CAD/CAM技术概论

图1 传统制造过程

    以前使用计算机完成这些工作都是孤立的，彼此之间是分开的，成为一个个信息孤岛。常常是CAD完成后的信息，不能被CAM直接使用，这样在计算机辅助设计与制造上造成了信息资源的浪费。若使用计算机集成技术，为CAD、CAM提供一个集成的工作环境，将CAD、CAM、CAPP等有机的联系起来，称之为，或称为CAD/CAM一体化技术。
    CAD/CAM技术是一门综合性的应用技术，它是计算机技术与机械设计制造技术的结合与渗透，是当前科技和工业领域的前沿课题。
    1. CAD技术概述
    CAD即“计算机辅助设计”，广义的CAD包括设计和分析（CAE）两个方面。设计是指构造零件的几何形状、选择零件的材料、以及为保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要求和技术要求等；分析是指利用数学建模技术，如有限元、优化设计技术等，从理论上对产品的性能进行模拟、分析和测试，以保证产品设计的可靠性。一般地，CAD系统应包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、图样绘制等，如图2。
    CAD技术是通过计算机和CAD软件对设计“产品”进行分析、计算和仿真。产品结构和性能的调整与优化和绘图，把设计人员所具有的最佳设计特性（创造性思维、形象思维和经验知识、综合判断和分析的能力）同计算机的强大的记忆和检索信息能力、大量信息的高速精确计算和处理能力、易于修改设计、工作状态稳定而且不疲劳的特性综合起来，从而大大提高了设计的速度和效率，提高了设计质量并降低了设计的成本。这里“产品”，是指各个行业中一切需要设计的对象，如航空/航天飞行器，汽车等地上行走的交通工具，机械和电子产品，水利水电工程，土木工程、建筑与城市规划工程，家具产品，服装产品，甚至化学产品的分子结构等等。

图2 CAD过程模型

    1.1. CAD系统功能模块
    CAD系统一般由许多功能模块构成，各个功能模块相互独立的工作，又相互传递信息，形成一个相互协同的有序系统。CAD一般包含以下几个模块：
    图形处理模块：进行零件图和装配图的二维绘图和编辑。
    三维几何造型模块：为用户提供完整的、准确的三维几何形状的描述和显示的方法和工具，如消隐、着色、灰度处理，实体参数计算、质量特性计算等。
    装配模块：完成从零件到部件或产品的三维装配，建立产品结构信息模型和产品明细表，以及进行静态干涉检查等。
    计算机辅助分析模块：如有限元分析模块、优化方法模块等。
    机构动态仿真模块：求解各个部件的重心、质量、惯性矩等物理特性，设定各个构件的运动规律和参数，并且进行运动仿真和运动干涉检查。
    数据库模块：完成对CAD系统的数据库维护和管理。
    用户编程模块：包括用户编程语言和图形库，便于用户对CAD系统进行二次开发，提高CAD系统用户化程度，以充分发挥系统的性能和提高使用效率。
    1.2 CAD的产生和发展
    20世纪60年代，美国麻省理工学院采用人机交互技术，开发出第一个正式意义上的CAD。在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。
    CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，应用较为广泛的是CADAM软件和AutoCAD软件。随着计算机硬件的高速发展，和三维CAD设计的诸多优势，三维CAD逐步取代二维CAD。如图1-1-2，三维CAD技术的发展先后经历了以下的四次革命：
    ⑴ 第一次CAD技术革命—曲面造型系统
    初期的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统，这种线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几体数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE及CAM均无法实现。进入70年代，飞机和汽车工业中遇到了大量的自由曲面问题，法国达索飞机制造公司的三维曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。
    ⑵ 第二次CAD技术革命—实体造型技术
    有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。美国SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件—I-DEAS。由于实体造型技术能够精确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，给设计带来了惊人的方便性。它的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。
    ⑶ 第三次CAD技术革命—参数化技术
    进入80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法—参数化实体造型方法，该算法主要具有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量必然很大。当时CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具，更何况当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是CV公司内部否决了参数化技术方案。策划参数技术的这些人在新思想无法实现时集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp. PTC)，开始研制命名为Por/ENGINEERR的参数化软件。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。