1.1 计算机辅助技术简介

1.1.1 CAD/CAE/CAM技术

产品开发过程大体分为设计、分析和制造3个主要环节，提高产品开发效率、缩短开发周期是企业十分关注的问题。其中，设计是对产品的功能、性能和材料等内容进行定义，其主要结果是对产品形状和大小的几何描述。传统设计的几何描述方式是工程视图，载体为图纸。现代设计的几何描述方式主要采用三维几何模型，载体为计算机。分析是对产品的功能和性能进行预测和验证，以保证产品在制造以后能够实现预期功能和满足各种性能指标。分析是保证产品质量的重要环节，是评估设计方案、优化产品结构的重要手段。制造是利用生产系统将设计结果转化为产品实物的过程，主要包括工艺设计、生产调度、加工、装配和检测等环节。

随着计算机科学技术的发展，计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）等技术在产品研发过程中得到了广泛应用，使产品的设计、分析和制造整个过程发生了深刻变化，极大地提高了产品质量和研发效率，已成为企业技术创新和开拓市场的重要技术手段。计算机技术在产品开发过程中的应用如图1-1所示。

CAD、CAE和CAM是分别支撑设计、分析和制造环节的信息化技术，具有各自独特的功能，且相互内在关联。将CAD、CAE、CAM技术有机集成，实现3种技术的一体化应用，是进一步提高产品开发效率的有效途径。

1.CAD技术

CAD技术是指工程技术人员利用计算机从事工程设计（如草图绘制、零件设计和装配设计等）的方法，其实质是将设计意图转化为计算机表示的可视化模型方法，其作用是表达工程产品的外形结构，为产品评估、分析和制造提供依据。

2.CAE技术

CAE技术是利用计算机从事工程分析的方法，其实质上是一种数值计算方法，其作用是预测产品性能，为产品结构优化提供依据和手段。工程分析的内容包括产品的运动与动力学特性分析、强度与刚度分析、振动特性分析、热特性分析和电磁屏蔽特性分析等。针对不同的分析内容，CAE技术有不同的原理和数值方法，因此，广义的CAE技术可能包括种类繁多的分析方法。

有限元法作为一种有效的数值方法，可用于结构、流体、温度和电磁等物理场的分析，已在航空航天、汽车、机械和电子等行业得到广泛应用，成为目前应用最广的一种数值计算方法，因此CAE软件被很多人直接认为是有限元分析软件，或将有限元分析软件称为CAE软件。

3.CAM技术

CAM技术是利用计算机协助人进行制造活动的一种方法。广义CAM技术是指利用计算机所完成的一切与制造过程相关的方法和技术，涵盖工艺设计、生产规划和制造执行等过程。由于这些环节也有专门的技术和方法，如计算机辅助工艺规划（CAPP）、企业资源规划（ERP）和制造执行系统（MES）等，因此目前广泛采用狭义的CAM概念。狭义CAM技术是指利用计算机辅助完成零件数控加工程序的编制，主要内容包括工艺参数设置、加工方法选择、加工路径定义、加工过程仿真与碰撞检验、加工代码生成与后处理等。

4.CAD/CAE/CAM的集成与一体化应用

在CAD、CAE、CAM三种技术中，CAD系统提供产品的几何模型（包括零件模型和产品装配模型），CAE系统基于几何模型定义分析模型（如有限元网格的自动划分），CAM系统利用几何模型定义刀具路径。因此，几何模型是三者联系的纽带，如图1-2所示。

由图1-2可知，产品的几何模型是CAE、CAM系统工作的基础。如果三种系统彼此孤立（称为自动化孤岛），CAE、CAM系统在工作之前必须重新建立几何模型，这就会造成大量的重复工作，从而降低产品的开发效率。因此，CAD系统产生的几何模型应为CAE、CAM系统所重用，即CAD系统产生的几何模型应能够自动完整地传送到CAE、CAM系统，这种自动传送的机制就是CAD/CAE/CAM的集成方法。对于集成的CAD/CAE/CAM系统而言，由于几何模型能在3种系统之间自动传送和共享，因此设计、分析和制造过程可以有机地联系在一起。CAD系统的设计结果能得到CAE、CAM系统分析和制造工艺的验证，且及时指导设计方案的修改，因此形成了以几何模型为中心的CAD/CAE/CAM一体化应用。

目前，商用的CAD、CAE、CAM一体化软件有Creo、I-DEAS、UG和CATIA等，均可在统一的平台下实现设计、分析和制造3种功能，且内部统一的数据结构保证了设计数据、分析数据和制造数据的一致性和相关性，从而实现3种过程的联动，即设计数据的更改会自动影响分析模型和制造数据；同时，分析、制造环节对设计数据的修改也会自动反映到设计模型中，这种产品数据的全相关性是实现网络环境下并行设计的基础。

5.常见CAD/CAE/CAM软件

随着计算机技术的飞速发展，CAD/CAE/CAM技术也得到了快速发展。特别是20世纪90年代以来，三维CAD技术、具有自动化分网格功能的有限元分析技术、图形化数控（Numerical Control，NC）编程技术得到了广泛应用，涌现出一批功能强大的CAD/CAE/CAM软件，推动了CAD/CAE/CAM技术进入一个新的技术水平和应用阶段。

目前全球有很多商业化的CAD/CAE/CAM软件，它们具有各自的技术特点和优势，并在不同行业都得到应用。从功能角度来看，这些系统可分为以下两类。

1）以单一功能为主的CAD、CAE或CAM软件，如AutoCAD、SolidEdge等以设计为主要特征，ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS等以有限元分析为主要特征，MasterCAM则主要面向制造。这类软件的特点是专业化强、功能突出，特别是专业有限元分析软件的网络划分和计算能力很强。

2）集成的CAD/CAE/CAM软件，如Creo、I-DEAS、UG、CATIA、SOLIDWORKS等，以设计功能为主，集成了部分分析和制造功能。这类软件的特点是几种功能统一在同一软件平台下，各类数据传输方便，功能无缝集成，易于实现设计、分析和制造的并行，但分析和制造功能不及专业软件强。表1-1列出了目前市场上常用的CAD/CAE/CAM软件。

1.1.2 参数化设计

1.参数化设计的本质意义

新产品开发时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸存在一定模糊性，需在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就要求零件模型易于修改。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。

在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。

● 结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切和对称等。

● 尺寸约束是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸和半径尺寸等。

● 工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及其在数值和逻辑上的关系来表示。

在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来明确设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在设计参数改变时仍能维护这些基本关系。将参数分为两类：一类为各种尺寸值，称为可变参数；另一类为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，体现了设计人员的设计意图。

参数化设计可以大大提高模型生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适用于三维实体或曲面模型的建立。

2.参数化建模方法

（1）利用基本特征进行参数化设计

在进行参数化建模之前，首先要对模型进行形体分析，将其分解为一系列可以通过布尔运算的方式组合在一起的基本几何元素和特征，反之则无法通过基本特征进行参数化建模。在利用基本特征进行参数化建模时，只有长方体、圆柱体、圆锥体和球体等基本几何元素可作为主特征，其他特征均不能作为主特征，只能与其产生依附或参考关系。除主特征之外，其他各类特征如下。

● 基准特征：包括基准面、基准轴和基准坐标系，这些特征只能作为主特征与辅助特征之间的定位基准，在建模过程中这些特征是可以进行参数驱动的。

● 与曲线相关的特征：包括拉伸、旋转、扫描和管体，这些特征必须是对曲线进行操作，可以对实体的边缘进行操作，也可以与草图结合进行参数化建模。

● 附加特征：包括孔、槽和凸台等工程上常见的特征。虽然它们可以通过基本几何元素特征间接生成，但由于在建模过程中经常出现，所以将其进行特征标准化以便简化建模过程，降低出错概率。但是这些特征只能在主特征上进行操作，不能独立进行。

● 曲面相关特征：这类特征可以通过几何对象的抽取、由曲线生成和由边界生成等操作创建，它们与其对应的原始创建对象相互关联。

（2）利用草图进行参数化设计

草图是与实体模型相关联的二维图形。它的方便之处在于：草图平面可以进行尺寸驱动，通过对草图对象添加约束方式或修改约束值来改变设计参数，从而改变对象特征。通过对草图中的截面曲线进行拉伸、旋转和扫描等操作生成参数化实体模型，从而提取模型中的截面曲线参数和拉伸参数来实现整个模型的尺寸驱动。

需要注意的是，无论使用哪一种方法进行参数化建模，在建模过程中只能有一个主特征，其他特征都依附于主特征，通过定位主特征基准点等几何元素，可与主特征保持固定的位置关系。

3.应用软件

常用的参数化设计CAD软件中，主流的应用软件有Creo（前身是Pro/Engineer）、UG、CATIA和SOLIDWORKS，四大软件各有特点并在不同的领域中分别占据一定的市场份额。Creo是参数化设计的鼻祖，因其参数化的特点在上市后迅速抢占了传统CAD软件巨头UG和CATIA的部分市场份额，它主要应用于消费电子、小家电和日用品、发动机设计等行业。UG和CATIA两个传统的软件巨头紧随Creo之后加入了参数化设计的功能，在传统的制造行业，如汽车、航空航天等行业，这两款软件占据绝对的市场份额。