CAD、CAM的发展历程综述

CAD/CAM的发展历程略述一、CAD/CAM基本概念计算机技术是现代科学技术发展里程中最伟大的成就之一，他的应用已遍及各个领域。在机械及制造领域中，由于市场竞争的加剧，用户对产品的要求越来越高，为了适应瞬息万变的市场要求，提高产品质量，缩短生产周期，就必须将先进的计算机技术与机械设计与制造技术相互渗透和相互结合，从而产生了机械CAD/CAM这样一门综合性的高新技术，其已成为当今发展最快的应用技术之一。他不仅改变了工程人员在设计和制造产品中常规的工作方式，大大减轻脑力和体力劳动，而且还有利于发挥工程人员的创造性，提高企业的管理水平和市场竞争能力。机械CAD/CAM技术是将CAD、CAE、CAPP、CAM等各种功能通过软件有机的结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享与处理，以保证系统内信息流的畅通并协调各个系统有效的运行。它的显著特点是把设计和制造过程同生产管理、质量管理集成起来，通过生产数据采集形成一个闭环系统。二、CAD/CAM发展过程前面已经讲了CAD/CAM技术是将好几个不同功能的软件集成在一起形成的一个新的软件系统，所以下面分别介绍一下CAD、CAM等软件的概况。CAD技术的发展历程及现状20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。CAD(ComputerAidedDrafting)诞生于20世纪60年代，是美国麻省理工大学提出了交互式图形学的研究计划，初期出现了cad的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。由于当时硬件设施的昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。70年代，小型计算机费用下降，美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。完整的cad系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了cad技术的发展。80年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现以及PC的发展、工程工作站问世，cad技术在中小型企业逐步普及。80年代中期以来，cad技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为cad技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在cad中的应用，极大地提高了cad系统的性能；人工智能和专家系统技术引入cad，出现了智能cad技术，使cad系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。但是当时VersaCAD是专业的CAD制作公司，所开发的CAD软件能强大，但由于其价格昂贵，故不能普遍应用。而当时的Autodesk公司是一个仅有员工数人的小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。同时，由于该系统的开放性。因此，该CAD软件升级迅速。现在，cad已在电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。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。CAE技术的发展历程及现状CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。CAE技术的研究始於20世纪50年代中期，CAE软件出现於70年代初期，80年代中期CAE软件在可用性、可靠性和计算效率上已基本成熟。国际上知名的CAE软件有NASTRAN、ANSYS、ASKA、MARC、MODULEF、DYN-3D等。但其数据管理技术尚存在一定缺陷；运行环境仅限於当时的大型计算机和高档工作站。近十多年是CAE软件的商品化发展阶段，其理论和算法日趋成熟，已成为航空、航天、机械、土木结构等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续过程各类问题的一种重要手段。其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户介面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。前后处理是CAE软件实现与CAD、CAM等软件无缝集成的关键性软件成份；它们通过增设与相关软件（如Pro/E、CADDS、UG、Solidedge以及Solidworks、MDT等软件）的接口数据模块，实现有效的集成；通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块，实现特定行业的有效应用。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定於单元库和材料库的丰富和完善程度，知名CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库，使其对工程和产品的物理、力学行为，具有较强的分析模拟能力。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定於解法库；特别是在并行计算机环境下运行，先进高效的求解演算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。CAE软件现已可以在超级并行机，分布式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。目前国际上先进的CAE软件，已经可以对工程和产品进行如下的性能分析、预报及运行行为模拟∶静力和拟静力的线性与非线性分析包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析；线性与非线性动力分析包括交变荷载、爆炸冲击荷载、随机地震荷载以及各种运动荷载作用下的动力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分析等；声场与波的传播计算包括静态和动态声场及噪音计算，固体、流体和空气中波的传播分析，以及稳态与瞬态热分析（传导、对流和幅射状态下的热分析，相变分析等），静态和交变态的电磁场和电流分析（电磁场分析、电流分析、压电行为分析等），流体计算（常规的管内和外场的层流、端流等）等。三、CAD/CAM技术发展现状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。下面我们将分别介绍国内外一些流自己独特的优势，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