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CAD/CAM的发展现状及趋势

作者:市场部 发布时间:2013-03-21 浏览次数:4335

 

 CAD/CAM的发展现状及趋势

 

1引言

 计算机辅助设计与制造(CAD:Computer Aided Design,CAM:Computer Aided Manufacture)技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础,包括二维绘图设计、二维儿何造型设计、有限元分析(FEA)及优化设计、数控加工编程(NC)、仿真模拟及产品数据管理(PDM)等内容。随着Internet/ Intranet网络和并行工程、高性能计算及事务处理的普及,异地、协同、虚拟设计与制造及实时仿真也日益得到广泛应用[1]

CAD /CAM(计算机辅助设计与制造)技术产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中。随着计算机技术和信息技术的发展,CAD /CAM技术在全球迅速普及开来。对制造业来说,CAD /CAM是提高产品设计品质和制造品质、缩短产品开发周期,降低产品开发成本的强有力手段,已成为企业赢得市场的制胜法宝。因此,研究CAD /CAM技术应用现状,探讨其发展前景,对加快我国机械行业CAD /CAM技术推广应用步伐,提高我国机械制造业的国际竞争力具有深远意义。

2 CAD/CAM软件的特点及其现状

2.1国外流行的软件[2][3]

(1)Unigraphics(UG):UG是源于美国麦道(MD)公司的产品,是由美国通用汽车公司EDS分部的独立子公司UnigraphicsSolutions开发的,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、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:它是美国Autodesk公司开发的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),并有部分三维功能。Auto-CAD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)Pro/Engineer:它是美国参数技术公司(PTC)1988年的产品,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,用户界面友好,符合工程技术人员的机械设计思想,能将整个设计和生产过程集成在一起。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。(4)由美国Autodesk公司基于参数化特征实体造型和曲面造型而开发的MDT软件。由美国SolidWorks公司基于Windows平台的全参数化特征造型开发的SolidWorks软件。

2.2国内流行的软件[4]

(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;系统提供交互环境下的开放的二次开发工具,用户可以增加功能或开发专业应用软件。(2)CAXA:CAXA电子图板是高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件,辅助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计,适合二维绘图的场合,可使设计人员甩掉图板,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,可以快速建立复杂的三维模型,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。其中的注塑模设计(CAXA-IMD)是一套中文注塑模专业CAD软件,可使设计人员不必翻找设计手册即可轻松设计模具。(3)此外还有金银花系统(Lonicera)、高华CAD、GS-CAD98、开目CAD等软件,其中的金银花系统的目标是向国外三维CAD。

2.3 CAD/CAM技术研究现状

CAD/CAM技术起源于航空工业和汽车工业。CAM的发展以1956年MIT开发的数控自动编程语言APT(Automatically Programmed Tool)作为开端。而CAD的发展通常以1961年MIT实验室的I.E. Sutherland发表的一篇关于人机交互的图形系统博士论文为起点。CAD/CAM技术经过半个世纪的发展,在理论、技术、系统和应用等方面都有了较大的进步。CAD技术从仅依赖计算机技术和显示技术的初级阶段发展成为以几何、拓扑、代数几何、代数拓扑、图论、群论为基础,具有完整、坚实的理论基础,使用多种数学方法的综合性科学;CAM技术主要涉及到数控加工编程及相关工装、工艺、过程设计等。随着CAD技术的发展,数控加工编程系统也从手工编程、数控语言编程、数控图象编程到今天的将产品的设计与图象编程相结合的阶段,实现有效地与CAD集成,成为CAD/CAM系统的集成化应用模块,与CAD部分共享统一的数据结构,充分利用CAD阶段的几何信息进行加工工艺方案的制定,刀具轨迹的自动生成和图形仿真。CAM系统一般包括零件几何建模、零件加工轨迹定义、零件加工过程仿真、生成数控加工代码(NC代码)等功能。第一代CAD系统主要是二维绘图系统,它提供标注符号和尺寸的功能,将设计人员从大量重复性的绘图工作中解脱出来;第二代CAD系统主要特点是三维描述功能及与其他软件包的接口(如有限元模型),用户可以更直观地得到产品,真实的三维形状,从各个方面观察,验证所设计的产品,并能进行产品的一些功能分析,以验证所设计的产品是否满足设计要求;第三代CAD系统将功能扩展到曲面和实体、造型相结合,信息更完整,适用于加工、分析,出现了一些CAD/CAM集成的系统;第四代CAD系统即目前的CAD系统是一种集成多功能化的系统。它一方面提高了CAD/CAM的集成度,另一方面参数化技术、变量化技术和特征技术得到广泛应用。参数化技术的特点是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改;这在一些通用件设计者创造力和想象力的发挥的同时,在设计中改变顺序或关键的拓扑关系发生变化,失去某些约束等会导致系统数据混乱,为此,美国的SDRC公司研究了变量化技术并在它们的商业软件I-DEAS中采用[5][6][7]

2.4我国机械行业CAD/CAM技术应用现状

    纵观我国机械制造业,CAD /CAM技术应用现状主要呈现以下几个特点[8][9]:

   (1)起步晚,市场份额小:我国CAD/CAM技术应用从20世纪80年代开始,“七五”期间,国家支持对24个重点机械产品进行了CAD/CAM的开发研制工作,为我国CAD/CAM技术的发展奠定了一定的基础。通过国家科委实施的863计划中的CIMS主题,促进了CAD/CAM技术的研究和发展。“九五”期间,国家科委又颁发了《1995~2000年我国CAD/CAM应用工程发展纲要》,将推广、应用CAD/CAM技术作为改造传统企业的重要战略措施。尤其是机械行业,自1995年以来,相继开展了“CAD应用1215工程”和“CAD应用1550工程”,前者是树立12家“甩图板”的CAD应用典型企业,后者是培育50~100家CAD/CAM应用的示范企业,扶持500家,继而带动5 000家企业的计划。通过国家这些重大举措,我国CAD/CAM技术的研发与应用取得了较大进步,但由于一些企业经济实力不足,技术人才短缺,CAD/CAM技术不能够完全应用到生产实践中去。国内的一些科研机构、高校和软件公司开发出的CAD/CAM软件,在包装方面与发达国家相比存在差距,虽投放市场,但份额较小。

   (2)应用范围窄、层次浅: CAD /CAM技术在企业中的应用在CAD方面主要包括二维绘图、三维造型、装配造型、有限元分析和优化设计等,其中二维绘图技术在企业应用情况较好,这一方面得益于国家大力推进“甩图板”工程,另一方面是由于二维绘图技术解决的是所有企业的共性问题。三维造型软件由于早期没有推出微机版本,需要在工作站环境中工作,投资较大,所以采用的企业相对少一些,应用情况好的也相对少一些;尽管目前早已推出比较成熟稳定的微机版本,但大多数企业并未认识到其优势所在,仍然固守于二维绘图;基于三维造型技术的装配造型也因此很少应用。有限元分析和优化设计则普及率更低,原因是这些系统都进行了一定的理论假设,所以其结果的可靠性稍低,应用难度也较大,只用于某些必须的场合。在CAM方面,目前企业普遍应用的只是数控程序编制,华中数控系统、南京SKY系统、日本FUNUC系统、德国SIEMENS系统在国内企业中应用已经非常广泛,而广义的CAM只有少数大型企业采用,在中小企业中极少应用。其主要原因有: 1)中小企业采用的多是单一功能的CAD /CAM软件,难以达到CAD /CAM的功能集成; 2)尽管有些企业配备了高水平的集成软件,也花巨资引进了配套设备,但由于缺少高素质的技术人员,配备的软件和设备没有得到有效利用,只利用了极少一部分功能。

(3)功能单一,经济效益并不明显: CAD /CAM技术在企业中的应用仅是单元的智能技术应用,是从企业生产的各个侧面来提高效率,推进自动化。采用单一功能的CAD /CAM技术其效果是相当有限的,只有将CAD、CAPP、CAM等技术集成在一起,综合应用在设计与制造过程中,才能产生显著经济效益。

3 CAD/CAM的不足及发展趋势[10]

经过近几十年的发展,我国CAD/CAM技术有了长足发展,已被广泛用于我国企业;我国CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。但是整体来说,我国目前CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家尚有不小差距。例如:不少企业对CAD的认识还仅停留在绘图阶段,从而使CAD产生的效益尚未充分发挥;CAD/CAM软件应用人员参差不齐,CAD软件不能得到高效率应用;缺少既适合教学又满足企业需求的软件及教学平台。CAD/CAM技术水平还处于向高技术集成和向产业化商品化过渡的时期,还没有针对性的软件,一般都是使用通用性软件。虽在微机平台上开发CAD/CAM软件方面我国与国外起点差不多,但对引进的CAD/CAM系统的二次开发却跟不上,致使引进软件的效率不能完全发挥。

针对21世纪机械制造行业的基本特征,CAD/CAM技术的发展趋势也呈现出以下几个特征:标准化、集成化技术、智能化技术、网络技术的应用、多学科多功能综合产品设计技术等。目前,激烈的市场竞争不断向CAD/CAM提出更新更高的要求,另外人工智能技术、网络技术、软件工程中面向对象的方法以及工程数据库技术的发展也为CAD/CAM技术的提高注入新的活力,使CAD/CAM技术不断向着集成化、智能化、标准化、网络化方向发展。

(1)集成化的研究

CAD/CAM系统的集成化主要包括三个方面:产品数据模型的集成化、产品设计过程的

集成化以及产品设计功能的集成化。产品数据模型的集成化,要求系统支持产品从功能设计到详细设计各阶段的产品信息,也支持设计过程中大量的非精确,不完整的产品信息;即支持完整精确的信息。产品设计过程的集成化,要求系统支持产品整个设计生命周期,包括设计过程的监控,不同设计过程之间的模型转换,同一设计过程中多个共存产品模型的转化及管理,设计历史维护等。设计功能的集成化,要求CAD/CAM系统将众多的单独设计功能组合成一个统一的设计环境,为设计人员提供设计过程中各种设计活动的支持,它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合起来,使产品整个生命周期涉及到有关人/组织、经营管理和技术以及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行,正在从当前企业内部的信息集成和功能集成,发展到过程集成(以并行工程为代表)、并正在向企业间集成(以敏捷制造为代表)方向发展。

(2)智能化设计与优化设计的研究

人类的设计活动体现了人类特有的智能行为,设计人员的创造性活动对设计质量、产品创新起着决定性作用,智能CAD技术,在更高的创造性思维活动层次上将给予设计人员有效的辅助,是真正意义上的计算机设计、推理技术、神经网络技术以及模糊推理等技术在智能CAD中得到广泛应用。CAD系统中的智能行为包括捕捉设计者的设计意图,设计目标的规划,设计问题的自动求解,领域设计知识的获取与应用,约束满足求解,正反向推理以及设计过程与方法更接近人类的思维,从而使设计的自动化程度更高。另一方面,随着技术系统的日益复杂,设计人员及设计的出发点不同,设计方案并不唯一,这就要求系统以产品的全系统、全性能、全过程优化为目标,集建模寻优、分析、再设计为一体,综合运用专业知识和先进的优化方法实现并寻优,并运用可视化等技术对寻优过程和优化结果进行分析,提供再设计建议。

(3)标准化研究

随着CAD/CAM技术研究的深入,各国各企业针对本行业的特点都开发了一些有代表性的CAD/CAM系统,有的擅长曲面设计,有的擅长工程分析,有的则主要解决NC加工问题。而要充分利用这些系统的长处,取长补短以及企业间信息的交换,这就涉及到CAD数据的相互交换,因此,要有一个数据交换的标准。在各国制定的众多标准中影响最大的是美国的IGES(Initial Graphics Exchange Specification)图形交换规范,并且已经成为事实上的国际标准。几乎所有国际知名CAD系统都支持IGES接口,但IGES只支持产品的几何信息,还未覆盖产品从设计到制造的全部信息,如材料,制造公差,表面粗糙度要求和生产管理信息等。国际标准化组织制定了产品数据表达和交换国际标准STEP,它提供了四个层次的产品数据共享实现方法:ASCII码中性文件;访问内存数据结构;共享数据等;共享知识库,在此基础上保证CAD/DAM系统中数据一致性和完整性,减少重复信息的输入量。是否应用符合国际标准的数据,已经成为CAD/CAM系统在国际市场上是否被用户接受的重要条件。

(4)网络化的研究

网络化是计算机技术发展趋势之一,这是计算机通信、电子学、光电子、多媒体等综合发展而形成,Internert、Intranet和Extranet技术的发展为CAD/CAM系统开创了一个新天地,过去那种单人、单机的设计已不适应CAD/DAM技术的发展,既难以实现资源共享,并行工程及敏捷制造的应用,又不利于企业的管理保密,同时企业内部和企业间的信息交换也日益增多,因此网络化是CAD/DAM系统发展的一个必然趋势,通过网络企业内部将CAD、CAM和CAE以及管理与决策信息系统联成一体,以实现数据交换,共享和集成,提高整个系统从设计到制造全过程的效率。各企业可形成虚拟企业相互取长补短、发挥各自最大的优质,实现产品的国际化开发和生产,为企业取得更大的效益服务。

 

4 结束语

中国的制造业必须积极地承接世界制造业的转移,力争更快地跨进制造强国的行列;为了承接世界制造业的转移,在保护知识产权的同时努力加强研发力量,努力提高创新能力,使中国制造业从中低端产品加工厂转变为世界制造业中心之一。那么依托强有力的CAD/CAM技术的支持,以工程项目带动科技进步,培养从设计、制造工艺到操作、管理的各类各级优秀人才,一定能使中国的制造业在21世纪之初,即实现工业化的过程中,再上一个新台阶,真正的成为世界制造业强国。

总之,我们还有很长的路要走,但是要时刻记住,开发CAD/CAM软件的最终目的是应用CAD/CAM技术,提高我国机械行业的设计和制造水平,所以,CAD/CAM软件不仅要水平高,有自己的特色,更要能够市场化,从市场中收回投入,从而能够根据机械行业用户的需求不断地更新发展软件。

参考文献:

[1] 吕志军,李 刚. CAD/CAM技术研究现状及发展趋势. 减速顶与调速技术.2002

[2] 王永虎.模具CAD/CAM平台的发展趋势及其二次开发的研究方向[J/OL].CAD世界,2005.2

[3] 刘晓冰,高天.CAD技术的发展趋势及主流软件产品.中国制造业信息化,2003,7

[4] 蒋金云. 国产CAD/CAM软件的应用现状及发展趋势. 科技资讯.2004

[5] 陈 营. CAD/CAM技术现状及发展趋势. 潍坊学院学报,2003

[6] 徐辉. 机械CAD/CAM技术应用研究.机械与电子.2007

[7] 陆云峰. 国内机械制造业中CAD/CAM技术的应用. 应用能源技术,2009

[8] 张涛依,张会玲. 我国机械CAD /CAM技术应用研究综述. 机械制造与研究.2007.8

[9] 高慧. CAD/CAM技术及应用对我国机械制造业的影响. 机械管理开发,2007.8

[10] 魏旭东. 机械CAD/CAM的发展趋势探究. 装备制造技术.2011

[11] 陈宏亮.我国CAD/CAM开发应用路在何方,2001.

[12] 匡继勇.企业CAD /CAM技术应用的一些思考[J].机械工程师, 2000, 12

[13] 李艳聪,等基于特征的CAD/CAPP/CAM集成方法的研究与应用[Jl.现代机械,2002

[14] Michael Campbell,CAD/CAM: Modellierungsstrategie vor dem Umstieg auf 3D-CAD-Technik prufen.Maschinenmarkt .2009

[15] Mark Simms, CAD/CAM software key to reducing production times: CAD/CAM software improves complex part programming at aerospace subcontractor.Industrial Technology.2009

[16]DIETMAR KUHN,CAD/CAM:Produktentwicklung und-herstellung wachsen durch      CAD-Integration zusammen.Maschinenmarkt,2007

(本文摘自百度文库,如有引用请注明出处)

 

 

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