1.3 CAD/CAE/CAM技術的產生與發展

1.3.1 CAD技術的產生與發展

CAD是指使用計算機系統進行設計的全過程，包括資料檢索、方案構思、零件造型、工程分析、工程制圖、文檔編制等。在設計的各個階段，計算機都能發揮其輔助作用，因此CAD概念一產生，就成為一門新興的學科，引起了工程界的關注和支持，并迅速得到發展和日益完善起來。

20世紀60年代初，美國麻省理工學院開發了名為Sketchpad的計算機交互圖形處理系統，并描述了人機對話設計和制造的全過程，形成了最初的CAD概念。隨著計算機軟硬件的發展，計算機逐步應用于設計過程，形成了CAD系統，同時給CAD概念加入了新的含義，逐步形成了當今應用十分廣泛的CAD/CAE/CAM集成的CAD系統。從CAD概念產生至今，CAD技術經歷了多個發展階段。

從20世紀60年代初到70年代中期，CAD系統開始商品化，主要技術特點是二維、三維線框造型，只能表達基本的幾何信息，不能有效表達幾何數據間的拓撲關系，需配備大型計算機系統，價格昂貴。該時期具有代表性的產品是：美國通用汽車公司的DAC-1，洛克希德公司的CADAM系統。CAD技術開始進入應用階段。

20世紀70年代后期，CAD技術進入發展階段。由于集成電路的問世，CAD系統價格下降。此時正值飛機和汽車工業蓬勃發展的時期，飛機和汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題。法國索達飛機制造公司率先開發出以表面模型為特點的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統CATIA。該階段的主要技術特點是自由曲面造型。曲面造型系統為人類帶來了第一次CAD技術革命。一些受到國家財政支持的軍用工業相繼開發了CAD軟件，如美國洛克希德公司的CADAM、美國通用汽車公司的CALMA、美國波音公司的CV、美國國家航空及宇航局支持開發的I-DEAS、美國麥道公司的UG等。

20世紀80年代初，由于計算機技術的大跨步前進，CAE、CAM技術也開始有了較大的發展。因為表面模型技術只能表達形體表面的信息，而難以準確地表達零件的其他屬性如質量、質心、慣性矩等，所以對CAE技術而言十分不利，其最大的問題在于分析的前處理特別困難。基于對CAD/CAE一體化技術發展的探索，SDRC公司第一個開發了基于實體造型技術的CAD/CAE軟件 I-DES。由于實體造型技術能夠精確地表達零件的全部屬性，在理論上有助于統一CAD、CAE、CAM的模型表達，因此稱之為CAD發展史上的第二次技術革命。但由于當時的硬件條件還不能滿足實體造型技術所帶來的數據計算量極度膨脹的需求，因此使實體造型技術沒能很快在整個行業中全面推廣開來。

20世紀80年代中期，CV公司的一些人提出了參數化實體造型方法，其特點是：基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計等。策劃參數化技術的這些人成立了一個參數技術公司（Parametric Technology Corp，PTC），開始研制Pro/ENGINEER的參數化軟件。進入20世紀90年代，PTC在CAD市場份額中名列前茅。可以認為，參數化技術的應用主導了CAD發展史上的第三次技術革命。

20世紀90年代初期，SRDC公司在摸索了幾年參數化技術后，開發人員發現參數化技術存在許多不足之處。“全尺寸約束”這一硬性規定就干擾和制約著設計者創造力及想象力的發揮。為此，SRDC的開發者提出了一種比參數化技術更為先進的實體造型技術—變量化技術，并歷經3年時間，投資1億多美元，推出了全新體系的I-DEAS Master Serise軟件。變量化技術成就了SRDC，也驅動了CAD技術發展的第四次技術革命。

目前，CAD技術日益完善，許多發達國家相繼推出成熟的CAD/CAE/CAM集成化的商品軟件，在設計理論、設計方法、設計環境、設計工具等各方面出現了許多成熟的現代CAD技術。當今CAD技術是計算機在工程中最有影響的應用技術，它作為現代工程制造技術的重要組成部分，是促進科研成果的開發和轉化，促進傳統產業和學科的更新與改造，實現設計自動化，增強企業及其產品在市場上的競爭力，加強國民經濟發展的一項關鍵性高新技術。

CAD概念在各個時期都有所不同。1973年國際信息聯合會給出“CAD是將人和機器混編在解題作業中的一種技術，從而使人和機器的最好特性聯系起來”的定義。到20 世紀80年代初，第二屆國際CAD會議上認為CAD是一個系統的概念，包括計算、圖形、信息自動交換、分析和文件處理五個方面的內容。1984年召開的國際設計及綜合討論會上，認為CAD不僅是設計手段，而且是一種新的設計方法和思維。可見，CAD的概念是一個變化的、不斷發展的概念。

1.3.2 CAE技術的產生與發展

CAE是以現代計算力學為基礎，以計算機仿真為手段的工程分析技術，是實現產品優化設計的主要支持模塊。CAE技術的主要內容包括有限元分析法、邊界法、運動機構分析、氣動或流場分析、電磁場分析等，其中有限元分析在機械CAD中應用最廣泛。幾十年來，有限元法的應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩定問題、動力問題和波動問題；分析的對象已由彈性材料擴展到塑性黏塑性和復合材料等；分析的領域已從固體力學擴展到流體力學、傳熱學等連續介質力學領域；在工程分析中的作用已從分析和校核擴展到優化設計，并且和計算機輔助技術的結合越來越緊密。因此，有學者認為，CAE應屬于廣義 CAD的重要組成部分。CAE技術的發展大體經歷了以下三個階段。

20世紀60～70年代，CAE技術處在探索發展階段。這一時期的有限元技術主要針對結構分析問題進行發展，以解決航空航天技術發展過程中所遇到的結構強度、剛度以及模擬實驗和分析的問題。1963年Richard MacNeal和Robert Schwndler投資成立MSC公司，開發了稱為SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation if Analog Methods）的結構分析軟件。1967年在美國NASA的支持下，SDRC公司成立，并于1968年發布了世界上第一個動力學測試及模態分析軟件包，于1971年推出了商用有限元分析軟件Supertab（后并入I-DEAS）。1970年SASI公司成立（后來重組改稱ANSYS公司），開發了ANSYS軟件。

20世紀70～80年代是CAE技術蓬勃發展時期。1977年MDI公司成立，致力于發展機械系統仿真軟件，其軟件ADAMS應用于機械系統運動學、動力學仿真分析。1978年，ABAQUS軟件應用于結構非線性分析。1982年CSAR成立，其產品LS-DYNA及LS-NIKE3D用隱式算法求解低高速動態及特征問題。1989年Engineering Software Kesemoch and Devdopent公司成立，致力發展P法有限元程序。在這一時期，CAE發展有以下幾個特點：（1）軟件的開發主要集中在計算精度、硬件及速度平臺的匹配，計算機內存的有效利用及磁盤空間的利用。（2）有限元分析技術在結構分析和場分析領域獲得了很大的成功。從電學模型開始拓展到各種物理場（如溫度場、電磁場、聲波場等）的分析。從線性分析向非線性分析（如材料的非線性、幾何大變形導致的非線性、接觸行為引起的邊界條件非線性等）發展。從單一場的分析向幾個場的耦合分析發展。出現了許多著名的分析軟件，如 Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADINA、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS、NIKE3D與WECAN等。

20世紀90年代是CAE技術成熟和壯大的階段。CAE軟件發展商積極發展與各CAD軟件的專用接口并增強軟件的前后置處理能力。如MSC/Nastran在1994年收購了Patran作為自己的前后置處理軟件后，先后開發了與CATIA、UG等CAD軟件的數據接口。同樣，ANSYS也在大力發展其軟件ANSYS/Prepost的前后置處理功能，而SDRC公司利用I-DEAS自身CAD功能強大的優勢，積極開發與別的設計軟件的CAD模型傳輸接口，先后投放了從 Pro/E到I-DEAS、從CATIA到I-DEAS、從UG到I-DEAS等的專用接口，在此基礎上再增強I-DEAS的前后置處理功能。CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。

CAE技術的發展趨勢：

（1）應用領域越來越寬。使用對象從以專家為主轉向普通設計者和開發工程師。

（2）集成程度越來越高。軟件功能從單一CAE功能轉向CAD/CAE設計/分析一體化。

（3）分析人員的工作重點轉向前后置處理。如果把整個分析過程分解為前處理、求解和后處理，則前處理包括建立幾何模型、幾何模型輸入輸出準備、網格劃分、定義邊界條件，而求解和后處理相對簡單。1997年SDRC公司對分析人員整個分析過程中各個階段所占的時間百分比做了調查。由于計算機硬件速度的提高以及分析軟件計算方法的改進，求解實踐僅占4%。前處理占用了87%的時間，后處理占用了9%的時間。由此可見目前影響分析效率的主要環節是前后置處理。解決的方法有：① 采用CAD/CAE一體化軟件，解決大多數的分析任務。② 提高分析軟件的前后置處理能力，縮短整個分析過程的前后置處理時間。③ 采用同一有限元模型進行多種分析。

目前在產品開發中，產品評估（PE）的概念已經開始廣為人們接受。產品評估要求在整個產品開發過程中，從用戶需求-概念設計-產品設計-產品及零件詳細設計-工藝性分析-產品性能驗證-生產維護的各個階段，對產品進行及時有效的分析。采用評估與產品開發過程并行的方式，保證分析結構更為客觀，更為可靠。CAE技術將發揮越來越重要的作用。

1.3.3 CAM技術的產生與發展

制造技術可謂歷史悠久，可以說它是伴隨著人類的誕生而出現的，伴隨著人類的進步而發展的。人類社會能夠創造今天輝煌的經濟成就，能夠登上月球、探索太空，從根本上講是制造獲得了重大發展的結果。CAM技術是伴隨著數控機床的產生而產生，伴隨著數控技術和計算機技術的發展而不斷發展的，這門技術從產生到現在，已經歷了半個世紀，從形成、發展、提高和目前的高度集成，已形成了比較完整的科學技術體系，并在當今的高新技術領域中占有很重要的位置。

1952年MIT試制成功了世界上第一臺數控銑床，解決了形狀復雜零件，尤其是由自由曲面組成的復雜零件的自動加工，促進了數控編程技術的發展。同期，MIT研制開發了APT自動編程系統，解決了如何方便地將被加工零件的形狀輸入到計算機中進行刀具軌跡的計算和數控程序的自動生成。這就是第一代CAM軟件。20世紀60年代在專業數控（NC）系統上開發的編程機及部分編程軟件如日本FANUC、德國SEMEMS編程機，系統結構為專機形式，基本處理方式是人工或輔助式直接計算數控刀路，編程目標與對象也都是直接數控刀路。特點是功能差，操作困難，專機專用。仍屬第一代CAM系統的范疇。

20世紀70年代末以后，32位工作站和微型計算機的出現對CAM技術的發展提供了硬件基礎并產生了極大的推動作用。32 位工作站屬于單用戶的計算機系統，具有較高的響應速度；工作站之間可以聯網，可以共享系統內的資源和發揮各臺計算機的特點，逐步擴大CAM系統的功能和規模。在軟件方面，針對APT語言的缺點，1978年，法國達索飛機公司開始開發集三維設計、分析、NC加工一體化的系統，稱之為CATIA。隨后很快出現了 EUCLID，UGNX，INTERGRAPH，Pro/ENGINEER，MasterCAM及NPU/GNCP等系統，這些系統有效地解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示，交互設計、修改及刀具軌跡生成，走刀過程的仿真顯示、驗證等問題，推動了CAM技術的發展并使CAD和CAM向一體化方向發展。可稱之為第二代CAM軟件。

20世紀80年代是CAM技術迅速發展的時期，超大規模集成電路的出現，使計算機硬件成本大幅度地降低，計算機的外設也迅猛發展并成為系列產品，這為推動 CAM技術向高水平發展提供了硬件保證。同時，軟件技術、數據庫技術、有限元分析技術、優化技術、計算機圖形學技術等相關技術也得到飛速發展，促使了 CAM技術的推廣和應用。另外，還出現了與計算機輔助制造技術相關的其他技術，如計算機輔助零件分類和編碼技術、計算機輔助工藝規程設計（CAPP）、計算機輔助工裝設計、計算機輔助質量控制與檢測（CAQ）等。從20 世紀80 年代起，人們在發展上述各單項技術的同時，又開始致力于計算機集成制造系統（CIMS）的研究，這是一種高效益、高柔性的智能化制造系統。

從20世紀90年代起。CAM技術已不再停留在過去單一模式、單一功能、單一領域的水平，而向標準化、集成化、智能化的方向發展。為了實現系統的集成，實現資源的共享和產品生產與組織管理的高度自動化，提高產品的競爭力，就需要在企業和企業集團內的CAM系統之間和各個子系統之間進行統一的數據交換。在這種情況下，一些發達國家和國際標準化組織都進行了數據交換接口方面的開發工作，并指定了相應的標準。在這個階段也出現了面向對象的技術，并行工程的思想，人工智能技術及產品數據管理（PDM）等新技術，這些技術都對CAM技術的發展和功能延伸起到了推動作用。

從目前CAM技術的應用和發展看，這一技術在20世紀的工業發展中占有很重要的地位。1989年美國評出近25年間當代十項最杰出的工程技術成就，其中第4項就是CAD/CAM。1991年3月20日，在海灣戰爭結束后的第三個星期，美國政府發表了跨世紀的國家關鍵技術發展戰略，列舉了6大技術領域中的22項關鍵項目，認為這些項目對于美國的長期國家安全和經濟繁榮至關重要，而CAD/CAM技術與其中兩大領域的11項項目緊密相關，這兩大領域就是制造技術與信息通信技術。

CAM技術經過50年的發展歷程，現已成為一種應用廣泛的高新技術，并產生了巨大的生產力，推動工業產品向高、精、尖的方向突飛猛進。目前，CAM技術正向智能化、三維化、集成化、網絡化方向發展。

（1）智能化：現在CAM系統的智能化程度越來越高，以前的復雜操作逐漸由計算機智能化地進行處理。例如，用戶只要指明要標注的對象，尺寸就能在圖上適應的位置標注出來，甚至整個設計對象只用一個命令就能完成；在圖形的繪制和串聯加工軌跡方面，有些系統增加了智能導引的功能；在相關曲面加工中，對于是否產生過切的規劃問題，系統能正確判斷出用戶的意圖。這些智能化處理使用戶對系統的使用更加簡單和方便。

（2）三維化：通過對實體模型的三維幾何造型方法的完善，計算機中的三維曲面和實體更接近于真實的產品和零件，從而能方便地實現三維和二維視圖之間的轉換，為數控編程提供必要的刀路模型，可進行裝配、干涉檢查、有限元分析、運動分析和仿真等高級功能的項目。

（3）集成化：對于以前的CAD系統，建立的幾何模型較完善地描述了產品的幾何特征，工藝參數只是當做圖紙上的標注加以處理。在進入CAM后，需要人工介入，以提取CAD模型中的幾何信息，補充面向加工的信息，這不僅造成信息中斷和重復勞動，嚴重影響工作效率，而且可能產生信息丟失和錯誤，降低系統的可靠性。因此，CAM的集成是亟待解決的技術問題。目前，在工作站和微機上的CAM系統中，已推出了越來越多的高集成度軟件，如國外的軟件Pro/E、UGNX、Cimarton和Masrer CAM等，國內的軟件有CAXA。

（4）網絡化：隨著計算機應用發展的網絡化趨勢，CAM系統必然也要網絡化。只要企業的局域網與Internet相連，用戶就可以用高性能的PC代替昂貴的工作站，不同設計人員可以在網絡上方便地進行全球性的交流，可以發送郵件、查詢世界各地各領域的信息，任何設計和制造活動都可在網上進行。

今后制造業將向多品種、小批量的生產模式方向發展，柔性自動化生產將成為機械制造過程生產技術的發展趨勢，CIMS體現了機械制造生產的更高水平。為適應CIMS的要求，作為CIMS的一個核心系統CAM，應努力實現智能化、集成化和網絡化。