机械设计中的CAD, CAE和CAM技术

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将包含在大型工业设计软件套件的基本功能中。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原型和制造目的。

什么是计算机辅助设计(CAD)?

计算机辅助设计(CAD)是指利用计算机软件创建和模拟物理设计，以显示新开发产品的外观、结构、颜色、纹理等特征的过程。简单地说，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，而且广泛应用于图形印刷、出版等许多领域。它涉及软件和专用硬件。

CAD系统的功能是什么?

• 设计组件的重用。
• 易于设计修改和版本控制。
• 自动生成标准部件的设计。
• 根据规格和设计规则对设计进行验证。
• 不建立物理原型的设计模拟。
• 组件的自动设计。
• 工程文件的输出，如制造图纸和材料清单。
• 将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。随着近年来计算机和3D CAD的快速发展，CAE应用的比例越来越高，使用难度越来越低，用户数量也明显增长。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，都可以交给计算机进行处理。

CAE的优势:

• 节省实验成本和时间，加快开发进程。
• 难以通过实验得到的物理量可以通过模拟得到。
• 更容易观察到物理现象和物理量的变化。
• 通过数值方法可以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。
• 对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?

1. 步骤0: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大大影响解决方案，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，而内部空间一般没有特别绘制，因此必须根据壳体几何形状绘制内部空间。此外，模型内部的复杂特征也应尽可能地简化。管道虽然没有复杂的特征，但如果模型没有得到适当的简化，就会消耗大量的资源进行计算，甚至会导致求解失败。
2. 步骤1:预处理
   预处理主要是划分网格和设置仿真条件。通常，被模拟物体的几何结构相当复杂，没有办法直接计算出与该几何结构相对应的控制方程。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，这些元素可能是立方体、多面体等，然后在每个元素上求解方程，然后通过数学运算得到整个复杂形状的对应值。仿真结果。将复杂形状切割成多个元素的这一步就是网格划分。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。
3. 2 .解决
   在完成仿真设置后，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。完成解集后，下一步就是等待自己编写的软件或程序来求解。
4. 步骤3:后期处理
   假设一切顺利，软件成功地计算出了答案，下一步就是看看结果。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，也可以从仿真结果中进行判断，然后对相关配置和仿真条件进行改进。

什么是计算机辅助制造(CAM)?

计算机辅助制造(CAM)是制造产品部件的过程，工程师广泛使用产品生命周期管理计算机软件。也就是说，利用CAM辅助制造，CAM自动编程的最终输出就是CNC加工程序。利用CAD生成的零件三维模型生成驱动数控机床的数控代码。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:

根据材料和使用的软件，每一步都是一个简单或复杂的策略。

1. 粗加工:
   该工艺从立方坯料或铸件开始，它们被粗略地加工成最终模型。由于是在水平方向上加工的，所以通常得到阶梯式的形状。常见的策略是锯齿形清理，偏移清理，插入粗加工和休息粗加工。
2. 半精加工:
   该工艺从一个粗糙的、不平整的零件开始，零件在一个固定的偏置处加工。
3. 完成:
   类似于半精加工，但使用不同的起始材料。

CAD/CAM技术给工业制造带来的变化:

CAD/CAM是指利用计算机来分析、模拟、设计、绘制和编制生产计划、和制造程序，并控制生产过程，即从设计到加工，都依赖于计算机的帮助，因此CAD/CAM是自动化的重要组成部分，影响着工业生产率和质量。

1. 数控加工生产:
   随着航空工业、汽车工业、轻工业等消费品生产的增长，对产品精度的要求越来越高，结构和形状越来越复杂，开发和制造周期越来越短，传统的加工已不能满足需求，于是数控加工应运而生。
2. CAD/CAM软件的生成:
   数控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，因此CAD/CAM应运而生。
3. CAD/CAM软件特点:
   
   • 三维建模功能;如上所述，被加工曲面的几何信息是软件刀具轨迹计算的基础，因此软件可以提供基本的曲面建模功能。
   • 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。包括输入参数修改、管理优化等。
4. 政策:
   以直观逼真的图形模拟加工过程，验证所编程序是否存在问题。
5. 刀具轨迹的编辑和修改:
   提供多种方法来编辑数控刀具路径。
6. 后期处理:
   它是一个文字处理过程，程序可以满足设备要求，并在程序的开头和结尾添加了一些辅助指令。
7. 流程文件生成:
   将机床操作人员需要的信息(如程序名称、加工顺序、刀具数据等)写入标准文件和标准化文件。