（光学工程专业论文）客车空调系统cad软件的研究与开发.pdf

摘要 客车空调系统涉及面广、要求高、设计和计算工作量大，其性能的好坏直接影响到 车室环境的舒适性和整车的使用性能。传统的设计过程花费时间长，准确性差，不仅会 严重影响新产品的开发周期，而且使用性能也难以完全满足用户的要求。随着c a d 技术 的不断完善和发展，在工程和产品设计等领域得到了越来越广泛的应用。c a d 技术为设 计人员提供了有效的设计工具和设计手段，对加速设计过程、优化设计结果、提高设计 质量，从而使产品设计达到最佳设计效果具有非常重要的作用。本课题本着为客车制造 厂家提供一套先进、实用、功能较完整且人机界面友好的客车空调系统设计c a d 软件的 原则，将客车空调系统设计过程与c a d 技术结合，初步开发了一套专用于客车空调系统 设计的c a d 软件k c k tc a d 系统。 本文在长安大学车辆工程专业梁晓娟同学的硕士论文客车空调系统计算机辅助设 计软件的开发与研究的基础上，进一步完善了客车空调系统计算机辅助设计软件的功 能，并开发了部分其它模块。在已建立的k c k tc a d 系统的基础上，利用软件“c a ) 【a 电 子图板”和“c a x a 实体设计”，建立了二维工程图和实体设计的图形库，完善了客车空 调系统的数据库管理系统、设备选型系统以及设计计算和设计图纸的生成等功能，并在 s x 6 9 0 0 旅游客车空调系统的设计中进行了应用。 应用本课题开发的k c k tc a d 系统，可提高新车开发过程中空调系统的设计水平、 设计质量和设计效率，减轻设计人员的劳动强度，缩短开发周期，较好地满足客车空调 系统设计的需要，具有一定的使用价值和较广阔的应用前景。同时，对进一步开发全面 的专用客车c a d 系统也具有重要的参考价值。 关键词：客车空调空调系统设计 c a d c a x a 软件开发 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t t h eb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mc o v e raw i d er a n g ea n dw i t hh i 曲l yd e m a n d i n g ，a n dt h e w o r k l o a do fi t sd e s i g na n dc a l c u l a t i o ni sg r e a t ，t h ep e r f b 咖a n c eo fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m a f f b c tt h ep a s s e n g e r sc o m p a m n e n t sc o m f o r ta n db u s so p e r a t i o np e r f b m l a n c ed i r e c t l y t h e p m c e s so ft m d i t i o n a ld e s i g n 、v a st i m e - c o n s u m i n ga n db a di na c c u r a c y ，i tn o to n l ys e r i o u s l y a f r c c tt h ed e v e l o pp e r i o do f n e w t y p eb u s ，b u ta l s ot h ep e r f o m a n c eo f i tc o u l d n tf u l ls a t i s f i e d w i t hu s e r s r e q u i r e m e n t s w i t h t h ec o n s t a n t i m p m v e m e n ta n dd e v e l o p m e n to fc a d t e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o no fc a dw a sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ei nt h ee n g i n e e r i n ga n d p m d u c t sd e s i 驴f i e i d s c a dt e c h n o l o g yp r o v i d e dd e s i g l l e r sw i t ha ne 彘c t i v ed e s i g nt o o la n d d e s j g nm e a n s ，i th a sai m p o n a n t 向n c t i o ni na c c e i e r a t ed e s i g np m c e s s ，o p t i m i z ed e s i g nr e s u l t a 1 1 de n h a n c ed e s i g nq u a l i 吼m a d et h ep r o d u c td e s i g na c h i e v eb e s te 疵c t t h i sp r o j e c tb a s e d o nt h ep r i n c i p l eo fp r o v i d ea na d v a n c e d ，p r a c t i c a l ，c o m p l e t ef u n c t i o na n d 行i e n d i yi n t e r f a c e b u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mc a ds o f t w a r ef o rm eb u sm a n u f 犯t u r e lc o m b i n c dt h ed e s i g n p m c e s so f b u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw i t hc a dt e c h n o l o g y ，p r e l i m i n a r yd e v e l o p e das p e c i a l c a ds o f t w a r e ( k c k tc a d s y s t e m ) u s e df o rb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e md e s i g n i h i st h e s i sb a s e do nam a s t e rt h e s i s 一d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho nb u sa i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r e 如l f i e db yl i a n gx i a o - j u a n m a s t e r e di nv e h i c l ee n g i n e e r i n gi nc h 锄g a nu n i v e r s i 吼如曲e ri m p r o v e dt h ef u n c t i o no f b u s a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o r w a r e ，a n dd e v e l o p e ds o m eo t h e rm o d u l e s b a s e do nf o u n d e dk c k tc a d s y s t e m ，u t i l i z e ds o r w a r e c a x ae l e c t m n i cd r a w i n 2b r o a d a n d c a x as o l i dd e s i g n f o u n d e dt h eg r a p h i c sl i b r a r yo ft w od i m e n s i o n sd r a w i n ga n dt h r e e d i m e n s i o n ss o l i d ， i m p r o v e dt h ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，t y p es e l e c t i o ns y s t e m ， c a l c u l a t i o na n dd r a w i n gb u i i d i n e t cf u n c t i o ni nt h es o 厅w a r e k c k tc a ds y s t e mw a s a p p l i e df o rs x 6 9 0 0t o u r i n gb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e md e s i g ni nt h i st h e s i s u s ek c k tc a ds y s t e md e v e l o p e di nt h i sp r o j e c tc a ne n h a n c ed e s i g nl e v e la n dq u a l i t y a n de f n c i e n c yo f a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi nt h ep m c e s so f n e w t y p eb u sd e v e l o p m e n t ，l i g h t e n i a b o ri n t e n s i t yo fd e s i g n e ls h o r t e nd e v e l o pp e r i o d ，s a t i s 母t h en e e do fb u sa i rc o n d i t i o n i n g d e s i g n ，t h i ss y s t e mh a v eag o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o na n de x t e n s i o n 。m e a n w h i l e ，t h i s s y s t e mi a yd o w naf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e i o pa 如l lf u n c t i o nb u sa - rc o n d i t i o n e rc a d s y s t e m k e y w o r d s ：b u s a i r c o n d i t i o n i n g t h ed e s i g n i n go f a i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mc a d c a x a e x p l o i t a t i o no fs o r w a r e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 氆耢 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：_ 多必殓五名年6 月4 日 跏麟八p 干“盯日 第一章绪论 1 1 汽车空调系统概述 一、汽车空调的发展 汽车空调是空气调节工程的一个重要分支，其目的是对汽车车室以及驾驶室内的空 气质量和数量进行调节，使其达到热舒适性标准。 自1 8 8 6 年德国的卡尔奔驰制造出世界第一辆汽车以来，汽车工业经历了几次飞跃 式的发展，使其成为今天人类重要的生产和交通工具。而汽车空调的问世，则比汽车的 发展整整晚了半个世纪。随着电子技术和汽车技术的发展，汽车空调技术不断完善，其 发展过程可以概括为以下五个阶段( 2 1 ： 1 单一暖风系统，即利用房间取暖的方法。1 9 2 5 年美国率先在汽车上利用发动机冷 却液通过加热器的方法进行取暖。到1 9 2 7 年己发展到具有加热器、鼓风机和空气滤清器 等比较完整的采暖系统。目前，在寒冷的北美、北欧和亚洲北部地区，仍然使用单一暖 风系统。 2 单一制冷系统。1 9 3 9 年，美国通用汽车帕克公司( p a c i ( a r d ) 在轿车上安装了世界 上第一台机械制冷降温的空调系统，成为汽车空调系统的先驱。至今，在热带、亚热带 地区，单一制冷系统仍被广泛使用。 3 冷暖一体化空调系统。1 9 5 4 年，美国通用汽车公司首先在纳什( n a s h ) 牌轿车上安 装了冷暖一体化的空调系统，该空调系统具有调节控制车内温度、湿度的功能，基本上 可以称之为现代汽车空调的雏形。随着汽车空调技术的发展，目前冷暖一体化空调系统 已具有较完备的温控、除湿、通风、空气过滤、除霜等功能，成为使用量最大的一种形 式。 4 自动控制的汽车空调系统。早期的冷暖一体化空调系统需要人工操纵，不仅增加 了驾驶员的工作量，而且控制质量也不太理想。1 9 6 4 年，美国通用汽车公司将自动控制 的汽车空调系统安装在卡迪拉克轿车上。这种自动控制的空调系统只要预先设定所需的 温度，就能自动地在设定的温度范围内工作，达到调节车室内气候的目的。 5 微机控制的汽车空调系统。1 9 7 3 年，美国通用汽车公司和日本五十铃汽车公司联 合开展了微机控制汽车空调系统的研究与开发，并于1 9 7 7 年同时在各自生产的汽车上采 用。微机控制的汽车空调系统增加了功能，实现了显示数字化和故障诊断自动化。这种 空调系统能根据车内外的环境条件，由微机控制系统的工作，实现了空调运行与汽车运 行的协调统一，极大地提高了调节效果，节约了燃料，从而提高了汽车的整体性能，达 到了最佳的舒适性。 汽车空调的普及，不仅仅是人们生活水平的提高和舒适豪华的标志，也是提高汽车 竞争能力的重要手段之一。随着汽车工业的发展和生活水平的提高，人们对汽车的舒适 性、可靠性、安全性的要求越来越高。工业和经济发达的国家如美国、日本等汽车空调 装车率在9 0 左右，而旅游客车则高达1 0 0 。 我国汽车空调起步较晚。在上世纪6 0 年代，仿制的第一台汽车空调器被安装在红旗 牌轿车上，而国内汽车空调的真正起步是在2 0 世纪的7 0 年代末8 0 年代初。随着汽车工业 的发展，推动了空调行业的迅猛发展，仿制、开发、研究和合资合作生产非常活跃，但 是真正形成规模的为数不多，至今也没有能和国际大公司进行竞争的国产汽车空调品 牌。 二、汽车空调的特点叫 汽车空调作为空调技术的一个分支，与一般空调相比，如建筑空调、家用空调等， 有着许多独特的特点和要求，具体表现在： 1 汽车是交通和运输工具，是移动着的建筑物，而空调系统就是安装在运动着的建 筑物上面。与固定建筑物相比，其容积狭小，人员密集，车身的热工性能比建筑物复杂 得多。因此，汽车的热湿负荷远比一般建筑物大，且风量分布难以均匀。此外，由于车 厢高度低，内部结构复杂，气流组织困难。因此，车内的温度分配不易均匀，更难达到 理想状态。 2 汽车空调一般采用蒸汽压缩式制冷机为冷源，压缩机由发动机驱动，其制冷能力 随车速和负荷变化很大。在怠速或慢速行驶时，制冷能力小，而这时恰恰需要大的制冷 量，造成供不应求。另外，在正常或高速行驶时，制冷能力剧增，而需求量则相应减少， 又形成了供大于求的状况。这是一对明显的矛盾，与设备选择和控制有关。设备选择过 大，能满足怠速和慢速时要求，但对设备造价、安装位置和能源利用率不利：若选择过 小，又满足不了使用要求。 3 汽车结构非常紧凑，可供安装空调设备的空间极为有限，因此对空调装置的体积 和重量要求较高。此外，空调装置要消耗一定动力，而通常汽车发动机动力十分有限。 因此，必须考虑空调装置对汽车动力性和操纵性能的影响。 4 汽车车身结构复杂，隔热壁薄且多为金属壁面，玻璃门窗面积大( 约占车身总面 积的l 3 ) ，所以车体隔热困难，车室内能量损失大。 5 汽车的行驶道路和使用条件复杂，要求空调系统必须有较高的适应性、耐用性和 工作可靠性。 6 必须与车身内饰或外观造型统一、协调，以保持整车形体的完美和美观。 三、汽车空调技术的发展趋势m 5 m m 当前，从市场需求方面看，汽车空调装置应进一步降低成本，提高使用经济性：从 车身制造方面看，随着车厢地板高度的降低以及车辆向大型化、高级化发展，需进一步 提高汽车空调各组成装置的紧凑性和效率；从乘客和驾驶员方面看，车内温度要合理分 布，设备操作要简便，空调装置应向全季节型发展。 1 全自动化 早期的汽车空调系统，由于冷气、暖气和通风换气系统彼此间相互独立，因而它们 的控制系统也自成一体，且全部为手动控制，仅凭驾驶员的感觉来调节开关，致使温度、 湿度及风量很难控制在较理想的状态。近年来，随着电子技术和计算机技术的发展和普 及，汽车空调系统的自动控制技术得到了迅猛的发展，控制效果日趋完善，空调设备的 性能也越来越高。运用这种空调系统能进行全天候的空气调节，集制冷、采暖、通风换 气于一体，在人为设定的最佳温度、湿度及风量的情况下，该系统可根据车室内人员数 量及其它情况的变化进行多档位、多模式的微调，从而达到设定的最佳值，使车内始终 保持舒适的人工气候环境。同时，还可进行故障自动诊断和数字显示，缩短检修和准备 时间。 2 提高舒适性 当前，不少汽车空调系统的制冷和采暖是各自独立的系统。每当梅雨季节，车窗玻 璃上常常蒙上雾气，要去掉雾气，必须起动除霜装置，但效果并不理想；若启动冷气装 置，将会使车内舒适性降低。为了克服此缺点，目前正在开发一种全季节型的空调系统。 该系统具有换气、采暖、除湿、制冷等所有功能，夏天由发动机驱动制冷系统，冬天用 加热器采暖，过渡季节( 如梅雨季节) 则采用制冷与采暖混合吹出的温和风进行除湿、 除霜，使车厢内的气候条件始终处于最佳状态。 3 高效节能、小型轻量化 要进一步降低空调装置的重量和外形尺寸，必须提高各组成装置的结构紧凑性和效 率。为此，国内外各汽车空调生产厂家投入大量的人力物力致力于改进各组成装置的结 构、完善制造工艺、改进空调装置的布局、提高空调装置性能的研究与开发。 在压缩机方面，传统的空调系统多采用斜盘式压缩机，这种压缩机制冷能力较低， 性能系数和容积效率也相对较小。为了提高压缩机性能，目前己开发使用了制冷效率高 的旋转式压缩机和三角转子压缩机，同时性能更为优越的涡旋式压缩机和变容量压缩机 也在研究开发之中。在冷凝器和蒸发器方面，管片式换热器已逐渐被管带式换热器取代， 而散热性能更佳、结构更为紧凑的平行流冷凝器和层叠式蒸发器又有取代管带式换热器 的趋势。在制冷管路方面，采用优化设计使管路结构更为合理，弗在管路上采取了安装 和装配防振橡胶块以防共振等措施。 4 向环保型汽车空调发展 汽车空调所使用的制冷工质r 1 2 对大气臭氧层有定的破坏作用，根据蒙特利尔 协议，2 0 0 0 年已开始禁止使用r 1 2 。因此，世界各国都在积极研制更适合于环境保护 的新工质。目前，一致公认r 1 3 4 a 是汽车空调r 1 2 的首选替代物。我国开发研制的使用 r 1 3 4 a 的汽车空调系统已投放市场并被越来越多的车型所使用。传统的空调装置若使用 r 1 3 4 a 需要对系统作适当改进。 1 2 计算机辅助设计( c a d ) 技术简介嘲叫“ 一、c a d 概念 计算机辅助设计( c o 叩u t e r a i d e dd e s i g n ) 简称c a d ，是设计人员借助于计算机进行 设计的一种方法。 计算机辅助设计包括的内容很多，如：概念设计、优化设计、有限元分析、计算机 仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等，其特点是将人的创造能力和计算 机的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。在工程、产品设计 中，许多繁重的工作，例如非常复杂的数学和力学计算，多种设计方案的提出、综合分 析比较与优化，工程图样及生产管理信息的输出等，均可由计算机完成。设计人员则可 对计算、处理的中间结果做出判断、修改，以便更有效地完成设计工作。计算机辅助设 计能极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，提高开发效率：同时， 可综合应用各种现代设计方法，提高设计质量，降低产品成本。利用计算机辅助设计还 可以充分实现数据共享，使设计工作规范化、系列化和标准化，便于交流和管理，为开 发新产品和新工艺创造了有利条件。目前，计算机辅助设计技术已被广泛应用于汽车、 机械、建筑、交通、电子、航空航天、纺织、服装等各个领域。在我国，计算机辅助设 计越来越受到企业的欢迎和重视，正在大力的推广和应用之中。 二、c a d 技术的特点 c a d 技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其他领 域知识于一体的高新技术，是先进制造技术的重要组成部分，也是提高设计水平、缩短 产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。c a d 技术的特点是涉及面广而复杂、 技术变化快、竞争激烈，且投资大、风险高、产出高。现代有名的c a d c a m 软件都具有 规模巨大、功能众多、系统复杂的特点，所以投资大、开发周期长，难以及时跟上硬件 平台和开发环境的迅速发展，以及广大用户需求的变化和不断增长的要求。 三、c a d 系统的组成 c a d 系统一般由硬件和软件两部分组成。要想充分发挥c a d 的作用，必须要有高性 能的硬件和功能强大的软件。c a d 系统的组成如图卜l 所示。 ( 一) 硬件组成 先进的c a d 系统硬件由计算机及其外围设备和网络组成。计算机分为大型机，中、 小型机，工作站和微机四大类。目前，应用较多的是c a d 工作站，而国内主要是微机和 工作站。外围设备主要包括鼠标、键盘、扫描仪等输入设备和显示器、打印机、绘图仪 等输出设备。网络系统包括中继器( 增加网线长度) 、网桥( 同种网相连) 、路由器( 选 择加工路线) 、网关( 不同协议相连) 、m o d e m 方式等连接到网络上，以实现资源共享。 网络的连接方式即网络的拓扑结构可分为星形、总线形、环形、树形以及星形和环形的 组合等形式。硬件系统在上世纪6 0 年代以大型机系统为主，即以大型机为主机，配之 以图形终端、字符终端、绘图机等构成的主从式系统；7 0 年代发展为以小型机为主机， 配以机械、电子或建筑业通用软件的小型成套系统：8 0 年代以来，则以工程工作站加网 络构成的分布式系统为主流。先进的c a d 系统都是以网络形式出现的，特别是在并行工 程环境中，为了进行产品的并行设计，网络更是必不可少的。那种单机c a d 的工作方式 在大中型企业中将逐渐淘汰，因为它远远不能满足现代企业设计的要求。 图1 1c a d 系统的组成 ( 二) 软件组成 为了充分发挥计算机硬件的作用，c a d 系统还必须配备各种功能齐全的软件。c a d 系统的软件分为两大类：支撑软件和应用软件。支撑软件包括操作系统( 实现对硬件的 控制和资源的管理) 、程序设计语言( f o r t r a n 、b a s i c 、c 、二次开发语言和汇编语言等) 及其编辑系统、数据库管理系统( 对数据的输入、输出、分类、存储、检索进行管理) 和图形支撑软件( a u t o c a d ) 。另一类是应用软件，它是根据本领域工程特点，利用支撑 软件系统开发的解决本工程领域特定问题的应用软件系统。应用软件系统包括：设计计 算方法库( 常用数学方法库、统计数学方法库、常规设计计算方法库、优化设计方法库、 可靠性设计软件、动态设计软件等) 和各种专业程序库( 常用机械零件设计计算方法库、 常用产品设计软件包等) 。 四、典型c a d 软件 2 0 世纪8 0 年代以来，国际上推出了一大批通用c a d 集成软件，表卜l 中给出了部 分较为优秀、流行的商品化软件的情况。 e 表卜1 典型c a d 软件介绍 软件名称厂家主要功能 u g 软件起源于美国麦道飞机公 基于u n i x 和w i n d o w s 操作系统； 司，于1 9 9 1 年加入世界上最大的软件 ( 多参数化和变量化建模技术相结 公司一e d s 公司，随后以u n i g r a p h i c s 合； u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s 公司( 简称u g s ) 运作。u g s全套工程分析、装配设计等强大 是全球著名的c a d c a e c a h i 供应商，主功能； ( u g ) 要为汽车、航空航天、通用机械等领域 ( d 三维模型自动生成二维图形，在 c a d c e c a m 提供完整的解决方案。其航空及汽车工业应用广泛： 主要的c a d 产品是u g 。美国通用汽车 ( 9 曲面造型、数控加工等方面有一 公司是u g 软件的最大用户。定的特色。 a u t o d e s k 公司是世界第四大p c 软 基于叭n d o w s 平台，是当今最流 件公司，成立于1 9 8 2 年。在c a d 领域 行的二维绘图软件： a u t o c a d 内，该公司拥有全球最多的用户量，它 ( 多强大的二维绘图和编辑功能； 也是全球规模最大的基于p c 平台的 三维实体造型； ( 9 具有很强的定制和二次开发功 c a d 、动画及可视化软件企业。 能。 基于u n i x 和w i n d o w s 操作系统： 基于特征的参数化建模； 美国p t c 公司，1 9 8 5 年成立于波 强大的装配设计； 士顿，是全球c a d c a e c a m 领域最具代 三维模型自动生成二维图档； p r o e n g i n e e r( 9 曲面造型、数控加工编程； 表性的著名软件公司，同时也是世界第 一大c a d c a e c a m 软件公司。 ( 9 真正的全相关性，任何地方的修 改都会自动反映到所有相关地 方； 有限元分析。 美国s o l i d w o r k s 公司，成立于 基于w i n d o w s 平台： 1 9 9 3 年，是全世界最早将三维参数化 参数化造型； 造型功能发展到微型计算机上的公司。 s o l i d w o r k s 包含装配设计、零件设计、工程 该公司主要从事三维机械设计、工程分 析及产品数据管理等软件的开发和营 图和钣金等模块： 销。 ( d 图形界面友好，操作简便。 五、c a d 技术的发展 ( 一) c a d 技术发展的三个历史阶段 1 二维绘图阶段，主要是在计算机上表达二维几何图素，但图素之间缺乏联系，很 难保持各阶段设计的一致性。因此，此时的c a d 仅仅是手工绘图板的替代工具。另外， 硬件支持系统价格昂贵，限制了c a d 的应用。 2 第二代c a d 软件在二维造型基础上引入三维造型，但只是极为简单的线框模型。 这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不具备表达几何数据间拓扑关系的 能力，实体拓扑信息以及形体表面信息的缺失使得c a m 及c a e 均无法实现。 3 在三维造型阶段，几何造型技术经历了三次技术革命。由于线框系统己不能满足 人们的实际需求，法国达索飞机制造公司的开发者们在二维绘图系统的基础上，开发出 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c a t i a 。c a t i a 的出 现为人类带来了第一次c a d 技术革命。 实体造型技术能够准确表达零件的大部分属性( 至少还不能表达零件的材料信息) ， 从c a d 系统获得的设计数据可以用于c a m 、c a e 等系统，给设计、分析、制造带来很大 的便利。可以说，实体造型技术的普及和应用是c a d 发展史上的第二次技术革命。 到了2 0 世纪9 0 年代，参数化技术开始逐步走向成熟，充分体现出其在许多通用件、 零部件设计上简便易行的优势。可以认为，参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第 三次技术革命。 但是，参数化技术并没有完全解决所有问题。例如，全尺寸约束这一硬性规定就干 扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥，而变量化技术既保持了参数化技术的原有优 点，同时又克服了它的许多不足之处。变量化技术的成功应用，为c a d 技术的发展提供 了更大的空间和机遇，驱动了c a d 发展的第四次技术革命。 总的说来，当今的c a d 系统采用了统一的数据结构和公用数据库，所采用实体造型 技术、参数化技术和特征造型技术，给设计人员带来了前所未有的便利。 近二十年中，c a d 是发展最迅速的技术和产业之一，也是应用领域最广泛的实用技 术之一，它推动了制造领域的革命。同时，这一新技术及其应用水平也己成为衡量一个 国家工业生产技术水平和现代化程度的重要标志。目前，工业发达国家已有8 0 以上的 企业使用了c a d 技术，国内也有7 0 的大中型企业采用了c a d 技术。随着计算机硬件和 软件的不断发展，以及c a d 系统的性能价格比不断提高，使得c a d 技术的应用领域也不 断扩大。各种资料表明：公认应用比较成熟的是机械、电子、建筑等领域，而航空航天、 造船、机床制造、汽车等则是国内外应用c a d 技术较早的工业部门。 ( 二) 我国c a d 技术及其主要产品 我【虱从上世纪7 0 年代开始研究和推广c a d 技术以来，c a d 技术在国内得到了广泛的 应用并取得了不断的提高和进步。到2 0 世纪9 0 年代后期，全面推广应用c a d 技术的企 业覆盖了工程机械、航空航天、建筑、服装等行业，覆盖面和普及率达到近7 0 ，并形 成了全国范围内的教育培训体系。随着计算机硬件技术的迅速发展，c a d 技术在我国得 到了突飞猛进的发展，在性能呈几何级数增长的同时价格也大幅度下降。其中，绘图软 件更是层出不穷，在各级政府和企业的资助下，开发了一批具有自主知识产权的软件系 统。 1 高华c a d 高华c a d 是由清华大学和广东科龙( 容声) 集团联合创建的高技术企业北京高华计算 机有限公司所开发生产的c a d 系列产品，包括计算机辅助绘图支撑系统g h d r a f t i n g 、机 械设计及绘图系统g 删d s 、工艺设计系统g h c a p p 、三维几何造型系统g h g e m s 、产品数据 管理系统g h p d m s 及自动数控编程系统g h c a m 。其中，g 删d s 是基于参数化设计的 c a d c a e c a m 集成系统，该系统具有全程导航、图形绘制、明细表处理、全约束参数化 设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。高华c a d 是全国 c a d 应用工程的主推产品之一，其中g h g e m s 5 0 曾获第二届全国自主版权c a d 支撑软件 评测第一名。如今，高华c a d 软件己被3 0 0 多家大中型企业及科研院所采用，其装机量 据称已经超过一万套。 2 pj c a d p i c a d 系统及系列软件是中科院凯思软件集团和北京凯思博宏应用工程公司开发的 具有自主版权的c a d 软件。该软件的主要特点是具有智能化、参数化和较强的开放性， 对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航；系统提供局部图形参数化、参数化图素拼 装及可扩充的参数图符库；提供交互环境下开放的二次开发工具，用户可以任意增加功 能或开发专业应用软件。p i c a d 是国内商品化最早、市场占有率最大的c a d 支撑平台及 交互式工程绘图系统，自1 9 9 1 年推出中国第一个商品化的二维c a d 系统以来，经过几 年的发展，p i c a d 的用户已经遍及各行业及各省市，至1 9 9 7 年底装机已近8 0 0 0 套。 3 清华x t m c a d 清华x t m c a d 是清华大学机械c a d 中心和北京清华艾克斯特c i m s 技术公司共同开发 的基于w i n 9 5 和a u t o c a d r l 2 及r 1 3 进行二次开发的c a d 软件。该软件不仅具有动态导 航、参数化设计及图库建立与管理功能，还具有常用零件优化设计、工艺模块及工程图 纸管理等模块。当a u t o d e s k 推出m e c h a n i c a ld e s k t o p ( m d t ) 后，艾克斯特公司推出 了基于m d t 的三维机械设计增强系统即x t m c a d3 d 。作为a u t o d e s k 注册认可的软件增 值开发商，可直接得到a u t o d e s k 公司的技术支持，其优势体现在对c i m s 工程支持数据 的交换与共享上。 4 开目c a d 开目c a d 是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的c a d 和图 纸管理软件。该软件面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率 比a u t o c a d 高得多。开目c a d 支持多种几何约束及多视图同时驱动，具有局部参数化的 功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目c a d 实现了c a d 、c a p p 、c a m 的 集成，适合我国设计人员的习惯，是全国c a d 应用工程主推产品之一。 5 金银花系统 “金银花( l o n i c e r a ) ”系统来源于北京航空航天大学国家8 6 3 c i m s 设计自动化 工程实验室，随后经过该实验室和广州红地技术有限公司联手进行商品化、产业化的开 发而成。该软件主要应用于机械产品的设计和制造，可以实现设计制造一体化和自动 化。其主要特点是采用了面向对象技术，使用了先进的实体建模、参数化特征造型、二 维和三维一体化、s d a i 标准数据存取接口的技术：具备机械产品设计、工艺规划设计和 数控加工程序自动生成等功能；同时，还具有多种标准数据接口。目前，金银花系统的 系列产品包括：机械设计平台 f d a 、数控编程系统n c p 、产品数据管理p d s 、工艺设计工 具m p p 等。 6 c a x a c a x a ( c o m p u t e ra i d e dxa d v a n c e d ，x 意味着扩充) 是北京北航海尔软件有限公司面 向我国工业界推出的包括数控加工、工程绘图、注塑模具设计、注塑工艺分析及数控机 床通讯等一系列自主开发的具有中文界面、三维复杂形面的c a d c a m 软件。该软件包括 c a x a e b 、i p d 、i m d 、w e d m 、m i l l 、m e 六个系列，其中c a x a e b ( e l e c t r o n i cb o a r d 电子 图板) 已经通过我国机械c a d 软件标准化审查。c a x a 电子图板是一个高效、方便、智能 化的通用中文设计二维绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表及平 面包装等设计。c a x a 电子图板全面采用国标设计，几乎所有的图形功能都支持直观的拖 放方式，并拥有智能化和预显示的工程标注以及参量化国标机械零件图库。 ( 三) c a o 技术的发展趋势 进入2 l 世纪，c a d 在应用和实用技术方面取得了很大的进展，主要表现在以下几个 方面： 1 图形交互功能改进 c a d 软件是产品创新的工具。既然是工具，就要求易学好用、得心应手，形成一个 友好的、具有某种智能化的工作环境。这样的工作环境可以开拓使用者的思路，解放使 用者的大脑，让使用者集中精力进行设计创作，而并非浪费大量的时间和精力在软件的 操作次序或使用规则上。所以，目前c a d 软件在图形交互功能上进行了很大的改进，这 些改进主要集中在以下几方面： 智能化的图标菜单 目前，多层次的弹出式或下拉式菜单己不能满足使用者的需求，良好的菜单结构可 以使设计周期缩短2 0 5 0 。智能化的图标菜单结构是c a d 软件今后的发展趋势。 好的菜单结构是：用户在图形操作区和菜单区之间移动光标的次数要尽量少，菜单 层次要尽量少，菜单要直观、简洁、明了，菜单项排列要根据使用频率自动组合、调节 位置，操作指令结构要十分简化。 “拖放式”造型 设计就是灵活的修改。直观地、实时地对三维实体进行“拖放式”的设计与修改一 直是设计人员追求的目标。在变量化技术的支持下，利用形状约束和尺寸约束可以分开 处理的灵活性，己经实现了对零件上的常见特征直接以拖动方式直观、实时地进行图示 化编辑修改的功能。今后的发展方向是实现智能化的、完全的“拖放式”造型。 动态导引器 目前在某些软件中，伴随光标而随时随地弹出菜单的操作模式已经越来越多。随着 光标的移动，动态导引器自动拾取、判断所有模型元素的种类及其空间相对位置，理解 使用者的设计意图，记忆常用的步骤，并提示使用者下一步可能要做的工作。这是软件 智能化的一个很好的应用范例。 2 应用功能改进 目前，c a d 软件在应用功能方面的改进主要有以下几个方面： 发展功能高度集成化的c a x 体系 在c a d 系列软件中，软件改进主要有两种途径：一是改进整体性能，优化内部数据 结构和算法，改进易用性；一是改进功能集成性，在一个软件体系结构下实现更多的应 用功能集成。即用一个c a ) ( 软件来快捷地、一路畅通地开发出客户所需要的产品。例如， 从工业设计到结构设计一体化，即c a i d 与c a d 的集成，以确保设计人员可以完全自由 地表达自己的意图，从产品外观到内部结构，实现自由流畅地进行技术创新、性能或结 构改进以及高级渲染着色。 知识融合技术 知识融合技术是能够进行自动化过程设计、管理可能性因素和实践性因素的一门技 术。它让用户能够创建和保存自己的规则和过程，物理、化学或者在其它领域创建的工 程规则都可以被集成。例如装配材料的花费、加工公差的极限、冲压的工序和模具注射 过程等项目都可以保存和评估，并且大量实现自动化过程处理。用户可以方便地选择他 们所需要的方案，就如同现在建造参数化特征一样简单。 特定工业过程的智能向导 过程向导融合了业界特有的过程知识，把设计技术中复杂的因素连接到了自动的过 程当中。例如e d s 的n x 软件设计有许多智能化的过程向导，如注塑模具向导、级进模 具向导、齿轮工程向导、冲压工程向导、焊接助理、加工专家顾问、强度向导、优化向 导等。这些过程向导将极大地改进工作流程的效率，使生产率成倍提高。 系统化造型 使用系统化造型，设计者能够通过改变产品中的任何零件，进行各种变型，以此查 看完整的产品及其生产过程。新一代的c a d 软件将参数化造型技术提升到了更为高级的 系统和产品设计的层面上。系统级的设计参数可以由产品向下驱动其子系统、装配以及 最终的零件。对于产品定义模板的修改将通过自动化的途径，控制并映射到所有相关的 子系统和零部件之上。 3 系统功能改进 c a d 系列软件在系统的功能改进方面主要有以下内容： 在c a d 软件中加入p d m ( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 功能 p d m 功能即产品数据管理功能，具有p d m 功能的c a d 软件正在逐渐为用户所认识和 接受。实现设计协同是未来c a d 的主要发展方向之一。设计协同的虚拟会议可促进设计 人员之间自由讨论、发表见解，团队能够把想法立体化，并立即见到在产品所有方面的 结果。通过消除通讯瓶颈，设计协同功能可以很好地解决在工程师、供应商与客户间对 关键产品设计问题的协调工作。当团队成员正工作在产品设计的方方面面，而且是位于 不同国家、城市或设计团队时，设计协同使异地数据共享成为可能，即使位于同一办公 楼的团队也能从实时共享与检查设计改变中获益。 p l m 环境中的c a d p l m 即产品创新和协同管理。在p l m 解决方案中，c a d 功能是其中必不可少的一个 有机组成部分，简称为p l m 3 d 。在p l m 环境中的c a d 功能与独立运行的c a d 软件在使用 定位上有一定的层次上的差异。独立的c a d 软件强调数据的关联，具有p d m 功能的c a d 软件强调数据的共享，而p l m 中的c a d 功能则强调在产品全生命周期内的数据管理，以 及基于这些数据而工作的各地、各企业、各部门、各工作组之间的协同。 在p l m 的中性c a d 数字化模型中，利用j t ( 作业表) 格式，可实现多c a d 数据来源 的虚拟产品的整机大装配，以及对零部件厂商的协作管理，还可以用p l m 3 d 作为数字化 工厂布置的基础数据，也可以作为后期产品维护维修的仿真数据。 六、c a d 系统的选型 ( 一) 选型原则 选择软件时，应以满足需要为前提，除价格因素外，应主要考虑以下几点： 1 操作使用的方便性 首先，应注意软件的安装对操作系统及硬件的要求；其次应检查软件的各个子系统， 如界面设计是否符合逻辑和便于阅读，各级子菜单如何管理和显示，用户如何与系统交 流等。一个好的软件还要便于初学者掌握，操作简便实用，一般应包含供初学者使用的 学习模块和即时帮助系统。 2 软件的集成化程度 一个完整的c a d 软件系统是由多个模块组成的，如三维绘图、图形编辑、曲面造型、 数控加工、仿真摸拟等。这些模块应以工程数据库为基础，进行统一管理。这样既保持 了底层数据的完整性和一致性，实现了数据共享，又节约了系统资源和运行时