CAD/CAM技术发展现状与产品分析

经过四十多年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步。现在CAD/CAM主要运行在工作站或微机平台上。工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。随着Pentium芯片和WindowsNT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且windowsNT操作系统的安全性与DOS、Windows3.x、Windows95/98等操作系统相比有了很大提高。所以，微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。在此基础上，CAD/CAM软件厂商展开了新一轮的竞争。一方面工作站上著名的CAD/CAM的软件（如UG、CATIA）全功能地移植到微机平台，使微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力；另一方面CAD/CAM软件打破了原有Unix环境的桎梏，在Windows平台上全面拓展。Pentium以上处理器和NT环境已经或者正在成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台。当今CAD/CAM软件动态如下: 　　一、使用微机作为开发和应用平台　　微机平台的CAD/CAM软件的特点是: 　　1.采用Windows环境　　采用WindowsNT操作系统是新一代推出的微机CAD/CAM软件的共同特点。现在，个人计算机已经具备了与中低档工作站竞争的实力，再加上其价格低廉，使得普及CAD应用成为可能。Windows平台上的新一代CAD/CAM软件基本上都采用典型的Windows界面和操作规范，同时由于DDE和OLE技术的广泛应用，这些CAD/CAM软件可以与Windows平台的其他软件进行动态数据交换，也可以在不退出CAD/CAM软件的前提下嵌入（或链接）其他应用程序的对象。　　 　　 2.采用COM技术　　COM(ComponentObjectModel)是国际上为提高软件稳定性和开发效率而引入的重要技术。现今推出的Windows平台的CAD/CAM软件都或多或少地应用了COM技术。通过使用现成的组件，软件开发商可以避免软件开发中许多烦琐和困难的基础部分，从而可以从极高的起点出发，大大缩短CAD软件上市周期，这样容易取得竞争优势。　　 　　 同时，由于采用面向对象技术，使得微机CAD软件的可维护性和可扩展性得以增强。　　 　　 3.吸收Unix平台软件的优点　　新一代微机平台CAD软件充分吸取Unix工作站软件的精华。诸如参数驱动、特征造型、动态导航、二维与三维双向相关、STEP标准和动态图形显示等这些比较好的特点已经被微机平台软件全部吸收。　　 　　 二、PDM技术的实施　　随着CAD技术的推广，原有的技术管理系统面临着巨大的挑战。在采用计算机辅助设计以前，产品的设计、工艺和经营管理过程中涉及到的各类图纸、技术文档、工艺卡片、生产单、更改单、采购单、成本核算单和材料清单等均由人工编写、审批、归类、分发和存档，所有的资料均通过技术资料室进行统一管理。自从采用计算机技术之后，上述与产品有关的信息都变成了电子信息。简单地采用计算机技术模拟原来人工管理资料的方法往往不能从根本上解决先进的设计制造手段与落后的资料管理之间的矛盾。要解决这个矛盾，必须采用PDM技术。　　 　　 PDM（产品数据管理）是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。PDM系统除了要管理上述数据外，还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。由此可见，PDM系统管理的产品信息将涉及到企业的产品设计、工艺、制造、经营和服务等部门。因此，PDM系统的实施具有涉及面广、信息工作量大等特点。　　 　　 实施PDM技术可以实现并行工程，提高产品设计效率，支持全面质量管理，实现人、过程、技术三者的平衡。因此它可以为企业带来巨大收益。PDM技术实施与CAD/CAM技术的实施不一样，前者调整的是企业的管理模式。将原来的人工管理方式转变为PDM的计算机管理模式，既要兼顾原有的管理习惯，又要考虑信息集成的要求。由于企业技术环境、管理水平、企业文化等方面的差异，每个企业的PDM实施过程都不会相同。只有对企业的计算机环境、企业过程以及PDM的总体目标有了充分的理解后，全面地分析企业对PDM产品的详细需求，才能选出最适合本企业发展的PDM产品和解决方案。　　 　　 目前国际主流的PDM产品有UG的IMAN，SDRC的Metaphase等软件，国内PDM产品有高华PDM，华中PDM等。　　 　　 三、现代集成制造系统（CIMS）的研究及应用　　1973年美国的瑟夫哈林顿博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一书中首次提出CIM(ComputerIntegratedManufacturing)的概念。它的内涵是借助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。这个概念强调了两个方面:(1)企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一安排组织。（2）产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程。　　 　　 CIM是一个先进的思想，但是由于当时技术水平的限制，直到80年代初，这个思想才被制造领域重视并采用。近十余年来，在市场竞争的激励与相关技术进步的推动下，CIM在实践中被不断充实、完善与发展。从这个概念出发，经历了信息集成、过程集成和企业集成的研究和实践，我们提出了现代集成制造系统(ContemporaryIntegratedManufacturingSystem，CIMS)的概念。　　 　　 我国于1986年3月提出863/CIMS主题计划，从而开始了对CIMS的全面研究和实施。863/CIMS主题研究和实施技术的核心是现代集成制造，其中集成分为三个阶段：信息集成、过程集成（如并行工程）和企业集成（如敏捷制造）。下面我们分别简要介绍这三种集成。　　 　　 1.信息集成　　在企业内部实现信息正确、高速的共享和交换，是改善企业技术和管理水平必须首先解决的问题。　　信息集成对于提高企业的市场竞争力是有效的，但是直到现在实施信息集成的手段还比较落后。这使得企业CIMS应用工程开发周期长，质量不易得到保证。所以，信息集成在今后仍然是企业信息化的主要内容，也是实施诸如并行工程技术的基础。在我国以信息集成为主要内容的CIMS应用工程，将仍是今后大多数企业信息化过程中必然要经历的。　　 　　 2.过程集成　　传统串行作业的设计、开发过程，往往会造成产品开发过程中出现反复，使产品开发周期长、成本增加。如果把产品设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行工程，在设计时考虑到下面工序中的可制造性、可装配性，则可以减少反复，缩短开发时间。并行工程便是基于这一思想的一种先进制造模式。　　 　　 3.企业集成　　为提高自身的市场竞争力，企业必须面对全球制造的新形势，充分利用全球的制造资源，以便更好、更快、更节省地响应市场，这就是敏捷制造的来源。敏捷制造的组织形式是企业之间针对某一特定产品，建立企业动态联盟（即所谓的虚拟企业）。企业这种不断结盟的能力正是企业敏捷性的标志之一。　　 　　 四、目前国内国外流行的CAD/CAM软件　　CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。现在，工作站和微机平台CAD/CAM软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。下面我们将分别介绍国内外一些流行的软件。　　 　　 (一)、国外软件　　１．Unigraphics(UG) 　　UG是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。　　UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月UnigraphicsSolutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和WindowsNT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。　　 　　 ２．SOLIDEDGE 　　SOLIDEDGE是真正Windows软件。它不是将工作站软件生硬地搬到Windows平台上，而是充分利用Windows基于组件对象模型(COM)的先进技术重写代码。SOLIDEDGE与MicrosoftOffice兼容，与Windows的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时，能够进行Windows下字处理、电子报表、数据库操作等。　　SOLIDEDGE具有友好的用户界面，它采用一种称为SmartRibbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮，既可以在SmartRibbon上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步该做什么。　　SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。　　 　　 3．AutoCAD 　　AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。　　AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。AutoCAD提供AutoLISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。在许多实际应用领域(如机械、建筑、电子)中，一些软件开发商在AutoCAD的基础上已开发出许多符合实际应用的软件。目前，Autodesk公司已经发布AutoCAD2000，它相当于AutoCADR15版。　　 　　 4．MDT 　　MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体；为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。　　MDT主要功能特点如下：　　(１)基于特征的参数化实体造型。用户可十分方便地完成复杂三维实体造型，可以对模型进行灵活地编辑和修改。　　(２)基于NURBS的曲面造型，可以构造各种各样的复杂曲面，以满足如模具设计等方面对复杂曲面的要求。　　(３)可以比较方便地完成几百甚至上千个零件的大型装配。 (４)MDT提供相关联的绘图和草图功能，提供完整的模型和绘图的双向联结。　　该软件的推出受到广大用户的普遍欢迎。至今为止，全世界累计销售已达７万套，国内已销售近千套。由于该软件与AutoCAD同时出自Autodesk公司，因此两者完全融为一体，用户可以方便地实现三维向二维的转换。MDT为AutoCAD用户向三维升级提供了一个较好的选择。　　 　　 5．SolidWorks 　　SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/CAE/CAM/PDM市场同步。该公司提倡的基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统是以Windows为平台，以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。　　SolidWorks是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的1/4～1/5向广大机械设计人员提供用户界面更友好，运行环境更大众化的实体造型实用功能。　　SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快(图2)。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。　　6．Cimatron 　　CimatronCAD/CAM系统是以色列Cimatron公司的CAD/CAM/PDM产品，是较早在微机平台上实现三维CAD/CAM全功能的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面，优良的三维造型、工程绘图，全面的数控加工，各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理。　　CimatronCAD/CAM系统自从80年代进入市场以来，在国际上的模具制造业备受欢迎。近年来，Cimatron公司为了在设计制造领域发展，着力增加了许多适合设计的功能模块，每年都有新版本推出，市场销售份额增长很快。1994年北京宇航计算机软件有限公司(BACS)开始在国内推广Cimatron软件，从8版本起进行了汉化，以满足国内企业不同层次技术人员应用需求。用户覆盖机械、铁路、科研、教育等领域，目前已销售200多套，市场前景看好。　　 　　 7. Pro/Engineer 　　Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation，简称PTC)的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。　　Pro/Engineer系统主要功能如下: 　　(1)真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。　　(2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。　　(3)具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。　　(4)容易使用，可以极大地提高设计效率。　　Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。Pro/Engineer建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。　　 　　 8.I-DEAS 　　I-DEAS是美国SDRC公司开发的CAD/CAM软件。该公司是国际上著名的机械CAD/CAE/CAM公司，在全球范围享有盛誉，国外许多著名公司，如波音、索尼、三星、现代、福特等公司均是SDRC公司的大客户和合作伙伴。　　I-DEASMasterSeries5于今年6月20日在美国首次展示，引起了广泛的注意。该件是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率，在单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。I-DEAS是全世界制造业用户广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。　　I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。　　SDRC也是全球最大的专业CAM软件生产厂商。I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品。I-DEASCAMAND可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。　　 　　 (二)、国内软件　　1.高华CAD 　　高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。该公司是由清华大学和广东科龙(容声)集团联合创建的一个专门从事CAD/CAM/PDM/MIS集成系统的研究、开发、推广、应用、销售和服务的专业化高技术企业。公司与国家CAD支撑软件工程中心紧密结合，坚持走自主版权的民族软件产业的发展道路，以用户的需要就是我们的需要为承诺，在科研成果商品化方向迈出了可喜的一步。　　高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。其中GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。GHGEMS5.0曾获第二届全国自主版权CAD支撑软件评测第一名。　　2．CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师　　CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司(原北京航空航天大学华正软件研究所)。该公司是从事CAD/CAE/CAM软件与工程服务的专业化公司。　　CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。　　CAXA-ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。CAXA制造工程师1.0版于1996年推出，CAXA-ME2.0版于1998年3月发布，CAXA-ME2000版业已发布。　　 　　 3．GS-CAD98 　　GS-CAD98是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造型系统。该公司是国家科委高技术研究发展中心、浙江大学和中国航天总公司CAD/CAM中心在杭州联合创建的高新技术研究、开发和应用企业。大天公司集软件开发、工程应用、信息系统集成和计算机类产品销售为一体，是从事CAD/CAPP/CAM工程数据库和MIS/OA的开发、应用、销售和服务的专业化高技术公司。　　GS-CAD98是一个具有完全自主版权、基于微机、中文Windows95/NT平台的三维CAD系统。该软件是在国家七五重大攻关及863/CIMS主题目标产品开发成果的基础上，参照SolidWorks的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程关联，在任一模块中所做的变更，在其他模块中都能自动地做出相应变更。　　 　　 4．金银花系统　　金银花(Lonicera)系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统。该系统是国家科委863/CIMS主题在九五期间科技攻关的最新研究成果。　　该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计/制造一体化和自动化。该软件起点高，以制造业最高国际标准ISO-10303(STEP)为系统设计的依据。该软件采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术;具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能;同时还具有多种标准数据接口，如STEP、DXF等;支持产品数据管理(PDM)。目前金银花系统的系列产品包括:机械设计平台MDA、数控编程系统NCP、产品数据管理PDS、工艺设计工具MPP。　　机械设计平台MDA(MechanicalDesignAssistant)是金银花系列软件之一，是二维和三维一体化设计系统。目前，MDA1.7版已投放市场，MDA99版也已发布。金银花MDA在国内率先实现商品化，并向国外三维CAD软件发出了强有力的挑战。　　 　　 5.开目CAD 　　开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。　　 　　 五、我国CAD/CAM技术及产品发展的未来之路　　经过多年的推广，CAD技术已经广泛地应用在机械、电子、航天、化工、建筑等行业。应用CAD技术起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。近年来，我国CAD技术的开发和应用取得了长足的发展，除对许多国外软件进行了汉化和二次开发以外，还诞生了不少具有自主版权的CAD系统，如高华CAD，开目CAD等，由于这些软件价格便宜，符合本国国情和标准，所以受到了广泛的欢迎，赢得了越来越大的市场份额。　　但是，我国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有不小的差距。由于国外CAD/CAM软件出现得较早，开发和应用的时间也较长，所以它们发展比较成熟，现在基本上已经占领了国际市场。这些国外软件公司利用其技术和资金的优势，开始大力向我国市场进军，目前，国外一些优秀软件，如UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA等，已经占领了一部分国内市场。所以，我国CAD/CAM软件前景不容乐观。但是，我们也应该看清自己的优势，比如了解本国市场，提供技术支持方便，价格便宜等。在这些前提下，我们不仅要紧跟时代潮流，跟踪国际最新动态，遵守各种国际规范，在国际国内形成自己独特的优势，更要立足国内，结合国情，面向国内经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的CAD/CAM软件。　　计算机技术日新月异，硬件更新速度很快。在这短短的四十几年中，计算机分别经历了大型机、小型机、工作站、微机时代，每个新时代都出现了新的流行的CAD/CAM软件。在工作站时代，UG、Pro/Engineer是工作站平台三维CAD/CAM软件的佼佼者，而在当今微机时代，SolidWorks在WindowsNT平台的三维CAD/CAM软件中处于领先地位。由于国外在Unix工作站平台上开发CAD/CAM软件已有一定的时间和投入，我国软件在这方面比美国等发达国家落后许多。但是在微机平台上开发CAD/CAM软件是一个全新的领域，我国与国外起点差不多，都是使用VisualC++，OpenGL等工具进行软件开发，在这基础上开发出先进的，符合本国用户习惯的CAD/CAM软件还是有可能的。　　CAD/CAM技术可以应用在许多领域，机械制造是最早也是最广泛应用CAD/CAM技术的领域。随着CAD/CAM技术的发展，建筑、电子、化工的领域也开始应用该技术，在这些新的应用领域中，国外软件的优势并不明显。所以，我国CAD/CAM软件在这些方面还是可以与发达国家竞争的，并且随着CAD/CAM技术应用的深入，越来越多的领域将会使用该技术，所以，如果能够紧跟时代潮流，不断应用于新的领域，那么国产CAD/CAM软件还是很有前途的。　　 　　 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，提高企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，从而能够根据用户的需求不断地更新发展软件。