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CAD/CAM在机械设计及加工中的应用
摘要：针对现阶段国内外机械制造业现状,系统地分析了我国机械制造业发展趋势及CAD/CAM技术的要求,对国内外各种CAD/CAM软件的特点及其应用环境进行了分析，指出了CAD/CAM系统中的关键技术,然后以CAXA为例，介绍了这款软件在实体建模和数控加工方面一个实际应用。最后综合目前形势给出了CAD/CAM在机械制造领域的发展方向。
关键词：CAD/CAM;机械制造；CAXA
Application of CAD/CAM in mechanical design and manufacture

Abstract: At present, the domestic and foreign machinery manufacturing industry present situation, systematically analyzed the development trend of China's machinery manufacturing industry and the requirements of CAD/CAM, characteristics and its application to the domestic and foreign environment of CAD/CAM software are analyzed, and points out the key technology of CAD/CAM system, and then taking CAXA as an example, introduces the software of a practical in the application of solid modeling and CNC machining. Finally, integrated the current situation are given in the field of machinery manufacturing development direction of CAD/CAM.
Key words: CAD/CAM;Machinery manufacturing;CAXA
1 引言
随着计算机技术的迅速发展,CAD/CAM 技术在机械制造业中得到广泛的应用,特别是在航空、造船、汽车、模具等行业应用得更为深入。但是目前机械行业除了部分知名企业和合资企业采用了现代设计方法和先进制造技术手段外,大部分中小企业并未对此给予足够的重视。CAD/CAM 技术的应用程度远远低于前述行业,机械产品设计仍以传统设计方法为主,CAD 软件的应用仅停留在绘制工程图方面。零件加工仍是采用传统的工艺手段和制造方法,与当代先进的加工技术相比很落后。这种缺乏足够的与现代科学技术结合的情况已经严重制约了机械加工技术的快速发展。
CAD/CAM 技术是以相应的计算机软件和硬件为基础,目前我们国家经常应用的CAD/CAM 软件种类很多,比较典型的软件有PRO/E、Mastercam、UG、CAXA 等一系列软件。
2 CAD/CAM技术在国内外的应用现状
2.1 CAD/CAM技术在国外的应用现状
CAD/CAM技术20世纪50年代起源于美国,经过近50年的发展,其技术和水平已经到达了相当成熟的阶段。日本、法国、德国也相继在机械制造、航空航天、汽车工业、建筑化工等行业中广泛使用CAD/CAM技术。CAD/CAM技术在发达国家已经成为国民经济的重要支柱。
2.2 CAD/CAM技术在国内的应用现状
我国CAD/CAM技术的应用起步于20世纪60年代末,经过40多年的研究、开发与推广应用,CAD/CAM技术已经广泛应用于国内各行各业。综合来看,CAD/CAM技术的在国内的应用主要有以下几个特点:  
(1) 起步晚、市场份额小  
我国CAD/CAM技术应用从20世纪80年代开始,“七五”期间国家支持对24个重点机械产品进行了 CAD/CAM的开发研制工作,为我国CAD/CAM技术的发展奠定了一定的基础。国家科委颁布实施的863计划也大大促进了CAD/CAM技术的研究和发展。“九五”期间国家科委又颁发了《1995～2000年我国CAD/CAM应用工程发展纲要》,将推广和应用CAD/CAM技术作为改造传统企业的重要战略措施。有些小企业由于经济实力不足、技术人才缺乏,CAD/CAM技术还不能够完全应用到生产实践中。国内研发的CAD/CAM软件在包装和功能上与发达国家还存在差距,市场份额小。  
(2) 应用范围窄、层次浅  
CAD/CAM技术在企业中的应用在CAD方面主要包括二维绘图、三维造型、装配造型、有限元分析和优化设计等。其中CAD二维绘图技术在企业应用情况较好,这一方面得益于国家大力推进“甩图板”工程,另一方面是由于二维绘图技术解决的是所有企业的共性问题。三维造型软件由于早期没有推出微机版本,需要在工作站环境中工作,投资较大,所以只有部分大企业有所应用。在CAM方面,目前企业普遍应用的只是数控程序编制,国内企业已经开始广泛使用华中数控系统、南京SKY系统、日本FUNUC系统、德国SIEMENS系统。而广义的CAM只有少数大型企业采用,中小企业极少应用。  
(3) 功能单一、经济效益不突出 
CAD/CAM技术在企业中的应用只是单元的智能技术应用,是从企业生产的几个侧面来提高效率。功能分散的CAD/CAM技术其效果是有限的,只有将 CAD、CAPP、CAM、PDM等技术集成在一起,综合应用在设计与制造生产的过程中 ,才能产生显著的经济效益。
2.3 国内外 CAD/CAM 软件的特点
随着 CAD/CAM 技术的发展,使制造业发生了质的变革,与传统的制造相比,在产品的开发设计、加工制造、产品上市、产品质量、环保、节约资源方面都发生了质的突变,因此 CAD/CAM 软件应用日益广泛。每个企业在选取在 CAD/CAM 软件时,要明确自己的要求和目标,选择符合自己需要的软件。下面简单介绍一下企业中常用的几款 CAD/CAM 软件的功能特点。
(1) AutoCAD
AutoCAD 软件是目前企业中最常用的软件,它是二维平面绘图软件,具有强大的绘图、编辑、尺寸标注等多种绘图功能,但是三维造型功能较差,在绘制三维模型时与其它具有三维造型功能的软件相比,操作复杂、费时费力且生成三维的效果图差。
(2) Pro/Engineer
Pro/Engineer(简称 Pro/E)是美国参数技术公司(PTC)推出的基于参数化特征造型技术的大型 CAD/CAM/CAE 集成化的软件。该软件具有造型设计、零件设计、装配设计、结构分析、运动分析、模具设计、板金设计、NC 加工等功能。该软件用户界面简洁,符合设计人员的设计思想和习惯,但精确的曲面构造能力相对于 UG、CATIA 软件较弱。
(3) SolidWorks
SolidWorks 是美国 SolidWorks 公司开发的集 CAD/CAM/CAE/PDM 于一体的设计软件,具有实体建模、曲面建模、虚拟装配、工程制图、产品数据管理等功能。系统界面简单、易学易用,但是曲面建模功能和数控加工功能相对较弱。
(4) CATIA
CATIA 是法国（Dassault）系统公司推出的一套高端 CAD/CAM/CAE 一体化应用软件,具有“基础结构”模组、“机械设计”模组、“形状”模组、“分析与模拟”模组、“AEC 工厂”模组、“加工”模组、“数字模拟”模组、“设备与系统”模组、“人机工程学设计与分析”模组、“智件”模组等多种功能的模组,每种弄组中又包含多种功能模块,可以说是功能强大、界面友好的辅助软件。
(5) CAXA
CAXA 是北京北航海尔软件公司开发的功能强大的二维绘图和三维建模的通用的 CAD/CAM 软件,它强大的二维绘图功能可以与 AutoCAD 相媲美,同时它具有实体建模、虚拟装配、数控加工等功能。该软件易学易用,符合工程师的设计习惯的国产化的软件。
3 CAD/CAM系统的关键技术
2.1 CAM数据库
CAM数据库是将全部需要存储的数据进行存储, 然后通过计算机高速存取信息功能, 提供设计和生产过程中需要的各种数据信息,同时还可以对产品生产的整个过程进行监控。
2.2 生产管理
在数控程序编制完成之后, 需要加工的零件将信息存入CAM数据库。全部的生产计划经过相关的调度程序调控生产的进行。调度程度通过对相关的生产程序进行接收,然后制订下列生产计划：
（1）关注生产中各个零部件的生产情况；
（2）关注生产中不同数控机床的运行情况；
（3）对比生产时间和计划时间的差异；
（4）机床或者其他的设备系统出现问题。
根据调度程序将上述信息进行检测和确定后, 明确不同的机床生产中的负荷和排列计划。如果调度程序对下一步的零件程序予以确定后, 就可以将缓冲器中通过直接或者间接的方式存储的信息,传输到数控机床的相关生产单元中。
4 基于CAD/CAM的一个应用实例
随着 CAD/CAM 技术的发展,市场上的 CAD/CAM 软件越来越多,并且都有了自己独有的特色。实体建模能力和数控加工能力是 CAD/CAM 商品化的关键技术之一,在实际的应用过程中 CAD/CAM 软件的数控加工能力越来越受到用户的关注,因为 CAD/CAM 软件的数控加工能力能极大的提高产品的加工效率,并且通过加工模拟可以避免刀具和机床设备的损坏,为企业减少损失。下面对CAXA这一款CAD/CAM 软件在实体建模能力和数控加工能力方面进行介绍分析。
4.1 CAXA 软件的实体建模功能
CAXA 软件提供基于实体的特征造型、NURBS 自由曲面造型以及实体与曲面混合造型功能,可实现任何复杂形状零件的造型设计。
(1) 方便的特征实体造型
CAXA 软件采用精确的特征实体造型技术,不仅可以通过拉伸、旋转、导动、放样等轮廓造型手段生成三维实体特征,而且还提供了拔模、抽壳、打孔、倒角、过渡等高级特征处理手段,对生成的实体作局部修整。对存在相同的特征实体,提供线性阵列和环形阵列功能；在模具生成方面,CAXA软件还提供了缩放、型腔和分模等造型手段；通过实体布尔运算功能,使特征实体通过交、差、并运算可得到新的特征实体。同时 CAXA 软件还提供尺寸驱动草图或修改特征参数的功能,只要修改草图尺寸或特征参数,系统就会相应地更新特征实体的相关尺寸和参数,自动改变零件的形状和大小,并保持所有特征间的相互位置关系不变。
(2) 强大的 NURBS 自由曲面造型功能
CAXA 软件提供了丰富的曲面造型手段,可以通过列表数据、数学模型、字体文件以及各种测量数据生成的条曲线,通过样条曲线生成曲面；通过直纹面、旋转面、扫描面、等距面、放样面、边界面、网格面以及实体表面等多种生成复杂曲面,并且可对曲面进行任意的裁剪、过渡、延伸、缝合等多种编辑方法。通过这些曲面的生成方法和编辑方法,可以建立任意复杂的曲面模型。
(3) 实体曲面复合造型功能
基于实体的精确的特征实体造型技术,在三维造型过程中,将曲面融合到实体造型中,通过曲面的加厚、裁剪等手段,可实现任意复杂的实体模型。下面是本人利用 CAXA 制造工程师 2006 软件进行特征实体造型图,如图4.1 玩具飞机模型,图4.2 花键轴。

图4.1 玩具飞机模型 图 4.2 花键轴
Fig.4.1 Toy airplane model Fig.4.2 Spline shaft
4.2 CAXA 软件的数控加工功能
CAXA 软件不但提供基于实体的特征造型、NURBS 自由曲面造型以及实体与曲面混合造型功能,可实现任何复杂形状零件的造型设计,而且还可以为零件提供 2～5 轴的数控加工功能、加工工艺控制、加工轨迹仿真和通用后置处理模块,可生成各类数控机床的 G 代码。可以说 CAXA 制造工程师是一款优秀的 CAM 软件,目前已广泛应用于模具、汽车、电子、兵器、航空航天等行业的精密零件的加工。
4.3 CAXA 软件加工应用实例
此零件为劳动部数控工艺员（数铣）培训考试用件见图 4.3,从实体造型来看,由于存在五个由 6 个圆弧组成的槽,其二维初步建模较复杂,所以我们选择 CAXA软件来进行造型。因为 CAXA 的二维造型功能可以和专业 AUTOCAD 的二维软件相媲美,其造型过程相对于其他软件会较为简单。利用 CAXA 软件建模造型,并自动生成数控 NC 代码,然后输入到数控加工中心中得到的劳动部数控工艺员（数铣）培训考试用件,具体过程如下所示：

图4.3 培训考试用件
Fig.4.3 Training test pieces
第一步,根据零件图纸要求的具体情况,确定适合的加工方法,刀具的选择,其加工步骤如下所示：
（1）用 φ10 的钻头钻零件四角的四个 φ10mm 孔,并预钻零件中心的 φ21mm的孔
（2）用 φ10 的立铣刀,采用区域式粗加工,完成 φ90mm 及周边的加工
（3）用 φ10 的立铣刀,采用区域式粗加工,完成扩铣零件中部 φ21mm 孔的加工
（4）用 φ10 的键槽铣刀,采用区域式粗加工,完成 φ86mm 内圆面的加工
（5）用 φ10 的键槽铣刀,采用区域式粗加工,完成零件内五个曲线槽的加工
（6）用 φ10 的立铣刀,采用轮廓线精加工,完成精铣内外轮廓的加工
在粗加工时,选用较小的主轴速度,背吃刀量每次不超过 3mm,F 值应选的较大,精加工所留的加工余量在 0.03～0.05mm 之间。数控机床孔加工一般无钻模,由于钻头的刚性和切削条件差,选用钻头直径 D 应满足 L/D≤5（L 为钻孔深度）的条件,且在钻孔前先用中心钻定位,保证孔加工的定位精度。 精加工时,主轴转速要高,根据机床情况设定为 2000r/min,F 值选的较小。在加工精度要求较高的凹槽时,选用直径比槽宽小的立铣刀,先铣槽的中间部分,然后利用刀具半径补偿功能铣削槽的两边,这样可以保证工件的表面粗糙度及尺寸精度。刀具的选择是选用普通立铣刀和键槽铣刀及钻头,来完成零件 φ86 内圆、φ90、φ21 孔以及 5 个曲线槽使用键槽铣刀完成加工。加工时每次的背吃刀量、主轴转速、切削液的开关以及 F 值的设定都是在软件刀具路径中设定的。
第二步,根据零件图,使用 CAXA 制造工程师对零件进行造型见图4.4所示：

图4.4 培训考试用件实体造型图
Fig.4.4 Training and examination by an entity sculpt
第三步,生成刀具轨迹：根据零件图选择毛坯、刀具以及加工工艺选择刀具、切削要素、生成刀位轨迹见图 4.5 所示：

图4.5 培训考试用件刀具轨迹图
Fig.4.5 Training and examination with pieces of tool path diagram
到此为止,利用CAXA软件的造型功能和数控加工功能加工出劳动部数控工艺员（数铣）培训考试用件实体,对该工件实体经行了测量各项精度均达到了图纸的要求。
在加工该零件时应注意一下事项：
（1）毛坯在加工中心上要装夹固定,使在加工过程中与工作台之间发生位移移动
（2）毛坯件的放置方向应当与加工时工作坐标方向相符；
（3）在装夹过程中,使被加工零件用于基准的方向与数控机床的基准方向建立联系的过程, 即找正过程；
（4）进行对刀操作,对刀的目的是通过刀具或对刀工具确定工件坐标系与机床坐标系之间的空间位置关系,并将对刀数据输入到相应的存储位置。它是数控加工中最重要的操作内容,其准确性将直接影响零件的加工精度,对刀作分为X 、Y向对刀和Z向对刀；
（5）刀具补偿值的输入和修改,根据刀具的实际尺寸和位置,将准确的刀具半径补偿值和刀具长度补偿值输入到与程序对应的存储位置,因为补偿的数据正确性、符号正确性及数据所在地址正确性都将威胁到加工,从而导致撞车危险或加工报废。

图4.6 后置配置文件窗口 图4.7 培训考试用件实体
Fig.4.6 Post configuration file window Fig.4.7 Training and examination by an entity
通过对自动编程和加工工件质量的总结和分析,得出以下结论：CAXA作为国内拥有自主知识产权的CAD/CAM软件,它具有强大的二维绘图能力,三维造型功能较强。但在数控加工能力方面相对较弱,对于外形结构复杂的非模具类零件,可以优先考虑使用CAXA软件。CAXA软件是中文界面,对英文基础差的人员,学习和使用比较方便。
5 CAD/CAM在机械制造领域发展方向
5.1 集成化
集成化是CAD/CAM 技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM 以至PPC（生产计划与控制） 等各种功能不同的软件有机地结合起来,用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理,保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。国内外大量的经验表明：CAD系统的效益往往不是其本身,而是通过CAM和PPC 系统体现出来；反过来,CAM系统如果没有CAD系统的支持,花巨资引进的设备往往很难得到有效利用；PPC 系统如果没有CAD和CAM 的支持, 既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据,订出的计划也较难贯彻执行,所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此,人们着手将CAD、CAE、CAPP、CAM 和PPC等系统有机地、统一地集成在一起,从而消除“自动化孤岛”,取得最佳的效益。
5.2 网络化
21 世纪,网络将全球化,制造业也将全球化,从获取需求信息,到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、进行加工制造,直至营销,整个生产过程也将全球化。CAD/CAM系统的网络化是能使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上并行处理的并行化产品设计应用系统；是能提供产品、进程和整个企业性能仿真、建模和分析技术的拟实制造系统；是能开发自动化系统, 产生并优化工作计划和车间级控制,支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统；是能对生产过程中物料进行管理的物料管理应用系统等。
5.3 智能化
人工智能在CAD 中的应用主要集中在知识工程的引入,发展专家CAD系统。专家系统具有逻辑推理和决策判断能力。它将许多实例和有关专业范围内的经验、准则结合在一起,给设计者提供更全面、更可靠的指导。应用这些实例和启发准则,根据设计的目标不断缩小探索的范围,使问题得到解决。
6 结语
CAD/CAM 软件在制造业中的广泛引用,给制造业带来了新的变革,不同的企业根据自身的特点,选择适合本公司发展的 CAD/CAM 软件,并充分利用 CAD/CAM软件的功能,提高自己的市场竞争力。本课题对市场上常见的 CAD/CAM 软件的特点进行了介绍,为企业选择适应自身发展CAD/CAM 软件提供了参考依据,同时对 CAXA软件的数控加工应用实例过程进行了研究。

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