計算機輔助技術

CAD/CAM/CAE技術的發展與計算機圖形學的發展密切相關，並伴隨着計算機及其外圍設備的發展而發展。計算機圖形學中有關圖形處理的理論和方法構成了CAD/CAM/CAE技術的重要基礎。綜觀CAD/CAM/CAE技術的發展歷程，主要經歷了以下主要發展階段。

20世紀50年代，計算機主要用於科學計算，使用機器語言編程，圖形設備僅具有輸出功能。美國麻省理工學院（MIT）在其研製的旋風I號計算機上採用了陰極射線管（CRT）作為圖形終端，並能被動顯示圖形。其後出現了光筆，開始了交互式計算機圖形學的研究，也為CAD/CAM技術的出現和發展鋪平了道路。1952年MIT首次試製成功了數控銑牀，通過數控程序對零件進行加工，隨後MIT研製開發了自動編程語言（APT），通過描述走刀軌跡的方法來實現計算機輔助編程，標誌着CAM技術的開端。1956年首次嘗試將現代有限單元法用於分析飛機結構。50年代末，出現了平板式繪圖儀和滾筒式繪圖儀，開始了計算機繪圖的歷史。此間CAD技術處於醖釀、準備階段。

20世紀60年代，這是交互式計算機圖形學發展的最重要時期。1963年MIT學者I.E.Sutherland發表了題為“人機對話圖形通訊系統”的博士論文，首次提出了計算機圖形學等術語。由他推出的二維SKETCHPAD系統，允許設計者操作光筆和鍵盤，在圖形顯示器上進行圖形的選擇、定位等交互作業，對符號和圖形的存儲採用分層的數據結構。這項研究為交互式計算機圖形學及CAD技術奠定了基礎，也標誌着CAD技術的誕生。此後，出現了交互式圖形顯示器、鼠標器和磁盤等硬件設備及文件系統和高級語言等軟件。並陸續出現了許多商品化的CAD系統和設備。例如，1964年美國通用汽車公司研製了用於汽車設計DAC-1系統，1965年美國洛克希德飛機公司開發了CADAM系統，貝爾電話公司也推出了GRAPHIC-1系統等。此間CAD技術的應用以二維繪圖為主。在製造領域中，1962年研製成功了世界上第一台機器人，實現物料搬運自動化，1965年產生了計算機數控機牀CNC系統，1966年以後出現了採用通用計算機直接控制多台數控機牀DNC系統以及英國莫林公司研製的由計算機集中控制的自動化製造系統。20世紀60年代末，挪威開始了CAPP技術的研究，並於1969年正式推出第一個CAPP系統AutoPros。

20世紀70年代，計算機圖形學理論及計算機繪圖技術日趨成熟，並得到了廣泛應用。這期間，硬件的性能價格比不斷提高；圖形輸入板、大容量的磁盤存儲器等相應出現；數據庫管理系統等軟件得以應用；以小型、超小型計算機為主機的CAD/CAM系統進入市場並形成主流，這些系統的特點是硬件和軟件配套齊全、價格便宜、使用方便，形成所謂的交鑰匙系統（Turnkey System）。同時，三維幾何建模軟件也相繼發展起來，出現了一些面向中小企業的CAD/CAM商品化系統，法國達索公司率先開發出以表面模型為特點的三維曲面建模系統CATIA。20世紀70年代中期開始創立CAPP系統的研究與開發。1976年由CAM-I公司開發了CAPP系統——CAM-I Automated Process Planning。在製造方面，美國辛辛那提公司研製出了一條柔性製造系統（FMS），將CAD/CAM技術推向了新的階段。這一時期各種計算機輔助技術的功能模塊已基本形成，但數據結構尚不統一，集成性差，應用主要集中在二維繪圖、三維線框建模及有限元分析方面。

20世紀80年代，CAD/CAM技術及其應用系統得到迅速發展。這期間，出現了微型計算機和32位字長工作站，同時，計算機硬件成本大輻下降，計算機外圍設備（彩色高分辨率圖形顯示器、大型數字化儀、自動繪圖機、彩色打印機等）已逐漸形成系列產品，網絡技術也得到應用；CAD與CAM相結合，形成了CAD/CAM集成技術，導致了新理論、新算法的大量湧現。在軟件方面，不僅實現了工程和產品的設計計算和繪圖，而且還實現了工程造型、自由曲面設計、機構分析與仿真等工程應用，特別是實體建模、特徵建模、參數化設計等理論的發展和應用，推動CAD技術由表面模型到實體建模，再到參數化建模發展，並出現了許多成熟的CAD軟件。在此期間，為滿足數據交換要求，相繼推出了有關標準（如CGI、GKS、IGES及STEP等）。20世紀80年代後期，人們認識到計算機集成製造（CIM）的重要性，開始強調信息集成，出現了CIMS，將CAD/CAM技術推向了更高的層次。

20世紀90年代以來，CAD/CAM/CAE技術更加強調信息集成和資源共享，出現了產品數據管理技術，CAD建模技術日益完善，出現了許多成熟的CAD/CAE/CAM集成化的商業軟件，如採用變量化技術的I-DEAS、應用複合建模技術的UG等。隨着世界市場的多變與激烈競爭，隨着各種先進設計理論和先進製造模式的發展，隨着高檔微機、操作系統和編程軟件的發展，隨着網絡技術的迅速發展，CAD/CAM/CAE技術正在經歷着前所未有的發展機遇與挑戰，正在向集成化、網絡化、智能化和標準化方向發展。

計算機輔助技術包括計算機輔助設計、計算機輔助製造、計算機輔助測試和計算機輔助教學等。

1．計算機輔助設計

計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)是利用計算機系統輔助設計人員進行工程或產品的設計，以實現最佳設計效果的一種技術。它已廣泛地應用於飛機、汽車、機械、電子、建築和輕工等領域。例如，在電子計算機的設計過程中，利用CAD技術進行體系結構模擬、邏輯模擬、插件劃分、自動佈線等。又如。在建築設計過程中．利用CAD技術進行力學計算、結構計算、繪製建築圖紙等。各個領域的設計自動化程度提高，使設計速度和設計質量大大提高。

2．計算機輔助製造

計算機輔助製造(Computer Aided Manufacturing，CAM)是指利用計算機系統對機牀等生產設備進行管理與控制。例如，在產品的製造過程中，用計算機控制機器的運行，處理生產過程中所需的數據，控制和處理材料的流動以及對產品進行檢測等。CAM技術可以提高產品質量，降低成本，縮短生產週期，提高生產率和改善勞動條件。

將CAD和CAM技術結合，得到計算機集成製造系統(CIMS)，實現設計生產一條龍自動化，將進一步提高產品質量和提高生產效率。

3．計算機輔助測試

計算機輔助測試(Computer Aided Testing，CAT)是利用計算機幫助進行產品測試，實現測試的自動化，提高測試準確性和測試速度。

4．計算機輔助教學

計算機輔助教學(Computer Aided Instruction，CAI)是利用計算機作為教學媒體和工具，幫助教師提高教學質量和效益的過程。它正在引起教育方法、教育思想以至教育體制的變革。 ^[2] 

計算機輔助技術在許多領域得到了廣泛的應用，在機械產品設計與製造方面應用最為廣泛。它包括的應用有：工程圖的繪製、模型生成、性能分析、數控加工、工藝計劃編制等。採用計算機繪製工程圖是用計算機和繪圖機代替繪圖板。計算機能夠精確地算出圖形的幾何座標，圖形的比例、剖視、三視圖、尺寸標註都由計算機自動完成。模型生成是將產品用數學方法表示成計算機能處理的形式，所建模型可用於計算、分析、數控加工。模型生成的數據還可在不同系統之間進行數據交換。性能分析，如有限元分析是檢驗設計結構是否合理的一個必要手段，它從力學的角度分析應力應變受載荷的影響以及受載時的物體變形情況。數控加工是由計算機生成加工指令，計算和顯示加工軌跡，對加工過程進行仿真，以減少實際加工可能出現的廢品，提高加工精度。計算機輔助編制工藝計劃，可以優化加工計劃，減少錯誤，特別是將專家經驗用於計劃設計，可大大提高設計的質量。本節將給出若干實例説明上述的某些應用。 ^[3] 

計算機輔助技術的深遠影響在於：

(1)它將人們在產品開發方面的知識系統化、規範化、工程化。人們可以不斷地堆砌知識工程階段性成果——成功替代腦力勞動，進一步解放人類的生產力。

(2)它影響了企業的生產和管理模式(無圖紙生產)，提高了競爭能力(軟盤、u盤、硬盤、光盤成為財富載體)——重塑當今社會的新關係。現在推廣的CAD技術已經與企業信息化融為一體。

(3)它改變了產品開發方式、工作風格，提高了開發質量——造就一代新型的產品設計師。

CAX技術被評為20世紀60年代以來十大傑出技術成就之一。國外有人指出，CAX是對20世紀的發展影響最大的十項先進科學技術之一。美國國防部也將廣義的“設計自動化”確定為國防關鍵技術之一。

CAX是電子信息科學發展的產物，電子設計又是CAX技術的一個重要活動領域。國內外電子CAD應用的普及度都已經超過90%。我們的目標和任務就是儘快促成我國在電子設計能力方面的後發優勢，用電子CAD軟件工具設計出屬於自己的ASIC/SOC芯片。這裏涉及到的硬件(芯片設計)和軟件(CAX軟件開發)正是屬於信息產業發展的兩大主題。 ^[4] 

計算機輔助技術的發展趨勢可能有以下幾個方面：

1)圖形顯示技術的不斷改進。圖形技術不但反映在真實色彩圖上，而且反映在快速的圖形處理能力上。因為圖形學一直是CAD/CAM技術的一個最重要的方面，隨着設計內容的複雜．處理的圖形信息量增大．圖形處理的速度是至關重要的。

2)新的實用造型系統的開發。基於特徵的參數化特徵造型是與產品的設計與製造密切相關的新技術．它的出現為產品設計與製造提供了更為方便的工具，並且更適合工業應用。特別是。產品數據模型有關的特徵技術方面，除幾何特徵外，其他各類特徵的新技術的發展是至關重要的。

3)計算機網絡。改善通訊技術將導致人與機器、計算機之間更大量信息的交換，它使工程設計人員在不同的地方同時進行工作，他們的工作既相對獨立，又可隨時進行信息交換，採用網絡技術可充分共享資源．提高工作效率。

4)智能化。計算機輔助技術一個明顯的趨向是智能機器，即採用越來越多的微處理器形成帶內部智能的新一代機器。利用人工智能技術進行輔助設計，可使知識信息處理和數值信息處理結合起來，用專家知識來解決專門問題。這裏的智能指機器可以通過知識的積累、存儲、聯想、類比、分析、計算、比較、論證、優選等信息處理過程，實現智能化。

5)工程數據庫。工程數據庫與CAD/CAM系統的結合，將大大提高處理複雜工程數據信息的效率．能同時提供供設計、分析、製造的共享信息，為CAD/CAM系統的集成奠定基礎。

6)外部設備的發展。聲音和視覺系統將獲得進一步的性能提高和改善。計算機將裝設語言辨認和接收輸入作為加速輸入過程的手段。

7)向集成製造技術發展。計算機集成製造的目的是將設計、製造、生產和管理連成一個統一體，將計算機從設計、製造領域擴展到材料的庫存管理、生產計劃、財務管理、銷售等方面。目前全球製造業都在向CIM方向邁進，目標是實現產品設計、工程分析、加工裝配、測試管理的計算飢集成環境，將設計製造的各個自動化設計孤島有機地連接起來。

8)並行工程。在美國、歐洲及日本的許多研究機構正在努力把設計工作與生命週期過程中的其他階段集成起來，使產品的設計與製造並行執行。

9)標準化。為了實現計算機集成化製造系統．產品零件的描述標準是至關重要的。產品數據交換標準STEP的實施將有助於產品零件在整個生產過程的數據傳遞、交換、造型、加工等。 ^[3]