第10章 计算机辅助设计技术

1、第第10章章 计算机辅助机械设计计算机辅助机械设计 10.1 计算机辅助设计的发展简史计算机辅助设计的发展简史1943年底，英国人为了破译德国的密码系统建造了一台年底，英国人为了破译德国的密码系统建造了一台叫做叫做“Colossus”的电子计算机。与此同时在美国的康恩的电子计算机。与此同时在美国的康恩(Corn)有几个大学和研究所为了进行高速度的数值计算也有几个大学和研究所为了进行高速度的数值计算也在研制计算机。在研制计算机。1946年，具有真正意义的第一代计算机年，具有真正意义的第一代计算机“ENIAC”诞生诞生了。了。1952年，麻省理工学院年，麻省理工学院(MIT)的伺服机构实验室完的伺

2、服机构实验室完成了数控铣床的研究，首先将计算机用于机械制成了数控铣床的研究，首先将计算机用于机械制造。造。1962年，年，D.T.Ross和机械工程系的和机械工程系的S.A.Coons合合作，开始在机械设计方面探索计算机辅助的可能。作，开始在机械设计方面探索计算机辅助的可能。从概念设计、生产设计直到制造，都通过人机对从概念设计、生产设计直到制造，都通过人机对话方式获得计算机的协助。话方式获得计算机的协助。另一个具有划时代意义的工作由另一个具有划时代意义的工作由MIT的林肯研究的林肯研究所完成。所完成。I.E.Sutherland提出了用光笔在显示器上提出了用光笔在显示器上选取、定位图形要素的选

3、取、定位图形要素的Sketch-pad系统，实现了系统，实现了人机对话式的交互作业。人机对话式的交互作业。n汽车工业对计算机辅助设计技术的发明首先做汽车工业对计算机辅助设计技术的发明首先做出了响应。出了响应。n美国通用汽车公司和美国通用汽车公司和IBM公司率先开发了公司率先开发了DAC-1(Design AugmentedbyComputer)系统，用来设计汽车外型与结构。系统，用来设计汽车外型与结构。n美国洛克希德公司和美国洛克希德公司和IBM公司联合开发了基于公司联合开发了基于大型计算机的图形增强设计与制造软件包大型计算机的图形增强设计与制造软件包CADAM，用于设计与绘图，并具有三维结构

4、，用于设计与绘图，并具有三维结构分析能力。分析能力。n随后计算机辅助绘图、设计、制造、分析技术随后计算机辅助绘图、设计、制造、分析技术在英、日、意等国的汽车公司也都获得了广泛在英、日、意等国的汽车公司也都获得了广泛的应用，并逐渐扩展到其它部门。的应用，并逐渐扩展到其它部门。n到了到了20世纪世纪70年代，出现了将硬件与软件配套年代，出现了将硬件与软件配套交付用户使用的交付用户使用的“交钥匙系统交钥匙系统”(Turn-Key System)，这种系统是在小型机和超级小型机，这种系统是在小型机和超级小型机的基础上增加图形处理功能，按分时处理的原的基础上增加图形处理功能，按分时处理的原则，一台主机可

5、以带几个到几十个终端。则，一台主机可以带几个到几十个终端。n80年代初期，随着计算机制造技术的发展，所年代初期，随着计算机制造技术的发展，所有配套的软硬件都可以集成到一台工作站上。有配套的软硬件都可以集成到一台工作站上。工作站系统可以作为一个独立的单用户系统，工作站系统可以作为一个独立的单用户系统，到到80年代中后期就成为计算机辅助绘图、设计、年代中后期就成为计算机辅助绘图、设计、制造、分析的主流系统。制造、分析的主流系统。n进入进入90年代以来，随着个人计算机年代以来，随着个人计算机(PC)的飞的飞速发展，其性能迅速赶上了速发展，其性能迅速赶上了10年前高档工作年前高档工作站的性能。可以预见

6、，在不久的将来个人计站的性能。可以预见，在不久的将来个人计算机将成为计算机辅助设计的主流机型。算机将成为计算机辅助设计的主流机型。n因特网因特网(Internet)起源于起源于60年代末，兴盛于年代末，兴盛于90年代，目前已经把世界上各种类型的计算机年代，目前已经把世界上各种类型的计算机如大、中、小型机、工作站和个人计算机连如大、中、小型机、工作站和个人计算机连接成一个有机的整体，实现全球范围的资源接成一个有机的整体，实现全球范围的资源共享、数据共享和设备共享。利用成熟的共享、数据共享和设备共享。利用成熟的Internet技术建立企业内部网络技术建立企业内部网络(Intranet)，从而将计算

7、机辅助绘图、设计、分析、制造从而将计算机辅助绘图、设计、分析、制造和管理系统密切地联系在一起相互协作，已和管理系统密切地联系在一起相互协作，已经在各种企业中迅速推广和普及。经在各种企业中迅速推广和普及。n计算机技术为机械工业带来了革命性的变革，计算机技术为机械工业带来了革命性的变革，反过来计算机在机械工业中的应用也推动了反过来计算机在机械工业中的应用也推动了计算机技术的迅速发展。新的设备、新的操计算机技术的迅速发展。新的设备、新的操作系统、新的软件、新的数据交换标准，正作系统、新的软件、新的数据交换标准，正在迅速扩大计算机在工业中的应用范围，掀在迅速扩大计算机在工业中的应用范围，掀起一场新技术

8、革命的浪潮，成为起一场新技术革命的浪潮，成为20世纪全球世纪全球最杰出的工程技术成果。最杰出的工程技术成果。10.2 计算机辅助设计的特点和应用计算机辅助设计的特点和应用1 计算机辅助设计及相关问题计算机辅助设计及相关问题 利用计算机可以进行产品的利用计算机可以进行产品的-计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer AidedDesign)、计算机辅助绘图计算机辅助绘图(ComputerAidedDrawing)、计算机辅助制造计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助工艺规划计算机辅助工艺规划(CAPP)、产品数据管理产品数据管理(PDM)、企业

9、资源计划企业资源计划(ERP)等。等。 这些技术一开始是各自独立、平行地开这些技术一开始是各自独立、平行地开发应用的，因而被称为孤岛技术。由于在技发应用的，因而被称为孤岛技术。由于在技术上和应用上都密切相关，后来在工程实践术上和应用上都密切相关，后来在工程实践中这些技术逐渐结合在一起，为企业带来了中这些技术逐渐结合在一起，为企业带来了更大的经济效益。因此出现了更大的经济效益。因此出现了CAD/CAM/CAPP/ERP/PDM的集成。这些的集成。这些技术不同程度的集成，可以满足从构建中小技术不同程度的集成，可以满足从构建中小规模规模CAD/CAM系统，到建立企业级系统，到建立企业级CIMS，实施

10、并行工程等各个层次的需求。实施并行工程等各个层次的需求。2 CAD技术的特点技术的特点n缩短产品开发周期；缩短产品开发周期；n提高产品设计质量；提高产品设计质量；n降低生产成本；降低生产成本；n提高管理水平：提高管理水平：10.3 计算机辅助设计的应用计算机辅助设计的应用n计算机辅助设计开始用于机械行业，到现在计算机辅助设计开始用于机械行业，到现在CAD已是一个包括范围很广的概念。概括来已是一个包括范围很广的概念。概括来说，说，CAD的设计对象有两大类，一类是机械、的设计对象有两大类，一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品；另一类是工电气、电子、轻工和纺织产品；另一类是工程建筑。而如今，程建筑

11、。而如今，CAD技术的应用范围已经技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。泛的应用前景。nCAD在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。如在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用泛采用CAD/CAM技术进行产品设计，而且投入大技术进行产品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和

12、国际市场上的优势。以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。n计算机辅助建筑设计计算机辅助建筑设计(Computer Aided Architecture Design，简称，简称CAAD)是是CAD在建筑在建筑方面的应用，它为建筑设计带来了一场真正的革命。方面的应用，它为建筑设计带来了一场真正的革命。不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约约2%至至5%的建设投资，而近几年来我国每年的基的建设投资，而近几年来我国每年的基本建设投资都有几千亿元之多，如果全国大小近万本建设投资都有几千亿元之多，如果全国大小近万个工程设计单位都采用个工程设计单

13、位都采用CAAD技术，则可以大大提技术，则可以大大提高基本建设的投资效益。高基本建设的投资效益。nCAD技术还被用于轻纺及服装行业中。以前我国纺技术还被用于轻纺及服装行业中。以前我国纺织品花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的织品花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批低，而目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要迅速，这使得我国量小、花色多、质量高、交货要迅速，这使得我国纺织产品在国际市场上的竞争力不强。采用纺织产品在国际市场上的竞争

14、力不强。采用CAD技技术以后，大大加快了我国纺织及服装企业走向国际术以后，大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。市场的步伐。n电影拍摄中利用电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史。动画技术已有十余年的历史。动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术，实质和广告制作中也充分利用了计算机造型技术，实质上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。n近十年来，在近十年来，在CIMS工程和工程和CAD应用工程的推动下，应用工程的推动下，我国计算机辅助设计技术应用越来越普

15、遍，越来越我国计算机辅助设计技术应用越来越普遍，越来越多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改善劳动条件。产品质量和改善劳动条件。10.4 CAD技术展望技术展望1 CAD的推广和应用的推广和应用nCAD是是20世纪全球最杰出的工程技术成果之世纪全球最杰出的工程技术成果之一，是跨世纪的国家关键技术。因此一，是跨世纪的国家关键技术。因此CAD技技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志，在一定程度上反映出业现代化的重要标志，在一定程度上反映出一个国家的综合实力。一个国家的综合实力

16、。n企业推广企业推广CAD技术可以按照效益驱动、总体规划、技术可以按照效益驱动、总体规划、分步实施、重点突破的原则进行。分步实施、重点突破的原则进行。n第一步建立以第一步建立以“甩掉图板甩掉图板”为目标的计算机辅助绘为目标的计算机辅助绘图与设计系统。图与设计系统。n第二步建立以资源共享、权限控制为目标的产品信第二步建立以资源共享、权限控制为目标的产品信息管理系统。息管理系统。n第三步引进先进的计算机辅助设计、分析、仿真模第三步引进先进的计算机辅助设计、分析、仿真模拟、加工集成系统。建立全局产品模型，实现无纸拟、加工集成系统。建立全局产品模型，实现无纸化设计、加工。化设计、加工。n第四步实现以控

17、制产品生命周期为目标的并行工程。第四步实现以控制产品生命周期为目标的并行工程。并行工程的基本要素是优化设计，并且从产品性能并行工程的基本要素是优化设计，并且从产品性能设计、产品制造工艺性设计、产品可检测性设计、设计、产品制造工艺性设计、产品可检测性设计、产品可维护性设计以及产品依从性设计入手进行优产品可维护性设计以及产品依从性设计入手进行优化，加速新产品的开发周期。化，加速新产品的开发周期。2 CAD的发展趋势的发展趋势（1）集成化大型的）集成化大型的CAD软件与软件与CAPP/CAM/CAE各环节紧密结合。各环节紧密结合。 （2）智能化智能）智能化智能CAD把工程数据库及管理系把工程数据库及

18、管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体。理系统集于一体。 （3）标准化为了适应）标准化为了适应CAD发展的需求，制定发展的需求，制定了相关的国际标准。了相关的国际标准。（4）网络化运用）网络化运用CAD技术建立网络企业联盟，技术建立网络企业联盟，迅速应对市场需求迅速应对市场需求 2 CAD的发展趋势的发展趋势（1 1）标准化：除了）标准化：除了CADCAD支撑软件逐步实现支撑软件逐步实现ISOISO标准和工业标准外，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面向应用的标准构件（零部件库）、标准化方法也已成为

19、CADCAD系系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。 （2 2）开放性：）开放性：CADCAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口95959898NTNT和和UNIXUNIX平台上，在平台上，在Java LINUXJava LINUX平台上也有平台上也有CADCAD产品，此产品，此外外CADCAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开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发其内核源码，使用户可定制自已的CADCAD系统。系统。（3 3）

20、集成化：其一是广义）集成化：其一是广义CADCAD功能功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERPCAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一经过多种集成形式成为企业一体化解决方案；其二，是将体化解决方案；其二，是将CADCAD技术能采用的算法，甚至功能模技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高块或系统，做成专用芯片，以提高CADCAD系统的效率；其三是系统的效率；其三是CADCAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。（4 4）智能化：设计是一个含有高度智能的

21、人类创造性活动领域，）智能化：设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能智能CADCAD是是CADCAD发展的必然方向。发展的必然方向。10.5 主流主流2D/3D软件介绍软件介绍nAutoCAD(Auto Computer Aided Design)，是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。nAutoCAD Civil 3D是美国Autodesk公司开发的一款面向土木工程行业的建筑信息模型（BIM）解决方案。主要应用在交通运输、土地开发以及环境项目。该软件采用基于模型的方法，有助于简化耗时的任务并保持设计的

22、协调性，进而提高文档和可视化作品的质量。n3DS Max 美国Autodesk公司开发的，是一个全功能的 3D 建模、动画、渲染和视觉特效解决方案，广泛用于制作游戏以及电影和视频内容。nInventor美国Autodesk公司的产品，是一款集三维机械设计、仿真、工装模具的可视化和文档编制工具集的三维设计软件。nMaya美国Autodesk公司的产品，具有衣料、毛发、毛皮、流体和粒子模拟工具。具有高动态范围合成系统、摄像机跟踪器、批处理渲染和网络渲染队列管理器。其使用者多为艺术家、设计师和三维爱好者，常用来制作动画。nCATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional

23、 Interface Application 的缩写。是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案，产品开发商Dassault System 成立于1981年，是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。nNX(UG) 是美国UGS(Unigraphics Solutions)公司的主导产品，是集CAD/CAE/CAM于一体的三维参数化软件，是面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件，是当今最先进，最流行的工业设计软件之一。nPro/Engineer(简称Pro/E)是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation，PTC)推出的三维设计软件，是一款提供了产品的三维设计、加工、分析及绘图等功能的完整的CAD/CAM/CAE解决方案，是一款单一数据库、参数化、基于特征、全相关概念的通用CAD系统。nSolidWorks是由美国Solidworks公司研制开发的一套CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是基于Windows平台的全参数化特征造型软件。nSolidEdge 是Siemens PLM Software公司旗下的三维CAD软件，是基于Windows平台、功能强大且易用的三维CAD软件。nImageware是世界上著名的逆向工程软件，当将具体