CAX技术及其集成研究综述

2013-04-25张宏琳

电子科技 2013年9期

张宏琳

(中国人民银行西安分行营业管理部，陕西西安710002)

对于工业行业尤其是制造业而言，计算机辅助技术(CAX)作为核心技术，已经获得广泛的应用［1］，并已被广大工程技术人员所熟悉。CAX技术应用水平的高低不仅可衡量企业产品开发、设计、制造的能力，更会影响到企业在激烈的市场竞争中的生存空间和发展潜力。

各种CAX技术现在只是离散地分布在工业设计或制造等应用环节，只能实现局部的自动化和最优化。CAX集成［2］是将各种计算机辅助技术有机结合，并协调各个系统有效地运行，其受到了广大工程技术人员和科研人员的关注，并已取得了一定的研究成果［3－4］。

1 CAX技术应用现状

技术研发部门是制造企业赖于持续生存和发展的关键部门。总体而言，CAX技术的应用在技术研发部门起步较早，而在制造部门的应用相对较晚，且在不同企业之间应用程度也不尽相同［5］。

对于CAD技术，由于科技部“九五”期间“甩图板工程”的大力推广和三维CAD性价比的提升，二维和三维CAD已具有较高的应用度;对于CAE技术，一方面因为企业目前在技术研发方面主要还是以解决企业的生产为主，在创新方面严重滞后于市场需求，另一方面是因为CAE价格居高不下，导致其应用处于较低水平;对于CAPP技术，由于涉及到同后续系统的集成，众多企业在应用选型时相对谨慎，应用水平也较低;对于CAM技术，由于CAM基于三维CAD的广泛普及和企业数控等先进设备广泛应用两大前提，因此CAM的应用度也相对较低。

2 CAX集成

CAX集成技术是将CAD、CAPP和CAM等通过软件有机结合，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内信息流的畅通并协调各系统有效运行［6］。但目前为止CAX的集成问题仍未得到真正的解决。

工业生产过程中典型的产品设计与制造过程如图1所示，不同的CAX技术应用在不同的阶段。而CAX技术集成的工作流程如图2所示。

2.1 计算机辅助设计

CAD是指利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，帮助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析。其将人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合，从而达到缩短工程产品设计周期、提高设计质量的目的。用CAD进行产品开发设计，可从一定程度上帮助广大工程技术人员从繁杂的查手册、计算中得以解脱。提高了设计效率和准确性，从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低生产成本，且增强企业的竞争能力。

图1 典型的产品设计与制造过程

图2 CAD/CAE/CAPP/CAM工作流程

CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中具有影响的应用技术之一。

国内应用较广的微机CAD软件主要有Autodesk公司的AutoCAD、MDT及3DSMax，Solidworks公司的Solidworks，SolidEdge。PORTEL公司的protel，ORCAD公司的orcad。

2.2 计算机辅助制造

CAM是指应用计算机来进行产品制造。广义CAM是指利用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造过程。狭义CAM是指制造过程中某个环节应用计算机。

CAM与CAD密不可分，随着对产品质量要求的不断提高，每一个现代制造企业都离不开大量的数控设备，要高效地制造高精度的产品，CAM技术不可或缺。一方面，CAD只有配合数控加工才能充分显示其优越性;另一方面，数控技术只有依靠CAD系统产生的模型才能充分地发挥其效率。所以，在实际应用中，二者自然地紧密相结合，形成CAD/CAM系统，在这个系统中设计和制造的各个阶段可利用公共数据库中的数据，即通过公共数据库将设计和制造过程紧密地联系为一个整体，数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型，形成数控加工机床所需的信息。CAD/CAM系统大幅缩短了产品的制造周期，显著提高了产品质量，并带来良好的经济效益。

CAD/CAM技术的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。现在，工作站和微机平台的CAD/CAM软件已占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、较为流行的商品化软件。按照三维CAD/CAM软件的集成度、功能，可将目前流行的CAD/CAM软件划分为高档、中档和低档3类［7］。高档软件的代表有Unigraphics，Pro/Engineer，CATIA，I－DEAS等;中档软件有CIMATRON，Mastercam，Surface，Solidwork，SolidEdge，CAXA实体等;低档软件主要有AUTOCAD、CAXA等。

2.3 计算机辅助工艺过程设计

CAPP［8］是指借助于计算机软硬件技术和软件支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。其是通过向计算机输入被加工零件的几何信息(形状、尺寸等)和工艺信息(材料、热处理、批量等)，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。CAPP是联结CAD和CAM的桥梁，并接受来自CAD的产品几何拓扑信息、材料信息及精度、粗糙度等工艺信息，并向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息;CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及刀具轨迹等文件，同时接受CAM反馈的工艺修改意见。

1969年挪威推出了世界上第一个CAPP系统——AUTOPROS，并于1973年商品化。1976年美国的国际计算机辅助制造公司CAM－I所推出的CAPP系统最为著名、应用最广，在发展史上具有里程碑的意义。此后，世界上有众多CAPP系统问世，上海同济大学在1982年开发出国内第一个CAPP系统，即TOJICAP系统。目前，中国CAPP市场主要有国内供应商所占据，主流厂商包括开目、京渝天河、西工大金叶、大恒和上海思普等。

2.4 计算机辅助工程

CAE是指用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、动力响应、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。在产品的研发过程中，利用CAE进行建模及性能仿真分析，可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验，即用数字化样机取代传统的物理样机实验。

CAE技术已广泛应用于各工业领域。现在主要应用的CAE软件有:Hyperworks、Ansys、ADINA、Abaqus、LS－DYNA、Nastran、Pam crash、Moldflow、AutoForm、Madymo等。

3 CAX技术及其集成的发展方向

3.1 网络化

随着网络技术的发展，制造业的全球化程度将日益加强，从获取需求信息，到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、加工制造，直至营销的整个生产过程也将全球化。网络技术可实现资源的取长补短和优化配置，极大地提高企业的快速响应能力和市场竞争力。网络技术使CAX系统实现异地、异构系统在企业间的集成成为现实。

3.2 智能化

人工智能在CAX中的应用主要集中在知识工程的引入，专家系统的发展等。智能化的CAX技术将具有一定的逻辑推理和决策判断能力，可将许多实例、有关经验和准则相结合，根据设计的目标不断缩小探索的范围，使问题得到专业范围内的解决。

3.3 标准化

CAX系统的集成一般建立在异构的工作平台上，为了支持异构跨平台的环境，要求CAX系统必须是开放性的，必须采用标准化技术来规范CAX技术的应用与发展。随着该技术的发展与应用逐渐广泛，标准化问题也越发重要。目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的标准计算机图形接口(CGI)、面向图形应用软件的标准GKS和PHIGS、面向不同CAD/CAM系统的产品数据交换标准IGES和STEP等。