CAD技术及其应用.doc

目 录第1章 CAD技术概述11.1 基本概念11.2 CAD系统的基本组成21.3 CAD系统的基本功能21.4 CAD系统的主要任务3第2章 CAD技术的发展趋势展望62.1 CAD发展历程62.2 CAD技术的发展趋势92.3 CAD技术研究开发热点11第3章 应用CAD技术的若干问题163.1 引起设计革命的CAD163.2 CAD软件迈进个性化时代163.3 应用CAD技术的几个问题17第4章 CAD技术在工程设计中的应用204.1 CAD技术在工程设计中的优点204.2 CAD技术在工程设计中的缺点21第5章 结论23致 谢24参考文献25 第1章 CAD技术概述1.1 基本概念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。 发展概况20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。现在，CAD已在电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。CAD是CAE、CAM和PDM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计；而PDM则更需要CAD进行产品装配后的关系及所有零件的明细(材料、件数、重量等)。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE、CAM和PDM中有所反应。所以如果CAD开展的不好，CAE、CAM和PDM就很难做好。1.2 CAD系统的基本组成CAD系统由硬件系统、软件系统和人才系统组成。硬件系统主要指计算机主机及其外部设备、网络通信设备和生产加工设备。硬件设备是CAD系统运行的基础。软件一般是指由系统软件、支撑软件和应用软件组成的程序、数据及有关文档。软件是CAD系统的核心。近年来，由于计算机技术的不断进步，大大缩短了软件升级和硬件更新周期。二者之中，尤以软件升级更为活跃，只有及时进行升级完善，才能不断满足生产加工的需要。软件的发展，需要更快的计算机硬件系统，而硬件的更新为开发更好的CAD软件提供了必备的物质条件。配置最佳的软、硬件系统，离不开高素质的操作和维护人员，人才是CAD系统运行的关键。从使用角度来看，各类CAD系统都通过人机对话完成各种交互任务，而大部分交互工作是人与计算机之间进行的，这就要求操作人员与计算机密切合作，各自发挥自身特长。操作人员在设计策略、逻辑控制、信息组织、经验和创造性方面占有主导地位。计算机在信息存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面有着特有的优势。只有把硬件、软件和操作人员的工作有机结合起来，并加以正确维护，才能有效地发挥CAD系统的作用。CAD系统的组成如图1.1所示。CAD系统硬件系统软件系统人才系统计算机外围设备生产设备系统软件支撑软件应用软件理论知识实践经验图1.1 CAD系统的组成1.3 CAD系统的基本功能CAD系统是一个有机的统一体，下面我们简单认识一下CAD系统软件的功能。1.图形显示功能CAD系统是一个人机交互的过程，从产品的造型、构思、方案的确定，结构分析到加工过程仿真，系统随时保证用户能观察、修改中间结果，实时编辑处理。用户每一次操作，都能从显示器上及时得到反馈，直到取得最佳的设计、制造结果。图形显示功能不仅能够对二维平面进行显示控制，还包含三维实体处理。2.存储功能在CAD系统运行中，数据量很大，往往有很多算法生成大量的中间数据，尤其是对图形的操作以及交互式的设计、结构分析中的网格划分等。为了保证正常的运行，CAD系统必须配置容量较大的存储设备，支持数据在各模块运行时的正确流通。另外，工程数据库系统的运行必须有存储空间的保障。3.输出、输入功能在CAD系统运行中，用户需要不断将有关设计要求、各个步骤的具体数据等输入计算机，通过计算机处理后，输出处理结果。输入、输出信息可以是数值的，也可以是非数值的，如图形数据、文本、字符等。4.交互功能在CAD系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁，友好的用户界面是保证用户直接而有效完成复杂设计任务的必要条件。除软件中的界面设计外，还必须有交互设备实现人与计算机之间的通信。1.4 CAD系统的主要任务CAD系统需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造过程中的数值计算、设计分析、绘图、工程数据库、工艺设计及加工仿真等各个方面。1.工程绘图采用计算机进行平面图形的绘制，以取代传统的手工绘图，CAD系统中某些中间结果也是通过图样来表达的。CAD系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转换的功能，另一方面还需具有处理二维图形的能力，保证生成合乎生产要求、也符合国家标准的机械图样。2.几何造型通过二维图形表达三维的产品是一种间接的设计方法，理论上应该是直接设计具有三维形状的产品。但是，依靠人工去绘制三维产品，并对三维产品直接进行分析是非常困难的。因此，计算机辅助设计的基本任务就是利用计算机构造三维产品的几何模型，记录产品的三维模型数据，并在计算机屏幕上显示出真实的三维图形结果。利用几何建模功能，用户不仅能构造各种产品的几何模型，还可以随时观察、修改模型或检验零部件装配的结果。产品几何建模包括：零件建模，即在计算机中构造每个零件的三维几何结构模型；装配建模，即在计算机中构造部件的三维几何结构模型。常用的建模方法有：线框模型，即用零件边框线来表示零件的三维结构；曲面造型，即用零件的表面来表示零件的三维结构；实体造型，即全面记录零件边框、表面及由曲面所组成的体的信息，并记录材料属性及其他加工属性。3.计算分析CAD系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置及转动惯量等几何特性和物理特性，为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。另一方面，CAD系统中的结构分析需进行的应力、温度、位移等计算，图形处理中变换矩阵的运算，体素之间的交、并、差计算，以及工艺规程设计中的工艺参数计算都要求CAD系统对各类计算分析算法正确、全面，而且适应数据计算量大、有较高的计算精度要求。4.结构分析CAD系统结构分析常用的方法为有限元法，这是一种数值近似求解的方法，用来解决结构形状比较复杂的零件的静态（动态）特性、强度、振动、热变形、磁场、温度场、应力分布状态等计算分析。在进行静态、动态特性分析之前，系统根据产品结构特点，划分网格、标出单元号、节点号，并将划分的结果显示在屏幕上。进行分析计算之后，将计算结果以图形、文件的形式输出，如应力分布图、位移变形图等，使用户方便、直观地看到分析结果。5.优化设计CAD系统应具有优化求解的功能，也就是在某些条件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要组成部分。6.装配及干涉碰撞分析零部件在设计时，利用计算机分析和评价产品的装配性，避免真实装配中的种种问题。对运动机构，也要分析运动机构内部零部件之间及机构周围环境之间是否有干涉碰撞现象，要及时发现并纠正各种可能存在的干涉碰撞问题。7.可制造性分析在零部件设计时，用计算机分析和评价产品的可制造性能，以避免一切不合理的设计。这些不合理的设计将导致后续制造困难或制造成本增加。8.计算机辅助工艺规程设计（CAPP）产品设计的目的是为了加工制造出该产品，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导的文件。因此，CAPP是CAD与CAM的中间环节。CAPP系统应当根据建模后成产的产品信息及制造要求，自动设计、编制出加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设备及参数。CAPP的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片，另一方面能直接输出一些信息，为CAM中的NC自动编程系统接受、识别，直接转换为刀位文件。9.NC自动编程在分析零件图后，制订出零件的数控加工方案，并用专门的数控加工语言（如APT语言）将其输入计算机。其基本步骤通常包括：（1）编程 手工或计算机辅助编程，生成源程序。（2）前处理 将源程序翻译成可执行的计算机指令，经计算，求出刀位文件。（3）后处理 将刀位文件转换成零件的数控加工程序，最后输出数控加工代码。10.模拟仿真在CAD系统内部，建立一个工程设计的实际模型，通过运行仿真软件，代替、模拟真实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。如数控加工仿真系统，从软件上实现工件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入及加工设备损坏的风险，减少了制造费用，缩短了产品的设计周期。模拟仿真通常有加工轨迹仿真，机构运动学模拟，机器人仿真，工件、刀具、机床的碰撞、干涉检验等。11.工程数据库管理由于CAD系统中数据量大、种类繁多，既有几何图形数据，又有属性语义数据，既有产品定义数据，又有生产控制数据，既有静态标准数据，又有动态过程数据，结构还相当复杂，因此，CAD系统能提供有效的管理手段，支持工程设计制造全过程信息流通与交换。通常，CAD系统采用工程数据库系统作为统一的数据环境，实现各种工程数据的管理。第2章 CAD技术的发展趋势展望2.1 CAD发展历程CAD技术从产生到现在已经发展了50多年，无论是硬件技术、软件技术还是应用领域都发生了巨大变化。CAD技术的发展大致经历了如下3个阶段。1.单元技术的发展和应用阶段在这个阶段，分别针对某些特殊的应用领域，开展了计算机辅助设计、分析、工艺、制造等单一功能系统的开发及应用。这些系统的通用性差，系统之间的数据结构不统一，系统之间难以进行数据交换，因此应用受到了极大的限制。关于NC技术的发明，首先应提到美籍瑞士人Parson，他为了制造直升机螺旋桨叶片的样本，研制了一种坐标镗床，这种机床能按一系列坐标值确定刀具的位置，刀具中心位置分别由一系列坐标点确定，机床在一次次定位中加工出波纹形轮廓，再经人工修锉，最后制成轮廓形状精确的样板。Parson不是NC机床的发明人，他自己也并没有认识到这种方法就是NC加工的思想。直到1952年，美国麻省理工学院才研制出第一台NC机床。NC加工发展初期，控制程序都是由手工编制的，效率很低。1955年，美国麻省理工学院的D.T.Ross发明了APT（Automatically Programmed Tools）NC语言系统，应用这种语言，通过对刀具轨迹的描述，就可以自动实现计算机辅助编制NC加工程序，在发展这一程序系统的同时，人们提出了一种设想：能否不描述刀具轨迹，而是直接描述被加工工件的轮廓形状和尺寸，由此产生了人机协同设计产品零件的设想，开始了计算机图形学（Computer Graphics）的研究，1963年，年仅24岁的麻省理工学院研究生I.E.Sutherland在美国春季联合计算机会议（SJCC）上宣读了他的题为“人机对话式图形通信系统”的博士论文。他开发了人机对话式的二维图形系统SKETCHPAD，第一次证实了人机对话式工作的可能性。这一研究成果具有划时代的意义，为发展CAD/CAM技术做出了巨大贡献。CAD技术的发展，引起工业界的重视。也是在1963年，第一个正式的CAD系统DAC（Design Augmented by Computers）在美国通用汽车公司问世，IBM公司也发展了2250系统图形显示终端。这些产品在今天看来尽管还是粗糙和不完善的，但是在当时却大大推动了人们对CAD的关注和兴趣。首先做出响应的是美国的汽车工业，随后日本、意大利等国的汽车公司也开始了实际应用，并逐渐扩展到其它部门。计算机辅助设计（CAD）是在20世纪60年代初期发展起来的。当时的CAD技术特点主要是交互式二维绘图和三维线框模型。利用解析几何的方法定义有关图素（如点、线、圆等）来绘制或显示直线、圆弧组成的图形。这种初期的线框模型系统只能表达图形的基本信息，不能有效的表达几何数据间的拓扑关系和表面信息。因此，无法实现计算机辅助工程分析（CAE）和计算机辅助制造（CAM）。计算机辅助制造工艺（Computer Aided Process Planning，CAPP），是对计算机给定一些规则，以便产生出工艺规程。工艺规程是根据一个产品的设计信息和企业的生产能力，确定产品生产加工的具体过程和加工指令，以便于制造产品。一个理想的工艺文件应保证工厂以最低的成本、最有效地制造出已设计好的产品。它是在20世纪50年代中期发展起来的。计算机辅助工程分析（Computer Aided Engineering，CAE），是从20世纪80年代发展起来的。CAE的确切定义尚无统一的论述，但目前多数CAE是CAD/CAM向纵深发展的必然结果。它是有关产品设计、制造、工程分析、仿真、实验等信息处理，以及包括相应数据库和数据库管理系统在内的计算机辅助生计和生产的综合系统。CAE技术的功能主要是指产品几何形状的模型化和工程分析与仿真，如图2. 1所示。作为CAE技术的核心内容工程优化设计是在20世纪50年代末期发展起来的，在70年代已得到普及和广泛的应用。CAECADCAMCAE/CAM机电一体化绘图造型设计分析数控加工生产控制仿真生产管理图2.1 CAD/CAM系统结构模式示意图2.CAD/CAM集成阶段随着一些专业系统的应用及普及，出现了通用的CAD、CAM系统，而且系统的功能迅速增强。另外，CAD系统从二维绘图和三维线框模型迅速发展为曲面造型、实体造型、参数化技术和变量化技术，CAD、CAE、CAPP、CAM系统实现集成化或数据交换标准化，CAD/CAM的应用进入了普及和应用阶段。3.CIMS技术推广应用阶段计算机除了在设计、制造等领域得到深入应用外，几乎在企业生产、管理、经营的各个领域都获得了广泛的应用。由于企业的产品开发、制造活动与企业的其它经营活动是密切相关的，因此，要求CAD/CAM等计算机辅助系统与计算机管理信息系统进行信息交流，在正确的时刻，把正确的信息，送到正确的地方。这是更高层次上企业内的信息集成，也就是所谓的计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。从20世纪50年代以来，随着计算机的迅速发展，计算机应用的许多新技术被应用到制造业，以解决制造业所面临的一系列难题，这些新技术主要有：数控（NC）、分布式数控（DNC）、计算机数控（CNC）、原材料需求计划（MRP）、制造资源计划（MRP-）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺过程（CAPP）和机械制造中的成组技术（GT）及机器人等。但这些新技术的实施并没有带来人们曾经预测的巨大效益，原因是它们离散地分布在制造业的各个子系统中，只能局部达到自动控制和最优化，不能使整个生产过程长期在最优化状态下运行。为了解决这个问题，人们逐步发展了计算机集成制造（CIM）这一技术思想。从20世纪80年代中期以来，以CIMS为标志的综合生产自动化成为制造业的热点。在我国，CAD/CAM技术的发展经历了由引进到开发的过程，很多大中型企业、工程设计部门、大专院校、科研部门等纷纷通过引进或自行开发，建立起适合自己行业特点和工作需要的CAD/CAM系统，取得了良好的社会经济效益。CAD/CAM技术的应用也由一般到高级、由少数用户到全面普及。CAD/CAM技术的发展方向多样，如集成化、智能化、柔性化、网络化等。而CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）则是基于计算机技术和信息技术，将设计、制造和生产管理、经营决策等方面有机地结合成一个整体，形成物流和信息流的综合，对产品的设计、零件加工、整机装配和检测检验的全过程实施计算机辅助控制，从而达到进一步提高效率、提高柔性、提高质量和降低成本的目的。为赶超世界先进水平，为成功的引进、研制和正确的使用CAD/CAM系统，需要对CAD/CAM的现状和发展有一个正确的认识。CAD/CAM技术是一门方兴未艾的学科，现有的系统不一定是最好的系统，在这一技术上还有很多问题有待于深入研究和探索。2.2 CAD技术的发展趋势CAD技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，CAD技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。1标准化除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准构件（零部件库）、标准化方法也已成为CAD系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。传统形式的手画工程图已经有了成熟的国际标准，相互都能理解。而存储在磁盘、光盘上的形形色色的CAD二进制数字记录，要想实现标准化就复杂、困难得多。从80年代中期起，ISO国际标准化组织着手酝酿制订这类标准，称作ISO10303产品数据表达与交换标准，简称STEP。它要涵盖所有人工设计的产品，采用统一的数字化定义方法。由于STEP标准涉及的面非常宽，众口难调，标准的制定过程十分缓慢，存在问题很多。而在我国，CAD应用工程的实施具有更加严密的组织领导体系，而且实际从事CAD应用软件开发的单位相对比较集中，起步比国外晚，不存在要与过去开发的老系统保持兼容问题。如果我国采取主动贯彻STEP积极思想的方针，不纠缠于过分繁琐的技术细节，针对我国的现实需要和技术发展前景，及早统一协调自主开发软件的数据模型，这将有助于推动国内CAD界的学术研究风气，促进CAD软件开发水平的大幅度提高。这种主动出击的策略要比单纯等待STEP标准草案一版一版更新有利得多。回顾历史，CAD和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。CAD产品更新频繁。谁家产品的技术思想领先，性能最好，用户最多，主导了市场，谁就是事实上的工业标准。CAD技术的发展不是一种纯学术行为，它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进，永无止境。CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，就要求它应是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。目前标准有两大类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；另一是市场标准，或行业标准，属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。后者容易导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验，不少标准化专家已认识到存在的问题，这已经成为进一步制定标准的障碍。因此提出应对传统的标准化工作进行革新。有专家建议标准革新的目标是公用标准应变成工业标准，也就是说革新后仍应以公用标准为基础，不过要从工业标准中吸收其注重经济利益和效率的优点。另外，也有人提出现在制定标准的单位很多，但是标准制定过程却没有标准，这也是标准革新过程中值得考虑的问题。这些观点对我国制定CAD标准也许有所启迪。2开放性 CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口9598NT和UNIX平台上，在Java LINUX平台上也有CAD产品，此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的CAD系统。3集成化 CAD技术的集成化体现在：其一广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程。目前创新设计能力（CAD）与现代企业管理能力（ERP、PDM）的集成，已成为企业信息化的重点；其二是将CAD技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的效率；其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。国际CAD商品系统开发的另一个趋势是在全球范围内优选最成功的功能构件，进行集成。至今最成熟的几何造型平台有两家：Parasolid和ACIS；几何约束求解构件有一家，它的主要产品是2D和3D DCM。我国开发的机械CAD应用系统已经部分采用ACIS和Parasolid平台，这是合理的。但是国际上近来又有一种思潮，要求软件开发自由化，以免受制于一、二家公司垄断性产品的束缚。这就是选用Linux操作系统以及在它基础上开发各种共享软件，开放源程序。我国也在酝酿自主开发因特网、操作系统、以及各种办公的国产化系统。这时，自研制几何造型通用平台和各种功能构件也将提上议事日程，我们要及早做好准备。4智能化 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往是束手无策的。因此，智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。2.3 CAD技术研究开发热点1计算机辅助概念设计一方面，根据有关的统计资料表明，产品工本费的70是在产品设计阶段决定的。同时，一旦概念设计被确定下来，产品设计的6070也就被确定下来。尤其需要提及的是，即使详细设计再好，也难以弥补概念设计阶段所出现的缺陷。还有产品的创新及其所具有的竞争能力基本上也是在概念设计阶段就被确定下的。故概念设计是设计过程中一个非常重要的阶段，它已成为企业竞争的一个制高点。因此计算机辅助概念设计愈来愈受到重视。但另一方面，在概念设计期间，所涉及的设计需求和约束的种种知识，往往是不精确的、近似的或未知的，也就是说复杂性很高，这给CAD技术带来很大的难度。概念设计的过程主要是评价和决策的过程，它涉及到产品功能、动作和结构等因素，它对产品的价格性能、可靠性、安全性等等起决定性的影响作用。正因为应考虑的因素和目标是多方面的。因此评价和决策过程是一个很复杂的，难度很大的过程。目前计算机辅助概念设计的方法可分为两大类：即自动生成方案和交互生成方案。当然，应用时这两种方法可以混合使用。（1）自动生成方案 目前主要采用人工智能技术。为了使计算机有效地支持概念设计活动，需要解决两大难题。即建模问题和推理问题：A前者是对产品的功能、动作和结构诸因素之间相互影响的复杂关系进行建模或表达。例如汽锅的蒸汽阀门，基功能是防止汽锅爆炸，它的动作是当检测到一定的压力差时，它会自动打开，而其结构是所用的实际构件的布局及其连接关系，建模的结果提供推理用；B而推理问题实际上就是生成和选择合适的方案。建模问题主要是建模的表示法，目前已提出各种各样的表示法。如语言、几何模型、图形、对象、知识模型和图象法等等，语言表示法属于一种形式描述方法，它能保证计算机有效地进行推理，称为面向机器的表示法。而图象表示法是一种高可视化的表示法（即可视化思维模型），它侧重于提供一种有助于辅助设计人员创新工作的建模环境，称它为面向人的表示法，而上列其它表示法依次界于这两者之间。尽管已有很多不同的建模表示法，但它们往往只支持描述概念设计的某一方面，缺少一种能描述概念设计各种因素的统一表示法，这正是下一步的目标。推理问题的重点是在转换过程，即把用户需求映射到实现所给需求集合的一些实际的结构上。难点在于产生和选择合适的映射方法。同样也有很多推理方法支持概念设计活动，如神经网络、基于实例的推理法、基于知识的推理技术、优化、价值工程和定性推理等等。但目前也只能设计一些特定领域的例子，离全面应用还有差距。但从长远来看，这方面的许多工作还应继续进行。例如知识获取是人工智能领域中一个大难题，为了解决这一问题，可以采用数据挖掘技术从已有的设计库中自动获取感兴趣的领域知识。（2）交互技术生成方案 由于概念设计的复杂性，自动地生成合适的方案是很困难的。在自动生成和选比方案尚未成熟之前，交互技术是重要手段。在概念设计阶段可充分利用多媒体技术，如包括有效的信息搜索技术，以便在网上可查到大量对概念设计有用的设计例子。又如研究协同概念设计技术，使群体成员易于参与概念设计，并作出积极的贡献。2计算机支持的协同设计 设计工作是一个典型的群体工作。群体成员既有分工，又有合作。因此群体的工作由两个部分组成：一是个体工作，群体成员应完成的各自分工的任务；另一是协同工作，因为群体工作不可能分解为互相独立的个体工作，群体成员之间存在相互关联的问题。一般称为接口问题，接口难免会出现矛盾和冲突，如不及时发现和协调解决，就会造成返工和损失。传统的CAD系统只支持分工后各自应完成的具体任务，至于成员间接口问题，计算机不能支持，主要靠面谈或某种通讯工具进行讨论并加以解决。但这些方式很难做到及时并充分地协商和讲讨论。因而一项大的设计任务接口问题难免要出差错，这正是为什么设计工作会出现不断反复、不断修改这一过程的主要原因。计算机支持的协同设计是计算机支持的协同工作（CSCW）技术在设计领域的一种应用。用于支持设计群体成员交流设计思想、讲讨论设计结果、发现成员间接口的矛盾和冲突，及时地加以协调和解决，减少以至避免设计的反复，从而进一步提高设计工作的效率和质量。协同设计倍受人们的关注，已有不少原型系统，也有一些产品已在市场上出售了。已有工作中，有些属基础性工作，如建模、系统结构、适用于CSCW的支撑环境等等。但从建立实用协同设计系统的角度来说，主要面临如下三大问题：（1）群体成员间多媒体信息传输 目前在局域网上通讯方法已较成熟，但在远程网上，交换数据时，异步传输，现有网络平台问题不大，但实时交换数据问题较多。首要的是传输媒体的选择问题，即基于公用网（如WWW）还是基于专用网（如语音传输可借用电话专线，又如租用ISDN总线）。目前多数研究是集中在公用网Internet和Intranet上。但商品开发上更多考虑专用线。从实用效果来说，公用网效果较差，而专用线虽然效果好些，但价格太高。（2）异构平台 参与协同设计的成员是分散在各地，且设备条件多种多样。因此，实用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面，这主要依靠标准化工作来解决异构环境问题，目前普通采用的是CORBA，JAVA技术和通信领域的标准等。不过这类技术目前对CSCW的支持还有不足之处，有待增强功能。至于跨平台的交互界面的研制，虽有不少进展，但是至今尚未见到支持它的工业标准。（3）人人交互 应该说支持设计群体人员间的人人交互是协同设计的核心问题之一，特别是目前自动发现矛盾和冲突，并进行自动协同和解决的技术还不成熟，因此人人交互的手段尢为重要。当前，最为普遍的是利用电子会议（包括白板、语音、视频等等工具）支持成员间进行讨论，它比较适用于交流设计思想，不过用它来讨论设计结果就很费劲，共同修改设计结果就更不可能了。目前讨论设计结果主要是依靠应用共享这一工具，这一工具能够达到一人对一个CAD工具进行操作，其它成员均能在自已的终端上看到操作过程和结果。这个工具也可以和电子会议系统集成，用语音等工具进行讨论，但应用共享最大的问题在于对于没有源程序的CAD工具，一个时刻只允许一个人操作，其它人希望操作必须事先申请，获准并在当前操作者退出后方可操作，故很不方便，成员间不能直接互操作，这是需要进一步解决的问题。总而言之，协同设计系统的现状是局域网已达到实用阶段，在异步工作方式下，远程协同设计问题也较小，但远程实时工作方式下，特别是基于公用网，尚处实验阶段，当然整个协同设计系统离成熟阶段尚有一定距离，很多问题有待解决。3海量信息存储、管理和检索 CAD系统处理的信息愈来愈多，而且是多媒体信息。尽管磁盘容量增长速度很快，但仍远不能满足信息量快速增长的需求。海量信息的存储、管理和快速检索已成为世人瞩目的问题。这除了依靠硬件来解决问题外，DBMS是一重要技术，实践证明，传统的关系数据库管理系统EDBMS已难已适应要求而采用面向对象和关系相结合的模型可能是个过渡的解决方案。4设计法研究及其相关问题 设计工作是项复杂的且知识密集的群体活动，为了提高效率必须遵循某种正确的设计方法，虽然设计方法学的研究已有半个多世纪了，但针对CAD的设计法却是最近才有的，称为正规设计流程法，它不仅让我们知道设计是一种流程，还为开发CAD工具提供了依据，因此了解和识别设计过程的不同方面（即不同的设计活动），是开发新一代CAD系统的关键。现在已出现许多设计流程法。过去常用的是自顶向下、自底向上的自然可行方法，但这种方法只适用于详细设计阶段。现在为了支持整个设计工作，设计法的研究重点应在支持概念设计方法和协同设计方法之上。例如，新的CAD系统可消除许多由于距离和时间所造成对工作方法和组织的限制，协同设计面临的不但有人机交互、还有人人交互，因而CAD的过程更复杂了，尽管人们都在期望提供一种灵活的，可移动的、安全可靠的远程协同设计环境，但如果没有正确的方法来指导，将很难达到预期的效果。目前企业的组织基本上是一种很严谨的层次结构组织，在这种组织内民主有限，虽然它可防止出现人多嘴杂和无休止争论的现象，但它又束缚着人们聪明才智的充分发挥。按目前情况，采用这种组织结构是必要的。但随着工作方法和方式的改变，组织结构也可改成动态组成，只要群体成员间能相互了解，易于合作，也许这种非严谨的组织结构是可行的，可更好地发挥每个人的才干。应该说到目前为止，设计工作还是由设计人员主宰一切，但事实上设计所牵涉的面很广，包括市场的需求，生产是否可行，价格能否接受等问题，因此在协同设计时，设计群体应包括各类人员，除有关设计人员外，还应有顾客、社会和人文科学人员、工艺人员、生产人员、管理人员等。5支持设计创新 创新是产品设计的灵魂，如何利用计算机来支持创新，这是个新的课题。目前只能提供一种启迪方法，如存入大量多媒体设计数据，并通过网络方便地供设计人员查询，从而可能引导出意想不到的富有创新的设计。又如利用CSCW工具，通过直接讨论方式来相互启发，产生新的设计思想，促进创新设计。可以预见CAD技术将有新的飞跃，同时还会引起一场设计变革。6新技术在CAD中的应用 如上所述，CAD是吸收新技术最快的领域之一。下面仅以例子加以说明：（1）虚拟现实与CAD集成 虚拟现实技术用于CAD，使CAD技术主要在两个方面得到提高：一是更逼真地看到正在设计的产品及其开发过程；另一方面是提高交互能力，使设计人员或群体可以直接和所设计产品交互操作。VR技术在CAD中的应用面也很广，首先可以进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验证设计的正确性和可行性。譬如说可以用这种模拟技术进行设计分析，可以清楚地看到物体的变形过程和应力分布情况，效果比实物实验还要好。其次它还可以在设计阶段模拟零部件的装配过程，检查所用零部件是否合适和正确。做为副产品，它可生成加工详细时间表，装配材料详细清单等，并直接存入数据库。在概念设计阶段，它可用于方案选比。特别是利用VR的交互能力，支持概念设计中的人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，这对摩托车、汽车、飞机等的设计特别有用，在协同设计中，利用VR技术，设计群体可直接对所设计的产品进行交互，应包括共享设计数据、讨论和互操作等。另外VR技术还可用于开发人人交互界面，更加逼真地感知到正在和自己交互的群体成员的存在和相互间的活动。尽管VR技术在CAD中的应用前景很大，它的发展也很快，不过目前仍处实验阶段，离广泛推广应用还有一定距离。究其原因，首先是这类设备价格昂贵，其次性能也有待进一步改进。头盔和数据手套不但用起来很不方便，而且使用时间长了，就会感觉到难受。另外，VR技术应用于CAD本身也很有很多工作要做，包括VR数据的进一步处理，以便更好地把CAD技术与VR技术集成起来。（2）计算机安全 现在社会的工作、学习和生活已都离不开计算机，某一行业的计算机系统遭破坏，就有可能使这个行业乃至整个社会受影响，甚至于瘫痪。工程或产品设计一样也离不开计算机，而且由于异地设计愈来愈多，对计算机的依赖性也愈来愈大。同时，它所处理的设计数据不但数量大，而且往往有一定保密性，这是市场激烈竟争所致。因此如果解决不了安全可靠问题，就难以进一步推广应用新的CAD系统。第3章 应用CAD技术的若干问题3.1 引起设计革命的CADCAD是目前计算机应用中最活跃的领域一股的设计业务主要包括研究开发设想、产品基本设计、成本估算、设计制图以及为设计而进行的辅助工作(如产品调研、为设计而接受继续教育、参加有关的学术会议等)。首先从占设计时间40%的制图入手，计算机辅助制图不但作为一种减轻设计者劳动的方法，而且引出一场“设计革命”。CAD使设计工作产生了如下的变革：使设计工作深入到前所未有的深度：提高图纸设计的速度和质量；简化设计过程，计算机与产品标准数据库连接后，所有己纳入标准的零部件设计都可实现计算机自动给图，设计者只需告诉计算机所采用的标准参数就可以了：设计仿真和设计检验，利用CAD的三维图形功能，可在计算机屏幕上模拟出所设计产品的外形状态，在设计之初就对产品进行优化，在新产品试投产前，就可以对其制造过程中的结构、加工、装配、装饰和动态特征进行分析和检验，从而提高了产品设计的一次成功性；设计与制造的紧密结合，如前所述，CAD的设计数据既可用于设计仿真CAE，也可以通过数据传输系统与数控加工设备联结，将设计数据直接用于产品的加工，即CAM、CAD可自动完成从设计到加工程序的转换。3.2 CAD软件迈进个性化时代设计和制造是制造业开发产品的主要环节，CAD技术推动了制造业的技术革命，它突破了传统方式，使人们可以不用图板、图纸就可高效地开发产品，现在CAD技术己经成为衡量一个国家工业水平的重要标志。 应用领域和人群的不断增长，对CAD软件提出了更高的要求。各行业用户一方面迫切希望得到最适合自己专业需求的CAD软件，另一方面希望以合理可承受的价格得到来自专业CAD厂商为自己虽身定做的专业服务。行业用户迫切希望得到个性化的CAD产品和服务。 CAXA日前率先推出的“电子图板2000”，标志着CAD软件迈入个性化时代。“CAXA电子图板”充分考虑了用户的个性化需求，提供了专业而易于使用的开发平台，使用者可以根据自己的需要改变软件、增加功能甚至开发出全新的专业设计软件。“CAXA电子图板2000”目前己集成了机械、电气和建筑设计模块，数十家专业软件开发机构与CAXA合作开发专业设计软件并将不断集成起来，此外，CAXA推出了个性化服务计划，从培训、支持到定制产品，一改以往“企业生产什么卖什么”的思路，而以“用户需要什么，我们提供什么”为宗旨，针对使用者的应用和需求，为其置身定制，让软件和服务更适合使用者的需求.“CAXA电子图板2000”个性化的产品和服务，让高科技的软件更加大众化了。3.3 应用CAD技术的几个问题1.网络化网络化是当前的一个趋势，CAD采用网络可以实现信息共享，给设计工作带来极大的方便。这里有必要谈的一点是CAD软件的网络化问题。由于CAD的实时数据交换量极大，采用主机分时系统会降低设计效率，最佳方案是各节点机能独立完成设计工作，网络的作用是各节点有关资源的相互调用。同时，由于知识产权保护的需要，CAD软件都有自己的加密措施(如钥匙盘或加密狗)。因而在实施上出现两种情况，一是仅在服务器上安装一个加密狗，二是在各节点机分别安装加密狗。前者便于资产管理后者可以脱离网络单机运行，各有优点。 像CAXA电子图板的网络板就提供了三种安装模式，即全服务器安装、全工作站安装、混合安装。第一种模式适合于无盘工作站网络，将软件全部安装在服务器上，节点工作站无硬盘：不足之处是网络要求高，否则运行速度受影响。第二种模式要求工作站有一定的硬盘容量，运行服务器与工作站基本上无数据交换，服务器的作用仅是软件使用权限控制。第三种模式则是将经常调用的部分程序安装在工作站上，而把硬盘空间大的库文件之类安装在服务器上，兼顾运行速度、网络通讯及硬盘空间各个方面，是一种较好的模式。 2.智能化智能化是CAD发展的必然。智能化的主要特征是不仅能处理数据而且能处理知识，其功能远超出了计算范畴，他能进行推理、优化、选择、判断并做出决策，这样的系统在解决问题方面能达到专家水平，即“专家系统”，专家系统是人工智能的一种实际应用。众所周知，工程设计是一项综合性工作，是工程师根据科学方法，凭借自身积累的经验、遵循国家规范，按使用要求和施工条件等诸多因素，进行分析，比较和判别，最后用图纸和文字资料表达设计产品的过程。整个设计过程是一个反复的逐步求精的过程。可是目前我国自行开发的工程CAD软件大多只能进行校核性设计及出施工图，不具备思维、决策的能力。 智能化CAD技术是一项复杂的系统工程，是一项跨学科的重大课题，必须要有经验的工程设计专家和计算机软件专家密切配合进行研究开发才能较好的解决。 目前，我国智能型CAD系统的研究刚刚开始，还没有可供应的商品化软件。因此，在吸收国外先进技术的基础上，加快研制高水平的智能型CAD软件也是我们的一项迫切任务对提高我国CAD的应用水平和设计手段的现代化将会起到积极的促进作用。 要真正使产品、工程和系统的质量好、成本低、市场竞争能力强，就需要用最好的设计、最好的加工和最好的管理，就十分迫切需要总结国内外相关产品、丁程和系统的设计制造经验和教训，把成功的设计制造经验做成智能设计，智能制造系统去指导新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创新性。 3.标准化标准化是企业技术工作一个很重要的部分。当应用CAD技术时，企业技术部门首先应该对企业己有的标准进行修订或订立新的标准，完善的CAD标准体系是指导我国标准化管理部门进行CAD技术标准化工作决策的科学依据，是开发制定CAD技术各相关标准的基础，也是促进CAD技术普及应用的约束手段，因此，在CAD应用工程中跟踪国际的相关标准、研究制定符合我国国情的CAD标准，并切实加以执行是促进我国CAD技术研究开发、推广应用能不断发展的重要保证。4.对软硬件的认识通常，CAD软件的使用人员是专业技术人员，他们关心所选择的CAD软件能否满足他们工作的需要，是否好用，而不大关心软件是怎样开发出来的，以及软件的功能是否覆盖了CAD的所有领域，是否反映了CAD技术研究的最新成果等，而系统维护人员大多是计算机专业人员，他们关心的是软件有否二次开发语言接口，系统的开发语言是哪几种，以及某个软件的接口怎样等等。有些提出的问题与企业的实际技术工作相脱节。因此，CAD系统的选型应以CAD系统使用人员为主。CAD对硬件的要求比起一般文字处理、管理系统要高一些。通常，二维绘图需要486以上的机型，主频速度在100MHz以上，内存4M以上(建议8M)，内存大小将会影响操作速度。图形输出最好采用喷墨绘图机，根据企业图纸幅面来配绘图机的大小。 5.CAD软件的二次开发所谓二次开发就是在某种基础软件平台上(如二维绘图软件)构筑一些专业化应用功能，以提高系统的专业针对性和使用效率。例如，可以在CAXA电子图板上增加一些刀具设计的计算、数据及图形库，从而构成一个高度专业化的成形刀具CAD系统。要使企业真正用好CAD系统、使之变成现实生产力，必须向企业提供易学易用的二次三度开发工具，即开发面向行业和企业应用的专用CAD软件和数据库。除了传统的函数库调用，Lisp语言和C语言开发工具外，更需要系统开发单位能及时地对用户进行技术支持和培训。现在按交互、对话的图声文方式提示用户构造适合行业，适合企业的CAD应用系统将会更加友好，受用户欢迎。 6.CAD应用人才的培训现代化的设备需要高科技素质的人员操纵，才能发挥其应有的作用，产生巨大的经济效益。只有让设计人员尽快掌握CAD这一先进的科学技术知识。才能让现代化的设备创造出应有的经济效益和社会效益。 目前，在职工程设计人员通过设计实践，以具有较为丰富的专业知识，但缺乏应用CAD技术的知识和能力，影响了CAD技术的普及和应用。CAD是一项高新技术，人的因素极为重要，没有一支相对稳定及技术水平较高的队伍，推广和普及工程CAD技术是一句空话。在设计单位由于历史的原因，还有相当数量的工程设计人员是计算机盲，更说不上对CAD技术的认识。因此，首先应充分利用CAD培训中心的优势进行基础知识培训，达到人人会