1、CADCAM技术的发展与UG技术DOC 25CAD/CAM技术的发展与UG技术1.1 CAD/CAM技术概述1.1.1 基本概念CAD/CAM是计算机辅助设计与制造（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing）的英文缩写，是一项利用计算机软、硬件协助人完成产品的设计与制造的技术。CAD一般是指工程技术人员在计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、工程分析、绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低生产成本的目的。广义的CAM是指工程技术人员在计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成从准备到产品制造
2、整个过程的活动，包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。狭义的CAM一般仅指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。CAD/CAM技术产生于20世纪50年代末、60年代初，高速发展于20世纪80至90年代。自20世纪80年代初以来，计算机的应用日益广泛，几乎深入到生产过程的全部领域，并形成了许多计算机辅助的分散系统。仅在制造业的产品设计与制造过程中就出现了如下分散系统：CAD、CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程分析）、CAPP（Computer Aided Process Pla
3、nning，计算机辅助工艺过程设计）、CAM、CAQ（Computer Aided Quality，计算机辅助质量管理）、CAFD（Computer Aided Fixture Design，计算机辅助夹具设计）等。这些独立的分散系统分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方面起到了重要的作用。但是，采用这些各自独立的分散系统不能实现系统之间信息的自动传递和交换。例如，一个分散的CAD系统设计的结果既不能直接为CAPP系统接受，有关几何建模的技术信息也无法直接传递给一个独立的CAM系统，从而降低了计算机在产品设计和制造过程中的使用效率。为此，提出了CAD/CAPP/CAM集成
4、的概念，进而产生了一批基于CAD/CAPP/CAM集成化的计算机辅助设计与制造商用软件，其中以美国的Unigraphics（简称UG）软件最具代表性。目前UG软件已经在汽车、航空航天、机械制造等领域得到越来越广泛的应用。所谓的CAD/CAM集成，是指在CAD、CAPP和CAM各模块之间有关信息的自动传递和交换。集成化的CAD/CAM系统能够借助于公共的工程数据库、网络通信技术、以及标准格式的中性文件接口，把分散于机型各异的计算机中的CAD/CAM模块高效地集中起来，实现软、硬件资源共享，保证系统内信息的流动畅通无阻。1.1.2 CAD/CAM系统的组成通常一个完善的CAD/CAM系统应具备：快
5、速数字计算及图形处理功能、几何建模功能、处理数控加工信息的功能、大量数据和知识的存储及快速检索与操作功能、人机交互通信的功能、输入和输出信息及图形功能、工程分析功能等。CAD/CAM系统应由人、硬件、软件三大部分组成，其中硬件包括计算机及其外部设备，广义上讲硬件还包括用于数控加工的机械设备和机床等。软件一般包括系统软件、支撑软件和应用软件三类。系统软件主要负责管理硬件资源及各种软件资源，它面向所有用户，是计算机的公共底层管理软件，即系统开发平台；支撑软件运行在系统软件之上，是实现CAD/CAM各种功能的通用性应用基础软件，是CAD/CAM系统专业性应用软件的开发平台；专业性应用软件则是根据用户
6、具体要求，在支撑软件平台上进行二次开发的专用软件。计算机系统的硬件为系统工作提供物资基础，而系统功能的实现由系统中的软件运行来完成。随着CAD/CAM系统功能的不断完善和提高，软件成本在整个CAD/CAM系统中所占比重越来越大。目前国外引进的一些高档软件，其价格已经远远高于系统硬件的价格。图1-1给出了CAD/CAM系统的基本组成。图1-1 CAD/CAM系统的基本组成由于企业技术水平及生产能力不同，在CAD/CAM技术的应用及其系统的构建上可以有不同的形式。由于CAD/CAM系统的投资相对较大，如何科学、合理地选择适合本企业的系统，必须经过充分的论证，这也是当前我国在推广应用信息化技术改造和
7、提升传统制造业企业技术水平的过程中需要重视的问题。随着软硬件技术和网络技术的发展，CAD/CAM系统的总体趋势是向着集成化、智能化、标准化和网络化方向发展。1.1.3 CAD/CAM系统的支撑技术CAD/CAM系统除了配置必要的软、硬件之外，尚需要多种技术的支持，如数据管理技术、网络技术、成组技术、工程分析技术、仿真技术等。特别是数据管理技术和网络技术，随着CAD/CAM技术应用范围的不断扩大和深入，将占据越来越重要的地位。1数据管理技术机械CAD/CAM涉及的数据具有数量大、种类多、结构复杂的特点，包括产品的物理特征、材料性能、数学模型、零件规格、几何形体描述、测试数据以及各种设计标准和规范
8、等，内容极为广泛。数据表现形式除了数值、文字信息之外，还有大量的几何图形信息。如何管理这些数据信息，将直接影响CAD/CAM系统的应用水平和工作效率。目前流行的数据管理模式主要是数据库管理模式。数据库管理系统（Data Base Management System，DBMS）是用于对数据库及系统资源进行统一管理和控制的软件，它提供了对数据库的定义、建立、检索和编辑修改等操作功能；对数据的安全性、完整性和保密性进行统一的控制管理，起着应用程序与数据库之间的接口作用（如图1-2所示）。数据库的结构主要分为层次型、网状型和关系型三种基本模型，如图1-3所示。数据库系统与文件系统相比，具有如下特点：（
9、1）数据的物理存储独立于应用系统，两者的单独改变不会相互影响；（2）由于同一数据可组织在不同的文件中，因此每个数据在理论上只需要存储一次，就可以实现数据共享；（3）应用程序的编制可以不考虑数据的存储管理和访问效率等问题；（4）通过DBMS实现对数据的统一控制，确保了数据的正确性和保密性。目前CAD/CAM集成系统的数据管理主要采取下列三种方法：（1）基于文件记录的专用数据管理方法，主要适合对非共享数据的管理；在商用数据库管理系统上建立一套软件接口的方法（用SQL数据操作语言编写），这是目前常用的方法；（3）采取工程数据库管理建立数据库的方法，这是下一代CAD/CAM和CIMS系统的数据管理主流
10、。图1-2 数据库与数据管理系统的关系2计算机网络技术计算机网络具有如下单个计算机所不具备的功能和特点：（1）能够在计算机之间快速实现数据的传递；（2）共享计算机资源；（3）网内各计算机站点可互为后备，提高计算机系统的可靠性；（4）若干台地域不同的计算机可以共同完成一项大型的CAD/CAM任务，进行远程协同作业。名 称图 号数 量材 料固定钳身02101HT150螺 杆0230245活动钳体02103HT150钳 口 板0230645螺 钉02034HT150（c）图1-3 数据库结构的三种基本数据模型图1-4 局域网系统的组成按照网络覆盖的区域范围，可以将计算机网络分为基于全球Interne
11、t的广域网和局域网两种。广域网需要采用合理的接入方式来进行远程数据传送，而局域网一般仅限于数公里范围，是直接用于传送数字信号的计算机网络。目前CAD/CAM系统所用的网络均属于局域网。局域网产品的种类很多，构成型式也多种多样，但一般是由网卡与媒体、服务器、工作站（微机）、网间连接器并配以网络系统软件组成，如图1-4所示。3成组技术成组技术是合理组织产品生产过程的一种将工程技术和管理集于一体的生产组织管理方法，它利用产品零件之间的相似性，将零件分类成组，然后根据每组零件所拥有的相似性，为同组零件找出相对统一的最佳方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益。作为一种机械制造的应用技术，成组技术
12、涉及到对机械制造中相似性进行标识、开发和利用等方面的内容。通常应用组成技术时是通过分类编码系统对零件相似性进行识别。零件的分类编码系统是用数字和字母对零件特征进行标识和描述的一套特定的规则和依据。目前国内外有100多种编码系统在工业中使用，其中以Opitz编码系统最具代表性。通常每个企业或部门可以依据自身的产品特点选择其中一种，或是在某种编码系统的基础上加以改进，以适用本单位的使用需要。1.2 制造业应用计算机的基本模式制造行业企业工作的核心是产品，因此企业应用计算机推进信息化的工作都是围绕着产品的开发、生产、经营等各项工作来开展的。（1）产品任务。根据上级公司下达的生产任务或市场定单，利用各
13、种专业软件进行分析计算，确定产品的形状、尺寸及各子系统的技术指标，形成产品设计任务书，全部数据和有关任务均存放在统一数据库中。（2）详细设计。各专业人员从统一数据库中获取任务指令和相关的设计任务书，按时把各自的设计文档、图形、图纸、技术要求和相应的分析结果存入统一数据库中。（3）工艺规划。由统一数据库下达型号研制任务，一旦详细设计工作开始，工艺人员就着手开展并行工作。一方面给设计人员提供工艺方面的技术支持，避免返工，另一方面开始做工装的准备工作，检查相应的设备、刀具、材料等资源，及时向供应部门提供必要的采购信息。完成的文档存人数据库中。（4）生产制造。从统一数据库中获取统一的产品结构和制造结构
14、。通过可视化技术准确地理解加工图形所对应的三维模型。统一数据库中提供的多媒体装配模型大大地方便了总装工作。生产制造部门也可以通过统一数据库反馈改进意见，提高设计水平，减少后期的返工。（5）物资供应。通过统一的数据库给设计、工艺和制造人员提供设备、材料、部件和标准件等信息，改善他们的工作环境。同时采购人员从统一数据库中自动生成某个型号、某个产品的材料清单（如标准件清单、外协件清单、原材料清单等），即减少工作人员的工作负担，又提高数据的一致性。为提高仓库管理水平，减少浪费创造有利条件。（6）生产计划。在统一的数据库中可以下达任务并实施监测，每项设计、工艺和制造等任务的完成状态，便于掌握整个项目的进
15、度。从统一数据库中获取产品结构信息，支持型号管理。同时也可以获取工艺信息，自动生成统一的材料清单（如自制件清单、机加工件清单等），支持生产管理。一旦设计或工艺部门发生任何更改，生产计划部门通过统一数据库立即可以获得更改后的最新数据，大大减少数据不一致的错误和不必要的延误。（7）财务管理。统一数据库中包含产品全部设计和工艺数据。数据库提供各种查询检索工具、汇总工具和报表工具等，财务系统监督型号研制费用、估算产品直接成本创造了有利条件。数据库的惟一性保证财务系统分析结果的可靠性。产品数据的不同配置为财务管理的灵活性提供有利的支持。（8）质量控制。为了改变以量求质的状况，统一数据库把产品的各种关键质
16、量控制点数据进行统一管理，通过分析找出规律，提高生产力。因此，质量控制也离不开统一的产品数据所提供的准确的产品配置结果。（9）市场销售。型号批次的变化或市场需求的变化，要求中国企业能够做出快速反应。在统一的产品数据库中，积累了大量的成功经验。为了满足市场上变化了的需求，只需对产品结构中的部分零件做些适当的修正，通过虚拟电子样机的模拟就可以投入生产，抢占市场。同样电子样机不仅可以排除各种设计错误，大大减少生产环节的返工，还可以将设计的虚拟样机提前提供给最终用户，甚至可以通过互联网去吸引客户，扩大市场量。（10）统一数据库。上述各部门的工作指令来自于数据库，工作的结果也分门别类存回数据库，在数据库
17、中不仅可以保存产品的整个生命周期的全部数据，同时还存有企业的各种资源，如人员、设备、标准件、通用件和刀具等。还有记录了产品数据从设计到制造、维修服务整个过程的数据，便于追溯和检查原因，更重要的是在数据库中不断积累起来的产品知识。上述工作只有当采用了高度集成化的计算机辅助设计、制造与管理软件时，才是最高效的。1.3 制造业CAD/CAM技术及信息化工程的发展人类进入21世纪，随着计算机应用技术的发展，制造业的发展模式也发生了重大变化，表现为企业从CAD、CAE和CAM等单点技术或应用孤岛，发展为基于“知识网络”的综合应用领域；从单纯的数控加工CAM技术的应用，向“工厂生产制造计划和配置”发展；从
18、企业或部门内部应用的CAD/CAM、PDM（Product Data Management，产品数据管理）和ERP（Enterprise Resource Plan，企业资源规划），逐步过渡到各企业之间的协同方案运作。面向企业面向全球性通信协同发展已成为制造业发展的总体趋势。制造业信息化工程的核心就是采用国际上最先进的信息化技术，提高企业产品的创新能力和高新技术含量、提高企业快速响应市场能力。所有这些也正是世界发达国家正在研究和采纳的世界一流的新技术和新方法。制造业CAD/CAM技术及其信息化工程的发展历程大致经历了下列几个阶段：（1）孤立的应用模式。这个阶段的发展跨越了20世纪6070年代，
19、计算机图形软件开始商品化。企业各部门（如设计、工艺、制造、计划、财务、质量管理和后勤等部门）各自采用相应的计算机硬件，改善自己的劳动工作方式，提高个人劳动生产率，然而相互之间的信息传递却依然靠低介质来进行，各点发达，彼此孤立，形成应用孤岛。（2）孤立的信息系统。这个阶段的发展跨越了20世纪7080年代。企业各部门之间各取所需，根据自己本部门发展的需要，不断完善自己的应用系统，解决部门内部的信息共享和反馈，使本部门的劳动生产率获得提高。但仍解决不了各部门之间的信息传递问题。（3）信息的交换和集成。这个阶段的发展跨越了20世纪8090年代。经过上述两个阶段的发展，信息的传递问题显得非常突出，于是便
20、有了各部门之间协同，或是对信息重新调整，或是更换系统，开发新的应用系统和大量的接口，即要继承大量的历史数据，又要创造一种全新的信息交换、集成化的工作模式，从而大大提高企业的竞争力。（4）基于全局性的信息化系统集成。进入20世纪90年代，随着网络技术的发展与成熟，使企业信息化又迎来一个全新的时期，即从内部信息化集成应用发展到企业间信息相互集成的时期，逐步形成了跨国跨地区的半球化乃至全球化经济运作模式，代表着世界经济的发展主体。三十多年来，软件开发商们一直致力于探索更好的办法去使用计算机辅助技术进行自动化产品开发过程。图1-5以近20年来UG软件的发展反映了计算机辅助技术的进展。KBE（Knowl
21、edge Based Engineering，基于知识的工程）技术将是下一代机械CAD/CAM的特点，它捕捉、分配和再使用每一个产品开发部门的工程专业知识。图1-5 以UG为代表的计算机辅助技术的进展我国的CAD/CAM技术开发与应用起步于20世纪70年代，由于受当时计算机硬件和软件条件的限制，较多的工作局限于用计算机进行一些产品设计中的分析计算。进入20世纪80年代，国家在机械CAD/CAM技术开发与应用方面进行了重点投资，并取得了一系列在国内具有开创性的单元成果，也培养了一批CAD/CAM科技队伍，从而为20世纪90年代的快速发展奠定了良好的基础。1991年原国家科委组织成立了“计算机辅助
22、设计应用工程领导小组”，加大了CAD技术的开发与推广力度。1995年在机械行业开展了“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，后者是培养50100家CAD/CAM应用示范企业，扶持100家，带动5000家企业的庞大计划。一批具有自主知识版权的软件，如清华大学的高华CAD、华中科技大学的开目CAD和CAPP、北京航空航天大学的CAXA电子图板、CAXA制造工程师（ME）等软件，在国家科技部的项目资助下开发完成，并开始推广应用。计算机辅助绘图也已经从二维设计进入了三维实体建模和参数化设计阶段。然而，我国CAD/CAM技术的研究水平和应用
23、范围与工业发达国家相比都还有较大的差距，特别是CAD/CAM应用的集成化程度较低，缺乏具有自主版权的、完善的高档CAD/CAM软件系统。此外CAD/CAM专业技术人才的匮乏也限制了企业对CAD/CAM技术的推广应用。1.4 UG技术及其在现代制造业中的作用1.4.1 UG技术概述UGS（Unigraphics Solutions）是全球发展最快的机械CAX（即CAD、CAE、CAM等的总称）公司之一。它的产品Unigraphics（简称UG）软件是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造业的CAX高端软件，是知识驱动自动化技术领域中的领先者。它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合。
24、UG软件能够为各种规模的企业提供可测量的价值；能够使企业产品更快地提供给市场；能够使复杂的产品设计与分析简单化；能够有效地降低企业的生产成本并增加企业的市场竞争实力。正是由于该软件的高度集成化和优越的性能，使之成为目前世界上最优秀公司广泛使用的系统，这些公司包括波音飞机、通用汽车、普惠发动机、飞利浦、松下、精工和爱立信等。UG成为日本主要的汽车配件生产商Denso的标准，占有90%的俄罗斯航空市场和80%的北美发动机市场。美国航天航空界已安装了10000多套UG，在世界各国航天航空界享有极高的地位。UG软件目前也普及到机械、医疗设备和电子等行业，并发挥着越来越显著的作用。UG产品主要包括计算机
25、辅助工业设计、工程设计、工程分析和制造，以及知识驱动自动化的工具与专门过程的导向。UG产品线如图1-6所示。1.4.2 产品的创新与开发在UG中的体现产品的创新要贯穿于产品本身的全生命周期，从总体构想设计、概念设计、详细设 计、生产计划到制造质量控制都要创新。UGS产品十分重视任何提高企业的创新能力，为此特别强调：创新要基于知识、基于产品、基于过程。UG的产品创新开发技术和手段，主要包括：全集成、全相关、前瞻性、数字样机、快速反映机制和知识工程（KBE）这6个方面。图1-6 Unigraphics产品线1全集成（1）数据和系统的集成。这是一个以数据库为核心的能将CAX、PDM（Product
26、Data Management，产品数据管理）、RE（Reverse Engineering，逆向工程）、RP（Rapid Prototype，快速成型）、ERP、PM（Project Management，项目管理）、FM（Finance Management，财务管理）等的数据信息和系统集成在一起的环境。这样才能做到D2B（Design to Business，为商务而设计）。（2）功能集成。即CAID/CAD/CAE/CAM/PDM等重要集成。（3）过程集成。即总体方案设计、概念设计、详细设计、工艺计划工装夹模具设计与制造、零部件制造与装配质量检测等全过程要能集成在一起。（4）信息集成。
27、UGS的iMAN就是集成管理产品的全生命周期的信息。（5）企业集成。不仅在企业内部各职能部门之间的信息集成，而且企业与配套供应商、销售商、客户之间的信息也能集成。UGS的iMAN就提供了与ERP、SCM等的集成接口。2全相关全相关指的是：在产品内部不仅保持尺寸大小的相关性，而且还具有结构形状的相关，即几何相关，更要具有过程相关。不管是工业设计（CAID）、概念设计和结构设计（CAD），还是工程分析（CAE）、工业夹具设计与制造和数控编程（CAM），这中间任一阶段的结构数据的改变都会引起其他过程做出相关的变化。UGS提供的单一数据结构的主模型技术、超变量几何方法、基于产品和特征的直接建模和产品总
28、体相关设计技术UG/WAVE（含关联设计、种子技术和几何元素的连接相关）和工程分析的UG/Scenario都给工程技术人员提供了实现全相关的最佳工具和手段。此外UGS提供的动态虚拟大装配技术，使得技术人员在设计阶段就可对产品从装配的匹配关系、机构运动的传递、定位的方式和位置、运动系统的基本动作进行预分析，而不需要专门的运动等分析软件。3前瞻性这是指在设计阶段利用虚拟、数字、可视的技术，就可对产品进行工程分析、设计优化和仿真模拟。为此，UGS公司不仅与世界上一流的工程分析的专业公司结成了长期合作的战略联盟关系，在UG中含有与这些分析软件系统有着直接连接的高精度接口，而且还将这些分析系统（如MSC
29、/NASTRAN，MDI/ADAMS，Ansys和Mold flow等）的基本、常用的部分植入到UG的分析应用模块中，且保持与CAD的全相关。因为它们都采用了同一图形内核Parasolid。这就大大方便了工程设计人员的设计，提高了设计的质量和一次成功率。4数字样机对于制造业的产品创新开发来说，超巨模型的数字样机的创建、分析和仿真工具是十分重要的。UGS公司收购的EAI公司的Vis系列虚拟可视化产品在国际上处于领先地位。Vis系列产品可以与众多的CAD/CAM软件，如UG、Pro/E、ideas、CATIA和AutoCAD等进行无缝连接；可以集成读取多种PDM系统下的数据；可以运行于多种操作系统
30、下，多种硬件平台上；它提供了基于Internet的虚拟企业平台。又将超巨模型的装配、可视、几何物理性能的分析、动静态的几何分析、人机工程和制造过程的仿真，虚拟现实等都集成在一个EAI/VIS的单一环境中。EAI-Vis系列产品为企业进行产品创新开发提供了一个完整、集成的、超越常规CAD/CAM软件之上的虚拟可视化仿真环境，是数字化产品创新开发的一种优秀工具。5快速反应机制除了前面所述的以外，还包括两个方面：逆向工程（RP）技术与快速成型（RP）技术。前者是采用三坐标测量仪或激光测量仪对现存的、成功的产品（零件）进行空间的扫描测量，获得该产品的空间坐标点的数据，再对这些超大量的数据点（点云数据）
31、在CAD软件中进行滤波、提取特征线、补孔、光顺生成网络面、UG/Quick Shape NURBS曲面，从而反求出测量对象的数字模型。后者是将数字模型以STL格式输出到快速成型机上由快速成型机生成塑料的或纸质的该物理实体。用于评估、分析和作为模芯等。将RE、RP与CAD/CAM软件集成起来，组成一个快速反应的建模系统，可以大大加快产品的开发质量和速度。例如柴油机上气道的设计就采用这种方法（如图1-7所示）。先用三坐标激光测量仪扫描现有的初始气道，将测得的数据输入到Quick Shape中处理得到初步的数字模型，再到UG环境下以STL格式输出到快速成型机上得到塑料的气道。以此气道进行误差分析、吹
32、气测试和作为模具的模芯，浇铸缸盖。这一集成的气道开发过程大大提高了开发气道的周期和质量，使原来要六个星期的设计缩短为一个星期，且做到了一次成功。气道模具测量数据与RP模型之间的误差分析气象点云集快速成型的模型图1-7 柴油机上气道的快速设计6知识工程（KBE）随着当今CAX设计系统发展的新趋势，产生了以知识驱动为基础的工程设计新思路，简称知识工程KBE（Knowledge Based Engineering）。它将人工智能（包括知识库、知识规则和逻辑推理等）与CAX系统有机地结合起来，使其应用对象从几何造型、分析和制造，延伸扩展到工程设计领域，形成了工程设计与CAX系统的无缝连接。如何把知识、技能、经验、原理和规范等结合到CAX系统中，使得设计人员只要输入工况或工程参数或应用要求，系统就能依据相关知识、自动推理结构造出符合该特定要求下的数字化几何模型，这就是KBE技术要解决的问题，也是CAX技术发展的新阶段。UGS主
