(8.2.1)-第一讲 机械CAD基础绪论

提纲第一节机械设计概述第二节CAD技术概述第三节CAD系统简介第四节课程内容及要求第一节机械设计概述1.机械设计概念

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，并将这些内容转化为具体的描述，以此作为加工制造产品的依据。

作用：机械设计是产品从设计、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。它对产品的性能影响占80%。游梁式抽油机油井柱塞泵工作原理2.机械设计过程第一节机械设计概述

机械设计过程一般包括：概念设计、初步设计及详细设计三个阶段。概念设计初步设计详细设计游梁式抽油机3.传统机械设计过程的特点每一环节靠手工完成。设计方案靠经验，方案少，不优化。不能进行复杂的力学分析，难以按动态的、精

确的方法计算，容易出错。大部分时间花在零件图、装配图绘制上，可重

用性差。设计周期长、效率低。传统设计工具：绘图板，计算器等第一节机械设计概述提纲第一节机械设计概述第二节CAD技术概述第三节CAD系统简介第四节课程内容及要求第二节CAD技术概述1.计算机辅助设计（CAD）的产生背景详细设计的终结并不意味着最终获得了一个好的、最优的设计。实际上，机械产品在经历了制造加工、机样测试、批量生产、以及销售使用后，将返回大量有关产品质量、性能等的信息，设计人员再根据这些信息对产品进行不断地修改、升级换代。由此可见，机械设计是一个“设计——评价——再设计”的反复迭代、不断优化的过程。这个过程的特点是：以往都只是人工设计、设计周期长。因此，实现某种程度的自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求。正是在这种背景下产生了计算机辅助设计。游梁式抽油机2.

CAD的定义

CAD，即英文ComputerAidedDesign的缩写，其含义为：计算机辅助设计。

计算机辅助设计是一种利用计算机硬、软件系统辅助设计者对产品进行规划、分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。第二节CAD技术概述3.

CAD的特点、实质和主要作用第二节CAD技术概述CAD系统是一个人、机结合的设计系统运算速度快、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、各尽所长

CAD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。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、提高设计质量的目的。简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的。CAD同时它也是一门多学科的综合性应用新技术。3.

CAD的特点、实质和主要作用第二节CAD技术概述CAD技术的实质人机各尽所长人机交互结合最佳设计效率

工程设计过程中应用CAD技术的目的提高设计质量和设计效率能够充分发挥设计人员创造性缩短产品的设计周期4.

CAD技术体系

现代CAD技术已不仅仅限制于自动绘图或三维建模，是一门多学科的综合性应用新技术，它涉及到以下基础技术：图形处理技术：如二维（交互）自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技术。工程分析技术：如有限元分析、优化设计方法、模拟仿真等。数据管理与数据交换技术：如数据库管理、产品数据管理（PDM）、产品数据交换规范及接口技术等。文档处理技术：如文档制作、编辑及文字处理等。软件设计技术：如窗口界面及图形用户设计、软件工具及软件工程规范等。第二节CAD技术概述

现在的CAD往往与CAE、CAPP、CAM、PDM（PLM）集成形成集成化（

CIMS）的系统。CAD：几何建模，结构设计；CAE：工程分析，性能优化；CAPP：

ComputerAidedProcessPlanning，工艺路线及工序的编制；CAM：生成刀具加工轨迹，生成加工代码；PDM（PLM,

productlifecyclemanagement）：管理产品开发过程中的数据、流程、团队和项目任务。4.

CAD技术体系第二节CAD技术概述5.

CAD系统的基本功能（1）几何建模第二节CAD技术概述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。零件几何建模、部件（机器、装备）装配5.

CAD系统的基本功能（2）工程分析第二节CAD技术概述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。有限元分析和模拟5.

CAD系统的基本功能（2）工程分析第二节CAD技术概述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。机械系统动态分析（运动学、动力学）5.

CAD系统的基本功能（3）仿真模拟第二节CAD技术概述通过动态仿真的方式为设计者提供逼真的运动图像以供决策。加工过程仿真产品性能仿真生产过程仿真（数字化车间）5.

CAD系统的基本功能（4）工程绘图第二节CAD技术概述CAD设计结果需要通过二维工程图或其他方式输出。工程图样交互（自动）绘制5.

CAD系统的基本功能（5）数据处理

CAD系统包含完善的数据库系统，能对设计、分析、绘图等所使用的大量数据进行存取、查找、比较、综合等处理。（6）编制设计文档或生成报表

能制订各种技术文件，如文档制作、编辑及文字处理等。第二节CAD技术概述6.基于CAD的机械设计过程第二节CAD技术概述7.

CAD技术的特点充分应用各种先进的现代设计方法在设计过程中能广泛使用有限元分析、优化设计、可靠性设计及动态分析等先进设计、分析手段；比传统的边设计、边试验，直到设计后期才能弄清产品性能的做法要科学、省时、省力得多。减轻了劳动强度，提高设计效率利用CAD技术，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。提高了产品设计直观性和可靠性

CAD的几何建模功能使得设计过程不同阶段都更加直观，提高了设计结果可靠性；仿真模拟功能在样机加工之前就可以预测产品的性能，及时发现产品设计的缺陷。第二节CAD技术概述7.

CAD技术的特点设计与分析统一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。易于实现产品数据的标准化功能企业的产品数据，包括设计、图文、技术文档等，实现标准化管理，有利于企业积累产品资料、继承历史的知识财富，并方便产品数据的存储、传递、转换和理解有利于实现无图纸化生产

CAD技术为实现CAD/CAM的集成和CIMS（计算机集成制造）提供了基础。第二节CAD技术概述

总之，采用CAD技术可以做到：提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本，从而加快了产品更新换代的速度，使企业保持良好的竞争力。

随着计算机技术的迅猛发展，CAD技术已广泛应用于机械、电子、建筑、土木工程、航天、纺织、医学等众多领域。

应用CAD技术来进行产品设计，能使设计、生产、维修工作快速而高效率地进行，所带来的经济效益是十分明显的。以上世纪80年代末、90年代初的成果为例：过去生产一个大规模集成电路芯片，要花两年时间，用CAD只要两周即可完成。英国的三叉戟飞机比美国的波音747飞机早开工，却晚一年完成，其原因就是美国的747采用了CAD技术。美国GM公司汽车设计中应用CAD技术，使新型汽车的设计周期由5年缩短为3年，新产品的可信度由20﹪提高到60﹪。第二节CAD技术概述8.

CAD技术的应用以前波音飞机的维修手册叠起3米多厚，现在只需1张光盘，原因是采用了CAD技术。

美国道格拉斯公司生产F15战斗机，用CAD技术试制第一架飞机便解决了发动机气道和机舱密封等关键问题。1989年美国国家工程科学院对人类25年（1965—1989）当代10项最杰出的工程技术成就进行评比，结果CAD为第4。1990年全球CAD销售总额超过100亿美元，年增长率高达15%以上，明显高于其他产业的增长率。泸东造船厂应用CAD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。寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米。第二节CAD技术概述8.

CAD技术的应用9.

CAD技术的发展阶段

CAD技术是在计算机软、硬件技术的基础上发展起来的，从上世纪50年代开始利用计算机进行产品辅助设计技术的发展，大致经历了如下5个阶段：孕育阶段（20世纪50年代）成长阶段（20世纪60年代）发展和应用阶段（20世纪70年代）普及阶段（20世纪80年代）集成阶段（20世纪90年代至今）第二节CAD技术概述（1)孕育阶段（20世纪50年代）美国麻省理工学院（MIT）于1950年在它研制的名为“旋风”的计算机上采用了阴极射线管(CRT)做成的图形终端，并能被动地显示图形。其后出现了光笔，人们开始了交互式计算机图形学的研究。50年代中期，计算机已应用于工程和产品设计的分析计算，促进了计算机辅助工程(CAE)技术的发展。9.

CAD技术的发展过程第二节CAD技术概述（2)成长阶段（20世纪60年代）这一阶段是交互式计算机图形学发展的最重要时期。1962年美国学者IvanSutherland研究出了名为Sketchpad的系统，这是一个交互式图形系统，能在屏幕上进行图形设计与修改，由此出现CAD这一术语，并掀起了大规模研究CG的热潮。其后，美国的一些公司推出了一些CAD系统。到了20世纪6O年代后期，存储管式显示器以其低廉的价格进入市场，降低了CAD系统的成本，促进了计算机图形学和CAD技术的迅速发展。9.

CAD技术的发展过程第二节CAD技术概述（3)发展和应用阶段（20世纪70年代）计算机交互图形技术和三维几何造型技术（线框、曲面和实体模型）为CAD技术的发展

奠定了基础。基于大型机的商用CAD／CAM系统开始面市。基于小型机的所谓交钥匙系统（turnkeysystem），它包括图形输入及输出设备和相应

的CAD／CAM软件，以其优良的性能价格比，开始向中、小型企业扩展。总的来说，70年代是CAD技术的发展和应用阶段，各功能模块渐趋完善，但数据结构尚不统一，应用主要集中在计算机绘图和有限元分析方面，集成性差。9.

CAD技术的发展过程第二节CAD技术概述（4）普及阶段（20世纪80年代）

几何造型技术已经成熟，并成为CAD系统的核心。随着超级微型机和工作站迅速占领市场，各CAD厂商将原来在大型机和小型机上的CAD／CAM

系统纷纷向新的硬件平台移植或重新开发。这一阶段CAD／CAM系统具有统一的数据结构和内部的数据库；系统有较好的集成；特征建

模及二、三维参数化设计系统开始出现。这一阶段的应用从二维绘图发展为三维建模；实现了CAD／CAE／CAM的集成，应用取得了显

著效益。9.

CAD技术的发展过程第二节CAD技术概述（5）集成阶段（20世纪90年代至今）

CAD向集成化、网络化、智能化和标准化方向发展。随着世界市场的多变与激烈竞争，随着各种先进设计理论和先进制造模式的发展，随着高档微机、操作系统和编程软件的发展，随着因特网的迅速发展，CAD技术正在经历着前所未有的发展机遇与挑战。9.

CAD技术的发展过程第二节CAD技术概述10.目前国际知名CAD软件及公司

当前，国际上面向制造业的CAD软件公司主要有:DassaultSystemes、Simens、PTC和Autodesk。软件：高档：CATIA、UG中档：Pro/E低档：Solidworks、Solidedges、AutoInventor二维：AutoCAD第二节CAD技术概述11.

CAD技术的发展趋势集成化为适应设计与制造自动化的要求，特别是适应计算机集成制造系统（CIMS）的要求，进一步提高集成水平是CAD系统发展的一个重要方向。智能化现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而在设计活动中存在另一类符号推理工作，包括方案构思与拟定、最佳方案选择、评价、决策，以及参数选择等等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。因此将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是CAD技术发展的必然趋势。第二节CAD技术概述11.

CAD技术的发展趋势标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。迄今已制定了不少与CAD技术相关的标准，例如：面向图形设备的标准CGI；面向用户的图形标准GKS；面向不同CAD系统的数据交换标准STEP等。网络化在CAD技术的应用中，网络技术的发展，大大地增强了CAD系统的能力，而没有网络的计算机简直是不可想象的，更不用谈CAD技术的集成化。第二节CAD技术概述11.

CAD技术的发展趋势可视化

可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将设计过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它可使往日机械设计过程中冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图形或图像，更利于将概念设计转换到几何模型，容易发挥人们的创造力。第二节CAD技术概述12.

CAD技术应用成果资料查阅CAD技术应用的最直接成果就是CAD软件系统的开发和应用。这方面的资料查阅可借助于计算机网络。国内外CAD软件公司网站国内有关部门、行业与CAD技术相关官方网站高校BBS国内期刊网……等。第二节CAD技术概述提纲第一节机械设计概述第二节CAD技术概述第三节CAD系统简介第四节课程内容及要求1.

CAD系统的硬件

一个完整的CAD系统包括：

CAD系统的硬件和CAD系统的软件两部分。

CAD系统的硬件是指：计算机系统中的全部可以感触到的物理装置。包括：计算机主机、外存储器及计算机网络图形输入设备图形输出设备图形显示设备

CAD系统的硬件组成，如右图所示。第三节CAD系统简介CAD系统的硬件（1）计算机主机及外存储器

计算机主机：是整个计算机系统的核心，它由两部分组成：中央处理器（CPU）、主存储器（或称内存）。中央处理器（CPU）包括：控制器和运算器。

控制器：指挥和协调整个计算机的工作，包括负责解释指令，控制指令的执行顺序，访问存储器等。

运算器：负责执行指令所规定的算术和逻辑运算。主存储器：用来存放指令和数据，一般包括：ROM和RAM两部分。

外存储器：与内存的区别在于它设置在计算机主机之外。常见种类有：（移动）硬盘、光盘和U盘等。第三节CAD系统简介（2）图形输入设备

计算机及外存储器是通过输入、输出设备与外界来沟通信息的。所谓信息输入，就是把外界的信息变成计算机能够识别的电子脉冲，即由外围设备将数据送到计算机内存中。所谓信息输出，就是将计算机内部编码的电子脉冲翻译成人们能够识别的字符或图形，即从计算机的内部将数据传送到外围设备。能够实现输入操作的装置就被称作输入设备，CAD系统所使用的输入设备主要包括：第三节CAD系统简介键盘、鼠标数字化仪：通过电磁感应原理进行图形坐标点输入的专用设备。键盘、鼠标、数字化仪（2）图形输入设备三坐标测量设备：包括三坐标测量仪、激光三维扫描仪等。图形、图像扫描仪：能快速完成图形信息的输入，生成位图信息，经矢量化处理将位图转换为矢量化图形。数码相机：将光学真实图象转换为数字图象。其他输入装置：如触摸屏、声响交互输入、数据手套等。第三节CAD系统简介三坐标测量仪数据手套激光三维扫描仪图形、图像扫描仪（3）图形输出设备CAD系统所使用的图形输出设备主要包括：打印机、绘图仪等。打印机：有针式、喷墨、激光打印机。绘图机：现有喷墨绘图机、笔式绘图机等。3D打印机：采用材料累加成型原理，由CAD数据直接控制打印机x、y、z三轴运动。第三节CAD系统简介笔式绘图机喷墨式绘图机3D打印机（3）图形输出设备笔式绘图机（滚筒式、平板式）的工作原理是：通过步进电机控制笔相对纸的运动来绘出图形，如右图及下图所示。第三节CAD系统简介滚筒式绘图机工作原理平板式绘图机工作原理笔架的走步方向直线的插补原理用折线逼近直线（4）图形显示设备

图形显示器像一个窗口，使设计者能及时了解人机间的信息交互情况。

图形显示器不但能显示字符信息，而且能随时显示所设计的图形，并能让用户对这些图形进行增、删、改、移动等交互操作，因此它不单纯是被动地显示图形，而且是一种交互式的图形显示。目前，计算机图形显示器包括：光栅扫描显示器液晶显示器立体显示器：头盔显示器、立体眼镜、立体投影仪第三节CAD系统简介头盔显示器立体眼镜虚拟现实投影仪（4）图形显示设备像素(Pixel:PictureCell)：是最小的屏幕（图像）显示单位，其大小取决于显示器的尺寸和分辨率。分辨率(Resolution)：计算机显示器在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数。如800*600，1024*768，1280*1024等。

第三节CAD系统简介由于屏幕上的象素点是纵横方向排列的小矩形，故在屏幕上由这些象素点所构成的直线或圆弧都是由许许多多水平或垂直的小线段所构成的。分辨率不高的显示器上，圆弧的斜直线看上去呈锯齿状的原因。屏幕上直线的近似表示坐标系下直线的近似表示2.

CAD系统的软件一般而言，CAD系统的软件可分为两大类：系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件：主要用于计算机管理、维护、控制及运行，以及计算机程序的翻译和执行。它也是应用软件赖以工作的基础。

系统软件主要分为以下几类：操作系统：主要功能是管理文件及各种输出输入设备。微机上常用操作系统如MS-DOS、Windows及Unix等；程序设计语言和语言编译系统：汇编语言，Basic,Fortran,C语言及C++等；窗口系统：如Apple公司的Macintosh，Microsoft公司的Windows等；网络通信及管理软件数据库及数据库管理软件：如FoxBASE，ORACLE等。第三节CAD系统简介2.

CAD系统的软件支撑软件：一般包括：交互式二维绘图软件：主要完成二维工程图样的绘制，如AutoCAD、CAXA等。三维造型软件：如Solidworks、