第1章 计算机辅助设计概述.ppt

1、第一章计算机辅助设计概述,1.1 CAD的发展历程 计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）是从50年代开始，随着计算机技术及其外围设备的发展而形成的一门新兴学科，在工程技术领域中有着广泛的应用。 20世纪50年代是CAD技术的准备和酝酿阶段。 美国的麻省理工学院（MIT）在计算机辅助设计方面作了开拓性的工作。 1950年美国麻省理工学院研制成功的图形显示器用于“旋风1号计算机” ，虽然它只能显示极为粗糙的图形，与示波器没有太大的差别，但它是计算机向CAD发展的开始。,1958年，Calcomp公司研制出了滚筒式绘图机；Gerber公司研制出了平板绘图仪； 19

2、59年（MIT）将CAD正式列为研究项目进行研究等等。 这时期硬件的特点是开始具有一定的图形输出能力。从整体上说，计算机硬件水平较低，处在电子管水平；计算机主要用于科学计算，开发人员主要用机器语言编程，图形的处理只能输出不能输入。,20世纪60年代是CAD技术的成长发展阶段。 在20世纪60年代，晶体管取代了真空电子管。20世纪60年代后期，出现了直接存取存储器，研制成功了阴极射线管显示器等等。这些硬件的出现和发展，为CAD的发展提供了坚实的物质基础；计算机软件水平也得到大大地提高，产生和发展了许多计算机语言，如在计算机语言中占据重要地位的FORTRAN语言就是在这个时期发展和完善的。,196

3、3年春，在美国计算机联合会的年会上，MIT的研究小组发表了有关CAD项目的五篇论文，给工程界以很大的震动。 其中在24岁的研究生I.E.Sutherland发表的“SKETCH-PAD一种人机对话系统”论文中，介绍了这个系统能在1015min内完成通常需要几周时间才能完成的工作。 当时，MIT研究小组的报告对CAD作了这样的设想：设计者坐在CRT控制台前，通过光笔操作，进行人机对话，实现从概念设计到生产设计以至制造的全过程。它还提出了用不同的层来表示某一工程图的轮廓、剖面线和尺寸。这个系统为交互式图形学和计算机辅助绘图技术打下了理论基础。这在当时看来，带有一些神奇色彩，但它大大地震动了追求实效

4、的工程界。,汽车工业对计算机辅助设计技术的发明首先做出了响应。 美国通用汽车公司和IBM公司率先开发了DAC-1(Design Augmented by Computer)系统，用来设计汽车外形与结构。 美国洛克希德（Lockheed）公司和IBM公司联合开发了基于大型计算机的图形增强设计与制造软件包CADAM用于设计与绘图，并具有三维结构设计能力。 随后计算机辅助绘图、设计、制造、分析技术在英、日、意等国的汽车公司也都获得了广泛的应用，并逐渐扩展到其它部门。,20世纪70年代是CAD技术的实用化期。 计算机硬件从集成电路发展到大规模集成电路，相继出现了32位小型计算机和微型计算机。 基于小型

5、机的CAD成套系统（Turnkey System）研制成功，它包括图形输入及输出设备和相应的应用软件，软硬件配套使用。在此期间，为CAD开发了大量的图形软件包和以有限元为基础的各种强度的运算软件包。专业的CAD系统公司和专门开发CAD软件的软件公司相继出现，并有一系列的CAD产品投入市场 。,20世纪80年代是CAD技术迅速发展的时期。 特别是小型计算机及微型计算机的性能不断提高，价格不断下降，计算机外围设备如高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图仪等品种齐全的图形处理装置已逐步形成质量可靠的系列产品，并已成为CAD的一般配置，为推动CAD技术向更高水平发展提供了必要条件。 在此期间，适用

6、于小型机及微机的软件技术业迅速提高，发展了数据库技术，开发出大量图形软件以及与现代设计方法相适应的各种软件（如有限元结构分析软件、优化设计软件等）。大量成熟的商品化软件不断涌现，又促进了CAD技术的应用和发展。,进入90年代以来，随着个人计算机（PC）的飞速发展，其性能迅速赶上了10年前高档工作站的性能。 由于个人计算机的价格低、使用方便，以个人计算机为硬件平台的计算机辅助绘图、设计、制造、分析系统迅速崛起，市场逐步扩大。 可以预见，在不久的将来个人计算机将成为计算机辅助设计的主流机型。 计算机技术为机械工业带来了革命性的改变，反过来计算机在机械工业中的应用也推动了计算机技术的迅速发展。新的设

7、备、新的操作系统、新的软件、新的数据交换标准，正在迅速扩大计算机在工业中的应用范围，掀起一场新技术革命的浪潮，成为20世纪全球最杰出的工程技术成果。,1.2 CAD基本概念和特点 一、产品设计的过程 1、提出设计任务 通常，人们是根据市场或社会需求提出任务的。产品设计的目的就是将提供的资料(如原材料、能源等)设法转化为具有某种功能的技术装置，以满足社会客观的需求。因此，产品设计任务的提出应以社会需求为前提和目标。 2、明确设计要求 根据设计任务，通过对现有同类产品资料的检索及调查研究，对所设计产品的功能、生产率、可靠性、使用寿命、生产成本等方面，提出明确而详细的量化指标，形成具体的设计任务书。

8、,3、方案设计 在满足设计要求的条件下，由设计人员构思多种可行的方案，并用方案图和原理图表达出来。经过对各方案的比较和筛选，从几个可行方案中优选出一个功能满足要求、工作原理可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。 4、技术设计 在既定设计方案的基础上，完成产品的总体设计、部件设计、零件设计。将设计结果以工程图样及计算说明书形式确定下来。 5、制造加工及试验 经过加工制造、样机试验或生产现场试用，将加工、试验过程中发现的问题反馈给设计人员，作为进一步修改的依据。,上述设计过程如图l1所示。由图中产品设计工作流程可见，产品设计是多次“设计评价再设计(修改)”的反复过程，它是以满足社会客观需求及提高社会

9、生产力为目标的一种创造性劳动。 设计工作是新产品研制的第一道工序，设计工作的质量和水平，直接关系到产品质量、性能、研制周期和技术经济效益。因此，在商品竞争剧烈的市场经济条件下，使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化是十分必要的。应用计算机辅助设计就是实现设计现代化的重要途径之一。,二、CAD的基本概念 计算机辅助设计是指应用计算机系统，协助工程技术人员完成产品设计过程中各阶段的工作。 在方案设计及技术设计阶段，CAD应用尤为广泛。 计算机辅助设计系统则是指进行CAD作业时，所需的硬件及软件两大部分集合。 一个完整 CAD系统的硬件部分应包括主机、图形输入设备、图形显示器及自动绘图仪。它区别

10、于一般事务处理计算机系统之处，主要在于CAD系统具有较强的图形处理能力。,在计算机辅助设计工作中，计算机的任务实质上是进行大量的信息加工、管理和交换。 也就是在设计人员初步构思、判断、决策的基础上，由计算机对数据库中大量设计资料进行检索，根据设计要求进行计算、分析及优化，将初步设计结果显示在图形显示器上，以人机交互方式反复加以修改。经设计人员确认之后，在自动绘图机及打印机上输出设计结果。上述CAD作业过程如图l2所示。由此可见，CAD工作内容主要有以下三个方面。 1、建立产品设计数据库 产品设计数据库是用来存储设计某类产品时所需的各种信息，如有关标准、线图、表格、计算公式等。数据库可供 CAD

11、作业时检索或调用，也便于数据的管理及数据资源的共享。,2、建立多功能交互式图形程序库 利用图形程序库可以进行二维及三维图形的信息处理。能在此基础上绘制工程设计图样，建立标准零、部件图形库等图形处理工作。 3、建立应用程序库 汇集解决某一类工程设计问题的通用及专用设计程序，如通用数学方法计算程序、常规机械设计程序、优化设计程序、有限元方法计算程序等。 在建立了上述产品设计数据库、图形程序库、应用程序库的基础上，就能开展以下CAD工作。,向CAD系统输入设计要求，以及根据设计要求建立产品模型。包括几何模型和诸如材料处理、制造精度等非几何模型，并存于数据库中。 利用应用程序库中已编制的各种应用程序，

12、进行设计计算及优化设计，确定设计方案及产品零部件的主要参数。 运用交互式图形程序库，以人机交互作业方式对初步设计的图形进行实时修改，最后由设计人员确认设计结果。 利用图形处理和动画技术，对产品模型进行图形仿真，为评估设计方案提供逼真和至接的依据。 输出设计结果，其中包括设计计算数据、图样及文档等。,三、CAD的特点 CAD技术之所以取得如此迅猛的发展，是因为将CAD技术应用于工程实际可以获得很大的经济效益。下表是日本一个金属模具制造厂在进行某项产品生产时，引入CAD前后所花时间对比。,根据统计资料表明，CAD可以使机械产品的设计周期缩短6580%，工艺周期缩短8090%，降低基建费用1030%

13、，改善经济技术指标1025%。 经过多年的实践，证明 CAD有以下优点： 提高设计效率，缩短设计周期。采用CAD，能明显地减少设计计算、图纸绘制和资料检索的时间，大大提高设计速度，加速了设计过程，使新产品能早日投入市场。 提高设计质量。常规设计中，为了减少计算量，计算的精度受到限制，有些错误常常很难在设计阶段发现。但在CAD中，数学模型一般都比较准确，计算精度大大提高，而且可以进行优化设计、有限元分析等计算，使设计结果准确可靠，在设为阶段就可以预估产品的性能。同时，由于设计人员摆脱了繁重、简单、重复的劳动，从而能集中精力发挥创造性思维，设计出高质量的产品。,各部门信息交流迅速、可靠。在常规设计

14、中，设计是通过图纸作为媒体来传播的，由于图纸的设计、绘制、存储和传递需要花费较多的时间，影响了各部门信息的交流。在CAD系统中，信息可以通过电子文档来存储和传递，因此信息的交流快捷而可靠。同时，随着CAD/CAM技术的发展，CAD的信息可以直接转化成CAPP和CAM所需的信息，为实现计算机集成制造打下基础。 设计与分析工作模式的统一。CAD系统中集成了许多设计分析程序，设计人员可通过实时交互操作，对产品不断进行设计和分析，从而得到最佳设计结果。 有利于产品标准化、系列化、通用化。设计人员可以利用CAD系统建立标准图及标准设计库，也可以修改原有产品设计中的参数得到新的设计结果。由于可以充分利用以

15、前的设计结果，CAD系统在标准化、系列化、通用化方面有突出的优势。,虽然采用CAD技术有如此众多的优点，但是使用不当也会给企业带来一定的风险。这主要体现在以下两个方面。 企业初始投资大。CAD系统的投资包括硬件、软件、培训和二次开发等方面，由于硬件外的投资比较大，短期内又不容易看到成果，因此许多企业有畏难情绪。 对人员素质要求高。由于CAD技术难度大，故对使用人员的基础知识要求高；有时使用人员还有抵触情绪，给培训工作带来困难。另外，为了满足企业需要，对购买的商用系统或多或少要做一些二次开发工作，这也向使用和开发人员提出了更高的要求。,1.3 现代CAD系统提供的辅助功能 现代CAD系统为机械设

16、计和制造提供了丰富的功能，从产品概念设计、详细设计、分析、加工到工程管理，提供了全方位的解决方案和辅助手段，用于产品生产的各个方面。下面介绍一些主要功能。 一、轮廓的参数化设计 参数化的轮廓及路径的设计方法被称为草绘。所生成的轮廓和路径一般用于零件的实体造型。零件的大部分尺寸是在草绘的过程中产生的，这些尺寸在产品设计的各个阶段都能修改。 二、零件造型 零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。设计人员可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。,三、曲面造型 日常生活用品现在越来越注重人性化的外观设计。在飞机、汽车、轮船的外形设计中则必须提供具有良好的流体动力学特性的曲面，以改善其

17、运动性能。曲面造型提供了在计算机中生成、编辑自由曲线和曲面方法，比采用石膏造型更快速、更精确、效果更好。曲面造型完成以后可以直接送到零件造型模块中进行零件设计，也可以送到分析系统中分析其流体动力特性。曲面造型有时也可以在设计完成后和在产品出厂前产生工产品宣传使用的仿真图片（效果图）。 四、装配造型 装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配。通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布的爆炸图。对于复杂的产品，装配造型可提供多样的方法提高造型的效率。装配造型还提供了完善的系列化

18、产品的设计方法，如通过更换部分零件来改变一种产品类型。,五、工程图生成 大型CAD系统均提供了很强的生成工程图的能力，其目的是生成符合标准的工程图纸。同样是生成工程图纸，计算机辅助设计的工程图生成方法与计算机辅助绘图有很大的差异。 六、数据交换功能 数据交换功能提供与其他设计自动化系统之间的各种标准数据交换。其主要交换标准有IGES,SET,STEP,DXF等。交换内容包括二维图形、三维模型、三维线框模型、三维曲面模型、任意形状曲面、光栅图像、特征、表面和公差信息等。数据交换使得利用不同CAD系统的优势共同协作完成同一产品的开发成为可能。 七、二次开发 二次开发是CAD系统向用户提供的开发工具

19、。由于机械产品的用途多种多样，任何强大的CAD系统都不可能向用户提供各种具体产品的完善的解决方案。提供二次开发工具的目的是让用户将自己或者第三方编写的程序集成到CAD系统中。,八、标准件库 大多数CAD系统均提供通用标准零件和特征的扩展库。用户可以很方便地选取标准特征或零件，并将他们组合进零件或部件的设计中。 九、有限元前处理 十、有限元后处理 有限元后处理提供了对有限元分析结果的直观显示和输出能力。 十一、注塑模具设计 随着工程塑料的推广应用，注塑模具的设计也越来越多。目前工程上要求模具的设计周期越来越短，这就必须借助注塑模具设计软件。系统根据注塑零件模型能自动生成模具型腔，协助确定分型面的

20、位置，选择模架，确定浇口、浇道的合理位置，根据不同材料的收缩率补偿修改注塑零件的实体模型，模拟注塑过程，确定合理的注射工艺参数，分析零件的冷凝线和融合线，提高注塑件的质量。,十二、数控加工 数控加工功能用于产生加工工序规划、刀路轨迹并能根据加工工序做出时间及成本估计。数控加工能将加工工序规划与设计造型连接起来，任何设计上的修改动能将已做过的生产上的程序和加工过程自动更新，而无须用户专门修正。用户可以采用参数化的方法定义数控刀具路径，进一步对这些信息做后期处理，产生驱动NC设备所需的数控编码。 常用的数控加工方式有铣削加工、车削加工、线切割、电火花加工、分步冲裁、钻床加工等。 十三、加工过程仿真

21、 加工过程仿真提供图像界面，对铣削加工及钻床加工操作所产生的物料做模拟清除。 十四、钣金设计 钣金件是采用特殊的加工方法加工而成的。 十五、电缆设计 电缆设计模块提供电缆布线设计功能。,1.4 CAD的推广和应用 CAD技术是先进制造技术的重要组成部分，是计算机在工程技术领域中最有影响的应用技术之一，曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。CAD技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志，在一定程度上反映出一个国家的综合实力。 企业中引入CAD技术是提高产品和工程设计技术水平的一项重大措施。现今社会中市场竞争日趋白热化，企业要想在激烈的市场竞争中立于不败之地

22、，就必须加快新产品投向市场的步伐，缩短产品开发周期，提高产品设计质量，降低生产成本，提高管理水平，而CAD技术的应用正适应了这一要求，可以推动企业快速发展。,在企业中应用CAD系统，首先是为了改变传统的设计、生产、管理模式，建立一种新的设计、生产、营销管理体制，最终将企业的人力、物力、财力等资源用计算机来统一管理，从而科学决策，提高效益。CAD技术是企业争夺市场份额和生存发展的不可缺少的手段。现在国际上的重大工程都实行招标方式，如果没有利用CAD系统绘制的工程总体设计方案和相应的投标文档，连投标的资格都没有。可以说CAD技术已成为企业进入世界市场的“入场券”。 我国CAD技术的引入大约是在60

23、年代，起步较晚，但最近几年的发展较为迅速，在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入了使用阶段，在许多其他领域也进入了试用时期。,在我国，通过“七五”和“八五”期间坚持不懈地科技攻关，特别是机械行业从1995年以来，相继开展的“CAD应用1215工程”和“CAD应用1550工程”，使我国CAD技术在理论与算法研究、硬件设备生产、支撑软件的开发与商品化，专业应用软件系统的研制与应用，以及在人才培养与技术普及等方面均取得了丰硕的成果。 我国各企业CAD技术应用水平参差不齐，对于中、小企业CAD技术应用水平是建立以“甩掉图板”为目标的计算机辅助绘图与设计系统，应用国外或国内开发的一些计算机绘图软件

24、，用计算机绘图来代替传统手工绘图，这是低层次的CAD技术应用。,部分企业在实现了“甩图板”工程之后，为了能利用CAD技术获取更大的经济效益，建立以资源共享、权限控制为目标的产品信息管理系统。除了要“甩图板”，还要“甩图纸”，甩掉纸介质的图纸文档，并且在企业中实现设计生产和管理信息的集成。 一些大型企业具有相当实力，CAD技术应用水平一般较高，引进了先进的计算机辅助设计、分析、模拟仿真、加工集成系统。建立全局产品模型，实现无纸化设计、加工。 我国企业CAD技术应用水平最高层次则是以控制产品生命周期为目标的并行工程。并行工程的基本要素是优化设计，并且从产品性能设计、产品制造工艺性设计、产品可检测性

25、设计、产品可维护性设计以及产品依从性设计入手进行优化，加速新产品的开发周期。,1.5 CAD未来的发展方向 从总体上讲，CAD技术的发展趋势是参数化、智能化、三维化、集成化、网络化和标准化。 一、参数化 设计参数化是CAD系统十几年来所追求的目标。参数化能够极大地提高机械设计效率。通过尺寸驱动既能为用户提供设计对象的直观、准确的反馈，又能随时对设计对象加以更改，同时减少设计中的疏忽。在先进的CAD软件中，设计过程中所涉及到的所有参数都可以当作变量，可以建立相互间的约束和关系式，增加程序逻辑。这些变量间的关系可以跨越CAD软件的不同模块，从而实现设计数据的全相关。参数化是实现机械设计自动化的前提

26、和基础，参数化设计的前途不可限量。,二、智能化 现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操作逐渐由计算机智能化地进行处理。在图形的绘制方面，很多系统增加了智能导引的机制。系统始终猜测用户的设计意图，并根据当时的设计环境提供不同的人机交互工具，使用户感觉非常顺手。 人工智能是计算机几大功能之一，将人工智能引入CAD系统，使其具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，以及智能化的视觉、听觉、语言的处理能力，从而达到设计自动化的目的。,三、三维化 目前在CAD技术应用中，二维绘图软件的使用相当普遍，原因之一是由于工程设计上传统的绘图习惯，但传统的东西未必就是合理的。从设计

27、的观点来看，人们头脑中所构思的设计对象是三维物体，因此，直接用三维实体形式来描述设计对象是最直观、方便省力的设计方式。过去由于计算机技术的限制，直接使用三维实体模型很困难，不得不使用二维绘图软件。二维图形表示三维物体有很多局限性，由于二维CAD仅提供了产品零件的线框信息而没有面、体、材料的概念。因而不一定能准确反映现实实际，经常发生错误、碰撞和二义性。随着三维图形技术的发展，促进了三维CAD技术的应用步伐。,在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意图。并能做到在产品的设计、计算分析、制造等各个环节上实现数据共享。在三维模型的基础上可以进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级的计算机辅助设计工作。 例如，美国波音777客机的设计、制造、装配、实验，已经全面使用了三维CAD技术，实现了百分之百的数字化和无纸化设计，研制周期缩短到4年左右。随着计算机软硬件技术的发展，二维绘图将很快被三维实体造型所代替。,四、集成化 集成就是向企业提供一体化的解决方案。集成的出发点是企业中各个环节是不可分割的，必须统一考虑。随着技术的发展，计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制造、计算机辅助工艺编制将逐步在企业中得到推广和应用。由于