CAD/CAM技術的發展和展望

張 強，秦禎研

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230022）

CAD/CAM技術的發展和展望

張 強，秦禎研

（安徽建筑大學，安徽 合肥 230022）

隨著計算機技術的高速發展和普及，計算機已經走進社會各個領域，社會需求的日益增長使得計算機軟、硬件的成本都大幅度下降，這就加速了軟件技術的更新和推廣，CAD軟件技術的市場也被充分打開，有了市場就有需求，CAD技術也在此過程中發生了革命性變化.

CAD/CAM；發展；融合

CAD技術起步于二十世紀五十年代后期，進入六十年代，隨著在計算機屏幕上繪圖變為可行而開始了迅速發展.人們希望借助此項技術擺脫繁瑣、費時、繪制精度低的傳統手工繪圖.這時候CAD技術的出發點是用傳統的三視圖方法來表達三維空間，以圖紙為媒介進行技術交流，這就是二維計算機繪圖技術.CAD技術經過六、七十年代的發展，在八十年代開始從航天軍事等專業領域逐漸向民用化發展.下面我們一起來了解一下當前CAD及CAM（計算機輔助制造）技術的發展.

早期的CAD主要應用于航天和武器的設計工作，因為航天和武器設計制造的高要求，為了更精確的實現自己的設計意圖并進行模擬，計算機專家發明了各種圖形技術來描述三維圖形空間，隨著計算機圖形學中曲面描述技術和參數化技術的發展，CAD技術逐漸發展成型.（注：我國八十年代早期設計的銀河億次機關鍵用途之一也是進行火箭和導彈設計）

八十年代末，計算機技術迅猛發展，硬件成本大幅下降，一個更加廣闊的CAD市場被打開了，很多中小型企業也開始使用CAD技術，這項技術在建筑設計、工業產品設計、家具設計等領域發揮了越來越重要的作用.

僅管當時一些民用CAD系統不但價格高而且必須依賴昂貴的UNIX平臺來運行，但是已經比原先只有少數公司可以用的起的巨型機節約了大量的經費和時間精力.后來隨著MACOS平臺特別是WINDOWS平臺等圖形操作系統的發展，加上AUTODESK等公司在WINDOWS平臺上的不斷發展進步，再加上ALIAS、UG、CATIA等公司不斷的把一些原來UNIX平臺上的優秀CAD軟件移植到WINDOWS平臺上，CAD軟件徹底平民化.

CAD軟件隨著軟硬件和精密加工設備的進步而迅速發展，設計師用PRO/E、masterCAM等專業CAD/CAM軟件設計好一個產品后，就可以直接導入加工設備進行模具加工，然后立刻就可以生產出新產品.隨著數年來的發展，現在CAD軟件的發展已經比較成熟穩定.

當前CAD技術一直處于不斷的發展之中，由于應用CAD技術可以提高企業的設計效率，優化設計方案，減輕技術人員的勞動強度，縮短設計周期，越來越多的人不斷加入到CAD用戶行列之中.目前很多CAD軟件集成了PDM（產品數據管理）能力，PDM管理的是產品整個生命周期內的全部數據.工程技術人員根據市場需求設計的產品圖紙和編寫的工藝文檔僅僅是產品數據的一部分.PDM系統除了要管理上述數據外，還要對相關市場需求、分析、設計與制造過程中的全部更改歷程、用戶使用說明及售后服務等數據進行統一有效的管理.以ARCHICAD為例，在ARCHICAD中墻不僅僅只是平行線，還能包含有關其組成、材料、高度、價格等有價值的信息.這樣使用該軟件的設計師可以讓很多設計上的沖突在發生前被解決，從而節省出大量的資金和時間.另外以AUTOCAD為例，現在它不僅可以精確表現出設計者的設計意圖，很多廠商還以它為基礎開發了大量的輔助模塊，利用這些模塊在建設設計中不但可以統計出需要多少鋼材和混凝土，還可以計算出各個部件的受力情況來調整自己的設計，并可以自動根據定額做出概算.

隨著生產力的發展、科技的發展、軟件技術的發展以及三維CAD的興起，在CAD系統中引入虛擬現實技術進行設計是當前CAD系統的發展趨勢之一，設計師能在電腦中看到虛擬的三維物體，這些虛擬物體非常逼真、自然，產品的可視性更強；但要將這些東西用木頭、金屬、塑料、石頭等制作出來則非常的費時費力，因此伴隨著三維CAD軟件的發展(如:CATIA、UG、中望3D等)，3D打印技術也從80年代僅僅應用于航天、醫療和汽車工業領域，逐步走入到人們的生活當中來.

3D打印實際上是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀可粘合材料（可以是金屬、不銹鋼、塑料、碎木或者石材等等），通過逐層打印的方式來構造物體的技術.這種技術使得不必再花費額外成本進行鑄造或建模的制作及后續修改.CAD和CAM技術的結合在當代設計制造中發揮了巨大作用，由于現在精密加工機床的精度已經很高，大部分的設計通過CAM軟件可以輕松的表現出來.在CAD/CAM這兩種技術共同的影響下，在設計階段即能發現各種產品的性能問題，通過3D打印技術特點，利用較少成本就可以進行樣品制作，同時可以使生產速度至少提升十余倍，并且幾乎沒有出錯率，避免了不要的損失.

隨著并行設計、協同設計、智能設計、虛擬設計、全生命周期設計等設計方法的發展，并隨著人工智能、多媒體、虛擬現實、信息技術的進步，CAD技術也朝著集成化、智能化、協同化的方向發展.

越來越多的CAD軟件集成了全面的產品數據管理功能，CAD軟件生成的工程文件已經不單單只是圖紙上的數據，還包括了大量工程流程上需要的參數和數據，并可以自動的計算出需要的相關數據，這樣就把很多原來設計后端才開始的工作提前展現在設計師的眼前，從而大大減少了設計和施工、設計和制造出現沖突的可能.隨著PDM和CAD/CAM的不斷深入結合，3D打印和CAD三維的設計交互，在一個優秀的設計流程中，不但設計沖突可以消滅在萌芽狀態，設計師的創造可以最終完美的表現出來，而且后端的工程或產品制造部門也可以根據前端CAD軟件的數據變化，自動動態的調整自己的工作.更為重要的趨勢是隨著CAD協同能力的提高，很多大的工程可以任意定制分割成很多小模塊讓不同能力不同風格的設計師或工程師進行完美的協同設計，這樣不但提高了設計效率，還極大地縮短了生產及列裝時間，比如說飛機或者航母等重型工業的生產，在飛機或者航母還沒有生產出來之前，就可以模擬建立起對其的各種操控仿真訓練系統，而無需等到飛機或航母實際建造出來.

虛擬現實仿真技術的發展也很值得關注，隨著計算機硬件和渲染技術的發展，現在通過CAD軟件在電腦中漫游虛擬建筑或者操作設計中的虛擬設備已經十分普遍.隨著虛擬現實技術的發展，脫離電腦的大型虛擬感應現實技術也開始逐漸浮出水面.

進入21世紀以來，在國內占據CAD繪圖市場主導地位的是Autodesk公司的Autocad軟件，而Autocad軟件在目前主要還只是作為一個二維軟件來使用.在目前中國的CAD用戶特別是初期CAD用戶中，二維繪圖仍然占有相當大的比重，大部分人只是把CAD軟件當作繪圖板的替代品.

目前在設計教學中也有這種傾向，大部分設計教學知識滿足學生用Autocad軟件繪制設計圖紙，加上用3dmax等軟件進行設計效果圖的渲染，材料和施工問題另外通過一些專用軟件來計算.這種條塊分割的方式不但效率不高，而且在實際工作中很容易產生設計沖突，然后再回頭修改設計，這樣也就容易造成大量的時間和金錢的浪費.

根據這些情況加上當前CAD的發展趨勢，為了更好的和未來實際工作結合，現在應該在教學中多研究探討具有能與建模技術、渲染技術、材料技術、造價技術乃至3D打印技術相貫通的類似軟件，從而加強學生在完整的工作流程中完成CAD設計的理念，這樣可以全面考慮自己的設計作品.同時可以利用網絡條件讓學生學會以協同設計的方式來開展自己的工作和創作.

〔1〕曾旭東,陳利立.建筑數字技術系列教材：ARCHICAD虛擬建筑設計教程[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.

〔2〕彭嵩.CAD技術應用狀況與發展趨勢淺析[J].礦山機械,2005.

〔3〕王佩坤,唐方臺.CAD技術、方法與建設機械應用[J].建設機械技術與管理，1997.

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