矿井开采设计与CAD-采矿CAD简介

矿井开采设计与CAD主讲人：邢存恩（博士）太原理工大学矿业工程学院研究领域：煤矿开采、采矿系统工程和采矿CAD

煤矿通风与安全电话-mail：xcn_ty@163.com4/29/20241第二篇采矿CAD4/29/20242第一章计算机辅助采矿设计概述4/29/20243第一节设计的概念、性质、和内容第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则第三节CAD系统硬件第四节CAD系统软件第五节CAD的应用、发展及未来展望。主要内容4/29/20244第一节设计的概念、性质和内容1．采矿工程设计的概念采矿工程设计就是依据井田精查地质报告资料、国家的有关方针政策等设想出的能满足开采需求的开采方案及生产工艺系统，并把这种设想明确化、具体化，以一定方式（图纸和设计文件）表达出来；使施工者、生产者、管理者等人能理解，以确保能正确施工和组织生产。简单地说，设计就是完成下面两项工作：其一：设计对象的确定，决定采用何种开采方案及生产系统及其系统参数等；其二：设计对象的信息化工作，将确定的设计对象通过图纸和设计技术文件（或其它表达方式）表达出来。一、设计的概念、性质、和内容4/29/202452．设计的内容设计工作者从接受任务开始到全部完成设计图纸和设计技术文件结束，包括以下具体工作内容：1）搞清设计任务要搞清设计属哪个阶段，主要的依据和要求等，并用简略的文字叙述和表格形式作为文件固定和明确下来，作为下一步设计的依据。2）方案设计根据设计任务，提出设计方案，并进行方案对比和评价决策。3）详细分析设计的各环节，进行详细的分析设计，概预算设计工程的费用。4）设计绘图：绘制设计图纸。5）编制设计文件编写设计计祘书，用文字、数据、表格和线图来表示设计分析计算的结果；概预算书；设备清册及设计文件。第一节设计的概念、性质和内容一、设计的概念、性质、和内容4/29/202463．设计的性质1）设计的过程实际上是一种输入输出过程2）设计是创造，设计出自然界没有的人工物，设计是一种创造性的脑力劳动第一节设计的概念、性质和内容一、设计的概念、性质、和内容4/29/20247

CAD是计算机辅助设计的英文名称（ComputerAidedDesign）的简称，顾名思义是计算机帮助进行设计的意思。目前，人们对CAD有不同的理解，如有些人把设计中使用了计算机就算是CAD；有人把计算机进行计算分析看成是CAD；有人把CAD理解为计算机辅助制图，这样CAD中的“D”实际上不是“Design”而变成“Drafting”或“Drawing”了，他们把CAD看成是利用人机对话图形处理系统来设计绘图；也有人把CAD理解为在设计中用计算机进行计算加绘图。种种观点归纳起来，计算机辅助设计就是利用计算机系统来辅助人们完成设计各个阶段的工作，包括资料整理分析、工程计算、结构模型分析、设计优化、经济计算、绘制图形等。

一个完整的CAD系统应该包括三大部分：计算系统、图形系统、数据库系统。第一节设计的概念、性质和内容二、CAD的概念和内容4/29/20248三、CAD的特点1、CAD是利用计算机进行各种设计信息处理的总称。设计过程实际上是一个获取信息、处理信息和输出信息的过程。

2、CAD是充分合理地利用计算机及其外围信息处理装置组成人机一体化的设计系统3、CAD系统的多学科性大型CAD系统的一个基本特征是运用了计算机科学和工程科学中各种不同的技术。第一节设计的概念、性质和内容4/29/20249四、CAD系统的突出优势：1、利用大量计算软件包可以使计算时间缩短为人工设计的几十分之一；2、使用类似于有限元法这样有效的模型技术，可以使设计者摆脱传统复杂公式计算的束缚进行优化设计，从而提高设计能力，降低研制费用；3、使设计人员从绘图、查表等事务性的重复劳动中解放出来，用图形输入设备快速、准确、清洁地绘制出各种图形。4、CAD的仿真和分析技术可以节省模型测试和开发阶段的大量时间和经费，缩短设计周期；5、使用CAD系统有利于产品的的标准化、条例化、通用化，从而加速产品的开发和投产过程；6、利用计算机的网络通讯能力，使CAD比传统设计方法更紧密地同其它工程部门结合起来；7、设计于分析统一。设计与分析更具逻辑性的统一于一种工作模式中，设计分析实时交互地进行，同在一个CAD工作站内完成。8、提高设计效率和产品质量。第一节设计的概念、性质和内容4/29/202410第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则1、CAD系统从形态特征来看，由：

软件和硬件两部分构成。2、CAD系统从工作内容来看包括三大部分：

计算系统、图形系统、数据库。一、CAD系统的基本组成4/29/2024111．计算系统

计算系统是对设计对象进行强度、生产能力、经济性的计算分析计算和优化，并提供各种物理数据。2．图形系统

图形系统是进行图形的输入和输出。图形系统的硬件包括图形的输入设备（键盘、数字化仪、光笔、鼠标器、扫描仪等），图形的输出设备（绘图仪、打印机），图形显示设备（显示器）。图形系统的软件包括图形软件包、交互绘图系统和高级绘图语言。第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则一、CAD系统的基本组成4/29/2024123、数据库数据库是用来存贮并管理各种工程数据、图形数据及与系统设计有关的各种数据。CAD数据库按结构形式分为综合型数据库、组合型数据库和概念模型数据库等。对图形数据的管理也是CAD数据库的重要部分。第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则一、CAD系统的基本组成4/29/202413二、CAD系统的类型

CAD系统从不同角度不同方面有不同的分类方法。1．按硬件组成和控制方式可分为以下几类：1）主机型CAD系统2）独立使用型，又称“工作站”3）普及型，又称“PC机CAD系统”4）微机网络型２．从应用角度来看，一般可分为以下三种基本类型：1）检索型CAD系统2）计算型CAD系统3）人机交互型CAD系统第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则4/29/2024141、按硬件组成和控制方式可分为以下几类：1）主机型CAD系统以一台高性能的大、中型计算机为主机，连接若干台的终端。2）独立使用型，又称“工作站”这种系统以小型机或高档微型机为主机，将图形输入装置、显示装置和绘图仪等CAD系统的全部外围设备连接起来，组成所谓的“交钥匙”系统。3）普及型，又称“PC机CAD系统”这种CAD系统建立在微机（个人微机PersonalComputer）基础上，配置价格低廉的CAD外围装置。目前，PC机CAD系统已广泛应用于不同规模的企事业单位。4）微机网络型上述CAD系统，称为CAD独立系统。与独立系统相对应还有网络系统，如有主机的CAD系统、工程工作站与基本PC机的CAD系统，都可以连网成为一个多处理机系统。第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则二、CAD系统的类型

4/29/202415PC机CAD系统硬盘打印机CPUCRT显示器数字化仪绘图仪键盘第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则二、CAD系统的类型

4/29/2024162、从应用角度来看，一般可分为以下三种基本类型：1）检索型CAD系统这种系统具有选择和计算能力，它把某些定型产品的图纸整理成标准图，变成图形信息存入数据库，同时存入有关加工用的信息。当用户需要某种产品时，系统选择出标准图。它适用于现有的设计、标准化产品。2）人机交互型CAD系统这类CAD系统用CRT显示图形、图表和数字，通过键盘、数字化仪、光笔等图形输入设备在CRT上修改，实现人机对话。3）计算型CAD系统这类系统以优化设计为主，通过计算最终得到产品图纸。它需要选择数学模型和可靠的数学方法，通过大量计算求得最优解。二、CAD系统的类型

第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则4/29/202417三、CAD系统的选择原则在目前众多类型的CAD系统中如何进行选择呢？这就应根据用户使用CAD系统的目的——所解决的主要任务是什么，以及用户所具有的条件——经费、人员技术水平、产品及市场销售情况等方面统筹全面考虑。在此基础上确定对CAD系统的全面要求，也即CAD系统的选择原则，根据这个原则和用户的目的与条件选择所需的CAD系统。综上所说，选择CAD系统的原则有：1、应选使用功能强、有扩充余地的标准化的计算机硬件；2、所选软件的性能和功能应适合于交互式设计工作并应是开放式的，以便于与其它软件联接；3、所选工作站上的硬件和软即便于用户使用；4、应选对各种程序语言适应能力强的系统；5、有培训的可能性，并培训费用应少；6、应考虑系统硬件、软件、工作站和外围设备的维修情况；7、分析出售该系统的公司有无发展的潜力，分析出售该系统的公司从事研制、经销、维修人员间的比例关系如何;8、投资方面的要求;9、操作指导方面的能力。第二节CAD系统基本组成、分类和选择原则4/29/202418第三节CAD系统硬件CAD系统的硬件：

主要由主机、外存储器、输入装置和输出装置组成，或由主机和外设组成。图1-4为常见的普及型CAD系统典型硬件组成简图。图1-4CAD典型硬件组成主机（PC机）CPU外存字符输入：键盘用户图形输入设备：数字化仪、鼠标器光笔、图形输入板操纵杆、扫描仪数码相机摄像机等视频输出设备文本、图形显示终端文本、图形输出设备：打印机、绘图仪等4/29/202419软件就是我们处理一个问题是用到的思想、方法、知识、信息、数据。计算机软件是指一系列程序和有关的手册资料。借助于这些程序及其文本手册，用户就可以利用计算机硬件设备，方便、有效地解决实际问题。

CAD软件是CAD系统所要用到的计算机软件。包括两类：系统软件和应用软件。应用软件又可分为支撑软件和产品应用软件。CAD软件的组成及其层次关系如图1-9所示。第四节CAD软件系统软件产品应用软件产品应用软件支撑软件支撑软件b、CAD系统中软件的层次关系CAD系统的软件系统软件

支撑软件产品应用软件a、CAD系统中软件的组成图1-9CAD系统软件的组成及层次关系4/29/202420一、系统软件系统软件是指与计算机系统本身的管理、运行、操作有关的一系列程序、规则及有关的文档资料和数据，它并不面向用户的具体应用问题，而是着眼于如何有效的管理计算机本身的资源。二、支撑软件

支撑软件也称为功能软件或应用软件。这类软件是以系统软件为基础，用来开发CAD应用所需的各种专业产品应用软件，是指支持CAD应用软件的通用性实用程序库及软件开发中的软件工具，它是各种专门用途的产品应用软件的基础。

支撑软件包括：图形软件系统、工程数据库系统、几何造型和建模软件、工程结构力学分析和计算软件、图形用户界面软件和人工智能软件等。支撑软件是CAD系统中的核心部分，目前国内外商业上出售的CAD系统的软件大部分是支撑软件。第四节CAD软件4/29/202421三、产品应用软件

这是用户在系统软件与支撑软件的平台基础上，为各个领域的各类产品开发的支持CAD系统工作所需的二次开发应用软件。这种软件是面向专业技术人员服务，并为各类终端用户专用，一般由用户或者用户与CAD厂商联合开发，而CAD厂商通常是不出售这种专用的产品应用软件的。从产品应用软件来看，不管哪个领域，都包括产品总体方案设计、各个子系统设计及部件和零件设计三个层次。如：采矿领域设计包括方设计案、各子系统设计及施工图设计三项内容。第四节CAD软件4/29/202422第四节CAD软件图1-101955年以来硬件和软件成本比例的变化情况4/29/202423第四节CAD软件图1-11软件研制费用与维护管理费用的分配关系4/29/202424随着CAD技术的发展，以及CAD产品应用软件开发的逐步深入，CAD产品应用软件开发已与用户和CAD厂商分离成为一个独立的产业。CAD硬件、CAD系统软件、CAD支撑软件和CAD产品应用软件成为各自独立的产业，它们并驾齐驱。这种局面将会推动CAD技术的进一步向前发展。目前，采矿工程应用软件包已有许多，但多为某一单位工程的设计，较为全面的有基于工作站的“煤矿采矿设计软件包”和基于微机的“煤矿开采设计软件包——KCSJCAD2.0”。本书后面将介绍常用煤矿设计软件包的工作环境、特点及使用方法。第四节CAD软件4/29/202425第五节CAD的应用、发展及未来展望一、CAD的应用

CAD技术已经广泛的应用于各个工业领域——机械、电子、土建、化工、以及纺织、服装、家具、建筑、航空和航天、造船等。美国和日本在90年代初期，有50％的机械类图纸是由计算机绘制完成。进入二十一世纪后，几乎所有工程图纸都可以使用计算机来完成。随着CAD的普及，它的重要作用愈来愈被人们认识。美国国家科学基金会生产中心曾这样说：“CAD/CAM技术是一项自电子技术发展以来，比其他技术具有更大的潜力，又能更快的提高生产率的技术。”纽约时报曾在一篇报道中说：“CAD的水平是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。”4/29/202426第五节CAD的应用、发展及未来展望一、CAD的应用1．CAD的功能、意义和价值

1）随着科技飞速发展，很多高性能复杂产品的设计，依靠人力已经很难安全无误完成，只有采用CAD才能进行设计。

2）现代化设计理论和方法建筑在CAD的基础上。

3）CAD的经济效益和社会效益十分显著

4）电子计算机作为信息记载、传递和处理工具，能更完善地反映和表达产品（结构形状、尺寸、材料、技术条件、加工工艺以及生产管理组织等信息），并把这些信息集成进行一体化处理。可以说我国工业和先进工业国家的差距主要反映在CAD/CAM上，我国工业提高生产率往往靠劳动密集，产品质量主要靠工人技术水平来保证，而先进国家机械工业靠高技术、数控技术，也就是CAD/CAM。4/29/202427第五节CAD的应用、发展及未来展望一、CAD的应用2．目前CAD在我国的应用

CAD在我国起步较晚，直到70年代后期一些高等院校和研究所才陆续开始CAD技术的研究。到了80年代，高校和研究单位建立了CAD中心，开始了CAD的应用，与此同时，一些大企业也开始引进国内CAD装置，应用于产品设计中。但由于作为基础设备的国内计算机和外围装置落后，使我国CAD的研究和应用进展缓慢。我国第七个五年计划（1985年至1990年）把CAD作为重点攻关项目，机械行业各部门以重点产品为典型，首先实现CAD化，取得经验，然后在八五规划中进行普及。九五规划中，CAD应用工程被列为重中之重项目。目前，一些中型企业相继建立了CAD室，开始了CAD的应用。但在CAD发展和应用中，遇到了以下问题：4/29/202428第五节CAD的应用、发展及未来展望

1）随着科学技术的发展，CAD设备的价格逐年下降，但一些好的设备仍需进口，小型单位买不起，也用不起。

2）CAD方面的人才已经基本具备。

3）我国不仅CAD硬件落后，CAD软件也很落后，市面上质量好、使用方便的应用软件很少，而厂矿又缺乏自己开发应用软件的能力。特别是一些人对计算机硬件的购买可以接受，而购买软件总认为花钱多余（使用大量倒版软件）。他们认为有了计算机硬件什么都可以解决了，而一旦解决不了，又认为计算机只能打字，其它啥也干不了。这种观念影响着CAD的发展和应用。

4）保守心理。少数设计人员对新技术持否定态度，喜欢凭借经验搞设计，怀疑计算机CAD的可靠性。有的领导认为CAD系统会给他带来管理上的麻烦，因为CAD技术可节省出一部分人员，这些人员将来干吗是他的麻烦事。综上所述，CAD技术目前在我国发展推广还需要一个过程。基于此，起点高的行业可率先普及推广CAD。但随着科学技术的发展，CAD技术逐步进入各领域将是不可抗拒的潮流。4/29/202429第五节CAD的应用、发展及未来展望一、CAD的应用3．CAD在采矿工程设计中的应用

CAD在采矿工程设计中的应用要比其他行业晚的多，80年代，高校和研究所才陆续开始CAD的研究，90年代，在一些大的设计院所建立了CAD中心，引进了国外的计算机CAD软硬件，并开始大规模开发自己的软件，但使用并不理想。目前，CAD在采矿工程设计中的应用主要有以下几种：

1）设计计算方面

CAD用来确定参数，方案等，以及设备选型计算等。

2）设计制图方面主要绘制单项施工图，随着我校KCSJCAD软件的开发，采矿工程各种图件的绘制成为现实。KCSJCAD1.0系统已取得著作权，并用于设计。目前采矿设计绘图，只要输入参数（改变参数），便可自动绘制多种图件。

3）工艺系统的模型分析等。此外，还有专家型CAD系统，随着图形技术的应用深入，采矿CAD系统会更加完善，应用愈来愈广。4/29/202430第五节CAD的应用、发展及未来展望二、CAD的发展概况CAD的发展粗略可分为以下几个阶段：

1．1960年以前为创造CAD初步物质基础和产生CAD的设想阶段。2．1960~1970年期间为CAD探索阶段，CAD从设想变成应用技术。

3．1970~1980年期间为CAD成熟发展阶段4．1980年以来为CAD普及应用阶段进入90年代后，CAD系统已经比较完善，不仅有完善配套的硬件系统，而且相继出现许多好的软件系统（图形软件），如AutoCAD系统软件等。这为CAD技术的推广普及奠定了基础。

21世纪，CAD技术进入各领域的广泛普及应用阶段。4/29/202431第五节CAD的应用、发展及未来展望CAD发展概况年份半导体和计算机的发展CAD和外围装置的发展1946第一代真空管第一台图形显示器诞生19501955

美CALCOMP公司制造成滚动式绘图机1960

第二代半导体美GERBER公司制成平板式绘图机1965

第三IC集成电路MIT光笔图形显示器随机扫描显示器

CAD/CAM系统1970

第三代LSI

“交钥匙”CAD系统大规模集成电路存贮管式显示器的应用三维实体模型产生