1.1 CAD/CAE/CAM技术简介

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、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，载体为图样。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。分析是指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、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，使产品从设计、分析到制造的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、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，实现三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、装配设计等）的方法和技术，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和技术，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学与动力学特性分析、强度与刚度分析、振动特性分析、热特性分析、电磁屏蔽特性分析等。针对不同的分析内容，CAE基于不同的原理和数值方法。因此，广义的CAE技术可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、电磁等物理场的分析，已在航空航天、汽车、机械、电子等行业得到广泛应用，成为目前应用广泛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、制造执行等，但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）、制造执行系统（MES）等。狭义CAM是指利用计算机辅助完成零件数控加工程序的编程，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。目前广泛采用狭义的CAM概念。

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轨迹。因此，几何模型是三者联系的纽带，如图1-2所示。

由图1-2所示可知，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系统在工作之前势必要重新建立几何模型，这就会造成大量的重复劳动，从而降低产品的开发效率。因此，CAD系统产生的几何模型应能为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，由于几何模型能在三种系统之间自动传送和共享，因此设计、分析、制造过程可以有机联系在一起。CAD系统的设计结果能得到CAE、CAM系统的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SolidWorks、Creo、I-DEAS、UG、CATIA等，这些软件均可在统一的平台下实现设计、分析和制造三种功能，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，从而实现三种过程的联动，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系统

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、具有自动划分网格功能的有限元分析技术、图形化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系统，继而推动了CAD/CAE/CAM技术进入一个新的技术水平和应用阶段。

目前的CAD/CAE/CAM系统都具有各自的技术特点和优势，并在不同行业都得到了应用。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系统，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。这类系统的特点是专业化强，功能突出，特别是专业有限元分析软件的网格划分和计算能力很强。

2）集成的CAD/CAE/CAM软件系统，如SolidWorks、Cero、I-DEAS、UG、CATIA等，以设计功能为主，集成了部分分析和制造功能。这类系统的特点是将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。目前市场上常用的CAD/CAE/CAM系统见表1-1。