第讲CAD技术概论

第1讲CAD技术与现代设计教师简介谭雪松,华中科技大学硕士毕业。主要致力于CAD技术、虚拟现实技术、机器人设计及控制技术以及计算机程序设计等方面的学习，在上述几个领域具有一定的学习经验和心得体会。迄今为止，出版个人著作20余册，参与多项大型设计任务，具有丰富的大型软件使用经验。对当代大型设计软件的应用体会－－大型软件是一门新兴语言：入门容易、精通较难、博采众长、触类旁通。基本要求学习态度端正、积极将本课程作为一门技能进行学习。按时上课，缺课请假、上课时保持安静。勤奋好学，眼界开阔。提倡共同学习。务必加强实训环节，有问题及时求教。注意：深刻领会、耐心学习、积极思考本课程主要内容CAD技术及其内涵Autocad软件的应用创建二维图形编辑二维图形创建三维模型综合训练计算机辅助设计的延伸知识课堂授课计划（共32学时）1、CAD技术概论及AutoCAD简介：（2学时）2、基本二维图形的绘制（6学时）3、二维图形的编辑（6学时）4、图形的标注（4学时）5、图块的使用（2学时）6、三维模型设计（10学时）7、CAD高级设计技术（2学时）授课形式课程组成：32（讲课）＋16（实验）讲课：重点放在对原理、难点和技巧的总结和剖析。实验：重点放在对学过的知识的实战训练，强调应用。教材：不是授课的唯一依据，认真消化。其他资源：每周提供与授课内容相关的训练题目（带步骤提示），供实验和练习。学习建议不过分依赖于某一本教程。注意总结CAD软件的共同特点，一般来说掌握了一种CAD软件之后，再学习其他CAD软件相对较为简单。眼界宽广，不要将CAD设计的应用仅仅停留在绘图上，也不要将CAD作品仅仅看成一幅图，总之，使用CAD技术们能够打开一片虚拟和幻想的天地。多动手实践，这是学好CAD技术的唯一途径。重视三维设计，这是CAD目前最有前途的发展领域。一、对现代教育的思考认清社会需求，提高学习效率以职业生涯发展为目标，明确专业定位。以工作任务为线索，确定钻研方向。以职业能力为依据，组建知识网络。以产业界现行技术规范为参照，全面发展个人能力。

抽象思维形象思维同层次不同类型的人才教育的任务发现人的价值发掘人的潜能发展人的个性基于多元智能的人才观专家职业能力方法能力专业能力社会能力运用知识掌握技能学会学习学会工作学会共处学会做人基本发展能力基本发展能力基本生存能力

当劳动组织发生变化或者当职业发生变更的时候，这种能力依然存在从而能重新获得新的知识或新的技能关键能力定位能力素质—势能能力—动能重在内化与运用过程是其物化的情境重在存储与积淀条件是其物化的前提心理准备、心理条件基于能力本位的教育观学科体系行动体系学徒中职高职本科人才培养路径实践（过程性知识）理论（陈述性知识）人才类型、层次与教育模式技能型技术型工程型学术型硕士

二、初步了解CAD技术1、CAD的含义CAD=ComputerAidedDesign是一种利用计算机辅助设计人员进行快速、高效、高质、方便地完成产品设计任务的一种现代设计技术。2、CAD系统的组成硬件环境（计算机）、软件环境（操作系统）CAD软件、设计人员设计展示在建筑上的应用三维设计作品工业产品设计概念设计

详细设计三维结构设计

工程绘图

结构优化分析

运动学、动力学分析（数字化样机）

加工仿真(虚拟制造VM)生产过程仿真（数字化工厂）20世纪后半世纪最重要的技术之一，应用水平体现一个国家的工业水平1、CAD的概念

什么是CAD?ComputerAidedDesign

三、深入认识CAD技术1、CAD的定义

CAD(ComputerAidedDesign)是一种综合应用计算机及其相关技术辅助人们进行产品或工程设计的方法和技术。

ComputerAidedDesign是工程设计人员以计算机为工具进行设计活动的全过程。资料检索、方案构思、计算分析、工程绘图和编制技术文件CAD＝用计算机进行科学计算和分析CAD＝利用计算机绘图CAD(ComputerAidedDesign)是一种利用计算机硬、软件系统,辅助人们对产品或工程进行设计的方法和技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。

CAD是一个人、机结合的求解系统运算速度快、存储能力大、绘图精确、能正确无误的重复同一操作具有创造性、能判断、推理人机交互、各有所长2、CAD的设计过程传统的设计过程设计需求分析问题定义综合设计分析优化评价市场信息编制技术文件结束开始1、难以获得最优方案；2、计算精度低，可靠性差；3、工作周期长，效率低；4、难以获得创造性的设计。C

A

D的设计过程设计需求分析问题定义市场信息开始分析优化几何造型工程分析产生设计结果并评价评价综合设计表示自动绘图1、可进行多方案优化、决策；2、设计精度和可靠性大大提高；3、图形、数据处理能力强；4、效率高、设计制造一体化；成本低。1)提高设计效率，缩短设计周期；2)提高了设计质量；3)各部门信息交流迅速、可靠；4)设计与分析工作模式的统一；5)有利于产品标准化、系列化、通用化。一、CAD技术概论3、CAD的作用与功能

CAD的功能（1）几何建模三维模型为设计人员提供直观的、正确的产品图形，包括装配和零件一、CAD技术概论2、CAD的作用与功能

CAD的功能（2）工程分析包括产品常规设计和优化设计、有限元分析、可靠性分析、动态分析等科学计算一、CAD技术概论2、CAD的作用与功能

CAD的功能（3）评价仿真通过动态仿真的方式为设计者提供逼真的运动图象以供决策一、CAD技术概论2、CAD的作用与功能

CAD的功能（4）自动绘图CAD设计结果需要通过二维工程图或其它方式输出一、CAD技术概论2、CAD的作用与功能

CAD的功能（5）工程信息的有效存储及工程数据库的管理与共享

工程设计中的信息量是非常大的，而且信息的形式、属性、关系也是多样的、复杂的，计算机辅助设计系统就是建立在对这些工程信息的有效存储、管理、传递和共享的基础上，利用计算机的外存储器的大容量特点和数据库技术，形成工程数据库和图形数据库及其管理系统，并为各个专业设计提供共享数据的用户模式和它们之间的接口，支持多个用户协调作业，各自独立而又互不干涉地完成对设计信息的存取、加工、转换，实现设计目标。在数据库和图形库的支持下，用户的应用软件开发也可以与存储设备、数据结构等无关，使计算机辅助设计系统具有良好的可扩充性。一、CAD技术概论2、CAD的作用与功能

CAD的功能（6）知识库基础上的专家系统和人工智能型辅助设计与决策

人工智能是一门具有潜在吸引力的学科，专家系统是人工智能的一个重要分支，它建立在知识库相推理机制的基础上，能够综合运用专门学科的知识和经验，进行推理、判断、决策，解决人们一般能力难以解决的问题。智能计算机辅助设计系统，综合了设计者的知识和经验，并通过系统本身提供的高智能推理机制和人机通讯能力，利用大容量存储和快速转换的能力，在设计的过程中，可以适时地提供设计方案和建．协助设计者进行更加有效、富有创造性的设计工作。CAD系统的三层结构

3、CAD的应用领域制造业 机床、汽车、飞机、船舶、航天器等工程设计 建筑设计、结构设计、设备设计、城市规划、水利工程设计等电气与电子 电路原理图、印刷电路板设计、集成电路大规模集成电路设计等仿真模拟与动画制作 飞机训练、作战仿真、电影动画等其它应用轻工、纺织、家电、服装、制鞋4、CAD的发展

一、准备酝酿阶段20世纪50年代标志：1950

MIT“旋风I号”图形显示器

1958

Calcomp滚筒式绘图机

Gerber平板绘图仪美国通用：电动机、发电机、齿轮箱电子管计算机速度慢、存储能力低硬件水平低用于科学计算、机器语言、只能输出不能输入4、CAD的发展

二、成长发展阶段20世纪60年代直接存取存储器阴极射线管显示器商品化的CAD设备不断出现晶体管计算机速度较快、存储能力增强1962MIT的I.E.Sutherland“Sketchpad：一个人机通讯的图形系统”计算机图形学交互技术分层储存符号为CAD技术的发展和应用打下了理论基础软件水平大大提高，产生了许多计算机语言，如Fortran4、CAD的应用与发展

三、成熟推广阶段20世纪70年代大规模集成电路光栅扫描显示器、光笔、数字化仪标志：1970

Applicon

推出了完整的CAD系统

人机交互生成图形技术日趋完善现代设计计算和分析方法各种现代设计方法有限元、边界元、数值积分、偏微分方程数值解优化设计、可靠性设计、系统工程等

出现了CAD系统公司，以小型计算机为基础，CAD/CAM系统逐渐走入中小企业

4、CAD的发展

四、广泛应用阶段20世纪80年代至今计算机软、硬件及外围设备飞速发展（摩尔定理），性能极大提高

80年代末~90年代初以工作站为主

之后CAD系统由小型计算机向微型计算机发展★

应用企业越来越广日本：90%以上应用CAD技术美国：＞300家CAD/CAM公司★

应用领域越来越广辅助机械设计、印刷电路板设计超大规模集成电路设计、服装与花样设计、管道布局设计等4、CAD的发展

四、产品设计概述

1．中国是一个制造大国，但非强国，多为来料加工、简单制造，缺乏创新设计能力“中国制造”的尴尬中国已经成为工业生产的大国，但还不是工业生产的强国。中国已经生产出世界上最多的电视机、电冰箱、空调、影碟机和微波炉，还有自行车、热水器，但在国际市场上还鲜见贴有中国自有品牌的货品，尽管可能会有“MadeinChina”的标识。青岛双星集团的鞋行销美国、日本等100多个国家，1999年1～9月出口创汇达2771万美元，但多数都贴着别人的标签。波音777飞机的设计制造过程就是应用数字样机技术进行产品创新设计的一个较为成功的范例。波音777采用了全数字化设计，包括整机设计、部件测试和整机装配。所有的开发和测试都采用并行工程方法，实时地、远距离网络化和全集成地进行。利用虚拟现实技术进行各种条件下的模拟试飞。工程师们在工作站上实时采集和处理数据并及时解决设计问题。使得最终制造出来的波音777飞机与设计方案误差小于0.001英寸，保证了机身和机翼一次对接成功和飞机一次上天成功。整个设计制造周期从8年缩短到5年。

在销量最大的美国，仅在1995年就达到1700万双，相当于每15个美国人就有1人在穿双星鞋。即使如此，在美国人眼里，双星只是美国最大的鞋业经销商PSS公司的一间“核心工厂”而已。由于没有自己独有的产品设计与生产技术，很多关键的部件都要用人家的品牌，所以中国制造在市场上的竞争力根本无法与洋品牌相匹敌，结果只好为人家打工，为其做OEM定牌生产，而且做的都是普及型产品，所赚的也是薄得不能再薄的加工费。2．提产品设计水平是当前我国经济发展的重要任务之一产品创新——中国工业的瓶颈创新对当前的中国工业尤为重要，其原因如下：市场需要：已露端倪的买方市场需要创新产品来拉动,已使产品十年一贯制寿终正寝。知识产权需要：国际市场的开放和知识产权保护使企业急需创新产品专利。进入WTO，使中国企业的模仿之路到了头。模仿之路不仅违反了知识产权保护，企业自身成长也不利。企业改造需要：长期计划经济的影响使企业缺乏创新意识和机制。中国企业的产品创新能力极为薄弱，成为产业调整的瓶颈。中小企业自身没有专门设计，大型企业的设计部门只能常规性设计，无创新性设计。国际竞争的需要：国力的竞争将落实在产品创新的竞争上。成者为脑，败者为手。国与国之间，企业与企业之间，最终将分为“大脑企业”与“BODY企业”（手脚企业）。“大脑企业”很少人赚很多钱，“BODY企业”则反之。今天是企业，明天就会发展到国家，“BODY国家”将为“大脑国家”服务。国力竞争最后形成的可能就是这样的分工。流行语：一流企业卖标准，二流企业卖设计，三流企业卖产品。新技术发展需要：科学技术的发展，推动了新一轮产品创新的浪潮，带来新的机遇与挑战。根据日本日立公司的统计，每增加1000亿日元的销售额，其中设计作用占51％，技术与设备改造的作用占12％。我国在设计领域中仍存在很大问题：对设计研究不够；已有成果得不到有效的推广和应用；资金投入少，长期以来，政府致力于对设备和生产能力扩展的投资，而对社会创新能力扩展的投资严重缺乏；人员培训工作跟不上发展的需要；一直没形成开发新产品或更新老产品的设计和应变能力；对引进的先进技术和产品，更没有从设计的角度进行消化。产品开发生命周期众所周知，产品开发的生命周期可分为需求分析、概念设计、详细设计、工艺分析、加工制造、售后维护等不同阶段。根据成本沉淀理论，产品总价值约80%～85%是在产品研发阶段决定的，其中约75％是在产品概念设计阶段决定的。另一方面，产品设计初期相应的设计知识较少、设计自由度大、对设计人员的约束少、创新的空间广，随着设计过程的进行，设计知识逐渐增加，设计的自由度也相应减少。因此，早期阶段的创新和决策对最终产品具有决定性的作用。要实现产品研发创新，企业关注的焦点应该沿着产品生命周期逐步前移——主要集中在产品研发的早期阶段（包括需求分析和概念设计阶段）。二、CAD技术与现代产品设计传统的机械设计过程与CAD作业过程对比传统的机械设计过程及其特点：每一环节靠手工，靠经验；大部分时间在零件图、装配图，效率低，可重用性差；设计方案靠经验，方案少，不优化；不能进行复杂的动力学、静力学分析，难以发现设计缺陷，不利于改进设计与创新；设计周期长，设计缺陷往往要通过多次物理验证后才能发现。CAD作业过程及其特点：分析和设计综合，性能选优，在设计阶段就能发现缺陷，有利于创新设计；设计精度高而可靠；强有力的计算、图形、数据处理能力；信息共享、资源共享、设计过程共享；设计周期短，大大减少物理样机试验次数。计算机辅助设计（CAD）是指产品设计技术人员在计算机系统的支持下，根据产品设计流程进行设计的一项技术，是人类智慧与系统中的硬件和软件功能巧妙的结合。CAD技术是计算机在工程和产品设计与制造中的应用。设计过程中的需求分析、可行性分析、方案论证、总体构思、分析计算和评价以及设计定型后产品信息传递都可以由计算机来完成。在设计过程中，利用交互设计技术，在完成某一设计阶段后，可以把中间结果以图形方式显示在图形终端的屏幕上以供设计者直接地分析和判断。设计者判断后认为还需要进行某些方面的修改，可以立即把要修改的参数输入计算机，计算机对这一批新数据立即进行处理，再输出结果，再判断，再修改，这样的过程可反复多次，直至取得理想的结果为止。最后用绘图机输出工程图纸或数控加工纸带和有关信息供制造过程应用。CAD起源于计算机图形学（CG），其发展历程为：40年代计算机问世，直至50年代中期，计算机尚不普遍，而且主要计算。50年代末期，麻省理工图形显示器预示着交互图形生成技术的诞生成为可能。1963年，麻省理工Sutherland光笔在图形显示器上实现选择、定位等交互功能被公认为对交互图形生成和显示技术的发展奠定了基础。60年代中期后，美国的一些大公司都十分重视这一技术，并投入资金对CAD技术进行研究和开发，研制了一些CAD系统。如IBM公司的SMS、SLT/MST设计自动化系统和洛克希德公司研制的主要用于二维绘图CADAM系统。CAD发展历程从60年代末期至70年代中期，CAD/CAM技术的发展较快，已有商品化的硬件和软件，以小型和超级小型计算机为主。70年代末以后，32位工作站和微型计算机的出现对CAD技术的发展起了极大的推动作用，32位工作站之间可以联网，共享系统内资源。80年代中期后，这种以工作站为基础的CAD系统发展很快，其功能达到甚至超过小型机CAD系统。90年代后，由于微型计算机的性能和价格比的提高，目前以PC为主机的CAD系统不断增加，迅速普及。向开放式、标准化、集成化、智能化发展。由于微机加视窗95／98／NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。从技术角度而言，曲面造型系统CATIA带来了第一次CAD技术革命(70年代)；实体造型技术CAD发展史上的第二次技术革命（80年代）；参数化、变量化技术CAD发展史上的第三次技术革命（90年代）。现在，在CAD系统中，综合应用文本、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD新学科。快速发展起来的CIMS集成了CAM、CAPP、PDM、MIS等,使CAD与制造过程融为一体。同时，进一步向制造快速的方向发展，如并行工程(设计、试制、工艺、装配、销售)、反向工程、快速成型、分布式制造。10．应用：工程和产品设计，包括机场、桥梁、公路、地铁等工程项目和飞机、火车、汽车、轮船、轻纺、广告等。当今企业信息化的软装备。11．动向：集成化、网络化、支持产品协同商务(CPC)及产品全生命周期开发过程。CAD软件系统的组成基础由计算机、外围设备（输入、输出）和系统软件组成。系统软件在工作站上流行Unix加Motif操作系统，在微机上流行Linux、Win95/98/NT/WIN2000操作系统。系统软件还包括支撑软件、系统开发和维护的工具软件。支撑层包含了图中部所示内容，随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的重要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求有各自的CAD专用软件来支持相应的CAD工作。CAD系统的三层结构CAD技术不仅要支持形状和机械设计，更要支持综合高新技术的产品设计，特别要研制面向信息化、数字化产品的CAD系统。现有大中型企业的设计科室大多是常规设计或型号设计，以及对老产品不同型号的设计。从产品创新的过程看，新产品设计过程可以划分为4个阶段，即方案设计、工程设计、制造规划和广告营销。现在的CAD都注重第2、3阶段，即面向生产阶段，而缺乏面向市场阶段，即对第1、4阶段的支持。其中包括功能分析、概念设计、方案综合、设计评价、人机工程、广告设计、包装设计