机械CADCAM历史现状未来和应用举例.docx
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机械CADCAM历史现状未来和应用举例
机械CADCAM发展历程与现状、发展趋势和应用举例
目录
第一章：
机械设计软件开发技术的发展历程与现状--------------3
1.1、CAD/CAM技术的准备和酝酿阶段--------------------------------3
1.2、CAD/CAM技术的初步应用阶段----------------------------------4
1.3、CAD/CAM技术开始广泛使用-------------------------------------5
1.4、CAD/CAM技术走向成熟----------------------------------------5
1.5、微机化、标准化、集成化、智能化发展时期----------------------7
第二章机械设计软件开发技术的发展趋势---------------------9
2.1、机械设计软件发展的一般趋势----------------------------------9
2.2、未来机械设计软件开发的研究重点-----------------------------11
2.2.1、机械设计软件包的多平台开发技术------------------------11
2.2.2产品创新设计技术--------------------------------------12
2.2.3快速设计技术------------------------------------------12
2.2.4仿真与虚拟设计技术------------------------------------12
2.2.5智能设计技术------------------------------------------13
第三章应用举例----------------------------------------14
3.1机械运动学与动力学分析--------------------------------------14
3.2二维和三维制图----------------------------------------------14
3.2.1国外软件-----------------------------------------------14
3.2.2国内软件-----------------------------------------------16
3.3材质和光渲染------------------------------------------------18
3.4设计数据资料查询--------------------------------------------18
3.5机械参数化设计----------------------------------------------18
3.6专业机械机构设计--------------------------------------------18
3.7零件模块化设计与标准库建设----------------------------------19
3.8曲面造型----------------------------------------------------19
3.9机械设计与制造工艺交互--------------------------------------19
3.10机械传动仿真-----------------------------------------------19
分工说明------------------------------------------------21
参考文献------------------------------------------------23
第一章机械设计软件开发技术的发展历程与现状
（Part1：
Historyandpresentcondition）
1946年，出于快速计算弹道的目的，美国宾夕法尼亚大学研制成功世界上第一台电子数字计算机.计算机的诞生极大的解放了生产力，并逐渐成为工程、结构和产品设计的重要辅助工具。
机械设计软件开发技术的发展是随着计算机硬件及软件而发展的。
几十年来，设计软件开发技术大致经历了一下几个发展阶段：
1.1、CAD/CAM技术的准备和酝酿阶段
此阶段（20世纪50年代）计算机还处于电子管阶段，编程语言还是机器语言，计算机的主要功能是数值结算。
要利用计算机进行产品开发，首先要解决计算机中的图形表示、显示、编辑以及输出的问题。
采用数字控制技术进行机械加工的思想最早在40年代提出，为了制造飞机机翼轮廓的扮装样板，美国飞机承包商JohnTParsons提出用脉冲信号控制坐标镗床的加工方法。
美国空军发现这种办法在飞机零部件生产中的潜在价值，并开始给予资助和支持。
1.1949年，Parsons公司与美国MIT伺服机构实验室（servomechanismslaboratory）合作开始数控机床的研制工作。
数控机床的开发从自动变成语言（AutomaticallyProgramningTools,APT）的研究起步。
利用APT语言，人们可以定义零件的几何形状，指定刀具的切削加工路径，并自动生成相应的程序。
2.1950年，美国麻省理工学院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT）研制出“旋风I号”（WhirlwindI）类似于示波器的图形设备，可以显示一些简单图形。
3.1952年，MIT的伺服实验室研制成功世界上第一台三坐标数控铣，首次实现了数控加工。
4.1953年，MIT推出APTⅠ，并在电子计算机上实现了自动编程。
50年代末，出现商品化数控机床产品。
5.1958年，我国第一台三坐标数控铣床由清华大学和北京第一机床厂联合研制成功，此后有众多的高校、研究机构和工厂开展数控机床的研制工作。
6.1958年美国Keany&Trecker公司在世界上首次研制成功自动刀具交换装置的数控机床，即加工中心，有效地提高了数控加工的效率。
7.1958年，美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪，Gerber公司研制出平板绘图仪。
这些设备研制成功，为CAD/CAM技术的发展奠定了物质基础。
8.1959年，集体管控制元件研制成功，数控机床开始进入第二个发展阶段。
1.2、CAD/CAM技术的初步应用阶段（20世纪60年代）
1.1962年，计算机分时系统（Time-SharedSystem，TSS）研制成功。
计算机系统以分时方式运行，其资源可由若干用户通过终端共享。
2.1962年，MIT林肯（Lincoln）实验室的伊万·萨瑟兰（）Ivan.E.Suthenland发表了他的博士论文《SKETCHPAD——人机通信的图形系统》，首次系统地论述聊交互式图形学的相关问题，提出了“计算机图形学（GG）”的概念，确定了计算机图形学的独立地位。
他还提出了功能键操作、“交互设计技术”、“分层存储符号的数据结构”等新概念和新技术，为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。
伊万·萨瑟兰也被公认为交互式计算机图形学的和计算机辅助绘图技术的创始人。
3.1963年在美国计算机联合会上，美国MIT机械工程系的孔斯（SCoons）提交了“计算机辅助设计系统的要求提纲（Anoutlineoftherequirementsforacomputeraideddesignsystem）”的论文，首次提出了CAD概念。
4.在此阶段，计算机图形学在理论上主要研究映射、放样、旋转、消隐等算法问题；在硬件方面，主要研究阴极射线管（CathodeRayTube，CRT）显示、光笔输入、随机存储器，应用于计算机图形输入/输出和命令的指示，为实现人机协作打下了基础。
5.20世纪60年代中期，美国MIT、通用汽车（GM）、贝尔电话实验室、洛克希德（Lockhead）飞机制造公司以及英国剑桥大学等都投入了大量的精力从事计算机图形学的研究。
6.1964年，美国IBM公司推出商品化及计算机绘图设备，通用汽车公司研制成功多路分时图形控制台，初步实现各阶段的汽车计算机辅助设计。
7.1965年，美国洛克希德（Lockhead）飞机制造公司在IBM公司的支持下退出全球第一套基于大型机的商品化CAD/CAM系统；
8.1966年，美国贝尔电话实验室（Belltelephonelaboratory）开发了价格低廉的使用交互式图形显示系统CRAPHIC—Ⅰ，促进了计算机图形学和计算机辅助设计技术的迅速发展。
美国通用汽车公司研制成功了DAC-1自动设计系统。
9.与此同时，数字化制造技术也取得进展。
1961年，以美国人贝茨（EABates）为首进行新的APT技术研究，并在1962年发表APTⅢ。
1962年，人们在数控机床技术的基础上研制成功第一台工业机器人，实现了自动物流搬运。
10.1965年，随着集成电路技术的发展，世界上出现了小规模集成电路。
它体积更小、功耗更低，是数控系统的可靠性更进一步的提高，数控系统发展到第三代。
11.1966年国产晶体管数控系统研制成功，并实现某些品种数控机床的小批量生产。
12.1967年，英国Molins公司研制成功由计算机集成控制的自动化制造系统Molins—24。
踏实世界上第一条柔性制造系统（FMS）,它标志着制造技术开始进入柔性制造时代。
1.3、CAD/CAM技术开始广泛使用（20世纪70年代）
70年代后期，存储器、光笔、光栅扫描显示器、图形输入板等CAD/CAM软硬件系统开始进入商品化阶段，出现了面向小中企业的“交钥匙系统（Turnkeysystem）”,其中包括图形输入/输出设备，相应的CAD/CAM软件等。
1.1970年，美国Inter公司在世界上率先开发出微处理器。
1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出第四代数控机床系统——基于小型计算机的数控系统。
2.1973年，美国人JosephHarrington首次提出计算机集成制造（ComputerIntergratedManufacturingControl,CIM）的概念。
3.1974年，美国、日本等先后研制出以微处理器为核心的数控系统，以微计算机为核心的第五代数控系统开始出现。
4.1976年，美计算机辅助制造国际组织（ComputerAidedManufacturing—Internationgal,CAM—Ⅰ）推出了CAM—Ⅰ’sAutomatedProcesssPlanning系统，在CAPP发展史上具有里程碑的意义。
1979年,初始图形转换规范（InitialGraphicsExchangeSpecification,IGES）标准发表.
CAD软件的早期应用
软件
开发及支持公司
UG
美国麦道（MD）公司开发
I-DEAS
美国国家航空及宇航局（NASA）支持
CV
美国波音（Boeing）公司支持
CALMA
美国通用电气（GE）公司开发
CADAM
美国洛克希德（Lochheed）公司支持
CATIA
法国达索（Dassault）公司开发
5.此时的CAD技术价格极其昂贵，而且软件商品化程度低，开发者本身就是CAD大用户，彼此之间技术保密。
只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在20世纪70年代冷战时期才有条件独立开发或者依托某厂商发展CAD技术，如表1所示。
6.70年代后,我国数控加工技术进入较快的发展阶段.1972年,我国研制成功集成电路数控系统。
70年代国产数控车、铣、磨、齿轮加工、电加工、数控加工中心等相继研制成功。
70年代是CAD/CAM技术研究的黄金时代，CAD/CAM的功能模块已基本形成，各种建模方法得到深入研究，CAD/CAM的单元技术级功能得到较广泛的应用。
计算机硬件功能的提高、价格的下降，特别是新型图形显示器陆续投放市场，成为推动CAD技术发展的强大动力。
软件技术得到飞速发展，出现了结构程序设计、数据库软件工程技术和大量的图形软件，同时优化设计理论、有限元法也得了迅速发展，软件开始成为商品。
1.4、CAD/CAM技术走向成熟（20世纪80年代）
1.80年代后以，个人计算机（PC）和工作站开始出现，如美国苹果公司的Macintosh、IBM公司的PC机以及Apollo、SUN工作站等。
与大型机、中型机和小型机相比，PC机级工作站体积小、价格便宜、功能更加完善，极大的降低了CAD/CAM技术的硬件门槛，促进了CAD/CAM技术的迅速普及，主要表现在：
由军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小企业推广，有高技术领域向家电、其工业等普通产品中普及，由发达国家扩展到发展中国家。
2.80年代后，CAD已超越了传统的计算机绘图范畴，有关复杂曲线、曲面描述的新的算法理论不断出现并迅速商品化。
实体建模（solidmodeling）技术趋于成熟，提供单一的、确定性的集合形体描述方法，并成为CAD/CAM软件系统的核心功能模块。
各种危机CAD系统、工作站CAD系统不断涌现，CAD技术在航空、航天、船舶、核工程、模具等领域的得到广泛应用。
3.1982年，美国Autodesk公司推出基于PC平台的AutoCAD二维绘图软件。
当时的Autodesk公司是一个仅有员工数人的小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。
同时，由于该系统的开放性。
因此，该CAD软件升级迅速。
198５年，美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，PTC）成立，并于1988年推出Pro/Engineer（Pro/E）产品。
Parasolid和Medusa等都属于体素拼合系统，将立方体、圆柱体、圆锥体等用类似于搭积木的方法组装成机械零件，这种操作方式并不符合设计师勾画产品草图时的构思习惯，而且无法表示自由曲面形体。
当时CAD软件提供的三维设计工具是线框造型，让设计师在二维的构造平面上画图，由计算机自动将构造平面上的二维图变换成产品模型空间中的三维图，然后手工将线框蒙面，产生完整的三维表面模型。
与此同时，早在1978年MITDavidGossard教授就提出了用功能形素设计产品的思想，例如机械中的传动轴是由轴体、螺纹段轴颈、退刀槽、法兰盘、键槽等构成，利用产品的功能结构知识，可以通过特征语义进行推理，指导产品的智能化设计和CAD/CAPP/CAE/CAM集成。
于是特征设计的理论研究在1985年后迅猛展示，纷纷研制了多种试验系统，莫衷一时。
在这种形势下SamuelGeisberg脱颖而出，提出了参数化特征造型的发展途径，并且组建了ParametricTechnology公司,推出Pro/Engineer产品，为CAD三维设计树立了新的常规。
4.80年代以后，我国先后从日本FANUC公司引进数控系统和直流伺服电机、主流通州伺服电机等制造技术，从美国GE公司引进MCI系统及交流伺服系统，从ＳＩＭＥＮＳ公司引进VS系统晶闸管调速装置，并实现商品化。
5.80年代，CAD/CAE／CAM技术研究重点是超越三维几何设计，将各种但愿技术进行集成，提供更完整的工程设计、分析和开发环境。
6.80年代初，日本著名通信设备制造厂富士通公司提出工厂自动化（FactoryAutomation，FA）的设想。
7.80年代，出现了一大批工程化的CAD／CAM商品化软件系统，其中较著名的有CADAM，CATIA，UG-Ⅱ，I-DEAS，Pro／ENGINEER，ACIS等，并应用到机械、航空航天、汽车、造船等领域。
8.1981年，美国国家标准局（NBS）建立了“自动化制造实验基地（AMRF）”，以进行CIMS体系结构、单向技术、接口、测试技术及相关标准的研究。
70年代时，CAD、CAM开始走向共同发展的道路。
由于CAD与CAM所采用的数据结构不同，在CAD／CAM技术发展初期，主要工作是开发数据接口，沟通CAD和CAM之间的信息流。
不同的CAD、CAM系统都有自己的数据格式规定，都要开发相应的接口，不利于CAD／CAM系统的发展。
在这种背景下，美国波音公司和GE公司于1980年制定了数据交换规范IGES（1nitialGraphicsExchangeSpecifications）。
这一规范后来被认可为美国ANSI标准。
IGES规定了统一的中性文件格式，不同的CAD、CAM系统可通过此中性文件进行数据交换，形成一个完整的CAD／CAM系统。
将不同的系统通过适当的媒介集成到一起，这就给CAD／CAM集成化提供了一种很好的想法，许多商品化CAD／CAM或CAD／CAM／CAE系统都是在这种思想指导下开发的。
从本质上讲这是系统的集成，即将不同的系统集成到一起。
9.1985年，美国制造工程师协会计算机与自动化专业学会（SME/CASA）给出了计算机集成制造企业的定义及其结构模型。
10.1986年，我国制定了国家高技术研究发展计划（简称“863计划”），将CIMS作为自动化领域的主题之一，并于1987年成立自动化领域专家委员会和CIMS主题专家组，建立了国家CMIS工程研究中心和七个单元技术实验室。
11.1987年。
美国3Dsystems公司开发出世界上第一台快速原型制造（rapidprotypemanufacturing）设备——采用立体光固化的快速原型制造系统。
集成电路和大规模集成块的产生，微型计算机应用得到普及。
实体造型理论及系统的发展与应用。
软件逐渐走向工程化、商品化和标准系列化，软件市场日益丰富。
软件功能的集成，专家系统开始应用于CAD系统。
（一）标准化。
图形接口、图形功能日趋标准化。
1.5、微机化、标准化、集成化、智能化发展时期
90年代后，随着计算机软硬件及网络技术的发展，PC机+Windows操作系统、工作站+Unix操作系统以及以太网（Ethernet）为主的网络黄静构成了CAX系统的主流平台，CAX系统功能日益增强、接口趋于标准化。
1.90年代后，美国、欧共体、日本等国纷纷投入大量精力，研究新一代劝PC开饭时体系结构的数控平台，其中包括美国NGC和OMAC计划、欧共体OSACA计划、日本OSEC计划等。
2.90年代以后，美国里海大学（LehighUniversity）在研究和总结美国制造业现状和潜力的基础上，为重振美国国家经济，继续保持美国制造业在国际的领先地位，发表了具有划时代意义的“21世纪制造企业发展战略”，提出了敏捷制造和虚拟企业的概念。
3.90年代，我国在产品计算机辅助设计与制造领域有很大成绩。
4.1993年，SME/CASA发表了新的制造企业机构模型。
5.参数化技术的成功应用，使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷起步追赶。
但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。
由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其它应用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也做了许多应用模块开发。
6.CAD技术的集成化将体现在三个层次上∶其一是广义CAD功能，CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式，成为企业一体化解决方案。
新产品设计能力与现代企业管理能力的集成，将成为企业信息化的重点；其二是将CAD技术采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的使用效率；其三是CAD基於计算机网络环境实现异地、异构系统在企业间的集成。
应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。
例如，在美国通用汽车公司的生产过程，大量的零部件生产、装配都通过“虚拟工厂”、“动态企业联盟”的方式完成，本企业只负责产品总体设计和生产少数零部件，并最终完成产品的装配。
7.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。
从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。
因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。
CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。
8.CAD/CAM各自对设计过程和制造过程所产生的巨大推动作用已被认同，加之设计和制造自动化的需求，集成化CAD／CAM系统的出现是自然而然的事。
到了20世纪90年代，几乎所有的CAD／CAM系统都通过自行开发或购买配套模块的方式实现了系统集成。
CAD／CAM系统的集成度不断增加，特征造型技术的成熟应用，为从根本上解决由CAD到CAM的数据流无缝传递奠定了基础，使CAD／CAM达到了真正意义上的集成，从而发挥出最高的效益。
9.系统构造由单一功能变成组合功能；CAD技术中的有关软件和算法不断固化，即用集成电路及其功能块来实现有关软件和算法的功能；多处理机、并行处理技术用于CAD中，是工作速度大幅提高；网络技术在CAD中被普遍采用，使近程和远程的资源都能即时共享，设计工作可以异地同步进行。
10.智能CAD（IntelligentCAD，ICAD）是指由多个专家系统与多种CAD模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。
该系统的发展经历了设计型专家系统、集成化智能设计系统（IntegratedIntelligentCAD，IICAD）两个发展阶段。
11.90年代中期，随着计算机、信息和网络技术的进步，制造业逐步向柔性化、集成化、智能化、网络化方向发展，企业内部、企业之间、区域之间乃至国家之间实现资源共享，异地、协同、虚拟设计和制造开始成为现实。
12.90年代末，以CAD为基础的数字化设计，以CAM为基础的数字化制造技术开始为人们接受，数字化设计与数字化制造技术开始做唉更广阔的领域、更深的层次上支持产品开发。
第二章机械设计软件开发技术的发展趋势
（Part2：
Developingtrend）
在机械设计中，建模方面常用的软件有3DMAX、Pro／E、UG、Solidworks等。
这些软件均具备零部件的装配及运动模拟功能。
进入21世纪后，计算机技术、信息技术、网络技术以及管理技术的快速发展，对制造业和新产品开发带来了巨大挑战，也提供了新的机遇。
经不断完善、长期的工业验证并加以商品化．成为面向中国制造业的高性能绘图设计软件系统．用户遍及汽车、摩托车、船舶、机械和模具等行业。
在采用全新理念的智能关系几何建模技术，融合了高端三维CAD一体化软件的先进设计思想．彻底突破了传统绘图软件的局限后，机械设计中所创建的对象，几何图形具备了表达和处理设计关系、约束与特征等非图形信息的能力．用户能方便地对图形对象进行全部编辑．为产品图形的后期修改提供更大的灵活性，它们已经具有以下新突破：
（1）卓越的易学易用，功能强劲的辅助绘图与编辑，复杂外形设计与高级曲线
（2）丰富的参数化国标图库及特征库
（3）完善的机械、电气符号库，高效的智能化尺寸标注
（4）面向工程图纸的智能参数化设计
（5）全相关装配设计
（6）方便实用的通用图库管理
（7）丰富的实用工具，专业化的工程应用
2.1、机械设计软件发展的一般趋势
在以上的各种功能日趋完善后，可以尝试设计一种专用计算机辅助设计软件。
按照现代设计的方法实
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