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计算机辅助设计与制造的应用及发展趋势

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发表于 2019-10-6 14:15:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
什么是计算机辅助设计与制造?



计算机辅助设计与制造

计算机辅助设计,它是Computer Aided Design的缩写,也就是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作,简称CAD。

它的普及及应用将是产品设计制造生产的传统模式发生深刻的变化,从而带动制造业技术的快速发展,也是当前国际科技领域的前沿课题。CAD技术作为杰出的工程技术成就,已广泛地应用于工程设计的各个领域。CAD系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化,产生了巨大的社会经济效益。目前CAD技术研究热点有计算机辅助概念设计、计算机支持的协同设计、海量信息存储、管理及检索、设计法研究及其相关问题、支持创新设计等。CAD技术也是一项综合性的、正在迅速发展和应用的高新技术,已经成为企业提高创新能力,提高产品开发能力,增强企业竞争力的一项关键技术。



计算机辅助设计(CAD)

CAD技术一直处于不断发展与探索之中。 应用 CAD技术起到了提高企业设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计标准化等作用。 越来越多的人认识到 CAD是一种巨大的生产力。 CAD技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。 随着人工智能、多媒体、虚拟现实、信息等技术的进一步发展, CAD技术必然朝着集成化、智能化、协同化的方向发展。企业 CAD和CIMS技术必须走一条以电子商务为目标、循序渐进的道路。

计算机辅助制造,它是Computer Aided Manufacturing的缩写, 是指在机械制造业中,利用电子数字计算机通过各种数值控制机床和设备,自动完成离散产品的加工、装配 、检测和包装等制造过程,简称CAM。



计算机辅助制造(CAM)

除CAM的狭义定义外,国际计算机辅助制造组织(CAM-1 ) 关于计算机辅助制造有一个广义的定义:“通过直接的或间接的计算机与企业的物质资源或人力资源的联接界面,把计算机技术有效地应用于企业的管理、控制和加工操作。”按照这一定义,计算机辅助制造包括企业生产信息管理、计算机辅助设计(CAD ) 和计算机辅助生产、制造3部分。计算机辅助生产 、制造又包括连续生产过程控制和离散零件自动制造两种计算机控制方式。这种广义的计算机辅助制造系统又称为整体制造系统(IMS)。采用计算机辅助制造零件、部件,可改善对产品设计和品种多变的适应能力,提高加工速度和生产自动化水平,缩短加工准备时间,降低生产成本,提高产品质量和批量生产的劳动生产率。

计算机辅助设计与制造的发展历程

CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)诞生于二十世纪60年代,是美国麻省理工学院提出的交互式图形学的研究计划,由于当时硬件设施昂贵,只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。

二十世纪70年代,小型计算机费用下降,美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。

二十世纪80年代,由于PC机的应用,CAD(计算机辅助设计)得以迅速发展,出现了专门从事CAD系统开发的公司。



CAD系统

中国CAD技术起源于国外CAD平台技术基础上的二次开发,随着中国企业对CAD应用需求的提升,国内众多CAD技术开发商纷纷通过开发基于国外平台软件的二次开发产品让国内企业真正普及了CAD,并逐渐涌现出一批真正优秀的CAD开发商。

在二次开发的基础上,部分顶尖的国内CAD开发商也逐渐探索出适合中国发展和需求模式的CAD,更加符合国内企业使用的CAD产品,他们的目的是开发最好的CAD,甚至是为全球提供最优的CAD技术。

在CAD设计中,最常打交道的就是图纸了,图纸是否能够快速、准确的显示对于CAD软件的用户体验有着极其重大的影响。

至2014年国产CAD凭借各自对用户的理解,逐步开发出CAD设计中比较实用的创新功能,比如智能鼠标手势,设计师再也不用担心忘记操作命令,可简单快捷通过鼠标手势就可以轻松调用所需命令,而且命令菜单还可以根据每个人的操作习惯进行自定义,非常方便。

CAM( Computer Aided Manufacturing ) 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。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,能连续完成铣、钻、铰、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”。加工程序的编制不但需要相当多的人工,而且容易出错,最早的CAM便是计算机辅助加工零件编程工作。

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。

数控除了在机床应用以外,还广泛地用于其它各种设备的控制,如冲压机、火焰或等离子弧切割、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等,成为各个相应行业CAM的基础。

计算机辅助设计的应用领域

CAD有着广泛的应用领域,在全球500强企业中有90%的企业均使用它来做辅助设计,在世界上其已成为衡量一个国家科技现代化和工业化现代化的重要标志之一。



新型人才特点

它广泛应用于:
    机械、建筑(如施工图)、电子、冶金、化工等设计制图城市规划设计室内设计与室内装潢设计航空、航海图服装设计与裁剪印刷排版

CAM已广泛应用于飞机、汽车、机械制造业、家用电器和电子产品制造业。

CAM的应用领域包括:

1.机械产品的零件加工

① 机械产品的零件加工(切削、冲压、铸造、焊接、测量等)、部件组装、整机装配、验收 、包装入库 、自动仓库控制和管理。 在金属切削加工中,计算机内预先建立有基本切削条件方程, 根据测量系统测得的参数和机床工作状况,调整进给率、切削力、切削速度、切削操作顺序和冷却液流量,在保证零件 表面光洁度和加工精度的条件下,使加工效率、刀具磨损和能源消耗达到最优。

2.电子产品的元件器件老炼

②电子产品的元件器件老炼、测试、筛 选,元件器件自动插入印制电路板,波峰焊接,装置板、机箱布线的自动绕接,部件、整件和整机的自动测试。

3.各种机电产品的成品检验、质量控制

③各种机电产品的成品检验、质量控制,能完成人工方法不能完成的复杂产品(如飞机发动机、超大规模集成电路、电子计算机等)的大量测试工作。

计算机辅助设计与制造的优势

CAD、CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术,是一项高科技、高效益的系统工程。它是基于计算机件的形式,为用户提供一种有效的辅助工具,使工程技术人员能借助计算机对产品、模具结构、成型工艺、数控加工及成本进行设计和优化。模具CAD、CAM的技术之所以发展迅速、应用广泛,深受广大设计人员的欢迎,其主要具有以下几方面的优势:

1.提高模具制造的综合质量

CAD、CAM系统中,制造所需要数据直接取自系统数据库,并经系统内部直接传送,速度快、错误少。模具制造广泛采用数控机床,精度高、自动化程度高,通过采用CAD、CAM技术生产的模具,精度和尺寸协调一致性得到进一步提高,从而进一步保证模具质量。

2.节省设计时间、缩短生产周期、提高生产劳动率。

模具产品更新频繁的形势下,生产周期成为产品生存的唯一重要条件。采用CAD、CAM技术可以大大缩短模具设计制造周期,使其周期精确到小时和分钟来计算。

3.有利于实现设计方案的优化。

提高模具设计水平是提高模具质量的重要环节,采用CAD、CAM技术可以通过计算机检索来继承前人的经验积累,采用一系列的优化设计程序,通过人机交互,反复修改,发挥出设计者最大的才智,并利用计算机模拟成型,增大设计可靠性。

4.有利于提高产品的标准化。

5.有利于发挥设计人员的创造性。

计算机辅助设计与制造的发展趋势

目前,随着全球创新技术能力的提高和网络计算环境的普及,针对高质量产品及高生产效率的市场需求,最大限度地提高模具制造业的应变能力,满足用户需求,计算机辅助设计与制造技术的发展总体上朝着集成化、网络化、标准化、专业化、开放性、虚拟化、专业化和智能化方向发展。

(1)集成化



利用CAD软件设计的飞机模型

为适应设计与制造自动化的要求,特别是适应CIMS(Computer Integrated Manufacturing System,计算机集成制造系统)的要求,进一步提高CAD的集成化水平是CAD技术发展的一个重要方向。

集成化形式之一是CAD/CAM集成系统。该系统可进行运动学和动力学分析、零部件的结构设计和强度设计、自动生成工程图纸文件、自动生成数控加工所需数据或编码(用以控制数控机床进行加工制造,即可实现所谓的“无图纸生产”)。CAD/CAM进一步集成是将CAD、CAM、CAPP、NCP、CAT、PDM(产品数据管理)集成为CAE,使设计、制造、工艺、数控编程、数据管理和测试工作一体化。

(2)智能化

传统的CAD技术在工程设计中主要用于计算分析和图形处理等方面,对于概念设计、评价、决策及参数选择等问题的处理却颇为困难,因为这些问题的解决需要专家的经验和创造性思维。因此将人工智能的原理和方法,特别是专家系统的技术,与传统CAD技术结合起来,从而形成智能化CAD系统,是工程CAD发展的必然趋势。

ICAD(Intelligent CAD,智能CAD)的研究与应用要解决以下3个基本问题:

设计知识模型的表示与建模方法:解决如何从需求出发,建立知识模型,进行逻辑计算机辅助设计与制造,并在计算机上实现等问题。

知识利用:在知识利用方面,要研究各种推理机制,也即要研究各种搜索方法、约束满足方法、基于规则的推理方法、框架推理方法、基于实例的推理方法等。

CAD的体系结构:研究ICAD的体系结构,使之更好地体现ICAD的基本思想与特点,如集成的思想、多智能体协同工作的思想等。



计算机辅助软件进行的造型设计

(3)标准化

在CAD技术不断发展的过程中,工业标准化问题越来越显示出其重要性。迄今已制定了许多标准,如计算机图形接口标准CGI(Computer Graphics Interface)、计算机图形元文件标准(Computer Graphics Metafile)、计算机图形核心系统标准GKS(Graphics Kernel System)、程序员层次交互式图形系统标准PHIGS(Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics Standard)、基于图形转换规范标准IGES(Initial Graphics Exchange Specification)和产品数据交换标准STEP(Standard for The Exchange of Product model data)等。随着技术的进步和功能的需要,新标准还会不断地推出

(4)网络化

在科学技术和经济水平快速发展的时代,不断出现超大型项目和跨国界项目,这些项目的一个突出特点是参与工作的人员众多,且地理分布较广泛。而项目本身就要求各类型的工作人员紧密合作。如汽车新车型的设计,就需要功能设计师、制造工艺师、安全设计师等多学科专家的共同工作。为了解决这个矛盾,出现了计算机支持协同工作CSCW(Computer Supported Collaborative Work)这一新型研究领域。



CSCW组织架构

CSCW是1984年由Iren Grief和Paul Cashman 首次提出的,一般认为是指一个工作群体中的人员在计算机的帮助下,得到一个虚拟的共享环境,协同工作,快速高效地完成一个共同的任务。现代设计强调协同设计,从CSCW应用的角度出发,协同设计是指在计算机的支持下,各成员围绕一个设计项目,承担相应部分的设计任务,并行交互地进行设计工作,最终得到满足要求的设计结果的设计方法。显然,协同设计可以大大提高设计质量和进度,增强产品的市场竞争能力。协同设计需要多学科专家的协同工作,而实现这一协作的基础就是计算机网络和多媒体技术。通过计算机网络,设计成员可以在设计过程中方便地进行信息交流。

经过这几十年的发展,我国模具CAD/CAM有了长足的发展,模具CAD/CAM技术已经被广泛应用于我国企业。我国研制模具CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。在政府的大力支持下先后出现了一批先进的模具CAD/CAM示范企业,高校和企业也培养了一大批模具CAD/CAM软件开发及应用人才。但总的来说,我国目前模具CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。

模具CAD/CAM技术水平还处于向高技术集成和向产业化商品化过渡的时期,研制的软件在可靠性和稳定性方面与国外工业发达国家的软件尚有一些差距,还没有针对性的软件,使用一般都是通用性软件。但是我们不但要看清我们的劣势,也要看到我们的优势。与国外软件相比我们的优势是:了解本国市场,便于提供技术支持,相对价格便宜等。另外,我们有政府的大力支持,各大高校也为CAD软件的开发培养了大批的人才。在这些前提下,我国模具CAD/CAM产业不仅要紧跟时代潮流,跟踪国际最新动态,遵守各种国际规范,形成自己独特的优势,更要立足国内,结合国情,面向国内经济建设的需要,开发出有自己特色,符合中国人习惯的CAD/CAM软件。


山东省高中信息技术学业水平考试系统(山东省高中信息技术学考系统):https://pan.baidu.com/s/1pMNLBaZ5BHR92uPMCFtbZg

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