CAD论文

浅谈对CAD/CAM技术的认识及其发展
CAD/CAM是计算机辅助设计与制造（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing）的英文缩写，是一项利用计算机软、硬件协助人完成产品的设计与制造的技术。

早在四十多年前，计算机就以作为重要的工具，辅助人类承担一些单调，重复的劳动，在此基础上逐渐出现了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）及计算机辅助制造（CAM）等概念。

CAD/CAM 技术以计算机及周边设备和系统软件为基础，它包括二维绘图设计、三维几何造型设计。

是一种设计人员借助于计算审进行设计的方法。

其特点是将人的创造能力和计算审的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力有审地结合起来。

CAD /CAM技术随着Internet/Intranet网络和并行高性能计算及事务处理的普及，使奢地、协同、虚拟设计及实时仿真技术在CAD/CAE/CAM中得到了广泛应用。

CAD一般是指工程技术人员在计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成产品的设计、工程分析、绘图等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低生产成本的目的。

广义的CAM是指工程技术人员在计算机组成的系统中以计算机为辅助工具，完成从准备到产品制造整个过程的活动，包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。

狭义的CAM一般仅指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。

CAD/CAM技术产生于20世纪50年代末、60年代初，高速发展于20世纪80至90年代。

自20世纪80年代初以来，计算机的应用日益广泛，几乎深入到生产过程的全部领域，并形成了许多计算机辅助的分散系统。

仅在制造业的产品设计与制造过程中就出现了如下分散系统：CAD、CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程分析）、CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺过程设计）、CAM、CAQ（Computer Aided Quality，计算机辅助质量管理）、CAFD（Computer Aided Fixture Design，计算机辅助夹具设计）等。

这些独立的分散系统分别在产品设计自动化、工艺过程设计自动化和数控编程自动化等方面起到了重要的作用。

但是，采用这些各自独立的分散系统不能实现系统之间信息的自动传递和交换。

例如，一个分散的CAD系统设计的结果既不能直接为CAPP系统接受，有关几何建模的技术信息也无法直接传递给一个独立的CAM系统，从而降低了计算机在产品设计和制造过程中的使用效率。

为此，提出了CAD/CAPP/CAM集成的概念，进而产生了一批基于CAD/CAPP/CAM集成化的计算机辅助设计与制造商用软件，其中以美国的Unigraphics（简称UG）软件最具代表性。

目前UG软件已经在汽车、航空航天、机械制造等领域得到越来越广泛的应用。

所谓的CAD/CAM集成，是指在CAD、CAPP和CAM各模块之间有关信息的自动传递和交换。

集成化的CAD/CAM系统能够借助于公共的工程数据库、网络通信技术、以及标准格式的中性文件接口，把分散于机型各异的计算机中的CAD/CAM 模块高效地集中起来，实现软、硬件资源共享，保证系统内信息的流动畅通无阻。

1. CAD/CAM系统的组成
通常一个完善的CAD/CAM系统应具备：快速数字计算及图形处理功能、几何建模功能、处理数控加工信息的功能、大量数据和知识的存储及快速检索与操作功能、人机交互通信的功能、输入和输出信息及图形功能、工程分析功能等。

CAD/CAM系统应由人、硬件、软件三大部分组成，其中硬件包括计算机及其外部设备，广义上讲硬件还包括用于数控加工的机械设备和机床等。

软件一般包括系统软件、支撑软件和应用软件三类。

系统软件主要负责管理硬件资源及各种软件资源，它面向所有用户，是计算机的公共底层管理软件，即系统开发平台；支撑软件运行在系统软件之上，是实现CAD/CAM各种功能的通用性应用基础软件，是CAD/CAM系统专业性应用软件的开发平台；专业性应用软件则是根据用户具体要求，在支撑软件平台上进行二次开发的专用软件。

计算机系统的硬件为系统工作提供物资基础，而系统功能的实现由系统中的软件运行来完成。

随着CAD/CAM系统功能的不断完善和提高，软件成本在整个CAD/CAM系统中所占比重越来越大。

目前国外引进的一些高档软件，其价格已经远远高于系统硬件的价格。

由于企业技术水平及生产能力不同，在CAD/CAM技术的应用及其系统的构建
上可以有不同的形式。

由于CAD/CAM系统的投资相对较大，如何科学、合理地选择适合本企业的系统，必须经过充分的论证，这也是当前我国在推广应用信息化技术改造和提升传统制造业企业技术水平的过程中需要重视的问题。

随着软硬件技术和网络技术的发展，CAD/CAM系统的总体趋势是向着集成化、智能化、标准化和网络化方向发展。

2.CAD/CAM系统的支撑技术
CAD/CAM系统除了配置必要的软、硬件之外，尚需要多种技术的支持，如数据管理技术、网络技术、成组技术、工程分析技术、仿真技术等。

特别是数据管理技术和网络技术，随着CAD/CAM技术应用范围的不断扩大和深入，将占据越来越重要的地位。

数据管理技术
机械CAD/CAM涉及的数据具有数量大、种类多、结构复杂的特点，包括产品的物理特征、材料性能、数学模型、零件规格、几何形体描述、测试数据以及各种设计标准和规范等，内容极为广泛。

数据表现形式除了数值、文字信息之外，还有大量的几何图形信息。

如何管理这些数据信息，将直接影响CAD/CAM系统的应用水平和工作效率。

目前流行的数据管理模式主要是数据库管理模式。

数据库管理系统（Data Base Management System，DBMS）是用于对数据库及系统资源进行统一管理和控制的软件，它提供了对数据库的定义、建立、检索和编辑修改等操作功能；对数据的安全性、完整性和保密性进行统一的控制管理，起着应用程序与数据库之间的接口作用。

数据库系统与文件系统相比，具有如下特点：（1）数据的物理存储独立于应用系统，两者的单独改变不会相互影响；（2）由于同一数据可组织在不同的文件中，因此每个数据在理论上只需要存储一次，就可以实现数据共享；（3）应用程序的编制可以不考虑数据的存储管理和访问效率等问题；（4）通过DBMS实现对数据的统一控制，确保了数据的正确性和保密性。

目前CAD/CAM集成系统的数据管理主要采取下列三种方法：（1）基于文件记录的专用数据管理方法，主要适合对非共享数据的管理；在商用数据库管理系统上建立一套软件接口的方法（用SQL数据操作语言编写），这是目前常用的方法；
（3）采取工程数据库管理建立数据库的方法，这是下一代CAD/CAM和CIMS系统的数据管理主流。

计算机网络技术
计算机网络具有如下单个计算机所不具备的功能和特点：（1）能够在计算机之间快速实现数据的传递；（2）共享计算机资源；（3）网内各计算机站点可互为后备，提高计算机系统的可靠性；（4）若干台地域不同的计算机可以共同完成一项大型的CAD/CAM任务，进行远程协同作业。

我国的CAD/CAM技术开发与应用起步于20世纪70年代，由于受当时计算机硬件和软件条件的限制，较多的工作局限于用计算机进行一些产品设计中的分析计算。

进入20世纪80年代，国家在机械CAD/CAM技术开发与应用方面进行了重点投资，并取得了一系列在国内具有开创性的单元成果，也培养了一批CAD/CAM 科技队伍，从而为20世纪90年代的快速发展奠定了良好的基础。

1991年原国家科委组织成立了“计算机辅助设计应用工程领导小组”，加大了CAD技术的开发与推广力度。

1995年在机械行业开展了“CAD应用1215工程”和“CAD应用1550工程”。

前者是树立12家“甩图板”的CAD应用典型企业，后者是培养50～100家CAD/CAM应用示范企业，扶持100家，带动5000家企业的庞大计划。

一批具有自主知识版权的软件，如清华大学的高华CAD、华中科技大学的开目CAD和CAPP、北京航空航天大学的CAXA电子图板、CAXA制造工程师（ME）等软件，在国家科技部的项目资助下开发完成，并开始推广应用。

计算机辅助绘图也已经从二维设计进入了三维实体建模和参数化设计阶段。

经过四十多年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步。

现在CAD/CAM主要运行在工作站或微机平台上。

工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。

随着Pentium芯片和WindowsNT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。

由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且windowsNT操作系统的安全性与DOS、Windows3.x、Windows95/98等操作系统相比有了很大提高。

所以，微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。

在此基础上，CAD/CAM软件厂商展开了新一轮的竞争。

一方面工作站上著名的CAD/CAM的软件(如UG、CATIA)全功能地移植到微机平台，使
微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力;另一方面CAD/CAM软件打破了原有Unix环境的桎梏，在Windows平台上全面拓展。

Pentium以上处理器和NT环境已经或者正在成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台。

50 - 60年代初CAD技术处於准备和酝酿时期，被动式的图形处理是这阶段CAD技术的特征。

60年代CAD技术得到蓬勃发展并进入应用时期，这阶段提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的进一步发展和应用打下了理论基础。

70年代CAD技术进入广泛使用时期，1970年美国Applicon公司首先推出了面向企业的CAD商品化系统。

80年代CAD技术进入迅猛发展时期，这阶段的技术特征是CAD技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用於产品设计发展到用於工程设计和工艺设计。

90年代以后CAD技术进入开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，这阶段的CAD技术都具有良好的开放性，图形接口、功能日趋标准化。

CAD体系结构大体可分为基础层、支撑层和应用层三个层次。

基础层由计算机及外围设备和系统软件组成。

随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的主要发展趋势。

应用层针对不同应用领域的需求，有各自的CAD 专用软件来支援相应的CAD工作。

CAM技术的发展历程及现状:
CAM中的核心技术是数控技术，编制零件加工程序是数控技术应用的重要环节，靠手工编程无法满足复杂零件数控加工的需求，50年代初期，美国开始了数控自动编程技术-APT语言的研究，形成了早期的CAM系统；如20世纪60年代开发的编程机及部分编程软件∶FANUC、Siemens编程机。

目前，CAM技术已经成为CAX（CAD、CAE、CAM等）体系的重要组成部分，可以直接在CAD系统上建立起来的参数化、全相关的三维几何模型（实体＋曲面）上进行加工编程，生成正确的加工轨迹。

典型的CAM系统有UG、Pro/E、Cimatron 、MasterCAM等。

其特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。

CAM系统仅以CAD模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式，已经成为智能化、自动化水平进一步发展的制约因素。

只有采用面向模型、面向工艺特征的CAM系统，才能够突破CAM自动化、智能化的现有水平。

CAD技术的发展趋势主要体现在以下几方面∶
1、标准化
CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。

目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD 系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。

2、智能化
设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。

从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。

因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。

CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。

CAM技术的发展趋势
CAM技术的发展趋势将体现在以下几方面∶
1、面向对象、面向工艺特征的结构体系
传统CAM曲面为目标的体系结构将被改变成面向整体模型（实体）、面向工艺特征的结构体系。

系统将能够按照工艺要求自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/ CAM的集成化、自动化、智能化达到一个新的水平。

2、基于知识的智能化系统
未来的CAM系统不仅可继承并智能化地判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。

同时也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。

使相关性编程成为可能尺寸相关、参数式设计等CAD领域的特性，有希望被引伸到CAM系统之中。

目前，以Delcam 公司的PowerMILL及WorkNC 为代表，采用面向工艺特征的处理方式，系统以工艺特征提取的自动化来实现CAM编程的自动化。

当模型发生变化后，只要按原来的工艺路线重新计算，即实
现CAM的自动修改。

由计算审自动进行工艺特征?工艺区域的重新判断并全自动处理，使相关性编程成为可能。

目前已有成熟的产品上市，并为北美、欧洲等发达国家的模具界所接受。

由於CAM系统专业化、智能化、自动化水平的提高，将导致机侧编程方式的兴起，将改变CAM编程与加工人员及现场分离的现象。

3、提供更方便的工艺管理手段
CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，未来CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及即时修改提供了条件。

较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员对产品进行工艺设计，CAM 系统可按工艺规程全自动批次处理。

据报道，未来的CAM系统将能自动生成图文并茂的工艺指导文件，并能以超文本格式进行网络浏览。

当今CAD/CAM软件动态如下:
一、使用微机作为开发和应用平台
微机平台的CAD/CAM软件的特点是:
1.采用Windows环境
采用WindowsNT操作系统是新一代推出的微机CAD/CAM软件的共同特点。

现在，个人计算机已经具备了与中低档工作站竞争的实力，再加上其价格低廉，使得普及CAD应用成为可能。

Windows平台上的新一代CAD/CAM软件基本上都采用典型的Windows界面和操作规范，同时由于DDE和OLE技术的广泛应用，这些CAD/CAM软件可以与Windows平台的其他软件进行动态数据交换，也可以在不退出CAD/CAM软件的前提下嵌入(或链接)其他应用程序的对象。

2.采用COM技术
COM(ComponentObjectModel)是国际上为提高软件稳定性和开发效率而引入的重要技术。

现今推出的Windows平台的CAD/CAM软件都或多或少地应用了COM 技术。

通过使用现成的组件，软件开发商可以避免软件开发中许多烦琐和困难的基础部分，从而可以从极高的起点出发，大大缩短CAD软件上市周期，这样容易取得竞争优势。

同时，由于采用面向对象技术，使得微机CAD软件的可维护性和可扩展性得以增强。

3.吸收Unix平台软件的优点
新一代微机平台CAD软件充分吸取Unix工作站软件的精华。

诸如参数驱动、特征造型、动态导航、二维与三维双向相关、STEP标准和动态图形显示等这些比较好的特点已经被微机平台软件全部吸收。

二、PDM技术的实施
随着CAD技术的推广，原有的技术管理系统面临着巨大的挑战。

在采用计算机辅助设计以前，产品的设计、工艺和经营管理过程中涉及到的各类图纸、技术文档、工艺卡片、生产单、更改单、采购单、成本核算单和材料清单等均由人工编写、审批、归类、分发和存档，所有的资料均通过技术资料室进行统一管理。

自从采用计算机技术之后，上述与产品有关的信息都变成了电子信息。

简单地采用计算机技术模拟原来人工管理资料的方法往往不能从根本上解决先进的设计制造手段与落后的资料管理之间的矛盾。

要解决这个矛盾，必须采用PDM技术。

PDM(产品数据管理)是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。

它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。

工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。

PDM系统除了要管理上述数据外，还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。

由此可见，PDM系统管理的产品信息将涉及到企业的产品设计、工艺、制造、经营和服务等部门。

因此，PDM系统的实施具有涉及面广、信息工作量大等特点。

实施PDM技术可以实现并行工程，提高产品设计效率，支持全面质量管理，实现人、过程、技术三者的平衡。

因此它可以为企业带来巨大收益。

PDM技术实施与CAD/CAM技术的实施不一样，前者调整的是企业的管理模式。

将原来的人工管理方式转变为PDM的计算机管理模式，既要兼顾原有的管理习惯，又要考虑信息集成的要求。

由于企业技术环境、管理水平、企业文化等方面的差异，每个企业的PDM实施过程都不会相同。

只有对企业的计算机环境、企业过程以及PDM 的总体目标有了充分的理解后，全面地分析企业对PDM产品的详细需求，才能选出最适合本企业发展的PDM产品和解决方案。

三、现代集成制造系统(CIMS)的研究及应用
1973年美国的瑟夫哈林顿博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中首次提出CIM(ComputerIntegratedManufacturing)的概念。

它的内涵是借
助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。

这个概念强调了两个方面:(1)企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一安排组织。

(2)产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程。

CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。

现在，工作站和微机平台CAD/CAM 软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。

经过多年的推广，CAD技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。

应用CAD技术起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。

近年来，我国CAD 技术的开发和应用取得了长足的发展，除对许多国外软件进行了汉化和二次开发以外，还诞生了不少具有自主版权的CAD系统，如高华CAD，开目CAD等，由于这些软件价格便宜，符合本国国情和标准，所以受到了广泛的欢迎，赢得了越来越大的市场份额。

但是，我国CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。

由于国外CAD/CAM软件出现得较早，开发和应用的时间也较长，所以它们发展比较成熟，现在基本上已经占领了国际市场。

这些国外软件公司利用其技术和资金的优势，开始大力向我国市场进军，目前，国外一些优秀软件，如UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA等，已经占领了一部分国内市场。

所以，我国CAD/CAM软件前景不容乐观。

但是，我们也应该看清自己的优势，比如了解本国市场，提供技术支持方便，价格便宜等。

在这些前提下，我们不仅要紧跟时代潮流，跟踪国际最新动态，遵守各种国际规范，在国际国内形成自己独特的优势，更要立足国内，结合国情，面向国内经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的CAD/CAM软件。

计算机技术日新月异，硬件更新速度很快。

在这短短的四十几年中，计算机分别经历了大型机、小型机、工作站、微机时代，每个新时代都出现了新的流行的CAD/CAM软件。

在工作站时代，UG、Pro/Engineer是工作站平台三维CAD/CAM 软件的佼佼者，而在当今微机时代，SolidWorks在WindowsNT平台的三维CAD/CAM 软件中处于领先地位。

由于国外在Unix工作站平台上开发CAD/CAM软件已有一
定的时间和投入，我国软件在这方面比美国等发达国家落后许多。

但是在微机平台上开发CAD/CAM软件是一个全新的领域，我国与国外起点差不多，都是使用VisualC++，OpenGL等工具进行软件开发，在这基础上开发出先进的，符合本国用户习惯的CAD/CAM软件还是有可能的。

CAD/CAM技术可以应用在许多领域，机械制造是最早也是最广泛应用CAD/CAM技术的领域。

随着CAD/CAM技术的发展，建筑、电子、化工的领域也开始应用该技术，在这些新的应用领域中，国外软件的优势并不明显。

所以，我国CAD/CAM软件在这些方面还是可以与发达国家竞争的，并且随着CAD/CAM技术应用的深入，越来越多的领域将会使用该技术，所以，如果能够紧跟时代潮流，不断应用于新的领域，那么国产CAD/CAM软件还是很有前途的。

我国CAD/CAM技术的研究水平和应用范围与工业发达国家相比都还有较大的差距，特别是CAD/CAM应用的集成化程度较低，缺乏具有自主版权的、完善的高档CAD/CAM软件系统。

此外CAD/CAM专业技术人才的匮乏也限制了企业对CAD/CAM技术的推广应用。

总之，我们还有很长的路要走，但是要时刻记住，开发CAD/CAM软件的最终目的是应用CAD/CAM技术，提高企业的设计和制造水平，所以，CAD/CAM软件不仅要水平高，有自己的特色，更要能够市场化，从市场中收回投入，从而能够根据用户的需求不断地更新发展软件。