第三节 CAD/CAM系统的功能与任务

由于CAD/CAM系统所研究的对象任务各有不同，则所选择的支撑软件不同，对系统的硬件配置、选型也不同。系统总体与外界进行信息传递与交换的基本功能是靠硬件提供的，而系统所能解决的具体问题是由软件保证的。

一、CAD/CAM系统的基本功能

1．人机交互功能

在CAD／CAM系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁。采用友好的用户界面，是保证用户直接、有效地完成复杂设计任务的基本和必要条件，除此以外，尚须有交互设备，以实现人与计算机之间的联络与通信过程。

2．图形显示功能

如上述，CAD／CAM是一个人机交互的过程。在这个过程中，用户的每一次操作，都能从显示器上及时得到反馈，直到取得最佳的设计结果。

从产品的造型、构思、方案的确定，结构分析到加工过程的仿真，系统应保证用户能够随时观察、修改中间结果，实时编辑处理。图形显示功能不仅能够对二维平面图形进行显示控制，尚包含对三维实体的处理等功能。

3．存储功能

当CAD／CAM系统运行时，具有很大的数据量，且伴随着很多算法将生成大量的中间数据，尤其是对图形的操作以及交互式的设计、结构分析中网格划分等。为保证系统能够正常的运行，CAD／CAM系统必须配置容量较大的存储设备，以支持数据在各模块运行时的正确流通。工程数据库系统的运行更应具有储存较大空间的保障。

4．输入输出功能

CAD／CAM系统运行过程中，一方面用户需不断地将有关设计要求、计算步骤的具体数据等输入计算机内；一方面通过计算机的处理，能够将系统处理的结果及时输出。这个输入输出功能也是系统的基本功能。输入输出的信息可是数值，亦可为非数值。譬如图形数据、文本、字符等。

二、CAD／CAM系统之主要任务

CAD／CAM系统之主要任务是对产品设计、制造全过程的信息进行处理。这些信息主要包括设计、制造中的数值计算、设计分析、工程绘图、几何建模、机构分析、计算分析、有限元分析、优化分析、系统动态分析、测试分析、CAPP、工程数据库的管理、数控编程、加工仿真等各个方面，列出其中几项作以说明。

1．几何建模

产品设计构思阶段，系统能描述基本几何实体及实体间的关系；提供基本体素、构造实体的多种造型方法，以便为用户提供所设计产品的几何形状、大小，进行零件的结构设计以及零部件的装配；能动态地显示三维图形，解决三维几何建模中复杂的空间布局问题；同时还能进行消隐、色彩浓淡处理等。利用几何建模的功能，用户不仅能构造各种产品的几何模型，还能够随时观察、修改模型，或检验零部件装配的结果。

几何建模是CAD／CAM系统的核心。它为产品的设计、制造提供基本数据，同时为其它模块提供原始信息。几何建模所定义几何模型的信息可供有限元分析、绘图、仿真、加工等模块调用。系统总体与外界进行信息传递与交换的基本功能是靠硬件提供的，而系统所能解决的具体问题是由软件保证的。 几何建模模块内，不仅能构造规则形状的产品模型，对于复杂表面的造型，系统可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根据给定的离散数据或有关具体工程问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过渡曲面，或用扫描的方法得到扫视体、建立曲面的模型。小至U盘插套、手机机壳、液晶显示器机体，

大到汽车车身、飞机机翼、巨型船舶船体等设计制造，均可采用此种方法。

2．工程绘图

很多产品的设计结果都是以图形的形式出现，CAD／CAM中的某些中间结果也是通过图形表达的。CAD／CAM系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能；另一方面，还需有处理二维图形的能力。包括基本图元的生成，标注尺寸，图形的编辑处理(比例变换、平移、图形拷贝、图形删除等)以及显示控制、附加技术条件等功能，保证生成符合生产要求，也符合国家标准的图样文件。

3．计算分析

CAD／CAM系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性、为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。CAD／CAM中的结构分析尚需进行应力、温度、位移等计算；图形处理中变换矩阵的运算；体素之间的交、并、差运算等；在工艺规程设计中有工艺参数的计算。故要求CAD／CAM系统对各类计算分析的算法正确、全面，且数据计算量大，还要有较高的计算精度。

4．优化设计

系统应具有优化求解的功能。即在一定条件的约束限制下，使工程设计中的预定指标达到最优。优化设计包括总体方案的优化、产品零部件结构的优化、工艺参数的优化、可靠性优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分。

5．有限元分析

有限元分析是一种数值近似解法，用来解决结构形状比较复杂零件的静态、动态特性，强度、振动、热变形、磁场、温度场强度、应力分布状态等计算分析。在进行静、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点，划分网格、标出单元号、节点号、并将划分的结果显示在屏幕上；进行分析计算之后，将计算结果以图形、文件的形式输出，例如应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方便、直观地看到分析的结果。

6．计算机辅助工艺设计

工艺设计是为产品的加工制造提供指导性的文件，是CAD与CAM的中间环节。根据建模后生成的产品信息及制造要求，能决策或自动决策加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设备及加工参数。其结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片文件，另一方面能直接输出一些信息，为CAM中的NC自动编程系统接收、识别，直接转换为刀位文件。

7．数控编程

数控机床是由计算机控制的，而计算机又必须通过加工程序来控制机床。零件加工程序是控制机床运动的源程序，它提供编程零件加工时机床各种运动和操作的全部信息，主要的有加工工序各坐标的运动行程、速度、联动状态、主轴的转速和转向、刀具的更换、切削液的打开和关断以及排屑等。

数控编程的主要内容有：分析零件图样、确定加工工艺过程、进行数学处理、编写程序清单、制作控制介质、进行程序检查、输入程序以及工件试切。

8．动态仿真

在数控程序编制过程中出错是经常可能发生的，若输入进给方向的错误及切削深度和机床功率的超载就会导致刀具、机床的损坏等。对产品从设计到制造的整个过程进行动态仿真，即在产品设计之后投入生产之前，可以实时并行模拟出产品制造的全过程。借助于动态仿真系统，可以将数控程序的执行过程在屏幕上显示出来，从软件上实现零件的试切过程。利用动态仿真系统可以检查程序结构错误、语法错误和词法错误。动态仿真系统可以动态模拟加工的全过程，还可以对给定的工艺极限值进行监控检测。

在CAD／CAM系统内部，建立一个工程设计的实际系统模型，如机构、机械手、机器人等。通过进行动态仿真，代替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。如数控加工仿真系统，从软件上实现零件试切的加工模拟，就可避免现场调试带来的人力、物力的投入以及加工设备损坏的风险，减少制造费用，缩短产品设计周期。通常有加工轨迹仿真，机构运动学模拟，机器人仿真，工件、刀具、机床的碰撞、干涉检验等。

9．计算机辅助测试技术

计算机辅助测试技术是一门新兴的综合性学科，它所涉及的范围包括微型计算机技术、测量技术、数字信号处理技术、信号的传输和转换技术、抗干扰技术及现代控制理论等。我国对计算机辅助测试理论和实践的研究已有很大发展，取得了很大的成绩，且在科研、生产中得到了十分广泛的应用。

10．工程数据管理

CAD／CAM系统中数据量大、种类繁多。有几何图形数据、属性语义数据；有产品定义数据、生产控制数据；有静态标准数据、动态过程数据。数据结构一般都较复杂，故CAD／CAM系统应能对各类数据提供有效的管理手段，支持工程设计与制造全过程的信息流动与交换。CAD／CAM系统通常采用工程数据库系统作为统一的数据管理环境，实现各种工程数据的管理。