机械CAD/CAM集成的关键

jiekluo

近年来，机械行业的CAD，CAM得到了快速发展，由初期的“甩掉图版”设计、手工编程加工向更高的层次转化。国内外大量优秀的CAD/CAM商用软件和产品进入制造行业，并不断完善，功能日趋强大，促进了制造业自动化程度的提高。
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如何架构适合自己企业的系统，是一直困扰机械制造业的问题。本文提出了一种设计思想和理念，实现企业CAD/CAM高度集成和自动化生产。
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" N5 N/ `4 d5 b) q. N一、CAD/CAM系统组成

随着计算机性性能的提高和价格的降低，过去以大、中型计算机和工作站为主的系统向网络化、小型化和微型计算机转化。核心部分是上机位（微机），通过网络与下机位连接。用作CAD设计的微机把加工信息传送到数控机床和三坐标测量仪，形成一体化数据系统，实现CAD/CAE/CAM/CAT集成化。
二、CAD层的关键
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& Y: E) t2 ?: }7 [. V0 q处于上游的CAD层在CAD/CAM的集成中起着决定作用，要实现与下游CAM（包含CAPP）实现集成，CAD的设计要具备三个功能：
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（一）三维实体造型
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三维实体造型是经历了三维线框造型、三维表面造型后发展起来的用于描述零件最完整几何信息的模型，记录了零件全部的点、线、面、体的拓扑信息。可以进行消隐、渲染、剖切、有限元网格划分以及NC刀具轨迹生成、仿真等。
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三维实体模型表示一般采用几何构造法、边界表示法及扫描表示法。

1、实体几何构造法（CSG）：
  F' h: p; P& Z: w8 I5 s  R- O$ W是一种用体素拼合构成物体的方法，可以用二叉树的形式对零件进行描述。优点是描述物体非常紧凑，缺点是对面的描述有限制。
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2、边界表示法（B-rep）
" K$ q3 D3 T6 W8 t: C, G要表达的信息分为两类。一类是几何数据，反映物体大小及位置，另一类是拓扑信息，描述物体的相对位置关系。优点是能够构造具有复杂外形的物体，缺点是存储量大，必须提供一个方便的用户界面。
& ~1 [7 K. i: ^3 r, r3 M  r因此现在几乎所有的以B-rep为基础的系统都有CSG方式的输入界面。
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3、扫描表示法：
通常用二维形体及他的运动轨迹来比表示扫描的物体，分为平移扫描和旋转扫描。

& h" u7 ~/ d2 F1 G- a（二）参数化造型：
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& I9 U0 B! S! o6 n参数化造型是新一代智能化、集成化CAD系统的核心内容。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动成为初始设计、产品建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。

1、参数化建模方法
可以分为三种方法：基于几何约束的变量几何法、基于几何推理的人工智能法和基于生成历程的过程构造法。

; D* ]- u8 x, i- `2、基于特征的参数化建模
9 S) U6 \' O1 d/ e3 R3 ?0 O% V关键是特征及其相关尺寸、公差的变量化描述。包括几何约束和拓扑约束的混合建模、约束建模和约束求解。

3、 面向对象的参数建模：
: I- a, p) w* f! T! E面向对象的方法既是一种程序设计方法，又是一种认知方法。面向对象的约束方法不仅要表示零件的几何信息，而且还要表示零件的拓扑信息。
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（三）特征造型：
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特征是在零件的设计和制造阶段可识别的包含完整零件工程信息的结构单元，是一组与零件的描述相关的信息集合。新一代的产品建模以参数化造型为基础。特征分为如下四大类：
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1、总体信息：
用于描述一个两件的总的信息，包含特征名、特征代码、材料毛坯和质量。
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6 Z" f8 p3 o2 S3 L( `, x2、几何参数信息：
包括组成实体的各个基本尺寸的几何参数信息。
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$ D2 ?( k  O+ q) k+ `0 U3、技术参数信息：
2 p1 i9 `5 q1 s' u( ?( N3 b包括与特征相关的尺寸公差、行位公差和表面粗糙度。

/ s( m" `2 @6 q' N4、特征构造信息：
7 W$ F$ B/ u3 O8 v4 v# Q( j1 ^包括构成特征实体的拓扑信息、基点位置和方向矢量。

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三 CAD/CAM集成的关键：

通常说的CAD/CAM集成，就信息而言，实际上是指设计和制造过程中的三个软件集成，即CAD、CAPP、NCP。迄今为止国际上还没有对CAD/CAM集成做出统一的定义。CAD/CAM集成是指信息和物理设备两方面的集成。要实现CAD/CAM的高度集成，应具备以下因素：

（一）新一代基于特征的参数化建模技术：
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如前所述，具备三个条件：三维实体造型、参数化造型及特征造型。这是CAD阶段所要求能够完成并为后续工作提供完整工程制造信息所必不可少的关键技术。

. z# z3 P9 [" s+ E/ c（二）信息交换技术：
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7 u4 ^8 N  c; y9 S由于历史上CAD、CAM软件最初开发过程中的孤岛显现，导致了它们数据表示格式的不统一，使用不同系统、不同模块间的数据交换难于进行，影响了CAD/CAMd集成，因此国际上提出了通用的数据交换规范。

1、IGES交换规范：

IGES交换规范出现较早，很多的CAD、CAM软件都支持这种格式，但是这种格式存在三个缺点：

（1）规范描述内容是几何层的，缺乏CAM所需的工程信息。
7 |6 W+ G) J# Q$ a  \+ A- S" I（2）每个CAD系统仅能实现IGES中的一个实体子集的转换，有可能出现一对多、多对一、近似或不可转换。
& I7 k6 v* |/ f  k（3）目前的大多数IGES处理程序不支持ASCII码格式，需要空间大。
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5 _9 ?6 s# k* q2、STEP交换规范：
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9 i) H$ K& K6 y3 z% A4 Y国际标准化组织ISO在1988年公布了产品模型数据交换标准STEP，解决了产品模型的交换问题。STEP有三个特点：
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) R$ c9 h! ?4 e( ]: j' C% Y（1）支持广泛的应用领域；
（2）能表达完整的产品数据，提供多种数据交换方式；
（3）它具有中性机制，可以独立于热核具体的系统。

3 L% W1 f5 D6 Y- pSTEP标准分四级实施：文件交换、工作格式交换、数据库交换及知识库交换四、CAD/CAM集成的体系结构：

系统分三个层次来实现。最下面一层为产品数据管理层，它以STEP的产品模型为基础，提供数据库、工作格式（STEP）文件交换等三种数据交换方式。这三种数据的存取由DBMS（数据库管理系统）、工作格式管理模块及系统转换器来实现。
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中间层为基本功能层。包括几何造型、特征造型、图形编辑显示及尺寸公差处理。通常的CAD/CAM集成软件具备完整的功能界面、统一党俄产品模型和数据表转。

最上层为系统层，包括设计、分析、工艺规程设计和数控编程等。可以通过用户界面来完成从设计、分析到加工的任务。

由于底层采用了同一的数据管理方法，当产品模型改变时，数据的管理方式不变，所以对系统程序影响不大。由于系统采用分层结构，并且每一层又有一个标准界面，这样每一层进行功能扩充时，对其他层的影响很小。另外某一层的系统开发人员不必了解其他层次界面提供的功能。
五、CAD/CAM集成的发展趋势
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目前CAD/CAM集成的关键技术已经得到解决，今后的CAD/CAM集成发展特点和趋势体现在以下几点：

1、面向并行工程：
CAD/CAMjicheng系统应该从全局优化的角度出发，能够对产品进行管理和控制，并对已经存在的产品设计进行改进和提高。
2、面向生产过程的多种功能的高度集成；
5 P: R/ ?3 P! }# z2 p3 \9 @3、支持面向对象的工程数据库；
( C& n4 v9 y7 G0 z. ]4、参数化设计；
0 K1 ?' z! s8 I6 w5 Y5、多种工业标准数据接口和具有二次开发的能力；
; m  U% T0 c0 s4 H8 X$ ~9 }/ n1 c; D6、智能化技术；
/ x- \( _- J  c7、现代CAD技术。
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六、结束语：

CAD/CAM集成是现代化企业提高产品质量、缩短设计周期、提高竞争力所必须的设计和制造模式，CAD/CAM集成的关键技术也成为企业实现现代化生产所必须解决的问题。国际和国内的各种理论和实践给我们提供了很好的方法和理念，并且不断完善，拓展了我们更多的发展空间。