計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)CAD技術(shù)概述

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)電工程學(xué)院張海軍博士選用教材童秉樞(第3版)等.機(jī)械CAD技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社.2008課程介紹參考書目姚英學(xué)

等.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造.高等教育出版社.先修課程課程介紹

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

第一章CAD/CAM概論第二章CAD/CAM系統(tǒng)第三章CAD/CAM軟件開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)第四章圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)第五章建模技術(shù)第六章計(jì)算機(jī)輔助工程分析第七章計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)第八章計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程主要內(nèi)容

第九章計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)技術(shù)第十章計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理與運(yùn)行控制第十一章CAD/CAM系統(tǒng)集成第1章CAD/CAM概論1.0機(jī)械設(shè)計(jì)概述1.1CAD技術(shù)內(nèi)涵1.2

CAD技術(shù)的應(yīng)用1.3CAD技術(shù)的發(fā)展歷程

1.0引言——從機(jī)械設(shè)計(jì)談起1.0.1機(jī)械設(shè)計(jì)概念

根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應(yīng)該具備的功能，構(gòu)想出產(chǎn)品的工作原理、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞、結(jié)構(gòu)形狀以及所用材料等事項(xiàng)，并轉(zhuǎn)換為具體的描述（圖紙，文件等），以此作為制造的基礎(chǔ)。

機(jī)械設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、裝配、銷售和使用整個(gè)生命周期中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)在整個(gè)生產(chǎn)周期中所占的比重設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)制造時(shí)間百分比（%)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作的重要性開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)準(zhǔn)備與加工原材料與外購(gòu)件的采購(gòu)管理和銷售010203040506070開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)準(zhǔn)備與加工原材料與外購(gòu)件的采購(gòu)管理和銷售對(duì)成本的影響所需的工時(shí)成本1.0.2機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程概念設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可大致分成概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

概念設(shè)計(jì)：根據(jù)市場(chǎng)需求確定新產(chǎn)品的功能，給出新產(chǎn)品的概念性分析模型或草圖。

初步設(shè)計(jì)：對(duì)概念設(shè)計(jì)輸出的結(jié)果進(jìn)行方案分析比較，修正概念模型。詳細(xì)設(shè)計(jì)：這是產(chǎn)品的真正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。由概念模型和分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)起著重要的指導(dǎo)作用，同時(shí)詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果也要進(jìn)行必要的分析，并適時(shí)根據(jù)需要修改模型。目前的CAD系統(tǒng)大都提供詳細(xì)設(shè)計(jì)手段。

機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)歷了制造加工、樣機(jī)測(cè)試、批量生產(chǎn)以及銷售使用后，將返回大量信息，要依據(jù)這些信息再對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不斷修改。

機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)“設(shè)計(jì)－－評(píng)價(jià)－－再設(shè)計(jì)”的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過(guò)程。在人工設(shè)計(jì)情況下，設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng)。

1.0.3CAD產(chǎn)生的背景實(shí)現(xiàn)某種程度的自動(dòng)化；縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。1.1CAD技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展概況1.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的概念

CAD是工程技術(shù)人員與計(jì)算機(jī)相結(jié)合、各盡所長(zhǎng)、應(yīng)用多學(xué)科的方法綜合有效地進(jìn)行問(wèn)題求解的先進(jìn)信息處理技術(shù)。它把人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算、信息存儲(chǔ)等功能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到縮短工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是一種用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析和文檔制作等設(shè)計(jì)活動(dòng)。簡(jiǎn)單地講，CAD是工程技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目的。性質(zhì)：它是一種新的設(shè)計(jì)方法，也是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新技術(shù)。CAD概念的實(shí)質(zhì)在于：（1）人機(jī)各盡所長(zhǎng)；（2）人機(jī)交互結(jié)合；（3）最佳設(shè)計(jì)效率。

CAD技術(shù)的主要作用如下:

（1）提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。（2）能夠充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性。（3）縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。CAD過(guò)程：

任何設(shè)計(jì)都表現(xiàn)為一種過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都由一系列設(shè)計(jì)活動(dòng)組成；活動(dòng)間既有串行的設(shè)計(jì)活動(dòng)，也有并行的設(shè)計(jì)活動(dòng)；設(shè)計(jì)過(guò)程中的大多數(shù)活動(dòng)可以用CAD實(shí)現(xiàn)，但并不絕對(duì)；將設(shè)計(jì)過(guò)程中能用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的活動(dòng)集合在一起就構(gòu)成了CAD過(guò)程。CAD系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中承擔(dān)的主要工作有數(shù)據(jù)處理、工程分析、圖形處理與動(dòng)畫仿真等1.數(shù)據(jù)處理

在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量信息，這些信息包括數(shù)字、字符、符號(hào)和圖形等，隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的延伸，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)它們進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、傳遞等處理。

2.工程分析

工程分析包括設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算；面積、體積、慣性矩等物理特性計(jì)算；強(qiáng)度、剛度、壽命等校核計(jì)算；應(yīng)力場(chǎng)、變形、溫度場(chǎng)等有限元分析；結(jié)構(gòu)、參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算。3.圖形處理包括二維繪圖、三維實(shí)體造型、圖像輸入輸出及識(shí)別等。4.動(dòng)畫仿真利用圖形仿真方法模擬設(shè)計(jì)對(duì)象的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程。如模擬執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)軌跡；機(jī)器人動(dòng)作仿真；裝配過(guò)程仿真；加工過(guò)程仿真。?提出問(wèn)題提問(wèn)：有人說(shuō)CAD就是計(jì)算機(jī)繪圖,這種說(shuō)法對(duì)嗎？？？xCAD、計(jì)算機(jī)繪圖、CG

三者的區(qū)別與聯(lián)系三者技術(shù)內(nèi)涵區(qū)別

計(jì)算機(jī)繪圖：是使用圖形軟件和計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行繪圖及其有關(guān)標(biāo)注的一種方法和技術(shù)。它以擺脫繁重的手工繪圖為主要的目的。

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)：是研究通過(guò)計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用的設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的科學(xué)。三者的聯(lián)系

計(jì)算機(jī)繪圖是CG中涉及工程圖形繪制的一個(gè)分支，它是一門工程技術(shù)。計(jì)算機(jī)繪圖不是CAD技術(shù)的全部?jī)?nèi)涵，是CAD技術(shù)的基礎(chǔ)之一。CG是一門獨(dú)立的學(xué)科，它的有關(guān)圖形處理的理論與方法構(gòu)成了CAD技術(shù)的重要基礎(chǔ)。1.1.2CAD技術(shù)的重要應(yīng)用

CAD是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)學(xué)科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計(jì)算機(jī)在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一。CAD技術(shù)曾被美國(guó)國(guó)家工程科學(xué)院評(píng)為當(dāng)代十項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就之一。無(wú)論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無(wú)論是建筑行業(yè)還是制造加工行業(yè)，無(wú)論是機(jī)械、電子、輕紡行業(yè)還是文體、影視廣告行業(yè)等都離不開(kāi)CAD技術(shù)。CAD技術(shù)是企業(yè)界爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額和生存發(fā)展不可缺少的手段。

在制造業(yè)中的應(yīng)用：如波音777飛機(jī)是世界上第一架實(shí)現(xiàn)無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)與制造的飛機(jī)。在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：如建筑設(shè)計(jì)CAD、電子沙盤；機(jī)械設(shè)計(jì)CAD等。仿真模擬和動(dòng)畫制作：在電影制作中的成功應(yīng)用，如“未來(lái)世界”、“玩具總動(dòng)員”、“侏羅記公園”等在輕工行業(yè)的應(yīng)用：如模具CAD和服裝CAD等。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)模擬。在電子電路中的應(yīng)用：超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造。

我國(guó)科學(xué)技術(shù)部在CAD應(yīng)用工程2000年規(guī)劃綱要中指出：“到2000年，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要部門的科研、設(shè)計(jì)單位和企業(yè)中全面普及推廣CAD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)‘甩掉圖板’（指?jìng)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的描圖板），提高智能勞動(dòng)效率，推廣我國(guó)CAD市場(chǎng)，扶持發(fā)展以CAD為突破口的我國(guó)自主創(chuàng)新的軟件產(chǎn)業(yè)，建立起我國(guó)的CAD產(chǎn)業(yè)”。到2000年，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)70%以上；工程設(shè)計(jì)行業(yè)CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)100%。CAD技術(shù)在我國(guó)工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一些應(yīng)用實(shí)例：（1）沈陽(yáng)變壓器廠用CAD技術(shù)輸出三峽工程項(xiàng)目三維彩色產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖和計(jì)算機(jī)分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標(biāo)項(xiàng)目。（2）瀘東造船廠應(yīng)用CAD技術(shù)后，生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備周期縮短1/3以上，造船的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設(shè)計(jì)院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對(duì)該廠原設(shè)計(jì)方案自動(dòng)校驗(yàn)，共查出6處隱藏在圖紙中的錯(cuò)誤，當(dāng)即進(jìn)行了修改。（4）寰球化工工程公司應(yīng)用CAD技術(shù)，在盤綿乙烯裝置工程中，進(jìn)行碰撞檢測(cè)后，使95%以上的錯(cuò)誤得以糾正，在總長(zhǎng)20多萬(wàn)米的管道設(shè)計(jì)中，施工結(jié)束后剩余鋼管不到10米。1.1.3CAD技術(shù)應(yīng)用實(shí)例圖示1.1.4CAD技術(shù)發(fā)展歷程

CAD技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、圖形輸入輸出設(shè)備、軟件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。（1）準(zhǔn)備和誕生時(shí)期（20世紀(jì)50~60年代）電子管計(jì)算機(jī)

1950MIT能夠顯示簡(jiǎn)單圖形的圖形顯示器

1958Calcomp滾筒式繪圖機(jī)

20世紀(jì)50年代末SAGE戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)

（2）蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用的時(shí)期（20世紀(jì)60年代）

1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，如Coons曲面。（3）廣泛應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)70年代）集成電路用于計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)平臺(tái)的性能大為提高。出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的CAD系統(tǒng)。圖形設(shè)備相繼推出并完善。圖形軟件和CAD應(yīng)用支撐軟件不斷得到充實(shí)與提高。（4）飛速發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)80年代）出現(xiàn)了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。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(shí)期（20世紀(jì)90年代）出現(xiàn)基于PC平臺(tái)的價(jià)廉物美的CAD系統(tǒng)。

CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系統(tǒng)。集成化?？茖W(xué)計(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造。20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)應(yīng)用于機(jī)械制造

20世紀(jì)60年代CAD系統(tǒng)產(chǎn)生（sketch-pad系統(tǒng)）20世紀(jì)70年代CAD單元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用（交鑰匙系統(tǒng)）

20世紀(jì)80年代CAD/CAM/CAE的集成

20世紀(jì)90年代CAD向著集成化、網(wǎng)絡(luò)