1.4 CAD/CAE/CAM系统的构成

1.4.1 CAD/CAE/CAM系统的组成

根据应用领域和所完成任务的不同，CAD/CAE/CAM系统的软硬件组成也不尽相同，特别是在软件构成方面有较大区别。CAD/CAE/CAM系统的组成如图1.2所示，由硬件系统和软件系统两大部分组成。

1.4.2 CAD/CAE/CAM系统的硬件

CAD/CAE/CAM系统的硬件主要由计算机、外围设备、生产加工设备三大类组成，如图1.3所示。

1.计算机

计算机主要有UNIX工作站和PC两种类型。

1）UNIX工作站

CPU采用精简指令系统RISC处理器，操作系统主要采用UNIX系统。该类型工作站可以配置多个CPU，具有64位或128位的计算能力，物理内存可达16 GB，并能提供很大的虚拟内存空间，能满足高性能计算的要求，但价格昂贵。SGI、HP、IBM等公司均有此类产品。

2）PC

PC是高性能个人计算机，其CPU常采用Intel公司和AMD公司的32位或64位处理器，也可以采用双CPU或双核系统，操作系统采用Windows 2000或Windows XP，或64位的Windows XP Professional x64 Edition。随着硬件技术的发展，PC的性能越来越好，逐步接近UNIX工作站，而且价格便宜，是目前应用最广泛的类型。

2.外围设备

CAD/CAE/CAM系统的外围设备包括输入设备和输出设备两类。输入设备主要有键盘、鼠标、三维坐标输入器、数字化仪、扫描仪，三坐标测量仪等；输出设备主要有显示器、绘图仪、打印机、快速成形机、三维打印机、信息存储设备（硬盘机、磁带机）等。主要设备的介绍如下。

1）输入设备

（1）鼠标和键盘

鼠标有2D、3D、4D之分：2D鼠标是平面鼠标，3D鼠标则是带有一个滚轮的鼠标，4D鼠标与众不同的是它提供了两个滚轮和三个按键（包括一个侧面的拇指键），其中一个按键支持自编程定义。鼠标常用的接口有PS/2接口和USB接口，USB接口支持热插拔。鼠标分辨率越高，质量也就越高。在CAD系统中，使用800 dpi（每移动1英寸能检测出800个点数）高分辨率的鼠标比较合适。常规鼠标只能输入二维点坐标，不能输入三维点坐标。

键盘主要用来输入文字和数字，也用来移动光标。新产品虚拟键盘使用了红外线和激光技术，在任何介质平面上都可投射出一个标准键盘，然后可以像使用普通台式机的键盘一样打字。但是，这个键盘可以随时装在使用者的口袋中带走，如图1.4所示。

（2）三维坐标输入器

该设备可以输入x、y、z坐标，结合CAD软件实现三维雕刻，如图1.5所示。

（3）三坐标测量设备

三坐标测量设备主要包括三坐标测量仪和三维扫描仪。三坐标测量仪主要测量空间的点位坐标，然后结合CAD软件进行建模，如图1.6所示。三维扫描仪则是对三维模型的表面进行扫描得到点位数据，然后通过CAD软件形成曲面，进而形成实体，如图1.7所示。

2）输出设备

（1）打印机与绘图机

打印机与绘图机是将图形输出到工程图纸上或绘出表格等文档的图形输出设备。常见的打印机和绘图机有以下几种。

① 点阵打印机：工作原理为用打印针撞击色带，从而在纸上留下文字和图形。打印出的文字和图形有单色和彩色之分，点距为120～300 dpi，纸宽为80～132列。点阵打印机打印速度慢，尤其是打印图形更慢，无专用程序驱动时效果差，幅面有限，但其价格低，可使用专用打印纸和普通纸，适合于打印报表。

② 喷墨打印机：工作原理为将喷墨头相对于图纸做高速运动，然后将水溶性墨水喷在纸上。分辨率为300～2880 dpi，幅面达A2，色彩可达1.6兆种，打印速度为8页/分钟，价格低廉，但需用专用纸，饱和度差，打印成本高，图形图像品质尚可，文字打印质量好。

③ 激光打印机：工作原理为由曝光、显影、转印、定影等过程将（彩色或黑色）粉印于纸上。分辨率达1200 dpi，幅面达A3，打印速度为2～17页/分钟；价格高，但效果极佳，文字打印质量佳，支持IBM PPDS、PCL4/PCL5、PostScript及GL描述语言（IBM）。

④ 喷墨绘图机：工作原理和特点与喷墨打印机相同，分辨率为300～1200 dpi，有单色和彩色之分，可打A0幅面或A0加长图纸。

⑤ 激光绘图机：工作原理和特点与激光打印机相同，幅面达到A0并可加长。

⑥ 笔式绘图机：画笔在纸上移动绘图，可分为平板式和滚筒式，步距0.001～0.1 mm，笔的数量为1～12，图纸幅面为A3～A0，绘图速度较快，接口形式多样，绘图质量高。当步距为0.005 mm时人就目测不出图或直线插补的阶梯。某些笔式绘图机不需要专用纸张，但目前已经被淘汰。

（2）三维打印机

采用材料累加成形原理，由CAD数据直接控制x、y、z三个方向运动，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件，可快速精确地制造出任意几何形状的产品原型，无须考虑其复杂程度，真正实现无模制造，如图1.8所示。

3）存储设备

（1）磁带机

磁带机容量较大，可达到1200 GB，常用来存储数据和备份数据，如图1.9所示。

（2）硬盘阵列柜

硬盘阵列柜是一种把若干硬磁盘驱动器按照一定要求组成一个整体、整个硬盘阵列由阵列控制器管理的系统。硬盘阵列柜通常采用1394接口卡实现与主机的通信，硬盘阵列充分利用了1394接口的点对点、高速传输、热插拔和即插即用、可串联（最多可达1023个硬盘）等特性而设计的一种外挂式的大容量数据存储设备。

3.生产加工设备

CAD/CAE/CAM系统的生产加工设备主要包括货物搬运机械、NC机床（包括数控加工中心）、机器人、自动测试装置等。这些设备通过CAM的编程指令直接驱动，用来完成工件的搬运、加工制造及检测等工作。

1.4.3 CAD/CAE/CAM系统的软件

软件是计算机程序、所用的数据以及有关文档资料的集合，并可以进行电子存储。计算机程序是一系列按照特定顺序组织的计算机指令的集合。软件并不只包括可以在计算机上运行的程序，与这些程序相关的文件数据也是软件的一部分。CAD/CAE/CAM系统的软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件。

1.CAD/CAE/CAM系统软件

系统软件主要用于对计算机的管理、维护、控制与运行，以及对计算机程序的翻译与运行。主要包括操作系统、网络软件、高级语言编译器。

1）操作系统

操作系统（Operating System，OS）是管理计算机系统全部硬件资源、软件资源及数据资源的软件，它通常是最靠近硬件的一层系统软件。操作系统控制程序运行，改善人机界面，为其他应用软件提供支持，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便、有效、友善的服务界面。操作系统包括五个方面的管理功能：进程与处理器管理、作业管理、存储管理、设备管理和文件管理。工作站上主要采用的操作系统有UNIX、Windows 2000/NT/XP/2003等。微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、Linux、Windows系列等。微软公司推出的64 位Windows Server 2003 x64 Editions和Windows XP Professional x64 Edition是专门为对性能、可靠性、安全性有较高要求的用户而设计的。这两个系统都能同时运行32位和64位程序。相对于32位平台，64位平台主要改善Windows环境下的可量测性和可靠性，提供更快的处理速度，特别适用于操作和管理大量数据。

2）编译系统

编译系统的作用是将用高级语言编写的程序编译成计算机能够直接执行的机器指令。语言编译器主要有Java、C、C++、Pascal、LISP、Ada、Small talk、Prolog、ModulerⅡ、Fortran以及通用BASIC、汇编语言等。

2.CAD支撑软件

支撑软件是CAD/CAE/CAM软件系统的重要组成部分，是在系统软件的基础上开发的满足CAD用户一些共同需要的通用性软件，一般由专门的软件公司开发。CAD/CAE/CAM系统支撑软件分为单一功能型和综合集成型两大类。单一功能型支撑软件只提供CAD系统中某些典型的功能，如二维绘图、三维造型设计、工程分析计算、数据库管理系统等。综合集成型CAD支撑软件提供了造型、设计计算、有限元分析、自动生成数控代码及加工刀路的轨迹仿真等多种模块。

1）单一功能型

（1）互式绘图软件

这类软件主要以人机交互方法完成二维图形的绘制，具有图形的复制、镜像、阵列、缩放、删除、修改、外部引用等编辑功能，具有尺寸标注、图形拼装、二次开发工具等图形处理功能。三维软件可以进行零件三维造型、装配设计、工程图生成，并且可以进行参数化设计。常用的二维软件有CAXA电子图版，AutoCAD、开目CAD、PICAD等；三维软件有CAXA实体设计、Solidworks、Solidedge、Solid3000等。

（2）工程分析软件

主要有有限元分析软件和动力学仿真软件。常用的有限元分析软件有NASTRAN、ANSYS、COSMOS、ABAQUS、ADAMS等。

（3）数控编程软件

这类软件带有一定的建模能力，也可以将三维CAD软件建立的模型通过通用接口传入，它们具有刀具的定义、工艺参数的设定、数控代码的自动生成、刀具轨迹的校验仿真、后置处理等功能。典型的软件有EdgeCAM、MasterCAM、DelCAM等。

2）综合集成型

这类软件功能比较齐全，提供了综合设计所需要的模块。设计人员在这样的CAD设计平台上可以快速准确地进行设计。常用的综合集成型支撑软件有以下几种。

（1）CATIA

CATIA是达索公司开发的高档CAD/CAM软件。作为世界领先的CAD/CAM软件，CATIA可以帮助用户完成大到飞机小到螺丝刀的设计及制造。它提供了完备的设计能力：从二维到三维到技术指标化建模，同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计、工程分析及仿真和加工等功能有机地结合起来，为用户提供了一个严密的无纸工作环境，从而达到缩短设计生产时间、提高加工质量及降低费用的效果。CATIA软件以其强大的曲面设计功能在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。CATIA的曲面造型功能体现在它提供了极丰富的造型工具来支持用户的造型需求。其特有的高次Bezier曲线曲面功能，次数能达到15，可满足特殊行业对曲面光滑性的苛刻要求。CATIA软件运行在工作站的版本系列为V4版本，CATIA V5版本运行于微机平台。

（2）UG NX

UG NX是美国UGS公司的产品，它采用Parasolid实体建模核心技术，提供高效能的曲面建构能力，能够完成复杂的造型设计，从概念设计到生产产品，UG NX广泛运用在汽车业、航空业、模具加工及设计业、医疗器材产业等。

（3）Pro/Engineer

Pro/Engineer（Pro/E）是美国PTC公司的产品，该软件包含多个专用模块，是最早较好地解决了参数化设计功能的软件。

（4）SolidWorks

SolidWorks是美国SolidWorks公司（在1997年被达索公司收购）的产品，是世界上最新的CAD/PDM系统。SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点。SolidWorks独有的拖曳功能能在比较短的时间内完成大型装配设计。

（5）Inventor

Inventor是美国AutoDesk公司的产品，该软件具有结合二维与三维设计、机电混合设计、工程导向设计、易学易用等特点，它不但是一个功能强大的三维工具，而且还是将设计与制造集成的有效手段。由于Inventor可以将现有的二维设计集成到三维设计环境中，因此可以方便地将二维设计的数据转换成三维设计所需的数据。

3.CAD/CAE/CAM应用软件

应用软件是针对某一专门应用领域研制的软件，如破碎机辅助设计软件、水泵计算机辅助设计软件、燃气轮机CAD软件等。应用软件是在系统软件和支撑软件的基础上进行二次开发而形成的，例如，在AutoCAD软件中利用Vlisp、VBA、Object等开发语言设计的各种软件，也可以直接在系统软件下利用VC++等高级语言直接开发。从设计的特征看，CAD应用软件又可以分为三种，即设计计算型、检索绘图型和交互设计型。

（1）设计计算型的特点是系统建立在产品可靠的数学模型和计算方法上，以优化设计为主，通过计算求解，得到技术上和经济上最优的方案。

（2）检索绘图型的特点是系统将定型产品的图形存入图形库，相应的设计计算程序汇集为程序库。设计产品时，向系统输入原始数据，系统进行计算和检索并绘制出样图。

（3）交互设计型的特点是系统具有完善的人机交互界面和人机交互方式，人通过交互设备完成相应的图形设计或造型设计，可以调用分析计算模块完成分析或优化，可以充分发挥人的创造性和计算机处理信息快速性的优势。