实外形，从而节约了费时费工的模型和样机制作。

近年来，国内外正在对产品模型或特征模型(product/feature

modeling)进行深入研究。它是一种基于零件特征的数据结构，是一

种基于零件机械特征的新型造型技术，又称形素造型。用它进行产品

造型设计时，在构形设计时就能考虑后继加工制造的要求，从而实现

CAD/CAM的一体化，并为实现CIMS创造更好的基础。

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标准图形系统

随着硬件的飞速发展，向交互式图形系统的设计提出了严峻的挑

战；也增加了用户选择硬件的忧虑，从而促进了图形软件标准的发展

O所谓图形标准，是一组由基本图素（点、线、面）和属性（线型、

颜色等）构成的标准通用图形系统。它们从子程序的形式支持图形应

用系统，调用这些标准子程序，即可生成图形或图像，通过交互显示

设备实现图形的输入、输出。

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图形标准应具有如下特点：

①应用软件与设备无关。即在图形标准支持下的应用软件可在不同

的硬件设备、汇编程序和外部设备之间交叉移植，避免因硬件变更而

过早淘汰。

②可以高效地开发应用软件，也就是在应用软件开发过程中，开发

者不必为每个图形操作编写新代码，具有使用标准图形软件经验的编

程员就能更快地进行开发。

③图形标准规定了各图形系统之间接口的设计原则和兼容标准，可

以保证按图形标准开发的系统与设备无关，便于移植。

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根据它们的功能，现有的图形标准大致可以分为三类：一是与应

用程序接口有关的，如由美国计算机学会图形专业委员会提出的

CORE,联邦德国标准化组织提出的图形核心系统GKS,这两种标准

已为国际标准化组织和美国国家标准协会采纳作为国际标准和美国标

准。属于这一类的还有美国国家标准协会提出的程序元分层交互式图

形标准PHIGS。二是与图形数据存储和传输有关的标准，其中有美国

国家标准局提出的初始图形信息交换规范IGES,美国国家标准协会提

出的计算机图形元文件CGM和产品数据交换规范PDES。三是与虚拟

设备有关的图形标准，有美国国家标准协会提出的虚拟设备接口标准

VDI和北美描述级语法标准NAPLPS。各种标准的简单说明如表5.1所

列。

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表5.1各类图形标准简况

*

坐标系’

—,功能标准维数'JH性

与应用理‘CORE2,3世界、设备静蠡基本图素，冷、动态段.色彩表、图亲矩阵

—由接口有美

GKS2维扩充世界、设备、投