CAD_CAM技术的发展历程

中 外 企 业 家 2011 年 第 7 期（下）总第 377 期 科技之窗 Technology Windows CAD/CAM可以追溯到五、 六十年代， 首先诞生在美国的航 空业。第一台采用 NC 机床并用数控编程软件的是波音飞机制 造公司， 第一个发展成实用的 CAD软件的是洛克希德飞机制造 公司， FEM首先应用在美国宇航局的结构分析上。波音 777 是 当前世界上最大的双引擎喷气客机， 载客可达 440 名， 初步的航 程为 73408930 公里之间，计划还要增加到 1117013670 公 里之间。这种被称为 “革命性” 的远程客机的设计制造成功， 向 全世界展示了波音公司在 777 型机设计制造过程中全面采用 CADCAM 技术所取得的巨大成就。波音 777 型飞机上有 133500 种专门设计的零件， 全机零件总数达 300 万件以上 （包 括紧固件 ） ， 要使这么多的零、 组、 部件装配组合在一起， 并保持 相当高的精确度，是飞机制造业最令人头疼的工作。因此在以 往为了减少生产中出现不协调， 不配合、 干扰碰撞问题， 必须在 正式生产之前先要制造一台价格昂贵且费时费力的全尺寸的模 型样机， 这几乎成为飞机制造业的金科玉律。1990 年波音公司 开始投入 777 型机的发展。采用了 2200 台图形工作站与 8 台 主机相连， 并行工程将实时跟踪控制制造和装配过程充分实现， 全机 100的数字化设计， 才使多个不同专业、 同时并行协同工 作成为可能。在 777 机研制期间， 他们按飞机不同部件、 组件、 系统组成 238 个设计制造一体化综合工作组。参加工作组的成 员还有分包商， 供货商与用户代表。小组中的设计师， 生产工程 师与质量保证人员共同解决试制中的问题并研究长期的改进办 法。全面推行数字化工程对于适应不同客户的特殊要求而做的 修改和补充设计也带来极大的方便，对于多个分布备地的分包 商、 供应商共同采用能够转换数据相互兼容的 CADCAM系统 十分有益。 1、 CAD/CAM 在制造业的地位 CAD/CAM是人脑与电脑结合的产物，它又是多种学科， 是 计算机、 信息技术与设计、 工艺、 生产、 控制相互交汇融合的新技 术。 自从产业革命以来， 人类掌握的生产制造技术有了飞速的发 展，据统计自 1990 年以来，制造业的生产效率已经提高了 1000%， 但是脑力劳动为主体的工程设计效率只提高了 20%。 主 要的劳动工具： 丁字尺、 图板、 计算尺和百多年前没有本质的变 化。CAD/CAM技术的出现推动了制造业脑力劳动的技术革命。 它使人们可以甩掉图板， 不用图纸， 不用编写大量技术的、 管理 的文件、 报表， 能够更有效的控制、 管理复杂的现代化生产作业。 近年来由于集成电路、 图像技术， 信息技术发展的推动， 可以用 电子软样机代替实体样机，用屏幕上的实时仿真模拟实验代替 实物的试验，通过三维动态实景图像技术将设计师正在构思的 新产品， 提供给用户评审、 选择， 将传统的顺序作业改为现代的 并行工程， 将人类的生产技术提高到前所未有的新境界。 无疑在 降成本、 提效率、 提质量、 缩短周期、 降低人力成本、 减少过程等 方面得到显著改观。历经 30 多年的发展， 这一技术的应用已成 为衡量一个国家的科技现代化和工业现代化水平的重要标志。 2、 我国 CAD/CAM/CAE 应用简介 国内 CAD/CAM技术发展形势是上升良好的。从 1991 年国 务委员宋健指示联合各有关部委研究在全国开展推广 CAD 应 用工程的要求，于 1992 年国务院批转了 CAD 应用工程联合报 告，成立了全国 CAD 应用工程协调领导小组，促使全国的 CAD/CAM的开发推广走上了一条适合国情发展道路。 以全国推 广应用 CAD/CAM的先进单位杭州汽轮动力集团为例。据文献 报道该厂从 1978 年引进了西门子大型计算机后就开展了应用。 历经十多年的时间不断开发、 应用、 更新、 改进， 到 95 年已经有 一套包括西门子和 IBM大型机机的主机系统和 9 台工作站， 120 台 PC， 先后从国外对口协作企业引进 400 多种程序包。使 得图纸的 90%实现了 CAD 设计，每项产品图纸设计时间减少 2/3。提高了设计质量和标准化程度与产品可靠性。汽轮机关键 部件实现数控加工，中小零件的工艺卡 90%以上采用 CAPP 技 术， 并在此基础上开发了 PMS 生产管理系统， 对毛坯、 半成品、 在制品库存管理、 生产计划、 成本管理、 配套检验实现计算机辅 收稿日期： 2011- 07- 12 作者简介： 王宁国 （1965-） ， 男， 江苏宿迁人， 本科， 工程师， 从事产业规划及产业推进等工作。 CAD/CAM 技 术 的 发 展 历 程 王宁国 （南京市浦口区江北新城指挥部， 江苏 南京 211800 ） 摘要： 历经 30 多年的发展， 人类掌握的生产制造技术有了飞速的提升， CAD/CAM/CAE 技术的应用已成为衡量一 个国家的科技现代化和工业现代化水平的重要标志。 我国 CAD/CAM 技术应用与开发层面上形势良好。 全面推行数字化 工程对于适应不同客户的特殊要求而做的修改和补充设计也带来极大的方便， 对于多个分布备地的分包商、 供应商共同 采用能够转换数据相互兼容的 CADCAM 系统十分有益。CAPP 无疑在降成本、 提效率、 提质量、 缩短周期、 降低人力成 本、 减少过程等方面得到显著改观。 关键词： 软件； CAD/CAM/CAE； 并行过程 中图分类号： TP39文献标识码： A文章编号： 1000- 8772 （2011 ） 14- 0140- 03 140 助管理。 传统的模具生产时劳动密集型，凭着设计师们的经验和模 具工的手艺制作模具。生产周期长， 模具质量取决于人的因素。 随着计算机技术的不断发展， CAD/CAM技术日臻成熟，并已广 泛应用于汽车、 航天、 机械、 电子、 建筑等领域。模具行业则是其 应用最成功的领域之一。在发达国家已有近四十年历史， 据 1993 年 模具工业 杂志抽样调查表明， 日本 441 家公司中应用 CAD/CAM技术的占 71.4%。 生产塑料模和压铸模的公司几乎全 部采用该技术。 在新加坡、 韩国、 香港和台湾， 业已十分普遍。 我 国模具 CAD/CAM技术应用已有二十余年的历史，特别是在 80 年代后期发展迅速， 在飞机、 汽车、 船舶和家电行业中的骨干模 具企业 （分厂或车间 ） 和主要的专业模具厂已经比较普遍的引进 了 CAD/CAM技术， 甚至在广东、 江浙等地区的乡镇企业业已关 注和应用到这一技术。模具 CAD/CAM技术实现了模具生产的 信息化和自动化， 有效地提高了模具设计质量和缩短生产周期。 由国内外应用实践证明， 模具 CAD/CAM技术的应用， 是实施工 业现代化的重要技术策略。模具是 “工业之母” ， 模具工业的发 达才能促使工业的现代化。 因而， 应用 CAD/CAM技术已成为市 场竞争的需要。 1.1CAD类软件 指计算机辅助设计画图的部分。主要包括通用型适 于所有行业并可二次开发如 AutoCAD、 MicroStation。 AutoCAD以 2D 为基础观念， 平面功能比较强， 3D 功能就捉襟见肘了， 但做 的早， 知名度高， 所以使用群广。对于机械专业来说， Solidworks 的出现， 以及 Pro/E 从工作站全力下放到 PC 机， 使得 AutoCAD 可说是沦为标尺寸的工具。专业型Solidworks 与 Inventor 比一直能稳定地保有市场，因为它价廉的成功市场定位策略和 倾向基本机械设计的功能而受到欢迎 Solidedge 原属 intergraph 公司的机械产品， 1997 年 UG 的生产公司 Unigraphics Solutions 公司与之签约合并了这一机械产品， 并将它统一到 Parasolid 平 台上，由此形成了一个从低端到高端，兼有 UNIX工作站版和 Windows NTPC版的完整系 统。具备 Windows 特质例如良好的 用户操作接口， 能充分和 OFFICE 兼容， 以及和具有和 Windows 的 OLE （无缝结合） 技术兼容， 是 Solidworks 的同级竞争产品针 对专业而开发的 CAD软件， 如 Solidworks、 Solidedge、 Inventor等。 1.2CAM类软件 指计算机辅助制造部分。 是指利用计算机系统， 通过计算机 与生产设备直接的或间接的联系， 去规划、 设计、 管理和控制产 品的制造过程。由此可见， 在现代生产过程中， 凡采用计算机对 生产设备进行控制、 管理、 生产出产品的， 都可称为 CAM。 比如， 利用可编程序控制器 （PLC ） 对注塑机进行控制； 利用 CNC 数控 系统对数控机床进行零件的数控加工。前者是 CAM技术的一 部分， 后者则是 CAM在机械制造业的集中体现。设计与制造是 制造业开发产品的主要环节，他们本身就是相互共生，相互依 存， 共同发展的。CAD 的最终效益 （也可以说企业的效益） 主要 是通过 CAM技术体现出来的。对于模具制造业， CAM更加重 要。对 CAM的两种理解： 一种是制造单元的 CAM， 另一种是生 产制造系统的 CAM。 实现制造单元的 CAM必然要和 CAD联系 在一起。即 CAD/CAM一体化技术， 这是研究和开发的热点。而 生产制造系统的 CAM是更具广泛意义的计算机辅助制造， 除 了 CAD/CAM一体化技术外， 还包括工业机器人 （Robot ） ， 装配 自动化 （FA ） ， 成组技术 （GT ） ， 计算机生产信息管理系统 （MIS ） 等，常与 FMS（Flexible Manufacturing System 柔性制造系统） 、 CIMS （Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造 系统 ） 概念联在一起。 人们常说的 CAM， 普遍所指的是制造单元 的 CAM， 包括加工零件的计算机辅助编程， NC 代码生成， 与数 控机床数控装置的接口软件和加工过程自动控制技术。 CAM的 一般内容包括： 机床数控 （NC、 DNC ） 、 计算机辅助编制工艺规程 （CAPP ） 、 计算机辅助编制数控加工程序 （NCP ） 、 成组技术 （GT ） 、 计算机辅助质量控制与测量 （CAQ ） 等。 1.3CAE 类软件 指计算机辅助分析的部分。 其发展经历了 60 年代的探索阶 段， 世界三大 CAE 公司 MSC （MSC/Nastran ） 、 SDRC、 ANSYS 公司 相继成立， 在发展方向上， 前两家比较专注于非线性分析市场， 后者更偏向于线性分析市场。 这三大公司先后完成了重组， 至今 其市场主导格局基本上保持下来； 70 年代至 80 年代的独立发 展专家应用时期。出现了许多著名的分析软件如： NASTRAN、 I- DEAS、 ANSYS、 ADINA、 SAP 系列等；90 年代与 CAD 技术结 合与自身功能扩展时期， 不断面向广大设计者应用。 分析人员将 主要精力转向前后处理。 这期间各 CAD软件开发商一方面大力 发展本身 CAD 的 CAE 功能如世界排名前几位 的 CATIA、 CADDS、 UG 等都增加了基本的 CAE 前后置处理及一般线形、 模态分析功能或通过并购另外 的 CAE 功能来增加其软件的 CAE 能力， 如 PTC对 Rasna 的收购。为 CAE 技术的推广应用打 下了基础； 同时， 各大分析软件也积极向 CAD 靠拢， 为保证两者 的相关性， 积极发展与各 CAD软件的专用接口并增强软件的前 后置能力。 其核心理论是基于现代计算力学的有限单元 （简称有 限元 ） 分析技术。有限元这门特别依赖于数值计算的学科， 依托 于计算机的广泛应用和发展才真正进入了步入了飞速发展时 期。由于其涉及的问题和算法基本上全部来源于工程之中， 并 应用于工程， 因而 CAE 成为了这门学科的类名称。人们将很多 设计的数据经验和数学模式放到计算机里来，再以统计学的理 论来设计软件， 相当于一个专家系统， 能够在设计前段就应用这 些系统来预先修正错误， 帮助人们校验分析， 这就是 CAE 软件。 1.4CAD/CAM/CAE 一体化软件 采用同一有限元模型进行多种分析。常见软件：ANSYS 是一个被普遍采用的有限元分析软件。用来分析力学及电磁学 相关的问题。 本身具有较强的前后处理器 （Pre/Post- Processor ） 功 能及解决方案， 应用面非常广泛。MoldFlow是一套源自澳洲 的塑料模具分析软件。因为它做得早， 自 1978 年起就已成为塑 料模流分析软件的代名词。庞大而且模块化。C- Mold 是在 MoldFlow成名后， 才出来和他竞争的同类产品， 都是设计参考 的佼佼者。 98 年老牌的船泊设计和海洋工程公司 Gibbs&Cox借 助的就是世界著名的分析统计 MSC/NASTRAN揭开了泰坦尼克 号首航沉没的谜底。 3、 CAD/CAM 一体化技术 指的是 CAD与 CAM各模块之间信息的提取、 交换、 共享和 处理的集成。与之有关的技术有 CAD、 CAPP （计算机辅助工艺 过程设计 ） 、 GT、 DataBase 等。其中， 产品建模技术、 CAPP、 及 NC 技术、 工程数据的管理、 各模块间的数据交换接口是 CAD/CAM 一体化的关键技术。（下转 160 页 ） 141 （上接 141 页 ） 基于图形学发展起来的 CAD 软件， 它的基本功能有： 产品 信息的输入、 检查修改和零件图的绘制。 优秀的 CAD软件， 除了 线框建模、 曲面建模、 实体造型的造型和建模方式外， 还有特征 造型、 参数化设计、 可变建模等功能。它不仅能提供产品的几何 信息， 还能提供公差、 表面粗糙度、 材料性能、 加工要求等产品的 制造信息。CAD软件系统还包含各种编辑工具、 自定义功能、 与 其它高级语言的接口 ） 并定义有符合国际标准的数据交换格式， 以便用户在此基础上进行二次开发。 为了将 CAD与 CAM集成一个完整的系统集成一个完整的 系统， 即希望在 CAD做出设计后， 由计算机辅助工艺师制定出工 艺计划， 包括刀具选择、 刀具轨迹、 切削用量、 切削速度、 主轴转速 等， 然后自动生成 NC代码， 这就是计算机辅助工艺规划 （CAPP ） 。 计算机辅助工艺规划是连接 CAD和 CAM的中间环节。CAD数 据库的信息只有经过 CAPP 系统才能变为 CAM的加工信息。 CAPP 的设计方法有两种。 一种是以成组技术 （GT ） 为基础的经验 型 CAPP，它有派生法或检索法 （variant Approach or Retrieve Approach ） ； 另一种是依靠事先规定的逻辑决策， 利用规定的加 工要求和逻辑原则自动生成零件的工艺过程的创成型 CAPP （Generative Approach ） ， 它属于人工智能型的设计方法。派生法 和创成法相结合的设计方法综合设计法是当前主要的设计 方法， 它利用派生法设计工艺路线用创成法设计工序内容。 一个 比较完善的的 CAPP 系统， 应具有： 加工方法的选择 （车、 铣、 刨、 磨、 镗、 钻等 ） ； 工艺路线安排； 加工设备与工艺设备 （刀具、 夹具 ） 的选择； 工艺尺寸的换算 （加工余量， 工序尺寸及公差 ） ； 切削参数 选择 （切削速度， 进给量、 切削深度 ） ； 零件 NC编程能力。 由上所述， 制造单元的计算机辅助制造单元 （CAM ） 不是孤 立的， 它是以产品的计算机辅助设计 （CAD ） 为基础， 以计算机辅 助工艺规划 （CAPP ） 为桥梁， 完成产品的计算机辅助制造， 因此 被称为 CADCAM一体化。目前国内外研制、开发、销售的 CADCAM软件， 实际上是制造单元的 CADCAM， 主要是针 对数控机床的 CADCAM软件。 4、 结语 CAD/CAE/CAM技术的普及推广后，大量的电子化的数据， 信 息、 图形、 文件产生了。由于能快速生成、 传递、 修改、 信息， 使得 在设计制造中的信息量及传输率急剧增长。 因此属于 CIM （计算 机集成制造） 范畴的生产数据管理系统 PDM（Product Data Managament ） 便应运而生， 用计算机辅助管理这些工程信息， 能 够准确及时地控制工程生产中的信息， 并有效分配、 快速传输、 自动记录跟踪信息流程。由于有了 PDM系统才是 CAD、 CAM、 CAE 有效的集成起来， 在企业中产生综合倍增的效益。 参考文献： 1林亨等.CAM技术综述J.计算机辅助设计与制造， 1995 （12 ） : 26- 27. 2葛巧琴等.浅谈实施模具 CAD/CAM应用的关键J.计算机辅 助设计与制造， 1995 （09 ） :31- 32 . 3杨济民等.机械 CAD/CAE/CAM软件系统现状综述J.计算机 辅助设计与制造， 1995 （11 ） :17- 18 . 4王有智.CAE 技术的过去、 现在与未来J.计算机辅助设计与 制造， 1998 （12 ）:8- 9 .（责任编辑:袁凌云 ） 污企业对环保执法不理不睬， 甚至有些企业暴力抗法， 阻碍环境 执法人员的依法执法。 5.地方各级法院对环保执法的有效配合有待进一步改善： 由于地方各级人民法院受种种诸如人员编制、经费等等原因的 影响，加上地方各级领导对环保工作的干涉和环保部门与法院 的协调不够，导致地方各级法院对于环保部门移交的强制执行 申请案件没有严格能够按照规定执行到位，使许多案子不了了 之， 带来很多不利影响。 二、 进一步加强环境监察执法工作的对策 （一 ） 进一步完善环境保护方面的法律法规， 建立健全良好 的环境执法机制 加紧有关环境保护方面的法律法规的制定和修改工作， 强 化违法企业和单位的法律责任，对重点违法排污企业特别是屡 查屡犯企业， 授权环保部门责令停产整顿， 对发生污染事故或拒 不执行行政处罚决定的企业， 赋予环保监察部门查封、 扣押等强 制执行权， 保证执法到位； 同时建立健全多部门联合执法机制， 加强部门间诸如加强与法院、 工商、 供电、 银行、 自来水、 发改等 部门间的联系与沟通， 定期召开会议， 形成纪要， 协同执行， 进一 步加大环境执法力度。 （二 ） 不断加大执法和舆论宣传力度，