CADCAM技术的现状及发展趋势

1、CAD/CAM技术的现状及发展趋势 摘要随着计算机技术的发展，计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）技术在工程设计、制造等领域中具有重要影响的高新技术。CAD/CAM技术自动加工的实现对社会产生了巨大的经济效益。 现代机械制造业中,模具工业已成为国民经济中的基础工业,许多新产品的开发和生产,在很大程度上依赖于模具制造技术,特别是在汽车、轻工、电子和航天等行业中尤显重要。模具制造能力的强弱和模具制造水平的高低,已经成为衡量一个国家机械制造技术水平的重要标志之一,直接影响着国民经济中许多部门的发展。模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上发展起来的,它是计算机技术在模

2、具生产中综合应用的一个新的飞跃。CAD/CAM技术的迅猛发展,软件、硬件水平的进一步完善,为模具工业提供了强有力的技术支持,为企业的产品设计、制造和生产水平的发展带来了质的飞跃,已经成为现代企业信息化、集成化、网络化的最优选择。关键词CAD/CAM; 技术现状；发展历程;发展趋势；一CAD发展历程及其应用CAD即计算机辅助设计 (CAD-Computer Aided Design) 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/CAM(计算机辅助设计及制造)技术产生于本世纪50年代后期发达国家

3、的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。 CAD在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员甩掉图板，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用CAD/CAM技术进行产品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。1.1CAD发展历程CA

4、D(Computer Aided Drafting)诞生于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，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。80年代，由于PC机的应用，CAD得以迅速发展，出现了专门从事CAD系统开发的公司。当时VersaCAD是专业的CAD制作公司，所开发的CAD软件功能强大，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

5、，由于该系统的开放性。因此，该CAD软件升级迅速。设计者很早就开始使用计算机进行计算。随着计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广。CAD的实现技术从那个时候起经过了许多演变。这个领域刚开始的时候主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。计算机技术的发展使得计算机在设计活动中有更有技巧的应用。现今，CAD已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更“智能”的部分。随着电脑科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘图设计。以往，碍于电脑性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠了真实感。而立体绘图则冲破了这限制，令设计蓝图更实体化。系统组成：通常以具有图形功能的交互计算

6、机系统为基础，主要设备有：计算机主机，图形显示终端，图形输入板，绘图仪，扫描仪，打印机，磁带机，以及各类软件工程工作站：一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。它有较强的计算能力，用规范的图形软件，有高分辨率的显示终端，可以联在资源共享的局域网上工作，已形成最流行的cad系统。个人计算机：pc系统价格低廉，操作方便，使用灵活。80年代以后，pc机性能不断翻新，硬件和软件发展迅猛，加之图形卡、高分辨率图形显示器的应用，以及pc机网络技术的发展，由pc机构成的cad 系统已大量涌现，而且呈上升趋势。1.2 CAD图形输入输出设备除了计算机主机和一般的外围设备外，计算

7、机辅助设计主要使用图形输入输出设备。交互图形系统对CAD尤为重要。图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。常见的输入设备有键盘、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、鼠标器、图形输入板和数字化仪。图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类。软拷贝设备指各种图形显示设备，是人机交互必不可少的；硬拷贝设备常用作图形显示的附属设备，它把屏幕上的图像复印出来，以便保存。常用的图形显示有三种：有向束显示、存储管显示和光栅扫描显示。有向束显示应用最早，为了使图像清晰，电子束必须不断重画图形，故又称刷新显示，它易于擦除和修改图形，适于作交互图形的手段。存储管显示保存图像而不必刷新，故能显示大量数据，且价格较低

8、。光栅扫描系统能提供彩色图像，图像信息可存放在所谓帧缓冲存储器里，图像的分辨率较高。1.3 CAD软件应用除计算机本身的软件如操作系统、编译程序外CAD主要使用交互式图形显示软件、CAD应用软件和数据管理软件3类软件。 交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看，图形的变换、修改，以及相应的人机交互。CAD应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能 ， 以完成面向各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是：算法 、数据结构、用户界面和数据管理。数据管理软件用于存储 、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息。为此，需要建立工程数据库系统。它同一般的数据库系统相比有如下特点：数据类型

9、更加多样，设计过程中实体关系复杂，库中数值和数据结构经常发生变动，设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。辅助模型常用的CAD软件软件会提供一些模型，但更多的模型需要从网上获取，帮助我们提升设计效率。对于专业企业，因为绘制内容不同，还常存在有多种CAD系统并行的局面，那么就需要配置统一的、具备跨平台能力的零部件数据资源库，将标准件库和外购件库内的模型数据以CAD原始数据格式导出到三维构型系统当中去，如主流的Autodesk Inventor，SolidWorks, CATIA, SolidEdge, Pro/E, AutoCAD, UG NX, Onespace等，更快的帮助设计人员完成设计工

10、作，提升效率。在国外，这种网络服务被称为“零部件图书馆”或“数据资源仓库”。在欧美和日本的PLM用户中，基于互联网的PLM零部件数据资源平台LinkAble PARTcommunity（简称PCOM）的知名度一点都不亚于今天我们所熟知的BLOG和SNS这样的网络平台。1.4 CAD系统功能平面绘图：能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。绘图辅助工具 AutoCAD提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等。AutoCAD的操作界面。绘图辅助工具：正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可 帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变

11、得更加容易。编辑图形：AutoCAD具有强大的编辑功能，可以移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。标注尺寸 可以创建多种类型尺寸，标注外观可以自行设定。书写文字：能轻易在图形的任何位置、沿任何方向书写文字，可设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。图层管理功能：图形对象都位于某一图层上，可设定图层颜色、线型、线宽等特性。三维绘图 可创建3D实体及表面模型，能对实体本身进行编辑。网络功能：可将图形在网络上发布，或是通过网络访问AutoCAD资源。数据交换：AutoCAD提供了多种图形图像数据交换格式及相应命令。1.5 CAD用途工程制图：建筑工程、装饰设计、环境艺术设计、水电

12、工程、土木施工等等。工业制图：精密零件、模具、设备等。服装加工：服装制版。电子工业：印刷电路板设计。广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、服装鞋帽、航空航天、轻工化工等诸多领域。 分类，在不同的行业中。Autodesk开发了行业专用的版本和插件，在机械设计与制造行业中发行了AutoCAD Mechanical版本。在电子电路设计行业中发行了AutoCAD Electrical 版本。在勘测、土方工程与道路设计发行了Autodesk Civil 3D版本。而学校里教学、培训中所用的一般都是AutoCAD Simplified 版本。一般没有特殊要求的服装、机械、电

13、子、建筑行业的公司都是用的AutoCAD Simplified 版本。所以AutoCAD Simplified基本上算是通用版本。CAD软件的常用类型：02，04，05，06，07，08，09，10版本，现在用的最为普遍的版本是09版本，而且09版本对于大部门3D模型都兼容。二、CAM的简介及发展历程CAM (computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“

14、加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。2.1 计算机辅助制造CAM(computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)：利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。CAM (computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程

15、或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道计算机辅助制造发展。市面上的CAM软件有：UG NX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、Gibbs CAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimtron、vx、esprit、gibbscam、Edgecam

16、.等等。数控除了在机床应用以外，还广泛地用于其它各种设备的控制，如冲压机、火焰或等离子弧切割、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等，成为各个相应行业CAM的基础。 计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面：硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等，软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。 到目前为止，计算机辅助制造（CAM，Computer Aided Manufacturing）有狭义和广义的两个概念。CA

17、M的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。这是最初CAM系统的狭义概念。2.2 计算机辅助制造支撑到今天，CAM的狭义概念甚至更进一步缩小为NC编程的同义词。CAPP已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRP/ERP系统来完成。CAM的广义概念包括的内容则多得多，除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。 数控系统 数控系统是机床的控制部分，它根据输入的零件

18、图纸信息、工艺过程和工艺参数，按照人机交互的方式生成数控加工程序，然后通过电脉冲数，再经伺服驱动系统带动机床部件作相应的运动。图3-4-2为数控系统的功能示意图。 传统的数控机床（NC）上，零件的加工信息是存储在数控纸带上的，通过光电阅读机读取数控纸带上的信息，实现机床的加工控制。后来发展到计算机数控（CNC），功能得到很大的提高，可以将一次加工的所有信息一次性读入计算机内存，从而避免了频繁的启动阅读机。更先进的CNC机床甚至可以去掉光电阅读机，直接在计算机上编程，或者直接接收来自CAPP的信息，实现自动编程。后一种CNC机床是计算机集成制造系统的基础设备。现代CNC系统常具有以下功能： (1

19、) 多坐标轴联动控制; (2) 刀具位置补偿; (3) 系统故障诊断; (4) 在线编程; (5) 加工、编程并行作业; (6) 加工仿真; (7) 刀具管理和监控; (8) 在线检测。 2.3 数控编程原理 所谓数控编程是根据来自CAD的零件几何信息和来自CAPP的零件工艺信息自动或在人工干预下生成数控代码的过程。常用的数控代码有ISO（国际标准化组织）和EIA（美国电子工业协会）两种系统。其中ISO代码是七位补偶代码，即第8位为补偶位；而EIA代码是六位补奇码，即第5列为补计算机辅助制造成组技术奇位。补偶和补奇的目的是为了便于检验纸带阅读机的读错信息。一般的数控程序是由程序字组成，而程序字

20、则是由用英文字母代表的地址码和地址码后的数字和符号组成。每个程序都代表着一个特殊功能，如G00表示点位控制，G33表示等螺距螺纹切削，M05表示主轴停转等。一般情况下，一条数控加工指令是若干个程序字组成的，如N012G00G49X070Y055T21中的N012表示第12条指令，G00表示点位控制，G49表示刀补准备功能，X070和Y055表示X和Y的坐标值，T21表示刀具编号指令。整个指令的意义是：快速运动到点（70，55），一号刀取2号拨盘上刀补值。数控编程的方式一般有四种：（1） 手工编程； （2） 数控语言编程；（3）CAD/CAM系统编程；（4） 自动编程。三CAD、CAM软件在制造

21、业中应用阶段与未来发展趋势3.1 CAD/CAM的技术特点针对企业从设计到制造整个过程的CAD/CAM 软件解决方案，一般都具备以下技术特点： （1）产品开发的集成 一个完全集成的 CAD/CAM 软件，能辅助工程师从概念设计到功能工程分析到制造的整个产品开发过程，如图2-1所示。图2-1 CAD/CAM 工作流程（2）相关性 通过应用主模型方法，使从设计到制造所有应用相关联，如图2-2所示。图2-2主模型方法（3）并行协作 通过使用主模型，产品数据管理 PDM ，产品可视化（PV）以及杠杆运用Internet技术，支持扩展企业范围的并行协作，如图2-3。图2-3并行协作国内外专家通常把CAD

22、的发展，为4个阶段：第一阶段是只能用于二维平面绘图、标注尺寸和文字的简单系统；第二阶段是将绘图系统与几何数据管理结合起来，包括三维图形设计及优化计算等其他功能接口；第三阶段是以工程数据库为核心，包括曲面和实体造型技术的集成化系统；而第四阶段是基于产品信息共享和分布计算、并辅以专家系统及人工神经网络的智能化、网络协同CAD系统。 目前，国内CAD应用主要集中在第三阶段，大部分的CAD产品，由一些基础的设计绘图平台，结合专业方面的规范和数据进行二次开发，并且集成相关的计算、分析等其他软件，形成设计人员独自完成设计工作的专业集成化工具。 与此同时，国外的应用基本处于第三到第四阶段之间，除了一般的集成

23、化系统，在一些设计需求发展较快的领域，也开发了一些专门的cad产品，实现了集设计工具、知识管理、专家系统于一体，具有一定协同工作能力的智能化集成系统 3.2 CAD在制造业中的应用 CAD的普及应用，是制造业是否能够成功迈向信息化的主要标志。我国的CAD应用目前已初步实现了按行业及地区开展CAD应用技术开发、示范和推广应用的目标。据e-works调查显示，中国制造业二维CAD市场保持了稳健的增长势头，尤其是进入2006年，中国制造业二维CAD的市场总额达到约为3900万美元（3.17亿人民币），相比2005年的2.43亿人民币增长了30。 3.3 CAD在制造业中的几个发展方向 1.CAD技术

24、作为一种设计工具，其核心目标是帮助工程技术人员设计出更好、更具市场竞争力的产品。在控制产品的设计过程、应用工程设计知识，实现优化设计和智能设计的同时，也需具有丰富的图形处理功能，实现产品的结构描述与图形描述之间的转换。因此，在以几何模型为主的现代通用CAD技术基础上，发展面向设计过程的智能CAD技术是一种必然的趋势。 2.对于产品设计而言，通过网络化的手段可以帮助设计师及其企业改造传统的设计流程，创造一种顺应人性而又充满魅力的设计环境。同时，在基于网络协同完成设计任务的同时，与制造、商务等的全面融合更带来了技术和应用两个领域革命性的进步。随着Web技术的不断渗透，支持Web协同设计方案的CAD

25、软件已经出现并趋于成熟，CAD软件的团队协作能力可以直接利用互联网进行。 3.CAD向简化和自动化的方向发展，这使该技术可以适合机械设计以外的众多应用。另外，对于某一个应用CAD技术的单位来讲，随着CAD技术及相关技术的发展成熟，需要从整体的角度来考虑这项技术的发展。利用基于网络的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM集成技术，实现真正的全数字化设计与制造。 3.4 机遇与挑战并存 当企业甩掉图板后，提出了深化应用研究的要求，主要表现为CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM的集成和网络环境下计算机辅助技术的推广应用。CAD技术成为中小企业技术需求的热点。CAD技术，无疑是推动中小企业技术升级的突破口。在中小企业普及CAD应用，将成为新世纪CAD应用工程的重要领域。网络环境为CAD的集成、开放和智能化创造了条件，是使推动应用CAD技术面临着新的发展契机。软件产业作为全球经济的热点，在制造业CAD的增值作用是十分巨大的。 3.5 未来CAD发展趋势 基于产品信息共享和分布计算的网络CAD系统，则被认为是CAD未来的发展方向。随着信息化的逐步深入，设计领域越来越需要大规模的分工与合作，未来CAD软件的发展，将适应