第1章計算機輔助制造概述第1章計算機輔助制造概述1第1章計算機輔助制造概述1.1CAD/CAM的基本概念1.2CAD/CAM系統的主要任務1.3CAD/CAM技術發展簡史與應用現狀1.4CAD與CAM之間的聯系1.5計算機輔助制造內涵擴展第1章計算機輔助制造概述1.1CAD/CAM的基本概念21.1CAD/CAM的基本概念1.1.1CAD/CAM的概念1.1.2產品設計制造過程與CAD/CAM1.1.3CAD/CAM系統的工作過程1.1.4CAD/CAM的應用意義1.1CAD/CAM的基本概念1.1.1CAD/CAM的31.1.1CAD/CAM的概念計算機輔助設計（ComputerAidedDesign,簡稱CAD）是指工程技術人員以計算機為輔助工具，完成產品設計構思和論證，產品總體設計，技術設計，零部件設計，有關零件的強度、剛度、熱、電、磁的分析計算和產品圖繪制等工作。一般認為CAD系統應包括如下功能：草圖設計、零件設計、工程分析、裝配設計、產品數據交換等。

1.1.1CAD/CAM的概念計算機輔助設計（Compu4CADCAD系統功能模型新產品開發計劃產品要求性能規定（輸入）設計知識數據庫CAD軟件計算機硬件（軟硬件環境）零件圖、裝配圖產品設計文件零件信息文件（輸出）CADCAD系統功能模型新產品開發計劃產品要求性能規定（輸入51.1.1CAD/CAM的概念狹義CAM通常是指計算機輔助數控加工程序的編制，包括刀具路徑規劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真、NC代碼生成以及與數控機床數控裝置的軟件接口等

廣義CAM一般是指利用計算機輔助完成從生產準備到產品制造整個過程的活動，包括工藝過程設計、工裝設計、NC自動編程、生產作業計劃、生產控制、質量控制等。

1.1.1CAD/CAM的概念狹義CAM通常是指計算機6CAM工藝路線文件工藝內容文件零件信息（輸入）加工設備數據庫CAM軟件計算機硬件（軟硬件環境）NC加工程序NC監測程序（輸出）狹義CAM系統功能模型CAM工藝路線文件工藝內容文件零件信息（輸入）加工設備數據庫71.1.2產品設計制造過程與CAD/CAM下圖給出了產品設計制造過程所包括的產品設計、工藝設計、生產管理和產品制造四個階段。這是一個串行的過程鏈，但在實際生產中，有些過程是并行進行的。如：在產品設計時，就要考慮產品的可制造性；產品制造過程中，則始終有生產管理的要求。1.1.2產品設計制造過程與CAD/CAM下圖給出了產品8方案設計總體設計工程分析與計算零件設計圖紙繪制產品設計工藝過程設計毛坯設計工裝設計工藝設計作業計劃編制物料管理制造資源管理生產管理數控編程及仿真數控加工常規加工質量控制產品裝配產品制造產品調試產品設計與制造過程方案設計總體設計工程分析與計算零件設計圖紙繪制產品設計工藝過9計算機輔助繪圖，簡稱CAG計算機輔助工程分析，簡稱CAE計算機輔助工藝設計，簡稱CAPP計算機輔助數控編程，簡稱NCP制造資源計劃，簡稱MRPII企業資源計劃，簡稱ERP計算機輔助質量控制，簡稱CAQ產品數據管理，簡稱PDM虛擬設計，簡稱VR-CAD虛擬制造，簡稱VM有代表意義的

CAD/CAM單項技術計算機輔助繪圖，簡稱CAG有代表意義的CAD/CAM單項技101.1.3CAD/CAM系統工作過程

CAD／CAM系統是設計、制造過程中的信息處理系統，它充分利用了計算機高效準確的計算功能、圖形處理功能以及復雜工程數據的存貯、傳遞、加工功能，在運行過程中，結合人的經驗、知識及創造性，形成一個人機交互、各盡所長、緊密配合的系統。CAD/CAM系統輸入的是設計要求，輸出的是制造加工信息。1.1.3CAD/CAM系統工作過程CAD／CAM系統是11應用CAD/CAM系統進行空間凸輪設計與制造的基本工作過程

根據工作要求設計出凸輪運動曲線及三維模型CAD（DESIGN）由凸輪三維模型自動生成二維工程圖CAD（DRAWING）編制凸輪數控加工程序并進行加工仿真CAM（NC）將加工程序輸入數控機床進行凸輪加工數控加工應用CAD/CAM系統進行空間凸輪設計與制造的基本工作過程12凸輪三維模型凸輪三維模型13凸輪二維工程圖凸輪二維工程圖14凸輪數控加工程序編制及加工仿真凸輪數控加工程序編制及加工仿真15凸輪加工實況凸輪加工實況16輸入設計要求選擇設計方案三維幾何造型及幾何模型最優化設計有限元分析裝配仿真運動仿真物性分析滿足產品要求否輸出圖樣、文件CAPP加工模擬滿足設計工藝要求否加工制造NC自動編程修改設計程序庫圖形庫設計參數數據庫刀具切削用量庫NC代碼庫工藝庫CADCAMNNYYCAD/CAM系統工作過程輸入設計要求選擇設計方案三維幾何造型及幾何模型最優化設計有限171.1.3CAD/CAM系統工作過程

通過市場需求調查以及用戶對產品性能的要求，向CAD系統輸入設計要求，利用幾何建模功能，構造出產品的幾何模型，計算機將此模型轉換為內部的數據信息，存貯在系統的數據庫中。

調用CAD/CAM系統程序庫中的各種應用程序對產品模型進行詳細設計計算及結構方案優化分析，以確定產品總體設計方案及零部件的結構及主要參數，同時，調用CAD/CAM系統中的圖形庫，將設計的初步結果以圖形的方式輸出在顯示器上。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程通過市場需求調查以及181.1.3CAD/CAM系統工作過程當把設計對象描述為計算機內部模型后，通過計算機輔助工程分析計算功能對產品技術性能指標進行優化設計、性能預測、結構分析和仿真。即通過計算機數值分析的求解速度快、效率高的優勢，對設計產品的結構和性能指標進行必要的工程分析和仿真計算。

根據計算機顯示的結果，設計人員對設計的初步結果作出判斷，如果不滿意，可以通過人機交互的方式進行修改，直至滿意為止，修改后的數據仍存儲在CAD/CAM系統的數據庫中。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程當把設計對象描述為計算191.1.3CAD/CAM系統工作過程CAD/CAM系統從數據庫中提取產品的設計制造信息，在分析其零件幾何形狀特點及有關技術要求后，對產品進行工藝規程設計，設計的結果存入系統的數據庫，同時在屏幕上顯示輸出。

工藝設計人員可以對工藝規程設計的結果進行分析、判斷，并允許以人機交互的方式進行修改。最終的結果可以是生產中需要的工藝卡片或以數據接口文件的形式存入數據庫，以供后續模塊讀取。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程CAD/CAM系統從數201.1.3CAD/CAM系統工作過程在打印機上輸出工藝卡片，成為車間生產加工的指導性文件。CAM子系統從數據庫中讀取零件幾何信息和加工工藝規程，生成NC加工程序。

有些

CAD／CAM系統在生成了產品加工的工藝規程之后，對其進行仿真、模擬，驗證其是否合理、可行。同時，還可以進行刀具、夾具、工件之間的干涉、碰撞檢驗。

在普通機床、數控機床上按照工藝規程和NC加工程序加工制造出有關產品。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程在打印機上輸出工藝卡片211.1.4CAD/CAM的應用意義縮短產品開發周期

提高產品設計質量

降低生產成本

提高管理水平

1.1.4CAD/CAM的應用意義縮短產品開發周期221.1.4CAD/CAM的應用意義

1.1.4CAD/CAM的應用意義231.2CAD/CAM系統的主要任務

1.零件造型2.裝配造型5.工程分析3.標準件庫4.工程繪圖6.優化設計11.應用軟件二次開發10.工程數據管理9.模擬仿真8.計算機輔助NC編程7.計算機輔助工藝規程設計1.2CAD/CAM系統的主要任務1.零件造型2.裝241.零件造型

零件造型是指在計算機中建立零件的三維實體模型。設計人員在三維CAD軟件的支持下可以根據自己的設想將零件從計算機中逐步“制作”出來。在制作過程中，設計人員可以從各個角度觀察具有真實感的零件造型。如果對模型不滿意，可以立即修改零件造型。零件造型能夠準確表達零件的形狀、尺寸、色澤、體積、重心、表面信息、材料信息等。對已有的零件造型提供方便的管理，以便存儲、歸檔或與其他系統交換數據。先進的CAD系統都提供參數化的基于特征的實體造型方法。1.零件造型零件造型是指在計算機中建立零件的三維實體模型。251.零件造型對于復雜表面的造型，系統可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根據給定的離散數據或有關具體工程問題的邊界條件來定義、生成、控制和處理過渡曲面，或用掃描的方法得到掃描體、建立曲面的模型。零件造型技術是CAD／CAM系統的核心，它為產品的設計、制造提供基本數據，同時，也為其它模塊提供原始的信息，例如，所定義的幾何模型的信息可供給有限元分析、繪圖、仿真、加工等模塊調用。1.零件造型對于復雜表面的造型，系統可采用曲面造型或雕塑曲面26零件造型舉例-機械零件齒輪凸輪動畫演示零件造型舉例-機械零件齒輪凸輪動畫演示27凸輪運動凸輪運動28零件造型舉例－塑料橡膠件洗滌劑瓶顯示器外殼橡膠輪胎零件造型舉例－塑料橡膠件洗滌劑瓶顯示器外殼橡膠輪胎29零件造型舉例－葉輪零件風扇葉輪離心葉輪動畫演示動畫演示零件造型舉例－葉輪零件風扇葉輪離心葉輪動畫演示動畫演示30風扇葉輪旋轉運動風扇葉輪旋轉運動31離心葉輪旋轉運動離心葉輪旋轉運動32零件造型舉例－轎車外形零件造型舉例－轎車外形332.裝配造型

裝配造型能夠模仿實際的裝配過程，生成產品的裝配。通過裝配造型可以發現由于設計不當在實際裝配時可能出現的問題，如間隙過小或過大、零件之間的干涉等。裝配造型還能夠提供產品的外觀效果圖和反映裝配關系的零件散開分布的爆炸圖。對于復雜的產品，裝配造型可提供多樣的方法提高造型的效率。裝配造型還提供了完善的系列化產品的設計方法，如通過更換部分零件來改變一種產品類型。

2.裝配造型裝配造型能夠模仿實際的裝配過程，生成產品的裝34球閥體裝配模型球閥體裝配模型35球閥體裝配模型分解圖球閥體裝配模型分解圖36公用電話裝配模型公用電話裝配模型37釘書器裝配模型釘書器裝配模型38剎車盤裝配動畫剎車盤裝配動畫39電風扇裝配動畫電風扇裝配動畫40福特發動機虛擬裝配及工作過程演示福特發動機虛擬裝配及工作過程演示413.標準件庫

大多數CAD系統均提供通用標準零件和特征的擴展庫。用戶可以很方便地選取標準特征或零件，并將它們組合進零件或部件的設計中。常用的標準零件有方形和六角形螺母、螺栓、普通墊圈、彈簧墊圈、半月銷、內六角螺釘、鉚釘、開口銷等等。標準特征包括孔、槽、軸、頸、法蘭、加強筋、殼、耳、螺紋、通風格柵、管狀特征等等。3.標準件庫大多數CAD系統均提供通用標準零件和特征的擴42三維CAD系統MDT的螺栓庫三維CAD系統MDT的螺栓庫43三維CAD系統MDT的螺母庫三維CAD系統MDT的螺母庫444.工程繪圖

產品設計的結果往往是工程圖的形式，CAD／CAM中的某些中間結果也是通過圖形表達的。一般的CAD軟件都具有人機交互輸入和處理二維圖形的能力，包括基本圖元的生成，標注尺寸，圖形的編輯（比例變換、平移、圖形拷貝、圖形刪除等）以及顯示控制、附加技術條件等功能，保證生成符合生產實際要求，也符合國家標準的工程圖。4.工程繪圖產品設計的結果往往是工程圖的形式，CAD／CA454.工程繪圖先進的CAD軟件已具備根據零件的三維零件圖和裝配造型自動生成投影圖、輔助圖、剖面圖和局部視圖的功能，并能自動標注尺寸，其工程圖樣與零件造型密切相關。如果改變了圖紙中的尺寸，相關零件的造型尺寸也將隨之改變，圖紙中的線條長度和位置也將反映這種變化，從而保證能夠對設計進行快速、一致的修改。4.工程繪圖先進的CAD軟件已具備根據零件的三維零件圖和裝配46三維零件圖二維工程圖CAD自動生成三維零件圖二維工程圖CAD自動生成475.工程分析

CAD／CAM系統構造了產品的幾何模型之后，能夠根據產品幾何形狀，計算出相應的體積、表面積、質量、重心位置、轉動慣量等幾何特性和物理特性、為系統進行工程分析和數值計算提供必要的基本參數。另一方面，CAD／CAM中的結構分析中需進行大量的應力、溫度、位移等分析計算。因此，要求CAD／CAM系統完成各類分析計算的算法正確、全面，能處理大量的數據，還要有較高的計算精度。5.工程分析CAD／CAM系統構造了產品的幾何模型之后，485.工程分析CAD／CAM系統中結構分析常用的方法是有限元法，這是一種數值近似解方法，用來求解結構形狀比較復雜工程構件的靜態和動態特性，以及構件的強度、振動、熱變形、磁場、溫度、應力分布狀態等的計算分析。在進行靜、動態特性分析計算之前，系統根據產品結構特點，劃分網格、標出單元號、節點號、并將劃分的結果顯示在屏幕上；進行分析計算之后，將計算結果以圖形、文件的形式輸出，例如應力分布圖、溫度場分布圖、位移變形曲線等，使用戶方便、直觀地看到分析的結果。5.工程分析CAD／CAM系統中結構分析常用的方法是有限元49

有限元分析步驟幾何建模網格劃分施加約束、分析計算、查看計算結果有限元分析步驟幾何建模網格劃分施加約束、分析計算、查看計算50有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬

軋制是旋轉的軋輥將材料帶入輥縫之間并使之產生變形的過程。軋制生產中，材料的塑性變形規律、軋輥和軋件之間的摩擦現象、材料中的溫度和微觀組織的變化、軋制過程中的壓下率、寬厚比等及其對軋件質量的影響，都是非常復雜的問題。有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬軋制是旋轉的軋輥將51有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬

影響軋制的生產效率和生產質量的原因很多，從現場和實驗中得到的規律和理論很難覆蓋所有方面，而且耗費巨大。采用數值模擬的方法進行數值實驗是近年來理論研究中的趨勢，將有限元方法應用于軋制過程的理論研究不但可以節省實驗費用，而且因其高速性和可靠性可以對軋制過程中不易進行實驗研究的課題進行深入地探討。

有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬影響軋制的生產效率52平板軋制過程（應力及變形模擬）為簡化計算，將三維軋制過程簡化為平面問題，軋輥看成彈性體。平板軋制過程（應力及變形模擬）為簡化計算，將三維軋制過程簡化536.優化設計

CAD／CAM系統根據需要還可配置優化設計功能，也就是在某些條件的限制下，使產品或工程設計中的預定指標達到最優。優化包括總體方案的優化、產品零件結構的優化、工藝參數的優化等。優化設計是現代設計方法學中的一個重要的組成部分。

6.優化設計CAD／CAM系統根據需要還可配置優化設計功547.計算機輔助工藝規程設計

設計的后續過程是加工制造，而工藝設計是為產品的加工制造提供指導性的文件。因此，計算機輔助工藝規程設計（CAPP）是CAD與CAM的中間環節。CAPP系統應當根據建模后生成的產品信息及制造要求，自動決策出加工該產品所采用的加工方法、加工步驟、加工設備及加工參數。CAPP的設計結果一方面能被生產實際所用，生成工藝卡片文件，另一方面能直接輸出一些信息，為CAM中的NC自動編程系統接收、識別，直接轉換為刀位文件。

7.計算機輔助工藝規程設計設計的后續過程是加工制造，而工55CAPP零件幾何信息零件工藝信息（輸入）工藝知識數據庫圖形系統計算機硬件（軟硬件環境）CAPP系統功能模型（輸出）工藝路線文件工時定額文件工藝內容文件毛坯圖、工序圖CAPP零件幾何信息零件工藝信息（輸入）工藝知識數據庫圖形系568.計算機輔助NC編程

目前的CAM軟件大部分采用圖形交互式自動編程，即以CAD生成的零件幾何信息為基礎，采用人機交互對話方式，在計算機屏幕上指定被加工件的幾何特征、定義相關的加工參數后，由計算機進行分析處理，直接產生NC加工程序。仿真功能則能在計算機上動態顯示加工路徑，模擬實際切削加工。8.計算機輔助NC編程目前的CAM軟件大部分采用圖形交互57模具數控編程與加工仿真模具數控編程與加工仿真588.計算機輔助NC編程通過各自接口可將計算機與數控機床連接起來，利用CAM軟件中的通信模塊，能將計算機上的NC加工程序直接送至數控機床上的CNC系統（計算機數字控制系統）中控制數控加工，這個過程稱為直接數字控制（DNC）。8.計算機輔助NC編程通過各自接口可將計算機與數控機床連接59立式加工中心數控車床五面立式加工中心直接數字控制（DNC）立式加工中心數控車床五面立式加工中心直接數字控制（DNC）609.模擬仿真

在CAD／CAM系統內部，建立一個工程設計的實際系統模型，例如機構、機械手、機器人等。通過運行仿真軟件，代替、模擬真實系統的運行，用以預測產品的性能、產品的制造過程和產品的可制造性。如數控加工仿真系統，從軟件上實現零件試切的加工模擬，避免了現場調試帶來的人力、物力的投入以及加工設備損壞的風險，減少了制造費用，縮短了產品設計周期。通常有加工軌跡仿真，機構運動學模擬，機器人仿真，工件、刀具、機床的碰撞、干涉檢驗等。

9.模擬仿真在CAD／CAM系統內部，建立一個工程設計的61數控加工切削仿真數控加工切削仿真62公園游樂機運行仿真公園游樂機運行仿真63電風扇運行仿真電風扇運行仿真64裝載機運行仿真裝載機運行仿真6510.工程數據管理

由于

CAD／CAM系統中數據量大、種類繁多，既有幾何圖形數據，又有屬性語義數據；既有產品定義數據，又有生產控制數據；既有靜態標準數據，又有動態過程數據，結構還相當復雜，因此，CAD／CAM系統應能提供有效的管理手段，支持工程設計與制造全過程的信息流動與交換。目前，CAD／CAM系統中多采用PDM（ProductDataManagement）系統或工程數據庫系統作為統一的數據管理環境，實現各種工程數據的管理。10.工程數據管理由于CAD／CAM系統中數據量大、種6611.應用軟件二次開發

由于機械產品的用途多種多樣，任何強大的CAD系統都不可能向用戶提供各種具體產品的完善的CAD/CAM解決方案。大多數商品化CAD系統都提供了基于C、C++、VisualC++、VisualBasic的二次開發工具，為用戶將自己或者第三方在其基礎上編寫應用軟件提供了很大的方便。二次開發工具中提供的函數和方法可以調用CAD系統內部命令，直接存取CAD內部數據庫。

11.應用軟件二次開發由于機械產品的用途多種多樣，任何強671.3CAD/CAM技術發展簡史與應用現狀

CAD最初概念的產生；二維繪圖系統SKETCHPAD；“交鑰匙”系統（TurnkeySystem)；80年代超大規模集成電路；集成化、智能化、網絡化、可視化、并行化、標準化；反映時代潮流的商品化CAD/CAM軟件在我國應用日益廣泛。1.3CAD/CAM技術發展簡史與應用現狀CAD最初概念681.4CAD與CAM之間的聯系

CAD/CAM技術是圍繞產品（工程）的設計和制造相對獨立發展起來的。在應用時，常常也是以獨立的形式出現，并在各自的應用領域發揮了重要作用。然而，正如產品設計與產品制造是兩個密切關聯的環節一樣，CAD與CAM是企業生產活動自動化的兩個重要環節，兩者之間存在密切的信息聯系。如CAD系統的輸出是產品圖樣、技術文檔和其他文件。在進入CAPP系統之前需要從圖樣中提取幾何信息、技術要求等，以符合CAPP系統所要求的格式輸入。在進行NC加工程序編制時，也需提取大量的零件幾何形狀信息和公差信息才能由CAM系統生成合適的零件NC加工程序。1.4CAD與CAM之間的聯系CAD/CAM技術是圍繞產69CAD設計任務產品樣圖、技術文檔人工轉換零件幾何形狀、精度、材料CAPP工藝過程、工序圖人工轉換待加工面形狀以及精度CAMNC程序獨立的CAD和CAPP、CAM系統之間的信息傳遞CAD設計任務產品樣圖、人工轉換零件幾何形狀、CAPP工藝過701.4CAD與CAM之間的聯系

集成化的CAD/CAM系統則由計算機系統自動完成上圖所示的零件信息傳輸與交換。一般的CAD/CAM集成指的是把CAD、CAE、CAPP、CAPM、CAM等各種功能軟件有機地結合在一起，通過統一的信息管理和控制軟件實現產品信息的提取、轉換和共享，從而達到系統內信息的暢通和系統協調運行的目的。1.4CAD與CAM之間的聯系集成化的CAD/CAM系統71執行控制工程應用系統(CAD、CAE、CAM)數據庫、檔案庫、數據通信數據庫管理系統操作系統網絡軟件計算機硬件圖形系統軟件工具CAD/CAM集成系統的總體結構CAD/CAM集成系統是建立在計算機硬件基礎之上，在操作系統和網絡軟件的支持下運行的一種計算機軟件。數據庫管理系統、圖形系統、各種軟件工具直接依賴于計算機操作系統和網絡軟件，形成CAD/CAM軟件系統的支撐環境。

執行控制工程應用系統(CAD、CAE、CAM)數據庫、721.5計算機輔助制造內涵擴展向高效化、敏捷化、清潔化方向發展向精密化、多樣化、復合化方向發展向柔性化、集成化、智能化、全球化方向發展1.5計算機輔助制造內涵擴展向高效化、敏捷化、清潔化方向發732022/11/6741.5計算機輔助制造內涵擴展集成化從當前企業內部的信息集成和功能集成，發展到過程集成，并正在步入實現企業間集成的階段。數字化／虛擬化從產品的數字化設計開始，發展到產品全生命周期中各類活動、設備及實體的數字化。在數字化基礎上，虛擬化技術正在迅速發展，主要包括虛擬現實應用、虛擬產品開發和虛擬制造。網絡化從基于局域網發展到基于Intranet/Extranet/Internet的分布式網絡制造，以支持全球制造策略的實現。

2022/11/2741.5計算機輔助制造內涵擴展集成化2022/11/6751.5計算機輔助制造內涵擴展柔性化正積極研究發展企業間動態聯盟技術、敏捷設計生產技術、可重組技術等，以實現敏捷制造。智能化是制造系統在柔性化和集成化基礎上進一步的發展與延伸，引入各類人工智能和智能控制技術，實現具有自律、分布、智能、敏捷等特點的新一代制造系統。綠色化包括綠色制造、環境意識的設計與制造、生態工廠、清潔化生產等，它是全球可持續發展戰略在制造業中的體現，是擺在現代制造業面前的一個嶄新課題。

2022/11/2751.5計算機輔助制造內涵擴展柔性化2022/11/6761.5計算機輔助制造內涵擴展1.5.1敏捷制造1.5.2綠色制造1.5.3計算機集成制造1.5.4網絡制造1.5.5虛擬制造2022/11/2761.5計算機輔助制造內涵擴展1.5.1.5.1敏捷制造敏捷制造起源虛擬企業1.5.1敏捷制造敏捷制造起源77敏捷制造起源美國國防部撰寫《21世紀制造業發展戰略報告》，首次提出敏捷制造（AgileManufacturing,AM）的概念。AM的基本思想是充分利用信息時代的通信工具和通信環境，為某一產品的快速開發，在一些制造企業之間建立一個動態的企業聯盟（即虛擬企業），各虛擬企業之間加強合作和知識、信息、技術資源共享，充分發揮各自的優勢和創造能力，在最短的時間內以最小的投資完成產品的設計制造過程，并快速把產品推向市場。AM是一種提高企業群體競爭能力的全新的制造組織模式。敏捷性使企業能以更快的速度、更好的質量、更低的成本和更優質的服務來贏得市場競爭。敏捷制造起源美國國防部撰寫《21世紀制造業發展戰略報告》，首78虛擬企業敏捷制造的核心思想是建立虛擬企業（VE）以快速應對市場。VE是敏捷制造的基本動態組織形態，是指為了贏得某一機遇性市場競爭，圍繞某種新產品開發，通過利用不同組織或企業的優勢資源，組建為靠網絡通信聯系的階段性經營實體。VE實質上是不同組織或企業間的動態集成，隨市場機遇的存亡而聚散。在具體表現上，結盟的可以是同一個大公司的不同組織部門，也可以是不同國家的不同公司。虛擬企業敏捷制造的核心思想是建立虛擬企業（VE）以快速應對市79虛擬企業的本質特征

虛擬企業是以整個社會制造資源為基礎的，在組建前不受制造資源的制約，完全以社會對產品的需要為導向。企業要被虛擬企業的組織者選中，就必需形成自己的核心能力。虛擬企業的本質特征為企業制造資源及企業最終產品關系的動態化與模糊化。虛擬企業不一定非得利用成員企業的全部制造資源，而是可以利用成員企業的部分制造資源，甚至一個生產單元、一臺設備，而且一家企業可以同時參與不同的虛擬企業。

虛擬企業的本質特征虛擬企業是以整個社會制造資源為基礎的，在80虛擬企業的組織模式

虛擬企業的組織基礎

指構成虛擬企業中的獨立企業的制造資源特征，按企業內部效率及企業間交易成本因素考慮。三種基本類型：

新產品研制與開發企業

專用零、部件生產及總裝企業

通用標準零部件生產企業

虛擬企業的組織模式虛擬企業的組織基礎指構成虛擬企業中的81虛擬企業的組織模式虛擬企業的組織結構

根據虛擬企業隨市場變化的敏捷特征，設計虛擬企業的結構：

核心層由新產品設計與開發企業構成。核心層企業之間的關系是共同分擔成本與風險，分享利潤。

緊密層由專用零部件生產及總裝企業構成，這一層企業按照合同要求相互配合，合同與核心層代表簽訂，負責按合同要求生產與裝配。

松散層由通用標準零部件生產企業組成，以市場形式提供標準化、通用化零部件或按合同進行生產。

虛擬企業的組織模式虛擬企業的組織結構根據虛擬企業隨市場變821.5.2綠色制造綠色制造起源綠色制造的內涵綠色設計綠色加工綠色制造的發展趨勢1.5.2綠色制造綠色制造起源83綠色制造起源最有效地利用資源和最低限度地產生廢棄物，是當前世界上環境問題的治本之道。制造業一方面是創造人類財富的支柱產業，但同時又是當前環境污染的主要源頭。制造資源（原材料能源等）制造過程產品（使用和處理）廢棄資源環境污染綠色制造起源最有效地利用資源和最低限度地產生廢棄物，是當前世84綠色制造的內涵綠色制造定義綠色制造特點綠色制造體系結構綠色制造的內涵綠色制造定義85綠色制造定義綠色制造又稱環境意識制造、面向環境的制造等。綠色制造是一個綜合考慮環境影響和資源效率的現代制造模式，其目標是使得產品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期中，對環境的影響（負作用）最小，資源效率最高，并使企業經濟效益和社會效益協調優化。綠色制造定義綠色制造又稱環境意識制造、面向環境的制造等。86綠色制造特點多領域綠色制造涉及的問題領域包括三部分：制造問題，包括產品生命周期全過程；環境影響問題；資源優化問題。綠色制造就是這三部分內容的交叉和集成。大制造綠色制造涉及現代制造觀的變革、可持續制造理論、21世紀制造系統的體系結構以及大制造、大過程和學科交叉等一系列制造科學問題。綠色制造特點多領域綠色制造涉及的問題領域包括三部分：制造問87綠色制造特點廣內涵圍繞制造過程中的環境問題提出了許多與綠色制造相關或相類似的制造概念。綠色制造環境意識制造生態意識制造綠色設計環境意識設計生態意識設計綠色工藝規劃綠色加工技術清潔技術綠色包裝綠色材料選擇面向拆卸設計可回收性設計面向制造與裝配設計長壽命設計綠色制造特點廣內涵圍繞制造過程中的環境問題提出了許多與綠色88綠色制造特點物流閉環傳統制造的物流是一個開環系統，物流的終端是產品使用到報廢為止。綠色制造的物流則是一個閉環系統，其中開環物流和產品報廢后的反饋形成大閉環系統。在此過程中，又可能形成若干個小閉環系統，如圖中的產品綠色包裝，加上包裝件的回收就形成了一個小閉環系統。綠色制造特點物流閉環傳統制造的物流是一個開環系統，物流的終89綠色制造特點—物流閉環特性原材料開采原材料生產產品加工產品裝配產品綠色包裝用戶產品使用維護產品報廢材料可再生的零部件可修改或改制的零部件材料可再生可重用零部件不可再生的廢棄物無害化處理可回收材料分類包裝回收回收拆卸綠色制造特點—物流閉環特性原材料開采原材料生產產品加工產品裝90綠色制造體系結構綠色制造的理論體系GM體系結構和多生命周期工程綠色制造系統綠色能源系統綠色設計技術綠色加工技術綠色包裝技術綠色生產設備綠色制造工藝綠色制造的數據庫和知識庫綠色原材料綠色生產環境綠色管理模式和綠色供應鏈綠色制造的實施工具盒產品綠色制造的理論體系和總體技術綠色制造的專題技術綠色制造的支撐技術綠色制造的關鍵技術體系綠色制造體系結構綠色制造的理論體系GM體系結構和多生命周期工91綠色設計產品的綠色設計與傳統設計區別綠色設計的主要內容綠色設計產品的綠色設計與傳統設計區別92產品的綠色設計與傳統設計區別產品的傳統設計過程僅僅考慮產品的基本屬性，而不考慮環境屬性。綠色設計則在產品的整個生命周期內，優先考慮產品的環境屬性，然后再考慮產品應有的基本屬性。減少廢物排放降低資源消耗減少影響安全健康的風險生態降解適用性可靠性成本低利潤大綜合消費者的審美觀提高品位環境原則性能原則收益原則美學原則綠色設計原則產品的綠色設計與傳統設計區別產品的傳統設計過程僅僅考慮產品的93綠色設計的主要內容產品的綠色材料選擇產品的面向拆卸設計產品的回收性設計產品的長壽命設計綠色設計的主要內容產品的綠色材料選擇94綠色加工技術綠色鑄造工藝綠色熔煉技術綠色砂型技術精密鑄造技術綠色鍛造工藝精密鍛壓技術激光彎曲成形技術冷擠壓、軋制等綠色焊接工藝激光焊接技術超聲波焊接技術電子束焊接綠色切削工藝干切削技術干磨削技術激光加工粉末冶金工藝快速成形技術綠色熱處理技術綠色加工技術綠色加工技術綠色熔煉技術綠色砂型技術精密鑄造技術精密鍛壓技術952022/11/6961.5.3計算機集成制造1974年，美國JosephHarrington博士首次提出了CIM(ComputerintegrationManufacturing)理念。本質在于以計算機為工具來輔助制造系統的集成，即以充分的信息交流或信息共享，促進制造系統或制造企業組織結構的優化與運行優化，其目的在于提高企業的競爭能力和生存能力。

2022/11/2961.5.3計算機集成制造1974年，2022/11/697計算機集成制造理念CIM將傳統的制造技術與現代信息技術、管理技術、自動化技術、系統工程技術等有機結合，使企業產品全生命周期各階段活動中有關的人／組織、經營管理和技術三要素及其信息流、物流和價值流三流有機集成并優化運行，以達到產品（P)上市快（T)、高質（Q)、低耗（C)、服務好（S)、環境清潔（E)，進而提高企業的柔性、健壯性、敏捷性，使企業贏得市場競爭。

2022/11/297計算機集成制造理念CIM將傳統的制造技2022/11/698CIMS的特征數字化、信息化、智能化、集成化、綠色化。信息集成、過程集成和企業間集成。CIMS技術是基于傳統制造技術、信息技術、管理技術、自動化技術、系統工程技術的一門發展中的綜合性技術。2022/11/298CIMS的特征數字化、信息化、智能化、2022/11/6CIMS的構成

計算機網絡支撐子系統和數據庫支撐子系統管理信息子系統質量保證子系統工程設計自動化子系統制造自動化子系統市場信息原材料產品銷售服務信息技術信息2022/11/2CIMS的構成計算機網絡支撐子系統和數據992022/11/6100CIMS的四個功能子系統管理信息子系統

包括預測、經營決策、各級生產計劃、生產技術準備、銷售、供應、財務、成本、設備、人力資源的管理信息功能。工程設計自動化子系統通過計算機來輔助產品設計、制造準備以及產品測試，即CAD/CAPP/CAM階段。

2022/11/2100CIMS的四個功能子系統管理信息子系2022/11/6101CIMS的四個功能子系統制造自動化子系統是CIMS信息流和物流的結合點，是CIMS最終產生經濟效益的聚集地，由數控機床、加工中心、清洗機、測量機、運輸小車、立體倉庫、多級分布式控制計算機等設備及相應的支持軟件組成。根據產品工程技術信息、車間層加工指令，完成對零件毛坯的作業調度及制造。

2022/11/2101CIMS的四個功能子系統制造自動化子2022/11/6102CIMS的四個功能子系統質量保證子系統包括質量決策、質量檢測、產品數據的采集、質量評價、生產加工過程中的質量控制與跟蹤功能。系統保證從產品設計、產品制造、產品檢測到售后服務全過程的質量。

2022/11/2102CIMS的四個功能子系統質量保證子系2022/11/6103CIMS的兩個支撐子系統

計算機網絡支撐子系統

即企業外部的廣域網、內部的局域網及支持CIMS各子系統的開放型網絡通信系統。采用標準協議可以實現異機互聯、異構局域網和多種網絡的互聯。系統滿足不同子系統對網絡服務提出的不同需求，支持資源共享、分布處理、分布數據庫和適時控制2022/11/2103CIMS的兩個支撐子系統計算機網絡2022/11/6104CIMS的兩個支撐子系統數據庫支撐子系統

支持CIMS各子系統的數據共享和信息集成，覆蓋了企業全部數據信息，在邏輯上是統一的，在物理上是分布式的數據庫管理系統。

2022/11/2104CIMS的兩個支撐子系統數據庫支撐子2022/11/6105CIMS的體系結構

工廠層車間層單元層工作站層設備層工廠加工車間虛擬單元1虛擬單元2虛擬單元n切削工作站檢驗工作站物料儲運工作站機器人機床零件倉庫機器人檢驗設備零件倉庫機器人自動小車傳送器………………2022/11/2105CIMS的體系結構工廠層車間層單元2022/11/6106工廠層控制系統工廠層控制系統為CIMS的最高一級控制，進行生產管理，履行“工廠”或“總公司”的職能。它的規劃時間范圍（指任何控制層完成任務的時間長度）可以從幾個月到幾年。該層按主要功能又可分為三個模塊：生產管理模塊、信息管理模塊和制造工程模塊。2022/11/2106工廠層控制系統工廠層控制系統為CIM2022/11/6107工廠層控制系統生產管理模塊

跟蹤主要項目，制定長期生產計劃，明確生產資源需求，確定所需的追加投資，計算出剩余生產能力，匯總質量性能數據。根據生產計劃數據確定交給下一級的生產指令。信息管理模塊

通過用戶---數據接口實現必要的行政或經營的管理功能，如成本估算、庫存估計、用戶訂單處理、采購、人事管理以及工資單處理等。

2022/11/2107工廠層控制系統生產管理模塊跟蹤2022/11/6108工廠層控制系統制造工程模塊其功能一般都是通過用戶——數據接口，在人的干預下實現的。該模塊包括兩個子模塊：CAD子模塊和工藝過程設計子模塊。CAD子模塊用于設計幾何尺寸規格和提出部件、零件、刀具和夾具的材料表（BillofMaterial,BOM)；工藝過程設計子模塊則用于編制每個零件從原材料到成品的全部工藝規程。

2022/11/2108工廠層控制系統制造工程模塊其功能2022/11/6109車間層控制系統

任務管理模塊負責安排生產能力計劃，對定單進行分批，把任務及資源分配給各單元，跟蹤訂單直到完成，跟蹤設備利用情況，安排所有切削刀具、夾具、機器人、機床及物料運輸設備的預防性維修，以及其他輔助性工作。資源分配模塊負責分配單元層控制系統進行各項目具體加工時所需的工作站、儲存區、托盤、刀具及材料等。它還根據“按需分配”原則，把一些工作站分配給特定的“虛擬”單元，動態地改變其組織結構。

2022/11/2109車間層控制系統任務管理模塊負責2022/11/6110單元層控制系統

單元層控制系統負責相似零件分批通過工作站的順序和管理（諸如物料儲運、檢驗）及其他有關輔助工作。它的規劃時間范圍可從幾個小時到幾周。具體的工作內容是完成任務分解，資源需求分析，向車間層控制系統報告作業進展和系統狀態，決定分批零件的動態加工路線，安排工作站的工序，給工作站分配任務以及監控任務的進展情況。

2022/11/2110單元層控制系統單元層控制系統負責相2022/11/6111工作站層控制系統工作站層控制系統負責和協調車間中一個設備小組的活動。它的規劃時間范圍可從幾分鐘到幾小時。一個典型的加工工作站由一臺機器人、一臺機床、一個物料儲存器和一臺控制計算機組成。2022/11/2111工作站層控制系統工作站層控制系統負責2022/11/6112設備層控制系統設備層控制系統是機器人、各種加工機床、測量儀器、小車、傳送裝置等各種設備的控制器。采用這種控制是為了加工過程中的改善修正、質量檢測等方面的自動計量和自動在線檢測、監控。該層控制系統向上與工作站控制系統接口連接，向下與廠家供應的各單元設備控制器連接。設備控制器的功能是把工作站控制器命令轉換成可操作的、有次序的簡單任務，并通過各種傳感器監控這些任務的執行。

2022/11/2112設備層控制系統設備層控制系統是機器人2022/11/6113CIMS開發步驟CIMS應用工程的開發過程主要分為四個階段：可行性論證、系統設計、分步實施、運行和維護。CIMS工程的設計是自頂向下逐步分解、不斷細化的過程，而實施則是自底向上、逐步集成的過程。2022/11/2113CIMS開發步驟CIMS應用工程的開2022/11/6114CIMS開發步驟可行性論證階段了解企業的生產經營特點，分析系統需求，確定系統目標，提出實現方案，指出關鍵技術和解決途徑，制定開發計劃，分析投資效益等。系統設計階段細化需求分析，確定系統功能模型、信息模型及運行模型，提出系統集成的內外部接口要求，運行環境和限制條件等。系統設計又分為初步設計及詳細設計兩個階段。

2022/11/2114CIMS開發步驟可行性論證階段了2022/11/6115CIMS開發步驟分步實施階段按系統設計的要求，完成系統軟硬件的購買、安裝、開發、調試。

運行和維護階段在應用中完善系統。

2022/11/2115CIMS開發步驟分步實施階段按系統2022/11/6116CIMS的實施要點要改造原有的經營模式、體制和組織，以適應市場競爭的需要。因為CIMS是多技術支持條件下的一種新的經營模式。在企業經營模式、體制和組織的改造過程中，對于人的因素要給予充分的重視，并妥善處理。因為人作為企業的第一資源，其知識水平、技能和觀念等具有極大的能動性。

CIMS的實施是一個復雜的系統工程，整個的實施過程必須有正確的方法論指導和規范化的實施步驟，以減少盲目性和不必要的疏漏。

2022/11/2116CIMS的實施要點要改造原有的經營模2022/11/6117CIMS成功應用的案例

成都飛機工業公司沈陽鼓風機廠波音777飛機2022/11/2117CIMS成功應用的案例成都飛機工業2022/11/61181.5.4網絡制造網絡制造2022/11/21181.5.4網絡制造網絡制造2022/11/61191.5.5虛擬制造虛擬制造2022/11/21191.5.5虛擬制造虛擬制造思考題

簡述CAD/CAM系統的工作過程。簡述CAD/CAM技術發展的歷程及其各發展階段的特點。簡述CAD/CAM技術可以應用于產品設計與制造過程中的哪些方面？解決哪些問題？思考題簡述CAD/CAM系統的工作過程。120第1章計算機輔助制造概述第1章計算機輔助制造概述121第1章計算機輔助制造概述1.1CAD/CAM的基本概念1.2CAD/CAM系統的主要任務1.3CAD/CAM技術發展簡史與應用現狀1.4CAD與CAM之間的聯系1.5計算機輔助制造內涵擴展第1章計算機輔助制造概述1.1CAD/CAM的基本概念1221.1CAD/CAM的基本概念1.1.1CAD/CAM的概念1.1.2產品設計制造過程與CAD/CAM1.1.3CAD/CAM系統的工作過程1.1.4CAD/CAM的應用意義1.1CAD/CAM的基本概念1.1.1CAD/CAM的1231.1.1CAD/CAM的概念計算機輔助設計（ComputerAidedDesign,簡稱CAD）是指工程技術人員以計算機為輔助工具，完成產品設計構思和論證，產品總體設計，技術設計，零部件設計，有關零件的強度、剛度、熱、電、磁的分析計算和產品圖繪制等工作。一般認為CAD系統應包括如下功能：草圖設計、零件設計、工程分析、裝配設計、產品數據交換等。

1.1.1CAD/CAM的概念計算機輔助設計（Compu124CADCAD系統功能模型新產品開發計劃產品要求性能規定（輸入）設計知識數據庫CAD軟件計算機硬件（軟硬件環境）零件圖、裝配圖產品設計文件零件信息文件（輸出）CADCAD系統功能模型新產品開發計劃產品要求性能規定（輸入1251.1.1CAD/CAM的概念狹義CAM通常是指計算機輔助數控加工程序的編制，包括刀具路徑規劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真、NC代碼生成以及與數控機床數控裝置的軟件接口等

廣義CAM一般是指利用計算機輔助完成從生產準備到產品制造整個過程的活動，包括工藝過程設計、工裝設計、NC自動編程、生產作業計劃、生產控制、質量控制等。

1.1.1CAD/CAM的概念狹義CAM通常是指計算機126CAM工藝路線文件工藝內容文件零件信息（輸入）加工設備數據庫CAM軟件計算機硬件（軟硬件環境）NC加工程序NC監測程序（輸出）狹義CAM系統功能模型CAM工藝路線文件工藝內容文件零件信息（輸入）加工設備數據庫1271.1.2產品設計制造過程與CAD/CAM下圖給出了產品設計制造過程所包括的產品設計、工藝設計、生產管理和產品制造四個階段。這是一個串行的過程鏈，但在實際生產中，有些過程是并行進行的。如：在產品設計時，就要考慮產品的可制造性；產品制造過程中，則始終有生產管理的要求。1.1.2產品設計制造過程與CAD/CAM下圖給出了產品128方案設計總體設計工程分析與計算零件設計圖紙繪制產品設計工藝過程設計毛坯設計工裝設計工藝設計作業計劃編制物料管理制造資源管理生產管理數控編程及仿真數控加工常規加工質量控制產品裝配產品制造產品調試產品設計與制造過程方案設計總體設計工程分析與計算零件設計圖紙繪制產品設計工藝過129計算機輔助繪圖，簡稱CAG計算機輔助工程分析，簡稱CAE計算機輔助工藝設計，簡稱CAPP計算機輔助數控編程，簡稱NCP制造資源計劃，簡稱MRPII企業資源計劃，簡稱ERP計算機輔助質量控制，簡稱CAQ產品數據管理，簡稱PDM虛擬設計，簡稱VR-CAD虛擬制造，簡稱VM有代表意義的

CAD/CAM單項技術計算機輔助繪圖，簡稱CAG有代表意義的CAD/CAM單項技1301.1.3CAD/CAM系統工作過程

CAD／CAM系統是設計、制造過程中的信息處理系統，它充分利用了計算機高效準確的計算功能、圖形處理功能以及復雜工程數據的存貯、傳遞、加工功能，在運行過程中，結合人的經驗、知識及創造性，形成一個人機交互、各盡所長、緊密配合的系統。CAD/CAM系統輸入的是設計要求，輸出的是制造加工信息。1.1.3CAD/CAM系統工作過程CAD／CAM系統是131應用CAD/CAM系統進行空間凸輪設計與制造的基本工作過程

根據工作要求設計出凸輪運動曲線及三維模型CAD（DESIGN）由凸輪三維模型自動生成二維工程圖CAD（DRAWING）編制凸輪數控加工程序并進行加工仿真CAM（NC）將加工程序輸入數控機床進行凸輪加工數控加工應用CAD/CAM系統進行空間凸輪設計與制造的基本工作過程132凸輪三維模型凸輪三維模型133凸輪二維工程圖凸輪二維工程圖134凸輪數控加工程序編制及加工仿真凸輪數控加工程序編制及加工仿真135凸輪加工實況凸輪加工實況136輸入設計要求選擇設計方案三維幾何造型及幾何模型最優化設計有限元分析裝配仿真運動仿真物性分析滿足產品要求否輸出圖樣、文件CAPP加工模擬滿足設計工藝要求否加工制造NC自動編程修改設計程序庫圖形庫設計參數數據庫刀具切削用量庫NC代碼庫工藝庫CADCAMNNYYCAD/CAM系統工作過程輸入設計要求選擇設計方案三維幾何造型及幾何模型最優化設計有限1371.1.3CAD/CAM系統工作過程

通過市場需求調查以及用戶對產品性能的要求，向CAD系統輸入設計要求，利用幾何建模功能，構造出產品的幾何模型，計算機將此模型轉換為內部的數據信息，存貯在系統的數據庫中。

調用CAD/CAM系統程序庫中的各種應用程序對產品模型進行詳細設計計算及結構方案優化分析，以確定產品總體設計方案及零部件的結構及主要參數，同時，調用CAD/CAM系統中的圖形庫，將設計的初步結果以圖形的方式輸出在顯示器上。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程通過市場需求調查以及1381.1.3CAD/CAM系統工作過程當把設計對象描述為計算機內部模型后，通過計算機輔助工程分析計算功能對產品技術性能指標進行優化設計、性能預測、結構分析和仿真。即通過計算機數值分析的求解速度快、效率高的優勢，對設計產品的結構和性能指標進行必要的工程分析和仿真計算。

根據計算機顯示的結果，設計人員對設計的初步結果作出判斷，如果不滿意，可以通過人機交互的方式進行修改，直至滿意為止，修改后的數據仍存儲在CAD/CAM系統的數據庫中。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程當把設計對象描述為計算1391.1.3CAD/CAM系統工作過程CAD/CAM系統從數據庫中提取產品的設計制造信息，在分析其零件幾何形狀特點及有關技術要求后，對產品進行工藝規程設計，設計的結果存入系統的數據庫，同時在屏幕上顯示輸出。

工藝設計人員可以對工藝規程設計的結果進行分析、判斷，并允許以人機交互的方式進行修改。最終的結果可以是生產中需要的工藝卡片或以數據接口文件的形式存入數據庫，以供后續模塊讀取。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程CAD/CAM系統從數1401.1.3CAD/CAM系統工作過程在打印機上輸出工藝卡片，成為車間生產加工的指導性文件。CAM子系統從數據庫中讀取零件幾何信息和加工工藝規程，生成NC加工程序。

有些

CAD／CAM系統在生成了產品加工的工藝規程之后，對其進行仿真、模擬，驗證其是否合理、可行。同時，還可以進行刀具、夾具、工件之間的干涉、碰撞檢驗。

在普通機床、數控機床上按照工藝規程和NC加工程序加工制造出有關產品。

1.1.3CAD/CAM系統工作過程在打印機上輸出工藝卡片1411.1.4CAD/CAM的應用意義縮短產品開發周期

提高產品設計質量

降低生產成本

提高管理水平

1.1.4CAD/CAM的應用意義縮短產品開發周期1421.1.4CAD/CAM的應用意義

1.1.4CAD/CAM的應用意義1431.2CAD/CAM系統的主要任務

1.零件造型2.裝配造型5.工程分析3.標準件庫4.工程繪圖6.優化設計11.應用軟件二次開發10.工程數據管理9.模擬仿真8.計算機輔助NC編程7.計算機輔助工藝規程設計1.2CAD/CAM系統的主要任務1.零件造型2.裝1441.零件造型

零件造型是指在計算機中建立零件的三維實體模型。設計人員在三維CAD軟件的支持下可以根據自己的設想將零件從計算機中逐步“制作”出來。在制作過程中，設計人員可以從各個角度觀察具有真實感的零件造型。如果對模型不滿意，可以立即修改零件造型。零件造型能夠準確表達零件的形狀、尺寸、色澤、體積、重心、表面信息、材料信息等。對已有的零件造型提供方便的管理，以便存儲、歸檔或與其他系統交換數據。先進的CAD系統都提供參數化的基于特征的實體造型方法。1.零件造型零件造型是指在計算機中建立零件的三維實體模型。1451.零件造型對于復雜表面的造型，系統可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根據給定的離散數據或有關具體工程問題的邊界條件來定義、生成、控制和處理過渡曲面，或用掃描的方法得到掃描體、建立曲面的模型。零件造型技術是CAD／CAM系統的核心，它為產品的設計、制造提供基本數據，同時，也為其它模塊提供原始的信息，例如，所定義的幾何模型的信息可供給有限元分析、繪圖、仿真、加工等模塊調用。1.零件造型對于復雜表面的造型，系統可采用曲面造型或雕塑曲面146零件造型舉例-機械零件齒輪凸輪動畫演示零件造型舉例-機械零件齒輪凸輪動畫演示147凸輪運動凸輪運動148零件造型舉例－塑料橡膠件洗滌劑瓶顯示器外殼橡膠輪胎零件造型舉例－塑料橡膠件洗滌劑瓶顯示器外殼橡膠輪胎149零件造型舉例－葉輪零件風扇葉輪離心葉輪動畫演示動畫演示零件造型舉例－葉輪零件風扇葉輪離心葉輪動畫演示動畫演示150風扇葉輪旋轉運動風扇葉輪旋轉運動151離心葉輪旋轉運動離心葉輪旋轉運動152零件造型舉例－轎車外形零件造型舉例－轎車外形1532.裝配造型

裝配造型能夠模仿實際的裝配過程，生成產品的裝配。通過裝配造型可以發現由于設計不當在實際裝配時可能出現的問題，如間隙過小或過大、零件之間的干涉等。裝配造型還能夠提供產品的外觀效果圖和反映裝配關系的零件散開分布的爆炸圖。對于復雜的產品，裝配造型可提供多樣的方法提高造型的效率。裝配造型還提供了完善的系列化產品的設計方法，如通過更換部分零件來改變一種產品類型。

2.裝配造型裝配造型能夠模仿實際的裝配過程，生成產品的裝154球閥體裝配模型球閥體裝配模型155球閥體裝配模型分解圖球閥體裝配模型分解圖156公用電話裝配模型公用電話裝配模型157釘書器裝配模型釘書器裝配模型158剎車盤裝配動畫剎車盤裝配動畫159電風扇裝配動畫電風扇裝配動畫160福特發動機虛擬裝配及工作過程演示福特發動機虛擬裝配及工作過程演示1613.標準件庫

大多數CAD系統均提供通用標準零件和特征的擴展庫。用戶可以很方便地選取標準特征或零件，并將它們組合進零件或部件的設計中。常用的標準零件有方形和六角形螺母、螺栓、普通墊圈、彈簧墊圈、半月銷、內六角螺釘、鉚釘、開口銷等等。標準特征包括孔、槽、軸、頸、法蘭、加強筋、殼、耳、螺紋、通風格柵、管狀特征等等。3.標準件庫大多數CAD系統均提供通用標準零件和特征的擴162三維CAD系統MDT的螺栓庫三維CAD系統MDT的螺栓庫163三維CAD系統MDT的螺母庫三維CAD系統MDT的螺母庫1644.工程繪圖

產品設計的結果往往是工程圖的形式，CAD／CAM中的某些中間結果也是通過圖形表達的。一般的CAD軟件都具有人機交互輸入和處理二維圖形的能力，包括基本圖元的生成，標注尺寸，圖形的編輯（比例變換、平移、圖形拷貝、圖形刪除等）以及顯示控制、附加技術條件等功能，保證生成符合生產實際要求，也符合國家標準的工程圖。4.工程繪圖產品設計的結果往往是工程圖的形式，CAD／CA1654.工程繪圖先進的CAD軟件已具備根據零件的三維零件圖和裝配造型自動生成投影圖、輔助圖、剖面圖和局部視圖的功能，并能自動標注尺寸，其工程圖樣與零件造型密切相關。如果改變了圖紙中的尺寸，相關零件的造型尺寸也將隨之改變，圖紙中的線條長度和位置也將反映這種變化，從而保證能夠對設計進行快速、一致的修改。4.工程繪圖先進的CAD軟件已具備根據零件的三維零件圖和裝配166三維零件圖二維工程圖CAD自動生成三維零件圖二維工程圖CAD自動生成1675.工程分析

CAD／CAM系統構造了產品的幾何模型之后，能夠根據產品幾何形狀，計算出相應的體積、表面積、質量、重心位置、轉動慣量等幾何特性和物理特性、為系統進行工程分析和數值計算提供必要的基本參數。另一方面，CAD／CAM中的結構分析中需進行大量的應力、溫度、位移等分析計算。因此，要求CAD／CAM系統完成各類分析計算的算法正確、全面，能處理大量的數據，還要有較高的計算精度。5.工程分析CAD／CAM系統構造了產品的幾何模型之后，1685.工程分析CAD／CAM系統中結構分析常用的方法是有限元法，這是一種數值近似解方法，用來求解結構形狀比較復雜工程構件的靜態和動態特性，以及構件的強度、振動、熱變形、磁場、溫度、應力分布狀態等的計算分析。在進行靜、動態特性分析計算之前，系統根據產品結構特點，劃分網格、標出單元號、節點號、并將劃分的結果顯示在屏幕上；進行分析計算之后，將計算結果以圖形、文件的形式輸出，例如應力分布圖、溫度場分布圖、位移變形曲線等，使用戶方便、直觀地看到分析的結果。5.工程分析CAD／CAM系統中結構分析常用的方法是有限元169

有限元分析步驟幾何建模網格劃分施加約束、分析計算、查看計算結果有限元分析步驟幾何建模網格劃分施加約束、分析計算、查看計算170有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬

軋制是旋轉的軋輥將材料帶入輥縫之間并使之產生變形的過程。軋制生產中，材料的塑性變形規律、軋輥和軋件之間的摩擦現象、材料中的溫度和微觀組織的變化、軋制過程中的壓下率、寬厚比等及其對軋件質量的影響，都是非常復雜的問題。有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬軋制是旋轉的軋輥將171有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬

影響軋制的生產效率和生產質量的原因很多，從現場和實驗中得到的規律和理論很難覆蓋所有方面，而且耗費巨大。采用數值模擬的方法進行數值實驗是近年來理論研究中的趨勢，將有限元方法應用于軋制過程的理論研究不但可以節省實驗費用，而且因其高速性和可靠性可以對軋制過程中不易進行實驗研究的課題進行深入地探討。

有限元分析實例—平板軋制過程的有限元模擬影響軋制的生產效率172平板軋制過程（應力及變形模擬）為簡化計算，將三維軋制過程簡化為平面問題，軋輥看成彈性體。平板軋制過程（應力及變形模擬）為簡化計算，將三維軋制過程簡化1736.優化設計

CAD／CAM系統根據需要還可配置優化設計功能，也就是在某些條件的限制下，使產品或工程設計中的預定指標達到最優。優化包括總體方案的優化、產品零件結構的優化、工藝參數的優化等。優化設計是現代設計方法學中的一個重要的組成部分。

6.優化設計CAD／CAM系統根據需要還可配置優化設計功1747.計算機輔助工藝規程設計

設計的后續過程是加工制造，而工藝設計是為產品的加工制造提供指導性的文件。因此，計算機輔助工藝規程設計（CAPP）是CAD與CAM的中間環節。CAPP系統應當根據建模后生成的產品信息及制造要求，自動決策出加工該產品所采用的加工方法、加工步驟、加工設備及加工參數。CAPP的設計結果一方面能被生產實際所用，生成工藝卡片文件，另一方面能直接輸出一些信息，為CAM中的NC自動編程系統接收、識別，直接轉換為刀位文件。

7.計算機輔助工藝規程設計設計的后續過程是加工制造，而工175CAPP零件幾何信息零件工藝信息（輸入）工藝知識數據庫圖形系統計算機硬件（軟硬件環境）CAPP系統功能模型（輸出）工藝路線文件工時定額文件工藝內容文件毛坯圖、工序圖CAPP零件幾何信息零件工藝信息（輸入）工藝知識數據庫圖形系1768.計算機輔助NC編程

目前的CAM軟件大部分采用圖形交互式自動編程，即以CAD生成的零件幾何信息為基礎，采用人機交互對話方式，在計算機屏幕上指定被加工件的幾何特征、定義相關的加工參數后，由計算機進行分析處理，直接產生NC加工程序。仿真功能則能在計算機上動態顯示加工路徑，模擬實際切削加工。8.計算機輔助NC編程目前的CAM軟件大部分采用圖形交互177模具數控編程與加工仿真模具數控編程與加工仿真1788.計算機輔助NC編程通過各自接口可將計算機與數控機床連接起來，利用CAM軟件中的通信模塊，能將計算機上的NC加工程序直接送至數控機床上的CNC系統（計算機數字控制系統）中控制數控加工，這個過程稱為直接數字控制（DNC）。8.計算機輔助NC編程通過各自接口可將計算機與數控機床連接179立式加工中心數控車床五面立式加工中心直接數字控制（DNC）立式加工中心數控車床五面立式加工中心直接數字控制（DNC）1809.模擬仿真

在CAD／CAM系統內部，建立一個工程設計的實際系統模型，例如機構、機械手、機器人等。通過運行仿真軟件，代替、模擬真實系統的運行，用以預測產品的性能、產品的制造過程和產品的可制造性。如數控加工仿真系統，從軟件上實現零件試切的加工模擬，避免了現場調試帶來的人力、物力的投入以及加工設備損壞的風險，減少了制造費用，縮短了產品設計周期。通常有加工軌跡仿真，機構運動學模擬，機器人仿真，工件、刀具、機床的碰撞、干涉檢驗等。

9.模擬仿真在CAD／CAM系統內部，建立一個工程設計的181數控加工切削仿真數控加工切削仿真182公園游樂機運行仿真公園游樂機運行仿真183電風扇運行仿真電風扇運行仿真184裝載機運行仿真裝載機運行仿真18510.工程數據管理

由于

CAD／CAM系統中數據量大、種類繁多，既有幾何圖形數據，又有屬性語義數據；既有產品定義數據，又有生產控制數據；既有靜態標準數據，又有動態過程數據，結構還相當復雜，因此，CAD／CAM系統應能提供有效的管理手段，支持工程設計與制造全過程的信息流動與交換。目前，CAD／CAM系統中多采用PDM（ProductDataManagement）系統或工程數據庫系統作為統一的數據管理環境，實現各種工程數據的管理。10.工程數據管理由于CAD／CAM系統中數據量大、種18611.應用軟件二次開發

由于機械產品的用途多種多樣，任何強大的CAD系統都不可能向用戶提供各種具體產品的完善的CAD/CAM解決方案。大多數商品化CAD系統都提供了基于C、C++、VisualC++、VisualBasic的二次開發工具，為用戶將自己或者第三方在其基礎上編寫應用軟件提供了很大的方便。二次開發工具中提供的函數和方法可以調用CAD系統內部命令，直接存取CAD內部數據庫。

11.應用軟件二次開發由于機械產品的用途多種多樣，任何強1871.3CAD/CAM技術發展簡史與應用現狀

CAD最初概念的產生；二維繪圖系統SKETCHPAD；“交鑰匙”系統（TurnkeySystem)；80年代超大規模集成電路；集成化、智能化、網絡化、可視化、并行化、標準化；反映時代潮流的商品化CAD/CAM軟件在我國應用日益廣泛。1.3CAD/CAM技術發展簡史與應用現狀CAD最初概念1881.4CAD與CAM之間的聯系

CAD/CAM技術是圍繞產品（工程）的設計和制造相對獨立發展起來的。在應用時，常常也是以獨立的形式出現，并在各自的應用領域發揮了重要作用。然而，正如產品設計與產品制造是兩個密切關聯的環節一樣，CAD與CAM是企業生產活動自動化的兩個重要環節，兩者之間存在密切的信息聯系。如CAD系統的輸出是產品圖樣、技術文檔和其他文件。在進入CAPP系統之前需要從圖樣中提取幾何信息、技術要求等，以符合CAPP系統所要求的格式輸入。在進行NC加工程序編制時，也需提取大量的零件幾何形狀信息和公差信息才能由CAM系統生成合適的零件NC加工程序。1.4CAD與CAM之間的聯系CAD/CAM技術是圍繞產189CAD設計任務產品樣圖、技術文檔人工轉換零件幾何形狀、精度、材料CAPP工藝過程、工序圖人工轉換待加工面形狀以及精度CAMNC程序獨立的CAD和CAPP、CAM系統之間的信息傳遞CAD設計任務產品樣圖、人工轉換零件幾何形狀、CAPP工藝過1901.4CAD與CAM之間的聯系

集成化的CAD/CAM系統則由計算機系統自動完成上圖所示的零件信息傳輸與交換。一般的CAD/CAM集成指的是把CAD、CAE、CAPP、CAPM、CAM等各種功能軟件有機地結合在一起，通過統一的信息管理和控制軟件實現產品信息的提取、轉換和共享，從而達到系統內信息的暢通和系統協調運行的目的。1.4CAD與CAM之間的聯系集成化的CAD/CAM系統191執行控制工程應用系統(CAD、CAE、CAM)數據庫、檔案庫、數據通信數據庫管理系統操作系統