第2章CAD/CAM系統2.1

CAD/CAM系統基礎2.2

CAD/CAM系統的硬件與軟件2.3國內外典型CAD/CAM軟件簡介2.4工程數據庫與計算機網絡技術在CAD/CAM系統中的應用 2.1CAD/CAM系統基礎

2.1.1CAD/CAM系統的組成

所謂系統，是指為某個共同目標而組織在一起的相互關聯部分的組合。一個完整的CAD/CAM系統由硬件、軟件和人等三大部分組成。

硬件主要指計算機及各種配套設備，如各種檔次的計算機、打印機、繪圖機等。廣義上說，還包括數控加工的各種機械設備等，它是CAD/CAM系統的物質基礎。軟件一般包括系統軟件、支撐軟件和應用軟件等，它是CAD/CAM系統的核心。硬件的性能及其CAD/CAM功能的實現必須通過軟件實現。人在CAD/CAM系統中起主導作用，是CAD/CAM系統的關鍵。CAD/CAM屬于高新技術，只有高素質的技術人才才能把CAD/CAM系統的先進性能充分發揮出來，為企業創造效益。圖2.1.1為CAD/CAM系統組成簡圖。圖2.1.1CAD/CAM系統的組成2.1.2CAD/CAM系統的功能

一般來說，CAD/CAM系統應具有以下主要功能：

(1)交互圖形輸入及輸出功能。可用于基本的產品結構設計等任務。

(2)幾何建模功能，包括實體建模、線框建模及自由曲面建模等。幾何建模是CAD/CAM系統幾何處理的核心，提供有關產品設計的各種數據，是后續作業處理的基礎。

(3)物理性能計算及工程分析功能。可根據幾何建模的基本參數，對產品進行工程分析和數值計算，最常用的是有限元分析和優化處理功能。

(4)處理數控加工信息的功能。可用于自動編程、動態仿真及多坐標數控加工控制等。

(5)數據管理功能。可用于處理產品設計過程中的全部信息，實現工程數據信息的共享。2.1.3CAD/CAM系統的選型及配置

1.?CAD/CAM系統的選型

由于CAD/CAM系統投資相對較大，因此如何科學、合理地選擇適合本企業技術水平及生產能力的系統，必須經過詳細的考察與分析。選擇CAD/CAM系統最基本的出發點是性能價格比和其適用范圍，同時考慮其技術的發展趨勢，特別是軟件和硬件技術的發展。一般要進行以下考慮：

(1)根據本企業的特點、規模、追求目標及發展趨勢等因素，確定應具有的系統功能。

(2)從整個產品設計周期中各個進程的工作要求出發，考核擬選用的系統各模塊的功能，包括其開放性和集成性等特點。然后，根據性能價格比選擇合適的硬件環境和軟件環境。

(3)考慮如何使用、管理該系統，使其發揮應有的作用，真正為企業創造良好的效益。

由于計算機技術發展迅速，軟硬件產品的更新周期很短，因此在組建CAD/CAM系統時，應在總體規劃指導下，先構建系統的基本部分，再逐步擴充。資金尚不充足或CAD/CAM基礎薄弱的企業，應先選擇效益比較顯著的普及性應用。

2.?CAD/CAM系統的配置

1)配置原則

CAD/CAM系統的硬件配置要考慮以下幾方面：

(1)系統功能。主要包括CPU的數據處理能力，內外存容量，輸入輸出性能，圖像顯示和處理能力，與外部設備的接口能力，網絡通信能力。

(2)硬件系統要有良好的開放性且符合工業標準，是否采用UNIX、Windows等操作系統、以太網、流行CPU芯片可作為衡量標準，以利于系統進一步擴充、聯網以及支持更多種類的外圍設備。

(3)經濟性能。

CAD/CAM系統的軟件配置要考慮以下幾方面：

(1)采用標準操作系統，一般選用網絡版。

(2)支撐軟件根據需要配置成低端、中端或高端系統。

(3)用戶多。

(4)運行可靠，維護簡單，性能價格比高。

(5)廠商信譽及售后服務好。

2)基本配置形式

按照所用主機分類，CAD/CAM系統的基本配置有四種形式：大型機系統、小型機系統、工程工作站系統和微機系統。大型機系統采用高性能的大型通用計算機為主機，用分時方式連接幾十臺圖形終端和字符終端。主機系統的特點是通用性強、計算能力強，但價格昂貴，主要應用在需要進行復雜計算和大量數據處理的CAD/CAM系統，如國外的大型飛機制造公司和汽車制造公司。常見的主機有IBM系列、西門子系列等。

小型機系統配有專用的軟件、硬件，并獨立地承擔設計任務，其優點是軟件不需要變更即可在其系列產品上使用，但小型機系統擴展能力差，數據存儲分散，因此現在應用很少。工程工作站系統采用高性能的圖形工作站，其特點是運算速度快、數據存儲量大、圖形顯示速度高、具有強大的網絡功能,但工程工作站的價格相對昂貴，同時由于采用UNIX操作系統，其維護和使用都較難，不適合普通用戶使用。

微機系統采用微型計算機為主機，操作系統為流行的Windows系統或WindowsNT系統，其操作非常簡單，適用于廣大中小用戶。同時，隨著計算機技術的發展，微機的性能已經達到甚至超過了傳統的工作站系統，過去一些基于工作站的CAD/CAM軟件也相繼推出微機版。微機系統的發展,使CAD/CAM技術走出高樓，得以在廣大企業中真正得到普及。2.1.4CAD/CAM系統的工作方式

目前，計算機硬件的水平正以莫爾定律的規律飛速發展，CAD/CAM系統的軟件功能也日益強大。但是，要發揮出CAD/CAM系統的作用，關鍵在人。沒有掌握CAD/CAM技術的人才，CAD/CAM系統的價值將無法體現。CAD/CAM對人的要求包括：

1.基礎知識

必須包括以下三方面的基礎知識：

(1)計算機基礎，主要包括系統軟件和硬件的基本原理和應用基礎。

(2)專業基礎，如機械制圖、機械設計與制造、電路設計等。

(3)外語基礎。

2.實踐知識

必須有工程實踐經驗，不斷地從事CAD/CAM技術的應用實踐，在實踐中加深對先進技術的掌握，并不斷豐富實踐經驗。

3.不斷學習和培訓

CAD/CAM技術是飛速發展的先進技術，只有即時更新知識，始終掌握最前沿的軟件和技術，才能發揮更大的作用。

2.1.5CAD/CAM系統的工作過程

一個較為完整的CAD/CAM系統的工作過程如圖2.1.2所示。圖2.1.2CAD/CAM系統的工作過程從圖2.1.2可以看到，操作人員使用各種設計、分析、繪圖、仿真軟件，以人機交互的形式進行操作。CAD/CAM軟件的強大功能為設計工作帶來許多方便，也使得一些靠人工不可能完成的任務得以完成。

圖2.1.2所示的CAD/CAM系統的工作過程包括以下幾個方面：

(1)各種專家系統可以協助設計人員進行產品分析及方案設計。

(2)使用幾何造型系統快速、準確地建立產品的三維模型，并得到產品的基本數據，有些基于特征的建模系統還包括加工制造信息。

(3)計算分析軟件利用產品模型中的相關數據，自動生成有限元網格進行分析，得到靜態和動態的分析結果，為結構設計及優化提供依據。

(4)利用仿真軟件進行動態仿真、裝配仿真、檢驗零件干涉碰撞情況、模擬刀具軌跡等，以代替物理模型試驗或實際樣機檢驗等。

(5)圖形處理軟件用于圖形的繪制、編輯、顯示與打印輸出等，可以得到產品的任意方向的視圖、剖面圖、效果圖等。

(6)計算機輔助工藝規劃(CAPP)軟件輔助設計人員設計工藝路線，確定工序，選擇機床、刀具，制定切削用量，計算工時定額、加工成本等，最后輸出完整的工藝文件等，實現零件加工工藝設計的自動化。

(7)數控(NC)自動編程軟件可以直接使用CAPP生成的結果進行自動編程，形成刀位文件，再經處理而成為機床的加工代碼，即NC代碼。

根據應用要求的不同，實際的CAD/CAM系統可支持上述全部過程，也可僅支持部分過程。上圖所示的系統包含了CAD/CAM的主要軟件功能，實際的系統往往會有差別，不可能或不必要包含所有的軟件模塊，有的系統還需要該圖中未列出的軟件功能。2.1.6CAD/CAM系統集成的關鍵技術

1.?CAD/CAM系統集成技術的內涵

CAD/CAM系統是一個集成的系統，是由許多相關的技術集成在一起的綜合系統，其中每一部分既可以是獨立的，又可以是密切相關的。這些技術包含以下內容：

1)計算機輔助設計技術

計算機輔助設計簡稱CAD，是使用計算機進行機械產品設計的技術，是CAD/CAM系統集成的基礎。計算機輔助設計可以分為以下幾個方面：

(1)計算機輔助繪圖(ComputerAidedDrafting)。它是用計算機代替傳統的手工繪圖。CAD發展初期即計算機輔助繪圖，在企業中很多人所理解的CAD也是指計算機輔助繪圖。雖然用計算機代替手工繪圖可以減少圖紙上的錯誤、提高工作效率、減輕勞動強度，但計算機輔助繪圖并不是真正意義上的CAD。

(2)計算機輔助設計(ComputerAidedDesign)。計算機輔助設計是真正意義上的CAD，它包括以下幾個方面：①計算機輔助幾何建模(ComputerAidedGeometricModeling)。在CAD/CAM集成的系統中，設計時已不存在繪圖的概念，而是直接建立產品的三維模型。計算機輔助設計的基本任務就是考慮如何構建產品的三維幾何模型，利用計算機記錄產品的三維幾何模型數據，并在計算機屏幕上真實顯示出三維形狀效果。三維幾何建模是CAD/CAM系統的核心技術，它提供有關產品設計的各種數據信息，為后續作業打下基礎。產品的幾何建模包括零件建模和裝配建模。常見的建模方法有線框模型、曲面模型和實體模型。由于實體模型全面記錄零件的邊框、表面以及由面組成的體的信息，并可以記錄其材料屬性和加工屬性，因此目前廣泛采用的是實體建模，在很多CAD/CAM系統中為更好地表現異型表面，經常采用曲面建模和實體建模一體的混合建模技術。②裝配及干涉分析(DesignForAssemble，DFA)。在裝配建模中，為分析和評價產品的裝配性能，避免真實裝配中零件與零件、零件與部件、部件與部件之間產生干涉碰撞現象，必須對裝配模型進行干涉分析，及時發現并解決這些問題。

③可制造性分析(DesignForManufacturing)。在零部件設計時應避免產品的不可制造性，減少不合理的零件結構，為產品的制造作好準備。

(3)計算機輔助分析(ComputerAidedEngineering，CAE)。利用計算機和產品的三維幾何模型，可以在產品的設計過程中，對產品進行必要和精確的計算及分析，這些計算和分析是過去采用手工設計方法不可能完成的。目前CAE主要包括運動學、動力學分析和仿真(Kinematics&Dynamics)、有限元分析和仿真(FiniteElementAnalysis，FEA)及優化設計(Optimization，OPT)。運動、動力學分析是對機構的位移、速度、加速度及各關節的受力進行分析，并以形象直觀的方式進行運動仿真，從而全面了解機構的設計性能和運動情況，及時發現并解決問題。有限元分析是對產品重要的零部件進行應力、應變分析，根據分析結果評價設計結構的合理性，并對不合理的地方進行修改。優化設計是在保證產品的性能和質量的前提下，追求產品的最優，如體積最小、重量最輕、壽命最長等。

2)計算機輔助制造技術

計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)是指在產品的制造過程中采用計算機技術，包括以下幾個方面：

(1)計算機輔助編程(ComputerAidedProgramming)：一般人們所說的CAM就是指計算機輔助編程。它是根據零件的模型，利用計算機自動生成刀具運動軌跡，通過后置處理，生成數控加工代碼，直接傳送給數控機床來進行零件的加工。在使用數控代碼之前，可以利用計算機進行加工代碼仿真，確保加工過程中的安全性和正確性。

(2)計算機輔助工藝規程編制(ComputerAidedProgramPlanning，CAPP)：利用計算機進行零件加工工藝路線的自動編制，選擇合理的切削參數和加工設備，并確定合理的檢驗數據。

(3)計算機輔助質量控制(ComputerAidedQuality，CAQ)：對產品質量進行及時檢驗，并提出分析報告，對生產的組織、進度和其他管理問題及時進行跟蹤、反饋，并輔助做出決策。

2.?CAD/CAM系統集成的關鍵技術

CAD/CAM系統的集成就是按照產品設計與制造的實際進程，在計算機內實現各應用程序所需的信息處理和交換，形成連續的、協調的和科學的信息流。因此，產生公共信息的產品造型技術、存儲和處理公共信息的工程數據庫技術、進行數據交換的接口技術、對系統的資源進行統一管理的技術、對系統的運行統一組織的執行控制程序以及實現系統內部的通信和數據等技術構成了CAD/CAM系統集成的關鍵技術。這些技術的實施水平將成為衡量CAD/CAM系統集成度高低的主要依據。

1)產品建模技術

一個完善的產品設計模型是CAD/CAM系統進行信息集成的基礎，也是CAD/CAM系統中共享數據的核心。為了實現信息的高度集成，產品建模是非常重要的。傳統的基于實體造型的CAD系統僅僅是產品幾何形狀的描述，缺乏產品制造工藝信息，從而造成設計與制造信息彼此分離，導致CAD/CAM系統集成的困難。CAD/CAM集成系統將特征概念引入CAD/CAM系統，建立CAD/CAPP/CAM范圍內相對統一的、基于特征的產品定義模型。該模型不僅支持從設計到制造各階段所需的產品定義信息(包括幾何信息、工藝信息和加工制造信息)，還提供符合人們思維方式的高層次工程描述語言特征，能使設計和制造工程師用相同的方式考慮問題。它允許用一個數據結構同時滿足設計和制造的需要，這就為CAD/CAM系統提供了設計和制造之間相互通信和相互理解的基礎，使其真正實現CAD/CAM系統的一體化。因而就目前而言，基于特征的產品定義模型是解決產品建模關鍵技術的比較有效的途徑。

2)集成的數據管理技術

隨著CAD/CAM技術的自動化、集成化、智能化和柔性化程度的不斷提高，集成系統中的數據管理問題日益復雜，傳統的商用數據庫已滿足不了上述要求。CAD/CAM系統的集成應努力建立能處理復雜數據的工程數據處理環境，使CAD/CAM各子系統能夠有效地進行數據交換，盡量避免數據文件和格式轉換，清除數據冗余，保證數據的一致性、安全性和保密性。采用工程數據庫方法將成為開發新一代CAD/CAM集成系統的主流，也是系統進行集成的核心。

3)產品數據交換接口技術

數據交換的任務是在不同的計算機之間、不同操作系統之間、不同數據庫之間和不同應用軟件之間進行數據通信。為了克服以往各種CAD/CAM系統之間，甚至各功能模塊之間在開發過程中的孤島現象，統一它們的機內數據表示格式，使不同系統間、不同模塊間的數據交換順利進行，充分發揮用戶應用軟件的效益，提高CAD/CAM系統的生產率，必須制訂國際性的數據交換規范和網絡協議，開發各類系統接口。有了這種標準和規范，產品數據才能在各系統之間方便、流暢地傳輸。

4)集成的執行控制程序

由于CAD/CAM集成化系統的程序規模大、信息源多、傳輸路徑不一，以及各模塊的支撐環境多樣化，因而沒有一個對系統的資源進行統一管理、對系統的運行進行統一組織的執行控制程序是不行的。這種執行控制程序是系統集成的最基本要素之一。它的任務是把各個相關模塊組織起來，按規定的運行方式完成規定的作業，并協調各模塊之間的信息傳輸，提供統一的用戶界面，進行故障處理等工作。2.1.7CAD/CAM集成的體系結構

CAD/CAM系統分以下三個層次來實現：

(1)產品數據管理層。它以STEP的產品模型為基礎，提供數據庫、工作格式(STEP)、文件交換等三種數據交換方式。這三種數據的存取由DBMS(數據庫管理系統)、工作格式管理模式及系統轉換器來實現。

(2)基本功能層，包括幾何造型、特征造型、圖形編輯顯示及尺寸公差處理。通常的CAD/CAM集成軟件具備完整的功能界面、統一的產品模型和數據表。

(3)系統層，包括設計、分析、工藝規程設計和數控編程等。可以通過用戶界面來完成從設計、分析到加工的任務。

2.1.8CAD/CAM集成的發展趨勢

目前CAD/CAM集成的關鍵技術已經得到解決，今后的CAD/CAM集成發展的特點和趨勢體現在以下幾點：

(1)面向并行工程。CAD/CAM集成系統應該從全局優化的角度出發，能夠對產品進行管理和控制，并對已經存在的產品設計進行改進和提高。

(2)面向生產過程的多種功能的高度集成。

(3)支持面向對象的工程數據庫。

(4)參數化設計。

(5)多種工業標準數據接口和具有二次開發的能力。

(6)智能化技術。

(7)現代CAD技術。 2.2CAD/CAM系統的硬件與軟件

2.2.1硬件的組成

1.主機

CAD/CAM系統中的主機包括大型機、小型機、圖形工作站和微型計算機。目前，微型計算機技術發展得非常迅速，其性能已接近甚至超過了傳統的工作站，因此在CAD/CAM系統中得到了廣泛應用，是中小用戶的首選機型。

主機主要包括CPU、存儲器等。CAD/CAM系統要求計算機的CPU有極高的運算速度，現在市場上流行的微機CPU為奔騰4處理器，其主頻可達4GHz以上，有些計算機還采用了雙CPU，以滿足CAD/CAM系統對運算速度的要求。存儲器可分為內存儲器和外存儲器兩類。一般常見的CAD/CAM系統要求計算機應當有較大的內存容量，目前應達到2GHz，甚至更大。

常見的外存儲器有硬盤、光盤等。硬盤是計算機中的主要外存儲器，當前容量可達500GB，并且根據需求可以加裝雙硬盤。目前，還出現了移動硬盤和U盤，這類外存儲器與計算機的USB接口連接，支持熱插拔，因此有廣泛的應用前景。

2.輸入設備

輸入設備是把圖形數據或指令傳送給計算機的一種裝置，計算機鍵盤就是一種最常見的輸入設備。除此之外，它還有以下幾種：

1)鼠標

鼠標是計算機上的主要輸入設備，由于其結構簡單、使用方便、價格便宜，因此現在已經成為計算機的標準配置。在CAD/CAM系統中，鼠標主要通過交互的方式向計算機輸入命令、坐標點以及拾取圖形對象等。鼠標的種類主要有機械鼠標、光電鼠標等，根據按鍵的數量又可分為雙鍵鼠標和三鍵鼠標。在CAD/CAM系統中由于要求有較高的光標定位精度和方便觀察圖形的能力，因此最好選用真三鍵的光電鼠標。

2)數字化圖形輸入板

數字化圖形輸入板是一種定標設備，當專用的觸筆或游標(與鼠標類似)在輸入板上移動時，它向計算機發送觸筆或游標的坐標位置。數字化儀定位精度高、使用方便，但價格較貴，一般用于原有圖紙的計算機化。

3)掃描儀

當用戶希望把復雜的圖形或圖像輸入計算機時，掃描儀是首選設備。掃描儀是一種高精度的光電產品，它通過光電轉換原理，把要輸入的圖形、圖像、文字、數據等掃描到計算機中，供計算機進行處理。掃描儀的特點是輸入速度快、質量好，并可以輸入彩色圖形。掃描儀在工程中主要用于原有工程圖紙的計算機化，但圖紙只能以圖像的形式存儲，占用空間很大，并且不便于修改。掃描后的圖形只有通過專用的軟件進行處理后，才能夠轉化成工程中常用的格式。

常見的掃描儀有手持式、平板式(見圖2.2.1)和滾筒式等三種，其主要性能指標為光學分辨率。圖2.2.1平板式掃描儀

4)數碼相機

數碼相機是新一代的輸入設備(見圖2.2.2)，它的外形和照相機相同，只是其感光部分用電子元件取代了傳統照相機的膠卷。它的主要優點是可以像照相似的把實物的信息直接輸入到計算機中，供計算機處理使用。數碼相機的性能主要是分辨率(用像素表示)，像素越多則性能越好，如1000萬像素。與數碼相機的原理類似，還有數碼攝像機，它主要用于存儲動態的圖像。圖2.2.2數碼相機

3.輸出設備

1)顯示器

顯示器是計算機中應用的最主要的輸出設備，用于圖形、文字等各種信息的顯示，一臺沒有顯示器的計算機等于沒有了眼睛。因此，顯示器是計算機的標準配置。目前，常用

的顯示器有陰極射線管式(CRT)和液晶式(LED)。

陰極射線管式(CRT)顯示器的主要優點是價格便宜、亮度高，但易閃耀而使眼睛產生疲勞，同時體積較大。這類顯示器的主要技術指標有顯示器大小、分辨率、刷新頻率等。

液晶顯示器具有不閃耀、亮度適中、體積小、無輻射等優點，目前得到越來越多的使用。

2)打印機

打印機是把計算機中的圖形或文字信息輸出到紙介質的一種設備，它主要用于A3以下圖紙的打印。目前，常見的打印機有針式打印機、噴墨打印機和激光打印機三種。在機械設計中使用的多為黑白線條圖，因此常采用打印速度快、效果好、耗材便宜的激光打印機。噴墨打印機可以打印彩色圖形，常用于打印效果圖。而針式打印機打印的圖形效果較差，在CAD/CAM系統中很少使用。

3)繪圖儀

繪圖儀(見圖2.2.3)是CAD/CAM系統中的主要輸出設備，用于大幅面工程圖紙的輸出，其特點是輸出圖紙幅面大(可打印A0加寬加長的圖紙)、速度快、精度高。高性能的彩色噴墨式繪圖儀打印出的彩色圖像可與照片媲美。圖2.2.3繪圖儀

4.網絡互連設備

網絡互連設備是組成計算機網絡的必要設備。目前企業CAD/CAM網絡主要使用局域網，組建其網絡的主要設備有集線器(HUB)、網絡適配器(網卡)、傳送介質(雙絞線、同軸電纜或光纜)等。網卡安裝在每臺用戶終端計算機上，通過傳送介質與集線器相連，而集線器與服務器連接。另外，為保證在不同的企業局域網之間遠距離傳送信息，組網時還應根據具體情況選用調制解調器、中繼器、路由器、網關、網橋、交換機等設備。

5.常見計算機硬件的配置

下面給出兩款CAD/CAM系統使用的計算機的配置。

1)?COMPAQ專業工作站

COMPAQ工作站是目前世界上性能優良的專業工作站，主要用于CAD/CAM系統和其他領域。其中一款的配置如下：

CPU：酷睿2雙核，主頻3.16GHz

內存：2G，DDRⅡ，800MHz

硬盤：250G，SATASMARTⅣ

顯示卡：256MB，nVIDIAGeForce8400

2)兼容機

兼容機指非品牌計算機，其特點是價格便宜，配置靈活，可以根據自己的需求選用計算機配件。在CAD/CAM系統中，兼容機主要用于圖形終端或低檔用戶。現列舉一款兼容機的配置如下：

CPU：IntelPentiumⅣ，主頻3.16GHz

內存：2GDDRⅡ，800MHz

硬盤：500GB

顯卡：256MB

顯示器：19英寸純平顯示器2.2.2軟件的組成

軟件在CAD/CAM系統中占有重要的地位。如果沒有一個好的軟件，那么不可能很好地發揮硬件的能力。根據軟件在系統中的作用，軟件可以分為系統軟件、支撐軟件和應用軟件三類。

系統軟件主要負責管理硬件資源以及各種軟件資源，它面向所有用戶，是計算機的公共性管理軟件及應用和開發CAD/CAM系統的軟件平臺，一般包括操作系統及網絡管理系統等。

支撐軟件運行在系統軟件之上，是實現CAD/CAM各種功能的通用性應用基礎軟件，是CAD/CAM系統專業性應用軟件的開發平臺。應用軟件是用戶針對具體要求而專門開發的軟件，一般在通用CAD/CAM支撐軟件系統上開發而成，例如齒輪設計軟件、滾刀設計軟件、模具設計軟件等。

2.2.3操作系統

操作系統是對計算機系統硬件(包括主機、輸入/輸出設備)及系統配置的各種軟件進行全面控制和管理的底層軟件，負責計算機系統內所有軟件和硬件資源的監控和調度，使其協調一致、高效率地運行。用戶只有通過操作系統才能控制和操縱計算機。目前在機械CAD/CAM中廣泛采用的操作系統有UNIX和Windows兩種。

UNIX操作系統主要使用在以中、小型計算機和圖形工作站為硬件的CAD/CAM系統中，其特點是功能強大、使用靈活、用途廣泛。但隨著微型計算機的普及和性能的飛速提高，CAD/CAM系統已經向微機過渡，因此，許多過去建立在UNIX操作系統下的支撐軟件，已經紛紛推出微機版軟件。

Windows操作系統一般特指美國微軟公司的Windows操作系統，此窗口界面的系統具有操作簡便、直觀、友好的用戶界面等特點。目前，在微機上采用的主流操作系統有WindowsVista、WindowsXP、WindowsNT和Windows2003等。2.2.4CAD/CAM系統的支撐軟件

支撐軟件是為計算機和用戶之間提供界面的軟件。支撐軟件主要由軟件開發商提供，也可以由用戶自己開發使用。CAD/CAM系統的支撐軟件主要指那些直接支撐用戶進行

CAD/CAM工作的通用性功能軟件，一般可分為功能集成型和功能單一型。

功能集成型CAD/CAM系統的支撐軟件提供了設計、分析、造型、數控編程及加工控制等多種模塊，如I-deas軟件、UG軟件；功能單一型CAD/CAM系統的支撐軟件只提供用于實現CAD/CAM中某些典型過程的功能，如幾何建模軟件(包括二維、三維繪圖軟件包)、計算分析軟件、優化設計軟件、有限元分析軟件、動態仿真軟件、數控編程軟件等。

目前市場上出售的CAD/CAM基本屬于支撐軟件。各種數據庫軟件、高級語言軟件也屬于支撐軟件。2.2.5CAD/CAM軟件的選擇原則

目前，市場上提供CAD/CAM軟件的廠商有多種，如何選擇一種適合用戶的軟件是非常重要的。

商品化的CAD/CAM軟件根據性能可以分為高端軟件和低端軟件。高端軟件一般包含CAD、CAE、CAM等模塊，功能齊全，但價格昂貴。而低端軟件一般只包含單一的模塊，如只有CAD功能或CAM加工功能(雖然有些CAM軟件可以建立實體或曲面模型，但建模過程復雜，并且不能夠進行裝配造型和三維圖形與二維圖形的轉換，因此，仍然屬于單獨的CAM軟件)，其特點是用戶可以根據需要單獨購買CAD或CAM軟件，使用戶節約資金。選擇時可根據用戶的具體情況按需要購買。一般考慮以下幾點：

(1)用戶的應用場合。如果是航空航天、汽車、船舶等大型企業，由于需要非常可靠的產品性能。因此，需要性能全面的高端CAD/CAM產品，包括實體造型、曲面造型、有限元分析、動態仿真、數控加工等功能。如果用戶是中小型機械制造廠，則需要軟件提供更多的標準件庫、符號庫等功能。

(2)用戶的應用能力。對一個性能全面的高端CAD/CAM系統，需要高水平的應用人員。一旦這些人員流失，價格昂貴的CAD/CAM系統就失去了應有的功能，發揮不了應有的作用。而性能相對單一的低端CAD/CAM系統，由于使用簡單、操作簡便，大多數的工程技術人員都能掌握，不必擔心人員的流失，而且其功能能夠得到最大的發揮。

(3)用戶的經濟能力。功能齊全的CAD/CAM系統價格昂貴，而且有些功能對某些用戶來說可能永遠使不上，因此，可以根據用戶的經濟能力選擇合適的CAD/CAM系統。

(4)軟件的開放性。先進的CAD/CAM系統應提供簡便的二次開發工具，這樣用戶可以根據自己的需求開發專用軟件。

(5)?CAD/CAM軟件提供商的背景。一個具有良好信譽的CAD/CAM軟件提供商能保證用戶得到良好的售后服務與技術支持，并能保證軟件的階段性升級。

2.3國內外典型CAD/CAM軟件簡介

近幾年來，在微機上使用的CAD/CAM軟件發展非常迅速，而我國是世界上最大的CAD/CAM潛在市場。目前，國內常見的CAD/CAM軟件可以分為單一的CAD軟件、單一的CAM軟件和CAD/CAM集成在一起的軟件。

表2-1所列為國內外常見的CAD/CAM軟件。表2-1國內外常見的CAD/CAM軟件2.3.1

I-deas軟件

I-deas是美國機械軟件行業先驅SDRC公司的產品。該公司成立于1967年，早期以工程計算與結構分析為主，后來逐步發展為CAD/CAE/CAM軟件公司。I-deas軟件的運行環境為工作站和WindowsNT下的微機。

由于SDRC公司早期是以工程與結構分析為主而逐漸發展起來的，因此工程分析是該公司的特長，如I-deas有很強的有限元模型生成和后置處理功能，并有多種解算器及優化設計軟件。由于解算器是I-deas集成化軟件的一個組成部分，因此對分析計算無需附加輸入文件，這樣就減少了大量的計算準備工作，并保證了建模、解算和結果顯示之間的數據統一性和正確性。

I-deas的突出特點是其獨創的基于特征的變量化實體造型系統，并且無論是單個模塊還是成組應用都是以CoreMasterModeler為核心來運行的。這種先進的核心式體系結構決定了它必然以主模型(MasterModeler)為單一數據庫，并且所有的模塊之間的數據全部并行關聯。

I-deas集產品設計、工程分析、數控加工、塑料模具仿真分析、樣機測試及產品數據管理于一體，是高度集成化的CAD/CAE/CAM一體化工具。2.3.2Pro/E軟件

Pro/E是美國PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司的機械設計自動化軟件產品。

該公司成立于1986年，它雖然成立較晚，但由于沒有沉重包袱，設計思想先進，因此在短短的幾年里很快就開發出了一個面向機械工程的Pro/E系統，最早較好地實現了參數化設計功能。

Pro/E包含了70多個專用功能模塊，如特征造型、產品數據管理(PDM)、有限元分析、裝配等。

Pro/E僅生成實體模型來描述工程師所設計的產品模型,不再應用線框和表面模型轉換成實體模型的手段，思路清晰。

Pro/E采用基于參數化、特征設計的三維實體造型系統,這樣便于在新產品的開發中實現概念設計，也可方便地依照工業標準的零件族概念建庫。

Pro/E的用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程技術人員的設計思想與習慣。

2.3.3UG軟件

UG起源于美國麥道飛機公司，它是美國麥道飛機公司1975年買下一家小公司UnitedComputingCorporation后發展起來的，60年代起成為商業化軟件，1991年并入美國EDS(ElectronicDataSystem，電子資訊系統)有限公司。多年來,UG匯集了美國航空航天與汽車工業的專業經驗，發展成為集成化機械CAD/CAE/CAM軟件系統，適用于航空航天器、汽車、通用機械以及模具等設計、分析、制造工程。該軟件的運行環境為工作站和WindowsNT下的微機。

UG的曲面實體造型起源于英國形譜數據公司的Parasolid系統，采用了標準的R-rep結構的實體模型。

UG發展了概念設計思想，即草圖設計，通過修改參數而改變設計。

UG具有尺寸驅動編輯功能。用戶利用編輯技術，指定草圖的約束、特征參數和幾何關系，利用尺寸驅動生成所需的實體模型。

UG具有統一的數據庫，實現了CAD/CAE/CAM之間無數據交換的自由切換。UG提供二次開發工具GRIP、UFUNG、ITK，允許用戶擴展UG功能。同時也以工業標準軟件工具集提供給用戶，作為開發目的的系統工具。2.3.4MDT軟件

MDT(MechanicalDesktop)是美國Autodesk公司的三維機械設計軟件。1996年3月，Autodesk公司率先向市場推出了基于微機平臺的，能使二維繪圖功能和三維造型功能無縫融合在同一套具有相同數據庫結構和相同交互界面的軟件系統——MDT。

MDT以ACIS為內核，具有實體建模、曲面建模、產品裝配、二維工程圖等功能。該軟件的最大特點是與目前非常流行的AutoCAD圖形數據完全兼容，并且具有相似的用戶操作界面。

MDT的設計策略是以低的價位來滿足廣大用戶對三維設計軟件的需求，因此該軟件只包含三維建模部分，是一個單獨的設計軟件(即只有CAD部分)，而分析部分和數控加工部分則由其他的專業軟件供應商提供。如MSC公司的有限元分析及動態機構仿真軟件MSC.visualNastranDesktop；Pathrace公司的數控加工軟件EdgeCAM；SPI公司的鈑金設計軟件SPIsheetmetal等。這些軟件都可以與MDT無縫集成，即在MDT環境下的模型發生變化，則相關軟件中的模型數據也相應發生改變。2.3.5MasterCAM軟件

MasterCAM是美國CNCSoftware公司的產品，具有CAD和CAM功能，但其CAD建模功能較弱，而CAM功能強大，因此可以看成專門的CAM軟件。有些企業用Pro/E建模，而用MasterCAM進行數控加工程序的編制。

MasterCAM運行于微機環境，雖然不如工作站上的CAD/CAM軟件功能齊全，但就其性能價格比來說更有靈活性。目前MasterCAM的最新版本是MasterCAMX2。

MasterCAM包括三大模塊：Design、Mill和Lathe。

在Design模塊中可以進行二維和三維曲線的繪制和編輯，并且具有以Parasolid為內核的實體造型功能。

Mill模塊屬于CAM部分，主要進行銑削加工，包括二維加工系統和三維加工系統。二維銑削系統包括外形銑削、型腔加工、面加工以及鉆孔、鏜孔、螺紋加工等。三維加工包括曲面加工、多軸加工和線框加工系統。

Lathe模塊也屬于CAM部分，主要用于車削加工，可以進行粗車、精車、車螺紋、切槽、鏜孔、鉆孔等加工。

CAM部分除提供2D、2.5D、3D編程，并生成刀具軌跡外，還可以進行刀具加工軌跡的動態模擬顯示及提供多種后處理程式。

2.3.6CAXA系列軟件

1.?CAXA電子圖版

CAXA電子圖版是一套高效、方便、易學、價格低廉的二維CAD軟件。該軟件提供形象化的設計手段，幫助設計人員擺脫繁重的手工繪圖，并有助于促進產品設計的標準化、系列化和通用化。CAXA電子圖版適用于只需要二維設計的場合。

2.?CAXA三維電子圖版

為彌補CAXA電子圖版只能繪制二維圖的缺陷，北航海爾推出了三維電子圖版。CAXA三維電子圖版采用先進的三維特征造型技術和強大的二維圖紙自動創建工具，使用戶可以輕松進入三維設計空間，創建三維零件模型，并生成二維工程圖。另外，北航海爾公司最新推出的CAXA實體設計軟件具有更強的三維造型能力。

3.?CAXA-ME2008制造工程師(簡稱ME2008)

CAXA-ME2008制造工程師是一套基于微機的CAD/CAM軟件。該軟件功能強大、易學易用，并采用全中文界面，具有Windows風格。在ME2008中可以完成三維實體建模和曲面建模；通過加工工藝參數和機床后置設定，可以對選定部分進行數控加工代碼的自動生成；可以進行直觀的加工仿真，以此檢驗數控加工代碼的正確性。CAXA-ME2008制造工程師為數控加工行業提供了從三維造型設計到數控加工代碼生成、校驗的一體化的全面的解決方案。

另外CAXA系列軟件還包括數控銑、數控車、線切割、雕刻、CAPP、冷沖模設計師等軟件。

2.4工程數據庫與計算機網絡技術在 CAD/CAM系統中的應用

2.4.1CAD/CAM系統和工程數據庫

1.工程數據庫的特點

所謂工程數據庫是指能滿足人們在工程活動中對數據處理需求的數據庫。理想的CAD/CAM系統，應該是在操作系統的支持下，以圖形功能為基礎，以工程數據庫為核心的集成系統，從產品設計、工程分析直到制造過程中產生的全部數據都應在同一個數據庫環境中維護。工程數據庫支持復雜數據類型、復雜數據結構，具有豐富的語義關聯、數據模式動態定義與修改、版本管理能力，具有完善的用戶接口。工程數據庫不但能處理常規表格數據、曲線數據等，還能處理圖形數據。

隨著計算機及網絡技術在工程領域中的普遍應用，隨著工程數據通過Internet的互相傳遞，隨著計算機輔助設計與計算機輔助制造、計算機輔助工程及計算機輔助集成制造系統技術的不斷進步，工程數據庫的管理變得越來越重要，并成為CAD/CAM各個子系統信息交換與數據共享的核心。

2.工程數據的類型

工程數據的類型有以下4種：

(1)通用型數據：指產品設計與制造過程中所用到的各種數據資料，如國家及行業標準、技術規范、產品目錄等方面的數據。這些數據的特點是數據結構不變，數據具有一致性，數據與數據之間關系分明，數據相對穩定，即使有所變動，也只是數值的改動。

(2)設計型數據：指在產品設計與制造過程中產生的數據，如產品功能要求描述數據、設計參數及分析數據、各種資源描述數據及各種工藝數據，包括各種工程圖形、圖表及三維幾何造型等數據。由于產品種類及規格等的變化，這類數據是動態的，包括數值、數據類型及數據結構。

(3)工藝加工數據：指專門為CAD/CAM系統工藝加工階段服務的數據，如金屬切削工藝參數、熱加工工藝參數等。

(4)管理信息數據：指包括生產活動各個環節的信息數據，如工時定額、物料需求計劃、成本核算、銷售、市場分析等管理信息數據。

3.對工程數據庫管理系統的基本要求

工程數據庫管理系統應滿足以下基本要求：

(1)支持復雜工程數據的存儲和管理，即能夠處理工程數據的非結構化變長數據和特殊類型數據，支持多媒體信息的集成管理。這包括多方面的具體要求，如圖形、圖像數據多種格式存儲，不同媒體數據類型格式轉換與控制，多種媒體數據輸入/輸出設備的驅動，多種媒體數據編輯處理，支持復雜實體的表示及實體間關系的處理，支持超文本數據的存儲和處理，支持動態變長數據記錄和超長數據項的存儲。

(2)支持模型的動態修改和擴充，即不僅能夠對結構化數據進行靜態建模，而且能夠動態地進行模型的建立、修改和擴充，這樣才能適應工程數據庫對反復修改的工程設計的支持。

(3)具有數據恢復能力，滿足CAD/CAM各階段之間、各模塊之間信息交換及數據修改的要求。

(4)支持多庫操作和多版本管理。由于工程設計中用到的信息多樣化，需要在各個設計模塊之間傳遞數據，因此需要提供多庫操作和通信能力。由于工程事務的復雜性和反復修改的實踐性，要求工程數據庫系統具有良好的多版本管理和存儲功能，以正確地反映工程設計過程和最終狀態，不僅為工程的實施服務，而且為今后的管理和維護服務，同時也

為研究和設計類似工程提供可借鑒的數據。

(5)支持同一對象的多媒體信息表現形式和處理功能，以適應不同要求。

(6)支持工程數據的長記錄存取和文件兼容處理。在工程數據中有些數據不適合在數據庫中直接存儲，這些數據可以以文件系統為基礎來設計其存儲方式，會更為方便，也可提高存取效率，如工程圖本身。

(7)支持智能型的規則描述和查詢處理，即具有一定的語義識別、推理和查詢能力，能夠自動檢測和維護設計規則。

(8)具有良好的數據庫系統環境和支持工具，以適應大容量、快速和分布式設計環境的要求。

(9)支持多用戶環境下各專業協同工作的各類數據的語義一致性和系統集成性功能，保證信息在流動過程中的一致性和完整性。

(10)分布式數據庫管理功能，能為所有基本單元系統存取全局數據提供統一的接口標準，適應CAD/CAM系統硬件由異種機組成的計算機網絡系統，以及遠程多用戶需求。

4.產品數據管理(PDM)

產品數據管理(PDM)是一種先進的生產信息管理模式，它通過控制各種數據信息的流動、傳遞與共享，可以有效地把設計和制造聯系在一起。在產品設計制造的整個生命周期中，有關產品設計及制造過程中的數據信息起著核心的支撐作用。產品數據管理是以軟件為基礎，將所有與產品相關的信息(包括數據、文字、圖形、圖像等)及與產品相關的過程(如工作流程、工程審批/發放、工程更改等)集成到一起，實施在產品的整個生命周期內，對產品數據信息和開發制造過程進行全面管理。

PDM按內容和管理范圍可分為三個層次，即圖紙文檔管理、部門級數據管理以及企業級數據管理。PDM的主要技術有：

(1)與應用軟件集成的面向對象的嵌入與鏈接技術。

(2)支持產品生命周期內數據建模與管理的對象管理技術。

(3)支持并行工程的多級分布式計算環境。

(4)實現數據集成和管理的數據倉儲管理技術。

(5)支持協同工作的網絡技術和遠程通信技術、跨平臺的Web技術和Java技術。

(6)獨立于硬件平臺的圖形用戶界面(GUI)技術等。

PDM能實現數據共享，保證數據的一致性和可跟蹤性，能實現與各種應用軟件數據交換的雙向控制。PDM能夠以整個企業為一體，跨越各個工程技術群體，在企業范圍內建立并行化的產品開發協作環境，促使產品快速開發和業務過程快速轉換。

PDM技術起源于CAD的文件管理，即工程圖樣文檔及其變動管理。PDM還具有產品配置、零件族管理能力，能夠以產品為中心，通過產品結構將不同的零部件信息宏觀地集成在一起，并且按照設計制造流程維護和跟蹤產品數據的變化。因此，PDM能起到連接CAD、CAPP、CAM并集中管理數據和流程的作用。但PDM不具體提供CAD、CAPP、CAM的特殊功能，而是通過規范封裝，將CAD、CAPP、CAM系統作為對象嵌入到PDM系統中。所以，PDM系統是連接和集成CAD、CAPP、CAM的軟件平臺。2.4.2計算機網絡的拓撲結構

1.總線型拓撲結構

在總線型拓撲