浩瀚的CAD/CAM软件 2021
1.CAD簡史
CAD(Computer Aided Design) ----計算機輔助設計，是利用計算機軟件及其相關的硬件設備，通過強大的圖形處理能力和數值計算能力，幫助工程設計人員進行計算分析、信息存儲、圖形繪制、實物模擬等各項工作的一種技術。
CAD誕生于20世紀60年代，美國麻省理工學院于1963年首次提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數據結構等新的思想，到了60年代中后期，專用CAD系統開始問世，標志著CAD技術已經進入初步應用階段，但由于當時硬件設施的昂貴，只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發的交互式繪圖系統。
隨著時間的推移，計算機技術不斷發展和普及，CAD歷經了五次重大技術革命。
第一次CAD技術革命──高大上的曲面建模
60年代出現的三維CAD系統只是極為簡單的線框式建模。這種方法只能表達基本的幾何信息，不能有效表達幾何數據間的拓撲關系。進入70年代，計算機先后出現了鼠標和光柵掃描圖形顯示器，使繪圖更便于操作，圖形顯示分辨率不斷提高，給CAD技術的發展創造了平臺。當時飛機及汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題，只能采用多截面視圖、特征緯線的方式來近似表達目標曲面。由于三視圖方法表達的不完整性，經常發生設計完成后，制作出來的樣品與設計者所想象的有很大差異甚至完全不同的情況。（大家可以參考畫法幾何與機械制圖）
法國工程師皮埃爾·貝塞爾于1962年發表的生成平滑曲線的算法。法國的達索飛機制造公司在二維繪圖系統CADAM的基礎上，開發出以表面模型為特點的自由曲面建模方法（形象上如同蒙皮），推出了三維曲面造型系統CATIA。計算機輔助設從單純模仿圖紙的視圖展開模式中解放出來，首次實現以計算機完整描述產品零件的主要信息，同時也使繪圖、線框建立、三維結構分析和數據加工CAM技術的開發有了基礎。CATIA為人類帶來了第一次CAD技術革命，改變了以往用石膏來近似反映曲面的落后方式。（中國首先引進CATIA，并提出900多項改進建議。軟件就是用來用的）
第二次CAD技術革命──蹦著跑的實體建模
80年代初，CAD軟件和計算機硬件投入極其高昂。受限于平臺，如何在市場中獲得較大的份額，以CV、SDRC、UG為代表的系統開始四面突擊。SDRC公司在開發出了許多專用分析模塊CAE。有了曲面面數據，CAM的計算條件基本解決。但是曲面只能反映片面的曲面信息，難以準確表達零件的其它特性（拐角，正反面法向等），通過在CAD/CAE技術發展過程中的磨合，SDRC于79年發布了第一個實體建模風格的CAD/CAE軟件──IDEAS。由于實體建模能夠準確表達零件的主要屬性（相對而言），在理論上部分實現CAD/CAE/CAM的數據一致性。實體建模確實是CAD發展史上的第二次技術革命。
第三次CAD技術革命：艱澀的參數化
20世紀80年代中期，CV公司內部有人舉手提出了參數化實體造型方法。從算法上來說，這是一種很好的設想（數學家們在哪里！XP在哪里！），它的特點是：特征集成、全尺寸約束、全數據關聯、尺寸驅動設計修改。但是CV公司KISS參數化方案。策劃參數化技術的工程師們，炒了BOSS并成立了“參數技術公司PTC”，開發Pro/E軟件。早期的Pro/E軟件性能很低，1對1實現了尺寸驅動/零件修改。用過CimatronIT的都會會心一笑。
進入90年代，參數化技術比較成熟起來，充分體現在標準件、零件庫設計上批量設計的優勢。參數化應用催生CAD的第三次技術革命。
第四次CAD技術革命：夾縫中的變量化
參數化的應用，在90年代后幾乎成為CAD業界的標準，但也不是沒有缺陷（當時的個人計算機和GPU神馬情況？哈拉少不哈拉少？）。只能是在常規建模（如拉伸旋轉殼體）的基礎上進行局部、細節變化（BUG經常出現）。這種把線框、曲面及實體堆積起來的復合建模技術，并非能夠穩定快速表達實體。只是實體建模的雛形，并非理想中的參數化。
SDRC權衡利弊，以參數化技術為落腳點，提出了一個相對可行的實體建模思路——變量化，作為突破口。 從90至93年，歷經3年時間，將軟件推到重來， 開發全新體系架構的IDEASMasterSeries軟件。（國產中望3D曾經有過，華天正在實施，具體情況還需求證）
90年代后期，隨著微機硬件發展以及Windows操作系統的雛形完善，基于微軟系統的CAD軟件發展起來了。Solid Edge、SolidWorks等三維軟件基本上全盤套用變量化技術，并細化完善。變量化技術成為CAD軟件當時首選的發展方向。（貌似微軟后來分成兩個公司系統W和軟件M）
第五次CAD技術革命——同步建模，建模技術突破的稻草
進入本世紀后，Siemens PLM Software開發了新一代的同步建模模塊——實體建模隨著計算機普及，直觀操作、虛擬化技術的同步應用，人機交互建模技術進入一個快速的發展期。
同步建模在參數化、歷史記錄建模ID的基礎上又進了一小步，還能與先前技術和平共存。同步建?？梢詫崟r檢查模型的幾何條件，并且與參數和幾何約束同步比較，實現細節特征的編輯和添加，是參數建模的有力補充。（問題是該建模處于制造過程的哪個位置？現在生產分工已經很科學了）
通過人機溝通，同步建模技術讓細節編輯變得相對輕松些，優化對幾何約束的依賴，降低了軟件對建模過程的承受壓力。（畢竟不是真正意義上的智能建模）。
2.CAD技術的現狀
CAD技術在工程設計中有著廣泛應用，在建筑設計領域，包括方案設計、三維造型、建筑渲染圖設計、平面布景、建筑構造設計、小區規劃、日照分析、室內裝潢等各類應用軟件。在結構設計，CAD軟件可以做到有限元分析、結構平面設計、結構計算和分析、高層結構分析、地基及基礎設計、鋼結構設計與加工等工作。此外CAD軟件還能應用于水、電、暖以及及管道等各種設備設計。在城市規劃、城市交通設計，市政管線設計，交通工程設計，水利工程設計以及其他工程設計和造價、管理等方面，計算機輔助設計軟件也有著很廣泛的應用。
基于計算機系統硬件發展現狀，以及新的AI等矩陣式計算機應用技術的發展實際。
從具體生產出發，縱觀目前CAD軟件的問題主要是:
(1)操作性習性，想使用好CAD軟件需要較長的學習過程，還需要一定的知識技能基礎（畫法幾何和制圖，機械原理等），所以，注定操作越來越簡便易學。
（2）CAD的軟件智能化，目前CAD軟件的智能化不高， 除了建模外，還需要人工進行側面數據處理與理論評估；（穩定第一，順便降低硬件投入，那就非常NICE）
（3）CAD與SIM，在造型與仿真數據銜接做的也不是很好。（一次轉身，也許就是一生）
（4） CAD系統的集成化，集成化是許多系統發展的趨勢。（這跟系統有很大關系）
當然還有標準化、智能化網絡技術的應用、多學科、多功能、綜合產品設計、逆向工程的應用和快速成形技術。
3.CAM技術
1．數控編程及其發展
CAM編程是CAD/CAPP/CAM制造過程最終一環，通過設計加工自動化、提高加工精度和加工質量、縮短產品研制周期等工作發揮著重要作用。在諸如航空工業、汽車工業等領域有著大量的應用。由于生產實際的強烈需求，國內外都對數控編程技術進行了廣泛的研究，并取得了豐碩成果。下面就對數控編程及其發展作一些介紹。
1.1 數控編程的基本概念
CAM編程是從零件圖紙到獲得數控加工工藝的過程。它的工作是計算加工軌跡的刀位點（cutter location point簡稱CL點）。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表面的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。
1.2 數控編程技術的發展概況
為了解決數控加工中的程序編制問題，50年代，MIT設計了一種專門用于機械零件數控加工程序編制的語言，稱為APT（Automatically Programmed Tool）。其后，APT幾經發展，形成了諸如APTII、APTIII（立體曲面切削用）、APT（算法改進，增加多坐標曲面加工編程功能）、APT-AC（Advanced contouring）(增加切削數據庫管理系統)和APT-/SS（Sculptured Surface）(增加雕塑曲面加工編程功能)等先進版。
1985年ISO（國際標準化組織）公布的數控機床自動編程語言（ISO4342—1985）就是以APT語言為基礎的。
采用APT語言編制數控程序具有程序簡煉，走刀控制靈活等優點，使數控加工編程從面向機床指令的“匯編語言”級，上升到面向幾何元素.APT仍有許多不便之處：采用語言定義零件幾何形狀，難以描述復雜的幾何形狀，缺乏幾何直觀性；缺少對零件形狀、刀具運動軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗證手段；難以和CAD數據庫和CAPP系統有效連接；不容易作到高度的自動化，集成化。
針對APT語言的平臺缺陷，1978年，法國達索公司開發集CAD、CAE、NC加工一體化的系統CATIA。隨后就出現了EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系統，這些系統都有效的解決了建模和顯示，交互設計、修改及CNC生成，刀軌的仿真模擬、驗證等問題，推動了CAD和CAM一體化。80年代，在CAD/CAM一體化的基礎上，逐步形成了計算機集成制造系統（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，為了適應CIMS及CE發展的需要，數控編程系統正向集成化和智能化方向發展。
在集成化方面，以開發符合STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）標準的參數化特征造型系統為主，目前已進行了大量卓有成效的工作，是國內外開發的熱點；在智能化方面，工作剛剛開始，還有待我們去努力。
2 .NC刀具軌跡生成方法研究發展歷史
數控編程的核心工作是生成刀具軌跡，然后將其離散成刀位點，經后置處理產生數控加工程序。下面就刀具軌跡產生方法作一些介紹。
2.1 基于點、線、面和體的NC刀軌生成方法
CAD技術從2D起步，經歷了3D線框、曲面和實體建模，直到通行的參數化特征造型。在2D繪圖與3D線框階段，CAM主要以POINT、CURVES為驅動體，如孔加工，輪廓加工，平面區域加工等。這種加工操作的要求較高，在SURFACE和SOLID發展階段，出現了基于實體的加工。實體加工的加工對象是一個實體（一般為CSG和B-REP混合表示的），它由基本體素經布爾運算而得。實體加工不僅可用于零件的粗加工和半精加工，大面積切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的數控編程系統的研究與開發，是特征加工的基礎。
實體加工一般有實體輪廓加工和實體區域加工兩種。實體加工的實現方法為層切法（SLICE），即用一組水平面去切被加工實體，然后對得到的交線產生等距線作為走刀軌跡。
那么從軟件角度出發，在ACIS內核上實現了這種基于點、線、面和實體的數控加工。
2.2 基于特征的NC刀軌生成方法
參數化特征已相當成熟，但基于特征的CNC研究才開始不久。特征加工不再對那些基礎的幾何圖素(如：點、線、面、實體)進行選取，而轉變為直接配合工藝思路的特征進行編程。
W.R.Mail和A.J.Mcleod通過研究中給出了一個基于特征的NC代碼生成子系統，工作原理是：零件的單個加工過程都可看成該零件特征區域加工的總和。對整個特征或特征區域分別加工即完成了零件的加工。且特征或特征區域的NC代碼可自動生成。10年前該系統只適用于2.5D零件的加工。
Lee and Chang開發了如何用虛擬邊界的方法自動產生NURBS特征刀具軌跡的系統。工作原理是：在凸自由曲面內嵌入一個最小的長方塊，這樣凸自由曲面特征就被轉換成一個凹特征。最小的長方塊與最終產品模型的合并就構成了被稱為虛擬模型的一種間接產品模型。TOOL軌跡的生成方法分成三步：（1）、切削SURFACES特征；（2）、切削NURBS曲面特征；（3）、切削BUER特征。
Jong-Yun Jung研究了基于特征的非切削刀跡生成問題(G00相關)。把基于特征的加工軌跡分成輪廓加工和區域加工兩類，并定義了這兩類加工的切削方向，通過減少切削刀跡達到整體優化刀具軌跡的目的。主要針對幾種基本特征（孔、內凹、臺階、槽）的典型走刀路徑、刀具選擇和加工順序等，并通過IP（Inter Programming整數線性規劃）技術避免重復走刀，以優化非切削刀具軌跡。另外Jong-Yun Jong還在1991年研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路徑。
特征加工的基礎是實體加工，當然也可認為是更高級的曲面群組加工。但特征加工不同于實體加工，實體加工有它自身的局限性。特征加工與實體加工主要有以下幾點不同：
1.從概念上講，特征是組成零件的圖素，符合工藝操作習慣，為技術人員所熟知；實體是幾何圖素經過布爾運算得到的綜合體，不帶有CAM功能附加定義；
2.實體加工是對整個零件（實體）的加工。零件不可能用一把刀一次加工，還有粗加工、半精加工、精加工工法流程，零件不同區域通常用不同的刀具進行加工；有時零件既要車削，也要銑削。因此實體加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工則從軟件開發系統化回答上述問題；
3.特征加工是一種升華。常規特征可通用固定的加工工法，尤其是STEP標準規定的特征更是如此。如果可以對所有的特征都制定標準化的工法，那么對由特征群組構成的零件就可以模塊化加工。
4.特征加工有利于整合CAD、CAPP、NCP及CAM，實現信息共享，為CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基礎；
2.3 常見CAD/CAM軟件的NC刀軌生成
常見CAM的構成及主要功能
目前比較成熟的CAM系統主要以兩種形式實現CAD/CAM系統集成：一體化的CAD/CAM系統（如：NX/UG、CimatronE、PowerMill等）和相對獨立的CAM系統（如：Mastercam、SolidCam等）。前者直接從自身獲取CAD信息，而后者從其它軟件獲取CAD信息?？傊?#xff0c;無論哪個CAM軟件，都由五個模塊組成，即人機界面、刀軌生成模塊、刀軌編輯模塊、CAM仿真模擬和POST后置處理。
比如NX加工
一般認為UG/NX是業界中最具代表性的數控軟件。其最具特點的是其功能強大的刀具軌跡生成方法。包括車削、銑削、線切割等完善的加工方法。其中銑削主要有以下功能：
Point to Point：完成各種孔加工；
Panar Mill：平面銑削。包括單向行切，雙向行切，環切以及輪廓加工等；
Fixed Contour：固定多軸投影加工。用投影方法控制刀具在單張曲面上或多張曲面上的移動，控制刀具移動的可以是已生成的刀具軌跡，一系列點或一組曲線；
Variable Contour：可變軸投影加工；
Parameter line：等參數線加工?？蓪螐埱婊蚨鄰埱孢B續加工；
Zig-Zag Surface：裁剪面加工；
Rough to Depth：粗加工。將毛坯粗加工到指定深度；
Cavity Mill：多級深度型腔加工。特別適用于凸模和凹模的粗加工；
Sequential Surface：曲面交加工。按照零件面、導動面和檢查面的思路對刀具的移動提供最大程度的控制。
EDS Unigraphics還包括大量的其它功能。
其它的CAD/CAM軟件，如SolidCam, Cimitron,CATIA等的NC功能各有千秋，但其基本內容大同小異，沒有本質區別。
2.4 常用CAM軟件NC生成方法的主要問題
按照傳統的CAD/CAM軟件的工作流，CAM軟件通常對CAD文件進行CAM轉換。以建模的點、線、面、或實體為驅動體，生成加工刀軌，并經后置處理，NC代碼CNC機床，在整個CAD /CAM及CNC系統有幾方面的問題：
2.在生成的刀軌中，同樣也只包含底層的幾何信息（直線和圓弧的幾何定位信息），以及少量的過程控制內容（如進給率、主軸轉速、換刀等）。因此，車間生產無法準確解決設計要求（如公差、表面光潔度等），也無法有效及時反饋NC程序的實際修改參數。
4.CAM軟件是一個單向的系統。CAD與CAM之間沒有可以互通的產品數據模型，即使是在集成CAD/CAM軟件，信息共享也是單向的和單一的。CAM端不能充分利用CAD有關全部信息，尤其CAM特征信息，同樣CAD端也無法獲取CAM產生的工藝信息。
3 數控仿真技術
數控機床加工零件是靠數控指令程序控制完成的。為確保數控程序的正確性，防止加工過程中干涉和碰撞的發生，在實際生產中，常采用試切的方法進行檢驗。
從試切環境的模型特點來看，目前NC切削過程仿真分幾何仿真和力學仿真兩個方面。幾何仿真不考慮切削參數、切削力及其它物理因素的影響，只仿真刀具-工件幾何體的運動，以驗證NC程序的正確性。它可以減少或消除因程序錯誤而導致的機床損傷、夾具破壞或刀具折斷、零件報廢等問題；同時可以減少從產品設計到制造的時間，降低生產成本。切削過程的力學仿真屬于物理仿真范疇，它通過仿真切削過程的動態力學特性來預測刀具破損、刀具振動、控制切削參數，從而達到優化切削過程的目的。
幾何仿真技術的發展是隨著幾何建模技術的發展而發展的，包括定性圖形顯示和定量干涉驗證兩方面。目前常用的方法有直接實體造型法，基于圖像空間的方法和離散矢量求交法。
3.3直接實體造型法
這種方法是指工件體與刀具運動所形成的包絡體進行實體布爾差運算，工件體的3D模型隨著切削過程不斷更新。
Sungurtekin和Velcker開發了一個銑床的模擬系統。該系統采用CSG法來記錄毛坯的三維模型，利用一些基本圖元如長方體、圓柱體、圓錐體等，和集合運算，特別是并運算，將毛坯和一系列刀具掃描過的區域記錄下來，然后應用集合差運算從毛坯中順序除去掃描過的區域。所謂被掃過的區域是指切削刀具沿某一軌跡運動時所走過的區域。在掃描了每段NC代碼后顯示變化了的毛坯形狀。
Kawashima等的接合樹法將毛坯和切削區域用接合樹（graftree）表示，即除了空和滿兩種結點，邊界結點也作為八叉樹（oct-tree）的葉結點,邊界結點包含半空間，結點物體利用在這些半空間上的CSG操作來表示。
用基于實體造型的方法實現連續更新的毛坯實時可視化，耗時太長，于是一些基于觀察的方法被提出來。
3.4基于圖像空間的方法
這種方法用圖像空間的消隱算法來實現實體布爾運算。Van Hook采用圖象空間離散法實現了加工過程的動態圖形仿真。他使用類似圖形消隱的z_buffer思想，沿視線方向將毛坯和刀具離散，在每個屏幕象素上毛坯和刀具表示為沿z軸的一個長方體，稱為Dexel結構。刀具切削毛坯的過程簡化為沿視線方向上的一維布爾運算，見圖3，切削過程就變成兩者Dexel結構的比較：
CASE 1：只有毛坯，顯示毛坯，break；
CASE 2：毛坯完全在刀具之后，顯示刀具，break；
CASE 3：刀具切削毛坯前部，更新毛坯的dexel結構，顯示刀具，break；
CASE 4：刀具切削毛坯內部，刪除毛坯的dexel結構，顯示刀具，break；
CASE 5：刀具切削毛坯內部，創建新的毛坯dexel結構，顯示毛坯，break；
CASE 6：刀具切削毛坯后部，更新毛坯的dexel結構，顯示毛坯，break；
CASE 7：刀具完全在毛坯之后，顯示毛坯，break；
CASE 8：只有刀具，顯示刀具，break。
這種方法將實體布爾運算和圖形顯示過程合為一體，使仿真圖形顯示有很好的實時性。
Hsu和Yang提出了一種有效的三軸銑削的實時仿真方法。他們使用z_map作為基本數據結構，記錄一個二維網格的每個方塊處的毛坯高度，即z向值。這種數據結構只適用于刀軸z向的三軸銑削仿真。對每個銑削操作通過改變刀具運動每一點的深度值，很容易更新z_map值，并更新工件的圖形顯示。
3.5離散矢量求交法
由于現有的實體造型技術未涉及公差和曲面的偏置表示，而像素空間布爾運算并不精確，使仿真驗證有很大的局限性。為此Chappel提出了一種基于曲面技術的“點-矢量”(point-vector)法。這種方法將曲面按一定精度離散，用這些離散點來表示該曲面。以每個離散點的法矢為該點的矢量方向，延長與工件的外表面相交。通過仿真刀具的切削過程，計算各個離散點沿法矢到刀具的距離s 。
設sg和sm分別為曲面加工的內、外偏差，如果sg<s<sm說明加工處在誤差范圍內，s<sg則過切，s>sm則漏切。該方法分為被切削曲面的離散(discretization)、檢測點的定位（location）和離散點矢量與工件實體的求交(intersection)三個過程。采用圖像映射的方法顯示加工誤差圖形；零件表面的加工誤差可以精確地描寫出來。
總體來說，基于實體造型的方法中幾何模型的表達與實際加工過程相一致，使得仿真的最終結果與設計產品間的精確比較成為可能；但實體造型的技術要求高，計算量大，在目前的計算機實用環境下較難應用于實時檢測和動態模擬?；趫D像空間的方法速度快得多，能夠實現實時仿真，但由于原始數據都已轉化為像素值，不易進行精確的檢測。離散矢量求交法基于零件的表面處理，能精確描述零件面的加工誤差，主要用于曲面加工的誤差檢測。
附加資料：
目前，有兩種主要的幾何內核可供許可：Spatial的ACIS（由達索所有）和西門子的Parasolid。這兩個模型都是在1985年左右建立的，并在90年代被CAD公司廣泛采用。Parasolid是達索SolidWorks、西門子NX和Solid Edge、Bentley MicroStation和Nemetschek Vectorworks的核心建模引擎。ACIS用于多種產品中。它是AutoCAD中的核心建模工具，目前仍用于各種產品，包括SpaceClaim、Bricscad和Kubotek。在開發Inventor時，Autodesk正在開發其ShapeManager（ASM）內核，作為ACIS 7.0的分支。Autodesk現在在ASM上構建其產品。有趣的是，由于使用ACIS開發ASM，Autodesk被達索起訴違反合同。達索最終敗訴，因為Autodesk與Spatial的原始交易授予Autodesk進行更改的權利。
達索希望看到CGM成為授權抽獎的主要競爭者，達索也明確表示希望將SolidWorks視為CGM產品，但它必須謹慎行事，以保持對其龐大的SolidWorks用戶群的支持。與此同時，大公司正表現出對專利發動機的偏好。PTC擁有自己的Granite引擎，Nemetschek也在內部構建了自己的大部分技術。
這并不是說這些新的幾何內核實際上都是新的。達索的CGM和阿斯康的C3D開發始于90年代中期。Autodesk的ShapeManager于2001年開發。
CPDA和CIMdata的分析員肯·維斯普里爾（Ken Versprille）一直深入于所謂的內核戰爭。作為CAD先鋒Computervision的研發主管，他負責監督CADD的開發，CADD現在是PTC產品。Versprille今天在圣彼得堡的C3D發布會上談到了geometry內核的市場。他說，一些小型獨立公司和組織已經構建了幾何內核，但他指出，隨著新的幾何內核的出現，CAD世界正在進入一個新時代。Versprille列舉了幾個有助于推動新引擎需求的因素。CAD供應商面臨著利用并行計算的挑戰。對直接制造方法（包括CAM、激光切割、3D打印和FEA）的興趣激增，也促使人們對創建用于制造的3D模型的新方法產生興趣。Versprille還對CAD程序適應點云數據的能力感興趣。他認為這是未來CAD系統的一項重要功能。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的浩瀚的CAD/CAM软件 2021的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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