1.2 CAD、CAE、CAM的基本概念

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)是在產(chǎn)品開發(fā)過程中使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輔助產(chǎn)品創(chuàng)建、修改、分析和優(yōu)化的有關(guān)技術(shù)。這樣，任何嵌入了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的計(jì)算機(jī)程序和在設(shè)計(jì)過程中使工程設(shè)計(jì)變得容易進(jìn)行的應(yīng)用程序，都?xì)w類為CAD軟件。換言之，CAD工具包括了從創(chuàng)建形體的幾何建模工具到諸如分析、優(yōu)化應(yīng)用程序的所有工具。目前，可以使用的典型工具包括公差分析、質(zhì)量屬性計(jì)算、有限元建模和分析結(jié)果的可視化。CAD最基本的功能是定義設(shè)計(jì)的幾何形狀，這里所說的設(shè)計(jì)可以是機(jī)械零件、建筑結(jié)構(gòu)、電子電路和建筑平面布局等的設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的幾何形狀是產(chǎn)品周期中后續(xù)各項(xiàng)工作的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助繪圖系統(tǒng)和幾何建模系統(tǒng)典型地應(yīng)用于這一目的，這也是這些系統(tǒng)被稱為CAD軟件的原因。此外，這些系統(tǒng)所建立的幾何模型是執(zhí)行后續(xù)CAE和CAM中其他功能的基礎(chǔ)，這是CAD最大的優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)樗梢怨?jié)省重新定義幾何形狀所需的大量時(shí)間，也可以減小因此而造成的出錯(cuò)概率。因此，我們說計(jì)算機(jī)輔助繪圖系統(tǒng)和幾何建模系統(tǒng)是CAD中最重要的組成部分。

計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)是使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來分析CAD幾何模型，允許設(shè)計(jì)者模擬并研究產(chǎn)品的行為，以便進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。有許多用于分析工作的CAE工具可供選擇，例如，運(yùn)動學(xué)程序可用來確定機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動路徑和連桿速度，大位移動力學(xué)分析程序可用來確定諸如汽車這樣復(fù)雜的裝配體中的載荷和位移，邏輯時(shí)序和驗(yàn)證軟件可用來模擬電子電路的運(yùn)行。

應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)輔助分析方法是有限元方法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）。這種方法可以解決應(yīng)力、變形、熱傳遞、磁場分布、流體流動和其他方法無能為力的連續(xù)域問題。在有限元分析中，用一些相互聯(lián)結(jié)的單元構(gòu)成分析模型來表示結(jié)構(gòu)，這些單元把問題劃分成了計(jì)算機(jī)容易處理的不同部分。

如前所述，有限元方法需要一個(gè)適當(dāng)抽象的抽象模型而不是產(chǎn)品幾何模型本身。這個(gè)抽象模型不同于產(chǎn)品幾何模型，抽象模型是通過消除幾何模型中一些不必要的細(xì)節(jié)或通過減少維數(shù)而得到的。例如，當(dāng)一個(gè)厚度很薄的三維實(shí)體轉(zhuǎn)換為分析模型時(shí)，它就變成了一個(gè)二維的殼體模型。因此，為了應(yīng)用有限元方法，需要交互地或自動地生成一個(gè)抽象模型。一旦抽象模型生成，將用抽象模型來生成有限單元網(wǎng)格。能夠構(gòu)建抽象模型并且生成有限單元網(wǎng)格的軟件工具，稱為預(yù)處理器或前處理器。在對每一個(gè)有限單元網(wǎng)格進(jìn)行分析之后，計(jì)算機(jī)集成分析結(jié)果，并進(jìn)行可視化顯示，如應(yīng)力大的區(qū)域可以用紅色顯示。這種可視化顯示的軟件工具稱為后處理器。

有許多優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件工具可供選擇。盡管優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件屬于 CAE工具，但是它們通常單獨(dú)列為一類。可以將優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析工具集成，以自動地確定設(shè)計(jì)形狀。在這些方法中，假定原始設(shè)計(jì)形狀是一個(gè)簡單的形狀，如一個(gè)不同密度的小單元組成的二維矩形，然后，執(zhí)行優(yōu)化程序計(jì)算滿足應(yīng)力約束條件下這些密度的最佳值，以達(dá)到一定的優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)通常重量最小。對于基于密度的最優(yōu)化來說，產(chǎn)品最優(yōu)化形狀可以通過消除低密度單元來獲得。

設(shè)計(jì)分析和最優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)是使工程師，在進(jìn)入到費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢的制造和測試物理原型之前，了解產(chǎn)品是如何工作的，以及發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷。因?yàn)樵诋a(chǎn)品研發(fā)過程的后期階段，工程成本是呈指數(shù)增長的，所以，早期使用CAE分析進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，可以大大縮短整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程的時(shí)間和降低開發(fā)費(fèi)用。

計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接或間接地應(yīng)用于計(jì)劃、管理和控制生產(chǎn)作業(yè)的有關(guān)技術(shù)。CAM最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域之一是數(shù)字控制，或簡稱為NC。這種技術(shù)是使用可編程的指令來控制機(jī)床，進(jìn)行磨削、切割、沖壓、成形、車削等作業(yè)，將原材料加工成零件。目前，計(jì)算機(jī)使用基于CAD數(shù)據(jù)庫的幾何數(shù)據(jù)，加上由操作人員提供的有關(guān)信息，可以生成大量的數(shù)控指令。CAM的研究集中于最小化操作人員的交互工作。

CAM的另一個(gè)重要作用是機(jī)器人編程，使機(jī)器人可以在加工單元內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，為數(shù)控機(jī)床選擇刀具、定位工件等。這些機(jī)器人可以獨(dú)立地完成諸如焊接、裝配或在車間內(nèi)搬運(yùn)設(shè)備或零件的任務(wù)。

實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)自動化也是計(jì)算機(jī)自動化的一個(gè)目標(biāo)，當(dāng)工件從車間的一個(gè)工作站運(yùn)送到另一個(gè)工作站時(shí)，工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)為它制定了從開始到結(jié)束所需的詳細(xì)生產(chǎn)步驟。如前所述，完全徹底的工藝制定自動化是不可能實(shí)現(xiàn)的，然而如果一個(gè)零件的工藝已經(jīng)制定的話就可以自動生成與這個(gè)零件相似零件的工藝。將相似零件歸為一類的成組技術(shù)，可以達(dá)到這個(gè)目的。如果這些零件有諸如溝槽、斜面、孔等常見制造特征，就可以把它們歸為不同的類。因此，為了能夠自動地檢索到具有相似特征的零件，CAD數(shù)據(jù)庫中必須包含這些特征信息，基于特征的建模技術(shù)或特征識別技術(shù)可以完成上述任務(wù)。

此外，計(jì)算機(jī)還可以用來決定什么時(shí)間訂購原材料和零件及訂購多少，以完成生產(chǎn)計(jì)劃，我們稱之為物料需求計(jì)劃（Material Requirements Planning，MRP）。計(jì)算機(jī)也可以用來監(jiān)視車間中機(jī)器的工作狀態(tài)，并給它們發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶睢?/p>

由此可見，CAD、CAE、CAM是自動完成產(chǎn)品周期中指定任務(wù)并使工作更有效的技術(shù)。由于這些系統(tǒng)都是獨(dú)立開發(fā)的，所以無法充分認(rèn)識到將產(chǎn)品周期中設(shè)計(jì)和制造活動集成起來的需求。為了解決這一問題，提出了一種稱為計(jì)算機(jī)集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的新技術(shù)。CIM的目標(biāo)是把一個(gè)個(gè)單獨(dú)的自動化孤島集成為一個(gè)連續(xù)平滑運(yùn)行的高效系統(tǒng)。CIM通過使用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫使整個(gè)企業(yè)高效運(yùn)行，并且對財(cái)務(wù)、報(bào)表、運(yùn)輸和其他管理都產(chǎn)生了很大影響，是對CAD、CAM和CAE工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)功能的補(bǔ)充。通常情況下，CIM被認(rèn)為是經(jīng)營哲理，而不是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。