简介

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计算机辅助技术(Computer Aided Technologies）是采用计算机作为工具，将计 算机用于产品的设计、制造和 测试等过程的技术，辅助人们在特定应用领域内完成任务的理论、方法和技术。它包括了诸如 计算机辅助设计( CAD）、 计算机辅助制造( CAM）、 计算机辅助教学( CAI）等各个领域。“辅助”是强调了人的主导作用，计算机和使用者构成了一个密切交互的 人机系统。

计算机辅助技术在计算机的应用领域不断扩大，应用水平不断提高和计算机科学技术的快速进展情况下不断深入和拓宽发展。 CAD和 CAM首先在飞机、汽车和船舶等大型制造业应用中趋于成熟。发展了许多共性的技术，开发出许多可供公用的 工具软件和应用软件，其应用逐步推广到机械、 电子、轻纺和服装等产品的制造业以及建筑、土建等工程项目。同时，它的技术和方法也被推广到新的计算机辅助 领域，例如 计算机辅助工艺规划( CAPP）、 计算机辅助测试( CAT）、计算机辅助质量控制（ CAQ），以及应用计算机对制造型企业中的生产和经营活动的全过程进行总体优化组合的计算机集成制造系统（ CIMS）。另外，还有用于教学和培训目的的 计算机辅助教学（CAI）。

因为在各种 计算机辅助系统的运作过程中都会频繁地涉及到大量信息和数据，因此 数据库管理系统也是它们重要的组成部分，甚至是核心部分。但是目前已较为成熟的商用 数据库管理系统常常不能满足其需要。例如CAI系统和应用于编辑出版领域的 CAD系统中，处理的信息常是多种媒体，因此需要 多媒体数据库。在CAD或 CIMS环境下提供服务的 工程数据库，它的概念模式要描述成千上万个不同类型的实体，其相互间关联非常复杂，而且不稳定，需经常修改。这些新型 数据库管理系统正处于技术上不断完善并进入实用化的阶段。

基本概念

CAD/ CAM/ CAE技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、 应用范围广等特点。CAD/CAM/CAE技术是 先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。CAD/CAM/CAE技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要 标志之一.

发展历程

CAD/CAM/CAE技术的发展与 计算机图形学的发展密切相关，并伴随着计 算机及其外围设备的发展而发展。 计算机图形学中有关图形处理的理论和方法构成了CAD/CAM/CAE技术的重要基础。综观CAD/CAM/CAE技术的发展历程，主要经历了以下主要发展阶段。

20世纪50年代，计算机主要用于 科学计算，使用 机器语言 编程，图形设备仅具有输出功能。 美国麻省理工学院（ MIT）在其研制的旋风I号计算机上采用了阴极射线管（ CRT）作为图形 终端，并能被动显示图形。其后出现了 光笔，开始了交互式 计算机图形学的研究，也为CAD/CAM技术的出现和发展铺平了道路。1952年MIT首次试制成功了 数控铣床，通过数控程序对零件进行加工，随后MIT研制开发了自动编程语言（ APT），通过描述走刀轨迹的方法来实现计算机辅助编程，标志着 CAM技术的开端。1956年首次尝试将现代有限单元法用于分析飞机结构。50年代末，出现了平板式绘图仪和滚筒式绘图仪，开始了计算机绘图的历史。此间CAD技术处于酝酿、准备阶段。

20世纪60年代，这是交互式 计算机图形学发展的最重要时期。1963年MIT学者I.E.Sutherland发表了题为“ 人机对话图形通讯系统”的 博士论文，首次提出了 计算机图形学等术语。由他推出的二维SKETCHPAD系统，允许设计者操作 光笔和键盘，在图形显示器上进行图形的选择、定位等交互作业，对符号和图形的存储采用分层的 数据结构。这项研究为交互式 计算机图形学及 CAD技术奠定了基础，也标志着CAD技术的诞生。此后，出现了交互式图形显示器、鼠标器和磁盘等硬件设备及文件系统和高级语言等软件。并陆续出现了许多商品化的CAD系统和设备。例如，1964年美国 通用汽车公司研制了用于汽车设计 DAC-1系统，1965年美国 洛克希德飞机公司开发了CADAM系统， 贝尔电话公司也推出了GRAPHIC-1系统等。此间CAD技术的应用以二维绘图为主。在制造领域中，1962年研制成功了世界上第一台机器人，实现物料搬运自动化，1965年产生了计算机数控机床 CNC系统，1966年以后出现了采用 通用计算机直接控制多台数控机床 DNC系统以及 英国莫林公司研制的由计算机集中控制的 自动化制造系统。20世纪60年代末， 挪威开始了 CAPP技术的研究，并于1969年正式推出第一个 CAPP系统AutoPros。

20世纪70年代， 计算机图形学理论及计算机绘图技术日趋成熟，并得到了广泛应用。这期间，硬件的性能价格比不断提高；图形输入板、大容量的 磁盘存储器等相应出现； 数据库管理系统等软件得以应用；以小型、超小型计算机为主机的CAD/CAM系统进入市场并形成主流，这些系统的特点是硬件和软件配套齐全、价格便宜、使用方便，形成所谓的交钥匙系统（Turnkey System）。同时，三维 几何建模软件也相继发展起来，出现了一些面向中小企业的CAD/CAM商品化系统， 法国 达索公司率先开发出以表面模型为特点的三维 曲面建模系统CATIA。20世纪70年代中期开始创立CAPP系统的研究与开发。1976年由CAM-I公司开发了CAPP系统——CAM-I Automated Process Planning。在制造方面， 美国 辛辛那提公司研制出了一条 柔性制造系统（FMS），将CAD/CAM技术推向了新的阶段。这一时期各种 计算机辅助技术的功能模块已基本形成，但 数据结构尚不统一，集成性差，应用主要集中在二维绘图、三维线框 建模及有限元分析方面。

20世纪80年代，CAD/CAM技术及其应用系统得到迅速发展。这期间，出现了 微型计算机和32位 字长工作站，同时， 计算机硬件成本大辐下降，计算机 外围设备（彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机、彩色打印机等）已逐渐形成系列产品， 网络技术也得到应用；CAD与CAM相结合，形成了CAD/CAM集成技术，导致了新理论、新算法的大量涌现。在软件方面，不仅实现了工程和产品的设计计算和绘图，而且还实现了工程造型、 自由曲面设计、机构分析与仿真等工程应用，特别是实体建模、 特征建模、 参数化设计等理论的发展和应用，推动CAD技术由表面模型到实体建模，再到 参数化建模发展，并出现了许多成熟的CAD软件。在此期间，为满足数据交换要求，相继推出了有关标准（如CGI、GKS、IGES及 STEP等）。20世纪80年代后期，人们认识到 计算机集成制造（CIM）的重要性，开始强调 信息集成，出现了CIMS，将CAD/CAM技术推向了更高的层次。

20世纪90年代以来，CAD/CAM/CAE技术更加强调 信息集成和 资源共享，出现了 产品数据管理技术，CAD建模技术日益完善，出现了许多成熟的CAD/CAE/CAM 集成化的商业软件，如采用 变量化技术的 I-DEAS、应用复合建模技术的 UG等。随着世界市场的多变与激烈竞争，随着各种先进设计理论和先进制造模式的发展，随着高档微机、 操作系统和编程软件的发展，随着 网络技术的迅速发展，CAD/CAM/CAE技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战，正在向集成化、 网络化、 智能化和标准化方向发展。

系统构成

一个完善的CAD/CAM/CAE系统应具有如下功能： 快速数字计算及图形处理功能、几何建模功能、处理数控加工信息的功能、大量数据和知识的存储及快速检索与操作功能、人机交互通信功能、输入和输出信息及图形功能、工程分析功能等。为实现这些功能，CAD/CAM/CAE系统的运行环境由硬件、软件和人三大部分所构成。

硬件主要包括计算机及其 外围设备等具有有形物质的设备，广义上讲硬件还包括用于 数控加工的 机械设备和 机床等。 硬件是CAD/CAM/CAE系统运行的基础，硬件的每一次技术突破都带来CAD/CAM/CAE技术革命性的变化。软件是CAD/CAM/CAE系统的核心，包括系统软件、各种 支撑软件和应用软件等。硬件提供了CAD/CAM/CAE系统潜在的能力，而系统功能的实现是由系统中的软件运行来完成。随着CAD/CAM/CAE系统功能的不断完善和提高，软件成本在整个系统中所占的比重越来越大，目前一些高端软件的价格已经远远高于系统硬件的价格。

任何功能强大的计算机硬件和软件均只是 辅助设计工具，而如何充分发挥系统的功能，则主要是取决于用户的素质，CAD/CAM/CAE系统的运行离不开人的创造性思维活动，不言而喻，人在系统中起着关键的作用。目前CAD/CAM/CAE系统基本都采用人机交互的工作方式，这种方式要求人与计算机密切合作，发挥各自所长：计算机在信息的存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面具有特有的功能；人则在 创造性思维、综合分析、经验判断等方面占有主导地位。