1.1 CAD/CAE/CAM技術簡介

產品開發過程大體分為設計、分析和制造3個主要環節。提高產品開發效率、縮短開發周期是企業十分關注的問題。其中，設計是對產品的功能、性能、材料等內容進行定義，其主要結果是對產品形狀和大小的幾何描述。傳統設計的幾何描述方式是工程視圖，載體為圖樣。現代設計的幾何描述方式主要采用三維幾何模型，載體為計算機。分析是指對產品的功能和性能進行預測和驗證，以保證產品在制造以后能夠實現預期功能和滿足各種性能指標。分析是保證產品質量的重要環節，是評估設計方案、優化產品結構的重要手段。制造是利用生產系統將設計結果轉化為產品實物的過程，主要包括工藝設計、生產調度、加工、裝配、檢測等環節。

隨著計算機科學技術的發展，計算機輔助設計（Computer Aided Design, CAD）、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）等技術在產品研發過程中得到了廣泛應用，使產品從設計、分析到制造的整個過程發生了深刻變化，極大地提高了產品質量和研發效率，已成為企業技術創新和開拓市場的重要技術手段。計算機技術在產品開發過程中的應用如圖1-1所示。

CAD、CAE、CAM是分別支撐設計、分析和制造環節的信息化技術，具有各自獨特的功能，且相互內在關聯。將CAD、CAE、CAM技術有機集成，實現三種技術的一體化應用，是進一步提高產品開發效率的有效途徑。

1.CAD技術

CAD技術是指工程技術人員利用計算機從事工程設計（如草圖繪制、零件設計、裝配設計等）的方法和技術，其實質是將設計意圖轉化為計算機表示的可視化模型方法，其作用是表達工程產品的外形結構，為產品評估、分析和制造提供依據。

2.CAE技術

CAE技術是利用計算機從事工程分析的方法和技術，其實質上是一種數值計算方法，其作用是預測產品性能，為產品結構優化提供依據和手段。工程分析的內容包括產品的運動學與動力學特性分析、強度與剛度分析、振動特性分析、熱特性分析、電磁屏蔽特性分析等。針對不同的分析內容，CAE基于不同的原理和數值方法。因此，廣義的CAE技術可包括種類繁多的分析方法。

有限元法作為一種有效的數值方法，可用于結構、流體、溫度、電磁等物理場的分析，已在航空航天、汽車、機械、電子等行業得到廣泛應用，成為目前應用廣泛的一種數值計算方法。因此，CAE軟件被很多人直接認為是有限元分析軟件，或將有限元分析軟件稱為CAE軟件。

3.CAM技術

CAM技術是利用計算機協助人進行制造活動的一種方法。廣義CAM是指利用計算機所完成的一切與制造過程相關的方法和技術，涵蓋工藝設計、生產規劃、制造執行等，但這些環節也有專門的技術和方法，如計算機輔助工藝規劃（CAPP）、企業資源規劃（ERP）、制造執行系統（MES）等。狹義CAM是指利用計算機輔助完成零件數控加工程序的編程，主要內容包括工藝參數設置、加工方法選擇、加工路徑定義、加工過程仿真與碰撞檢驗、加工代碼生成與后處理等。目前廣泛采用狹義的CAM概念。

4.CAD/CAE/CAM的集成與一體化應用

在CAD、CAE、CAM三種技術中，CAD系統提供產品的幾何模型（包括零件模型和產品裝配模型），CAE系統基于幾何模型定義分析模型（如有限元網格的自動劃分），CAM系統利用幾何模型定義刀具軌跡。因此，幾何模型是三者聯系的紐帶，如圖1-2所示。

由圖1-2所示可知，產品的幾何模型是CAE、CAM系統工作的基礎。如果三種系統彼此孤立（稱為自動化孤島），CAE、CAM系統在工作之前勢必要重新建立幾何模型，這就會造成大量的重復勞動，從而降低產品的開發效率。因此，CAD系統產生的幾何模型應能為CAE、CAM系統所重用，即CAD系統產生的幾何模型應能夠自動完整地傳送到CAE、CAM系統，這種自動傳送的機制就是CAD/CAE/CAM的集成方法。對于集成的CAD/CAE/CAM系統而言，由于幾何模型能在三種系統之間自動傳送和共享，因此設計、分析、制造過程可以有機聯系在一起。CAD系統的設計結果能得到CAE、CAM系統的分析和制造工藝的驗證，且及時指導設計方案的修改，因此形成了以幾何模型為中心的CAD/CAE/CAM一體化應用。

目前，商用的CAD、CAE、CAM一體化軟件有SolidWorks、Creo、I-DEAS、UG、CATIA等，這些軟件均可在統一的平臺下實現設計、分析和制造三種功能，且內部統一的數據結構保證了設計數據、分析數據和制造數據的一致性和相關性，從而實現三種過程的聯動，即設計數據的更改會自動影響分析模型和制造數據，同時分析、制造環節對設計數據的修改也會自動反映到設計模型中，這種產品數據的全相關性是實現網絡環境下并行設計的基礎。

5.常見CAD/CAE/CAM系統

隨著計算機技術的飛速發展，CAD/CAE/CAM技術也得到了快速發展。特別是20世紀90年代以來，三維CAD技術、具有自動劃分網格功能的有限元分析技術、圖形化NC編程技術得到了廣泛應用，涌現出一批功能強大的CAD/CAE/CAM系統，繼而推動了CAD/CAE/CAM技術進入一個新的技術水平和應用階段。

目前的CAD/CAE/CAM系統都具有各自的技術特點和優勢，并在不同行業都得到了應用。從功能角度來看，這些系統可分為以下兩類。

1）以單一功能為主的CAD、CAE或CAM系統，如AutoCAD、SolidEdge等以設計為主要特征，ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS等以有限元分析為主要特征，MasterCAM則主要面向制造。這類系統的特點是專業化強，功能突出，特別是專業有限元分析軟件的網格劃分和計算能力很強。

2）集成的CAD/CAE/CAM軟件系統，如SolidWorks、Cero、I-DEAS、UG、CATIA等，以設計功能為主，集成了部分分析和制造功能。這類系統的特點是將幾種功能統一在同一軟件平臺下，各類數據傳輸方便，功能無縫集成，易于實現設計、分析和制造的并行，但分析和制造功能不及專業軟件強。目前市場上常用的CAD/CAE/CAM系統見表1-1。