計算機輔助設計技術CAD技術概述

計算機輔助設計技術機電工程學院張海軍博士選用教材童秉樞(第3版)等.機械CAD技術基礎.北京：清華大學出版社.2008課程介紹參考書目姚英學

等.計算機輔助設計與制造.高等教育出版社.先修課程課程介紹

計算機文化基礎

C語言程序設計主要內容

第一章CAD/CAM概論第二章CAD/CAM系統(tǒng)第三章CAD/CAM軟件開發(fā)基礎第四章圖形處理技術基礎第五章建模技術第六章計算機輔助工程分析第七章計算機輔助工藝規(guī)程設計第八章計算機輔助數控加工編程主要內容

第九章計算機輔助質量系統(tǒng)技術第十章計算機輔助生產管理與運行控制第十一章CAD/CAM系統(tǒng)集成第1章CAD/CAM概論1.0機械設計概述1.1CAD技術內涵1.2

CAD技術的應用1.3CAD技術的發(fā)展歷程

1.0引言——從機械設計談起1.0.1機械設計概念

根據使用要求確定產品應該具備的功能，構想出產品的工作原理、運動方式、力和能量的傳遞、結構形狀以及所用材料等事項，并轉換為具體的描述（圖紙，文件等），以此作為制造的基礎。

機械設計是產品設計、制造、裝配、銷售和使用整個生命周期中的第一個環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。

設計在整個生產周期中所占的比重設計開發(fā)制造時間百分比（%)開發(fā)設計工作的重要性開發(fā)設計生產準備與加工原材料與外購件的采購管理和銷售010203040506070開發(fā)設計生產準備與加工原材料與外購件的采購管理和銷售對成本的影響所需的工時成本1.0.2機械設計過程概念設計初步設計詳細設計

機械產品開發(fā)設計可大致分成概念設計、初步設計、詳細設計階段。

概念設計：根據市場需求確定新產品的功能，給出新產品的概念性分析模型或草圖。

初步設計：對概念設計輸出的結果進行方案分析比較，修正概念模型。詳細設計：這是產品的真正結構設計階段。由概念模型和分析產生的數據對詳細設計起著重要的指導作用，同時詳細設計的結果也要進行必要的分析，并適時根據需要修改模型。目前的CAD系統(tǒng)大都提供詳細設計手段。

機械產品在經歷了制造加工、樣機測試、批量生產以及銷售使用后，將返回大量信息，要依據這些信息再對產品進行不斷修改。

機械設計是一個“設計－－評價－－再設計”的反復迭代、不斷優(yōu)化的過程。在人工設計情況下，設計周期很長。

1.0.3CAD產生的背景實現某種程度的自動化；縮短設計周期，提高產品競爭力降低設計成本，提高設計質量。1.1CAD技術應用與發(fā)展概況1.1.1計算機輔助設計(CAD)的概念

CAD是工程技術人員與計算機相結合、各盡所長、應用多學科的方法綜合有效地進行問題求解的先進信息處理技術。它把人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計算機的高速運算、信息存儲等功能有機結合起來，從而達到縮短工程產品設計周期、提高設計質量的目的。

計算機輔助設計是一種用計算機硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產品或工程進行設計的方法與技術，包括設計、繪圖、工程分析和文檔制作等設計活動。簡單地講，CAD是工程技術人員利用計算機達到最佳的設計目的。性質：它是一種新的設計方法，也是一門多學科綜合應用的新技術。CAD概念的實質在于：（1）人機各盡所長；（2）人機交互結合；（3）最佳設計效率。

CAD技術的主要作用如下:

（1）提高設計質量和設計效率。（2）能夠充分發(fā)揮設計人員創(chuàng)造性。（3）縮短產品的設計周期。CAD過程：

任何設計都表現為一種過程，每個過程都由一系列設計活動組成；活動間既有串行的設計活動，也有并行的設計活動；設計過程中的大多數活動可以用CAD實現，但并不絕對；將設計過程中能用CAD技術實現的活動集合在一起就構成了CAD過程。CAD系統(tǒng)在設計中承擔的主要工作有數據處理、工程分析、圖形處理與動畫仿真等1.數據處理

在設計過程中會產生大量信息，這些信息包括數字、字符、符號和圖形等，隨著設計過程的延伸，計算機會對它們進行存儲、轉換、傳遞等處理。

2.工程分析

工程分析包括設計參數計算；面積、體積、慣性矩等物理特性計算；強度、剛度、壽命等校核計算；應力場、變形、溫度場等有限元分析；結構、參數的優(yōu)化計算。3.圖形處理包括二維繪圖、三維實體造型、圖像輸入輸出及識別等。4.動畫仿真利用圖形仿真方法模擬設計對象的動態(tài)工作過程。如模擬執(zhí)行部件的運動軌跡；機器人動作仿真；裝配過程仿真；加工過程仿真。?提出問題提問：有人說CAD就是計算機繪圖,這種說法對嗎？？？xCAD、計算機繪圖、CG

三者的區(qū)別與聯(lián)系三者技術內涵區(qū)別

計算機繪圖：是使用圖形軟件和計算機硬件進行繪圖及其有關標注的一種方法和技術。它以擺脫繁重的手工繪圖為主要的目的。

計算機圖形學：是研究通過計算機將數據轉換為圖形，并在專用的設備上顯示的原理、方法和技術的科學。三者的聯(lián)系

計算機繪圖是CG中涉及工程圖形繪制的一個分支，它是一門工程技術。計算機繪圖不是CAD技術的全部內涵，是CAD技術的基礎之一。CG是一門獨立的學科，它的有關圖形處理的理論與方法構成了CAD技術的重要基礎。1.1.2CAD技術的重要應用

CAD是計算機科學與工程設計學科相結合形成的新興技術，是計算機在工程中最有影響的應用技術之一。CAD技術曾被美國國家工程科學院評為當代十項最杰出的工程技術成就之一。無論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無論是建筑行業(yè)還是制造加工行業(yè)，無論是機械、電子、輕紡行業(yè)還是文體、影視廣告行業(yè)等都離不開CAD技術。CAD技術是企業(yè)界爭奪市場份額和生存發(fā)展不可缺少的手段。

在制造業(yè)中的應用：如波音777飛機是世界上第一架實現無紙設計與制造的飛機。在工程領域中的應用：如建筑設計CAD、電子沙盤；機械設計CAD等。仿真模擬和動畫制作：在電影制作中的成功應用，如“未來世界”、“玩具總動員”、“侏羅記公園”等在輕工行業(yè)的應用：如模具CAD和服裝CAD等。在醫(yī)學中的應用：計算機輔助手術規(guī)劃和手術模擬。在電子電路中的應用：超大規(guī)模集成電路的設計制造。

我國科學技術部在CAD應用工程2000年規(guī)劃綱要中指出：“到2000年，在國民經濟主要部門的科研、設計單位和企業(yè)中全面普及推廣CAD技術，實現‘甩掉圖板’（指傳統(tǒng)設計中的描圖板），提高智能勞動效率，推廣我國CAD市場，扶持發(fā)展以CAD為突破口的我國自主創(chuàng)新的軟件產業(yè)，建立起我國的CAD產業(yè)”。到2000年，我國機械制造業(yè)應用CAD技術的普及率和覆蓋率均達70%以上；工程設計行業(yè)CAD技術的普及率和覆蓋率均達100%。CAD技術在我國工程和產品設計的一些應用實例：（1）沈陽變壓器廠用CAD技術輸出三峽工程項目三維彩色產品設計圖和計算機分析的數據，從而贏得了三峽工程的招標項目。（2）瀘東造船廠應用CAD技術后，生產技術準備周期縮短1/3以上，造船的設計開發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設計院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對該廠原設計方案自動校驗，共查出6處隱藏在圖紙中的錯誤，當即進行了修改。（4）寰球化工工程公司應用CAD技術，在盤綿乙烯裝置工程中，進行碰撞檢測后，使95%以上的錯誤得以糾正，在總長20多萬米的管道設計中，施工結束后剩余鋼管不到10米。1.1.3CAD技術應用實例圖示1.1.4CAD技術發(fā)展歷程

CAD技術隨著計算機及其外圍設備、圖形輸入輸出設備、軟件技術的發(fā)展而發(fā)展。（1）準備和誕生時期（20世紀50~60年代）電子管計算機

1950MIT能夠顯示簡單圖形的圖形顯示器

1958Calcomp滾筒式繪圖機

20世紀50年代末SAGE戰(zhàn)術防空系統(tǒng)

（2）蓬勃發(fā)展和進入應用的時期（20世紀60年代）

1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。計算機及圖形設備價格昂貴，技術復雜。計算機圖形學的發(fā)展，如Coons曲面。（3）廣泛應用時期（20世紀70年代）集成電路用于計算機，使計算機平臺的性能大為提高。出現了以小型計算機為平臺的CAD系統(tǒng)。圖形設備相繼推出并完善。圖形軟件和CAD應用支撐軟件不斷得到充實與提高。（4）飛速發(fā)展時期（20世紀80年代）出現了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機進入市場。推出了以UNIX系統(tǒng)支撐的SUN工作站。圖形軟件更加成熟。（5）日趨成熟的時期（20世紀90年代）出現基于PC平臺的價廉物美的CAD系統(tǒng)。

CAD系統(tǒng)的標準化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系統(tǒng)。集成化?？茖W計算可視化、虛擬設計、虛擬制造。20世紀50年代計算機應用于機械制造

20世紀60年代CAD系統(tǒng)產生（sketch-pad系統(tǒng)）20世紀70年代CAD單元技術的發(fā)展和應用（交鑰匙系統(tǒng)）

20世紀80年代CAD/CAM/CAE的集成

20世紀90年代CAD向著集成化、網絡