CAD和CAM的发展史

摘要：机械CAD／CAM技术是随着计算机和信息技术的发展而形成的新技术。

自20世纪60年代问世以来已经过40多年的快速发展，现已成为一种高新技术产业。

机械CAD／CAM技术是20世纪最杰出的工程成就之一，也是计算机技术在制造业中的重要应用，其对制造业的发展产生了巨大影响和推动作用，使产品从设计到加工整个过程产生了根本性变革。

目前，机械CAD／CAM技术已被广泛应用于机械、电子、航天、汽车、船舶、航空、轻工等各个领域。

关键字：CAD/CAM的基本概念、组成及基本类型、基本功能、软硬件配置和CAD/CAM技术的发展
对于CAD(计算机辅助设计)技术的发展趋势，业内人士早已议论纷纷。

其他信息技术的发展(如网络技术)，以及用户需求的多样化都成为CAD技术完善的原动力。

智能化、网络化、集成化、开放式、专业化、融合化，似乎每一个标签都能贴在CAD的发展坐标上。

不过，纵观CAD发展历史，站在技术发展的高度，我们发现CAD正在呈现T字形发展趋势，横纵发展并逐渐完善。

CAD横向发展开放式智能化凸显
“横向”是指平台自身的完善，开放性及智能化等都是CAD功能完善的表现。

上世纪，50年代二维CAD作为图板的替代品开始，CAD便造福工业生产。

60年代至70年代CAD，三维CAD开始兴起，曲面造型与实体造型技术发展迅速，在模具界得到了广泛的应用，并大大缩短了汽车等制造业的开发周期。

80年代，随着CAD走下价格神坛，其逐渐渗入中小企业市场。

CAD技术也逐步向开放性、智能化方向迈进。

“开放式表现在互通互联，兼容集成，随着企业信息化的深入，各种信息技术的应用，使得CAD不再是独立运行，而是逐步形成二维CAD与三维CAD、CAPP、CAM、PDM、ERP等系统的协同应用。

” CAXA市场部总经理杨维明向《中国电子报》记者表示。

而PTC公司技术客户经理张晓梅也向《中国电子报》记者表示，开放式应该具体体现在内核开放、软件部分源代码的开放。

而专注于电气CAD的AUCOTEC公司中国区首席代表赵海也认为，开放式主要
表现在软件本身灵活度增强，便于客户新型定制开发。

同时与三维机械设计软件、PLM系统及ERP等管理系统的集成更加容易。

在智能化方面，业内专家均表示，实现知识工程的引入，发展专家CAD系统，具有逻辑推理和决策判断能力，是CAD智能化的主要体现。

“智能化和支持知识工程是最重要的发展方向，新一代的CAD系统不仅内植建模几何引擎更重要的是还内植了高级的知识引擎。

有知识引擎是第四代CAD系统的标志。

”西门子PLM Software大中华区执行副总裁寿宇澄对《中国电子报》记者说。

当然，随着网络技术的发展，21世纪网络将全球化，制造业也将全球化，从获取需求信息，到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、进行加工制造直至营销，整个生产过程也将全球化。

CAD/CAM系统的网络化能使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能并行处理的并行化产品设计应用系统，实现网络化的异地协同设计和并行产品开发。

CAD纵向发展挖潜行业
每个行业都有其自身的特殊性，没有任何一个软件能够在任何一个行业通用。

贴近行业，按需定制则是发展的必然趋势。

CAD“纵向”发展则是指基于具体行业具体应用的CAD功能的扩展，例如我们常说的“机械CAD”、“电气CAD”、“建筑CAD”等，都是CAD纵向发展的典范。

“不同的行业领域关注的焦点不同。

例如，有些设计更关注产品的变形，那么其对软件的智能化要求更高，一些重复的业务就可以靠软件工具帮助来实现。

对于大规模工业协作的设计，模块化和标准化显然更重要。

对于一些研究型机构如高校和科研院所，或者对大规模的系统做集成时，软件的开放性尤其重要。

”西门子PLMSoftware大中华区执行副总裁寿宇澄表示。

正是这种对行业的挖潜，体现出CAD专业化趋势。

“CAD软件的发展一方面需要更加通用化、更加便于学习和使用;另一方面，还需要针对一些特别领域的特别需要，定制面向特别应用的专家系统，以实现特别行业的快速应用。

专家系统包括：机箱设计专家系统、钢结构设计专家系统、注塑模具设计专家系统、注塑成型分析专家系统、级进模具设计专家系统、孔槽腔类加工编程专家系统等。

”
张晓梅告诉《中国电子报》记者。

运用应优化设计流程
CAD的作用不用累述，但对于企业而言关键点还是在于应用。

在于如何运用CAD在研发设计中提高效率，缩短开发周期，减少后期的浪费。

对于这一点，业内人士均认为，企业应该从整个企业信息化的高度去规划，根据各个部门的不同需求选择合适的CAD软件产品，并选择合理的设计流程，确保CAD应用效益的最大化。

“对于一个应用团队，要有合理的使用流程，实现高效率和彼此之间的合作。

CAD/CAM/CAE集成一体化环境比单点式的应用更高效其流程也更顺畅，尽量避免多种不同的CAD/CAM/CAE系统混用，减少PLM集成的难度，降低维护成本。

用户有时候一开始贪便宜选择了低成本的各种各样CAD/CAM/CAE系统，几年后发现数据越做越复杂，系统和人员的成本越来越高，最终得不偿失。

”寿宇澄告诫用户道。

他还强调，企业要保证标准、流程的统一，数据有效地管理，并保证数据一定程度的开放性以便于知识的重用及对外的交流。

AUCOTEC中国区首席代表赵海也表示：“中国用户在使用电气专业软件时应更注重设计流程的优化，将大量的时间从绘图工作中脱出身来，更多地注重设计的智能化自动化。

”
当然，也有专家告诫用户，在软件使用时，不要盲目贪多，最适合自己的才是最好的。

不要把时间浪费在软件安装和测试上。

不过，国内有许多企业，为了提高设计效率，会根据自己企业产品研制的需要，进行CAD软件定制化开发，以期待提高产品研制效率。

针对这种二次开发，业内专家表示其前提是用户对CAD已有了很高的应用水平，否则会得不偿失。

比如：软件升级困难，PDM集成困难等。

因此，专家建议用户在条件不成熟的情况下，尽量不要做二次开发，可以通过更新标准化要求、改变产品研制流程和设计方法来解决设计效率的问题。

CAM计算机辅助制造系统
一般来说，计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）是指应用计算机来进行产品制造的统称。

有广义CAM和狭义CAM之分。

广义CAM是指
利用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造过程，其中包括直接制造过程和间接制造过程。

狭义CAM是指制造过程中某个环节应用计算机，在计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）中，通常是指计算机辅助机械加工（computer aided machining），更明确地说，是指数控加工，它的输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。

CAM(computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)：利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。

它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。

CAM (computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。

1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。

数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。

此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。

加工程序的编制不但需要相当多的人工，而且容易出错，最早的CAM便是计算机辅助加工零件编程工作。

麻省理工学院于1950年研究开发数控机床的加工零件编程语言APT，它是类似FORTRAN的高级语言。

增强了几何定义、刀具运动等语句，应用APT使编写程序变得简单。

这种计算机辅助编程是批处理的。

CAM系统一般具有数据转换和过程自动化两方面的功能。

CAM所涉及的范围，包括计算机数控，计算机辅助过程设计。

市面上的CAM软件有：UG NX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、Gibbs CAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimtron、vx、esprit、gibbscam、Edgecam......等等
数控除了在机床应用以外，还广泛地用于其它各种设备的控制，如冲
压机、火焰或等离子弧切割、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等，成为各个相应行业CAM的基础。

计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作，它的目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互关联的制造作业范围，并根据一个总体的管理策略控制每项作业。

从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，加工中心是实现零件部分或全部机械加工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程，而计算机辅助制造是计算机进入制造过程这样一个总的概念。

一个大规模的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络，它由两级或三级计算机组成，中央计算机控制全局，提供经过处理的信息，主计算机管理某一方面的工作，并对下属的计算机工作站或微型计算机发布指令和进行监控，计算机工作站或微型计算机承担单一的工艺控制过程或管理工作。

计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面：硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等，软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。

加工中心现场图片
到目前为止，计算机辅助制造（CAM，Computer Aided Manufacturing）有狭义和广义的两个概念。

CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。

这是最初CAM系统的狭义概念。

到今天，CAM的狭义概
念甚至更进一步缩小为NC编程的同义词。

CAPP已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP 系统来完成。

CAM的广义概念包括的内容则多得多，除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。

21世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化,追求的目标是提高产品质量及生产效率,缩短设计周期及制造周期,降低生产成本,最大限度地提高模具制造业的应变能力,满足用户需求。

具体表现出以下几个特征。

1)标准化 CAD/CAM系统可建立标准零件数据库,非标准零件数据库和
模具参数数据库。

标准零件库中的零件在CAD设计中可以随时调用,并采用GT(成组技术)生产。

非标准零件库中存放的零件,虽然与设计所需结构不尽相同,但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改,从而加快设计过程,典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的,按用户要求对相似模具结构进行修改,即可生成所需要的结构。

2)集成化技术现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成,更应该
强调技术、人和管理的集成。

在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念,即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成,这更适合未来制造系统的需求
3)智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期(包括产品设计、
制造、使用)各个环节的智能化,实现生产过程(包括组织、管理、计划、调度、控制等)各个环节的智能化,以及模具设备的智能化,也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥。

4)网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协
议及制造自动化协议,信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。

目前早已出现了通过Internet实现跨国界模具设计的成
功例子。

5)多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机
械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。

产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

参考文献：
1、《计算机辅助设计与工程分析》 -- 化学工业出版社
2、《计算机辅助设计基础及应用》 -- 清华大学出版社
3、《计算机辅助设计》 -- 机械工业出版社
4、《计算机辅助设计教程》 -- 清华大学出版社
5、《计算机图形学原理教程》 -- 电子科技大学出版社
Abstract: the mechanical CAD/CAM technology is along with the computer and the development of information technology and the formation of new technology. Since the 1960s has been 40 years since the advent of rapid development, it has become a high-tech industry. Mechanical CAD/CAM technology is the most outstanding 20th century the engineering achievements, and also one of computer technology in manufacturing, on the important application of the development of the manufacturing industry and promote greatly influenced the effect, make the product from design to processing the whole process produced fundamental change. At present, the mechanical CAD/CAM technology has been widely used in machinery, electronics, aerospace, automobile, shipbuilding, aviation, light industry, and other fields.
Key words: basic concepts of CAD/CAM, composition and basic types,
basic function, software and hardware configuration and CAD/CAM technology development。