博文
CAD/CAM系统的发展与应用
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作者：袁定福
一、三维CAD技术的意义及发展历程
CAD技术起源于美国，它经历了一个由二维设计技术向三维设计技术发展的过程。早期的二维机械CAD技术实际上是计算机辅助绘图（Computer Aided Drafting），它只是起到了一个电子图板的作用，因为二维机械CAD技术没能很好地解决设计中最困难的几个问题，如：复杂的投影线生成问题、尺寸漏标问题、漏画图线问题、机构几何关系和运动关系的分析讨论问题、设计的更新与修改问题、设计工程管理问题等。所以，二维机械CAD没有起到真正的计算机辅助设计的作用。其实，人在设计零件时的思维是三维的，是与颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等概念相关联的，甚至带有相当复杂的运动关系，只是由于以前的手段有限，人们不得不共同约定了在第一象限平行正投影的二维视图表达规则，用有限个相关联的二维投影图表达自己的三维设想。通常，二维图的表达信息是极不完整的，而且绘图、读图要经过专门训练的人来进行，以便“纠正”人类头脑中的原始的、关于几何形体表达的“错误”，于是人们迫切渴望三维CAD技术的出现。
三维CAD技术符合人的设计思维习惯，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，直观形象。因为，我们在进行机械设计时，总是希望零部件能够让我们随心所欲地构建，能够随意拆卸，能够让我们在平面的显示器上构造出三维立体的设计模型，而且希望保留每一个中间结果，以备反复设计和优化设计。并可进行应力/应变分析、质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、模具设计、NC编程及可加工性分析、二维工程图的自动生成、外观效果和造型效果评价等工作。因而三维CAD技术才是真正意义上的计算机辅助设计技术（Computer Aided Design）。
三维CAD技术发展到现在已经经历了四次技术革命。可称为：由线框造型设计/加工发展到曲（表）面造型设计的第一次技术革命;/由曲（表）面造型设计发展到实体造型设计的第二次技术革命; 由实体造型设计发展到参数化造型设计的第三次技术革命;由参数化造型设计发展到变量化造型设计的第四次技术革命。
60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统，只能表达零件的基本几何信息，不能有效表达零件几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。70年代法国的达索飞机制造公司的曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，CATIA改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的工作方式，使人们可以用计算机进行曲线、曲面的处理操作。它的出现，首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了实现的基础。
但是曲面造型技术只能描述零件形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、转动惯量等，对CAE技术十分不利，于是1979年美国的SDRC公司推出了世界上第一个基于实体造型技术的大型CAD/CAM软件——I-DEAS，实体造型技术是CAD技术上的第二次技术革命。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，因而给设计带来了惊人的方便。
实体造型技术的主要缺陷是无法进行尺寸驱动，不易实现设计与制造过程的并行作业。80年代末期，美国的参数技术公司PTC（Parameter Technology Corp）研制的命名为Pro/ENGINEER的参数化软件，引起了CAD技术的第三次技术革命。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
参数化实体造型技术也有缺陷，即当实体几何拓扑关系及尺寸约束关系较复杂时，参数化实体造型技术就显得有些力不从心。SDRC公司以参数化技术为蓝本，提出了更为先进的实体造型技术——变量化技术。变量化技术既保持了参数化技术的优点，同时又克服了它的不足之处。它的成功应用，将为CAD技术的发展提供更大的空间和机遇，被视为CAD技术的第四次技术革命。
CAD/CAM发展的历史至今已有30余年，从1965年Lockheed飞机公司研制CAD/CAM系统开始，CAD/CAM技术得到了迅猛地发展。随着计算机及信息技术的迅速发展和日趋完善，CAD/CAM技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等部门得到了广泛的应用。CAD/CAM技术使产品的设计制造和组织生产的传统模式产生了深刻的变革，成为产品更新换代的关键技术，被人们称为产业革命的发动机。在工业发达国家，CAD/CAM己经形成了一个推动各行业技术进步的、具有相当规模的新兴产业部门。因此,CAD/CAM技术作为反映一个国家工业水平的标志。
二、 当前常用的CAD/CAM系统介绍
1.CAD技术发展的技术关键及主流产品
CAD技术发展的技术关键----CAD数据模型 在CAD/CAM系统中，CAD的数据模型是一个关键。随着CAD建模技术的进步，CAM才能有本质的发展。三维CAD技术发展到现在已经经历了四次技术革命(以CAD数据模型为表征的)。由此，使三维CAD技术的发展已趋成熟。
CAD技术的主流产品: 目前流行的CAD技术基础理论主要有Pro/E为代表的参数化造型理论和以I-DEAS为代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。而某些CAD/CAM系统宣称自己采用的是混合数据模型，实际上是由于它们受原系统内核的限制，在不愿意重写系统的前提下，只能将面模型与实体模型结合起来，各自发挥自己的优点。实际上这种混合模型的CAD/CAM系统由于其数据表达的不一致性，其发展空间是受限制的。因此，CAD/CAM技术发展到现在，目前在国际市场上最有影响的机械CAD/CAM软件有：Pro/E、I-DEAS、UGⅡ、Auto CAD。这四大软件约占全世界CAD软件市场的60%以上。
Pro/E的参数化技术特点如下：
a.基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可变参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。
b.全尺寸约束：将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏标尺寸（欠约束），不能多标尺寸（过约束）。
c.尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。
d.全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。采用参数化技术的好处在于它彻底改等了自由建模的无约束状态,几何形状均以尺寸的形式而被有效控制。如打算修改零件形状时，只需修改一下尺寸即可实现形状的改变。
I-DEAS的变量化技术特点如下：
a.尺寸变量直接对应实际模型：采用三维变量化技术，在不必重新生成几何模型的前提下，能够任意改变三维尺寸标注方式。
b.将直接描述和历史树描述相结合：使设计人员可以针对零件上的任意特征直接进行图形化的编辑、修改。从而使用户对其三维产品的设计更为直观和实用。
2. 国外CAD/CAM软件
2.1 Pro/E(Pro/Engineer)
是美国参数技术公司（PTC）开发的CAD/CAM软件，在我国也有较多用户。它采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的平台。其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件，当原始造型被修改后，具有自动更新的功能。Pro/E可谓是一个全方位的3D产品开发软件，其模块众多。集成了零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体。（如MOLDESIGN模块用于建立几何外形，产生模具的模芯和腔体，产生精加工零件和完善的模具装配文件），采用操作界面的完全是视窗化，使初学者更加便利。其该软件还支持高速加工和多轴加工，带有多种图形文件接口。
2.2 I-DEAS
是美国SDRC公司开发的一套完整的CAD/CAM系统，其侧重点是工程分析和产品建模。它采用开放型的数据结构，把实体建模、有限元模型与分析、计算机绘图、实验数据分析与综合、数控编程以及文件管理等集成为一体，因而可以在设计过程中较好地实现计算机辅助机械设计。通过公用接口以及共享的应用数据库，把软件各模块集成于一个系统中。其中实体建模是I-DEAS的基础，它包括了工程设计、工程制图、模块、制造、有限元仿真、测试数据分析、数据管理以及电路板设计七大模块。
如：工程设计模块主要用于对产品进行几何设计，它包括实体建模、装配、机构设计等几个子模块。实体建模模块中，用户可以非常方便快捷地进行产品的三维实体造型设计和修改。其所生成的实体三维几何模型是整个工程设计的基础；装配模块通过对给定几何实体的定位来表达组件的关系，并可实现干涉检验及物理特性计算；机构设计模块用来分析机构的复杂运动关系，并可通过动画显示连杆机构的运动过程。
有限元仿真可以在设计阶段分析零件在特定工况下内部的受力状态。利用该功能，在满足零件设计要求的基础上，可以充分优化零件的设计。含：前置处理模块、求解和后置处理模块。
2.3 UG（Unigraphics）
是美国EDS公司发布的CAD/CAE/CAM一体化软件，广泛应用于航空航天、汽车、通用机械及模具等领域。国内外已有许多科研院所和厂家选择了UG作为企业的CAD/CAM系统。UG可运行于Windows NT平台，无论装配图还是零件图设计，都从三维实体造型开始，可视化程度很高。三维实体生成后，可自动生成二维视图，如三视图、轴测图、剖视图等。其三维CAD是参数化的，一个零件尺寸修改，可致使相关零件的变化。该软件还具有人机交互方式下的有限元解算程序，可以进行应变、应力及位移分析。UG的CAM模块提供了一种产生精确刀具路径的方法，该模块允许用户通过观察刀具运动来图形化地编辑刀轨，如延伸、修剪等，其所带的后处理程序支持各种数控机床。UG具有多种图形文件接口，可用于复杂形体的造型设计，特别适合大型企业和研究所使用。
2.4 CATIA
最早是由法国达索飞机公司研制，后来属于IBM公司，是一个高档CAD/CAM/CAE系统。广泛用于航空航天、汽车等领域。它采用特征造型和参数化造型技术，允许自动指定或由用户指定参数化设计、几何或功能化约束的变量式设计。根据其提供的3D线架，用户可以精确地建立、修改与分析3D几何模型。其曲面造型功能包含了高级曲面设计和自由外形设计，用于处理复杂的曲线和曲面定义，并有许多自动化功能。CATTIA提供的装配设计模块可以建立并管理基于3D的零件和约束的机械装配件，自动地对零件间的连接进行定义，便于对运动机构进行早期分析，大大加速了装配件的设计，后续应用则可利用此模型进行进一步的设计、分析和制造。CATIA具有一个NC工艺数据库，存有刀具、刀具组件、材料和切削状态等信息，可自动计算加工时间，并对刀具路径进行重放和验证，用户可通过图形化显示来检查和修改刀具轨迹。该软件的后处理程序支持铣床、车床和多轴加工。
2.5 Master CAM
是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件，由美国CNC Soft-ware公司开发，运行于Windows或Windows NT。该软件三维造型功能稍差，但操作简便实用，容易学习。其加工任选项使用户具有更大的灵活性，如多曲面径向切削和将刀具轨迹投影到数量不限的曲面上等功能。该软件还包括C轴编程功能，可顺利将铣床和车削结合。其它功能，如直径和端面切削、自动C轴横向钻孔、自动切削与刀具平面设定等，有助于高效的零件生产。其后处理程序支持铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工。另外，Master CAM提供多种图形文件接口，如SAT、IGES、VDA、DXF等。
3.国内CAD/CAM软件
3.1 CAXA电子图板和CAXA制造工程师
是北京北航海尔软件有限公司（原北京航空航天大学华正软件研究所）开发与销售。该公司是从事CAD/CAE/CAM软件与工程服务的专业化公司。
CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化、国标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，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。
CAXA制造工程师是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂型面CAD/CAM软件。利用灵活、强大的实体曲面混合造型功能和丰富的数据接口，可以实现产品复杂的三维造型设计；通过加工工艺参数和机床设置的设定，选取需加工的部分，自动生成适合于任何数控系统的加工代码；通过直观的加工仿真和代码反读来检验加工工艺和代码质量。CAXA制造工程师为数控加工行业提供了从造型设计到加工代码生成、校验一体化的全面解决方案。已广泛应用于塑模、锻模、汽车覆盖件拉伸模、压铸模等复杂模具的生产以及汽车、电子、兵器、航天航空等行业的精密零件加工。
3.2 高华CAD
是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。该公司是由清华大学和广东科龙（容声）集团联合创建的一个专门从事CAD/CAM/CAE系统的研究、开发、推广、应用、销售和服务的专业化高技术企业。公司与国家CAD支撑软件工程中心紧密结合，坚持走自主版权的民族软件产业的发展道路，以“用户的需要就是我们的需要”为承诺，在科研成果商品化方向迈出了可喜的一步。
高华CAD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。其中三维几何造型系统是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，它具有全导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。
3.3 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和图纸管理软件，它面向工程实际，摸拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比Auto CAD高得多。开目CAD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。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。
三、 CAD/CAM系统的选型与评估
1. 选型原则 选择软件时，应以满足需要为前提，除价格因素外，应考虑以下几点：
1.1操作使用的方便性
首先应注意软件的安装对操作系统及硬件的要求；其次再检查软件的各个子系统，比如界面设计是否符合逻辑和便于阅读，各级子菜单如何管理和显示，用户如何与系统交流等。一个好的软件还应便于初学者掌握，操作简便实用，一般应包含供初学者使用的学习模块和即时帮助系统。
1.2 软件的集成化程度
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个模块组成的，如三维绘图、图形编辑、曲面造型、数控加工、仿真摸拟等。这些模块应该以工程数据库为基础，进行统一管理。这样既保持了底层数据的完整性和一致性，实现了数据共享，又节约了系统资源和运行时间。相比若以文件管理为基础，会导致数据冗余度大，占用存储空间大，缺乏数据安全保护措施，不利于工程数据管理。
1.3 CAD功能
应能设计制作出既满足设计使用要求又适合CAM加工的零件模型。优秀的CAD系统是一个高效的设计工具，应具有参数化设计功能，三维实体模型与二维工程图形应能相互转化并关联。当然，还要考虑它与其它CAD/CAM软件的兼容性，注意软件所带的图形软件接口，看它能支持哪几种图形文件转换，是否能从其它系统读取图形文件，或将本系统的图形文件传送到其它系统。
1.4 CAM功能
CAM功能应能提供一种交互式编程并产生加工轨迹的方法，它包括加工规划、刀具设定、工艺参数设置等内容。CAM功能检测应注意以下：
1.4.1建立二维和三维刀具路径的难易程度；
1.4.2加工方法的多样性；
1.4.3刀具路径是否易于编辑和修改；
1.4.4是否有刀具和材料数据库，使系统能自动生成进给速度和主轴转速；
1.4.5有无内置的防碰撞和防过切功能；
1.4.6能否手动调整任何加工缺陷值（如进给速度，主轴转速等）；
1.4.7能否对加工过程进行摸拟和估算加工时间。
1.5 后处理程序及数控代码输出
后处理程序提供用户化的数控代码输出，使用户能灵活地使用不同的数控装置。选择软件时，应注意：
1.5.1提供哪些后处理程序。是否包括车床、线切割、电火花机床或三维五轴数控编程的后处理程序；
1.5.2后处理程序能否细调，以使数控输出符合用户的要求；
1.5.3能否将NC程序反向处理，显示刀具轨迹。
1.6 升级方法和技术支援
应了解该公司近几年来更新版本的情况，确认升级方法；公司的办事处地址，可提供哪些技术支援；是否需要技术培训，采用什么方式等。
https://wap.sciencenet.cn/blog-234554-280944.html
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