先进制造技术(英文版第三版)唐一平,第四章翻译

4、计算机辅助设计和计算机辅助制造

在我们的工业社会的历史，许多发明已经申请专利和新技术的发展。惠特尼的可互换零件的概念，瓦特的蒸汽机，和福特的装配线不过是一些发展，我们的工业时期最值得注意的。所有这些发展都影响了制造我们所知道的，在我们的历史书，这些人得到了应得的认可。或许单个的发展影响制造更快更明显比以往任何技术是数字计算机。

由于计算机技术的出现，制造的专业人士都想自动化设计过程和使用数据库开发自动制造过程。计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD／CAM），如果成功实施，应该去掉“墙”，历来存在之间的设计和制造的部件。

CAD／CAM是指在设计和制造过程中使用计算机。由于CAD / CAM的到来，其他方面发展：

（1）计算机图形（CG）。（2）计算机辅助工程（CAE）。（3）计算机辅助设计与绘图（CADD）。

（4）计算机辅助工艺规划（CAPP）。

这些附带条件都是CAD／CAM的概念的具体方面。CAD / CAM本身是一个更广泛，更具包容性的术语。它的核心是自动化和集成manufacturing.111

CAD／CAM的一个关键目标是产生的数据可以用于制造产品而开发的，产品设计的数据库。当成功实现了CAD ／CAM，涉及到一个共享

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一个公司的设计和制造的部件之间常见的数据库。

交互式计算机图形学（ICG）是CAD／CAM的重要作用。通过ICG的使用，设计开发一个图形设计在存放电子构成的图形图像数据的产品形象。图形图像可以在一个二维（2-D），提出了三维（3-D），或固体的格式。ICG图像使用等基本几何特征的点，线，圆，曲线构造。一旦创建，这些图像可以很容易地编辑和以各种方式包括放大，缩小，旋转操作，和运动。ICG系统主要有三部分组成（图中）：（1）硬件，包括计算机和各种外围设备；（2）软件，包括计算机程序和技术手册的系统（流行的CAD ／CAM软件使用ICG目前包括了AutoCAD，Pro/E，，UG，CATIA等）和I-DEAS和；（3）人的设计师，最重要的三个组成部分。

一个典型的ICG系统硬件配置包括一台电脑，一个显示终端，用于软盘磁盘驱动器，硬盘，或两者；和输入/输出设备，如键盘，绘图仪/打印机和扫描仪。这些

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设备，随着软件的工具，是现代设计师们用来开发和文档设计。

ICG系统能通过允许设计者关注设计过程知识方面提高设计过程，如概念和判断为基础的决策。计算机执行它

更适合，如数学计算，存储

和检索数据，以及各种重复

操作如开。

CAD / CAM 4.1为理论基础

CAD／CAM为基础是类似的，

用来证明任何制造技术的改

进。它是一个需要不断提高

的生产力，质量，和，反过

来，竞争力。也有其他原因，

公司可以从CAD／CAM的手

动流程进行转换：

（1）提高生产率。

（2）更好的质量。

（3）更好的沟通。

（4）制造业常见的数据库。

（5）降低建造成本原型。

（6）对客户快速响应。

4.1.1提高生产力

在设计过程中，生产率提高

CAD／CAM。耗时的任务，如

数学计算，数据存储和检索，

可视化设计是由计算机处

理，这给设计师更多的时间

花在构思并完成设计。此外，

要求设计文件可与CAD／

CAM的时间明显减少。所有

这些加在一起意味着更短的

设计周期，缩短整个项目的

完成时间，和更高的生产力。

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4.1.2质量更好

因为CAD CAM让设计师更专

注于实际的设计问题和耗时

的，非生产任务，产品质量

的提高与CAD CAM。CAD /

CAM允许设计者检测范围更

广的设计方案（例如，产品

特点）和分析每个选择之前，

选择一个更彻底。此外，由

于劳动密集型的任务都由计

算机完成，减少设计错误发

生。这些都导致更好的产品

质量。

4.1.3更好的沟通

设计文件，如图纸，零件清

单，材料清单，和规格的工

具用于沟通设计那些制造

它。更均匀，规范，准确的

这些工具，沟通会更好。因

为CAD / CAM导致更均匀，

标准，和准确的资料，提高

了通信。

4.1.4常用数据库

这是一个CAD / CAM的最重

要的好处。随着CAD／CAM

的数据，生成一个产品的设

计过程中可用于生产的产

品。他们共享一个数据库有

助于消除分离设计和制造功

能的古老的4twair（图4.2）。

4.1.5原型成本降低

与手工设计，模型和原型的

设计必须制作和测试，增加

了成品的成本。随着CAD／

CAM，计算机三维模型可以

降低，在某些情况下，消除

建设昂贵的原型的需要。固

体建模允许设计师用电脑模

型代替在许多情况下，CAD /

CAM功能原型等。

4.1.6更快响应客户

响应时间是至关重要的制

造。需要多长时间来填补

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客户的订单？时间越短越

好。快速的响应时间是在竞

争日益激烈的市场竞争的关

键之一。今天，以最快的响

应时间是厂家可能用最低的

出价赢得合同。缩短整个设

计周期，提高设计和制造的

组件之间的通信，CAD / CAM

可以提高公司的响应时间。

CAD / CAM 4.2的历史发展

CAD／CAM的发展历史已经

紧跟计算机技术的发展，对

应了ICG技术的发展。领先

的CAD／CAM重大的发展始

于20世纪50年代后期和

1960年代初期。这首先是发

展，在麻省理工学院（MIT），

自动的

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编程工具（APT）的计算机程

序设计语言。

APT的目的是简化数控机床

零件程序的开发。这是第一

个计算机语言是用于此目的

的。APT语言的代表向自动化

生产的重要一步过程。

在CAD／CAM的发展史上的

又一重大发展紧随其后的

APT，麻省理工也发达，被称

为画板项目。这个项目，伊

凡萨瑟兰诞生了ICG的概念。

画板项目是第一次使用了计

算机上创建和实时显示CRT

操作图形图像。

在上世纪60和70年代的其

余部分，CAD的不断发展，

一些供应商为自己的名字生

产和销售交钥匙工程CAD系

统。这是完整的系统，包括

硬件，软件，维护和培训作

为一个包装出售。这些早期

的系统被配置在大型机和小

型机。作为一个结果，他们

在中小型制造企业实现大规

模接受太贵了。

到了20世纪70年代，它变

得清晰，微机将最终在CAD /

CAM的进一步发展起到一定

的作用。然而，早期的计算

机没有处理能力，内存，或

图形功能所需的ICG。因此，

早期的CAD / CAM配置在微

机系统失败。

1983 IBM推出了PC，第一台

微型计算机的处理能力，内

存和图形功能，可用于CAD

／CAM。这对一个LED的数

量在迅速增加，CAD / CAM供

应商。1989，对CAD／CAM

基于微机装置和基于大型机

和小型机的数量。

4.3电脑设计

电脑已经在日常工作与设计

的一个重要影响是完成。它

可以用在很多方面做很多事

情。

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然而，使用计算机所有完成

的设计工作分为四大类：

（1）造型设计。

（2）设计分析。

（3）设计审查。

（4）设计文件。

4.3.1设计建模

在CAD / CAM设计建模，开

发了产品几何模型描述了部

分数学。数学描述

转换为图形的形式显示在阴

极射线管（CRT）。的

几何模型还允许图形图像可

以很容易地编辑和操纵一次

显示。

这个过程开始时，设计器创

建一个图形图像使用一种特

殊的ICG软件包。图像是通

过输入命令使计算机构建图

像的点，生成线，圆，曲线。

要创建一个图形图像，计算

机必须翻译成相应的几何特

征的数学模型。看来设计师

作为一个图形图像存储在计

算机中的一系列数学坐标。

作为设计师的命令修改或操

纵的图形图像，计算机对数

学模型。计算机必须首先在

它可以改变图像变化的几何

模型，它必须在它可以显示

字符计算的数学坐标的几何

特征。

图形图像显示有三种格式：

（1）二维或二维

（2）

two-and-a-half-dimensional

或21 /二维

（3）三维或三维效果。

这三种格式进行了fig.4.3，

4.4和4.5。二维图形图像显

示一个正（平）表示，通常

显示两个或两个

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多个视图（例如，前，前，

右）。21 /二维图形图像是斜

的表示。

三维图形图像可能是一个线

框模型或一个真正的三维实

体模型（偏）。

通讯可以进一步提高时，图

像的颜色会显示出来。CAD

／CAM的许多功能，包括有

限元分析，三维实体建模，

和，比较容易理解的图形图

像显示的颜色。具体应用如

管道图纸更易于阅读显示在

适当的各种颜色。

当图像都只有一种颜色显

示，有时很难确定何时线交

叉或下，什么是近，什么是

远，什么是失真图像与原图

像是什么（如有限元分析的

情况下），和层某一部分上。

色彩的运用可以更明确的区

分上下，远近，和原来的和

扭曲的。它也有助于澄清许

多组成的物体表面或几个组

成部分。

4.3.2设计分析

电脑简化了设计分析阶段

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过程明显。一旦设计已被开

发，有必要分析它将如何站

起来的条件，这将是。这样

的分析方法作为传热和应力

应变计算费时和复杂。与CAD

/ CAM，特殊编写的计算机程

序分析的目的是提供具体的

Tor。

这样的一个程序，简化了分

析制成品叫高元分析。有限

元分析的对象涉及打破成许

多小矩形或三角形的元素

（中心），然后再由计算机分

析每个元素。这种方法提供

了一个彻底的分析，不可能

不借助电脑是可行的。它还

提供了专门针对问题的位

置，这样的设计可以修正更

容易取得优势。

有限元分析，计算机必须有

一个强大的处理能力。计算

机通过分析每个有相互关联

的有限元分析的总体目标。

通过分析对象的每个有限元

的应力，应变响应，热，或

其他力上，计算机可以预测

整个对象的反应。

有限元分析现代CAD / CAM

系统的能力

过程的简单实现。用户首先

定义区域，分

和计算机自动划分领域互联

有限元网络。

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有限元分析的一个特别重要

的特征是其能够直观地显示