计算机辅助设计技术-第1章_CAD技术概述

1、计算机辅助设计技术计算机辅助设计技术机电工程学院 张海军 博士选用教材选用教材童秉枢童秉枢( (第第3 3版版) )等等. . 机械机械CADCAD技术基础技术基础. .北京：清华大学出北京：清华大学出版社版社. 2008. 2008课程介绍课程介绍参考书目参考书目姚英学姚英学 等等. . 计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造. .高等教育出版社高等教育出版社. . 先修课程先修课程课程介绍课程介绍l 计算机文化基础计算机文化基础l C C语言程序设计语言程序设计主要内容主要内容 第一章第一章 CAD/CAM概论概论 第二章第二章 CAD/CAM系统系统 第三章第三章 CAD/CAM软件开

2、发基础软件开发基础 第四章第四章 图形处理技术基础图形处理技术基础 第五章第五章 建模技术建模技术 第六章第六章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 第七章第七章 计算机辅助工艺规程设计计算机辅助工艺规程设计 第八章第八章 计算机辅助数控加工编程计算机辅助数控加工编程主要内容主要内容 第九章第九章 计算机辅助质量系统技术计算机辅助质量系统技术 第十章第十章 计算机辅助生产管理与运行控制计算机辅助生产管理与运行控制 第十一章第十一章 CAD/CAM系统集成系统集成第第1章章 CAD/CAM概论概论 1.0 机械设计概述机械设计概述1.1 CAD技术内涵技术内涵1.2 CAD技术的应用技术的应用

3、1.3 CAD技术的发展历程技术的发展历程 1.0 引言引言从机械设计谈起从机械设计谈起1.0.1 机械设计概念机械设计概念 根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、运动方式、力和能量的传递、结构形状以及所用工作原理、运动方式、力和能量的传递、结构形状以及所用材料等事项，并转换为具体的描述（图纸，文件等），以此材料等事项，并转换为具体的描述（图纸，文件等），以此作为制造的基础。作为制造的基础。 机械设计是产品设计、制造、装配、销售和使用整个生机械设计是产品设计、制造、装配、销售和使用整个生命周期中的第一个环节，也是最重要的环节。

4、命周期中的第一个环节，也是最重要的环节。 设计在整个生产周期中所占的比重设计在整个生产周期中所占的比重设计开发设计开发制造制造时间百分比（%)开发设计工作的重要性开发设计工作的重要性开发设计生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售010203040506070开发设计生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售对成本的影响所需的工时成本1.0.2 机械设计过程机械设计过程n 概念设计概念设计n 初步设计初步设计n 详细设计详细设计 机械产品开发设计可大致分成机械产品开发设计可大致分成概念设计、初步设计概念设计、初步设计、详细设计、详细设计阶段。阶段。 v概念设计：概念设计：根据市场需求确定

5、新产品的功能，给出根据市场需求确定新产品的功能，给出新产品的概念性分析模型或草图。新产品的概念性分析模型或草图。 v初步设计：初步设计：对概念设计输出的结果进行方案分析比对概念设计输出的结果进行方案分析比较，修正概念模型。较，修正概念模型。 v详细设计：这是产品的真正结构设计阶段。由概念模型和分析产生的数据对详细设计起着重要的指导作用，同时详细设计的结果也要进行必要的分析，并适时根据需要修改模型。目前的CAD系统大都提供详细设计手段。 机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产以及销机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产以及销售使用后，将返回大量信息，要依据这些信息再对产品进行不售使用

6、后，将返回大量信息，要依据这些信息再对产品进行不断修改。断修改。 机械设计是一个机械设计是一个“设计评价再设计设计评价再设计”的反复迭代、的反复迭代、不断优化的过程。在人工设计情况下，设计周期很长。不断优化的过程。在人工设计情况下，设计周期很长。 1.0.3 CAD产生的背景产生的背景n 实现某种程度的自动化；实现某种程度的自动化；n 缩短设计周期，提高产品竞争力缩短设计周期，提高产品竞争力n 降低设计成本，提高设计质量。降低设计成本，提高设计质量。 1.1 CAD技术应用与发展概况技术应用与发展概况1.1.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)的概念的概念 CADCAD是工程技术人员与计

7、算机相结合、各尽所长、应用多是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设计周期、存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设计周期、提高设计质量的目的。提高设计质量的目的。 计算机辅助设计是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品计算机辅助设计是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的或工程进行设计的方法与技术方法与技术，包括，

8、包括设计、绘图、工程分析和文设计、绘图、工程分析和文档制作等设计活动档制作等设计活动。 简单地讲，简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的。目的。 性质：它是一种新的设计方法，也是一门性质：它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用多学科综合应用的新的新技术。技术。CAD概念的实质在于：概念的实质在于： （1）人机各尽所长；人机各尽所长； （2）人机交互结合；人机交互结合； （3）最佳设计效率。最佳设计效率。 CAD技术的主要作用如下技术的主要作用如下: （1）提高设计质量和设计效率。）提高设计质量和设计效率。 （2）能够充分发挥设计人

9、员创造性。）能够充分发挥设计人员创造性。 （3）缩短产品的设计周期。）缩短产品的设计周期。CAD过程：过程： n 任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设 计活动组成；计活动组成；n 活动间既有串行的设计活动，也有并行的设计活动；活动间既有串行的设计活动，也有并行的设计活动；n 设计过程中的大多数活动可以用设计过程中的大多数活动可以用CADCAD实现，但并不绝对；实现，但并不绝对；n 将设计过程中能用将设计过程中能用CADCAD技术实现的活动集合在一起就构成技术实现的活动集合在一起就构成 了了CADCAD过程。过程。 CAD CAD系统在设计

10、中承担的主要工作有系统在设计中承担的主要工作有数据处理、工数据处理、工程分析、图形处理与动画仿真程分析、图形处理与动画仿真等等 1. 1. 数据处理数据处理 在设计过程中会产生大量信息，这些信息包括数字、在设计过程中会产生大量信息，这些信息包括数字、字符、符号和图形等，随着设计过程的延伸，计算机会对字符、符号和图形等，随着设计过程的延伸，计算机会对它们进行存储、转换、传递等处理。它们进行存储、转换、传递等处理。 2. 2. 工程分析工程分析 工程分析包括设计参数计算；面积、体积、惯性矩等工程分析包括设计参数计算；面积、体积、惯性矩等物理特性计算；强度、刚度、寿命等校核计算；应力场、物理特性计算

11、；强度、刚度、寿命等校核计算；应力场、变形、温度场等有限元分析；结构、参数的优化计算。变形、温度场等有限元分析；结构、参数的优化计算。3. 图形处理图形处理 包括二维绘图、三维实体造型、图像输入输出及识包括二维绘图、三维实体造型、图像输入输出及识别等。别等。 4. 动画仿真动画仿真 利用图形仿真方法模拟设计对象的动态工作过程。如利用图形仿真方法模拟设计对象的动态工作过程。如模拟执行部件的运动轨迹；机器人动作仿真；装配过模拟执行部件的运动轨迹；机器人动作仿真；装配过程仿真；加工过程仿真程仿真；加工过程仿真 。v提出问题提问：提问：有人说有人说CAD就是计算机绘图就是计算机绘图 , 这种说法这种说

12、法对吗？对吗？ 三者的区别与联系三者的区别与联系三者技术内涵区别三者技术内涵区别 计算机绘图：是使用计算机绘图：是使用图形软件图形软件和和计算机硬件计算机硬件进行进行绘图绘图及其有关及其有关标标注注的一种方法和技术。它以摆脱繁重的手工绘图为主要的目的。的一种方法和技术。它以摆脱繁重的手工绘图为主要的目的。 计算机图形学：是研究通过计算机将计算机图形学：是研究通过计算机将数据转换为图形数据转换为图形，并在专用，并在专用的设备上显示的原理、方法和技术的科学。的设备上显示的原理、方法和技术的科学。三者的联系三者的联系 计算机绘图是计算机绘图是CG中涉及工程图形绘制的一个分支，它是一门中涉及工程图形绘

13、制的一个分支，它是一门工程技术。计算机绘图不是工程技术。计算机绘图不是CAD技术的全部内涵，是技术的全部内涵，是CAD技术的技术的基础之一。基础之一。CG是一门独立的学科，它的有关图形处理的理论与是一门独立的学科，它的有关图形处理的理论与方法构成了方法构成了CAD技术的重要基础。技术的重要基础。1.1.2 CAD技术的重要应用技术的重要应用 CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新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。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技术曾被美国国家工程科

14、学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。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体、影视广告行业等都离不开CAD技术。技术。CAD技术是企技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。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：如波音在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。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

15、在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机、电子沙盘；机械设计械设计CAD等。等。 仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界未来世界”、“玩具总动员玩具总动员”、“侏罗记公园侏罗记公园”等等 在轻工行业的应用：如模具在轻工行业的应用：如模具CAD和服装和服装CAD等。等。 在医学中的应用：在医学中的应用： 计算机辅助手术规划和手术模拟。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。在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。 我国科学技术部在我国科学技术部在CAD应用工程应用工程2000

16、年规划纲要中指年规划纲要中指出：出：“到到2000年，在国民经济主要部门的科研、设计单位年，在国民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广和企业中全面普及推广CAD技术，实现技术，实现甩掉图板甩掉图板（指（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国CAD市场，扶持发展以市场，扶持发展以CAD为突破口的我国自主创新的软为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的件产业，建立起我国的CAD产业产业”。 到到2000年，我国机械制造业应用年，我国机械制造业应用CAD技术的普及率和技术的普及率和覆盖率均达覆盖率均达70%以上；工程设计行

17、业以上；工程设计行业CAD技术的普及率和技术的普及率和覆盖率均达覆盖率均达100%。CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例：技术在我国工程和产品设计的一些应用实例：（1） 沈阳变压器厂用沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色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。标项目。（2）泸东造船厂应用）泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短技术后，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。以上，造船的设计开发能力提高一倍。（3）西北电力设计院用）西北电力设计院用

18、CAD系统建渭河电厂主厂房三维模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，共查出型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。的错误，当即进行了修改。（4）寰球化工工程公司应用）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装置工技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以纠正，在总以上的错误得以纠正，在总长长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米。米。1.1.3 CAD技术应用实例图示技术应用实例图示1.1.4 CAD技术发展历程技术发展

19、历程 CAD技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、软件技术的发展而发展。软件技术的发展而发展。（1）准备和诞生时期（）准备和诞生时期（20世纪世纪5060年代）年代） 电子管计算机电子管计算机 1950 MIT 能够显示简单图形的图形显示器能够显示简单图形的图形显示器 1958 Calcomp 滚筒式绘图机滚筒式绘图机 20世纪世纪50年代末年代末 SAGE战术防空系统战术防空系统 （2） 蓬勃发展和进入应用的时期（蓬勃发展和进入应用的时期（ 20世纪世纪60年代）年代） 1962，Ivan Sutherland 研究出了研究出了Sketchpad交互式交互式图形系统。图形系统。 计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。 计算机图形学的发展，如计算机图形学的发展，如Coons曲面曲面 。（3）广泛应用时期（）广泛应用时期（ 20世纪世纪70年代）年代） 集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。 出现了以小型计算机为平台的出现了以小型计算机为平台的CAD系统。系