1.2 CAD、CAE、CAM的基本概念

计算机辅助设计（CAD）技术是在产品开发过程中使用计算机系统辅助产品创建、修改、分析和优化的有关技术。这样，任何嵌入了计算机图形学的计算机程序和在设计过程中使工程设计变得容易进行的应用程序，都归类为CAD软件。换言之，CAD工具包括了从创建形体的几何建模工具到诸如分析、优化应用程序的所有工具。目前，可以使用的典型工具包括公差分析、质量属性计算、有限元建模和分析结果的可视化。CAD最基本的功能是定义设计的几何形状，这里所说的设计可以是机械零件、建筑结构、电子电路和建筑平面布局等的设计，这是因为设计的几何形状是产品周期中后续各项工作的基础。计算机辅助绘图系统和几何建模系统典型地应用于这一目的，这也是这些系统被称为CAD软件的原因。此外，这些系统所建立的几何模型是执行后续CAE和CAM中其他功能的基础，这是CAD最大的优点之一，因为它可以节省重新定义几何形状所需的大量时间，也可以减小因此而造成的出错概率。因此，我们说计算机辅助绘图系统和几何建模系统是CAD中最重要的组成部分。

计算机辅助工程（CAE）技术是使用计算机系统来分析CAD几何模型，允许设计者模拟并研究产品的行为，以便进行改进和优化产品设计。有许多用于分析工作的CAE工具可供选择，例如，运动学程序可用来确定机构中的运动路径和连杆速度，大位移动力学分析程序可用来确定诸如汽车这样复杂的装配体中的载荷和位移，逻辑时序和验证软件可用来模拟电子电路的运行。

应用最广泛的计算机辅助分析方法是有限元方法（Finite Element Method，FEM）。这种方法可以解决应力、变形、热传递、磁场分布、流体流动和其他方法无能为力的连续域问题。在有限元分析中，用一些相互联结的单元构成分析模型来表示结构，这些单元把问题划分成了计算机容易处理的不同部分。

如前所述，有限元方法需要一个适当抽象的抽象模型而不是产品几何模型本身。这个抽象模型不同于产品几何模型，抽象模型是通过消除几何模型中一些不必要的细节或通过减少维数而得到的。例如，当一个厚度很薄的三维实体转换为分析模型时，它就变成了一个二维的壳体模型。因此，为了应用有限元方法，需要交互地或自动地生成一个抽象模型。一旦抽象模型生成，将用抽象模型来生成有限单元网格。能够构建抽象模型并且生成有限单元网格的软件工具，称为预处理器或前处理器。在对每一个有限单元网格进行分析之后，计算机集成分析结果，并进行可视化显示，如应力大的区域可以用红色显示。这种可视化显示的软件工具称为后处理器。

有许多优化设计软件工具可供选择。尽管优化设计软件属于 CAE工具，但是它们通常单独列为一类。可以将优化设计和分析工具集成，以自动地确定设计形状。在这些方法中，假定原始设计形状是一个简单的形状，如一个不同密度的小单元组成的二维矩形，然后，执行优化程序计算满足应力约束条件下这些密度的最佳值，以达到一定的优化目标。优化目标通常重量最小。对于基于密度的最优化来说，产品最优化形状可以通过消除低密度单元来获得。

设计分析和最优化的优点是使工程师，在进入到费时、费钱的制造和测试物理原型之前，了解产品是如何工作的，以及发现产品设计中的缺陷。因为在产品研发过程的后期阶段，工程成本是呈指数增长的，所以，早期使用CAE分析进行改进和优化，可以大大缩短整个产品开发过程的时间和降低开发费用。

计算机辅助制造（CAM）技术是将计算机系统直接或间接地应用于计划、管理和控制生产作业的有关技术。CAM最成熟的应用领域之一是数字控制，或简称为NC。这种技术是使用可编程的指令来控制机床，进行磨削、切割、冲压、成形、车削等作业，将原材料加工成零件。目前，计算机使用基于CAD数据库的几何数据，加上由操作人员提供的有关信息，可以生成大量的数控指令。CAM的研究集中于最小化操作人员的交互工作。

CAM的另一个重要作用是机器人编程，使机器人可以在加工单元内进行作业，为数控机床选择刀具、定位工件等。这些机器人可以独立地完成诸如焊接、装配或在车间内搬运设备或零件的任务。

实现工艺设计自动化也是计算机自动化的一个目标，当工件从车间的一个工作站运送到另一个工作站时，工艺设计已经为它制定了从开始到结束所需的详细生产步骤。如前所述，完全彻底的工艺制定自动化是不可能实现的，然而如果一个零件的工艺已经制定的话就可以自动生成与这个零件相似零件的工艺。将相似零件归为一类的成组技术，可以达到这个目的。如果这些零件有诸如沟槽、斜面、孔等常见制造特征，就可以把它们归为不同的类。因此，为了能够自动地检索到具有相似特征的零件，CAD数据库中必须包含这些特征信息，基于特征的建模技术或特征识别技术可以完成上述任务。

此外，计算机还可以用来决定什么时间订购原材料和零件及订购多少，以完成生产计划，我们称之为物料需求计划（Material Requirements Planning，MRP）。计算机也可以用来监视车间中机器的工作状态，并给它们发出适当的指令。

由此可见，CAD、CAE、CAM是自动完成产品周期中指定任务并使工作更有效的技术。由于这些系统都是独立开发的，所以无法充分认识到将产品周期中设计和制造活动集成起来的需求。为了解决这一问题，提出了一种称为计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的新技术。CIM的目标是把一个个单独的自动化孤岛集成为一个连续平滑运行的高效系统。CIM通过使用计算机数据库使整个企业高效运行，并且对财务、报表、运输和其他管理都产生了很大影响，是对CAD、CAM和CAE工程设计和生产功能的补充。通常情况下，CIM被认为是经营哲理，而不是计算机系统。