工业软件CAM行业研究

本文是永鑫方舟团队第56篇原创行研

前  言

中国是全球制造业的中心，数控机床加工凭借高效率、高精度等优势，成为了制造业中不可缺少的工艺。中国由于机床工业发展晚，目前一直面临高端机床卡脖子的问题。工业软件CAX和机床操作系统一直被称为机床之“魂”。工程师使用CAM软件将设计的模型的加工轨迹规划出来，输出数控机床可以理解的代码，因此CAM是连接设计到机床的桥梁。由于技术难度高、贴近用户和机床，CAM软件需要根据机床的发展和用户反馈进行不断改进。此外，由于国内盗版国外CAM的盛行，挤压了CAM软件公司的生存空间。因此，国内工业软件CAM公司想要做大做强面临巨大挑战。

1. 工业软件简介

工业软件根据制造业生产周期可以分为四类：研发设计、生产制造、经营管理、运维服务。其中研发设计类工业软件研发难度大、自给率极低、卡脖子风险最大。

图1 工业软件的分类和简介

2.什么是CAM软件

CAM软件，即计算机辅助制造，是为加工产品过程编码及控制数控机床加工过程的软件，其连接了产品设计到生产制造两个环节。

CAM的定义中包含工艺设计和数控编程两类功能，但目前随着专业化程度提高，CAM主要指的是数控程序编制功能部分。

图2 CAM软件的两大功能

CAM软件在设计生产过程中所处的环节：

图3 CAM软件在设计生产过程中所处的环节示意图

CAM软件的使用步骤主要分为四步：

① CAD模型设计：CAD工程师开发具有某些参数、材料和其他特征的细节的三维 CAD 模型，这些特征都应该已经考虑到制造设计 (DFM) 规则。

图4 CAD导出需要加工的工件模型

② 将3D模型导入CAM系统：制造工程师应具备生产技术人员和程序员的知识，确定加工所需的表面和几何元素，选择加工策略和切削工具，最后设置切削模式。然后系统能够计算刀具路径。

图5 CAM中设计加工轨迹

③仿真验证：在CAM系统中，对出现的轨迹进行目视检查，CAM程序员能够纠正可能出现的错误，例如刀具路径校正或刀具更换。下图显示了生产模拟中的细节（潜在冲突）。根据模拟结果，工程师可以估计材料去除情况，并进一步优化工艺。

图6 CAM软件中进行仿真，验证加工轨迹合理性 

④ 输出控制代码：该代码是使用后处理器创建的，后处理器反过来根据特定机器和 CNC 系统的特性定制控制程序。根据此代码，切割头将在整个工件上从一个点到另一个点穿过，使其具有所需的形状。

图7 CAM软件输出代码示意图

3. CAM软件的核心功能模块

CAM主要由5个模块组成：

（1）交互工艺参数输入模块。通过人机交互的方式，用对话框和过程向导的形式输入刀具、夹具、编程原点、毛坯和零件等工艺参数。

（2）刀具轨迹生成模块。丰富的刀具轨迹生成方法，包括铣削（2.5轴～5轴）、车削、线切割等加工方法。

（3）刀具轨迹编辑模块。刀具轨迹编辑器可用于观察刀具的运动轨迹，并提供延伸、缩短和修改刀具轨迹的功能。同时，能够通过控制图形和文本的信息编辑刀轨。

（4）三维加工动态仿真模块。无须利用机床、成本低、高效率的测试NC加工效果的功能。可以检验刀具与零件和夹具是否发生碰撞、是否过切以及加工余量分布等情况，以便在编程过程中及时解决。

（5）后处理模块。包括一个通用的后置处理器，用户可以方便地建立用户定制的后置处理（用户可以使用加工数据文件生成器，它使用一系列交互选项提示用户选择定义特定机床和控制器特性的参数，包括控制器和机床规格与类型、插补方式、标准循环等），用户通过后处理器将刀具、轨迹等工艺数据编译成控制机床的代码。

图8 CAM软件的功能模块

4. CAM软件的核心技术

CAM软件的核心技术主要包括三部分：几何内核、工艺库、后处理模块。

4.1几何内核是CAM软件的核心基础

几何内核中定义了基础的几何库，通过输入几何参数，运算输出几何图形。在CAM的交互工艺参数模块、刀具轨迹生成模块、轨迹编辑模块、仿真模块等部分都是基于几何内核完成。因此内核会影响软件运行的稳定性、运算效率。目前OCC是主流几何内核中唯一开源内核。

图9 CAM软件几何内核的现状

图10 中望软件ZWCAD几何内核层次示意图

4.2工艺库

工艺库体现了CAM软件的工艺能力，其中包括可选刀具（基础刀具、组合刀具、实体刀具）、多种铣操作、车削、线切割等操作、材料库、夹具库等。

图11 工艺库的使用方式

工艺库的形成

1.跟进数控加工行业工艺发展，持续更新丰富软件工艺库；

2.需要与数控机床厂商深度交流，了解设备的工艺能力，在软件中复现；

3.需要与一线机加工人员交流，根据用户反馈，优化工艺库；

4.设计人员具有很强的工艺能力，CAM软件工艺库迭代需要有企业自身的数控设备进行试验。

4.3后处理模块

后处理模块是CAM、工程师、机床沟通的桥梁：工程师将机床的基本参数输入到后处理模块完成设置，刀具轨迹设计完成后，CAM通过工程师设计好的机床数据，编译生成加工代码。

图12 后处理模块的使用方式

后处理模块的特点

1.后处理模块需要适配目标用户所使用的机床。例：MasterCam某版本不适用国内机床，导致用户少。

2.机床文件导入CAM的方式需要友好，导出文件需要稳定。例：中望因为后处理导出设置存在问题，导致用的人较少。

3.生成编译代码文件效率高。

5.CAM软件行业的特点

5.1CAM一般存在三种形式

①内置在CAD中的CAM

优点：具有联动性，所有改动自动导入缺点：功能不足，复杂图形处理困难。

②可用于CAD的CAM插件

综合前两者的优点，同时抵消各自缺点。

③独立CAM

优点：功能全面，能处理复杂图形；缺点：与CAD联动性低，兼容性差。

图13 CAM软件的三种存在形式

图14 市场份额对比：独立CAM软件  VS  CAD中的CAM软件

5.2工业软件盗版问题

根据对行业专家访谈了解，目前国内工业软件的盗版率很高，行业专家评价CAM软件盗版率到达了90%以上。主要原因，主流的国外CAM软件贵，例如基础款Mastercam单价在十万元/年，增加功能模块需要增加付费，全套可达到百万/年。CAM软件目前国内个人使用基本都是盗版，收入主要来自于公司客户。

5.3发展趋势

图15  CAM软件的发展趋势

1. 国内政策

目前我国工业软件CAM具备两大大特征：自给率低（小于5%）、被卡脖子。因此，国家高度关注工业软件的发展，给出了众多政策。

2021年5月，习总书记在两院院士大会上首次强调工业软件的重要性，规格极高；

近两年工业软件扶持政策频出，1）国家层面，工信部实施产业基础再造工程，工业软件成为“新五基”之一;科技部连续两年将工业软件纳入国家重点研发计划专项，未来新型举国体制和“揭榜挂帅”有望助力工业软件产业发展。2）地方层面，灵活多样的扶持政策和重点省市大力度的补贴或将显著增加。

根据《工业和信息化部办公厅关于开展2022年工业软件优秀产品征集工作的通知》要求，工业和信息化部于2022年11月组织开展了相关申报和评审工作。近日，工业和信息化部官网公示了“2022年工业软件优秀产品名单”(以下简称“名单”)，遴选出了69款工业软件产品，覆盖了研发设计、生产制造、经营管理、运维服务等四大方向，旨在发掘优秀产品，推进产业发展。其中研发设计类软件在名单中占比最高(接近40%)，共有20款以上，其中就包括两家公司的CAM软件—苏州千机智能以及西安精雕软件。

2. 产业链上下游情况

图16  CAM软件的上下游产业链

CAM软件上游较为简单，除了一些需要购买的机床工艺参数、设计用的电脑，核心成本在工程师的研发设计上。

CAM软件由于销售方式不一样，在产业链中的位置存在不同。如果是跟随机床一起售卖，则下游直接客户为机床生产厂商。如果是机加工企业直接购买供工艺工程师使用，则直接下游客户为机加工企业。

3. CAM软件的市场空间

研发设计类工业软件是工业软件的关键核心，尤其以CAX（CAD/CAE/CAM）为代表，贯穿研发设计到产品制造的整个流程。

据Allied Market Research数据，全球CAM软件市场规模在2020年约26.9亿美元（196.86亿元），至2028年可达到54.8亿美元（401亿元），期间CAGR9.3%。

根据观研天下数据，2018年中国CAX软件约占研发设计类软件市场的33.8%（CAD占比13.6%，CAE占比9.6%，CAM占比10.6%），根据浩辰软件招股说明书，2016-2023年，我国工业信息化程度快速发展，用户对CAX软件的需求显现，我国CAX市场规模增速因此高于全球市场，并呈现持续保持较高增速趋势。据测算，2023年我国CAM软件市场空间约52亿元左右。目前，我国CAM软件几乎被海外巨头垄断，国产份额较低，国产厂商占比小于5%。

图17  CAM软件的市场空间

4. 行业玩家

图18 CAM软件的行业玩家

CAM软件是连接设计和机床的桥梁，是国内高端机床突破国外封锁的“卢沟桥”。目前国内CAM软件公司面临国外玩家强、盗版软件猖獗、发展时间短的三重挑战，想要发展起来需要资金、用户的不断支持。目前国内CAM软件公司也积极往工具链上游或下游机床、机加工等领域拓展业务，通过增加自己的应用场景、加强与上下游工具的协同，寻找到自身的商业化之路。永鑫致力于让创业不再艰难，将持续关注CAM软件行业的发展，赋能国内相关企业发展。

永鑫未来也会持续关注“芯”、“车”、“碳”产业链，深入挖掘产业链上下游优质企业，持续助力中国实体经济。对于已投企业，永鑫将一如既往的从人力、供应链、订单等多方面助力企业发展“让创业不再艰难”。