CAD/CAE/CAM技术的定义及应用简析

1.CAD技术

CAD技术由计算机帮助工程设计人员进行设计，可以服务于机械、电子、宇航、建筑、纺织、化工等产品的总体设计、造型设计、结构设计等环节。利用CAD软件把设计人员的创造性思维、综合判断力与计算机强大的记忆、数值计算、信息检索等能力有机结合，从而完成产品的设计计算、几何建模、工程分析、动态模拟和自动绘图等工作。为了实现这些功能，一个完整的CAD系统由科学计算、图形系统和工程数据库三部分组成，其中科学计算包括结构参数计算、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等；图形系统包括几何造型、自动绘图、动态仿真等；工程数据库对设计过程中需要使用和产生的数据、图形、文档等进行存储和管理。借助CAD技术对产品或工程的设计，可以大大提高其设计质量、缩短设计周期、提高设计效率、降低生产成本。

CAD技术在20世纪50年代出现时将产品和工程设计图样看成是“点、线、圆、弧、文本……”几何元素集合的二维CAD系统，到20世纪80年代CAD技术进入迅猛发展时期，逐步发展为将产品的实际形状表示成为包括了产品几何结构的有关点、线、面、体各种信息的三维模型的三维CAD系统。三维模型的描述也经历了从线框模型、表面模型到实体模型的发展，所表达的几何信息越来越完整和准确，能解决“设计”的范围越来越广。线框模型只是用几何体的棱线表示几何体的外形，就如同用线架搭出的形状一样，模型中没有表面和体积等信息。表面模型是利用几何形状的外表面构造模型，就如同在线框模型上蒙上一层外皮，使几何形状具有了一定的轮廓，可以产生诸如阴影、消隐等效果，但模型中缺乏几何形状体积的概念，如同一个几何体的空壳。几何模型发展到实体模型阶段，封闭了的几何表面构成了一定的体积，形成了几何形状的体的概念，如同在几何体的中间填充了一定的物质，使之具有了如质量、密度等特性，且可以检查两个几何体的碰撞和干涉等。由于三维CAD系统的模型包含了更多的实际结构特征，使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造或加工过程

20世纪90年代以后，CAD技术正在逐步朝着标准化、智能化、集成化、网络化的方向发展。这阶段的CAD具有良好的开放性，图形接口功能日趋标准化。在CAD系统中，正文、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等高新技术得到综合应用，大大提高了CAD自动化设计的程度，在这个背景下，智能CAD应运而生了。智能CAD把工程数据库及管理系统、知识库及专家系统、拟人化用户界面管理系统集于一体。知识的应用使CAD系统的“设计”功能和设计自动化水平大大提高，对产品设计全过程的支持程度大大加强，促进了产品和工程的创新开发。在经济全球化和网络技术高速发展的今天，基于因特网/企业内部网的网络化CAD系统得到高速发展。网络化CAD系统可以在网络环境中由多人、异地进行产品的定义与建模、产品的分析与设计、产品的数据管理和数据交换等，是实现协同设计的重要手段，可为企业利用全球资源进行产品的快速开发提供支持。

模具CAD就是CAD技术在模具设计过程中的应用，以压铸模CAD为例，主要包括根据产品模型进行模具分型面的设计、确定型腔和型芯设计、模具结构的详细设计等几个方面。利用CAD软件确定分型面，生成上下模腔和模芯，再进行流道、浇口及冷却水管的布置等。压铸模的许多标准件，如标准模架、顶出系统等都可以采用基于数据库管理的参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库，这样既可以实现数据共享，又可以满足用户对设计的随时修改，使压铸模的设计快速、准确、高效。

本书后面的章节将介绍压铸模CAD的有关知识和应用实例。

2.CAE技术

CAE是指求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域，即将一个连续体简化为有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点的场变量值问题。实际结构的物理性能可以用通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来代替对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前置处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形像的图形输出，如生成位移图，应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图，通常称此过程为CAE的后置处理。在CAE的应用过程中，前、后置处理是最重要的工作。CAE技术可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。

CAE技术的研究始于20世纪50年代中期，CAE软件出现于20世纪70年代初期，到20世纪80年代中期CAE软件在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟。近十多年是CAE软件的商品化发展阶段，其理论和算法日趋成熟，并成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户界面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助3C（CAD/CAE/CAM）系统的重要环节。

模具CAE就是CAE技术在模具设计过程中的应用。以压铸模CAE为例，利用ProCAST等铸造CAE软件可以进行铸件产品的成型过程分析，以此来检查压铸模结构的合理性、流动状态的合理性、产品的质量问题等。根据ProCAST软件及其丰富的材料、工艺数据库，通过输入成型工艺参数，可以动态仿真液态金属在压铸模腔内的充型过程流动情况、分析凝固过程温度场的变化、预测铸造缺陷的形成等，根据数据分析情况来检查模具结构的合理性、流动状态的合理性、产品的质量问题等。比如是否存在浇注系统不合理，出现流道和浇口位置尺寸不当，无法平衡充满型腔；是否存在产品结构不合理或模具结构不合理，出现产品浇不足；是否存在冷却不均匀，影响生产效率和产品质量。通过模具CAE可以将模具设计错误消除在设计阶段，提高一次试模成功率。概括起来，模具CAE技术可以发挥以下几方面的作用：

1）对工件的可加工性能做出早期的判断，预先发现成型中可能产生的质量缺陷，并模拟各种工艺方案，以减少模具调试次数和时间，缩短模具开发时间。(www.xing528.com)

2）对模具进行强度刚度校核，择优选取模具材料，预测模具的破坏方式和模具的寿命，提高模具的可靠性，降低模具成本。

3）通过模拟进行优化设计，以获得最佳的工艺方案和工艺参数，增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产效率和产品的质量。

4）查找工件质量缺陷或问题产生的原因，以及寻求合理的解决方案。

本书后面的章节将介绍压铸模CAE的相关知识和应用实例。

3.CAM技术

CAM技术是用计算机辅助完成产品制造过程的统称，有狭义CAM和广义CAM之分。狭义CAM主要指产品的数控（Numerical Control，NC）加工，它的输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是加工时刀具的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。广义CAM主要指利用计算机进行零件的工艺规划、数控程序编制、加工过程仿真等，还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。这一章节只介绍狭义CAM，即只与NC编程有关的内容。CAM技术包括：刀具种类、特性和材料库的建立，切削加工工艺参数的确定；粗、精加工刀具轨迹的优化规划和NC指令的产生；过切检查与加工表面的精度控制；加工过程的仿真等。在CAM技术的应用中特别需要三维CAD产品模型的数据，而且很多的CAM软件如MasterCAM、Cimatron等在处理多曲面的编程加工时对产品的曲面模型有较高的要求，如相邻曲面的U、V方向的一致性、曲面与曲面的高精度拟合、曲面斜率连续变化等。在高级CAD/CAM一体化系统中（如UGⅡ、Pro/E），由于利用了参数化特征造型设计和同一数据库技术，使得产品模型数据、模具的型腔和型芯模型数据、刀具轨迹数据有着内在的联系，产品模型修改时刀具轨迹自动修改。

CAM技术的研究始于20世纪50年代初期。编制零件加工程序是数控技术应用的重要环节，靠手工编程无法满足复杂零件数控加工的需求，因此，美国开始了数控自动编程技术——APT语言的研究，形成了早期的CAM系统。目前，CAM技术已经成为CAX（CAD、CAE、CAM等）体系的重要组成部分，可以直接在CAD系统建立起来的参数化、全相关的三维几何模型（实体+曲面）上进行加工编程，生成正确的加工轨迹，通过采用面向局部曲面的加工方式，使编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。CAM系统仅以CAD模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式，已经成为智能化、自动化水平进一步发展的制约因素。只有采用面向模型、面向工艺特征的CAM系统，才能够突破CAM自动化、智能化的现有水平。

模具CAM技术就是CAM技术在模具制造过程中的应用，特别是在复杂模具的型腔、型芯及电极的数控铣削加工、线切割加工、电火花加工等方面。此外，模具加工过程仿真能直接反映加工结果、直接评估加工后零件的质量及检查出加工的错误。该项技术越来越成熟，越来越受到人们的重视。在检查加工后零件的质量时，可以在计算机上对加工后的实体模型进行任意的剖切，直接测量其尺寸和精度。因此，加工过程仿真能把错误消除在加工工艺编程设计阶段，减少加工后的修补和返工，大大提高模具的制造效率和质量。

本书后面的章节将介绍模具型腔或型芯自由曲面的数控铣削加工的有关知识及应用实例。