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数字化设计制造CADCAECAMCAPP
数字化核心技术浅析
张琼宇
112020014
一、引言
20世纪中叶以来，微电子、自动化、计算机、通讯、网络、信息等科学技术的迅猛发展，掀起了以信息技术为核心的新浪潮。
与此同时，数字作为计算机技术的基础，其概念近年来得到了广泛的应用．出现了诸如数字城市、数字化生存等以数字为前缀的新概念和新思想．这些为数字及数字技术的拓展和应用开辟了新的广阔空间。
数字化技术是以计算机软硬件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存储、处理、控制、联网的集成技术“]，将数字化技术用于支持产品全生命周期的制造活动和企业的全局优化运作就是数字制造技术。
目前制造业面临三大突出问题的挑战，即网络化、知识化和服务化，以及由此而带来的复杂化，进而导致对制造系统中的组织结构和功能的非线性、时变性、突发性和不平衡性难以用传统的运行模式和控制策略来驾驭。
制造信息的表征．存储、处理、传递和加工的探刻变化，使制造业由传统的能量驱动型逐步转向为信息驱动型“数字化已逐渐成为制造业中产品全生命周期不可缺少的驱动因素，数字制造也就成为一种用以适应日益复杂的产品结构、日趋个性化、多样化的消费需求和日益形成的庞大制造网络而提出的全新制造模式，井很自然地成为未来制造业发展的重要特征。
二、数字化设计与制造的内涵与发展
数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计（CAD）、制造（CAM）、工艺设计（CAPP）、工程分析（CAE）、产品数据管理（PDM）等内容。
其数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。
它们之间的关系见图l所示。
由于通过CAM及其与CAD等集成技术与工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得到了解决，促使数字制造技术得以迅速发展，这些关键技术之间具体关系见图2所示
三、数字化设计与制造的核心技术
数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计与制造、多媒体和网络通讯等，是一项多学科的综合技术。
其核心技术主要有：
CAD,CAE,CAM,CAPP
3.1计算机辅助设计CAD技术（ComputerAidedDesign）
计算机辅助设计CAD作为信息化、数字化的源头，它包含的内容很多，如概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图等，主要完成产品的总体设计、部件设计和零件设计，包括产品的三维造型和二维产品图绘制。
CAD的支撑技术是曲面造型、实体造型、参数化设计、特征技术和变量参数技术。
3.1.1发展历程
20世纪60年代至70年代是CAD技术的开创时期，在当时，计算机图形显示设各和计算机图形学理论为这项工作的最初研究奠定了良好的基础。
1962年美国麻省理工学院林肯实验室的IvanSutherlalld开发了SKETCHPAD，并发表了题为“人机通信的图形系统”的博士论文，从此确立了交互式计算机图形学的研究地位，CAD技术也正是伴随着交互式计算机图形学而得以发展。
初期cAD技术的含义与功能仅仅是由计算机代替繁琐的手工绘图，且以二维绘图为主，仅有的几种三维CAD软件也只有线框造型功能。
在20世纪70年代至80年代，由于国际航天和汽车工业的蓬勃发展，遇到大量的自由曲面造型问题，因此自由曲面造型和实体造型技术获得了快速的发展，美国的Coons和法国的Bezier先后提出了新的曲面算法。
此时，研发了一批CAD／CAM软件系统应用于工业。
1977年法国达索飞机公司开发出具有代表性的三维曲面造型系统CATIA，为CAD带米了一次新的技术革命。
随之为了解决CAE问题，开发出采用基本体素和布尔运算来构造三维模型的实体造型软件。
1979年诞生了世界第一个完全摹于实体造型技术的软件I．DEAS。
20世纪80至90年代，微机系统的普及，参数化技术和特征造型技术的发艘，使得CAD技术又产生了一次飞跃。
如1982年美国Autodesk公司展示了全球第一个基于PC的CAD软件．AutoCAD，．oj此同时，有很多人提出基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化设计方案，1985年美同成立了PTC公司，研制了参数化设计软件．Pr0／Engineer，率先提出并实现了尺寸驱动零件设计修改的设计思想。
90年代中期，SolidWbrks公司发布了SolidWorks软件；Latergl发布了SolidEdge软件，成为微机系统的参数化特征造型的后起之秀。
90年代至今，计算机软硬件技术的急剧变化，尤其是计算能力的大幅度提高，对CAD技术产生了巨大的影响，慕于特征和基于历史的三维参数化设计系统的快速推出；相关联的并行设计软件得到空前发展。
提供对复杂产品全生命周期的解决方案，包括制造企业所用的三维CAD、CAM、PDM、CAE和数字化制造等模块。
图3.1CAD在设计中的应用
3.1.2进展情况
（1）从二维绘图到三维设计
早期的CAD只支持二维绘图，进入90年代以来，三维绘图得以快速发展，并且在工程设计中得到了很好的应用。
应该看到，二维绘图是基础，而利用三维CAD系统进行直接设计乃是当前和今后设计的新理念和发展方向。
如在现有的软件支持下，直接以三维概念开始设计，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，它包括从接受产品的功能定义开始到完成产品的材料信息、结构形状和技术要求等。
（2）造型功能增强
①在产品造型技术方面，綦于特征造型技术、幕于历史的造型和参数化造型技术已在当今的CAD系统中得到了普遍的应用，但对于复杂的曲面设计的有效性仍存在许多问题川。
②当前的大部分CAD系统主要以详细设计为主，还不能支持概念设计和早期设计。
这就要求未来的CAD系统应该向伞设计过程扩展，全面支持概念设计和详细设计。
③对于CAD系统水说，有效地实现大型复杂产品CAD模型的快速绘制和装配一直是一个亟待解决的问题。
现有的办法是采用模型的轻量级加载或采用了装配体的压缩。
④除了机械CAD之外，几何造型技术还可以扩展到更多的新的应用领域，如生物医学、农业工程、地理信息、人体造型与服装设计等。
（3）CAD产品数据的交换与共享
近年来，一种高层的异地、分布式、具有协作性的产品设计开发方式正在兴起，并得到快速发展产品数据交换与共享则是这一方式顺利进行的重要保证。
因此，研究人员已经在此方面做了很多努力，来探索更有效的数据交换方法，目前已有几种解决方案，但都各有优缺点，尚需继续研究。
（4）网络化协同设计
网络化协同设计是当前国内外的研究热点，互联网为CAD提供了一个纵横的设计人员实时、异地交流的新的设计方向。
目前，各著名的CAD公司已经开发了基于网络的CAD产品模块。
例如：
UG的图文浏览器Visview、网上数据管理ISNetwork：
CATIA的CATWEB。
但就此项技术来说，在国内外均处于起步阶段，许多技问题有待于迸一步研究解决。
3.1.3CAD设计的优点
（1）零件设计更加方便
使用三维CAD系统，可以装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，避免了单独设计零件导致装配的失败。
资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使人一目了然
（2）装配零件更加直观
在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确
即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚地看到内部的装配结构。
整个机器装配模型后完成还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
（3）缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术，机械设计时间缩短了近1／3，大幅度地提高了设计和生产效率。
在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3—5倍。
同时，三维CAD系统具有高度变形设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。
2．4提高机械产品的技术含量和质量由于机械产品与信息技术相融合，同时采用CADCIMS组织生产，机械产品设计有了新发展。
三维CAD技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等，保证了产品的设计质量。
同时，大型企业数控加工手段完善，再采用CAD／CAPP／CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。
3.2计算机辅助工程CAE技术（ComputerAidedEngineering）
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和可靠性。
3.2.1CAE的发展历程
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机科学和技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型的信息产品。
CAE的理论基础起源20世纪:
40年代，数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解T.Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，迅速展起来。
而实用的CAE软件诞生于上世纪70年代初期，70-80年代是CAE技术蓬勃发展的时期，其功能和算法也得到了进一步扩充和完善，到上世纪民80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件，到80年代后期国际上已经有了功能相对比较完善的NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,DYN-3D,ASKA,MODULEF,FASTRAN等十多种名的CAE软件，而国内也拥有了JIFEX,FEM,FEPS等CAE软件。
上世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。
而最近15年CAE的发展，不仅是扩充了软件的功能、性能，更重要的是扩充了用户界面，前后处理能力，对数据管理和图形部分，进行了重大的改造，新增的软件成分大都采用了面向对象的软件技术和C++语言。
3.2.2CAE系统的主要功能
CAE系统是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造在内的计算机辅助设计和生产的综合系统。
通常，为了在计算机中分析和模拟一个产品，首先必须建立产品模型，有了产品模型以后，我们可以运用CAE的分析方法（有限元法或模态分析法），来分析产品在工作环境中的受力变形、振动及运动的情况，以便评定产品是否满足设计要求。
CAE系统可以采用参数优化方法进行方案优选，使方案设计考虑的因素更为精细、全面和合理。
CAE系统也可以对运动的机构进行动态分析，并可画出机构运动的动画，以便检查机构的运动轨迹，校核运动件的干涉情况，还可计算出各构件的运动速度、速度和受力的大小。
CAE系统还可以对金属切削加工、铸造、焊接、成型、试验、装配和物料流动等各种工艺过程进行仿真，除了对产品加工质量进行预测之外还可以深入研究这些工艺过程的机理和规律。
CAE技术的应用范围很广，发展也相当快，总之，当前CAE技术的功能主要体现在产品的建模、工程分析、模拟仿真和优化设计等几个方面。
3.2.3CAE技术在汽车产品开发中的应用
CAE的应用，极大地促进了汽车技术的进步和发展。
如果说CAD是在帮助工程师创造更丰富、更优美、更实用的几何实体设计，那么CAE则是在保证产品设计的质量、寿命、性能、成本等方面发挥着重要作用。
CAE技术在汽车产品开发中效果突出，其分析方法的准确性和精确性已得到普遍认可，几年前“要求对分析结果进行试验验证”的说法现在已经很少见，因为几乎所有的中国汽车企业都采用了CAE技术。
在汽车产品开发中，如果我们只依靠总设计师的“经验”和样车，那么确定诸如行驶性、操纵稳定性、振动、噪声和舒适性等这些整车参数必然不是科学先进和客观可靠的，而如果等到产品设计完成后，才发现这些性能达不到要求，则需要投入大量的人力和物力，而且会延误开发周期，坐失市场商机。
而如果我们运用CAE仿真技术，对“原型车”和开发车系统进行仿真，可以在概念设计阶段就精确地预测和控制零部件乃至整车的性能和结构可靠性，从而在开发初期就能使未来产品性能和结构指标得到保证。
其中VPG（VirtualProvingGround）虚拟试验场软件，是专门针对整车分析而开发的CAE仿真环境，可以进行整车的防撞性、安全性和耐久性分析设置，以及可以仿真测试整车系统在道路条件下的疲劳寿命，并对仿真碰撞中的汽车驾乘人员保护进行评价。
很显然，CAE技术的采用可以节约大量成本和时间，其技术经济意义是特别重大的。
据有关统计数据表明应用-./技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从80%-90%下降到8%-12%。
例如福特汽车2000年计算机应用项目的成果是：
新车型开发周期从36月降低12-18个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。
可以说在汽车发展历史上，没有什么技术能与CAE技术相比，产生如此巨大的回报。
图3.2CAE在汽车开发中的应用
3.2.4发展趋势
随着计算机技术的快速发展，无论在性能、功能软、硬件技术等方面CAE技术也得到极大的发展，并呈现出如下发展趋势。
（1）CAE软件进一步向专业用方向发展。
更多的CAE用户开始在通用软件平台上开发专业化应用软件，建立了企业级的CAE分析技术标准化软件，简化分析方法，提高-./应用效益，以此来建立和提升企业开发和研制的能力。
（2）CAE功能进一步扩充。
将实现多结构耦合分析，多物理场耦合分析，多尺度耦合分析，以及结构，构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真等功能。
（3）基于互联网的集成化与支持协同工作的CAE系统的出现，将实现基于Internet的CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP的集成化、网络化和智能化。
（4）新一代的CAE系统将能够解算上千万阶方程组，CAE软件的三维实体建模，复杂的静态、动态物理场的虚拟现实技术将会有很大发展，能够实现对复杂工程、产品的实时和真三维仿真。
（5）基于Internet/Gridcomputing的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库将会出现在新一代的CAE软件中。
（6）用户界面将实现多媒体、智能化、网络化的统一。
随着计算机图形技术正在迅猛发展，多媒体技术一定会使来CAE软件的用户界面具有更强的直观、直感和直觉性，给用户带来耳目一新的感觉。
3.3计算机辅助制造CAM技术（ComputerAidedManufacturing）
计算机辅助制造CAM是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，完成复杂零件的数控加工包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。
CAM的支撑技术是数控编程、刀具轨迹生成、数控加工仿真技术。
3.3.1CAM的发展过程
CAM技术发展至今，无论在软、硬件平台、系统结构、功能特点上都发生了变化。
当今流行的CAM系统在功能上也存在着巨大的差异。
就其具有决定意义的基本处理方式与目标对象上看，主要有两个主要发展阶段，或者说是两代产品。
（1）第一代CAM：
APT。
20世纪60年代在专业系统上开发的编程机及部分编程软件如FANUC、Siemens编程机，系统结构为专机形式，基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路，编程目标与对象也都直接是数控刀路。
特点是功能差，操作困难，专机专用。
（2）第二代CAM：
曲面CAM系统。
系统结构一般是CAD/CAM混合系统，较好地利用了CAD模型，以几何信息作为最终的结果，自动生成加工刀路，自动化、智能化程度得到了大幅度提高，具有代表性的是美国的UG、加拿大的Cimatron、美国的MarsterCAM、法国的CATIA、北京北航的CAXA等。
其基本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。
虽然第二代CAM系统以CAD模型为编程的目标对象，自动生成刀路轨迹，使系统的自动化、智能化水平得到了大幅
度提高，系统的操作也更符合工程化概念。
但是，也正基于第二代CAM系统以CAD模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式，使CAM系统的智能化、自动化水平要更进一步发展受到了限制。
只有突破当今的固有模式，发展新一代的CAM系统：
即面向模型、面向工艺特征的CAM系统，才能够将CAM的自动化、智能化水平提高到一个新的高度。
3.3.2CAM的发展现状
CAM作为应用性、实践性极强的专业技术，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。
分析总结当今CAM的应用现状及与生产实际要求间的差距、CAM应用在生产组织与管理上的问题、新工艺新技术对CAM的特殊需要等，有助于更好地了解今后CAM的发展趋势。
因为实际应用的实践性强，专业化分工明确，就总体而言，CAM的专业化水平高于CAD。
纵观当今占主导地位的CAM系统，无论其界面好坏、功能强弱，都存在着共同的缺陷：
CAD/CAM混合化的系统结构体系。
CAD功能与CAM功能交叉使用，不是面向整体模型的编程形式，工艺特征需由人工提取，或需进一步CAD处理产生。
该结构体系的形成是历史的产物。
多年前，集成系统特别是网络化集成的观念还没有成为系统开发的主体思想，模型的建立与编程在同一地点由同一个操作者完成。
由此会造成如下的问题：
（1）不适应当今集成化的要求。
现代生产企业要求网络集成系统的模块分布、功能侧重必须与企业的组织形式、生产布局相匹配。
系统混合化不等于集成化，更不利于网络集成化的实现。
（2）不适合现代企业专业化分工的要求。
混合化系统无法实现设计与加工在管理上的分工，增加了生产管理与分工的难度，也极大地阻碍了智能化、自动化水平的提高。
另外，混合化系统要求操作者在CAD与CAM两个方面都要有深厚的背景与经验，才能很好地完成工作，增加了学习掌握与使用系统的难度。
一般需1～3年的实践才能成为称职的CAM操作人员，对企业人才的管理造成了极大的负面影响。
（3）没有给CAPP的发展留下空间与可能。
众所周知，CAPP是CAD/CAM一体化集成的桥梁，CAD/CAPP/CAM混合化体系决定了永远不可能实现CAM的智能化与自动化。
因为生产工艺的标准化程度低，受到生产设备、刀具、管理等因素的影响，至今也还没有一个成熟的、以创成法或派生法为推理机制的商品化的CAPP系统。
但随着企业CAD、CAM等技术的成功应用，工艺库、知识库的完善，将来CAPP也会有相应的发展。
逐步实现CAD-CAPP-CAM按科学意义上的一体化集成。
而混合化的系统从结构上为今后的发展留下了不可弥补的隐患。
3.3.3国内流行的软件
（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（CAxAIMD）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）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软件发出强有力的挑战。
总起来说，以上各种软件各有优点和不足之处。
3.4计算机辅助工艺设计CAPP技术（ComputerAidedProcessPlanning）
CAPP是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（图形）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。
CAPP从根本上改变了依赖于个人经验，人工编制工艺规程的落后面貌，促进了工艺过程标准化和最优化，提高了工艺设计质量。
它使工艺人员从繁琐重复的计算编写工作中解放出来，极大地提高了工作效率。
CAPP的支撑技术是信息建模技术、工艺设计自动化和产品数据交换标准。
3.4.1CAPP技术研究现状分析
从20世纪80年代以来，国内外在CAPP技术的研究与系统的开发上已投入大量的资金与力量，在智能化决策及与其它应用系统的集成化方面提出了许多技术方案，并已开发出为数众多的CAPP系统。
主要技术研究成果集中在零件信息描述、工程知识处理、工艺决策专家系统、CAD／CAPP／CAM集成等方面。
在所开发的CAPP系统中，有些系统已得到实际应用，少数已商品化。
但总的来看，在商品化软件出现以前，CAPP的研究开发方向存在与实际应用严重脱节的偏差。
主要是应用范围划得过窄、决策技术目标定得过高、工艺信息及文件管理没有考虑、软件的工程化／商品化重视不够，导致大多数软件实用水平很差，或者很难扩大应用范围，同CAD、CAM、MIS、PDM等相关计算机辅助技术相比，在应用范围和水平上差距相当大。
从1995年前后，CAPP的实用化问题引起研究者和企业技术工作者的重视，以实现工艺设计的计算机化为目标或强调CAPP应用中计算机的辅助作用的实用化CAPP系统成为新的主题。
许多企业应用了基于Office或CAD等通用软件开发工艺卡片填写系统。
在这些系统中，很多只是基于简单模板的计算机出卡片，仅取得了一定的应用效果，但也有不少是企业在工艺标准化、规范化的基础上花费大量人力、物力所开发出来的，且取得的很好的应用效果。
许多企业应用了基于Office或CAD等通用软件开发工艺卡片填写系统。
在这些系统中，很多只是基于简单模板的计算机出卡片，仅取得了一定的应用效果，但也有不少是企业在工艺标准化、规范化的基础上花费大量人力、物力所开发出来的，且取得的很好的应用效果。
1997年以来，国内推出了几个商品化CAPP系统，其中许多是基于AutoCAD和其它一些图形系统的工艺卡片填写工具系统。
这类系统片面强调工设计的“所见即所得”，完全以文档为核心，忽视企业信息化中产品工艺数据的重要性，存在难以保证产品工艺数据准确性、一致性和进行工艺信息集成的致命问题。
这类系统基本为文件形式进行管理，有些虽然宣称以数据库管理，事实上是基于文件封装概念的管理，产品工艺数据的准确性、一致性和工艺信息集成等问题仍无法解决。
也有一些CAPP系统从信息系统开发角度，分析产品工艺文件中所涉及的数据／信息，建立结构化的数据模型，并以模型驱动进行工艺设计，并实现了模型驱动下的“所见即所得”工艺设计界面，为工艺信息的可靠、有效集成和CAPP的深入应用奠定了良好的基础。
这类的CAPP系统采用结构化数据，工艺管理易于实现，能够保证产品工艺数据准确性、一致性和进行工艺信息集成，实现了工艺设计与工艺管理一体化、工艺信息的数字化和集成化，体现了企业信息化技术及现代先进制思想，是当前CAPP发展和应用的主流。
企业对CAPP的应用越来越重视，目前很多企业都在不同程度上应用了CAPP技术，对CAPP提出了更多需求，将大大推动CAPP技术研究及工程化
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