数字化设计制造(CAD,CAE,CAM,CAPP)

数字化核心技术浅析

张琼宇

112020014

一、引言

20世纪中叶以来，微电子、自动化、计算机、通讯、网络、信息等科学技术的迅猛发展，掀起了以信息技术为核心的新浪潮。与此同时，数字作为计算机技术的基础，其概念近年来得到了广泛的应用．出现了诸如数字城市、数字化生存等以数字为前缀的新概念和新思想．这些为数字及数字技术的拓展和应用开辟了新的广阔空间。数字化技术是以计算机软硬件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存储、处理、控制、联网的集成技术“]，将数字化技术用于支持产品全生命周期的制造活动和企业的全局优化运作就是数字制造技术。目前制造业面临三大突出问题的挑战，即网络化、知识化和服务化，以及由此而带来的复杂化，进而导致对制造系统中的组织结构和功能的非线性、时变性、突发性和不平衡性难以用传统的运行模式和控制策略来驾驭。制造信息的表征．存储、处理、传递和加工的探刻变化，使制造业由传统的能量驱动型逐步转向为信息驱动型“数字化已逐渐成为制造业中产品全生命周期不可缺少的驱动因素，数字制造也就成为一种用以适应日益复杂的产品结构、日趋个性化、多样化的消费需求和日益形成的庞大制造网络而提出的全新制造模式，井很自然地成为未来制造业发展的重要特征。

二、数字化设计与制造的内涵与发展

数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）、工艺设计（CAPP）、工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。它们之间的关系见图l 所示。由于通过CAM 及其与CAD 等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展，这些关键技术之间具体关系见图2所示

三、数字化设计与制造的核心技术

数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等，是一项多学科的综合技术。其核心技术主要有：

CAD,CAE,CAM,CAPP

3.1 计算机辅助设计CAD 技术（Computer Aided Design）

计算机辅助设计CAD 作为信息化、数字化的源头，它包含的内容很多，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图等，主要完成产品的总体设计、部件设计和零件设计，包括产品的三维造型和二维产品图绘制。CAD 的支撑技术是曲面造型、实体造型、参数化设计、特征技术和变量参数技术。

3.1.1 发展历程

20世纪60年代至70年代是CAD技术的开创时期，在当时，计算机图形显示设各和计算机图形学理论为这项工作的最初研究奠定了良好的基础。1962年美国麻省理工学院林肯实验室的Ivan Sutherlalld开发了SKETCHPAD，并发表了题为“人机通信的图形系统”的博士论文，从此确立了交互式计算机图形学的研究地位，CAD 技术也正是伴随着交互式计算机图形学而得以发展。初期cAD技术的含义与功能仅仅是由计算机代替繁琐的手工绘图，且以二维绘图为主，仅有的几种三维CAD 软件也只有线框造型功能。在20世纪70年代至80年代，由于国际航天和汽车工业的蓬勃发展，遇到大量的自由曲面造型问题，因此自由曲面造型和实体造型技术获得了快速的发展，美国的Coons和法国的Bezier先后提出了新的曲面算法。此时，研发了一批CAD／CAM软件系统应用于工业。1977年法国达索飞机公司开发出具有代表性的三维曲面造型系统CATIA，为CAD带米了一次新的技术革命。随之为了解决CAE问题，开发出采用基本体素和布尔运算来构造三维模型的实体造型软件。1979年诞生了世界第一个完全摹于实体造型技术的软件I．DEAS。

20世纪80至90年代，微机系统的普及，参数化技术和特征造型技术的发艘，使得CAD技术又产生了一次飞跃。如1982年美国Autodesk公司展示了全球第一个基于PC的CAD软件．AutoCAD，．oj此同时，有很多人提出基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化设计方案，1985年美同成立了PTC公司，研制了参数化设计软件．Pr0／Engineer，率先提出并实现了尺寸驱动零件设计修改的设计思想。90年代中期，SolidWbrks公司发布了SolidWorks软件；Latergl发布了SolidEdge软件，成为微机系统的参数化特征造型的后起之秀。90年代至今，计算机软硬件技术的急剧变化，尤其是计算能力的大幅度提高，对CAD技术产生了巨大的影响，慕于特征和基于历史的三维参数化设计系统的快速推出；相关联的并行设计软件得到空前发展。提供对复杂产品全生命周期的解决方案，包括制造企业所用的三维CAD、CAM、PDM、CAE和数字化制造等模块。

图3.1CAD在设计中的应用

3.1.2 进展情况

(1)从二维绘图到三维设计

早期的CAD只支持二维绘图，进入90年代以来，三维绘图得以快速发展，并且在工程设计中得到了很好的应用。应该看到，二维绘图是基础，而利用三维CAD系统进行直接设计乃是当前和今后设计的新理念和发展方向。如在现有的软件支持下，直接以三维概念开始设计，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，它包括从接受产品的功能定义开始到完成产品的材料信息、结构形状和技术要求等。

(2)造型功能增强

①在产品造型技术方面，綦于特征造型技术、幕于历史的造型和参数化造型技术已在当今的CAD系统中得到了普遍的应用，但对于复杂的曲面设计的有效性仍存在许多问题川。

②当前的大部分CAD系统主要以详细设计为主，还不能支持概念设计和早期设计。这就要求未来的CAD系统应该向伞设计过程扩展，全面支持概念设计和详细设计。

③对于CAD系统水说，有效地实现大型复杂产品CAD模型的快速绘制和装配一直是一个亟待解决的问题。现有的办法是采用模型的轻量级加载或采用了装配体的压缩。

④除了机械CAD之外，几何造型技术还可以扩展到更多的新的应用领域，如生物医学、农业工程、地理信息、人体造型与服装设计等。

（3）CAD产品数据的交换与共享