1.4 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的構(gòu)成

1.4.1 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的組成

根據(jù)應用領(lǐng)域和所完成任務(wù)的不同，CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的軟硬件組成也不盡相同，特別是在軟件構(gòu)成方面有較大區(qū)別。CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的組成如圖1.2所示，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。

1.4.2 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的硬件

CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的硬件主要由計算機、外圍設(shè)備、生產(chǎn)加工設(shè)備三大類組成，如圖1.3所示。

1.計算機

計算機主要有UNIX工作站和PC兩種類型。

1）UNIX工作站

CPU采用精簡指令系統(tǒng)RISC處理器，操作系統(tǒng)主要采用UNIX系統(tǒng)。該類型工作站可以配置多個CPU，具有64位或128位的計算能力，物理內(nèi)存可達16 GB，并能提供很大的虛擬內(nèi)存空間，能滿足高性能計算的要求，但價格昂貴。SGI、HP、IBM等公司均有此類產(chǎn)品。

2）PC

PC是高性能個人計算機，其CPU常采用Intel公司和AMD公司的32位或64位處理器，也可以采用雙CPU或雙核系統(tǒng)，操作系統(tǒng)采用Windows 2000或Windows XP，或64位的Windows XP Professional x64 Edition。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，PC的性能越來越好，逐步接近UNIX工作站，而且價格便宜，是目前應用最廣泛的類型。

2.外圍設(shè)備

CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的外圍設(shè)備包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備兩類。輸入設(shè)備主要有鍵盤、鼠標、三維坐標輸入器、數(shù)字化儀、掃描儀，三坐標測量儀等；輸出設(shè)備主要有顯示器、繪圖儀、打印機、快速成形機、三維打印機、信息存儲設(shè)備（硬盤機、磁帶機）等。主要設(shè)備的介紹如下。

1）輸入設(shè)備

（1）鼠標和鍵盤

鼠標有2D、3D、4D之分：2D鼠標是平面鼠標，3D鼠標則是帶有一個滾輪的鼠標，4D鼠標與眾不同的是它提供了兩個滾輪和三個按鍵（包括一個側(cè)面的拇指鍵），其中一個按鍵支持自編程定義。鼠標常用的接口有PS/2接口和USB接口，USB接口支持熱插拔。鼠標分辨率越高，質(zhì)量也就越高。在CAD系統(tǒng)中，使用800 dpi（每移動1英寸能檢測出800個點數(shù)）高分辨率的鼠標比較合適。常規(guī)鼠標只能輸入二維點坐標，不能輸入三維點坐標。

鍵盤主要用來輸入文字和數(shù)字，也用來移動光標。新產(chǎn)品虛擬鍵盤使用了紅外線和激光技術(shù)，在任何介質(zhì)平面上都可投射出一個標準鍵盤，然后可以像使用普通臺式機的鍵盤一樣打字。但是，這個鍵盤可以隨時裝在使用者的口袋中帶走，如圖1.4所示。

（2）三維坐標輸入器

該設(shè)備可以輸入x、y、z坐標，結(jié)合CAD軟件實現(xiàn)三維雕刻，如圖1.5所示。

（3）三坐標測量設(shè)備

三坐標測量設(shè)備主要包括三坐標測量儀和三維掃描儀。三坐標測量儀主要測量空間的點位坐標，然后結(jié)合CAD軟件進行建模，如圖1.6所示。三維掃描儀則是對三維模型的表面進行掃描得到點位數(shù)據(jù)，然后通過CAD軟件形成曲面，進而形成實體，如圖1.7所示。

2）輸出設(shè)備

（1）打印機與繪圖機

打印機與繪圖機是將圖形輸出到工程圖紙上或繪出表格等文檔的圖形輸出設(shè)備。常見的打印機和繪圖機有以下幾種。

① 點陣打印機：工作原理為用打印針撞擊色帶，從而在紙上留下文字和圖形。打印出的文字和圖形有單色和彩色之分，點距為120～300 dpi，紙寬為80～132列。點陣打印機打印速度慢，尤其是打印圖形更慢，無專用程序驅(qū)動時效果差，幅面有限，但其價格低，可使用專用打印紙和普通紙，適合于打印報表。

② 噴墨打印機：工作原理為將噴墨頭相對于圖紙做高速運動，然后將水溶性墨水噴在紙上。分辨率為300～2880 dpi，幅面達A2，色彩可達1.6兆種，打印速度為8頁/分鐘，價格低廉，但需用專用紙，飽和度差，打印成本高，圖形圖像品質(zhì)尚可，文字打印質(zhì)量好。

③ 激光打印機：工作原理為由曝光、顯影、轉(zhuǎn)印、定影等過程將（彩色或黑色）粉印于紙上。分辨率達1200 dpi，幅面達A3，打印速度為2～17頁/分鐘；價格高，但效果極佳，文字打印質(zhì)量佳，支持IBM PPDS、PCL4/PCL5、PostScript及GL描述語言（IBM）。

④ 噴墨繪圖機：工作原理和特點與噴墨打印機相同，分辨率為300～1200 dpi，有單色和彩色之分，可打A0幅面或A0加長圖紙。

⑤ 激光繪圖機：工作原理和特點與激光打印機相同，幅面達到A0并可加長。

⑥ 筆式繪圖機：畫筆在紙上移動繪圖，可分為平板式和滾筒式，步距0.001～0.1 mm，筆的數(shù)量為1～12，圖紙幅面為A3～A0，繪圖速度較快，接口形式多樣，繪圖質(zhì)量高。當步距為0.005 mm時人就目測不出圖或直線插補的階梯。某些筆式繪圖機不需要專用紙張，但目前已經(jīng)被淘汰。

（2）三維打印機

采用材料累加成形原理，由CAD數(shù)據(jù)直接控制x、y、z三個方向運動，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件，可快速精確地制造出任意幾何形狀的產(chǎn)品原型，無須考慮其復雜程度，真正實現(xiàn)無模制造，如圖1.8所示。

3）存儲設(shè)備

（1）磁帶機

磁帶機容量較大，可達到1200 GB，常用來存儲數(shù)據(jù)和備份數(shù)據(jù)，如圖1.9所示。

（2）硬盤陣列柜

硬盤陣列柜是一種把若干硬磁盤驅(qū)動器按照一定要求組成一個整體、整個硬盤陣列由陣列控制器管理的系統(tǒng)。硬盤陣列柜通常采用1394接口卡實現(xiàn)與主機的通信，硬盤陣列充分利用了1394接口的點對點、高速傳輸、熱插拔和即插即用、可串聯(lián)（最多可達1023個硬盤）等特性而設(shè)計的一種外掛式的大容量數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。

3.生產(chǎn)加工設(shè)備

CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的生產(chǎn)加工設(shè)備主要包括貨物搬運機械、NC機床（包括數(shù)控加工中心）、機器人、自動測試裝置等。這些設(shè)備通過CAM的編程指令直接驅(qū)動，用來完成工件的搬運、加工制造及檢測等工作。

1.4.3 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的軟件

軟件是計算機程序、所用的數(shù)據(jù)以及有關(guān)文檔資料的集合，并可以進行電子存儲。計算機程序是一系列按照特定順序組織的計算機指令的集合。軟件并不只包括可以在計算機上運行的程序，與這些程序相關(guān)的文件數(shù)據(jù)也是軟件的一部分。CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的軟件可分為系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件。

1.CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要用于對計算機的管理、維護、控制與運行，以及對計算機程序的翻譯與運行。主要包括操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件、高級語言編譯器。

1）操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是管理計算機系統(tǒng)全部硬件資源、軟件資源及數(shù)據(jù)資源的軟件，它通常是最靠近硬件的一層系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)控制程序運行，改善人機界面，為其他應用軟件提供支持，使計算機系統(tǒng)所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為用戶提供方便、有效、友善的服務(wù)界面。操作系統(tǒng)包括五個方面的管理功能：進程與處理器管理、作業(yè)管理、存儲管理、設(shè)備管理和文件管理。工作站上主要采用的操作系統(tǒng)有UNIX、Windows 2000/NT/XP/2003等。微機上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、Linux、Windows系列等。微軟公司推出的64 位Windows Server 2003 x64 Editions和Windows XP Professional x64 Edition是專門為對性能、可靠性、安全性有較高要求的用戶而設(shè)計的。這兩個系統(tǒng)都能同時運行32位和64位程序。相對于32位平臺，64位平臺主要改善Windows環(huán)境下的可量測性和可靠性，提供更快的處理速度，特別適用于操作和管理大量數(shù)據(jù)。

2）編譯系統(tǒng)

編譯系統(tǒng)的作用是將用高級語言編寫的程序編譯成計算機能夠直接執(zhí)行的機器指令。語言編譯器主要有Java、C、C++、Pascal、LISP、Ada、Small talk、Prolog、ModulerⅡ、Fortran以及通用BASIC、匯編語言等。

2.CAD支撐軟件

支撐軟件是CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)的重要組成部分，是在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足CAD用戶一些共同需要的通用性軟件，一般由專門的軟件公司開發(fā)。CAD/CAE/CAM系統(tǒng)支撐軟件分為單一功能型和綜合集成型兩大類。單一功能型支撐軟件只提供CAD系統(tǒng)中某些典型的功能，如二維繪圖、三維造型設(shè)計、工程分析計算、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。綜合集成型CAD支撐軟件提供了造型、設(shè)計計算、有限元分析、自動生成數(shù)控代碼及加工刀路的軌跡仿真等多種模塊。

1）單一功能型

（1）互式繪圖軟件

這類軟件主要以人機交互方法完成二維圖形的繪制，具有圖形的復制、鏡像、陣列、縮放、刪除、修改、外部引用等編輯功能，具有尺寸標注、圖形拼裝、二次開發(fā)工具等圖形處理功能。三維軟件可以進行零件三維造型、裝配設(shè)計、工程圖生成，并且可以進行參數(shù)化設(shè)計。常用的二維軟件有CAXA電子圖版，AutoCAD、開目CAD、PICAD等；三維軟件有CAXA實體設(shè)計、Solidworks、Solidedge、Solid3000等。

（2）工程分析軟件

主要有有限元分析軟件和動力學仿真軟件。常用的有限元分析軟件有NASTRAN、ANSYS、COSMOS、ABAQUS、ADAMS等。

（3）數(shù)控編程軟件

這類軟件帶有一定的建模能力，也可以將三維CAD軟件建立的模型通過通用接口傳入，它們具有刀具的定義、工藝參數(shù)的設(shè)定、數(shù)控代碼的自動生成、刀具軌跡的校驗仿真、后置處理等功能。典型的軟件有EdgeCAM、MasterCAM、DelCAM等。

2）綜合集成型

這類軟件功能比較齊全，提供了綜合設(shè)計所需要的模塊。設(shè)計人員在這樣的CAD設(shè)計平臺上可以快速準確地進行設(shè)計。常用的綜合集成型支撐軟件有以下幾種。

（1）CATIA

CATIA是達索公司開發(fā)的高檔CAD/CAM軟件。作為世界領(lǐng)先的CAD/CAM軟件，CATIA可以幫助用戶完成大到飛機小到螺絲刀的設(shè)計及制造。它提供了完備的設(shè)計能力：從二維到三維到技術(shù)指標化建模，同時，作為一個完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機械設(shè)計、工程分析及仿真和加工等功能有機地結(jié)合起來，為用戶提供了一個嚴密的無紙工作環(huán)境，從而達到縮短設(shè)計生產(chǎn)時間、提高加工質(zhì)量及降低費用的效果。CATIA軟件以其強大的曲面設(shè)計功能在飛機、汽車、輪船等設(shè)計領(lǐng)域享有很高的聲譽。CATIA的曲面造型功能體現(xiàn)在它提供了極豐富的造型工具來支持用戶的造型需求。其特有的高次Bezier曲線曲面功能，次數(shù)能達到15，可滿足特殊行業(yè)對曲面光滑性的苛刻要求。CATIA軟件運行在工作站的版本系列為V4版本，CATIA V5版本運行于微機平臺。

（2）UG NX

UG NX是美國UGS公司的產(chǎn)品，它采用Parasolid實體建模核心技術(shù)，提供高效能的曲面建構(gòu)能力，能夠完成復雜的造型設(shè)計，從概念設(shè)計到生產(chǎn)產(chǎn)品，UG NX廣泛運用在汽車業(yè)、航空業(yè)、模具加工及設(shè)計業(yè)、醫(yī)療器材產(chǎn)業(yè)等。

（3）Pro/Engineer

Pro/Engineer（Pro/E）是美國PTC公司的產(chǎn)品，該軟件包含多個專用模塊，是最早較好地解決了參數(shù)化設(shè)計功能的軟件。

（4）SolidWorks

SolidWorks是美國SolidWorks公司（在1997年被達索公司收購）的產(chǎn)品，是世界上最新的CAD/PDM系統(tǒng)。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點。SolidWorks獨有的拖曳功能能在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計。

（5）Inventor

Inventor是美國AutoDesk公司的產(chǎn)品，該軟件具有結(jié)合二維與三維設(shè)計、機電混合設(shè)計、工程導向設(shè)計、易學易用等特點，它不但是一個功能強大的三維工具，而且還是將設(shè)計與制造集成的有效手段。由于Inventor可以將現(xiàn)有的二維設(shè)計集成到三維設(shè)計環(huán)境中，因此可以方便地將二維設(shè)計的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維設(shè)計所需的數(shù)據(jù)。

3.CAD/CAE/CAM應用軟件

應用軟件是針對某一專門應用領(lǐng)域研制的軟件，如破碎機輔助設(shè)計軟件、水泵計算機輔助設(shè)計軟件、燃氣輪機CAD軟件等。應用軟件是在系統(tǒng)軟件和支撐軟件的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)而形成的，例如，在AutoCAD軟件中利用Vlisp、VBA、Object等開發(fā)語言設(shè)計的各種軟件，也可以直接在系統(tǒng)軟件下利用VC++等高級語言直接開發(fā)。從設(shè)計的特征看，CAD應用軟件又可以分為三種，即設(shè)計計算型、檢索繪圖型和交互設(shè)計型。

（1）設(shè)計計算型的特點是系統(tǒng)建立在產(chǎn)品可靠的數(shù)學模型和計算方法上，以優(yōu)化設(shè)計為主，通過計算求解，得到技術(shù)上和經(jīng)濟上最優(yōu)的方案。

（2）檢索繪圖型的特點是系統(tǒng)將定型產(chǎn)品的圖形存入圖形庫，相應的設(shè)計計算程序匯集為程序庫。設(shè)計產(chǎn)品時，向系統(tǒng)輸入原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進行計算和檢索并繪制出樣圖。

（3）交互設(shè)計型的特點是系統(tǒng)具有完善的人機交互界面和人機交互方式，人通過交互設(shè)備完成相應的圖形設(shè)計或造型設(shè)計，可以調(diào)用分析計算模塊完成分析或優(yōu)化，可以充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性和計算機處理信息快速性的優(yōu)勢。