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1、.word格式.第一章 CAD/CAE/CAM的简述1.1 CAD/CAE/CAM的发展历程1963年美国教授I.E. Su terland成功研制出了世界上第1套实时交互的计算机图形系统SKETCHPAD，它标志着CAD技术的诞生。在1952年美国MIT试制成功了世界上第1台数控铣床，解决了复杂零件的加工自动化，促使了数控编程技术的发展。20世纪50年代中期，MIT研制开发了自动编程语言(APP)提出了被加工零件的描述、刀具轨迹的计算、后置处理及数控指令自动生成等CAM基本技术。从此以后，CAD技术与CAM技术便相辅相成地发展起来，在过去的40多年中，CAD/CAM技术经历了如下四个主要发展
2、阶段【1415】： 20世纪50年代的初始准备阶段美国麻省理工学院(MIT)于1950年在“旋风”计算机上采用阴极射线管(CRT)做成图形终端，并能显示图形。50年代后半期出现了光笔，由此开始了交互式计算机图形学的研究。 20世纪60年代前期的研制试验阶段此阶段是交互式计算机图形学发展的最重要时期。该时期较著名的交互式系统有：1963年美国学者Ivan.Su therland研究的“sketchpad”系统；1964年美国通用汽车公司的“DAC一1”系统；1965年洛克希德公司推出的“CAD/CAM”系统，贝尔电话公司的“GRAPHIC一1”系统等，但当时刷新式显示器价格十分昂贵，CAD系统因
3、此难以普及。 20世纪60年代末至70年代的商品化阶段交互图形技术日益成熟并得到广泛应用，此时期CAD/CAM的发展着重于绘图技术，几何模型化及工程分析研究工作，仍以分离的单个软件应用为主。此时它们大多是6位机上的三维线框系统及二维绘图系统，只能解决一些简单的产品设计问题。 20世纪80年代后的迅速发展阶段20世纪80年代工业界开始认识到CAD/CAM新技术的重要性，大量推出新原理、新方法、新软件，并把单一功能软件集成，使之不但能绘制工程图形，而且能进行自由曲面设计、有限元分析、三维造型、机构及机器人分析与仿真等多种应用。与此同时，计算机硬件及输人、输出设备也有较大发展，32位的工作站可以和小
4、型机、甚至中型机相媲美，价格低廉的彩色光栅图形显示器占据统治地位，计算机网络获得以广泛应用，所有这些都大大促进了CAD/CAM的更大发展。30年来，工业发达国家的CAD技术不断创新、完善，逐步发展形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。CAE技术比起CAD、CAM发展得晚，在20世纪60-70年代，处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中所遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析。20世纪70-80年代是CAE技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件，软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘
5、空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向与各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展，使CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。1.2 CAD/CAE/CAM的概念、作用和关系CAD在早期是英文Computer Aided Drafting（计算机辅助绘图）的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步地认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计，真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。二维工程图设计只是产品设计中的一小部分，于是CAD的缩写也由Com
6、puter Aided Drafting改为Computer Aided Design，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。CAE（Computer Aided Engineering）通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析（线性、非线性、静态、动态）、场分析（热场、电场、磁场等）、频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。CAM（Computer Aided Manufacture）可完成自动生成零件加工的数控代码，并可进行加工过程的动态模拟、干涉和碰撞检查等。是为数控机床服务
7、的。CAD是CAE和CAM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE和CAM中有所反应。所以如果CAD开展的不好，CAE和CAM就很难做好。1.3 CAD系统概述先进的CAD系统均由硬件和软件两大系统组成。硬件系统是由计算机及其外围设备和网络组成。软件系统是由支持软件和应用软件组成。按照设计模型的不同，CAD系统分为二维CAD和三维CAD系统。二维建模是最初的CAD技术依赖几何模型来解决二维绘图问题的，之后发展为三维的几何建模
8、技术。三维几何建模方法有线框建模、表面建模和实体建模。由于三维CAD系统的建模包含了很多的实际结构特征，使用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造及制造过程。随着几何建模技术的发展和应用的要求，出现了参数化和变量化的建模技术，并日趋广泛使用。当设计对象的结构形状比较定型时，多采用参数化建模技术，而当设计对象需要更大的修改自由度时，则采用变量化建模技术。机器的运动仿真及分析，是采用CAD系统的应用软件。对设计模型进行仿真和分析，模拟真实环境中的工作状况进行分析和判断，以尽早发现设计缺陷（如：零件结构中应力、应变分布是否合理、运动副运动中的干涉状况等）和潜在的失败因素，提前进
9、行改善和修正，从而有效地减少了设计周期，也为优化设计奠定了良好的基础。常用的软件有：UG、I - DEAS、SOLIDWORKS、SOLIDEDGE、MDT、Pro/E 等，Pro/E 是最成功的一种设计软件16。1.4 CAE系统概述1.4.1 概述近20年来，在市场需求的推动下，CAE技术有了长足的发展。随着计算机技术的高速发展，极大地推动了相关学科研究和产业的进步。CAE作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。21世纪，是信息和网络的时代。随着计算机技术向更高速和更小型化的发展和分析软件的不断开发和完善，CAE技术的应用将愈来愈广泛并成为衡量一个国家科学技术水平
10、和工业现代化程度的重要标志。大力推进我国计算机辅助工程技术的科学研究和工业化应用势在必行17。1.4.2 CAE系统的主要功能产品的生产过程均可分为初步设计、详细设计、生产准备和制造四个阶段。CAE指的是初步设计和详细设计两个阶段中的模拟分析计算。CAE系统所具有的主要功能：1）基于几何模型的CAE系统可以很容易地计算零件的质量参数；2）具有机构分析功能的CAE系统，可以检查机构的运动是否与设想的一致，以及在运动过程中是否发生碰撞，即进行干涉效验；3）基于数理模型的CAE系统，利用有限元法、边界元法和模态分析法，可以对所设计的产品进行强度分析、振动分析和热分析。1.4.3 国外CAE技术概况衡
11、量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，一些发达国家在这方面已达到了较高的水平，仅以有限元分析软件为例，国际上不少先进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化，如ABAQUS、ANSYS和NASTRAN等。这些软件具有良好的前后处理界面、静态和动态过程分析以及线性和非线性分析等多种强大的功能，都通过了各种不同行业的大量实际算例的反复验证，其解决复杂问题的能力和效率，已得到学术界和工程界的公认。在北美、欧洲和亚洲一些国家的机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车和电气工业设计等许多领域中得到了广泛的应用。就CAE技术的工业化应用而言，西方发达
12、国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性和经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。1.4.4 我国CAE技术现状随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发展起来。近年来，我国的CAE技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发达国家相比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还很不平衡。研究和应用的领域以及分布的行
13、业和地区还很有限，现在还主要局限于少数具有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机构。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。在CAE分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国际市场为美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达50亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。我国的工业界在CAE技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低。大多数的工业企业对CAE技术还处于初步的认同阶段，CAE技术的工业化应用还有相当的难度
14、。这是因为，一方面我们缺少自己开发的具有自主知识产权的计算机分析软件，另一方面还大量缺乏掌握CAE技术的科技人员。提高我国工业企业的科学技术水平，将CAE技术广泛应用于设计与制造过程还是一项相当艰巨的工作。1.5 CAM系统概述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
15、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。CAM技术的发展趋势将体现在以下几方面：（1）面向对象、面向工艺特征的结构体系 传统CAM曲面为目标的体系
16、结构将被改变成面向整体模型（实体）、面向工艺特征的结构体系。系统将能够按照工艺要求自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/CAE/CAM的集成化、自动化、智能化达到一个新的水平。（2）基于知识的智能化系统 未来的CAM系统不仅可继承并智能化地判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。（3）提供更方便的工艺管理手段 CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，未来CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及即时修改提供了条件。较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员对产品进行工艺设计，CAM系统可按工艺规程
