CAD/CAM技术的发展及其在企业中的应用
叶飞 0945524235
摘要：在汽车工业中应用CAD/CAM技术，是实现多品种，高质量，短周期，低成本的有力保证。本文叙述了CAD/CAM技术的现状、关键技术，及其在汽车工业中的具体应用。最后，对其在我国汽车工业中的深入发展做出进一步探讨。
Abstract：The application of CAD/CAM technology in the car industry is a powerful guarantee to achieve many varieties, high quality, and short cycle, low cost. In this paper, I briefly introduce the present situation and the key technology of CAD/CAM, as well as the specific application in the automotive industry. At last, the deep discussion to the further development of it in the automotive industry in China is made.
关键词：CAD/CAM/CAPP PDM技术 数字样机 发展 应用
引言
计算机辅助设计和制造简称为CAD/CAM，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员或产品的设计制造，达到预期的目的，并取得创新成果的一种技术。目前已在机械、电子、建筑以及能源交通等领域广泛应用。
20世纪60年代初，CAD技术首先被应用在机器制造行业，如飞机制造、汽车制造、船舶制造等。到20世纪70年代后期，微型计算机、大容量存储技术和计算机图形学的飞速发展，使CAD技术在工程上的应用从单独的分析计算变成大量信息存储、制造、管理的全过程中。近年来，数据库技术的飞速发展，使设计从工艺流程计划、加工数据及数控程序，再到控制机器人的活动路径，实现设计、制造、生产的自动化管理已经开始进入实用阶段。目前，世界上工业发达国家的制造业，其CAD/CAM技术应用的比重越来越大，如美国的汽车行业达100%，电子行业60%。我国CAD/CAM技术的运用也在逐步发展中，已广泛应用于分析计算、数据编程、计算机辅助工艺编程和管理等方面。 正文
经过四十多年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步。现在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，但价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。随着Pentium芯片和Windows NT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。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windows NT操作系统的安全性与DOS、Windows3.x、Windows95/98等操作系统相比有了很大提高。所以，微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。在此基础上，CAD/CAM软件厂商展开了新一轮的竞争。一方面工作站上著名的CAD/CAM的软件（如UG、CATIA）全功能地移植到微机平台，使微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力；另一方面CAD/CAM软件打破了原有Unix环境的桎梏，在Windows平台上全面拓展。Pentium以上处理器和NT
环境已经或者正在成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台。 一、PDM技术的实施
随着CAD技术的推广，原有的技术管理系统面临着巨大的挑战。在采用计算机辅助设计以前，产品的设计、工艺和经营管理过程中涉及到的各类图纸、技术文档、工艺卡片、生产单、更改单、采购单、成本核算单和材料清单等均由人工编写、审批、归类、分发和存档，所有的资料均通过技术资料室进行统一管理。自从采用计算机技术之后，上述与产品有关的信息都变成了电子信息。简单地采用计算机技术模拟原来人工管理资料的方法往往不能从根本上解决先进的设计制造手段与落后的资料管理之间的矛盾。要解决这个矛盾，必须采用PDM技术。 PDM（产品数据管理）是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。PDM系统除了要管理上述数据外，还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。由此可见，PDM系统管理的产品信息将涉及到企业的产品设计、工艺、制造、经营和服务等部门。因此，PDM系统的实施具有涉及面广、信息工作量大等特点。 实施PDM技术可以实现并行工程，提高产品设计效率，支持全面质量管理，实现人、过程、技术三者的平衡。因此它可以为企业带来巨大收益。PDM技术实施与CAD/CAM技术的实施不一样，前者调整的是企业的管理模式。将原来的人工管理方式转变为PDM的计算机管理模式，既要兼顾原有的管理习惯，又要考虑信息集成的要求。由于企业技术环境、管理水平、企业文化等方面的差异，每个企业的PDM实施过程都不会相同。只有对企业的计算机环境、企业过程以及PDM的总体目标有了充分的理解后，全面地分析企业对PDM产品的详细需求，才能选出最适合本企业发展的PDM产品和解决方案。 二、数字样机技术
数字样机技术是以CAX/DFX技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实、仿真技术、三维计算机图形技术，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供全新的数字化设计方法。 狭义的数字样机认识从计算就图形学角度出发，认为数字样机是利用虚拟现实技术对产品模型的设计、制造、装配、使用、维护与回收利用等各种属性进行分析与和设计，在虚拟环境中逼真的分析与显示产品的全部特征，以替代或精简物理样机。 广义的数字样机从制造的角度出发，认为数字样机是一种基于计算机的产品描述，从产品设计、制造、服务、维护直至产品回收整个过程中全部所需功能的实时计算机仿真，通过计算机技术对产品的各种属性进行设计、分析与仿真，以取代或精简物理样机。
无论是狭义的还是广义的数字样机，都具有以下三个技术特点： （1）真实性。数字样机的根本存在目的是为了取代或精简物理样机，所以数字样机必须在仿真的重要方面具有同物理样机相当或者一致的功能、性能或者内在特性，即能够在几何外观、物理特性以及行为特性上与物理样机保持一致。 （2）面向产品全生命周期。数字样机是对物理产品全方位的一种计算机仿真，而传统的工程仿真是对产品某个方面进行测试，以获得产品该方面的性能。数字样机是由分布的、不同工具开发的甚至是异构子模型的联合体，主要包括CAD
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模型、外观模型、功能和性能仿真模型、各种分析模型、使用维护模型以及环境模型。
（3）多学科交叉性。复杂产品设计通常设计机械、控制、电子、流体动力等多个不同领域。要想对这些产品进行能够完整而准确的仿真分析，必须将多个不同学科领域的子系统作为一个整体进行仿真分析，使得数字样机能够满足设计者进行功能验证与性能分析的要求。 有了相关先进技术的支持，CAD/CAM技术在汽车工业中已经被广泛应用，成了汽车产业中一项不可或缺的关键技术。 三：汽车覆盖件模具CAD/CAM/CAPP按术现状
汽车工业是国家的支柱产业，汽车覆盖件模具是制造汽车车身的重要工艺装备，汽车更新换代速度的大大加快，对车身质量的要求越来越高，对覆盖件模具的质量、制造水平以及制造周期提出了更高的要求。
一般情况下，一个基本车型全套模具的设计制造周期长达4年之久，因此汽车覆盖件模具的开发生产是汽车新产品开发的决定性环节。但由于模具生产对象的多样性和模具结构变化的复杂性，现有的通用型CAD/CAM软件不能针对模具设计、生产的特点，集合大量的设计、生产、工艺经验，无法快速准确地组织生产和管理并降低成本。现有的CAPP软件多为企业自行编写，与CAM/CAD的集成度较低，有些工艺规程完全靠手工完成，速度慢、劳动强度大、工时及成本计算不准确，因此，急需建立适应各企业自身特点的CAD/CAM/CAPP集成软件系统。另外，模具生产多为单件生产，但各类型模具具有相似性，利用成组技术(GT)，将其集成起来，采用柔性加工（FMS），可以提高模具的生产效率。 现有的设计、生产、工艺为顺序方式。周期长，更改麻烦，成本较高，信息不能共享，交互性反馈较差。通过CAD/CAM/CAPP及GT集成技术可变为并行方式，充分发挥其功效（如图所示）。
顺序方法与并行方法
毋庸置疑，应用CAD/CAM/CAPP集成技术是保证模具设计、加工质量和提高生产效率最有效的途径。为适应汽车工业的发展，国外模具厂已普遍采用CAD/CAPP/CAM集成技术进行模具设计制造，大大缩短了模具设计制造周期，降低了成本。
据有关资料介绍，国外的一些企业从20世纪60年代初期便致力于覆盖件模具的CAD/CAM研究，到80年代初期，世界上较著名的汽车制造公司都有自己的模具CAD/CAM/CAPP系统。如美国AUTODIE公司采用了CAD/CAM/CAPP系统后，一种车型覆盖件的模具设计与制造只需要8个月左右；日本三菱汽车公司从80年
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代初期开始应用模具CAD/CAM技术，并且实现了CAD/CAM/CAPP的集成，其功能包括冲压方向的选择、模具型面设计、模具结构设计和模具图的绘制等；日本丰田汽车公司采用模具CAD/CAM/CAPP系统后，将原来设计加工一套模具的时间减少了50%，缩短了模具的生产周期，提高了模具和制作质量，进而也提高了公司的竞争力。
经过几十年的努力，我国一些大型汽车模具制造厂家已经广泛采用DNC、CAD/CAM等先进制造技术，取得了长足的发展，但与国外相比存在很大的差距。各项技术的相互独立，造成生产力低下，一些关键的汽车覆盖件模具仍然依靠国外来设计制造。因此，汽车覆盖件模具CAD/CAPP/CAM集成技术的应用已成为国内工业界和学术界研究的重点。
实现CAD/CAM/CAPP集成化需要多项技术支持、人员配合及设备不断改进、更新。
1.数据通信的网络化
为了实现CAD/CAM/CAPP集成化，必须实现数据共享及数据实时传输，其中既要与其它用户进行数据交换，如利用互联网实现远程的数据交换、产品模型的电子数据交换等，又要能满足企业内部数据共享、数据传输，实现CAD、CAM、CAPP之间的共享，实现技术部门与生产现场之间的数据传输。在现代数控机床上，为了适应自动化技术的需要，都装有可供直接通信用的数据串行接口，配上光缆通信网线，可以实现网上边读边加工。生产现场也可直接调用设计3D图形、CAM加工程序及CAPP工艺流程。管理部门可及时获取技术数据、生产成本、工时计划等信息，便于调整生产计划和控制成本。 2.软件的互容性，集成化
CAD/CAM/CAPP集成化技术，既要有CAD/CAM/CAPP专用软件内部的兼容性要求，又要有网络技术、数控机床内部软件、数据管理软件、数据传输等各类软件的互容要求。
3.设计与加工方法的相互支持
CAD/CAM/CAPP集成技术不仅是各软件的集成与各设备的合理配置，其技术方法也需要相互支持。CAD三维实体设计能直接用于CAM数控加工及零部件装配干涉性检查。CAM模拟加工可用于加工干涉检验，用于计算加下成本、加工工时，从而得到最佳的设计方案。CAPP根据三维实体设计和CAM模拟加工计算各工序成本和工时，便于设计方案更改、计划制定及生产管理。 4.技术人员的知识结构一体化
CAD/CAM/CAPP集成技术要求技术人员知识结构的一体化，技术人员要掌握相关方面的知识，用集成的观念将CAD/CAM/CAPP作为一个整体，而不是独立地进行每一部分工作。
总结
通过对本课程的学习，自己CAD/CAM技术有了更深一步的了解，对我们今后所需的一些专业软件有了进一步的认识，如CAD，Pro/e，UG等。同时通过老师的讲解和课后自己的拓宽了解，认识到CAD/CAM技术的重要性及其一些应用知识。比如在汽车工业中，它是是实现多品种，高质量，短周期，低成本的有力保证，是一项不可或缺方法的重要技术支持。所以，在今后的学习和实践
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中，我们要逐步加深、积累对CAM/CAM技术的认知和掌握，为自己以后的工作打下坚实基础！
参考文献：
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