計算機輔助設計與制造

計算機輔助設計，它是Computer Aided Design的縮寫，也就是利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作，簡稱CAD。

它的普及及應用将是産品設計制造生産的傳統模式發生深刻的變化，從而帶動制造業技術的快速發展，也是當前國際科技領域的前沿課題。CAD技術作為傑出的工程技術成就，已廣泛地應用于工程設計的各個領域。CAD系統的發展和應用使傳統的産品設計方法與生産模式發生了深刻的變化，産生了巨大的社會經濟效益。目前CAD技術研究熱點有計算機輔助概念設計、計算機支持的協同設計、海量信息存儲、管理及檢索、設計法研究及其相關問題、支持創新設計等。CAD技術也是一項綜合性的、正在迅速發展和應用的高新技術，已經成為企業提高創新能力，提高産品開發能力，增強企業競争力的一項關鍵技術。

計算機輔助設計（CAD）

CAD技術一直處于不斷發展與探索之中。 應用 CAD技術起到了提高企業設計效率、優化設計方案、減輕技術人員的勞動強度、縮短設計周期、加強設計标準化等作用。 越來越多的人認識到 CAD是一種巨大的生産力。 CAD技術已經廣泛地應用在機械、電子、航天、化工、建築等行業。并行設計、協同設計、智能設計、虛拟設計、敏捷設計、全生命周期設計等設計方法代表了現代産品設計模式的發展方向。 随着人工智能、多媒體、虛拟現實、信息等技術的進一步發展， CAD技術必然朝着集成化、智能化、協同化的方向發展。企業 CAD和CIMS技術必須走一條以電子商務為目标、循序漸進的道路。

計算機輔助制造，它是Computer Aided Manufacturing的縮寫， 是指在機械制造業中，利用電子數字計算機通過各種數值控制機床和設備，自動完成離散産品的加工、裝配 、檢測和包裝等制造過程，簡稱CAM。

計算機輔助制造（CAM）

除CAM的狹義定義外，國際計算機輔助制造組織（CAM-1 ) 關于計算機輔助制造有一個廣義的定義：“通過直接的或間接的計算機與企業的物質資源或人力資源的聯接界面，把計算機技術有效地應用于企業的管理、控制和加工操作。”按照這一定義，計算機輔助制造包括企業生産信息管理、計算機輔助設計（CAD ) 和計算機輔助生産、制造3部分。計算機輔助生産 、制造又包括連續生産過程控制和離散零件自動制造兩種計算機控制方式。這種廣義的計算機輔助制造系統又稱為整體制造系統（IMS）。采用計算機輔助制造零件、部件，可改善對産品設計和品種多變的适應能力，提高加工速度和生産自動化水平，縮短加工準備時間，降低生産成本，提高産品質量和批量生産的勞動生産率。

計算機輔助設計與制造的發展曆程

CAD(Computer Aided Design，計算機輔助設計）誕生于二十世紀60年代，是美國麻省理工學院提出的交互式圖形學的研究計劃，由于當時硬件設施昂貴，隻有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發的交互式繪圖系統。

二十世紀70年代，小型計算機費用下降，美國工業界才開始廣泛使用交互式繪圖系統。

二十世紀80年代，由于PC機的應用，CAD（計算機輔助設計）得以迅速發展，出現了專門從事CAD系統開發的公司。

CAD系統

中國CAD技術起源于國外CAD平台技術基礎上的二次開發，随着中國企業對CAD應用需求的提升，國内衆多CAD技術開發商紛紛通過開發基于國外平台軟件的二次開發産品讓國内企業真正普及了CAD，并逐漸湧現出一批真正優秀的CAD開發商。

在二次開發的基礎上，部分頂尖的國内CAD開發商也逐漸探索出适合中國發展和需求模式的CAD，更加符合國内企業使用的CAD産品，他們的目的是開發最好的CAD，甚至是為全球提供最優的CAD技術。

在CAD設計中，最常打交道的就是圖紙了，圖紙是否能夠快速、準确的顯示對于CAD軟件的用戶體驗有着極其重大的影響。

至2014年國産CAD憑借各自對用戶的理解，逐步開發出CAD設計中比較實用的創新功能，比如智能鼠标手勢，設計師再也不用擔心忘記操作命令，可簡單快捷通過鼠标手勢就可以輕松調用所需命令，而且命令菜單還可以根據每個人的操作習慣進行自定義，非常方便。

CAM( Computer Aided Manufacturing ) 的核心是計算機數值控制(簡稱數控)，是将計算機應用于制造生産過程的過程或系統。1952年美國麻省理工學院首先研制成數控銑床。數控的特征是由編碼在穿孔紙帶上的程序指令來控制機床。此後發展了一系列的數控機床，包括稱為“加工中心”的多功能機床，能從刀庫中自動換刀和自動轉換工作位置，能連續完成銑、鑽、鉸、攻絲等多道工序，這些都是通過程序指令控制運作的，隻要改變程序指令就可改變加工過程，數控的這種加工靈活性稱之為“柔性”。加工程序的編制不但需要相當多的人工，而且容易出錯，最早的CAM便是計算機輔助加工零件編程工作。

CAM系統一般具有數據轉換和過程自動化兩方面的功能。CAM所涉及的範圍，包括計算機數控，計算機輔助過程設計。

數控除了在機床應用以外，還廣泛地用于其它各種設備的控制，如沖壓機、火焰或等離子弧切割、激光束加工、自動繪圖儀、焊接機、裝配機、檢查機、自動編織機、電腦繡花和服裝裁剪等，成為各個相應行業CAM的基礎。

計算機輔助設計的應用領域

CAD有着廣泛的應用領域，在全球500強企業中有90%的企業均使用它來做輔助設計，在世界上其已成為衡量一個國家科技現代化和工業化現代化的重要标志之一。

新型人才特點

它廣泛應用于：

• 機械、建築（如施工圖）、電子、冶金、化工等設計制圖
• 城市規劃設計
• 室内設計與室内裝潢設計
• 航空、航海圖
• 服裝設計與裁剪
• 印刷排版

CAM已廣泛應用于飛機、汽車、機械制造業、家用電器和電子産品制造業。

CAM的應用領域包括：

1.機械産品的零件加工

① 機械産品的零件加工（切削、沖壓、鑄造、焊接、測量等）、部件組裝、整機裝配、驗收 、包裝入庫 、自動倉庫控制和管理。 在金屬切削加工中，計算機内預先建立有基本切削條件方程， 根據測量系統測得的參數和機床工作狀況，調整進給率、切削力、切削速度、切削操作順序和冷卻液流量，在保證零件 表面光潔度和加工精度的條件下，使加工效率、刀具磨損和能源消耗達到最優。

2.電子産品的元件器件老煉

②電子産品的元件器件老煉、測試、篩 選，元件器件自動插入印制電路闆，波峰焊接，裝置闆、機箱布線的自動繞接，部件、整件和整機的自動測試。

3.各種機電産品的成品檢驗、質量控制

③各種機電産品的成品檢驗、質量控制，能完成人工方法不能完成的複雜産品（如飛機發動機、超大規模集成電路、電子計算機等）的大量測試工作。

計算機輔助設計與制造的優勢

CAD、CAM技術是改造傳統模具生産方式的關鍵技術，是一項高科技、高效益的系統工程。它是基于計算機件的形式，為用戶提供一種有效的輔助工具，使工程技術人員能借助計算機對産品、模具結構、成型工藝、數控加工及成本進行設計和優化。模具CAD、CAM的技術之所以發展迅速、應用廣泛，深受廣大設計人員的歡迎，其主要具有以下幾方面的優勢：

1.提高模具制造的綜合質量

CAD、CAM系統中，制造所需要數據直接取自系統數據庫，并經系統内部直接傳送，速度快、錯誤少。模具制造廣泛采用數控機床，精度高、自動化程度高，通過采用CAD、CAM技術生産的模具，精度和尺寸協調一緻性得到進一步提高，從而進一步保證模具質量。

2.節省設計時間、縮短生産周期、提高生産勞動率。

模具産品更新頻繁的形勢下，生産周期成為産品生存的唯一重要條件。采用CAD、CAM技術可以大大縮短模具設計制造周期，使其周期精确到小時和分鐘來計算。

3.有利于實現設計方案的優化。

提高模具設計水平是提高模具質量的重要環節，采用CAD、CAM技術可以通過計算機檢索來繼承前人的經驗積累，采用一系列的優化設計程序，通過人機交互，反複修改，發揮出設計者最大的才智，并利用計算機模拟成型，增大設計可靠性。

4.有利于提高産品的标準化。

5.有利于發揮設計人員的創造性。

計算機輔助設計與制造的發展趨勢

目前，随着全球創新技術能力的提高和網絡計算環境的普及，針對高質量産品及高生産效率的市場需求，最大限度地提高模具制造業的應變能力，滿足用戶需求，計算機輔助設計與制造技術的發展總體上朝着集成化、網絡化、标準化、專業化、開放性、虛拟化、專業化和智能化方向發展。

（1）集成化

利用CAD軟件設計的飛機模型

為适應設計與制造自動化的要求，特别是适應CIMS（Computer Integrated Manufacturing System，計算機集成制造系統）的要求，進一步提高CAD的集成化水平是CAD技術發展的一個重要方向。

集成化形式之一是CAD/CAM集成系統。該系統可進行運動學和動力學分析、零部件的結構設計和強度設計、自動生成工程圖紙文件、自動生成數控加工所需數據或編碼（用以控制數控機床進行加工制造，即可實現所謂的“無圖紙生産”）。CAD/CAM進一步集成是将CAD、CAM、CAPP、NCP、CAT、PDM（産品數據管理）集成為CAE，使設計、制造、工藝、數控編程、數據管理和測試工作一體化。

（2）智能化

傳統的CAD技術在工程設計中主要用于計算分析和圖形處理等方面，對于概念設計、評價、決策及參數選擇等問題的處理卻頗為困難，因為這些問題的解決需要專家的經驗和創造性思維。因此将人工智能的原理和方法，特别是專家系統的技術，與傳統CAD技術結合起來，從而形成智能化CAD系統，是工程CAD發展的必然趨勢。

ICAD（Intelligent CAD，智能CAD）的研究與應用要解決以下3個基本問題：

設計知識模型的表示與建模方法：解決如何從需求出發，建立知識模型，進行邏輯計算機輔助設計與制造，并在計算機上實現等問題。

知識利用：在知識利用方面，要研究各種推理機制，也即要研究各種搜索方法、約束滿足方法、基于規則的推理方法、框架推理方法、基于實例的推理方法等。

CAD的體系結構：研究ICAD的體系結構，使之更好地體現ICAD的基本思想與特點，如集成的思想、多智能體協同工作的思想等。

計算機輔助軟件進行的造型設計

（3）标準化

在CAD技術不斷發展的過程中，工業标準化問題越來越顯示出其重要性。迄今已制定了許多标準，如計算機圖形接口标準CGI（Computer Graphics Interface）、計算機圖形元文件标準（Computer Graphics Metafile）、計算機圖形核心系統标準GKS（Graphics Kernel System）、程序員層次交互式圖形系統标準PHIGS（Programmer’s Hierarchical Interactive Graphics Standard）、基于圖形轉換規範标準IGES（Initial Graphics Exchange Specification）和産品數據交換标準STEP（Standard for The Exchange of Product model data）等。随着技術的進步和功能的需要，新标準還會不斷地推出

（4）網絡化

在科學技術和經濟水平快速發展的時代，不斷出現超大型項目和跨國界項目，這些項目的一個突出特點是參與工作的人員衆多，且地理分布較廣泛。而項目本身就要求各類型的工作人員緊密合作。如汽車新車型的設計，就需要功能設計師、制造工藝師、安全設計師等多學科專家的共同工作。為了解決這個矛盾，出現了計算機支持協同工作CSCW（Computer Supported Collaborative Work）這一新型研究領域。

CSCW組織架構

CSCW是1984年由Iren Grief和Paul Cashman 首次提出的，一般認為是指一個工作群體中的人員在計算機的幫助下，得到一個虛拟的共享環境，協同工作，快速高效地完成一個共同的任務。現代設計強調協同設計，從CSCW應用的角度出發，協同設計是指在計算機的支持下，各成員圍繞一個設計項目，承擔相應部分的設計任務，并行交互地進行設計工作，最終得到滿足要求的設計結果的設計方法。顯然，協同設計可以大大提高設計質量和進度，增強産品的市場競争能力。協同設計需要多學科專家的協同工作，而實現這一協作的基礎就是計算機網絡和多媒體技術。通過計算機網絡，設計成員可以在設計過程中方便地進行信息交流。

經過這幾十年的發展,我國模具CAD/CAM有了長足的發展,模具CAD/CAM技術已經被廣泛應用于我國企業。我國研制模具CAD/CAM軟件的開發水平也逐漸接近國外先進水平。在政府的大力支持下先後出現了一批先進的模具CAD/CAM示範企業,高校和企業也培養了一大批模具CAD/CAM軟件開發及應用人才。但總的來說,我國目前模具CAD/CAM軟件不管是從産品開發水平還是從商品化、市場化程度都與發達國家有不小的差距。

模具CAD/CAM技術水平還處于向高技術集成和向産業化商品化過渡的時期,研制的軟件在可靠性和穩定性方面與國外工業發達國家的軟件尚有一些差距,還沒有針對性的軟件,使用一般都是通用性軟件。但是我們不但要看清我們的劣勢,也要看到我們的優勢。與國外軟件相比我們的優勢是:了解本國市場,便于提供技術支持,相對價格便宜等。另外,我們有政府的大力支持,各大高校也為CAD軟件的開發培養了大批的人才。在這些前提下,我國模具CAD/CAM産業不僅要緊跟時代潮流,跟蹤國際最新動态,遵守各種國際規範,形成自己獨特的優勢,更要立足國内,結合國情,面向國内經濟建設的需要,開發出有自己特色,符合中國人習慣的CAD/CAM軟件。

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