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第二章三维CAM软件的未来发展方向与研究重点10
2.1未来发展方向 10
2.1.1CAM系统的标准化10
2.1.2CAM系统的集成化10
2.1.3CAM系统的智能化10
2.1.4CAM系统的网络化10
2.1.5CAM系统的综合化11
2.2研究重点11
2.2.1开发新的一代CAM的软硬件平台11
2.2.2改变目标体系结构,面向对象、面向工艺特征11
2.2.3采用软件组件技术与开放式结构11
2.2.4提供更用户化的功能11
2.2.5提供更方便的工艺管理手段12
2.2.6CAM软件与快速成形技术相结合12
第三章三维CAM软件的应用实例13
3.1CATIA在汽车模具逆向开发中的应用13
3.2Pro/E高级曲面建模实例13
3.2.1拉手构面13
3.2.2构建方法13
3.3UG中的电子表格法和表达式法在模具设计中的应用15
3.3.1设计流程15
3.3.2设计步骤16
分工说明19
结束语19
参考文献21
第一章三维CAM的发展历程与研究现状
1.1CAM(computerAidedManufacturing,计算机辅助制造)简介
CAM(computerAidedManufacturing,计算机辅助制造):
利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。
它输入信息是零件的工艺路线和工序内容,输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。
[1]
CAM技术以计算机及周边设备和系统软件为基础,它包括二维绘图设计、三维几何造型设计。
是制造工程技术与计算机技术的相互结合、相互渗透而发展起来的一项综合性技术。
其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力有机地结合起来。
CAM技术随着Internet/Intranet网络和并行高性能计算及事务处理的普及,使异地、协同、虚拟设计及实时仿真技术在CAD/CAE/CAM中得到了广泛应用。
CAM有狭义和广义的两个概念。
CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动,它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。
这是最初CAM系统的狭义概念。
到今天,CAM的狭义概念甚至更进一步缩小为NC编程的同义词。
CAPP已被作为一个专门的子系统,而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP系统来完成。
CAM的广义概念包括的内容则多得多,除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外,它还包括制造活动中与物流有关的所有过程(加工、装配、检验、存贮、输送)的监视、控制和管理。
广义的CAM技术一般是指利用计算机辅助完成从毛胚到产品制造过程中的直接和间接的各种活动,包括工艺准备、生产计划制定、五六过程的运行控制、生产控制、质量控制等方面的内容,其中工艺准备包括计算机辅助工艺规程设计、计算机辅助工装设计与制造、计算机辅助数控编程、计算机辅助工时定额的编制等务。
[2]
CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。
CAM所涉及的范围,包括计算机数控,计算机辅助过程设计。
市面上的CAM软件有:
UGNX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、GibbsCAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimatron、vx、esprit、gibbscam、Edgecam等等。
[3]
CAM的核心是计算机数值控制(简称数控),是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。
[4]1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。
数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。
此后发展了一系列的数控机床,包括称为“加工中心”的多功能机床,能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置,能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序,这些都是通过程序指令控制运作的,只要改变程序指令就可改变加工过程,数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。
目前,CAM技术已经成为CAX(CAD、CAE、CAM等)体系的重要组成部分,可以直接在CAD系统上建立起来的参数化、全相关的三维几何模型(实体+曲面)上进行加工编程,生成正确的加工轨迹。
典型的CAM系统有UG、Pro/E、Cimatron、MasterCAM等。
其特点是面向局部曲面的加工方式,表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关,而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。
CAM系统仅以CAD模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式,已经成为智能化、自动化水平进一步发展的制约因素。
只有采用面向模型、面向工艺特征的CAM系统,才能够突破CAM自动化、智能化的现有水平。
CAM软件是具有CAM功能的软件的统称,常见的有CAXA,UG,Hypermill,UGNX、Pro/NC等。
[5]
现在三维CAD软件大多具有易操作性,具有基于特征的参数驱动造型功能。
运用其拉伸、旋转、扫描、放样等工具,可以高效地建立各种复杂的三维实体,且所造形体形象逼真、色彩丰富,通过三维CAD软件,三维实体大多可自动生成二维的工程制图。
其尺寸具有相关联性,如修改一部分尺寸,则和其相关联的尺寸可自动修改。
随着网络技术的不断发展及CAM(ComputerAidedManufacturing)的出现,基于Internet、Intrant及企业内部局域网体系的实现成为可能,出现了基于三维CAD软件的三维CAD/CAM软件,它不仅能实现三维设计还能进行有限元分析、三维仿真加工,并能通过后置处理生成NC代码,NC代码可直接通过网络输入到数控机床,由数控机床根据NC代码所传递的信息加工生成零件实体,从而实现了机械加工过程的自动化。
[6]现代三维CAD/CAM软件大都具CAE(ComputerAided)功能,有些还具有CAPP功能。
它具有良好的可操作性,使用者可以使用任意一台装有浏览器的主机都可以使用系统功能,更适合未来分布式管理环境,在基于Internet网络的环境下,为充分发挥网络的协同作用,最大限度地将图纸资料共享,进行有效的网络决策交流,需要提供一个基于网络的多用户共享的可视化虚拟交流空间,在这个虚拟的空间中,分布在异地的设计团队成员可以聚集在一起,可以创建、共享和管理产品设计中的各种设计信息,可以进行各种设计方案与构思的协商讨论,不仅可以进行文字信息的交流,还能针对CAD的设计数据进行可视化的共享。
[7]
1.2CAM的发展历程
最早是由美国开始了数控自动编程技术-APT语言的研究,20世纪50年代中期美国麻省理工学院(MIT)研制成功了世界上第一台数控铣床,并为数控机床的自动编程研究开发了APT计算机自动编程系统,从而使机械制造业步入柔性自动化时代,同时也标志着CAM技术的诞生,形成了早期的CAM系统。
[8]
美国麻省理工学院于1962年推出“SKETCHPAD”计算机图示设计系统,1965年由Niller发展成为第一个用于民用工程的ICES综合设计系统,同年,美国洛克希德公司组成专门小组,花费了100人年的工作量,于1972年完成了一个用于飞机设计的交互式图象处理系统,名为CADAM,它能绘制工程图,并能进行分析计算,并产生数控加工纸带,这可能是世界上最早CAD/CAM系统了,近十年来,CAD/CAM的发展比较迅速,出现了不少著名的专门从事CAD/CAM技术开发的软件公司以及研究所,如IBM的CADAM公司,CV公司,INTERGAPH公司,ACLMA公司,同时,随着数字化仪表等计算机外围设备技术的发展,CAD的计算机硬软件系统,亦由原来单一的封闭型系统,逐步走向硬件与软件相对独立的开放型系统。
20世纪60年代初,美国I.E.Sutherland博士成功研制了世界上第一套计算机图形系统,该系统允许设计者坐在图形显示器前操作键盘和光笔,在荧光屏上显示图形,实现人机交互作业。
虽然,这项研究在今天看来较为粗糙和不完善,当它标志这CAD技术的诞生。
如20世纪60年代开发的编程机及部分编程软件∶FANUC、Siemens编程机。
目前,CAM技术已经成为CAX(CAD、CAE、CAM等)体系的重要组成部分,可以直接在CAD系统上建立起来的参数化、全相关的三维几何模型(实体+曲面)上进行加工编程,生成正确的加工轨迹。
[9]
七十年代到八十年代,LSI和ULSI大规模和超大规模集成电路技术不断提高,在数平方毫米的硅片上可以容纳数十万计的元件,于是容量大,速度高,体积小,价格低廉的计算机、自动绘图仪、图形显示装置不断推陈出新,为各工业部门兴起CAD/CAM热创造了条件。
美国政府不断增加拨款,以支持这项技术的发展。
美国国家科学基金会的生产中心甚至说“CAD/CAM技术是自电子技术发明以来,与其它技术相比,具有更大的潜力,能更高地提高生产率的技术。
”
八十年代,CAD/CAM在一些技术先进的国家中已得到广泛应用。
美国、西欧、日本在飞机、汽车、船舶、机电产品、机械零部件、纺织图案中都使用了CAD。
据日本CAD普及实况调查(1981年6月),实际运用的公司占38%,正在筹备的约占78%。
从各行业来看,“实际应用”的百分比,运输机械、综合工程分别达到50%以上,接下去是精密机械占40%,电机电器占43%,设备工程占38%,普通机械占30%,金属产品占12%根据1980年的数字,美国有1500个CAD站,西欧有150个CAD站,英国SIA计算机服务公司是国际计算机服务公司(CISI)的子公司,在英国伦敦、伯明翰等十大城市设立分站,拥有450个远、近程终端和1000个以上的用户,年销售额超过700万英镑。
该系统与法国、美国的计算中心联网,利用卫星传送,美国的100多个城市亦能分享该公司的资源和服务。
苏联至1980年,已建立了十三个自动设计系统,其中四个是设计机械产品的,九个是设计仪表和电子产品的,总共包括75个自动化设计方面的程序。
这些系统配合5000多个ACY,在苏联国民经济中占有显著地位。
当时,在典型的CADAM系统中,终端显示屏显示出一个“菜单”,各种零件象菜谱一样列在那里,任凭设计者选择、调用、组合和判断,即所谓的“菜谱技术”。
设计师、绘图员、工程师共享数据库的信息,获得产品的零件图、装配图和透视图选择金属切削机床,刀具材料、种类、尺寸、进刀量以及使刀具在不切削时抬起的一个间隙。
此外,屏幕还显示出几何模型,用户直接确定零件的加工过程,CADAM系统中的软件就自动生成加工零件的NC指令。
一些具体的工程问题“可以用一定的数字模型来表达,但是如何评价和接受它的解,工程师的观点和数学家的观点是很不相同的”。
在进行CAD设计时,更多的不是使用数学方法上的优化,而是从价值表分析得来,运用工程上的优化。
比如轴与轴毅的联接有几十种方案,可以针对不同的要求,显示满足要求的方案,并将有用的价值列在旁边,供第三者参考。
对某一部件则采用“积木式”设计。
例如设计一个滑动轴承,可以根据任务要求输入联接方式、润滑剂、密封形式、润滑油的质量,以及转速、径向载荷、轴孔等特性值,就能输出一组零件的代号表,以提供订货或通知装配车间去装配。
更广泛、更大规模的优化则是以产值、利润、成本为基础,确定企亚目标函数,根据企业资源如人员、设备、材料等约束条件,再加上对市场需求、技术发展、经济发展的近期、中期、远期的预测技术和决策技术,以便最后从中选优。
为了适应CADAM技术的发展,国外十分重视CADAM的教育及培训工作。
有的国家专门成立了CADAM教育及培训委员会,对大学生CAD开设课程,对在职的工程技术人员进行培训。
日本成立了“劳动省雇用促进事业团”,让有资历的学者对35一45岁的科长、部长进行机械设计自动化技术(即CAD)方面的教育。
西欧各国也都建立了相应的试验性、教学用的CADAM车间,对工科大学生和在职工程师进行教育和培训。
据去英国参加会议的同志介绍英国工业部门决定自年起,用三年的时间进行一次对CADAM提高认识的运动,在全国各地举办一系列的学习班,包括举办100期为期一天的厂长学习班和为期一周的设计和生产科长学习班,八十年代初来美国机械专业新近开设而效果较好的课程就有《计算机输助设计》、《计算机绘图》、《高级设计》、《机械动力学》、《机械工程设计的微处理机》和《系统设计》等。
到了20世纪90年代开始全面实行产品开发CAD/CAM,达到100%的应用率。
20世纪80年代后,其工作站上运行的软件产品主要以I-DEAS、UGII、Euclid-IS、PRO/Engineer和CADDS5为主,AutoCAD则抢占了微机CAD市场。
这些软件集成性相当高,除CAD/CAM功能外,CAE(计算机辅助分析)、CAPP(计算机辅助工艺规程设计)和CAQ(计算机辅助质量控制)等都集成到系统中。
它包括设计、绘图、测试、分析、制造、数据库、变量工程及数据交换八大部分,界面友好,容易掌握,用户普及,为优化设计奠定了坚实基础。
日本、法国、德国等也相继在航天航空、汽车工业、轻工业方面的设计与加工中广泛使用了CAD/CAM技术。
我国CAD/CAM技术的研究工作起步于20世纪60年代末,“六五”期间成套引进了CAD/CAM系统,并不断开发和应用。
到目前为止,CAD应用已接近国际先进水平。
商品化二维CAD软件基本满足了国内企业“甩掉图板”的要求,并已产生一定的经济效益。
我国三维CAD软件在功能上也已达到国外同类产品水平。
随着社会经济的发展,国有企业需要对传统的产品、设备和管理模式进行改造,以提高企业适应市场的能力,而采用CAD/CAM是唯一的出路。
[10][11][11][12][13]
1.3CAM的研究现状
目前机械CAD/CAM软件的发展除了具有不断的扩展功能外,主要基于建模技术、模型技术、数据管理技术、软件技术、智能技术等的优化发展。
由于软件的特性和功能在很大程度上取决于开发人员的想象力,所以其发展趋势难以预测,而CAD/CAM软件进一步发展的前提必须是提高性能且减少对用户的依赖性,因此,必须对CAD/CAM控制系统的设计方案不断优化。
譬如,寻求最佳参数组合或几种参数的组合对系统中参数优化后,将对系统动作或性能大大改观,从而使系统在最佳方案上运行。
判断最佳方案的依据是一项或一组评判标准,有时在作决策时所选方案是制造成本最低,而有时是保持机器在一最低温度下运行,因此获得最佳设计的方法就是CAD/CAM在优化设计中的恰当应用。
又譬如,加工过程中的数字控制(NC)是CAM中一个深入细致的研究领域,在生产制造过程中NC已被广泛运用于机器制造、机械加工、火箭发动机长丝缠绕、电器布线、电子装配等很多方面。
一般地说,数控系统是由一被控机床的机械结构加上一个控制系统与数据处理装置所组成。
因此,一个数控系统唯一的误差来源就是机床的响应精度了。
若剔除人为影响因素,可以使制造精度大大提高。
数控系统具有精确性、重复性、灵活性和多样性。
[7][14]
纵观我国机械制造业,CAD/CAM技术应用现状主要呈现以下几个特点:
(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。
通过国家科委实施的863计划中的
CIMS主题,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、应用CAD/CAM技术作为改造传统企业的重要战略措施。
尤其是机械行业,自1995年以来,相继开展了“CAD应用1215工程”和“CAD应用1550工程”,前者是树立12家“甩图板”的CAD应用典型企业,后者是培育50~100家CAD/CAM应用的示范企业,扶持500家,继而带动5000家企业的计划。
通过国家这些重大举措,我国CAD/CAM技术的研发与应用取得了较大进步,但由于一些企业经济实力不足,技术人才短缺,CAD/CAM技术不能够完全应用到生产实践中去。
国内的一些科研机构、高校和软件公司开发出的CAD/CAM软件,在包装方面与发达国家相比存在差距,虽投放市场,但份额较小。
(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3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,所以采用的企业相对少一些,应用情况好的也相对少一些;
尽管目前早已推出比较成熟稳定的微机版本,但大多数企业并未认识到其优势所在,仍然固守于二维绘图;
基于三维造型技术的装配造型也因此很少应用。
有限元分析和优化设计则普及率更低,原因是这些系统都进行了一定的理论假设,所以其结果的可靠性稍低,应用难度也较大,只用于某些必须的场合。
在CAM方面,目前企业普遍应用的只是数控程序编制,华中数控系统、南京SKY系统、日本FUNUC系统、德国SIEMENS系统在国内企业中应用已经非常广泛,而广义的CAM只有少数大型企业采用,在中小企业中极少应用。
其主要原因有:
1)中小企业采用的多是单一功能的CAD/CAM软件,难以达到CAD/CAM的功能集成;
2)尽管有些企业配备了高水平的集成软件,也花巨资引进了配套设备,但由于缺少高素质的技术人员,配备的软件和设备没有得到有效利用,只利用了极少一部分功能。
3)功能单一,经济效益并不明显:
CAD/CAM技术在企业中的应用仅是单元的智能技术应用,是从企业生产的各个侧面来提高效率,推进自动化。
采用单一功能的CAD/CAM技术其效果是相当有限的,只有将CAD、CAPP、CAM等技术集成在一起,综合应用在设计与制造过程中,才能产生显著经济效益。
[15][16]
第二章三维CAM软件的未来发展方向与研究重点
2.1未来发展方向
2.1.1CAM系统的标准化
随着生产加工越来越精细化,CAM系统得到越来越多的重视,应用也越加广泛,CAM系统逐渐向标准化发展。
标准化是很重要一部分,统一了标准,能够大大CAM与生产效率的关系。
比如在模具CAM中,可建立标准零件数据库,非标准零件数据库和模具参数数据库。
[17]标准零件库中的零件在CAM设计中可以随时调用,并采用成组技术生产。
非标准零件库中存放的零件,虽然与设计所需结构不尽相同,但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改,
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