cad／cam软件技术的现状与发展趋势

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CAD／CAM软件技术的现状与发展趋势鬻黧鑫辫lc【一工CAD/CAM软件技术的陈宏亮弋f)]2摘要谊文介绍CAD/CAM软件技术自60年代产生以来,已烃发展到了第三代.文章从评述CAD/CAM软件技术的现状入手,分析了CAD/CAM软件三代木皖的特点和傲机CAD/CAM软件技术的发展}指出了以主棰型技术,并行工程技采,_瞌柑产品研完为方向的未来cAD,cAM软件技术的发展趋势谊文还对代表第三代CAD/CAM软件技术发展水平的Pro/E,~incer进行了着重的介绍.关麓字CAD/CAM集成主模型并行工程虚拟产品一,CAD/cAM软件技术的现状随着计算机技术的发展和应用要求的不断提高,CAD/CAM技术也在不断地发展,传统的cAD/cAM软件产品受到挑战,新一代的CAD/CAM软件产品进入了市场.市场的激烈竞争,促使CAD/CAM软件商不断研究新的技术,开发新的CAD/CAM软件产品.参与市场的竞争1.cAD/cAM软件技术已进人第三代CAD/CAM软件从6o年代出现到9O年代在工业领域中广泛应用,其发展过程已经历了三代.(1)第一代c仰/cAM软件系境 第一代CAD/CAM软件系统开发于60年代.这一代系统将原来手工设计和绘图的工作用计算机进行,主要是解决二维绘图同腰.它的出现和应用把绘图人员从绘图板上解放出来+把更多的精力投入产品设计和开发工作中.(2)第二代c^D/CAM软件系统第二代cAD/cAM软件系统开发于7O年代.这一代系统是二,三维绘图系统和数控加工及壤框,曲面,实体建横,有限元分析模型等的多数据库系统.三维建模为概念设计工程师提供了快速精确进行产品造型的方法}有限元模型的出现为分析工程师提供了有救的有限元分析工具}数控嫡程软件为制造工程师提供了在数控机床上加工高精度复杂零件的手段.第二代CAD/CAM软件系统在功能上比第一代CAD/CAM软件系统增强了很多.市场上出现了很多有名的CAD/CAM软件产品,并得到了广泛应用.如cADDS,VGI,I-DEAS,CATIA,BraVO,Euclid—IS等等.在此期间.对数据管理也进行了研究,开发了工程数据库管理系统(EDBMS),但是其应用还不够理想.多数篓'升jl硅?善一1994.~10的CAD/CAM软件系统仍是将图形文件管理和一般通用数据库管理系统(如RDB,Oracle)通过软件接口连接起来实现所谓的集成管理.这一代CAD/CAM软件系统是一十分离的数据结构与多十数据库的集合,其产品设计过程仍是传统的J瞳序设计过程(从设计到加工按顺序进行),被称为传统的CAD/cAM软件系统.第二代CAD/CAM软件系统主要存在韵问题是:系统投有真正实现集成,信息获取受到限制,系统修改困难,学习和使用不易. (3)第三代CAD/CAM软件兢针对第=代CAD/CAM软件系统存在的问题.8O年代中后期,人们对CAD/CAM软件技术的研究有了突破性的进展,开发出第三代CAD/CAM软件系统.第三代CAD/CAM软件系统使用单一的数据结构和唯一的公用数据库把系统集成起来,允许工程师在一十数据结}暂上动态地与其它不同部门的工程师进行通信,为并行工程打下了基础.使用第三代CAD/CAM系统,概念设计工程师可以同时与机械制造工程师进行通信,可准确地找到所设计的内容是否可接受.更重要的是工程师在一个模型上工作可以代替许多不同的模型(有限元模型,二维模型,线框模型,曲面模型等).这种方法确保了从设计到制造的垒过程的设计完整性,并且工作是同时(并行)完成的,从而取代了传统的腰序过程.这样,产品可快速产生.降低了成本,缩短了开发周期,优化了产品质量,为制造者在短时间内从事大型复杂和高性能产品的开发提供了方便.第三代CAD/CAM软件系统的特点是非常明显的在生成复杂的,反复设计的过程中可获得广泛的各种所需的信息}提供自然,直观的用户接口I为文档和制遣生成完整的工程输出I为要求的设计和制造需要生成精确的几何描述}提供自动传输改变,在整十设计周期I9件漫中保证设计和完整输出全过程的不同模型之间的全关联.(4)第三代C~/CAM软件——Pro/Engineer在国际市场上首先推出第三代CAD/CAM软件产 品的是美国PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司.PTC的Pro偃ngineer是第一十第三代CAD/CAM软件产品.它一面世就受到业界的广瑟重槐,向传统的CAD/CAM系统发起了挑战.此后,许多有名的CAD/CAM软件系统公司也纷纷改进自己原有的CAD/CAM软件幕统,争相推出新一代的CAD/CAM_软件系统.Pro/Engineer在CAD/CAM软件技术的发展中有了重大的突破.它改变了传统的设计观念.以新的设计思想先进的软件设计技术开发出了具有统一数据结构,单一数据库的真正集成的CAD/CAIVl软件系统.Pro/Engineer以参数化的尺寸驱动,基于特征的三维造型系统,以及系统完整而统一的模型,系统全关联性为并行工程打下了基础.所谓参数化尺寸驱动是指模型的尺寸用对应的关系来表示.而不是用确定的数值来表示因此,当一十参数值改变时,所有与它相关的尺寸值将自动进行修改.这种功能有利于设计修改和设计优化.所谓基于特征的建模是指模型由一些特征组合而成,适于设计复杂几何图形的需要.Pr0/Eng'山eer为以下类型的特征提供了有力的工具;壳体,复杂穹面,薄壳特征,复杂轮廓,并合零件,混合/扫视,开槽特征,伯移,剖分,管道,凹凸边缘特征,可变断面扫视等等.Pro/Engineer为用户提供了白定义特征的工具,通过这些工具建立特征库.Pro/Engineer中的Pro/FEATURE模块为用户提供了设计复杂形状和曲面生成参数模型的有力工具.Pro/Englneer是一十系列产品,到目前为止已有3o多十模块,在整十系统中各模块阗垒关联.用户也可 以根据自己应用的需要选择其中的几种模块构成十垒关联的,廉价的CAD/CAM系统.它可在任何工作站平台上进行,甚至在PC上运行.Pm/E~r为用户提供了友好的用户界面和多种国际标准接口.如Pro/INTERFACE模块提供了对1GES,SET,DXF和VDA文件进行数据交换的功能.Pro/FEM—POST模块提供了与着名的有限元分析软件(如NASTRAN,ANSYSCOSMOS/M,PDAFEA等)连接的后置处理接口.Pro/Engineer还提供了如模具设计,电缆和导线设计,电子设计等应用被件模块,为机电一体化设计提供了方便.2.徽枫CJU~/CAM软帏綦统的发晨.上文中谈到的CAD/CAM软件主要是针对工作韩平台.由于锻机的广泛应用,微机CAD软件系统也得到了很快的发展.广为人知的AutoCAD系统已拥有大黼黻go量的用胄.另外MicroStafion,CADKEY等也很有名.具有新特点的S1GRAPH—DESIGN微机CAD系统也有很多特色.下面是在我国应用较广琵的两种微机CAD/CAM系统.(1)Aas~CADR12.AutoCAD是美国Autodesk公司的计算机辅助设计产品.它的发晨非常迅建.目前已发展到l2版本,预计1994年末将推出l3版本.AutoCAD已从二维设计绘图系统发展到功能丰富的三维设计绘图系统.并可进行栩栩如生的优美动画设计.AutoCADR12比前的R11版增加了174个新的功能.特别引人注目的星由于 用户界面的增强而带来的更丰富的设计环境.它提供了综合内窖更多的一组下拉式菜单和对话框,一体化的屏幕菜单以及输入和编辑方面的一些改进,使AutoCAD使用起来更窖易,更直观(注:有关AutoCADRI2的功能特点,请参见《计算机世界月刊}1992年10期4:Auot—cAD的最新发展卜一文).(2)SIGRAPH-DES1GN熹境SIGRAP8-DESIGN系统是由德国SIEMENS—NIXDORF公司开发的新一代机械CAD系统.该系统与传统二维cAD系统的根本区别在于它不仅仅是一十绘图工具.它不仅能处理设计图纸上的几何信息,而且托对设计过程中内在的设计思想和设计约束进行表达和处理.从而能满足设计工程师的设计需要.SI-GRAPH-DESIGN充分考虑了设计过程中的各种要求,能支持从概念设计到结构设计,从部件设计到零件设计的全过程,适用于对产品的初始设计,修改设计及系统化设计.3.我国CJU~/CAM软件暴统现状我国CAD/CAM软件系统的开发起步较晚,加之投资强度弱,研究开发分散等多种原因,至今尚未形成与国际市场竞争的系统.可以说我国CAD/cAM软件系坑的研制和开发仍处于第二代阶段,而有的系统甚至是第一代.目前在国内推出的几十锻机系统属二维系统,例如诮lI较多的PICAD系统.PICAD系统是由科院北京软件工程研剖中心开发的参量化,集砖化工程设计CAD系统.设系统提供了高教,实用的交互式参重图符设计技术,符合国标的尺寸标注,形位公差,粗糙虚,焊接符号等工程标准,配有标准件库,常用件库及美观的汉字 界面等多种功能,具有良好的性能价格比,因此在国内拥有一定的用户.另外,在CAD/CAM技术的某些方面,如造型技术,特征建模,友好接口,数据库等方面取得了较好成果,只是投有形成有竞争力的系统.:,CAD/CAM软件技术的发展趋势众所周知,CAD/CAM软件技术正向集成制造系'私毒暮用刊1994.10软件漫统——CIMS的方向发展,它是CIMS的重要组成部分.另外CAD/CAM软件技术的智能化研究也是一个方向以上这些已有不少文章介绍,本文不再赘述.现就CAD/CAM发展趋势的其它几个方面加以简介1.主模翌技术主模型技术是CAD/CAM集成的一项重要技术.主模型概念是以软件为中心,该软件像一个中央数据库那样进行服务,该数据库包括有关产品概念要求的所有几何与非几何信息.当作多用途工程过程的一部分使用时,这个主模型就像.交通枢纽"那样工作,是产品开发过程的核心,所有应用软件均作为过程的一部分使用.所有用户均可以通过这个单一主模型完成他们的技术任务,避免了数据的重复主模型包古以下数据:设计和赛体造型的几何与拓朴,特征,尼寸和属性,公差,约束和设计规则,材料特性,零件之间的历史,联系和相关性,分析结果,加工和NC刀具轨迹信息,质量保证数据,采赡数据等 一个模型一旦经过生成和修改,主模型即保持和自动更新全部现有数据主模型的坚固性允许它如同唯一的数据资霭f那样工作,所有应用程序作为产品开发的一部分.因为工程任务所需的全部数据均保存在主模型中,用户可方便地直接与主模型连接起来运行其它软件模块——例如分析,铡试,加工及其它应用模块根据应用程序的需要.主模型可以提供以下服务.①几何生成系坑.利用一个公共的数学表达式,倒如NURBS,既可以生成简单的零件,叉可生成包合复杂雕塑曲面的零件@提供充分的精度和增强的拓补数据,以便在一个单独零件中具有表达实体,曲面和线框模型的能力.@提供具有约束的形状特征基础,以匹配其应用的刀具和设计实体.④一个通用的约束管理系统集成在该基础之中,用以评价晟优设计/制造加工参数⑤一个完全的设计历史,自动地适时更新部件,图样,模拟结果和刀具轨迹.以研究设计的变更捷况.2.并行工程技术并行工程是相对传统的牍序工程方{击而提出的.牍序工程方法是产品的设计一制造的整十过程以牍序进行.这种传统的方法使产品的设计到制造及投入市场的同期很长,而且在整个过程中某个环节出了问题都要从头开始再顺序进行一次,这不但浪费时问,而且还难以保证产品的质量,在当前激烈的市场竞争中根不适宜.而并行工程的思想改变了传统的顺序工作状况.并行工程是为达到产品及其相关过程(包括制造和支持)的一体化并行设计而采用的一种系统性的做法.这种做 法力图使开发者从一开始就要考虑到整个产品生命周期的所有要素,从方案开始真到番方面的安排,包括质量,成本,进度以盈用户要求等.并行工程的两个主要观点是:①并行工程要求设雒罩毒暮一刊1.994.10计和制造过程的多项计划任务同时平行交叉进行@在设计阶段的早期就要考虑到一项产品的所有要素.从软件技术方面而言,支持并行工程的主要有3个部分,即产品定义数据库或称主模型技术,广泛集成的基于知识的应用,产品数据管理软件.主模型是指一个几乎包括产品任何方面信息的棱心数据库这一概念和所包古的数据内容已在上面介绍.基于知识的应用是用高度集成的软件工具把并行工程中不同工程学科背景的工作人员的知识集成起来,以帮助他们综合地评价和测试产品设计,井使设计人员和制造人员之间相互交流信息产品数据管理提供了一种综台的管理和控制工程信息的方式产品数据管理系统可以方便设计小组的开发工作,而这些工程信息都是在不断地建立,拽艟,修改,评价和存档中.产品数据管理系统提供了一种内部协调机制使得企业可以实施并行工程,缩短产品开发周期.目前第三代CAD/CAM系统已初步具备了主模型和数据管理的功能.为并行工程的实现和应用,在软件技术方面打下了基础.3.虚拟产品研究虚拟产品研究是当前制造业所面临的巨大变革.在当前市场囊烈竞争中,产品和企业都在急剧的变化;急剧变化的时代要求企业要有刨造性的战略,必须从根本上改革其竞争的能力.因此,人们提出了虚拟产品开发 的思想.虚拟产品是一种数字产品模型.它具有所代表的东西所具有的各种性能和特征.这些虚拟产品在它投人生产以前已存在.它具有明显的可襁性,可同时进行协作设计和分析,可和供应商,合作者交换信息,客户可进行评估井作出反应.这样把产品开发者和供应商,客户之问的固定链接变得不那么明确,而更具流动性一旦受理新的产品开发业务和新的要求.就可作出快速有效的反应.虚拟产品开发所需要的技术主要包括:产品建模.即CAD/CAM技术}产品信息和存储管理计算机嗣塔和进讯.4-C~/CAM系统向应用型发展由于CAD/CAM软件系统的迅速发展,其技术已达到了很高的程度.但是.CAD/CAM应用软件的开发还跟不上.特别是有些用户开发产品应用软件还很吃力,致使CAD/CAM系统发挥不了应有的作用;因此,一些CAD/CAM系统软件公司注重了应用软件的开发.有的甚至第三方的应用软件集成在自己的CAD/cAM系统中.倒如PTC公司就报重视这一点,他们的Pro/Engineer产品中包括了模具设计制造,电蟪布置,电子设计等等.有的公司则推出了偏重应用的CAD/CAM系统,例如STRIM100系统.(杖镐日期}1994年8月1日)毒21爨