2015-08-13 03:06:30

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计算机辅助技术就是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作,简称CAD。 在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作;CAD能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。

基本信息

  • 中文名

    计算机辅助技术

  • 外文名

    Computer Aided Technologies

  • 方    法

    采用计算机作为工具

  • 用    于

    产品的设计、制造

折叠 编辑本段 概述

计算机辅助技术(Computer Aided Technologies)是采用计算机作为工具,将计算机用于产品的设计、制造和测试等过程的技术,辅助人们在特定应用领域内完成任务的理论、方法和技术。它包括了诸如计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助教学(CAI)等各个领域。“辅助”是强调了人的主导作用,计算机和使用者构成了一个密切交互的人机系统。

计算机辅助技术在计算机的应用领域不断扩大,应用水平不断提高和计算机科学技术的快速进展情况下不断深入和拓宽发展。CAD和CAM首先在飞机、汽车和船舶等大型制造业应用中趋于成熟,发展了许多共性的技术,开发出许多可供公用的工具软件和应用软件,其应用逐步推广到机械、电子、轻纺和服装等产品的制造业以及建筑、土建等工程项目。同时,它的技术和方法也被推广到新的计算机辅助领域,例如计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助质量控制(CAQ),以及应用计算机对制造型企业中的生产和经营活动的全过程进行总体优化组合的计算机集成制造系统(CIMS)。另外,还有用于教学和培训目的的计算机辅助教学(CAI)。

因为在各种计算机辅助系统的运作过程中都会频繁地涉及到大量信息和数据,因此数据库管理系统也是它们重要的组成部分,甚至是核心部分。但是目前已较为成熟的商用数据库管理系统常常不能满足其需要。例如CAI系统和应用于编辑出版领域的CAD系统中,处理的信息常是多种媒体,因此需要多媒体数据库。在CAD或CIMS环境下提供服务的工程数据库,它的概念模式要描述成千上万个不同类型的实体,其相互间关联非常复杂,而且不稳定,需经常修改。这些新型数据库管理系统正处于技术上不断完善并进入实用化的阶段。

折叠 编辑本段 基本概念

CAD/CAM/CAE技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术,具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM/CAE技术是先进制造技术的重要组成部分,它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。CAD/CAM/CAE技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一.

折叠 编辑本段 发展历程

CAD/CAM/CAECAD/CAM/CAE

CAD/CAM/CAE技术的发展与计算机图形学的发展密切相关,并伴随着计算机及其外围设备的发展而发展。计算机图形学中有关图形处理的理论和方法构成了CAD/CAM/CAE技术的重要基础。综观CAD/CAM/CAE技术的发展历程,主要经历了以下主要发展阶段。

20世纪50年代,计算机主要用于科学计算,使用机器语言编程,图形设备仅具有输出功能。美国麻省理工学院(MIT)在其研制的旋风I号计算机上采用了阴极射线管(CRT)作为图形终端,并能被动显示图形。其后出现了光笔,开始了交互式计算机图形学的研究,也为CAD/CAM技术的出现和发展铺平了道路。1952年MIT首次试制成功了数控铣床,通过数控程序对零件进行加工,随后MIT研制开发了自动编程语言(APT),通过描述走刀轨迹的方法来实现计算机辅助编程,标志着CAM技术的开端。1956年首次尝试将现代有限单元法用于分析飞机结构。50年代末,出现了平板式绘图仪和滚筒式绘图仪,开始了计算机绘图的历史。此间CAD技术处于酝酿、准备阶段。

20世纪60年代,这是交互式计算机图形学发展的最重要时期。1963年MIT学者I.E.Sutherland发表了题为“人机对话图形通讯系统”的博士论文,首次提出了计算机图形学等术语。由他推出的二维SKETCHPAD系统,允许设计者操作光笔和键盘,在图形显示器上进行图形的选择、定位等交互作业,对符号和图形的存储采用分层的数据结构。这项研究为交互式计算机图形学及CAD技术奠定了基础,也标志着CAD技术的诞生。此后,出现了交互式图形显示器、鼠标器和磁盘等硬件设备及文件系统和高级语言等软件。并陆续出现了许多商品化的CAD系统和设备。例如,1964年美国通用汽车公司研制了用于汽车设计DAC-1系统,1965年美国洛克希德飞机公司开发了CADAM系统,贝尔电话公司也推出了GRAPHIC-1系统等。此间CAD技术的应用以二维绘图为主。在制造领域中,1962年研制成功了世界上第一台机器人,实现物料搬运自动化,1965年产生了计算机数控机床CNC系统,1966年以后出现了采用通用计算机直接控制多台数控机床DNC系统以及英国莫林公司研制的由计算机集中控制的自动化制造系统。20世纪60年代末,挪威开始了CAPP技术的研究,并于1969年正式推出第一个CAPP系统AutoPros。

20世纪70年代,计算机图形学理论及计算机绘图技术日趋成熟,并得到了广泛应用。这期间,硬件的性能价格比不断提高;图形输入板、大容量的磁盘存储器等相应出现;数据库管理系统等软件得以应用;以小型、超小型计算机为主机的CAD/CAM系统进入市场并形成主流,这些系统的特点是硬件和软件配套齐全、价格便宜、使用方便,形成所谓的交钥匙系统(Turnkey System)。同时,三维几何建模软件也相继发展起来,出现了一些面向中小企业的CAD/CAM商品化系统,法国达索公司率先开发出以表面模型为特点的三维曲面建模系统CATIA。20世纪70年代中期开始创立CAPP系统的研究与开发。1976年由CAM-I公司开发了CAPP系统——CAM-I Automated Process Planning。在制造方面,美国辛辛那提公司研制出了一条柔性制造系统(FMS),将CAD/CAM技术推向了新的阶段。这一时期各种计算机辅助技术的功能模块已基本形成,但数据结构尚不统一,集成性差,应用主要集中在二维绘图、三维线框建模及有限元分析方面。

20世纪80年代,CAD/CAM技术及其应用系统得到迅速发展。这期间,出现了微型计算机和32位字长工作站,同时,计算机硬件成本大辐下降,计算机外围设备(彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机、彩色打印机等)已逐渐形成系列产品,网络技术也得到应用;CAD与CAM相结合,形成了CAD/CAM集成技术,导致了新理论、新算法的大量涌现。在软件方面,不仅实现了工程和产品的设计计算和绘图,而且还实现了工程造型、自由曲面设计、机构分析与仿真等工程应用,特别是实体建模、特征建模、参数化设计等理论的发展和应用,推动CAD技术由表面模型到实体建模,再到参数化建模发展,并出现了许多成熟的CAD软件。在此期间,为满足数据交换要求,相继推出了有关标准(如CGI,GKS,IGES及STEP等)。20世纪80年代后期,人们认识到计算机集成制造(CIM)的重要性,开始强调信息集成,出现了CIMS,将CAD/CAM技术推向了更高的层次。

20世纪90年代以来,CAD/CAM/CAE技术更加强调信息集成和资源共享,出现了产品数据管理技术,CAD建模技术日益完善,出现了许多成熟的CAD/CAE/CAM集成化的商业软件,如采用变量化技术的I-DEAS、应用复合建模技术的UG等。随着世界市场的多变与激烈竞争,随着各种先进设计理论和先进制造模式的发展,随着高档微机、操作系统和编程软件的发展,随着网络技术的迅速发展,CAD/CAM/CAE技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战,正在向集成化、网络化、智能化和标准化方向发展。

系统构成

CAD/CAM/CAECAD/CAM/CAE

一个完善的CAD/CAM/CAE系统应具有如下功能: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、人机交互通信功能、输入和输出信息及图形功能、工程分析功能等。为实现这些功能,CAD/CAM/CAE系统的运行环境由硬件、软件和人三大部分所构成。

硬件主要包括计算机及其外围设备等具有有形物质的设备,广义上讲硬件还包括用于数控加工的机械设备机床等。硬件是CAD/CAM/CAE系统运行的基础,硬件的每一次技术突破都带来CAD/CAM/CAE技术革命性的变化。软件是CAD/CAM/CAE系统的核心,包括系统软件、各种支撑软件和应用软件等。硬件提供了CAD/CAM/CAE系统潜在的能力,而系统功能的实现是由系统中的软件运行来完成。随着CAD/CAM/CAE系统功能的不断完善和提高,软件成本在整个系统中所占的比重越来越大,目前一些高端软件的价格已经远远高于系统硬件的价格。

任何功能强大的计算机硬件和软件均只是辅助设计工具,而如何充分发挥系统的功能,则主要是取决于用户的素质,CAD/CAM/CAE系统的运行离不开人的创造性思维活动,不言而喻,人在系统中起着关键的作用。目前CAD/CAM/CAE系统基本都采用人机交互的工作方式,这种方式要求人与计算机密切合作,发挥各自所长:计算机在信息的存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面具有特有的功能;人则在创造性思维、综合分析、经验判断等方面占有主导地位。

1、硬件组成

CAD/CAM系统的硬件主要由计算机主机,外存储器、输入设备,输出设备、网络设备和自动化生产装备等组成。有专门的输入及输出设备来处理图形的交互输入与输出问题,是CAD/CAM/CAE系统与一般计算机系统的明显区别。

(1)计算机主机

主机是CAD/CAM/CAE系统的硬件核心,主要由中央处理器CPU)及内存储器(也称内存)组成。CPU包括控制器和运算器,控制器按照从内存中取出的指令指挥和协调整个计算机的工作,运算器负责执行程序指令所要求的数值计算和逻辑运算。CPU的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。内存储器是CPU可以直接访问的存储单元,用来存放常驻的控制程序、用户指令、数据及运算结果。衡量主机性能的指标主要有两项:CPU性能和内存容量。按照主机性能等级的不同,可将计算机分为大中型机、小型机、工作站和微型机等不同档次。

(2)外存储器

外存储器简称外存,用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。当使用这些信息时,由操作系统根据命令调入内存。外存储器的特点是容量大,经常达到数百MB、数十GB或更多,但存取速度慢。常见的有磁带,磁盘(软盘、硬盘)和光盘等。随着存储技术的发展,移动硬盘U盘等移动存储设备成为外存储器的重要组成部分。

(3)输入设备

输入设备是指通过人机交互作用将各种外部数据转换成计算机能识别的电子脉冲信号的装置,主要分为键盘输入类(如:键盘)、指点输入类(如:鼠标)、图形输入类(如:数字化仪)、图像输入类(如:扫描仪、数码相机)、语音输入类等。

(4)输出设备

将计算机处理后的数据转换成用户所需的形式,实现这一功能的装置称为输出设备。输出设备能将计算机运行的中间或最终结果、过程,通过文字、图形、影像、语音等形式表现出来,实现与外界的直接交流与沟通。常用的输出设备包括显示输出(如:图形显示器)、打印输出(如:打印机)、绘图输出(如:自动绘图仪)及影像输出、语音输出等。

(5)网络互联设备

包括网络适配器(也称网卡)、中继器,集线器,网桥、路由器,网关及调制解调器等装置,通过传输介质联接到网络上以实现资源共享。网络的连接方式即拓扑结构可分为星形、总线形、环形、树形以及星形和环形的组合等形式。先进的CAD/CAM系统都是以网络的形式出现的。

2、软件组成

为了充分发挥计算机硬件的作用,CAD/CAM/CAE系统必须配备功能齐全的软件,软件配置的档次和水平是决定系统功能、工作效率及使用方便程度的关键因素。计算机软件是指控制CAD/CAM/CAE系统运行、并使计算机发挥最大功效的计算机程序、数据以及各种相关文档。程序是对数据进行处理并指挥计算机硬件工作的指令集合,是软件的主要内容。文档是指关于程序处理结果、数据库、使用说明书等,文档是程序设计的依据,其设计和编制水平在很大程度上决定了软件的质量,只有具备了合格、齐全的文档,软件才能商品化。

根据执行任务和处理对象的不同,CAD/CAM/CAE系统的软件可分系统软件、支撑软件和应用软件三个不同层次。系统软件与计算机硬件直接关联,起着扩充计算机的功能和合理调度与运用计算机硬件资源的作用。支撑软件运行在系统软件之上,是各种应用软件的工具和基础,包括实现CAD/CAM/CAE各种功能的通用性应用基础软件。应用软件是在系统软件及支撑软件的支持下,实现某个应用领域内的特定任务的专用软件。

(1)系统软件

系统软件是用户与计算机硬件连接的纽带,是使用、控制、管理计算机的运行程序的集合。系统软件通常由计算机制造商或软件公司开发。系统软件有两个显著的特点:一是通用性,不同应用领域的用户都需要使用系统软件;二是基础性,即支撑软件和应用软件都需要在系统软件的支持下运行。系统软件首先是为用户使用计算机提供一个清晰、简洁、易于使用的友好界面;其次是尽可能使计算机系统中的各种资源得到充分而合理的应用。系统软件主要包括三大部分:操作系统、编程语言系统和网络通信及其管理软件。

操作系统是系统软件的核心,是CAD/CAM/CAE系统的灵魂,它控制和指挥计算机的软件资源和硬件资源。其主要功能是硬件资源管理、任务队列管理、硬件驱动程序、定时分时系统、基本数学计算、日常事务管理、错误诊断与纠正、用户界面管理和作业管理等。操作系统依赖于计算机系统的硬件,用户通过操作系统使用计算机,任何程序需经过操作系统分配必要的资源后才能执行。目前流行的操作系统有Windows,UNIX,Linux等。

编程语言系统主要完成源程序编辑、库函数及管理、语法检查、代码编译、程序连接与执行。按照程序设计方法的不同,可分为结构化编程语言和面向对象的编程语言;按照编程时对计算机硬件依赖程度的不同,可分为低级语言和高级语言。目前广泛使用面向对象的编程语言,如Visual C++,Visual Basic,Java等。

网络通信及其管理软件主要包括网络协议、网络资源管理、网络任务管理、网络安全管理、通信浏览工具等内容。国际标准的网络协议方案为“开放系统互连参考模型”(OSI),它分为七层:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。CAD/CAM/CAE系统中流行的主要网络协议包括TCP/IP协议、MAP协议、TOP协议等。

(2)支撑软件

支撑软件是CAD/CAM软件系统的重要组成部分,一般由商业化的软件公司开发。支撑软件是满足共性需要的CAD/CAM/CAE通用性软件,属知识密集型产品,这类软件不针对具体的应用对象,而是为某一应用领域的用户提供工具或开发环境。支撑软件一般具有较好的数据交换性能、软件集成性能和二次开发性能。根据支撑软件的功能可分为功能单一型和功能集成型软件。功能单一型支撑软件只提供CAD/CAM/CAE系统中某些典型过程的功能,如交互式绘图软件、三维几何建模软件、工程计算与分析软件、数控编程软件、数据库管理系统等。功能集成型支撑软件提供了设计、分析、造型、数控编程以及加工控制等综合功能模块。

1)交互式绘图软件

这类软件主要以交互方法完成二维工程图样的生成和绘制,具有图形的编辑、变换、存储、显示控制、尺寸标注等功能;具有尺寸驱动参数化绘图功能;有较完备的机械标准件参数化图库等。这类软件绘图功能很强、操作方便、价格便宜。在微机上采用的典型产品是AutoCAD以及国内自主开发的CAXA电子图板、PICAD、高华CAD等。

2)三维几何建模软件

这类软件主要解决零部件的结构设计问题,为用户提供完整准确地描述和显示三维几何形状的方法和工具,具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算、参数化特征造型及装配和干涉检验等功能,具有简单曲面造型功能,价格适中,易于学习掌握。这类软件目前在国内的应用主要以MDT、SolidWorks和SolidEdge为主。

3)工程计算与分析软件

这类软件的功能主要包括基本物理量计算、基本力学参数计算、产品装配、公差分析、有限元分析、优化算法、机构运动学分析、动力学分析及仿真与模拟等,有限元分析是核心工具。目前比较著名的商品化有限元分析软件有SAP,ADINA,ANSYS,NASTRAN等,仿真与模拟软件有ADAMS

4)数控编程软件

这类软件一般具有刀具定义、工艺参数的设定、刀具轨迹的自动生成、后置处理及切削加工模拟等功能。应用较多的有MasterCAM,SurfCAM及CAXA制造工程师等。

5)数据库管理系统

工程数据库是CAD/CAM/CAE集成系统的重要组成部分,工程数据库管理系统能够有效地存储、管理和使用工程数据,支持各子系统间的数据传递与共享。工程数据库管理系统的开发可在通用数据库管理系统基础上,根据工程特点进行修改或补充。目前比较流行的数据库管理系统有ORACLE,SYBASE,FOXPRO,FOXBASE等。

(3)功能集成型软件

1)Pro/Engineer

2)UG

3)I-DEAS

4)CATIA

折叠 编辑本段 组成部分

AUTOCADAUTOCAD

1、CAD技术

由于在不同时期、不同行业中,计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称CAD)技术所实现的功能不同,工程技术人员对CAD技术的认识也有所不同,因此很难给CAD技术下一个统一的、公认的定义。早在1972年10月,国际信息处理联合会(IFIP)在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义:CAD是一种技术,其中人与计算机结合为一个问题求解组,紧密配合,发挥各自所长,从而使其工作优于每一方,并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。到20世纪80年代初,第二届国际CAD会议上认为CAD是一个系统的概念,包括计算、图形、信息自动交换、分析和文件处理等方面的内容。1984年召开的国际设计及综合讨论会上,认为CAD不仅是设计手段,而且是一种新的设计方法和思维。显然,CAD技术的内涵将会随着计算机技术的发展而不断扩展。

就目前情况而言,CAD是指工程技术人员以计算机为工具,运用自身的知识和经验,对产品或工程进行方案构思、总体设计、工程分析、图形编辑和技术文档整理等设计活动的总称,是一门多学科综合应用的新技术。CAD是一种新的设计方法,它采用计算机系统辅助设计人员完成设计的全过程,将计算机的海量数据存储和高速数据处理能力与人的创造性思维和综合分析能力有机结合起来,充分发挥各自所长,使设计人员摆脱繁重的计算和绘图工作,从而达到最佳设计效果。CAD对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业创新能力发挥着重要作用。

一般认为,CAD系统应具有几何建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图等主要功能。一个完整的CAD系统应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。人机交互接口是设计、开发、应用和维护CAD系统的界面,经历了从字符用户接口、图形用户接口、多媒体用户接口到网络用户接口的发展过程。图形系统是CAD系统的基础,主要有几何(特征)建模、自动绘图(二维工程图,三维实体图等)、动态仿真等。科学计算是CAD系统的主体,主要有有限元分析、可靠性分析、动态分析、产品的常规设计和优化设计等。工程数据库是对设计过程中使用和产生的数据、图形、图像及文档等进行存储和管理。就CAD技术目前可实现的功能而言,CAD作业过程是在由设计人员进行产品概念设计的基础上从建模分析,完成产品几何模型的建立,然后抽取模型中的有关数据进行工程分析、计算和修改,最后编辑全部设计文档,输出工程图。从CAD作业过程可以看出,CAD技术也是一项产品建模技术,它是将产品的物理模型转化为产品的数据模型,并把建立的数据模型存储在计算机内,供后续的计算机辅助技术所共享,驱动产品生命周期的全过程。

MasterCAMMasterCAM

2、CAM技术

计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,简称CAM)到目前为止尚无统一的定义。一般而言,CAM是指计算机在制造领域有关应用的统称,有广义CAM和狭义CAM之分。所谓广义CAM,是指利用计算机辅助完成从生产准备工作到产品制造过程中的直接和间接的各种活动,包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等主要方面。其中工艺准备包括计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、NC编程、计算机辅助工时定额和材料定额的编制等内容;物流过程的运行控制包括物料的加工,装配,检验,输送,储存等生产活动。而狭义CAM通常指数控程序的编制,包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和NC代码生成等。

CAM中核心的技术是数控加工技术。数控加工主要分程序编制和加工过程两个步骤。程序编制是根据图纸或CAD信息,按照数控机床控制系统的要求,确定加工指令,完成零件数控程序编制;加工过程是将数控程序传输给数控机床,控制机床各坐标的伺服系统,驱动机床,使刀具和工件严格按执行程序的规定相对运动,加工出符合要求的零件。作为应用性、实践性极强的专业技术,CAM直接面向数控生产实际。生产实际的需求是所有技术发展与创新的原动力,CAM在实际应用中已经取得了明显的经济效益,并且在提高企业市场竞争能力方面发挥着重要作用。

CAECAE

3、CAE技术

CAE(Computer Aided Engineering)从字面上理解是计算机辅助工程分析,准确地讲,就是指工程设计中的分析计算、分析仿真和结构优化。CAE是从CAD中分支出来的,起步稍晚,其理论和算法经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程。随着计算机技术的不断发展,CAE系统的功能和计算精度都有很大提高,各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生,并已成为工程和产品结构分析、校核及结构优化中必不可少的数值计算工具;CAE技术和CAD技术的结合越来越紧密,在产品设计中,设计人员如能将CAD与CAE技术良好融合,就可以实现互动设计,从而保证企业从生产设计环节上达到最优效益。分析是设计的基础,设计与分析集成是必然趋势。

目前CAE技术已被广泛应用于国防、航空航天、机械制造、汽车制造等各个工业领域。CAE技术作为设计人员提高工程创新和产品创新能力的得力助手和有效工具,能够对创新的设计方案快速实施性能与可靠性分析;进行虚拟运行模拟,及早发现设计缺陷,实现优化设计;在创新的同时,提高设计质量,降低研究开发成本,缩短研发周期。

CAPPCAPP

4、CAPP技术

计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning,简称CAPP)是根据产品设计结果进行产品的加工方法设计和制造过程设计。一般认为,CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。其中工序设计包括加工设备和工装的选用、加工余量的分配、切削用量选择以及机床、刀具的选择、必要的工序图生成等内容。工艺设计是产品制造过程中技术准备工作的一项重要内容,是产品设计与实际生产的纽带,是一个经验性很强且随制造环境的变化而多变的决策过程。随着现代制造技术的发展,传统的工艺设计方法已经远远不能满足自动化和集成化的要求。

随着计算机技术的发展,CAPP受到了工艺设计领域的高度重视。其主要优点在于:CAPP可以显著缩短工艺设计周期,保证工艺设计质量,提高产品的市场竞争能力。CAPP使工艺设计人员摆脱大量、繁琐的重复劳动,将主要精力转向新产品、新工艺、新装备和新技术的研究与开发。CAPP可以提高产品工艺的继承性,最大限度地利用现有资源,降低生产成本。CAPP可以使没有丰富经验的工艺师设计出高质量的工艺规程,以缓解当前机械制造业工艺设计任务繁重、缺少有经验工艺设计人员的矛盾。CAPP有助于推动企业开展的工艺设计标准化和最优化工作。CAPP在CAD、CAM中起到桥梁和纽带作用:CAPP接受来自CAD的产品几何拓扑信息、材料信息及精度、粗糙度等工艺信息,并向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息;CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及刀具轨迹文件,同时接受CAM反馈的工艺修改意见。

CAD/CAMCAD/CAM

5、CAD/CAM集成技术

自20世纪70年代中期以来,出现了很多计算机辅助的分散系统,如CAD,CAE,CAPP,CAM等,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作用。但是这些各自独立的系统不能实现系统之间信息的自动交换和传递。例如,CAD系统的设计结果不能直接为CAPP系统所接受,若进行工艺过程设计,仍需要设计者将CAD输出的图样文档转换成CAPP系统所需要的输入信息。所以,随着计算机辅助技术日益广泛的应用,人们很快认识到,只有当CAD系统一次性输入的信息能为后续环节(如CAE、CAPP、CAM)继续应用时才能获得最大的经济效益。为此,提出了CAD到CAM集成的概念,并首先致力于CAD、CAE、CAPP和CAM系统之间数据自动传递和转换的研究,以便将已存在和使用的CAD、CAE、CAPP、CAM系统集成起来。有人认为:CAD有狭义及广义之分,狭义CAD就是单纯的计算机辅助设计,而广义CAD则是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成。不论何种计算机辅助软件,其软件功能不同,其市场定位不同,但其发展方向却是一致的,这就是CAD/CAE/CAPP/CAM的高度集成。

CAD/CAM集成技术的关键是CAD、CAPP、CAM、CAE各系统之间的信息自动交换与共享。集成化的CAD/CAM系统借助于工程数据库技术、网络通信技术以及标准格式的产品数据接口技术,把分散于机型各异的各个CAD、CAPP、CAM子系统高效、快捷地集成起来,实现软、硬件资源共享,保证整个系统内信息的流动畅通无阻。

CAD/CAM集成技术是各计算机辅助单元技术发展的必然结果。随着信息技术、网络技术的不断发展和市场全球化进程的加快,出现了以信息集成为基础的更大范围的集成技术,譬如将企业内经营管理信息、工程设计信息、加工制造信息、产品质量信息等融为一体的计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System, 简称CIMS)。而CAD/CAM集成技术是计算机集成制造系统、并行工程、敏捷制造等先进制造系统中的一项核心技术。

折叠 编辑本段 系统选型原则

一个CAD/CAM系统功能的强弱,不仅与组成该系统的硬件和软件的性能有关,而且更重要的是与它们之间的合理配置有关。因此,在评价一个CAD/CAM系统时,必须综合考虑硬件和软件两个方面的质量和最终表现出来的综合性能。在具体选择和配置CAD/CAM系统时,应考虑以下几个方面的问题。

1、软件的选择应优于硬件,且软件应具有优越的性能。

软件是CAD/CAM系统的核心,一般来讲,在建立CAD/CAM系统时,应首先根据具体应用的需要选定最合适的、性能强的软件;然后再根据软件去选择与之匹配的硬件。若已有硬件而只配置软件,则要考虑硬件的性能选择与之档次相应的软件。

系统软件应采用标准的操作系统,具有良好的用户界面、齐全的技术文档。支撑软件是CAD/CAM系统的运行主体,其功能和配置与用户的需求及系统的性能密切相关,因此CAD/CAM系统的软件选型首要是支撑软件的选型。支撑软件应具有强大的图形编辑能力、丰富的几何建模能力,易学易用,能够支持标准图形交换规范和系统内外的软件集成,具有内部统一的数据库和良好的二次开发环境。

2、硬件应符合国际工业标准且具有良好的开放性。

开放性是CAD/CAM技术集成化发展趋势的客观需要。硬件的配置直接影响到软件的运行效率,所以,硬件必须与软件功能、数据处理的复杂程度相匹配。要充分考虑计算机及其外部设备当前的技术水平以及系统的升级扩充能力,选择符合国际工业标准、具有良好开放性的硬件,有利于系统的进一步扩展、联网、支持更多的外设。

3、整个软硬件系统应运行可靠、维护简单、性能价格比优越。

4、供应商应具有良好的信誉、完善的售后服务体系和有效的技术支持能力。

折叠 编辑本段 发展趋势

随着CAD/CAM技术的应用越来越广泛和深入,CAD/CAM/CAE技术的未来发展主要体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现上。

PROEPROE

1、集成化

随着计算机技术的发展,CAD/CAM系统已从简单、单一、相对独立的功能发展成为复杂、综合、紧密联系的功能集成系统。集成的目的是为用户进行研究、设计、试制等各项工作提供一体化支撑环境,实现在整个产品生命周期中各个分系统间信息流的畅通和综合。集成涉及功能集成、信息集成、过程集成与动态联盟中的企业集成。为提高系统集成的水平,CAD技术需要在数字化建模、产品数据管理、产品数据交换及各种CAX(CAD、CAE、CAM等技术的总称)工具的开发与集成等方面加以提高。

计算机集成制造是一种集成,是一种现代制造业的组织、管理与运行的新哲理,它将企业生产全部过程中有关人、技术、设备及经营管理四要素及其信息流、物流、价值流有机地集成,并实现企业整体优化,以实现产品高质、低耗、上市快、服务好,从而使企业赢得竞争。CIM强调企业生产经营的各个环节,从市场需求、经营决策、产品开发、加工制造、管理、销售到服务都是一个整体,这便是系统观点;CIM认为企业生产经营过程的实质是信息的采集、传递和加工处理的过程,这一观点为企业大量采用信息技术奠定了认识上的基础。CIMS是基于这种哲理的集成制造系统,通过生产、经营各个环节的信息集成,支持了技术的集成,进而由技术的集成进入技术、经营管理和人、组织的集成,最后达到物流,信息流,资金流的集成并优化运行,最终使企业实现整体最优效益,从而提高了企业的市场竞争能力和应变能力。

2、网络化

网络技术的飞速发展和广泛应用,改变了传统的设计模式,将产品设计及其相关过程集成并行地进行,人们可以突破地域的限制,在广域区间和全球范围内实现协同工作和资源共享。网络技术使CAD/CAM系统实现异地、异构系统在企业间的集成成为现实。网络化CAD/CAM技术可以实现资源的取长补短和优化配置,极大地提高企业的快速响应能力和市场竞争力,“虚拟企业”、“全球制造”等先进制造模式由此应运而生。目前基于网络化的CAD/CAM技术,需要在能够提供基于网络的完善的协同设计环境和提供网上多种CAD应用服务等方面提高水平。

3、智能化

设计是含有高度智能的人类创造性活动。智能化CAD/CAM技术不仅是简单地将现有的人工智能技术与CAD/CAM技术相结合,更要深入研究人类认识和思维的模型,并用信息技术来表达和模拟这种模型。智能化CAD/CAM技术涉及新的设计理论与方法(如并行设计理论、大规模定制设计理论、概念设计理论、创新设计理论等)和设计型专家系统的基本理论与技术(如设计知识模型的表示与建模、知识利用中的各种搜索与推理方法、知识获取、工具系统的技术等)等方面。智能化是CAD/CAM技术发展的必然趋势,将对信息科学的发展产生深刻的影响。

4、标准化

随着CAD/CAM技术的发展和应用,工业标准化问题日益越来越显得重要。目前已制定了一系列相关标准,如面向图形设备的标准计算机图形接口(CGI)、面向图形应用软件的标准GKS和PHIGS、面向不同CAD/CAM系统的产品数据交换标准IGES和STEP,此外还有窗口标准以及最新颁布的《CAD文件管理》、《CAD电子文件应用光盘存储与档案管理要求》等标准。这些标准规范了CAD/CAM技术的应用与发展,例如STEP既是标准,又是方法学,由此构成的STEP技术深刻影响着产品建模、数据管理及接口技术。随着技术的进步,新标准还会出现。CAD/CAM系统的集成一般建立在异构的工作平台之上,为了支持异构跨平台的环境,要求CAD/CAM系统必须是开放的系统,必须采用标准化技术。完善的标准化体系是我国CAD/CAM软件开发及技术应用与世界接轨的必由之路。

目前,CAD/CAM技术正向着集成化、网络化、智能化和标准化的方向不断发展。未来的CAD/CAM技术将为新产品开发提供一个综合性的网络环境支持系统,全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的设计工作。

折叠 编辑本段 研究开发热点

1、三维超变量化技术

超变量化几何(Variation Geometry Extended,简称VGX)技术是CAD建模技术发展的里程碑,它在变量化技术基础上充分利用了形状约束和尺寸约束分开处理以及无须全约束的灵活性,让设计者针对一个完整的三维产品数字模型,从建模到约束都可以直接以拖动方式实时地进行图形化的编辑操作。VGX将直接几何描述和历史树描述创造性地结合起来,使设计者在一个主模型中就可以实现动态地捕捉设计、分析和制造的意图。VGX极大地改进了交互操作的直观性及可靠性,从而更易于使用,使设计更富有效率。采用VGX的三维超变量化控制技术,能够在不必重新生成几何模型的前提下任意修改三维尺寸的标注方式,这为寻求面向制造的设计(DFM)解决方案提供了一条有效的途径。因此,VGX技术被业界称为21世纪CAD领域具有革命性突破的新技术。

2、基于知识工程的CAD技术

知识工程(Knowledge Based Engineering,简称KBE)的实质是知识捕捉和知识重用,知识工程将已有的知识、技能、经验、原理、规范等进行获取、组织、表达和集成,形成知识库,并创建相应的知识规则及知识的繁衍机制,因此具有较强的开放性和可扩展性。知识工程的最终表现形式是过程引导,在使用KBE时首先进行工程配置再定义工程规则,最后实现产品建模。

基于知识工程的CAD技术是将知识工程原理和计算机辅助设计理论有机结合的综合性技术,它的应用对象从几何建模、分析、制造延伸扩展到工程设计领域,形成了工程设计与CAD/CAM系统的无缝连接。它基于产品本身和整个设计过程的信息建立产品工程模型;用产品设计、分析和制造的工程准则以及几何、非几何信息等构成产品设计知识,联合驱动产品模型;根据主动获取和集成的设计知识自动修改模型,提高设计对象的自适应能力。由此可见基于知识工程的CAD技术是通过设计知识的捕捉和重用实现设计自动化。如何把设计知识结合到CAD/CAM系统中,使得设计人员只要输入工况参数或工程参数或应用要求,系统就能依据相关的知识,自动推理构造出符合要求的数字化产品模型,以最快的速度开发出高知识含量的优质的新产品,这正是知识工程要解决的问题。知识工程的应用使制造业的CAD技术有一个质的飞跃。

3、计算机辅助创新技术

创新是产品设计的灵魂,如何提供一个具有创新性的CAD设计手段,使设计者在以人为中心的设计环境中,更好地发挥创造性,是一个富有挑战性的课题。计算机辅助创新技术(Computer Aided Innovation,简称CAI)是在发明创造方法学(TRIZ)的基础上,结合现代方法学、计算机技术及多领域学科综合形成的。世界500强企业中已有超过400家制造企业将CAI技术应用于产品设计中,产生新的设计思想,促进创新设计。CAI技术是CAD技术新的飞跃,现已成为企业创新设计过程中必不可少的工具。

4、虚拟现实技术

虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、人工智能技术、传感器技术以及仿真技术和人的行为学研究等学科发展起来的最新技术。VR技术与CAD/CAM技术有机结合,为产品开发提供了虚拟的三维环境,设计者通过诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然实时的感知和交互,不仅可以对产品的外观和功能进行模拟,而且能够对产品进行虚拟的加工,装配,调试,检验和试用,使产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发现并加以解决。从而避免了设计缺陷,有效地缩短了产品的开发周期,降低了产品的研制成本,从而获得最佳的设计效果。

尽管VR技术在CAD/CAM/CAE技术中的应用前景很大,但由于VR技术所需的软硬件价格昂贵,技术开发的复杂性和难度还较大,VR技术与CAD/CAM技术的集成还有待进一步研究和完善。

折叠 编辑本段 应用范围

中国CAD/CAM/CAE技术的研究始于20世纪70年代,当时主要集中在少数高校及航空领域等极小范围。80年代初,开始成套引进CAD/CAM系统,并在此基础上进行开发和应用;同时国家在CAD/CAM/CAE技术应用开发方面实施重点投资,支持对国民经济有影响的重点机械产品CAD进行开发和研制,取得了一些成果,为中国CAD/CAM/CAE技术的发展奠定了基础。90年代初,经国务院批准,由国家科委牵头开始实施以“甩掉图板”为突破口的CAD应用工程;“十五”期间,CAD应用工程与CIMS工程合并实施制造业信息化工程,这些工作极大地促进了CAD/CAM技术在中国制造工程领域的推广和普及。

通过近20年坚持不懈的努力,中国CAD/CAM/CAE技术在理论与算法研究、硬件设备生产、支撑软件的开发与商品化、专业应用软件的研制与应用,以及在人才培养与技术普及等方面均取得了丰硕的成果。近年来,中国CAD/CAM/CAE技术发展迅速,应用日趋成熟,范围不断拓宽,水平不断提高,应用领域几乎渗透到所有制造工程领域,尤其机械,电子,建筑,造船,轻工等行业在CAD/CAM/CAE技术开发应用上有了一定规模,取得了显著的成效。中国已自行开发了大量实用的CAD/CAM软件,国内计算机生产厂家已能够为CAD/CAM/CAE系统提供性能良好的计算机和工程工作站。少数大型企业已经建立起较完整的CAD/CAM/CAE系统并取得较好的效益,中小企业也开始使用CAD/CAM技术并初见成效;一些企业已着手建立以实现制造过程信息集成为目标的企业级CIMS系统,以实现系统集成、信息共享。

CAD/CAM技术应用的实践证明:先进的技术可以转化为现实的生产力,应用CAD/CAM技术是制造企业的迫切需求。CAD/CAM技术是保证国家整体工业水平上一个新台阶的关键性高技术,是提高产品与工程设计水平、降低消耗、缩短产品开发与工程建设周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段;是提高研究与开发能力、提高创新能力和管理水平、增强市场竞争力和参与国际竞争的必要条件。

综观先进制造技术的发展,可以看到,未来的制造是基于集成化智能化的敏捷制造和“全球化”、“网络化”制造,未来的产品是基于信息和知识的产品。CAD/CAM/CAE技术是当前科技领域的前沿课题,它的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了 深刻的变化,从而带动制造业技术的快速发展,已经产生并必将继续产生巨大的社会经济效益。

折叠 编辑本段 常用软件

1、国外软件

(1) Unigraphics(UG)

UG起源于美国麦道(MD)公司的产品,1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部。UG由其独立子公司UnigraphicsSolutions开发,是一个集CAD/CAM/CAE于一体的机械工程辅助系统,适用于航空、航天、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。UG是将优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起,还提供了二次开发工具GRIP、UFUNG、ITK,允许用户扩展UG的功能。

(2)AutoCAD

AutoCAD是美国Autodesk公司开发的一个具有交互式和强大二维功能的绘图软件,如二维绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能,同时有部分三维功能。AutoCAD软件是目前世界上应用最广的CAD软件,占整个CAD/CAE/CAM软件市场的37%左右,在中国二维绘图CAD软件市场占有绝对优势。

(3) MDT(MechanicalDesktop)

MDT是Autodesk公司在基于参数化特征实体造型和曲面造型的CAD/CAM软件,它以三维设计为基础,集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体,为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。据称目前已经装机2万余套,国内已销售近千套。

(4)SolidWorks

SolidWorks是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的基于Windows平台的全参数化特征造型的软件,SolidWorks是世界各地用户广泛使用,富有技术创新的软件系统,已经成为三维机械设计软件的标准。它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好,用户易学易用。SolidWorks软件于1996年8月由生信国际有限公司正式引入中国以来,在机械行业获得普遍应用,目前用户已经扩大到三十多万个单位。

(5) Pro/Engineer

Pro/Engineer是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation简称PTC)的产品,于1988年问世。Pro/E具有先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型和便于移植设计思想的特点,该软件用户界面友好,符合工程技术人员的机械设计思想。Pro/Engineer整个系统建立在统一的完备的数据库以及完整而多样的模型上,由于它有二十多个模块供用户选择,故能将整个设计和生产过程集成在一起。在最近几年Pro/E已成为三维机械设计领域里最富有魅力的软件,在中国模具工厂得到了非常广泛的应用。

2、国内软件

(1)PICAD

PICAD系统及系列软件是中科院凯思软件集团及北京凯思博宏应用工程公司开发的具有自主知识产权的CAD软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性,对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航;系统提供局部图形参数化、参数化图素拼装及可扩充的参数图符库;提供交互环境下的开放的二次开发工具,用户可以任意增加功能或开发专业应用软件。PICAD是国内商品化最早、市场占有率最大的CAD支撑平台及交互式工程绘图系统,自从1991年推出中国第1个商品化的二维CAD系统以来,PICAD的用户已经遍及各行业及各省市,至今装机量已超过数万套。

(2)高华CAD

高华CAD软件包括机械设计及绘图系统GHMDS、计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、工艺设计系统GHCAPP、产品数据管理系统GHPDMS、三维几何造型系统GHGEMS及自动数控编程系统GHCAM。其中GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统,具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。

(3) CAXA

CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件,可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计,适合所有需要二维绘图的场合,使设计人员可以把精力集中在设计构思上,彻底甩掉图板,满足相关行业的设计要求。

CAXA-ME是一套数控编程和三维加工软件,具有强大的造型功能,可快速建立各种复杂的三维模型,它为数控加工行业提供了从造型、设计到加工代码生成、加工仿真,代码校验等一体化的解决方案。其中的CAXA注塑模设计(CAXA-IMD)是一套中文注塑模专业CAD软件,该软件提供注塑模标准模架和零件库,以及塑料、模具材料和注射机等设计参数数据库,可随时查询、检索;并能自动换算型腔尺寸,对模具进行各种计算。使用该软件,设计人员不必翻找设计手册即可轻松设计模具。

(4) GS-CAD98

GS-CAD98是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统的软件。它是一个具有完全自主知识产权的基于中文Windows95/NT平台的三维CAD系统,该软件是在国家“七五”重大攻关及863/CIMS主题目标产品开发成果的基础上,参照SolidWorks的用户界面风格及主要功能开发完成的。它包括实体、草图、参数化特征造型及高级曲面造型技术以及采用自适应参数关联技术来保证从设计到制造过程中各个环节的一致性。

(5)金银花系统(Lonicera)

金银花系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。该系统是国家科委863/CIMS主题在“九五”期间科技攻关的最新研究成果。它是基于STEP标准的CAD/CAM系统,该软件主要应用于机械产品设计和制造中,它可以实现设计/制造一体化和自动化。该软件采用面向对象的技术,使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术;具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能;同时还具有多种标准数据接口,如STEP,DXF等;支持产品数据管理(PDM)。目前金银花系统的系列产品包括:机械设计平台MDA、数控编程系统NCP、产品数据管理PDS、工艺设计工具MPP。机械设计平台MD

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