CAD/CAM集成技术的发展历程及趋势

1.CAD/CAM集成技术的产生

CAD/CAM，即计算机辅助设计与计算机辅助制造，是一门基于计算机技术而发展起来的、与机械设计和制造技术相互渗透相互结合的、多学科综合性的技术，它随着计算机技术的迅速发展、数控机床的广泛应用及CAD/CAM软件的日益完善，在电子、机械、航空、航天、轻工等领域得到了广泛的应用。1989年，美国国家工程科学院对1965—1989年的25年间当代十项杰出工程技术成就进行评选，CAD技术名列第四。美国国家科学基金会曾在一篇报告中指出：“CAD/CAM对直接提高生产率比电气化以来的任何发展都具有更大的潜力，应用CAD/CAM技术，将是提高生产率的关键。”

CAD/CAM技术为什么能在短短的40余年间发展如此迅速呢？归根到底是因为它几乎推动了整个领域的设计革命，大大提高了产品开发速度，缩短了产品从开发到上市的周期；同时，由于市场竞争的日益激烈，用户对产品的质量、价格、生产周期、服务、个性化等要求越来越高，对于产品开发商来说，为了立足市场，必须使用先进设计制造技术，以缩短产品的设计开发周期，提高产品质量，最终提升产品的市场竞争力，CAD/CAM技术便是首选之一。因此，作为先进制造技术重要组成部分的CAD/CAM技术，它的发展及应用水平已成为衡量一个国家的科学技术进步和工业现代化的重要标志之一，尤其是模具CAD/CAM技术对于现代大批量优质生产更具有重要意义。

2.CAD/CAM发展历程

（1）CAD/CAM技术的发展历程

从CAD/CAM技术诞生至今，它的发展始终与计算机技术、软硬件水平及相关基础技术（如计算机图形学、网络技术、通信技术等）的发展紧密相连，因此，我们在了解CAD技术发展历程的同时，也需要了解当时与CAD技术相关技术的发展情况。在CAD技术和CAM技术诞生初期，它们是独立发展的，而且是CAM技术的发展促使CAD技术的出现和发展。

20世纪40年代末期，美国有一位叫约翰·帕森斯（John Parsons）的工程师构思并向美国空军展示了一种加工方法：在一张硬纸卡上打孔来表示需要加工的零件的几何形状，利用这张硬纸卡来控制机床进行零件的加工。当时美国空军正在寻找一种先进的加工方法以解决飞机外形样板加工的问题，因此美国空军对该构思十分感兴趣并大力赞助，同时委托麻省理工学院进行研究开发。1952年，麻省理工学院伺服机构实验室和帕森斯公司合作研制出了世界上第一台数控机床，该机床在用于飞机螺旋桨叶片轮廓检验样板的加工中取得圆满成功。它是用含有某种指令的特定程序控制其运动并实现工件加工的：首先由人工编好程序并输入数控机床，然后执行程序实现零件的自动加工。用这种方法在编制复杂零件的加工程序时存在编程比较麻烦、周期长且容易出错等缺点。因为程序编制较难，从而限制了它的有效应用。针对这些问题，以该实验室D.T.Ross教授为首的研究小组开始着手研究一种能实现自动编程的系统，即APT（Automatically Programmed Tools）：它是一套纯文字的计算机语言。主要由几何定义语句、刀具语句、宏指令与循环指令、辅助功能及说明语句、输入输出语句组成，编程人员首先描述需要加工的零件形状和刀具形状、加工方法、加工参数等，然后编制出零件的加工程序。1969年，美国United Computing公司成功地开发出了APT软件并取名为UNIAPT。APT软件经过软件开发商的发展，先后推出了APT-Ⅱ、APT-Ⅲ、APT-Ⅳ、APT-SS等版本，其功能不断扩充，APT-Ⅲ具有立体切削功能，APT-Ⅳ实现了曲面加工，APT-SS可雕刻表面。APT软件这种以语句为结构对加工零件的几何形状进行描述和定义、应用软件对语句进行信息处理、最终生成零件的数控加工程序的工作原理，就是CAM技术的开端。因此，早期的CAM主要是用于解决程序编制问题，APT也成为自动编程的一种形式——以计算机语言为基础的自动编程。

虽然以计算机语言为基础的自动编程方法解决了不少编程问题，但它仍存在许多明显不足，如缺少对零件形状和刀位轨迹进行模拟验证的功能使得加工容易出错，程序编制时因为没有图形而不直观，不能处理复杂零件尤其是有曲面的零件等。

第二次世界大战后，随着美国飞机制造业的迅速发展，飞机气动外形的准确度要求逐渐提高，飞机结构也更加复杂，人们开始尝试着使用一种新的制造方法——模线样板工作法，即在铝板上，按真实尺寸绘制飞机各部分的外形轮廓及与外形有关的结构零件图，再用这些模线图制作样板和工装，从而保证了飞机零件制造和装配的精度。在飞机制造中，这种方法取得了很好的效果，缺点是生产准备周期长、手工劳动量大。20世纪50年代中期，由于电子计算机的发展，一些飞机制造公司开始尝试用电子计算机建立飞机外形的数学模型，计算切面数据，再用绘图机输出这些曲线。这种方法大大提高了飞机的制造精度、缩短了生产准备时间、降低了人工工作量，这就是CAD技术的雏形。

CAD技术从出现至今大致经历了五个阶段。

1）孕育形成阶段（20世纪50年代）。该阶段最大的成果是：1950年麻省理工学院研制出了“旋风I号”（Whirlwind-I）形显示器，该显示器类似于示波器。虽然它只能用于显示简单的图形且显示精度很低，但它却是CAD技术酝酿开始的标志。随后，1958年，Calcomp公司和Gerber公司先后研制出了滚筒式绘图仪和平板式绘图仪，显示器和绘图仪的发明，表明了该时期硬件具有图形输出功能。

2）快速发展阶段（20世纪60年代）。20世纪50年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制出将雷达信号转换为显示器图形的空中防御系统。该系统使用了光笔，操作者用它指向屏幕中的目标图形，即可获得所需信息，这便是交互式图形技术的开端。

1962年，麻省理工学院林肯实验室的I.E.Sutherland发表了《Sketchpad：一个人机通信的图形系统》的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，为CAD技术的发展和应用奠定了坚实的理论基础。I.E.Sutherland的博士论文中所提出的CAD技术的思想，成了该时期的重大成果之一。

计算机技术、交互式图形技术等基础理论的建立与发展、图形输入输出设备（如光笔、图形显示器、绘图仪等）的成功研制及对图形数据处理方法的深入研究，大大推动了CAD技术的完善和发展。一个有力证据就是商品化CAD软件的出现和应用。如1964年美国通用汽车公司和IBM公司联合开发的DAC-1系统（Design Augmented by Computer），该系统主要用于汽车外形和汽车结构的设计。

1965年美国IBM公司和美国洛克希德公司共同开发的CADAM系统，该系统具有三维造型和结构分析能力，广泛应用于工程设计、机械工业、飞机制造等行业。

不过，该时期的CAD系统主要是二维系统，三维CAD系统也只是简单的线框造型系统，且规模庞大，价格昂贵。线框造型系统只能表达几何体基本的几何信息，不能有效表达几何体间的拓扑信息，也就无法实现CAM和计算机辅助工程（CAE）。(www.xing528.com)

虽然CAD技术和CAM技术是计算机应用技术中独立发展的两个分支，但随着CAD技术、CAM技术在制造业中的推广，二者间的相互结合显得越来越迫切。CAD系统只有配合CAM，才能充分显示它的巨大优越性；同样，CAM只有利用CAD技术所建立的几何模型，才能进一步发挥它的作用。20世纪60年代末70年代初，一些外国公司开始着手将计算机辅助设计系统和计算机辅助制造系统进行集成，建立一个统一的应用程序库，并逐步形成统一的系统。United Computing公司向一家专门从事图形开发的公司购买其图形系统ADAM，并将ADAM与自己开发的UNIAPT软件结合起来，成为一套新的系统，并取名为UNI-GRAPHICS。1973年10月，在底特律召开的CAD/CAM会议上，United Computing公司向外界发布了该系统。

3）成熟推广阶段（20世纪70年代）。由于计算机硬件的快速发展，CAD技术进入了成熟推广时期，出现了一批专门从事CAD/CAM技术的公司，推出了具有代表性的CAD/CAM软件：1970年，美国Applicon公司第一个推出了完整的CAD系统；法国Dassault公司开发出基于表面模型的自由曲面建模技术，推出三维曲面造型软件CATIA；美国GE开发的CALMA；美国麦道飞机公司的UG等。1974年，人们开始把CAD系统和生产管理及力学计算相结合，1975年，发展为CAD/CAM集成系统。该时期CAD技术的应用主要是“交钥匙系统”（Turn key System），即软件服务商提供以小型计算机为基础、软硬件齐备的CAD系统。曲面造型系统的出现是这一时期在CAD技术方面取得的重大成果，被认为是第一次CAD技术革命。20世纪70年代初，美国IBM公司和法国Dassault公司联合开发了CATIA系统，该系统以自由曲面造型方法表达零件的表面模型，使人们从简单的二维工程图样中解放出来。曲面造型技术的出现及应用，虽解决了CAM表面加工问题，但不能表达质量、重心、体积、转动惯量等几何物理量，因此无法实现CAE。

4）广泛应用阶段（20世纪80年代）。随着微型计算机的飞速发展，CAD系统逐渐开始从小型计算机向微型计算机转化，这为CAD技术的广泛应用创造了良好的硬件条件。这一时期在CAD技术方面主要的技术特征是实体造型理论的建立和几何建模方法的出现，构造实体几何法（CSG）和边界表示法（B-mp）等实体表示方法在CAD软件开发中得到广泛应用。由于实体造型技术的出现，统一了CAD、CAE、CAM的表达模型，从而使得CAE技术成为可能并逐渐得到应用。因此，实体造型技术被认为是第二次CAD技术革命。1979年，SDRC公司开发出了第一套基于实体造型技术的大型CAD/CAM软件Ⅰ-DEAS。

20世纪80年代中期，CV公司的一些技术人员提出了一种比无约束自由造型更新颖的造型技术——参数化设计，但CV公司否决了这一技术提案，参与策划的技术人员便离开了CV公司，成立了PTC公司，并于1988年推出全球第一套基于参数化造型技术的CAD/CAM软件——Pro/ENGINEER，获得巨大成功。参数化实体造型技术的主要特点是基于特征、全数据相关、全尺寸约束、尺寸驱动。参数化实体造型技术成为CAD技术发展史中第三次技术革命。

20世纪80年代后期，SDRC公司的技术人员对参数化技术进行了深入的研究和探索。1990年，经过几年的研究探索之后，发现参数化技术存在不少缺点，如全尺寸约束这一要求大大限制了设计人员创造能力的发挥。美国麻省理工学院的Gossard教授提出一种新的造型技术——变量化设计。变量化设计采用非线性约束方程组联立求解，设定初始值后用牛顿迭代法进行精化；同时，变量化设计扩大了约束的类型，除了几何约束外，还引入力学、运动学、动力学等约束，使得求解过程不仅含有几何问题，也包含了工程实际问题。众所周知，已知全部参数的方程组进行顺序求解比较容易。而在欠约束情况下，方程联立求解的数学处理和软件实现的难度则大大增加。但是，经过了三年的努力，在1993年，SDRC公司推出了基于变量化设计的全新体系结构的I-DEASMater Series软件。变量化设计既保留了参数化设计的优点（如基于特征、全数据相关），又克服了参数化设计的不足（如全尺寸约束），因此，变量化设计技术被认为是CAD的第四次技术革命。

5）标准化、智能化、集成化阶段（20世纪80年代后期）。随着CAD技术的不断发展，技术标准化愈显迫切和重要。从1977年推出CORE图形标准以来，陆续出现了与应用程序接口有关的标准、与图形存储和传输有关的标准和与虚拟设备接口有关的标准，这些标准的制订和采用为CAD技术的推广起到了重要的作用。

将人工智能AI（Artificial Intelligence）引入CAD系统是CAD技术发展的必然趋势，这种结合大大提高了设计的自动化程度。专家系统ES（Expert System）是人工智能在产品和工程设计中最早获得成功应用的一个领域，它在产品设计初始阶段，特别是在概念设计和构思评价阶段起到了积极的作用。

CAD技术与CAM、CAE等技术的集成形成了广义的CAD/CAM系统。CAD/CAM系统的构建实现了信息集成和功能集成，CIMS则是更高层次的集成。它包括了产品几何、加工、管理等全方位的信息。

（2）CAE技术的发展历程

CAE是指以现代计算力学为基础、以计算机仿真为手段，对产品进行工程分析并实现产品优化设计的技术。这里所指的工程分析包括有限元分析、运动机构分析、应力计算、结构分析、电磁场分析等。在产品设计中，CAD技术完成了产品的几何模型的建立，但是对于设计是否合理、产品能否满足工程应用要求，则需对模型进行工程分析、计算优化，并根据需要对几何模型进行必要的修改，使产品最终满足有关要求。CAE是CAD/CAM进行集成的一个必不可少的重要环节，因此有些学者认为CAE应属于广义CAD的重要组成部分，目前在大型商业化CAD/CAM软件中，CAE是该软件的重要功能模块。

CAE技术的发展大致经历了三个阶段。

1）技术探索阶段（20世纪60～70年代）。20世纪50年代，飞机逐渐由螺旋桨式向喷气式转变。为了确定高速飞行的喷气式飞机的机翼结构，必须对其动态特性进行精确的分析计算。1956年，美国波音飞机公司开发了一种新的计算方法——有限元法，并把它应用于飞机生产；1967年，SDRC公司成立并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包；1970年，SASI公司成立，开发了ANSYS软件。

2）蓬勃发展时期（20世纪70～80年代）。1977年，MDI公司成立，其主导软件ADAMS广泛应用于机械系统运动学、动力学仿真分析；1978年，ABAQUS软件应用于结构非线性分析；1982年，CSAR公司成立，所开发的CSA/Nastran软件主要应用于大结构、流-固耦合、热学、噪声分析等；1989年，ES-KD公司成立，发展了P法有限元程序。

3）成熟推广时期（20世纪90年代）。CAE软件开发公司注意不断增强自身CAE软件的前、后置处理能力并积极配合开发与应用广泛的CAD软件的专用接口，CAE逐渐走上了与CAD/CAM集成的轨道。