1.3 CAD/CAE/CAM技术的产生与发展

1.3.1 CAD技术的产生与发展

CAD是指使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等。在设计的各个阶段，计算机都能发挥其辅助作用，因此CAD概念一产生，就成为一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，并迅速得到发展和日益完善起来。

20世纪60年代初，美国麻省理工学院开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统，并描述了人机对话设计和制造的全过程，形成了最初的CAD概念。随着计算机软硬件的发展，计算机逐步应用于设计过程，形成了CAD系统，同时给CAD概念加入了新的含义，逐步形成了当今应用十分广泛的CAD/CAE/CAM集成的CAD系统。从CAD概念产生至今，CAD技术经历了多个发展阶段。

从20世纪60年代初到70年代中期，CAD系统开始商品化，主要技术特点是二维、三维线框造型，只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，需配备大型计算机系统，价格昂贵。该时期具有代表性的产品是：美国通用汽车公司的DAC-1，洛克希德公司的CADAM系统。CAD技术开始进入应用阶段。

20世纪70年代后期，CAD技术进入发展阶段。由于集成电路的问世，CAD系统价格下降。此时正值飞机和汽车工业蓬勃发展的时期，飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题。法国索达飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。该阶段的主要技术特点是自由曲面造型。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。一些受到国家财政支持的军用工业相继开发了CAD软件，如美国洛克希德公司的CADAM、美国通用汽车公司的CALMA、美国波音公司的CV、美国国家航空及宇航局支持开发的I-DEAS、美国麦道公司的UG等。

20世纪80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大的发展。因为表面模型技术只能表达形体表面的信息，而难以准确地表达零件的其他属性如质量、质心、惯性矩等，所以对CAE技术而言十分不利，其最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司第一个开发了基于实体造型技术的CAD/CAE软件 I-DES。由于实体造型技术能够精确地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，因此称之为CAD发展史上的第二次技术革命。但由于当时的硬件条件还不能满足实体造型技术所带来的数据计算量极度膨胀的需求，因此使实体造型技术没能很快在整个行业中全面推广开来。

20世纪80年代中期，CV公司的一些人提出了参数化实体造型方法，其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计等。策划参数化技术的这些人成立了一个参数技术公司（Parametric Technology Corp，PTC），开始研制Pro/ENGINEER的参数化软件。进入20世纪90年代，PTC在CAD市场份额中名列前茅。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

20世纪90年代初期，SRDC公司在摸索了几年参数化技术后，开发人员发现参数化技术存在许多不足之处。“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。为此，SRDC的开发者提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术—变量化技术，并历经3年时间，投资1亿多美元，推出了全新体系的I-DEAS Master Serise软件。变量化技术成就了SRDC，也驱动了CAD技术发展的第四次技术革命。

目前，CAD技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的CAD/CAE/CAM集成化的商品软件，在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各方面出现了许多成熟的现代CAD技术。当今CAD技术是计算机在工程中最有影响的应用技术，它作为现代工程制造技术的重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新与改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争力，加强国民经济发展的一项关键性高新技术。

CAD概念在各个时期都有所不同。1973年国际信息联合会给出“CAD是将人和机器混编在解题作业中的一种技术，从而使人和机器的最好特性联系起来”的定义。到20 世纪80年代初，第二届国际CAD会议上认为CAD是一个系统的概念，包括计算、图形、信息自动交换、分析和文件处理五个方面的内容。1984年召开的国际设计及综合讨论会上，认为CAD不仅是设计手段，而且是一种新的设计方法和思维。可见，CAD的概念是一个变化的、不断发展的概念。

1.3.2 CAE技术的产生与发展

CAE是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块。CAE技术的主要内容包括有限元分析法、边界法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁场分析等，其中有限元分析在机械CAD中应用最广泛。几十年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象已由弹性材料扩展到塑性黏塑性和复合材料等；分析的领域已从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并且和计算机辅助技术的结合越来越紧密。因此，有学者认为，CAE应属于广义 CAD的重要组成部分。CAE技术的发展大体经历了以下三个阶段。

20世纪60～70年代，CAE技术处在探索发展阶段。这一时期的有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中所遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析的问题。1963年Richard MacNeal和Robert Schwndler投资成立MSC公司，开发了称为SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation if Analog Methods）的结构分析软件。1967年在美国NASA的支持下，SDRC公司成立，并于1968年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，于1971年推出了商用有限元分析软件Supertab（后并入I-DEAS）。1970年SASI公司成立（后来重组改称ANSYS公司），开发了ANSYS软件。

20世纪70～80年代是CAE技术蓬勃发展时期。1977年MDI公司成立，致力于发展机械系统仿真软件，其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。1978年，ABAQUS软件应用于结构非线性分析。1982年CSAR成立，其产品LS-DYNA及LS-NIKE3D用隐式算法求解低高速动态及特征问题。1989年Engineering Software Kesemoch and Devdopent公司成立，致力发展P法有限元程序。在这一时期，CAE发展有以下几个特点：（1）软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配，计算机内存的有效利用及磁盘空间的利用。（2）有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从电学模型开始拓展到各种物理场（如温度场、电磁场、声波场等）的分析。从线性分析向非线性分析（如材料的非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等）发展。从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件，如 Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADINA、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS、NIKE3D与WECAN等。

20世纪90年代是CAE技术成熟和壮大的阶段。CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口并增强软件的前后置处理能力。如MSC/Nastran在1994年收购了Patran作为自己的前后置处理软件后，先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。同样，ANSYS也在大力发展其软件ANSYS/Prepost的前后置处理功能，而SDRC公司利用I-DEAS自身CAD功能强大的优势，积极开发与别的设计软件的CAD模型传输接口，先后投放了从 Pro/E到I-DEAS、从CATIA到I-DEAS、从UG到I-DEAS等的专用接口，在此基础上再增强I-DEAS的前后置处理功能。CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。

CAE技术的发展趋势：

（1）应用领域越来越宽。使用对象从以专家为主转向普通设计者和开发工程师。

（2）集成程度越来越高。软件功能从单一CAE功能转向CAD/CAE设计/分析一体化。

（3）分析人员的工作重点转向前后置处理。如果把整个分析过程分解为前处理、求解和后处理，则前处理包括建立几何模型、几何模型输入输出准备、网格划分、定义边界条件，而求解和后处理相对简单。1997年SDRC公司对分析人员整个分析过程中各个阶段所占的时间百分比做了调查。由于计算机硬件速度的提高以及分析软件计算方法的改进，求解实践仅占4%。前处理占用了87%的时间，后处理占用了9%的时间。由此可见目前影响分析效率的主要环节是前后置处理。解决的方法有：① 采用CAD/CAE一体化软件，解决大多数的分析任务。② 提高分析软件的前后置处理能力，缩短整个分析过程的前后置处理时间。③ 采用同一有限元模型进行多种分析。

目前在产品开发中，产品评估（PE）的概念已经开始广为人们接受。产品评估要求在整个产品开发过程中，从用户需求-概念设计-产品设计-产品及零件详细设计-工艺性分析-产品性能验证-生产维护的各个阶段，对产品进行及时有效的分析。采用评估与产品开发过程并行的方式，保证分析结构更为客观，更为可靠。CAE技术将发挥越来越重要的作用。

1.3.3 CAM技术的产生与发展

制造技术可谓历史悠久，可以说它是伴随着人类的诞生而出现的，伴随着人类的进步而发展的。人类社会能够创造今天辉煌的经济成就，能够登上月球、探索太空，从根本上讲是制造获得了重大发展的结果。CAM技术是伴随着数控机床的产生而产生，伴随着数控技术和计算机技术的发展而不断发展的，这门技术从产生到现在，已经历了半个世纪，从形成、发展、提高和目前的高度集成，已形成了比较完整的科学技术体系，并在当今的高新技术领域中占有很重要的位置。

1952年MIT试制成功了世界上第一台数控铣床，解决了形状复杂零件，尤其是由自由曲面组成的复杂零件的自动加工，促进了数控编程技术的发展。同期，MIT研制开发了APT自动编程系统，解决了如何方便地将被加工零件的形状输入到计算机中进行刀具轨迹的计算和数控程序的自动生成。这就是第一代CAM软件。20世纪60年代在专业数控（NC）系统上开发的编程机及部分编程软件如日本FANUC、德国SEMEMS编程机，系统结构为专机形式，基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路，编程目标与对象也都是直接数控刀路。特点是功能差，操作困难，专机专用。仍属第一代CAM系统的范畴。

20世纪70年代末以后，32位工作站和微型计算机的出现对CAM技术的发展提供了硬件基础并产生了极大的推动作用。32 位工作站属于单用户的计算机系统，具有较高的响应速度；工作站之间可以联网，可以共享系统内的资源和发挥各台计算机的特点，逐步扩大CAM系统的功能和规模。在软件方面，针对APT语言的缺点，1978年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分析、NC加工一体化的系统，称之为CATIA。随后很快出现了 EUCLID，UGNX，INTERGRAPH，Pro/ENGINEER，MasterCAM及NPU/GNCP等系统，这些系统有效地解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成，走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了CAM技术的发展并使CAD和CAM向一体化方向发展。可称之为第二代CAM软件。

20世纪80年代是CAM技术迅速发展的时期，超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度地降低，计算机的外设也迅猛发展并成为系列产品，这为推动 CAM技术向高水平发展提供了硬件保证。同时，软件技术、数据库技术、有限元分析技术、优化技术、计算机图形学技术等相关技术也得到飞速发展，促使了 CAM技术的推广和应用。另外，还出现了与计算机辅助制造技术相关的其他技术，如计算机辅助零件分类和编码技术、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）、计算机辅助工装设计、计算机辅助质量控制与检测（CAQ）等。从20 世纪80 年代起，人们在发展上述各单项技术的同时，又开始致力于计算机集成制造系统（CIMS）的研究，这是一种高效益、高柔性的智能化制造系统。

从20世纪90年代起。CAM技术已不再停留在过去单一模式、单一功能、单一领域的水平，而向标准化、集成化、智能化的方向发展。为了实现系统的集成，实现资源的共享和产品生产与组织管理的高度自动化，提高产品的竞争力，就需要在企业和企业集团内的CAM系统之间和各个子系统之间进行统一的数据交换。在这种情况下，一些发达国家和国际标准化组织都进行了数据交换接口方面的开发工作，并指定了相应的标准。在这个阶段也出现了面向对象的技术，并行工程的思想，人工智能技术及产品数据管理（PDM）等新技术，这些技术都对CAM技术的发展和功能延伸起到了推动作用。

从目前CAM技术的应用和发展看，这一技术在20世纪的工业发展中占有很重要的地位。1989年美国评出近25年间当代十项最杰出的工程技术成就，其中第4项就是CAD/CAM。1991年3月20日，在海湾战争结束后的第三个星期，美国政府发表了跨世纪的国家关键技术发展战略，列举了6大技术领域中的22项关键项目，认为这些项目对于美国的长期国家安全和经济繁荣至关重要，而CAD/CAM技术与其中两大领域的11项项目紧密相关，这两大领域就是制造技术与信息通信技术。

CAM技术经过50年的发展历程，现已成为一种应用广泛的高新技术，并产生了巨大的生产力，推动工业产品向高、精、尖的方向突飞猛进。目前，CAM技术正向智能化、三维化、集成化、网络化方向发展。

（1）智能化：现在CAM系统的智能化程度越来越高，以前的复杂操作逐渐由计算机智能化地进行处理。例如，用户只要指明要标注的对象，尺寸就能在图上适应的位置标注出来，甚至整个设计对象只用一个命令就能完成；在图形的绘制和串联加工轨迹方面，有些系统增加了智能导引的功能；在相关曲面加工中，对于是否产生过切的规划问题，系统能正确判断出用户的意图。这些智能化处理使用户对系统的使用更加简单和方便。

（2）三维化：通过对实体模型的三维几何造型方法的完善，计算机中的三维曲面和实体更接近于真实的产品和零件，从而能方便地实现三维和二维视图之间的转换，为数控编程提供必要的刀路模型，可进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析和仿真等高级功能的项目。

（3）集成化：对于以前的CAD系统，建立的几何模型较完善地描述了产品的几何特征，工艺参数只是当做图纸上的标注加以处理。在进入CAM后，需要人工介入，以提取CAD模型中的几何信息，补充面向加工的信息，这不仅造成信息中断和重复劳动，严重影响工作效率，而且可能产生信息丢失和错误，降低系统的可靠性。因此，CAM的集成是亟待解决的技术问题。目前，在工作站和微机上的CAM系统中，已推出了越来越多的高集成度软件，如国外的软件Pro/E、UGNX、Cimarton和Masrer CAM等，国内的软件有CAXA。

（4）网络化：随着计算机应用发展的网络化趋势，CAM系统必然也要网络化。只要企业的局域网与Internet相连，用户就可以用高性能的PC代替昂贵的工作站，不同设计人员可以在网络上方便地进行全球性的交流，可以发送邮件、查询世界各地各领域的信息，任何设计和制造活动都可在网上进行。

今后制造业将向多品种、小批量的生产模式方向发展，柔性自动化生产将成为机械制造过程生产技术的发展趋势，CIMS体现了机械制造生产的更高水平。为适应CIMS的要求，作为CIMS的一个核心系统CAM，应努力实现智能化、集成化和网络化。