机械设计中的CAD、CAE和CAM技术

在机械行业或自动化行业，CAD、CAE、CAM相辅相成。使用 CAD 进行设计，然后使用 CAM 进行制造。CAD是使用计算机技术的设计过程，CAE是使用计算机模拟来分析物理问题，而CAM是使用计算机和计算机软件来控制机器进行制造，通常适用于批量生产的零件。

CAD/CAE/CAM是工业设计软件的三种功能类型，分别代表计算机辅助设计、计算机辅助工程和计算机辅助制造。CAD/CAE/CAM将被纳入大型工业设计软件套件的基本功能。CAD强调从头开始设计产品本身，如外观、部件位置匹配、材料等。CAE用于模拟、分析需求设计，CAM用于3D原型制作和制造。

什么是计算机辅助设计 (CAD)？
计算机辅助设计（Computer-aided design，简称CAD）是指利用计算机软件对物理设计进行创建和模拟，以表现新开发产品的外观、结构、颜色、纹理等特征的过程。简单来说，就是用CAD来辅助设计和绘图。随着技术的不断发展，计算机辅助设计不仅适用于工业，而且广泛应用于图文印刷、出版等诸多领域。它涉及软件和专用硬件。

CAD系统有哪些功能？
设计组件的重用。

易于设计修改和版本控制。

自动生成设计的标准组件。

根据规范和设计规则验证/验证设计。

在不构建物理原型的情况下模拟设计。

装配体的自动设计。

工程文件的输出，例如制造图纸和物料清单。

设计直接输出到生产单位。

直接输出到快速原型机或快速工业原型机。

什么是计算机辅助工程 (CAE)？
计算机辅助工程（CAE）主要用于设计的仿真分析、验证和改进。近年来随着计算机和3D CAD的飞速发展，CAE应用的比例越来越高，使用难度越来越低，用户数量增长明显。与 CAD 相比，CAE 用户需要更多的物理相关知识来设置条件和解释结果。至于计算过程中使用的数学方法，如微分方程、有限元法、有限体积法等，都可以交给计算机处理。

CAE的优势：
节省实验成本和时间，加快开发进程。

难以通过实验获得的物理量可以通过模拟获得。

更容易观察物理现象和物理量的变化。

可以通过数值方法进一步优化产品性能。

CAE的缺点：
大规模计算通常需要昂贵的高性能设备。

仿真结果的解释仍然需要工程师的经验和知识来做出正确的判断。

CAE的基本流程是什么？
第0步：几何模型处理
第0步是几何模型的处理。为什么是第0步？一是这一步不会用到仿真软件。主要是因为加工质量会极大地影响解决方案，有时处理起来相当麻烦。例如，在流体模拟中，需要流体流动的内部空间，一般不会特别绘制内部空间，因此内部空间必须按照壳的几何形状来绘制。此外，模型内部的复杂特征也应尽可能简化。虽然流水线没有复杂的特征，但如果模型没有得到适当的简化，会消耗大量的计算资源，甚至求解失败。

第1步：预处理预处理
主要是划分网格和设置模拟条件。通常，模拟对象的几何形状非常复杂，没有办法直接计算出该几何形状对应的控制方程。为了解决这个问题，研究人员将这个复杂的形状切割成多个简单的元素，可能是立方体、多面体等，然后在每个元素上求解方程，再通过数学运算得到整个复杂形状的对应值。仿真结果。将复杂形状切成多个元素的这个步骤就是网格划分。继续设置模拟条件，一般称为边界条件。此外，条件集还包括不同物理模型的选择和介质的选择。

第2步：求解
完成仿真设置后，在求解步骤中，需要告诉软件用什么方法来计算问题，包括网格离散化格式，求解算法的选择等。解决方案集完成后，接下来就是等待软件或者自己写的程序来解决了。

第 3 步：后处理
假设一切顺利，软件成功计算出答案，下一步就是查看结果。使用后处理软件查看管道内部的速度场、流迹等信息。如果需要对产品进行改进和优化，也可以从仿真结果来判断，进而改进相关的配置和仿真条件。

什么是计算机辅助制造 (CAM)？
计算机辅助制造 (CAM) 是制造产品组件的过程，工程师在该过程中广泛使用产品生命周期管理计算机软件。也就是说，CAM是用来辅助制造的，CAM自动编程最终输出的就是CNC加工程序。在 CAD 中生成的组件的 3D 模型用于生成驱动数控机床的 CNC 代码。这包括工程师选择刀具类型、加工工艺和加工路径。

计算机辅助制造的加工步骤：
根据使用的材料和软件，每个步骤都是一个简单或复杂的策略。

粗加工：
该过程从立方体坯料或铸件开始，将其粗加工成最终模型。因为它是在水平方向上加工的，所以通常会得到阶梯状。常见的策略是之字形清算、偏置清算、切入式粗加工和残料粗加工。

半精加工：
该过程从粗糙的、不平坦的零件开始，然后以固定偏移量加工零件。

精加工：
类似于半精加工，但起始材料不同。

CAD/CAM技术给工业制造带来的变化：
CAD/CAM是指利用计算机进行分析、模拟、设计、拟定生产计划、制造工序，控制生产过程，即从设计到加工，都依靠计算机的帮助，所以CAD/CAM是自动化的重要组成部分，影响着工业生产力和质量。

CNC加工生产：
随着航空工业、汽车工业、轻工业等消费品生产的增长，对产品精度要求提高，结构形状更加复杂，发展制造周期越来越短，传统机械加工已不能满足需求，于是CNC加工应运而生。

CAD/CAM软件的产生：
CNC加工的应用提高了生产精度和生产效率。然而，当产品的结构和形状复杂时，采用传统的数控手工编程技术很难完成加工程序的编制，CAD/CAM应运而生。

CAD/CAM软件特点：
三维建模功能；如前所述，加工表面的几何信息是软件刀具路径计算的基础，因此软件可以提供基本的表面建模功能。

参数管理：参数包括加工对象、刀具参数、机床参数、加工工艺等；参数设置是交互式图形编程的主要操作内容。包括参数的输入修改、管理优化等。

方针：
以直观、逼真的图形方式模拟加工过程，验证编程的程序是否有问题。

刀具路径的编辑修改：
提供多种方式编辑NC刀具路径。

后处理：
是一个字处理过程，程序能满足设备要求，在程序的开头和结尾加入一些辅助指令。

工艺文件生成：
将机床操作人员所需的信息（如程序名称、加工顺序、刀具数据等）写入标准、规范的文件中。