cad的前景与发展

CAD/CAM 技术应用与发展前景 摘要：计算机辅助设计(CAD)技术，作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科学 技术成果的开发与转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计现代化，增强企业 及其产品在市场上的竞争力，加速国民经济的发展和国防现代化的一项关键性设计技术； 也是进一步向计算机集成制造系统(CIMS)发展的重要技术基础. 关键字:现在设计 CAD 发展 应用 引言: 当今世界，全球的竞争越来越体现在经济和科技实力的竞争，而技术创新则日益成为 促进经济增长和提高科技竞争力的关键。技术获取模式作为企业技术战略的重要一环，对 企业长远发展意义重大。 CAD 即计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design) 利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作 。简称 cad。 在工程和产 品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在 设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优 方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的 内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为 工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以 快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机 可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。 cad 能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计 周期和提高设计质量. AutoCAD 是由美国 Autodesk 公司于二十世纪八十年代初为微机上应用 CAD 技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行 的绘图工具。 AutoCAD 可以绘制任意二维和三维图形，并且同传统的手工绘图相比，用 AutoCAD 绘图速度更快、精度更高、而且便于个性，它已经在航空航天、造船、 建筑、机械、电子、化工、美工、轻纺等很多领域得到了广泛应用，并取得了 丰硕的成果和巨大的经济效益。 AutoCAD 具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操 作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断 实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。 AutoCAD 具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作 站上运行，并支持分辨率由 320200 到 20481024 的各种图形显示设备 40 多 种，以及数字仪和鼠标器 30 多种，绘图仪和打印机数十种，这就为 AutoCAD 的 普及创造了条件。 CAD 是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在 工程中最有影响的应用技术之一。 CAD 技术曾被美国国家工程科学院评为当代 十项最杰出的工程技术成就之一。 无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工行业，无 论是机械、电子、轻纺行业还是文体、影视广告行业等都离不开 CAD 技术。CAD 技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。 在制造业中的应用：如波音 777 飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞 机。 在工程领域中的应用：如建筑设计 CAD、电子沙盘；机械设计 CAD 等。 仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、 “玩具总动员”、“侏罗记公园”等 在轻工行业的应用：如模具 CAD 和服装 CAD 等。 在医学中的应用： 计算机辅助手术规划和手术模拟。 在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。 CAD 技术在我国工程和产品设计的一些应用实例： （1） 沈阳变压器厂用 CAD 技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算 机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招标项目。 （2）泸东造船厂应用 CAD 技术后，生产技术准备周期缩短 1/3 以上，造船的设 计开发能力提高一倍。 （3）西北电力设计院用 CAD 系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方 案自动校验，共查出 6 处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。 （4）寰球化工工程公司应用 CAD 技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测 后，使 95%以上的错误得以纠正，在总长 20 多万米的管道设计中，施工结束后 剩余钢管不到 10 米。 （1）系统软件 主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装入与运行。 操作系统：Windows 95/98、 UNIX、Windows NT 等。 语言编译系统：Visual C/C+、 Visual Basic、AutoLisp 等。 （2）支撑软件 是为满足 CAD/CAM 用户共同需要而开发的通用软件。 数据库管理系统：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/Sybase 等。 计算机分析软件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS 等。 图形支撑软件：可分为图形处理语言及交互式绘图软件。 （3）应用软件 用户利用计算机所提供的各种系统软件、支撑软件，编制解决用户各种实际 问题的程序称为应用软件。开发应用软件是 CAD 工作者的一项重要工作。 （4）常用 CAD 软件 国内应用较广的微机 CAD 软件有： Autodesk 公司的 AutoCAD 及 MDT, Solidworks 公司的 Solidworks， 美国 CV 公司的 CADDS 软件的微机版本 PD（Personal Designer）; MicroStation 软件，Micro-CADAM 软件，CADKEY 软件，SolidEdge 软件等。 工程工作站 CAD/CAM 系统软件有： 美国 SDRC 公司开发的 I-DEAS（Integrated Engineering Analysis Software）， IBM 公司开发的 CATIA（Computer-Graphics Aided Three-Dimensional Interactive Applications）， 法国 Matra 公司 EUCLID 软件， 美国 EDS 公司 UG II (UNIGRAPHICS II)软件， 美国 PTC 公司 Pro/Engineer 系统 。 CAD 设计技术在我国的应用比先进西方国家起步晚，但在机械、电子、广 告、影视等业中已取得了大量的成就。由于先后实施了“CAD 应用，1215 工程” 和“CAD 应用 1550 工程”两项 CAD 应用推广的国家级工程我国机械行业已处 于全国 CAD 应用的领先水平，并已取得了巨大的成就。如山东活塞厂于 1988 年 确定了“活塞设计与制造过程 CAD 系统”科研项目，采用单元集成设计思想， 把活塞工装、模具按视图规范分解成若干个图形要索并做成标准要素数据库， 根据设计参数，计算机经分析自动绘制出生产图样，新产品设计周期由 50 天缩 短到 15 天，解决了活塞内芯模具曲面设计计算这一难题；产品加工工效提高了 23 倍；降低了生产成本；提高了产品的市场竞争力，该项目获得山东省科技 进步二等奖。内蒙古第一机械制造厂于 1993 年投资 153 万美元引进了美国 CDC 公司的中型计算机及 CAD 支持系统；又于 1995 年投资 170 万美元进行了计算机 增容，引进了两台美国 DEC 公司的 VAX7610 主机和 35 台工作站，建立了以光纤 为主干的高速计算机网络系统。该厂利用这套工程绘图系统，结合全厂 30 多年 复杂刀具的设计经验，开发了十几种复杂刀具设计计算机辅助设计系统，极大 地提高了复杂刀具的设计质量和工作效率。 我国计算机辅助设计技术的应用虽然已取得了一定的成就，但与先进的西 方国家相比还存在很大的差距，希望我国的 CAD 设计技术能在最短的时间内赶 上世界先进水平。 1. 二维 CAD 技术的发展 CAD 技术起步于 50 年代后期。进入 60 年代后，CAD 技术随着在计算机屏幕上绘 图成为可能而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时和低精 度的传统手工绘图。当时，CAD 技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零 件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术，CAD 的含义仅 仅是图板的替代品，即 Computer Aided Drawing 的缩写。以二维绘图为主要目 标的算法一直持续到 70 年代末期。随着技术的发展，CAD 系统介入产品设计过 程的程度越来越深，系统功能越来越强，逐步发展成为真正的计算机辅助设计 （Computer Aided Design）。 2. 曲面造型技术与三维 CAD 系统的发展 60 年代出现的三维 CAD 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框 造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由 于缺乏形体的表面信息，CAM 及 CAE 均无法实现。 70 年代飞机和汽车工业的蓬勃发展给三维 CAD 带来了良好的机遇。为了解 决飞机和汽车设计制造中遇到的大量自由曲面问题，法国人提出了贝赛尔算法， 使得人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可以操作，同时也使得法国的达索 飞机制造公司的开发者们能在二维绘图系统 CADAM 的基础上，提出以表面模型 为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统 CATIA。CATIA 的出现标 志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次 实现了在计算机内较完整地描述产品零件的主要信息，同时也为 CAM 技术的开 发打下了基础。曲面造型系统带来了第一次 CAD 技术革命，它改变了以往只能 借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。 曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段有了质的飞跃，新车型开发速 度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的 6 年缩短到约 3 年。汽车工业 对 CAD 系统的大量采用，反过来也大大促进了 CAD 技术本身的发展。 3. 实体造型技术与三维 CAD 系统的发展 80 年代初，CAD 系统价格依然令一般企业望而却步，这使得 CAD 技术无法 拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的份 额，以 CV、SDRC 和 UG 为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。70 年代末到 80 年代初，CAE 和 CAM 技术也有了较大发展。表面模型使 CAM 问题基本得到解 决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它 特性，如质量、重心和惯性矩等，对 CAE 十分不利。在当时星球大战计划的背 景下，为降低巨大的太空实验费用，许多专用分析模块得到开发。基于对 CAD/CAE 一体化技术发展的探索，SDRC 公司于 1979 年发布了世界上第一个完全 基于实体造型技术的大型 CAD/CAE 软件I-DEAS。实体造型技术能够精确地 表达零件的全部属性，有助于统一 CAD、CAE 和 CAM 的模型表达，给设计带来了 方便，代表着未来 CAD 技术的发展方向。但实体造型技术在带来了算法的改进 和未来发展希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的计算机硬 件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，离实际应用还有较大的差距。另 外，面对算法和系统效率的矛盾，许多赞成采用实体造型技术的公司并没有下 大力气进行开发，而是转向攻克相对容易实现的表面模型技术。在以后的 10 年 里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多 CAD 系统所采用。 4. 参数化技术与三维 CAD 系统的发展 进入 80 年代中期，CV 公司提出了一种比无约束自由造型更加新颖的算法 “参数化实体造型方法”。这种方法的特点是，基于特征、全尺寸约束、全 数据相关和尺寸驱动设计修改。由于在参数化技术发展初期，很多技术难点有 待于攻克，又因为参数化技术的核心算法与以往的系统有本质差别，采用参数 化技术，必须将全部软件重新改写，因而需要大量的开发工作量和投资。同时， 由于当时 CAD 技术应用的重点是自由曲面需求量非常大的航空和汽车工业，参 数化技术还不能提供解决自由曲面问题的有效工具，所以这项技术当时被 CV 公 司所否决。 参数技术公司（Parametric Technology Corp.， PTC）就在这样的环境下应运 而生。PTC 推出的 Pro/E 是世界上第一个采用参数化技术的 CAD 软件，它第一 次实现了尺寸驱动的零件设计。80 年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大 幅度下降，很多中小型企业也开始有能力使用 CAD 技术。处于中低档的 Pro/E 软件获得了发展机遇，它符合众多中小型企业 CAD 的需求，从而获得了巨大的 成功。进入 90 年代后，参数化技术变得越来越成熟，充分体现出其在许多通用 件、零部件设计时的简便易行等方面的优势。 5. 变量化技术与三维 CAD 系统的发展 参数化技术在 90 年前后几乎成为 CAD 业界的标准，许多软件厂商纷纷起步 追赶。由于 CATIA、CV、UG、EUCLID 等都已经在原来的非参数化模型基础上开 发或集成了很多其它应用，开发了许多应用模块，所以，重新开发一套完全参 数化的造型系统困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写。因此 这些公司采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部的、 小规模的修补。这样，CV、CATIA 和 UG 在推出自己的参数化技术时，均宣传其 采用了复合建模技术。 复合建模技术把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起，难以全面应用参 数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，用参数化技术造型 后进入非参数化系统，还要进行内部转换才能被系统接受，而大量的转换极易 导致数据丢失或产生其它的不利情况。 90 年代初，SDRC 公司的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了“变量化技术”。 1990 至 1993 年，SDRC 投资一亿多美元，将软件全部重新改写，推出了全新体 系结构的 I-DEAS Master Series。 CAD 技术基础理论的每一次重大进展，无一不带动了 CAD/CAM/CAE 整体技术的 提高以及制造手段的更新。技术发展，永无止境。没有一种技术是常青树，CAD 技术一直处于不断的发展与探索之中。 二维 CAD(Computer Aided Design)是我国机械行业目前应用最普遍的技术， 然而，传统的二维 CAD 只是起到了电子图版的作用，因为它没能解决设计中最 困难的几个问题，如:复杂的投影线生成、尺寸漏标、机构运动关系分析、设计 的更新与工程管理等。所以，二维机械 CAD 没有做到真正的计算机辅助设计。 随着计算机性能的提高，信息处理的智能化，机械设计手段正从二维 CAD 向三 维 CAD 过渡，有相当一部分企业已完成了从二维 CAD 向三维 CAD 的转换，并取 得了巨大的经济效益。相对于二维系统而言，三维系统才是真正的计算机辅助 设计。 一、三维 CAD 技术在机械设计中的优点 通过实际应用三维 CAD 系统软件，笔者体会到三维 CAD 系统软件比二维 CAD 在机械设计过程中具有更大的优势，具体表现在以下几点: (一)零件设计更加方便 使用三维 CAD 系统，可以装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的 位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，避免了单独设计零件导致装配的失 败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使 人一目了然。 (二)装配零件更加直观 在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关 系，若装配不正确即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的 时候，可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动 演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进 行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。 (三)缩短了机械设计周期 采用三维 CAD 技术，机械设计时间缩短了近 1/3，大幅度地提高了设计和生 产效率。在用三维 CAD 系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件 进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设 计的效率提高了 35 倍。同时，三维 CAD 系统具有高度变型设计能力，能够通 过快速重构，得到一种全新的机械产品。 (四)提高机械产品的技术含量和质量 由于机械产品与信息技术相融合，同时采用 CAD CIMS 组织生产，机械产品 设计有了新发展。三维 CAD 技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分 析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等，保证了产品的设计质量。同时， 大型企业数控加工手段完善，再采用 CAD/CAPP/CAM 进行机械零件加工，一致性 很好，保证了产品的质量。 二、三维 CAD 技术对机械设计的影响 三维 CAD 技术从根本上改变了机械设计的进程和质量，引进了现代设计概念， 克服了传统设计带来的弊端，使机械产品的设计与生产发生了深刻的变化。 (一)更强调创新机械设计 传统设计中改型设计多，只能改变现有产品中某些尺寸，或只能消化某些 产品，仿照生产，因此无法实现创新构思，使得产品从根本上没有质的飞跃。 而三维 CAD 技术在方案设计阶段，充分利用专家系统及现代科技新理论，建立 多种机构进行构型对比，立体感强、效果逼真，更能激发设计人员的新颖构思。 (二)设计过程的并行化和智能化 随着局域网和 Internet 的普及，绝大多数人已认识到，网络将是 21 世纪 发展的首选工具。一个大中型产品的设计不是一个人或是少数几个人能够完成 的，而网络将这种设计任务的并行性的可能性大大提高。三维 CAD 技术使得设 计人员之间的交流更容易，减少了交流过程中的不必要错误，网络交流更直观。 (三)设计和生产的一体化 计算机技术在设计中的应用已从以往的绘图发展到当今的三维建模、虚拟 制造、智能设计及 CAD/CAE/CAM 集成阶段。三维设计软件是当今最先进的 CAD 软件，在发达国家与工程设计有关的各个领域得到了广泛应用。比如:美国福特 公司应用三维 CAD 技术后将新型汽车开发周期从 18 个月压缩到 12 个月，减少 了 90%的实物模型，减少新产品的设计更改 50%以上，减少新汽车试制成本 50%，提高投资效益 30%。波音公司新一代 777 客机生产中实现了“无图纸设计” ，其先进的 CAD/CAM 技术走在了全世界的前面。 国内外专家通常把 CAD 的发展，为 4 个阶段：第一阶段是只能用于二维 平面绘图、标注尺寸和文字的简单系统；第二阶段是将绘图系统与几何数据管 理结合起来，包括三维图形设计及优化计算等其他功能接口；第三阶段是以工 程数据库为核心，包括曲面和实体造型技术的集成化系统；而第四阶段是基于 产品信息共享和分布计算、并辅以专家系统及人工神经网络的智能化、网络协 同 CAD 系统。 目前，国内 CAD 应用主要集中在第三阶段，大部分的 CAD 产品，由一些 基础的设计绘图平台，结合专业方面的规范和数据进行二次开发，并且集成相 关的计算、分析等其他软件，形成设计人员独自完成设计工作的专业集成化工 具。 与此同时，国外的应用基本处于第三到第四阶段之间，除了一般的集成化 系统，在一些设计需求发展较快的领域，也开发了一些专门的 cad 产品，实现 了集设计工具、知识管理、专家系统于一体，具有一定协同工作能力的智能化 集成系统 1、CAD 在制造业中的应用 CAD 的普及应用，是制造业是否能够成功迈向信息化的主要标志。我国的 CAD 应用目前已初步实现了按行业及地区开展 CAD 应用技术开发、示范和推广 应用的目标。据 e-works 调查显示，中国制造业二维 CAD 市场保持了稳健的增 长势头，尤其是进入 2006 年，中国制造业二维 CAD 的市场总额达到约为 3900 万美元（3.17 亿人民币） ，相比 2005 年的 2.43 亿人民币增长了 30 2、CAD 在制造业中的几个发展方向 1.CAD 技术作为一种设计工具，其核心目标是帮助工程技术人员设计出更 好、更具市场竞争力的产品。在控制产品的设计过程、应用工程设计知识，实 现优化设计和智能设计的同时，也需具有丰富的图形处理功能，实现产品的“结 构描述“ 与“图形描述“之间的转换。因此，在以几何模型为主的现代通用 CAD 技 术基础上，发展面向设计过程的智能 CAD 技术是一种必然的趋势。 2.对于产品设计而言，通过网络化的手段可以帮助设计师及其企业改造传 统的设计流程，创造一种顺应人性而又充满魅力的设计环境。同时，在基于网 络协同完成设计任务的同时，与制造、商务等的全面融合更带来了技术和应用 两个领域革命性的进步。随着 Web 技术的不断渗透，支持 Web 协同设计方案 的 CAD 软件已经出现并趋于成熟，CAD 软件的团队协作能力可以直接利用互联 网进行。 3.CAD 向简化和自动化的方向发展，这使该技术可以适合机械设计以外的 众多应用。另外，对于某一个应用 CAD 技术的单位来讲，随着 CAD 技术及相关 技术的发展成熟，需要从整体的角度来考虑这项技术的发展。利用基于网络的 CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM 集成技术，实现真正的全数字化设计与制造。 3、机遇