CAD/CAM(計算機輔助設計與制造)技術產生於20世紀50年代末發達國家的航空和軍事工業，並隨著計算機軟硬件技術和計算機圖形技術的發展而迅速成長。1989年，國家工程院將CAD/CAM技術評為工程技術十大傑出成果之壹(1964-1989)。在過去的30年中，CAD技術和系統發展迅速，CAD/CAM的應用迅速普及。在發達國家，CAD/CAM技術的應用已經迅速從軍事工業擴展到民用工業，從大型企業擴展到中小型企業，從高科技應用擴展到家用電器和輕工業產品的設計和制造。這項技術正從發達國家“流向”發展中國家。
CAD是壹個範圍很廣的概念。壹般來說，CAD設計對象有兩種:壹種是機械、電氣、電子、輕工、紡織產品；另壹種是工程設計產品，即工程建築，在國外簡稱為AEC(建築、工程和施工)。如今，CAD技術的應用範圍已經擴展到藝術、電影、動漫、廣告、娛樂等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，應用前景廣闊。
CAD在機械制造業中應用最早，也最廣泛。利用CAD技術設計產品，不僅可以使設計人員擺脫繪圖板，更新傳統設計思想，實現設計自動化，降低產品成本，提高企業及其產品在市場上的競爭力；還可以將原來的串行操作轉變為並行操作，建立全新的設計和生產技術管理體系，縮短產品開發周期，提高勞動生產率。當今世界各大航空、航天和汽車制造巨頭不僅廣泛使用CAD/CAM技術進行產品設計，而且投入大量的人力、物力和資金開發CAD/CAM軟件，以保持其在技術上的領先地位和在國際市場上的優勢。
計算機輔助建築設計(CAAD)是CAD在建築領域的應用，給建築設計帶來了壹場真正的革命。隨著CAAD軟件從2D通用繪圖軟件發展到三維建築模型軟件，CAAD技術得到了廣泛應用，不僅可以提高設計質量，縮短項目周期，還可以節省2%至5%的建設投資。近年來，我國每年的基本建設投資已達數千億元。如果全國有近萬家工程設計單位采用CAD技術，可以大大提高基本建設的投資效益。
CAD技術也用於紡織和服裝行業。過去，我國紡織服裝的圖案設計、圖案協調、色彩變換、圖案分色、草圖繪制、配色都是手工完成，速度慢，效率低。目前國際市場對紡織服裝的要求是小批量、多花色、高質量、交貨快，這使得中國的紡織產品在國際市場上沒有競爭力。CAD技術的采用大大加快了中國紡織服裝企業進入國際市場的步伐。
如今，CAD技術已經進入了人們的日常生活，在電影、動漫、廣告、娛樂等領域發揮了巨大的作用。CAD技術用於電影拍攝已經有十幾年的歷史了。美國好萊塢電影公司主要利用CAD技術構造場景，可以利用虛擬現實設計出人工無法完成的場景。這不僅可以節省大量的人力物力，降低影片的拍攝成本，還可以為觀眾營造壹個新奇古怪、難以想象的環境，獲得巨大的票房收入。比如《星球大戰》、《異形》、《《侏羅紀公園》》等美國科幻電影，以及完全由三維電腦動畫制作的《玩具總動員》，都取得了巨大的成功。轟動全球的大片《泰坦尼克號》使用了大量的三維動畫，用電腦模擬了泰克號航行和海難的全過程。此外，計算機建模技術被充分運用於動畫和廣告制作中，本質上也是壹種虛擬現實技術。虛擬現實技術還用於各種模擬器和場景的實時漫遊和娛樂遊戲。
近十年來，隨著CIMS工程和CAD應用工程的推進，計算機輔助設計技術在我國的應用越來越普遍，越來越多的設計單位和企業采用該技術來提高設計效率、產品質量和工作條件。目前我國從國外引進的CAD軟件有幾十種，國內壹些科研機構、高校和軟件公司也開發了自己的CAD軟件並投放市場。CAD技術在中國的應用呈現出壹派欣欣向榮的景象。
二、CAD/CAM領域的技術現狀
1的特點。CAD技術
CAD技術是集計算機圖形學、數據庫、網絡通信等知識於壹身的計算機等領域的綜合性高新技術。它是先進制造技術的重要組成部分；也是提高設計水平、縮短產品開發周期、增強行業競爭力的關鍵技術。CAD技術的特點是廣泛而復雜，技術變化快，競爭激烈，投資大，風險高，產出高。現代知名的CAD/CAM軟件規模龐大，功能繁多，系統復雜，難以跟上硬件平臺和開發環境的快速發展，以及用戶不斷變化和增長的要求。
2.2的硬件環境。CAD系統
目前，CAD系統的硬件環境主要是工程工作站和個人計算機。工作站是壹種交互式計算機系統，具有高速科學計算、豐富的圖形處理和靈活的窗口及網絡管理功能。壹般具有32位或64位字長的中央處理器(CPU)，廣泛使用RISC、超標量、超級流水線和超長指令技術，具有Unix操作系統和X-window管理系統，運行在分布式網絡環境中。目前比較流行的工作站主要有:Sun公司的SPARCStation10工作站、美國惠普公司的HP-PA工作站、DEC公司的Alpha工作站、SGI工作站、IBM公司的RS/6000工作站。工作站雖然性能優越，圖形處理速度快，但價格非常昂貴，在目前壹定程度上限制了CAD/CAM技術的推廣。
在過去，個人計算機在計算、圖形、網絡和並行處理方面與工作站有很大不同。運行在個人電腦上的DOS、Windows等系統軟件在可靠性、安全性、效率等方面都不如工作站上的系統軟件。但隨著計算機硬件技術的飛速發展，個人計算機計算能力和圖形處理能力的不斷提高以及操作系統的逐步完善，個人計算機與專業RISC/Unix工作站的性能差距逐漸縮小。特別是Intel的PentiumPro和Pentium II芯片以及微軟的WindowsNT的發布，使得個人電腦在性能上與低端工作站充分競爭，個人電腦低廉的價格使其在普及CAD應用方面發揮了不可替代的作用。
3.當今CAD/CAM領域的主流技術。
(1)基礎建模技術(參數化設計、變量化設計和特征建模技術)
在CAD技術發展的早期，CAD僅限於計算機輔助繪圖。隨著計算機軟硬件技術的飛速發展，CAD技術從二維平面繪圖發展到三維產品建模，進而產生了三維線框建模、曲面建模和實體建模技術。如今，參數化、變量化的設計思想和特征建模代表了CAD技術的發展方向。
傳統的CAD繪圖軟件總是用固定的尺寸值定義幾何元素。要修改繪圖，必須刪除原始線條並重新繪制。而新產品的打樣設計必然會經過多次修改，對零件的形狀和尺寸進行綜合協調和優化，大部分設計工作都是在原設計的基礎上進行的。因此，在新的CAD系統中加入了參數化和變量化的設計模塊，使產品的設計圖紙隨著壹些結構尺寸的修改和使用環境的變化而自動修改，可以減少大量的重復性工作，減少設計工作量。
參數化設計壹般是指設計對象的結構形狀相對固定，可以用壹組參數來約定尺寸關系。參數的求解相對簡單，參數與設計對象的控制尺寸有明確的對應關系，設計結果的修改由尺寸驅動。生產中最常用的系列化標準件就屬於這種類型。變型設計(Variationaldesign)是指設計對象的修改需要更多的自由度，通過求解壹組約束方程來確定產品的尺寸和形狀。約束方程可以是幾何關系，也可以是工程計算條件，設計結果的修改是由約束方程驅動的。可變設計允許尺寸約束的存在，使設計者可以采用先形狀後尺寸的設計方法，先放符合設計要求的幾何形狀，暫時不考慮尺寸細節，設計過程相對寬松。變量設計可用於公差分析、運動機構的協調、設計優化、初步方案設計的選擇等。，尤其是在概念設計方面。
說到變量設計，就不能不提到美國SDRC公司的VGX技術。VGX(VariationalGeometryExtended)的縮寫，是可變技術發展的裏程碑。它的思想首先體現在SDRC公司的軟件產品I-Deamaster系列第壹版的變量構成中。VGX技術給CAD軟件帶來了前所未有的易用性。設計師可以直觀、實時地操作和修改產品的三維幾何模型，只需在壹個主模型中即可動態捕捉設計、分析和制造意圖，壹氣呵成。VGX技術大大提高了交互操作的直觀性和可靠性，從而使CAD軟件更易於使用，效率更高。
特征建模是CAD建模方法的壹個新的裏程碑，它是在CAD/CAM技術的發展和應用達到壹定水平並要求進壹步提高生產組織的集成化和自動化的歷史進程中孕育和成長起來的。以往的CAD技術從二維繪圖開始，經歷了三維線框、曲面、實體建模，都是著眼於提高產品的幾何描述能力，即只描述產品的幾何信息；特征建模著眼於更好地表達產品的完整功能和生產管理信息，為建立產品的集成信息模型服務。特征在這裏作為壹個技術術語，兼具形狀和功能屬性，包括產品的具體幾何形狀、拓撲關系、典型功能、繪圖表示方法、制造工藝和公差要求等。特征造型技術使產品設計工作在壹個更高的層次上進行，設計師的操作對象不再是原來的線條和體素，而是產品的功能元素。特征的引用直接反映了設計意圖，使建立的產品模型更易於人們理解和組織生產，為開發基於統壹產品信息模型的新壹代CAD/CAPP/CAM集成系統創造了前提。
(2)數據交換格式和標準化2)CAD (DXF格式、IGES格式和STEP標準)
隨著CAD技術的不斷發展和成熟，以及CAD在各行業應用的不斷深入，CAD標準化越來越顯示出其重要性。CAD標準化作為高技術標準化的壹部分，在CAD技術工作中起著重要的作用。“八五”期間，國家科委工業司和國家技術監督局標準司聯合發布了《CAD通用技術規範》，規定了我國CAD技術各方面的標準，CAD數據交換是CAD廣泛應用後各行業面臨的重要問題。由於CAD數據的急劇膨脹，不同CAD系統生成的數據文件采用不同的數據格式，甚至每個CAD系統中的數據元素類型也不相同，這潛在地阻礙了CAD技術的進壹步應用和發展。因此，如何使企業的CAD技術信息得到最大限度的享用和有效的管理，是標準化面臨的壹個非常重要的課題。
目前，在微型計算機和工作站上用於數據交換的圖形文件標準主要有AutoCAD系統的DXF(DataExchangeFile)文件、美國的IGES(Initial Graphics Exchange Specification)和國際標準的STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)。其他比較重要的標準還有:由ESPRIT(歐洲信息技術研究與發展戰略規劃)資助的CAD-I標準(限於有限元和形狀數據信息)；德國VDA-FS標準(主要用於汽車行業)；法國SET標準(主要用於航天工業)等等。
AutoCAD DXF文件是壹種特殊格式的ASCII文本文件，易於閱讀和被其他程序處理。主要用於實現用高級語言編寫的程序與AutoCAD系統之間的連接，或者其他CAD系統與AutoCAD之間的圖形文件交換。由於AutoCAD在世界範圍內應用廣泛，已經滲透到各行各業，其數據文件格式已經成為事實上的工業標準。DXF圖形數據交換文件為CAD/CAM技術的推廣應用提供了極大的便利。但由於DXF文件開發較早，從目前來看，它肯定有很多不足:不能描述產品的完整幾何模型，難以進壹步開發；其信息定義不完整，僅保留了原系統數據結構中的幾何和部分屬性信息，大量拓撲信息不復存在；其信息描述也存在很多缺陷，使得部分信息過於冗長；文件格式復雜不合理。因此，Autodesk最近強調在網絡上使用二進制DWG和DWF格式作為其數據傳輸標準，但這兩種格式都不是公共的，因此很難將其作為其他CAD系統的工業標準。
IGES標準最早是由ANSI在20世紀80年代初制定的。它基於波音公司的CAD/CAM集成信息網絡、通用電氣公司的中央數據庫和其他數據交換格式。它最初的版本僅限於描述工程圖紙的幾何圖形和註釋，然後它包括電氣、有限元、工廠設計和建築設計。1988年6月發布的IGES4.0吸收了ESP中的CSG(構造方法論)和裝配模型，然後對其進行了擴展，增加了新的圖形表示、三維管道模型和FEM(有限元模型)功能的改進。IGES5.0中定義了B-rep模型。然而，IGES在文件結構中不合理地定義了直接存取指針系統。其應用中暴露的主要問題是:
數據文件過大，數據轉換處理時間過長；
有些幾何類型不穩定；
只關註圖形數據的轉換而忽略其他信息的轉換。
盡管如此，IGES仍然是各國廣泛使用的事實上的國際標準數據交換格式，中國自2003年9月1993起采用IGES3.0作為國家推薦標準。
產品模型數據交換標準STEP是國際標準化組織(ISO)技術委員會TC184(工業自動化系統技術委員會)下的產品模型數據外部表示SC4分委員會制定的國際統壹的CAD數據交換標準。所謂產品模型數據，是指在產品的整個生命周期中，為應用全面定義的壹個產品的所有數據元素。它包括為設計、分析、制造、測試、檢驗和產品支持而全面定義的零件或部件的幾何、拓撲、公差、關系、屬性和性能等數據，還可能包括壹些與加工相關的數據。產品模型可以為生產任務、直接質量控制、測試和產品支持提供全面的信息。
STEP為產品在其生命周期中提供了壹種唯壹的、可以被計算機處理的描述和信息表達形式。這種形式獨立於任何特定的計算機系統，可以確保在各種應用程序和不同系統中的壹致性。該標準還允許不同的實現技術來促進產品數據的訪問、傳輸和存檔。STEP標準是為CAD/CAM系統提供中性產品數據而開發的公共資源和應用模型，涉及建築、工程、結構、機械、電氣、電子工程、船體結構等所有產品領域。在產品數據共享方面，STEP標準提供了四個層次的實現方法:ASCII代碼中的中性文件；用於訪問存儲器結構數據的應用程序接口；* * *享受數據庫，* * *享受知識庫。毫無疑問，這將給商業和制造業帶來巨大的變革，而STEP標準在以下幾個方面具有明顯的優勢:壹是經濟效益顯著；二是數據範圍廣、精度高，應用協議消除了產品數據的歧義；第三，易於集成和擴展；第四，技術先進，層次清晰，分為通用資源(子標準40系列)、應用資源(子標準100系列)、應用協議(子標準200系列)三部分。如今，STEP標準已經成為國際公認的CAD數據文件交換的全球統壹標準，許多國家都根據STEP標準制定了相應的國家標準。我國STEP標準的制定由CSBTSTC159/SC4完成，我國STEP標準對應的標準號為GB16656。STEP標準的問題是整個系統極其龐大，標準制定過程緩慢，數據文件比IGES大。目前商用CAD系統提供的STEP應用協議只有AP203《配置控制設計》，包括產品配置管理、曲面和線框模型、實體模型的刻面邊界表示和曲面邊界表示、AP214《汽車機械設計過程核心數據》。
三、國內CAD市場現狀及主流CAD/CAM軟件產品
1.概觀
中國自20世紀60年代開始研發CAD軟件以來，經過六五、七五、八五的成果積累，CAD軟件產業在建築、石化、輕工、造船、機械、電子等行業以及二維參數化繪圖、有限元分析、曲面造型、數控加工編程等方面已初具規模，成績顯著，其中建築CAD軟件在國內已占據主導地位。比較知名的有:中國建築科學研究院的ABD建築、結構與設備系列軟件，北京華夏正邦科技有限公司的BICAD集成民用建築結構系統，PKPM系列建築工程軟件，德賽建築裝飾軟件系列..目前中國自主版權CAD軟件基本都是微機版，價格合適，符合中國設計師的設計習慣。雖然在資金投入、商業包裝和企業集團化、規模化等方面與國外同類CAD軟件相比有壹定差距，但仍具有廣闊的市場前景和發展潛力。下面介紹壹下目前國內市場上主要的CAD/CAM產品。
2.進口主要國外軟件
(1)AutoCAD和MDT
AutoCAD系統是美國Autodesk公司為微型計算機開發的交互式繪圖軟件。它基本上是壹個二維工程制圖軟件，具有較強的繪圖、編輯、繪制剖面線和圖案、尺寸標註和用戶友好的二次開發功能，以及壹些三維繪圖和建模功能。它是目前世界上應用最廣泛的CAD軟件，約占全球個人計算機CAD/CAE/CAM軟件市場的37%，是眾多微機CAD軟件的領頭羊，將其他微機CAD軟件如Cadkey、EagleCAD、CAD-Plan等遠遠甩在後面。現在AutoCAD發布了R14版本，中國文化最新版本上市。
MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在機械行業推出的基於參數化特征實體造型和曲面造型的微機CAD/CAM軟件。據說目前已經安裝了2萬多臺，MDT的用戶主要有:中國壹汽集團、荷蘭飛利浦、德國西門子、日本東芝、美國休斯等。
(2)專業/工程師
Pro/Engineer系統是美國參數技術公司(簡稱PTC)的產品。壹出來(1988)就以其先進的參數化設計和基於特征設計的實體建模受到用戶的歡迎。隨後，各大CAD/CAM公司也推出了基於約束的參數化建模模塊。另外，Pro/Engineer從壹開始就建立在工作站上，使得系統獨立於硬件，易於移植。系統用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程師的設計思路和習慣。Pro/Engineer整個系統基於統壹的數據庫，具有完整統壹的模型，可以將整個設計到生產過程集成在壹起。它有20多個模塊供用戶選擇。基於以上原因，Pro/Engineer成為近年來三維機械設計領域最具吸引力的系統，其銷量和用戶群仍在以最快的速度發展。而且PTC最近收購了Computervision(簡稱CV)公司，進壹步加強了PTC的實力。
(3)I-DEASMasterSeries5
I-Deamaster系列是美國SDRC(結構動力研究公司)推出的新壹代機械設計自動化軟件，從1993。也是SDRC在CAD/CAE/CAM領域的旗艦產品，以集成度高、功能強大、易學易用著稱。I-Deamaster系列5於今年6月20日在美國首次展出。其最大的突破是引入了VGX技術，大大提高了交互操作的直觀性和可靠性。此外，該版本還增強了復雜零件設計、高級曲面建模、有限元建模和耐久性分析等功能。在國內，正式使用I-Deamaster系列軟件的用戶超過400家，在三維實體機械設計自動化軟件中占據領先地位。因為SDRC公司前期是以工程和結構分析為主逐漸發展起來的，工程分析是公司的專長。最近，SDRC也集中優勢力量，加強數控加工功能的開發。
(4)CATIA
CATIA系統是法國飛機公司DassaultSystems工程部門開發的產品。該系統是在CADAM系統(最初由美國洛克希德公司開發，後並入美國IBM公司)的基礎上開發的。原CADAM系統的源程序在CAD購買，著名的APT系統的源程序在加工購買。經過幾年的努力，形成了商業化的體系。CATIA系統現已發展成為壹個集成的CAD/CAE/CAM系統，具有統壹的用戶界面、數據管理和兼容的數據庫和應用程序接口，並擁有20多個獨立的定價模塊。系統的工作環境是IBM大型機和RISC/6000工作站。如今CATIA系統在全球30多個國家擁有近2000個用戶，美國波音飛機公司的波音777就是其代表作之壹。
(5)歐幾裏得
歐幾裏德軟件是法國MATRA公司信息部的產品。它是法國國家科學研究中心為英法聯合研制的超音速客機協和式飛機研制的。該軟件具有統壹的面向對象的分布式數據庫，不需要在三維實體、復雜曲面、二維圖形和有限元分析模型之間進行任何數據轉換。因為數據是相互引用的，而不是簡單的復制，所以當用戶修改設計的壹部分時，其他相關的數據也會自行更新。該軟件主要運行在SGI、DEC、Sun和HP工作站上。據說在近40個國家有超過65，438+0，200個用戶。主要用戶是MATRA、雷諾、馬也、奔馳、大眾/奧迪、通用動力、日產、NEC和歐米茄手表。
(6)優創(Unigraphics)
UG源於美國麥道(MD)公司的產品，於1991年6月並入美國通用汽車公司EDS分公司。如今，EDS是全球最大的信息技術(IT)服務公司，UG由旗下獨立子公司UnigraphicsSolutions開發。UG是集CAD、CAE、CAM於壹體的機械工程輔助系統，適用於航天飛行器、汽車、通用機械、模具的設計、分析和制造。該軟件可以在HP、Sun、SGI等工作站上運行，號稱總安裝數近3萬。UG采用基於特征的實體建模，具有尺寸驅動的編輯功能和統壹的數據庫，實現了CAD、CAE、CAM之間的自由切換，無需數據交換。UG具有很強的數控加工能力，可以進行2軸~ 2.5軸和3軸~ 5軸聯動的復雜曲面的加工和鏜銑。UG還提供了GRIP、UFUNG、ITK等二次開發工具，允許用戶擴展UG的功能。UG於20世紀90年代初進入中國市場，已安裝了約2000臺。
(7)SolidWorks
SolidWorks是基於Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統，由美國SolidWorks公司於6月1995 11開發，價格僅為工作站CAD系統的四分之壹。軟件采用自頂向下的設計方法，可以動態模擬裝配過程。它采用基於特征的實體建模，號稱100%參數化設計，100%可修改性。同時擁有中英文兩種界面選擇其高級特征樹結構，操作更加簡單直觀。該軟件由盛鑫國際有限公司於65438年6月至0996年8月正式引入中國，由於其基於Windows平臺，價格合理，在中國具有廣闊的市場前景。
3.中國開發的主要軟件
(1)PICAD
PICAD系統及系列軟件是由中國科學院凱斯軟件集團和北京凱斯博宏應用工程公司合作開發的具有自主版權的CAD軟件。該軟件具有智能化、參數化和開放性，能夠自動捕捉和動態導航特征點和坐標。系統提供局部圖形參數化、參數化像素組裝和可擴展的參數符號庫；在交互環境中提供開放的二次開發工具，用戶可以隨意添加功能或開發專業應用軟件。PICAD是國內最早商業化的CAD支撐平臺和市場占有率最大的交互式工程制圖系統。自1991推出國內首個商業化的2D CAD系統以來，經過幾年的發展，PICAD的用戶已遍布各行業和各省市，截至1997年底已安裝近8000套。
(2)高華CAD
北京高華計算機有限公司是由清華大學和廣東科龍(榮盛)集團共同出資組建的高科技企業，總部設在清華大學。高華CAD系列產品包括計算機輔助繪圖支持系統GHDrafting、機械設計與繪圖系統GHMDS、工藝設計系統GHCAPP、三維幾何造型系統GHGEMS、產品數據管理系統GHPDMS、自動數控編程系統GHCAM。高華CAD也是基於參數化設計的CAD/CAE/CAM集成系統，是國家CAD應用工程的主要產品之壹，其中GHGEMS5.0在第二次國家自主版權CAD支撐軟件評審中獲得第壹名。如今，高華CAD軟件已被300多家大中型企業和科研院所采用，裝機量據說已超過1萬臺。
(3)清華XTMCAD
清華XTMCAD是清華大學機械CAD中心與北京清華埃克塞特CIMS技術公司聯合開發的CAD軟件，基於Win95、AutoCADR12和R13。它具有動態導航、參數化設計、圖形庫的建立和管理等功能，還具有常用零件優化設計、工藝模塊和工程圖管理等模塊。作為Autodesk註冊並認可的軟件增值開發者，可以直接獲得Autodesk的技術支持，其優勢在於CIMS工程支持數據的交換和* * *享受。
(4)穆凱CAD
穆凱CAD是華中科技大學機械工程學院開發的具有自主版權的基於計算機的CAD和圖紙管理軟件。它面向工程實踐，模擬人的設計和繪圖思路，操作簡單，機械制圖的效率遠高於AutoCAD。穆凱CAD同時支持多種幾何約束和多視圖驅動，具有局部參數化功能，可以處理設計中的過約束和欠約束情況。穆凱CAD實現了CAD、CAPP、CAM的壹體化，適合中國設計師的習慣，是國家CAD應用工程的主要產品之壹。