CAD/CAM技术概览

（一）CAD/CAM概念产生及发展

CAD（计算机辅助设计）和CAM（计算机辅助制造）是20世纪60年代以来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术。计算机辅助设计和制造，简称CAD/CAM，指的是以计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计和制造中的各项活动。

计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。从思维的角度看，设计过程包含分析和综合两个方面的内容。人可以进行创造性的思维活动，将设计方法经过综合分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析这些模型的程序。在程序运行过程中，人可以评价设计结果，控制设计过程：计算机则可以发挥其分析计算和存储信息的能力，完成信息管理、绘图、模拟、优化和其他数值分析任务。人和计算机相结合，在设计过程中两者发挥各自的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期。

计算机辅助制造是利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制。一般来说，计算机辅助制造包括工艺设计、数控编程和机器人编程等内容。工艺设计主要是确定零件的加工方法、加工顺序和所用设备。近年来，计算机辅助工艺设计（CAPP）已逐渐形成了一门独立的技术分支，当Numerical采用NC（Numer-ical Control，数控）机床加工零件时，需要编制NC机床的控制程序。计算机辅助编制NC程序，不但效率高，而且错误率很低。在自动化的生产线上，采用机器人完成装配和传送等项任务。利用计算机也可以实现机器人编程。

计算机辅助设计和计算机辅助制造关系十分密切。开始，计算机辅助几何设计和数控加工自动编程是两个独立发展的分支。但是随着它们的推广应用，二者之间的相互依存关系变得越来越明显了。设计系统只有配合数控加工，才能充分显示其巨大的优越性。另一方面，数控技术只有依靠设计系统产生的模型才能发挥其效率，所以，在实际应用中二者很自然地紧密结合起来，形成了计算机辅助设计与制造集成系统。通常，CAD/CAM系统指的就是这种集成系统。在CAD/CAM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。公共数据库将设计与制造过程紧密联系为一个整体。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可大大缩短产品的制造周期，显著提高产品质量，从而产生巨大的经济效益。

（二）当今CAD/CAM领域的主流技术

1.基础造型技术

包括参数化设计、变量化设计和特征造型技术。

1）参数化设计：指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。生产中最常用的系列化标准件就是属于这一类型。

2）变量化设计：指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。变量化设计允许尺寸欠约束的存在，可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等。

3）特征造型技术：着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。“特征”在此兼有形状和功能两种属性，它包括产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。

2.CAD的数据交换格式及标准化

目前，在微机和工作站上用于数据交换的图形文件标准主要有：AutoCAD系统的DXF文件，美国标准IGES及国际标准STEP。其他一些较为重要的标准还有：在ESPRIT（欧洲信息技术研究与开发战略规划）资助下的CAD-I标准（仅限于有限元和外形数据信息）；德国的VDA-FS标准（主要用于汽车工业）；法国的SET标准（主要应用于航空航天工业）等。

（三）CAD/CAM技术发展趋势

CAD/CAM技术还在发展之中，发展的主要趋势是集成化、智能化、并行化、网络化和标准化。具体说来主要体现在如下几个方向：

1.计算机集成制造（CIM）

CIM是CAD/CAM集成技术发展的必然趋势。CIM的最终目标是以企业为对象，借助于计算机和信息技术，使生产中各部分从经营决策、产品开发、生产准备到生产实施及销售过程中，有关人、技术、经营管理三要素及其形成的信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，从而达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，使企业赢得市场竞争的目的。CIMS是一种基于CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。它适应多种、小批量市场需求，可有效地缩短生产周期，强化人、生产和经营管理的联系，压缩流动资金，提高企业的整体效益。

2.智能化CAD/CAM系统(www.xing528.com)

随着CAD/CAM技术的发展，将人工智能技术，专家系统应用于系统中，形成智能的CAD/CAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能及智能化的视觉、听觉、语言能力，从而解决那些以前必须由人类专家才能解决的概念设计问题。

3.并行工程

并行工程是随着CAD/CAM、CIMS技术发展提出的一种新哲理、新的系统工程方法。即并行的、集成的设计产品及其开发的过程。它要求产品开发人员在设计阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求等，以便最大限度地提高产品开发效率及一次成功率。并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法。

4.分布式网络化

由于CAD/CAPP/CAM技术日趋势成熟，可应用于越来越大的项目。这类项目往往是多个人、多个企业在多台计算机上协同完成，所以分布式计算机系统非常适用于CAD/CAPP/CAM的作业方式。

（四）CAD/CAM主流软件

1.引进的国外主要软件

（1）AutoCAD及MDT AutoCAD是美国Au-todesk公司开发的二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注及方便用户的二次开发功能，也具有部分的三维作图造型功能。MDT是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件。

（2）Pro/Engineer美国参数技术公司产品，以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型深受用户欢迎，在中小企业中有广泛应用。适合于通用化、系列化和标准化的产品设计。

（3）I-DEASMasterSeries5美国SDRC公司产品，其特点为高度一体化、工程分析能力强。该版本还增强了复杂零件设计、高级曲面造型以及有限元建模和耐用性分析等模块的功能。

（4）Unigraphics（UG）美国MD公司产品，采用基于特征的实体造型，具有尺寸驱动编辑功能和统一的数据库，具有很强的数控加工能力，可以进行复杂曲面加工和镗铣。广泛应用于汽车、飞机、模具制造业和其他机械类行业企业。

2.国内开发的主要软件

（1）CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师由北京北航海尔软件有限公司开发，CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合。CAXA-ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。

（2）高华CAD由清华大学和广东科龙（容声）集团联合创建的高技术企业，其系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统、机械设计及绘图系统、工艺设计系统、三维几何造型系统、产品数据管理系统及自动数控编程系统。

（3）清华XTMCAD是清华大学机械CAD中心和北京清华艾克斯特CIMS技术公司共同开发的CAD软件。具有动态导航、参数化设计及图库建立与管理功能，还具有常用零件优化设计、工艺模块及工程图纸管理等模块。

（4）开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图样管理软件。它支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。