计算机辅助技术

发展历程

CAD/CAM/CAE技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并伴随着计算机及其外围设备的发展而发展。计算机图形学中有关图形处理的理论和方法构成了CAD/CAM/CAE技术的重要基础。综观CAD/CAM/CAE技术的发展历程，主要经历了以下主要发展阶段。

20世纪50年代，计算机主要用于科学计算，使用机器语言编程，图形设备仅具有输出功能。美国麻省理工学院（MIT）在其研制的旋风I号计算机上采用了阴极射线管（CRT）作为图形终端，并能被动显示图形。其后出现了光笔，开始了交互式计算机图形学的研究，也为CAD/CAM技术的出现和发展铺平了道路。1952年MIT首次试制成功了数控铣床，通过数控程序对零件进行加工，随后MIT研制开发了自动编程语言（APT），通过描述走刀轨迹的方法来实现计算机辅助编程，标志着CAM技术的开端。1956年首次尝试将现代有限单元法用于分析飞机结构。50年代末，出现了平板式绘图仪和滚筒式绘图仪，开始了计算机绘图的历史。此间CAD技术处于酝酿、准备阶段。

20世纪60年代，这是交互式计算机图形学发展的最重要时期。1963年MIT学者I.E.Sutherland发表了题为“人机对话图形通讯系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学等术语。由他推出的二维SKETCHPAD系统，允许设计者操作光笔和键盘，在图形显示器上进行图形的选择、定位等交互作业，对符号和图形的存储采用分层的数据结构。这项研究为交互式计算机图形学及CAD技术奠定了基础，也标志着CAD技术的诞生。此后，出现了交互式图形显示器、鼠标器和磁盘等硬件设备及文件系统和高级语言等软件。并陆续出现了许多商品化的CAD系统和设备。例如，1964年美国通用汽车公司研制了用于汽车设计DAC-1系统，1965年美国洛克希德飞机公司开发了CADAM系统，贝尔电话公司也推出了GRAPHIC-1系统等。此间CAD技术的应用以二维绘图为主。在制造领域中，1962年研制成功了世界上第一台机器人，实现物料搬运自动化，1965年产生了计算机数控机床 CNC系统，1966年以后出现了采用通用计算机直接控制多台数控机床DNC系统以及英国莫林公司研制的由计算机集中控制的自动化制造系统。20世纪60年代末，挪威开始了CAPP技术的研究，并于1969年正式推出第一个CAPP系统AutoPros。

20世纪70年代，计算机图形学理论及计算机绘图技术日趋成熟，并得到了广泛应用。这期间，硬件的性能价格比不断提高；图形输入板、大容量的磁盘存储器等相应出现；数据库管理系统等软件得以应用；以小型、超小型计算机为主机的CAD/CAM系统进入市场并形成主流，这些系统的特点是硬件和软件配套齐全、价格便宜、使用方便，形成所谓的交钥匙系统（Turnkey System）。同时，三维几何建模软件也相继发展起来，出现了一些面向中小企业的CAD/CAM商品化系统，法国达索公司率先开发出以表面模型为特点的三维曲面建模系统CATIA。20世纪70年代中期开始创立CAPP系统的研究与开发。1976年由CAM-I公司开发了CAPP系统——CAM-I Automated Process Planning。在制造方面，美国辛辛那提公司研制出了一条柔性制造系统（FMS），将CAD/CAM技术推向了新的阶段。这一时期各种计算机辅助技术的功能模块已基本形成，但数据结构尚不统一，集成性差，应用主要集中在二维绘图、三维线框建模及有限元分析方面。

20世纪80年代，CAD/CAM技术及其应用系统得到迅速发展。这期间，出现了微型计算机和32位字长工作站，同时，计算机硬件成本大辐下降，计算机外围设备（彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机、彩色打印机等）已逐渐形成系列产品，网络技术也得到应用；CAD与CAM相结合，形成了CAD/CAM集成技术，导致了新理论、新算法的大量涌现。在软件方面，不仅实现了工程和产品的设计计算和绘图，而且还实现了工程造型、自由曲面设计、机构分析与仿真等工程应用，特别是实体建模、特征建模、参数化设计等理论的发展和应用，推动CAD技术由表面模型到实体建模，再到参数化建模发展，并出现了许多成熟的CAD软件。在此期间，为满足数据交换要求，相继推出了有关标准（如CGI、GKS、IGES及STEP等）。20世纪80年代后期，人们认识到计算机集成制造（CIM）的重要性，开始强调信息集成，出现了CIMS，将CAD/CAM技术推向了更高的层次。

20世纪90年代以来，CAD/CAM/CAE技术更加强调信息集成和资源共享，出现了产品数据管理技术，CAD建模技术日益完善，出现了许多成熟的CAD/CAE/CAM集成化的商业软件，如采用变量化技术的I-DEAS、应用复合建模技术的UG等。随着世界市场的多变与激烈竞争，随着各种先进设计理论和先进制造模式的发展，随着高档微机、操作系统和编程软件的发展，随着网络技术的迅速发展，CAD/CAM/CAE技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战，正在向集成化、网络化、智能化和标准化方向发展。

内容

计算机辅助技术包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助测试和计算机辅助教学等。

1．计算机辅助设计

计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品的设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已广泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等。又如。在建筑设计过程中．利用CAD技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等。各个领域的设计自动化程度提高，使设计速度和设计质量大大提高。

2．计算机辅助制造

计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)是指利用计算机系统对机床等生产设备进行管理与控制。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。

将CAD和CAM技术结合，得到计算机集成制造系统(CIMS)，实现设计生产一条龙自动化，将进一步提高产品质量和提高生产效率。

3．计算机辅助测试

计算机辅助测试(Computer Aided Testing，CAT)是利用计算机帮助进行产品测试，实现测试的自动化，提高测试准确性和测试速度。

4．计算机辅助教学

计算机辅助教学(Computer Aided Instruction，CAI)是利用计算机作为教学媒体和工具，帮助教师提高教学质量和效益的过程。它正在引起教育方法、教育思想以至教育体制的变革。

应用

计算机辅助技术在许多领域得到了广泛的应用，在机械产品设计与制造方面应用最为广泛。它包括的应用有：工程图的绘制、模型生成、性能分析、数控加工、工艺计划编制等。采用计算机绘制工程图是用计算机和绘图机代替绘图板。计算机能够精确地算出图形的几何坐标，图形的比例、剖视、三视图、尺寸标注都由计算机自动完成。模型生成是将产品用数学方法表示成计算机能处理的形式，所建模型可用于计算、分析、数控加工。模型生成的数据还可在不同系统之间进行数据交换。性能分析，如有限元分析是检验设计结构是否合理的一个必要手段，它从力学的角度分析应力应变受载荷的影响以及受载时的物体变形情况。数控加工是由计算机生成加工指令，计算和显示加工轨迹，对加工过程进行仿真，以减少实际加工可能出现的废品，提高加工精度。计算机辅助编制工艺计划，可以优化加工计划，减少错误，特别是将专家经验用于计划设计，可大大提高设计的质量。本节将给出若干实例说明上述的某些应用。

影响

计算机辅助技术的深远影响在于：

(1)它将人们在产品开发方面的知识系统化、规范化、工程化。人们可以不断地堆砌知识工程阶段性成果——成功替代脑力劳动，进一步解放人类的生产力。

(2)它影响了企业的生产和管理模式(无图纸生产)，提高了竞争能力(软盘、u盘、硬盘、光盘成为财富载体)——重塑当今社会的新关系。现在推广的CAD技术已经与企业信息化融为一体。

(3)它改变了产品开发方式、工作风格，提高了开发质量——造就一代新型的产品设计师。

CAX技术被评为20世纪60年代以来十大杰出技术成就之一。国外有人指出，CAX是对20世纪的发展影响最大的十项先进科学技术之一。美国国防部也将广义的“设计自动化”确定为国防关键技术之一。

CAX是电子信息科学发展的产物，电子设计又是CAX技术的一个重要活动领域。国内外电子CAD应用的普及度都已经超过90%。我们的目标和任务就是尽快促成我国在电子设计能力方面的后发优势，用电子CAD软件工具设计出属于自己的ASIC/SOC芯片。这里涉及到的硬件(芯片设计)和软件(CAX软件开发)正是属于信息产业发展的两大主题。

发展趋势

计算机辅助技术的发展趋势可能有以下几个方面：

1)图形显示技术的不断改进。图形技术不但反映在真实色彩图上，而且反映在快速的图形处理能力上。因为图形学一直是CAD/CAM技术的一个最重要的方面，随着设计内容的复杂．处理的图形信息量增大．图形处理的速度是至关重要的。

2)新的实用造型系统的开发。基于特征的参数化特征造型是与产品的设计与制造密切相关的新技术．它的出现为产品设计与制造提供了更为方便的工具，并且更适合工业应用。特别是。产品数据模型有关的特征技术方面，除几何特征外，其他各类特征的新技术的发展是至关重要的。

3)计算机网络。改善通讯技术将导致人与机器、计算机之间更大量信息的交换，它使工程设计人员在不同的地方同时进行工作，他们的工作既相对独立，又可随时进行信息交换，采用网络技术可充分共享资源．提高工作效率。

4)智能化。计算机辅助技术一个明显的趋向是智能机器，即采用越来越多的微处理器形成带内部智能的新一代机器。利用人工智能技术进行辅助设计，可使知识信息处理和数值信息处理结合起来，用专家知识来解决专门问题。这里的智能指机器可以通过知识的积累、存储、联想、类比、分析、计算、比较、论证、优选等信息处理过程，实现智能化。

5)工程数据库。工程数据库与CAD/CAM系统的结合，将大大提高处理复杂工程数据信息的效率．能同时提供供设计、分析、制造的共享信息，为CAD/CAM系统的集成奠定基础。

6)外部设备的发展。声音和视觉系统将获得进一步的性能提高和改善。计算机将装设语言辨认和接收输入作为加速输入过程的手段。

7)向集成制造技术发展。计算机集成制造的目的是将设计、制造、生产和管理连成一个统一体，将计算机从设计、制造领域扩展到材料的库存管理、生产计划、财务管理、销售等方面。目前全球制造业都在向CIM方向迈进，目标是实现产品设计、工程分析、加工装配、测试管理的计算饥集成环境，将设计制造的各个自动化设计孤岛有机地连接起来。

8)并行工程。在美国、欧洲及日本的许多研究机构正在努力把设计工作与生命周期过程中的其他阶段集成起来，使产品的设计与制造并行执行。

9)标准化。为了实现计算机集成化制造系统．产品零件的描述标准是至关重要的。产品数据交换标准STEP的实施将有助于产品零件在整个生产过程的数据传递、交换、造型、加工等。

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