华科大CAD技术及应用基础课件第1讲 绪论

CAD技术及应用基础

课时：40(24+16) 教师：吴义忠张云清

主要内容CAD系统概述CAD系统原理二维CAD系统三维CAD系统CAD系统的操作使用（上机实验）注意：CAD不是目的，而是工具或手段学时安排24学时上课（其中2学时机动）16学时上机实验地点：东8楼6楼时间：需联系，重新定时间

上机内容安排：CAD系统基本操作（4学时）零件设计（4学时）装配设计（4学时）上机测验（4学时）考试(平时+上机+考试)学时安排24学时教学内容1）CAD概论2）CAD系统结构3）图形学基础4）工程数据处理5）二维CAD系统6）曲线曲面－17）曲线曲面－2

8）几何建模－19）几何建模－210）真实感图形

11）其他CAD技术12）三维CAD/复习主要目的了解CAD系统的基本原理初步掌握CAD系统操作使用先修课程计算机图形学计算机语言（如：C，C＋＋）计算方法（或数值分析）数据结构参考书目《机械CAD基础》，吴昌林等，高等教育出版社《计算机辅助设计技术与应用》，殷国富，科学出版社CAD系统操作手册（如：UG、SOLIDWORKS等）1.机械CAD概论本章目的：了解CAD基本概念了解CAD发展历史和作用了解传统设计过程与CAD设计过程的特点了解CAD发展趋势1.1传统的机械设计过程1.2机械CAD过程1.3CAD的基本概念1.4CAD系统的发展简史1.5CAD技术的发展趋势

机械设计定义

机械设计就是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、结构形状、运动方式、力和能量的传递、以及所用材料等事项，并转化为具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。

机械设计是产品从需求分析、设计、制造、销售、使用和回收整个产品全生命周期中的一个重要环节，对产品成本的影响占80％。

1.1机械设计主要过程

市场需求调查提出开发计划设计任务书功能分析寻求解决方案拟订总体布局机械运动方案设计原理方案图主要尺寸及参数设计总体结构设计装配图零部件结构设计零件图技术文档产品规划阶段(需求分析)方案设计阶段（概念设计）技术设计阶段（详细设计）传统的机械设计过程需求分析调查研究、分析用户需求、收集资料，在此基础上确定产品功能，提出需求报告概念设计：构思方案，分析和论证，获得一组可行的原理性方案，然后确定设计中一些大的框架，如绘制总体布局草图，确定各零部件的基本结构和形状，建立数学模型，进行主要设计参数的分析计算与优化详细设计确定对象的细部结构，完成装配图和零件图的绘制，编写技术文件传统设计工具：绘图板，计算器（尺）产生设计蓝图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、精确的的方法计算，容易出错大部分时间在零件图、装配图上，可重用性差设计周期长、效率低计算机辅助设计(CAD)的产生详细设计的终结并不意味着最终获得了一个好的设计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，会返回大量信息，需要对产品进行不断修改机械设计是一个“设计——评价——再设计”的反复迭代、不断优化的过程

在人工设计情况下，存在许多的缺点，因此实现某种程度的设计自动化，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，正是在这样的背景下产生了计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)1.1传统的机械设计过程1.2机械CAD过程1.3CAD的基本概念1.4CAD系统的发展简史1.5CAD技术的发展趋势

1.2机械CAD过程辅助工具现在的CAD过程往往与计算机辅助工艺规程设计(CAPP：ComputerAidedProcessplanning)、数控编程（CAM：ComputerAidedManufacturing）、辅助分析CAE(ComputerAidedEngineering)及产品数据管理（PDM：ProductDataManagement）连在一起，形成集成的CAD/CAPP/CAM/CAE/PDM(即C4P)系统。（注：PDM已经发展为PLM，即产品全生命周期管理）

根据市场需求确定产品的性能要求，然后用专家系统进行产品方案设计，由此再进行几何建模、工程分析、直到产生详细的工程图。CAPP的功能是进行零件加工工艺路线及工序的编制，它的作用除为生产调度及控制提供信息外，也为自动编程提供所需信息。自动编程部分生成刀具加工轨迹并在屏幕上进行加工仿真，检查无误后，经后置处理生成加工代码，控制机床进行加工。图中左边是工程数据库，构成了信息交换与集成的基础，右边列出了所需软件的种类。CAD设计工具各种CAx软件工具：

CAD（2D、3D）CAE、CAPP、CAM等CAD作业过程的特点设计工具软件化（CAx）强有力的计算、图形、数据处理能力设计、分析综合，性能选优提高了设计精度和可靠性信息共享、资源共享、设计过程共享设计效率高、周期短1.1传统的机械设计过程1.2机械CAD过程1.3CAD的基本概念1.4CAD系统的发展简史1.5CAD技术的发展趋势

1.3CAD的基本概念20世纪60年代的观点科学计算和分析或计算机控制绘图机绘制出工程图

1967年，美国学者D.T.ROSS的定义把设计者与计算机结合为一个问题求解组，使之较各自单独工作时能更有效地达到设计问题的目标

1972年，国际信息处理联合会的定义CAD是一种技术，其中人与机（计算机）结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科的方法的综合性协作提供了可能

CAD基本概念综合定义CAD是用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、修改、分析和优化的一种设计方法。在CAD系统中人与计算机密切合作，在不同的方面人与计算机充分发挥各自的特长，因此CAD系统是一个人机结合的系统。CAD技术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：图形处理技术工程分析技术数据管理与数据交换技术

文档处理技术

软件设计技术

CAD概念的拓展CAD含义的衍生：CAD技术不断发展，不同领域对CAD技术的应用程度不同，对CAD技术的含义的理解也略有差异。ComputerAidedDraftingComputerAidedDesignComputerAidedDevelopment1.1传统的机械设计过程1.2机械CAD过程1.3CAD的基本概念1.4CAD系统的发展简史1.5CAD技术的发展趋势

1.4CAD系统的发展过程CAD技术是在计算机软、硬件技术的基础上发展起来的，它的发展过程与计算机技术的发展息息相关。自从1945年美国制造出世界上第一台真空管数字式计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子数字积分计算机)以来，利用计算机进行产品辅助设计技术的发展，大致经历了如下三个阶段：孕育形成阶段（20世纪40年代末一50年代末）成长发展阶段（50年代末一60年代后期）应用开发拓展阶段(70年代至今)CAD孕育形成阶段20世纪40年代末~50年代末真空管计算机机器语言编制程序设计变压器、电动机、发电机等美国、欧洲、日本CAD成长发展阶段50年代末～60年代后期晶体管计算机高级语言(FORTRAN,ALGOL,COBOL）文件系统(数据管理)磁带、磁鼓、磁盘（数据存储)图形显示、输出（1950）交互式图形生成技术(人机交互，1953）I.E.Sutherland“人机图形通信系统”SKETCHPAD发展很快，但规模大，价格昂贵CAD应用开发拓展阶段-170年代以后大规模集成电路时代

分时操作系统数据库系统计算机网络图形处理软硬件技术进一步发展人机交互图形生成技术更完善鼠标、数字化仪、图形输入板取代光笔光栅扫描图形显示器使图形更形象、逼真计算机控制的精密绘图机输出高质量的图纸CAD应用开发拓展阶段-2各种现代设计方法、设计计算和分析方法优化设计、可靠性设计、系统工程有限元法、数值积分、偏微分方程数值解法CAD技术走向成熟70年代小型机为基础的CAD系统进入市场，“交钥匙”系统(TurnKeySystem)80年代超级小型机及超级微机工作站给CAD技术极大推动90年代以微机为基础的CAD系统受到欢迎CAD技术的发展

2D绘图3D设计工程分析数字样机集成平台目前国际知名CAD软件公司两大阵营：CATIA为代表（整体方案）

UG为代表（整体方案）其它：Pro/E为表（整体方案）

AutoCAD为代表高档：CATIA、UG中档：Pro/E低档：Solidworks、Solidedges、Inventor二维：AutoCADCAD在我国清华、华科大、浙大、北航等华中科技大学：天喻InteCAD、InteSolid，KMCAD等

清华：TiOpenCAD，TiGEMS等北航海尔：CAXA，金银花等浙大大天：ZDDS新洲软件：Solid2000技术、市场份额与国外差距很大CAD作用

可重用性好，效率高（对拷贝进行简单修改）信息、知识及资源共享（通过网络）支持协同产品开发（通过网络），多学科专家协作3D设计更直观，能直接进行产品性能分析与优化，有利提高产品质量提供复杂计算，计算精度高，减轻设计强度

有利于产品全生命周期的信息集成CAD作用

u

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；u

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；u

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；u

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％；u

以前波音公司的飞机维修手册最在一起有3米多厚，而现在一张光盘上可储存l000多张图样信息。

CAD技术带来的经济效益明显,CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一

1.1传统的机械设计过程1.2机械CAD过程1.3CAD的基本概念1.4CAD系统的发展简史1.5CAD技术的发展趋势

1.5机械CAD技术的发展趋势

集成化

智能化

网络化标准化

集成化CAD/CAPP/CAM/CAE/PLM/ERP/MES/SCM集成计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向,必须在以下几方面提高水平：

从传统的实体造型到参数化特征造型的转变

必须有自己统一的数据库及其管理系统

解决好不同CAD系统间产品模型数据的转换问题

集成系统内部应该包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件

解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工作

CAXPLMPKM网络化提供多学科领域开发团队的协同产品开发支持跨部门、跨行业、跨地域的企业协作提供数据共享、知识共享、资源共享2发展方向BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德国法国英国西班牙空客A380在4国进行协同研制CADCAECAMCADCAECAM研制

ERPSCMSCMERP数据/BOM表

项目

需求CPC平台机舱内装饰前后机身驾驶舱和中段机翼发动机机架垂直尾翼水平尾翼BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德国法国英国西班牙机舱内装饰前后机身驾驶舱和中段机翼发动机机架垂直尾翼水平尾翼空中客车在4国进行异地专业化联合设计，之后分别在这4个国家的多家生产基地进行异地专业化制造，最后在法国的图卢兹和德国的汉堡进行最后的总装配。空中客车公司的采购网络遍布全球30个国家，有1500家以上的供应商加盟，为了保证整个供应链采购信息的及时沟通，空客建立了采购门户网站，使空客实现了采购过程的和谐化、自动化和简化，并加强了与供应商之间的合作。

空中客车公司由欧洲航空防务及航天公司和英宇航系统公司共同拥有，拥有最先进的产品和最齐全的生产线。总部位于法国图卢兹的空中客车公司，设计机构和工厂属于四个全资子公司：空中客车法国公司、德国公司、西班牙公司、英国公司。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、分析与绘图在设计活动中存在另一类符号推理型工作

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系统是机械CAD发展的必然趋势。需求方案设计建模分析改进标准化

七十年代末八十年代初，为避免不同应用系统之间点对点的网型数据转换对多种数据转换接口开发的要求,国际上许多国家和组织机构对数据交换标准进行了大量的研究、制定工作，诞生了许多区域性的标准。

面向图形设备的标准CGI