1.5 CAD/CAM系统概况

CAD/CAM系统是以计算机硬件为基础，以系统软件和支撑软件为主体，以应用软件为核心组成的面向工程设计问题的信息处理系统，总体上是由硬件（Hardware）和软件（Software）所组成的。硬件是CAD系统的物质基础，软件是信息处理的载体。面对高速发展的计算机技术，CAD/CAM系统在理论方法、体系结构与实施技术上均在不断更新和发展。

1.5.1 CAD/CAM系统的硬件设备

硬件是指一切可以触摸到的物理设备。对于一个CAD/CAM系统来说，可以根据系统的应用范围和相应的软件规模，选用不同规模、不同结构、不同功能的计算机、外部设备及其生产加工设备，如图1.7所示。人们通常将用户进行CAD作业的独立硬件环境称为CAD工作站。CAD工作站除具有主机外，还配备了图形显示器、数字化仪、绘图机、打印机等交互式输入输出设备。

在CAD/CAM系统中，硬件应具有以下几项基本功能。

1．计算功能

CAD/CAM系统除了要进行各种数值的计算外，还要有较强的图形处理能力。图形处理过程中计算量大，计算精度要求高。这些数值计算及图形处理的计算功能是由计算机来实现的，所以CAD/CAM系统中的计算机应具有高速数值计算及图形处理能力。

2．存储功能

实现CAD/CAM的前提条件是把设计对象的几何信息和拓扑信息存入计算机内，并要求对这些信息进行实时处理。在计算机辅助机械设计中，当进行复杂的三维形体有限元分析时，计算精度要求较高，需要对有限元网格进行细化，这对存储空间的要求将很快地增加，所以CAD/CAM系统必须具有较大的存储量。

3．输入输出功能

在CAD/CAM工作过程中，要把有关的设计信息（几何信息、拓扑信息等）和各种命令输入计算机中。经过计算机的各种处理，当获得满意的设计结果时，就要根据设计要求输出设计结果，如绘出图样等。另外，在系统处理过程中，设计者可能随时需要了解中间结果，这时也需要输出计算数据等。总之，为方便用户使用，CAD/CAM系统应具有较好的输入输出功能。

4．交互功能

在CAD/CAM工作过程中，一般总要通过人机对话（即交互作用）进行各种操作，以实现修改、定值及拾取等活动来达到理想的设计要求。可以说，人机交互功能是CAD/CAM系统的一个主要特点。

1.5.2 CAD/CAM系统的软件体系结构

软件是用于求解某一问题并充分发挥计算机计算分析功能和交流通信功能的程序的总称。这些程序的运行不同于普通数学中的解题过程，它们的作用是利用计算机本身的逻辑功能，合理地组织整个解题流程，简化或者代替在各个环节中人所承担的工作，从而达到充分发挥机器效率，便于用户掌握计算机的目的。软件是整个计算机系统的“灵魂”。CAD/CAM系统的软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。

1．系统软件

系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装入与运行，它包括各类操作系统和语言编译系统。操作系统包括Windows、Linux、UNIX等。语言编译系统用于将高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令，目前CAD系统应用得最多的语言编译系统包括Visual Basic、Visual C/C++、Visual J++等。

2．支撑软件

支撑软件是为满足CAD/CAM工作中一些用户的共同需要而开发的通用软件。由于计算机应用领域迅速扩大，支撑软件的开发研制已有了很大的进展，商品化支撑软件层出不穷，通常可分为下列几类：

（1）计算机图形系统（Computer Graphics System）。它用来绘制或显示由直线、圆弧或曲线组成的二维、三维图形，如早期美国的PLOT-10等。后来该系统日趋向标准化方向发展，出现了如GKS、PHIGS和GL等系统，并发展成为计算机的系统软件。

（2）工程绘图系统（Drawing Systems）。它支持不同专业的应用图形软件开发，具有基本图形元素绘制（点、线、圆等）、图形变换（缩放、平衡、旋转等）、编辑（增、删、改等）、存储、显示控制以及人机交互、输入输出设备驱动等功能。目前，计算机上广泛应用的AutoCAD就属于这类支撑软件。

（3）几何建模软件（Geometry Modeling）。它为用户提供了一个完整、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、质量特性计算等功能。CAD/CAM中的几何建模软件有I-DEAS、Pro/E、UG等。

（4）有限元分析软件。它利用有限元法对产品或结构进行静态、动态、热特性分析，通常包括前置处理（单元自动剖分、显示有限元网格等）、计算分析及后置处理（将计算分析结果形象化为变形图、应力应变色彩浓淡图及应力曲线等）三个部分。目前世界上已投入使用的比较著名的商品化有限元分析程序有COSMOS、NASTRAN、ANSYS、ADAMS、SAP、MARC、PATRAN、ASKA、DYNA3D等。这些软件从集成性上可划分为集成型和独立型两大类。集成型主要是指CAE软件与CAD/CAM软件集成在一起，成为一个综合型的集设计、分析、制造于一体的CAD/CAE/CAM系统。目前市场上流行的CAD/CAM软件大都具有CAE功能，如SDRC公司的I-DEAS软件、EDS/Unigraphics公司的UG软件等。

（5）优化方法软件。这是将优化技术用于工程设计，综合多种优化计算方法，为求解数学模型提供强有力数学工具的软件，其目的为选择最优方案，取得最优解。

（6）数据库系统软件。CAD/CAM系统上几乎所有的应用都离不开数据，而提高CAD/CAM系统的集成化程度主要取决于数据库系统的水平，所以选择合适的数据库管理系统对CAD/CAM影响较大。目前比较流行的数据库管理系统有ORACLE、Sybase等。

（7）系统运动学/动力学模拟仿真软件。仿真技术是一种建立真实系统的计算机模型的技术。利用模型分析系统的行为而不建立实际系统，在产品设计时，实时、并行地模拟产品生产或各部分运行的全过程，以预测产品的性能、制造过程和可制造性。动力学模拟可以仿真分析机械系统在某一特定质量特性和力学特性作用下系统运动和力的动态特性，运动学模拟可根据系统的机械运动关系来仿真计算系统的运动特性。这类软件在CAD/CAM/CAE技术领域得到了广泛的应用，例如ADAMS机械系统动力学自动分析软件。

3．应用软件

用户利用计算机所提供的各种系统软件、支撑软件编制的解决用户各种实际问题的程序称为应用软件。目前，在模具设计、机械零件设计、机械传动设计、建筑设计、服装设计以及飞机和汽车的外形设计等领域都已开发出相应的应用软件，但都有一定的专用性。应用软件种类繁多，适用范围不尽相同，但可以逐步将它们标准化、模块化，形成解决各种典型问题的应用程序。开发应用软件是CAD工作者的一项重要工作。

1.5.3 常用CAD/CAM软件系统

目前，基于三维实体建模、参数化设计、特征造型等特性的CAD/CAM软件系统在国内已获得广泛的应用。常用的CAD/CAM系统主要是AutoCAD、Inventor、Solidworks、Solid Edge、Pro/E、UG等软件系统。常用的有限元分析和动力学仿真软件有NASTRAN、ANSYS、COSMOS、ABAQUS、ADAMS等。CAM软件中有代表性的是SurfCAM、SmartCAM、MasterCAD、WorkNC、Cimatron和DelCAM等。下面简单介绍一些常用的CAD/CAM系统功能。

1.Pro/E

Pro/E是美国参数技术公司（PTC）开发的CAD/CAM软件，在中国也有较多用户。它采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术，为三维实体造型提供了优良的平台。其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件。原始造型被修改后，具有自动更新的功能。其MOLDESIGN模块用于建立几何外形，产生模具的模芯和腔体，产生精加工零件和完善的模具装配文件。新近发布的20.0版本，提供最佳加工路径控制和智能化加工路径创建，允许NC编程人员控制整体的加工路径直到最细节的部分。该软件还支持高速加工和多轴加工，带有多种图形文件接口。

2.UG

UG（Unigrphics NX）是美国EDS公司发布的CAD/CAE/CAM一体化软件，采用Parasolid实体建模核心技术。UG可以运行于Windows NT平台，无论装配图还是零件图设计，都是从三维实体造型开始，可视化程度很高。三维实体生成后，可自动生成二维视图，如三视图、轴侧图、剖视图等。其三维CAD是参数化的，一个零件尺寸的修改可致使相关零件随之变化。该软件还具有人机交互方式下的有限元求解程序，可以进行应力、应变及位移分析。UG的CAM模块功能非常强大，它提供了一种产生精确刀具路径的方法。该模块允许用户通过观察刀具运动来图形化地编辑刀具轨迹，如延伸、修剪等，它所带的后置处理模块支持多种数控系统。UG具有多种图形文件接口，可用于复杂形体的造型设计，特别适合于大型企业和研究所使用，被广泛运用于汽车业、航空业、模具加工及设计业、医疗器材产业等。

3.CATIA

CATIA是达索公司开发的高档CAD/CAM软件。作为世界领先的CAD/CAM软件，CATIA可以帮助用户完成大到飞机、小到螺丝刀的设计与制造，它提供了完备的设计能力：从2D到3D到技术指标化建模。同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计、工程分析及仿真和加工等功能有机结合起来，为用户提供严密的无纸工作环境，从而达到缩短设计生产时间、提高加工质量及降低费用的目的。CATIA软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域内享有很高的声誉。CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。其特有的高次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，可满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。

4.SolidWorks

SolidWorks公司推出的基于Windows平台的微机三维设计软件SolidWorks使用了特征管理员（Feature Manager）等先进技术，是机械产品3D与2D设计的有效工具。同时，还可以组成一个以SolidWorks为核心的、完整的集成环境，实现动态模拟、结构分析、运动分析、数控加工和工程数据管理等功能。Cosmos/Works作为有限元分析，不仅能对单个机械零件进行结构分析，还可以直接对整个装配体进行分析。由于Cosmos/Works是在SolidWorks的环境下运行的，因此零部件之间的边界条件是由SolidWorks的装配关系自动确定的，无须手工加载。DesignWorks是专业化的运动学和动力学分析模块，它不仅能直接读取SolidWorks的装配关系，自动定义铰链，而且可以计算反力，并将反力自动加载到零部件上，对零部件进行结构分析。CAMWorks是世界上第一个基于特征和知识库的加工模块，它能在SolidWorks实体上直接提取加工特征，并调用知识库的加工特征，自动产生标准的加工工艺，实现实体切削过程模拟，最终生成机床加工指令。

5.SolidEdge

SolidEdge是采用Unigraphics Solutions的Parasolid造型内核作为软件核心，并基于Windows操作系统的微机平台参数化三维实体造型系统，具有零件、装配、工程图和钣金、塑料模具、铸造设计以及产品渲染、文本与管理的能力。SolidEdge的STREAM技术利用逻辑推理和决策概念来动态捕捉工程师的设计意图，提高了造型效率和易用性。与SolidEdge集成的PDM软件SmartTeam是由Smart Solutions公司以面向对象技术为基础开发的，具有设计版本、产品结构、产品流程、企业信息安全和多种文档浏览等功能。

6.Inventor

Inventor是美国AutoDesk公司的产品，该软件具有结合2D与3D设计、机电混合设计、工程导向设计、易学易用等特点。它不仅是一个功能强大的三维工具，而且是将设计与制造集成的有效手段。由于Inventor可以将现有的二维设计集成到三维设计环境中，因此可以方便地将二维设计的数据转成三维设计需要的数据。

7.MasterCAM

MasterCAM是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件，由美国CNC Software公司开发，V5.0以上运行于Windows或Windows NT。该软件三维造型功能稍差，但操作简便实用，容易学习。新的加工任选项使用户具有更大的灵活性，如提供多曲面径向切削和将刀具轨迹投影到数量不限的曲面上等功能。这个软件还包括新的C轴编程功能，可顺利地将铣削和车削结合。其他功能，如直径和端面切削、自动C轴横向钻孔、自动切削与刀具平面设定等，有助于零件的高效生产。其后处理程序支持铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工。另外，MasterCAM提供多种图形文件接口，如SAT、IGES、VDA、DXF、CADL以及STL等。该软件由于价格便宜，应用广泛，同时具有很强的CAM功能，因此成为现在应用最广的CAM应用软件。

8.SurfCAM

SurfCAM是美国加州Surfware公司开发的基于Windows的数控编程系统，附有全新透视图基底的自动化彩色编辑功能，可迅速而又简捷地将一个模型分解为型芯和型腔，从而节省复杂零件的编程时间。该软件的CAM功能具有自动化的恒定Z水平粗加工和精加工功能，可以使用圆头、球头和方头立铣刀在一系列Z水平面上对零件进行无撞伤的曲面切削。对某些作业来说，这种加工方法可以提高粗加工效率和减少精加工时间。另外，Surfware公司和SolidWorks公司签有合作协议，SolidWorks的设计部分将成为SurfCAM的设计前端，SurfCAM将直接挂在SolidWorks的菜单下，两者相辅相成。

9.EdgeCAM

EdgeCAM是英国PathTrace工程系统公司开发的一套智能数控编程系统，是在CAM领域里非常具有代表性的实体加工编程系统。EdgeCAM作为新一代的智能数控编程系统，可完全在Windows环境下开发，保留了Windows应用程序的全部特点和风格，无论是界面布局还是操作习惯，都非常容易为新手所接受。EdgeCAM软件的应用范围广泛，支持车、铣、车铣复合、线切割的编程操作。