計算機輔助設(shè)計技術(shù)CAD技術(shù)概述

計算機輔助設(shè)計技術(shù)機電工程學(xué)院張海軍博士選用教材童秉樞(第3版)等.機械CAD技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社.2008課程介紹參考書目姚英學(xué)

等.計算機輔助設(shè)計與制造.高等教育出版社.先修課程課程介紹

計算機文化基礎(chǔ)

C語言程序設(shè)計主要內(nèi)容

第一章CAD/CAM概論第二章CAD/CAM系統(tǒng)第三章CAD/CAM軟件開發(fā)基礎(chǔ)第四章圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)第五章建模技術(shù)第六章計算機輔助工程分析第七章計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計第八章計算機輔助數(shù)控加工編程主要內(nèi)容

第九章計算機輔助質(zhì)量系統(tǒng)技術(shù)第十章計算機輔助生產(chǎn)管理與運行控制第十一章CAD/CAM系統(tǒng)集成第1章CAD/CAM概論1.0機械設(shè)計概述1.1CAD技術(shù)內(nèi)涵1.2

CAD技術(shù)的應(yīng)用1.3CAD技術(shù)的發(fā)展歷程

1.0引言——從機械設(shè)計談起1.0.1機械設(shè)計概念

根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應(yīng)該具備的功能，構(gòu)想出產(chǎn)品的工作原理、運動方式、力和能量的傳遞、結(jié)構(gòu)形狀以及所用材料等事項，并轉(zhuǎn)換為具體的描述（圖紙，文件等），以此作為制造的基礎(chǔ)。

機械設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配、銷售和使用整個生命周期中的第一個環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。

設(shè)計在整個生產(chǎn)周期中所占的比重設(shè)計開發(fā)制造時間百分比（%)開發(fā)設(shè)計工作的重要性開發(fā)設(shè)計生產(chǎn)準備與加工原材料與外購件的采購管理和銷售010203040506070開發(fā)設(shè)計生產(chǎn)準備與加工原材料與外購件的采購管理和銷售對成本的影響所需的工時成本1.0.2機械設(shè)計過程概念設(shè)計初步設(shè)計詳細設(shè)計

機械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計可大致分成概念設(shè)計、初步設(shè)計、詳細設(shè)計階段。

概念設(shè)計：根據(jù)市場需求確定新產(chǎn)品的功能，給出新產(chǎn)品的概念性分析模型或草圖。

初步設(shè)計：對概念設(shè)計輸出的結(jié)果進行方案分析比較，修正概念模型。詳細設(shè)計：這是產(chǎn)品的真正結(jié)構(gòu)設(shè)計階段。由概念模型和分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對詳細設(shè)計起著重要的指導(dǎo)作用，同時詳細設(shè)計的結(jié)果也要進行必要的分析，并適時根據(jù)需要修改模型。目前的CAD系統(tǒng)大都提供詳細設(shè)計手段。

機械產(chǎn)品在經(jīng)歷了制造加工、樣機測試、批量生產(chǎn)以及銷售使用后，將返回大量信息，要依據(jù)這些信息再對產(chǎn)品進行不斷修改。

機械設(shè)計是一個“設(shè)計－－評價－－再設(shè)計”的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過程。在人工設(shè)計情況下，設(shè)計周期很長。

1.0.3CAD產(chǎn)生的背景實現(xiàn)某種程度的自動化；縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品競爭力降低設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量。1.1CAD技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展概況1.1.1計算機輔助設(shè)計(CAD)的概念

CAD是工程技術(shù)人員與計算機相結(jié)合、各盡所長、應(yīng)用多學(xué)科的方法綜合有效地進行問題求解的先進信息處理技術(shù)。它把人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計算機的高速運算、信息存儲等功能有機結(jié)合起來，從而達到縮短工程產(chǎn)品設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量的目的。

計算機輔助設(shè)計是一種用計算機硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進行設(shè)計的方法與技術(shù)，包括設(shè)計、繪圖、工程分析和文檔制作等設(shè)計活動。簡單地講，CAD是工程技術(shù)人員利用計算機達到最佳的設(shè)計目的。性質(zhì)：它是一種新的設(shè)計方法，也是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新技術(shù)。CAD概念的實質(zhì)在于：（1）人機各盡所長；（2）人機交互結(jié)合；（3）最佳設(shè)計效率。

CAD技術(shù)的主要作用如下:

（1）提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。（2）能夠充分發(fā)揮設(shè)計人員創(chuàng)造性。（3）縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。CAD過程：

任何設(shè)計都表現(xiàn)為一種過程，每個過程都由一系列設(shè)計活動組成；活動間既有串行的設(shè)計活動，也有并行的設(shè)計活動；設(shè)計過程中的大多數(shù)活動可以用CAD實現(xiàn)，但并不絕對；將設(shè)計過程中能用CAD技術(shù)實現(xiàn)的活動集合在一起就構(gòu)成了CAD過程。CAD系統(tǒng)在設(shè)計中承擔(dān)的主要工作有數(shù)據(jù)處理、工程分析、圖形處理與動畫仿真等1.數(shù)據(jù)處理

在設(shè)計過程中會產(chǎn)生大量信息，這些信息包括數(shù)字、字符、符號和圖形等，隨著設(shè)計過程的延伸，計算機會對它們進行存儲、轉(zhuǎn)換、傳遞等處理。

2.工程分析

工程分析包括設(shè)計參數(shù)計算；面積、體積、慣性矩等物理特性計算；強度、剛度、壽命等校核計算；應(yīng)力場、變形、溫度場等有限元分析；結(jié)構(gòu)、參數(shù)的優(yōu)化計算。3.圖形處理包括二維繪圖、三維實體造型、圖像輸入輸出及識別等。4.動畫仿真利用圖形仿真方法模擬設(shè)計對象的動態(tài)工作過程。如模擬執(zhí)行部件的運動軌跡；機器人動作仿真；裝配過程仿真；加工過程仿真。?提出問題提問：有人說CAD就是計算機繪圖,這種說法對嗎？？？xCAD、計算機繪圖、CG

三者的區(qū)別與聯(lián)系三者技術(shù)內(nèi)涵區(qū)別

計算機繪圖：是使用圖形軟件和計算機硬件進行繪圖及其有關(guān)標(biāo)注的一種方法和技術(shù)。它以擺脫繁重的手工繪圖為主要的目的。

計算機圖形學(xué)：是研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用的設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的科學(xué)。三者的聯(lián)系

計算機繪圖是CG中涉及工程圖形繪制的一個分支，它是一門工程技術(shù)。計算機繪圖不是CAD技術(shù)的全部內(nèi)涵，是CAD技術(shù)的基礎(chǔ)之一。CG是一門獨立的學(xué)科，它的有關(guān)圖形處理的理論與方法構(gòu)成了CAD技術(shù)的重要基礎(chǔ)。1.1.2CAD技術(shù)的重要應(yīng)用

CAD是計算機科學(xué)與工程設(shè)計學(xué)科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計算機在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一。CAD技術(shù)曾被美國國家工程科學(xué)院評為當(dāng)代十項最杰出的工程技術(shù)成就之一。無論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無論是建筑行業(yè)還是制造加工行業(yè)，無論是機械、電子、輕紡行業(yè)還是文體、影視廣告行業(yè)等都離不開CAD技術(shù)。CAD技術(shù)是企業(yè)界爭奪市場份額和生存發(fā)展不可缺少的手段。

在制造業(yè)中的應(yīng)用：如波音777飛機是世界上第一架實現(xiàn)無紙設(shè)計與制造的飛機。在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：如建筑設(shè)計CAD、電子沙盤；機械設(shè)計CAD等。仿真模擬和動畫制作：在電影制作中的成功應(yīng)用，如“未來世界”、“玩具總動員”、“侏羅記公園”等在輕工行業(yè)的應(yīng)用：如模具CAD和服裝CAD等。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：計算機輔助手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)模擬。在電子電路中的應(yīng)用：超大規(guī)模集成電路的設(shè)計制造。

我國科學(xué)技術(shù)部在CAD應(yīng)用工程2000年規(guī)劃綱要中指出：“到2000年，在國民經(jīng)濟主要部門的科研、設(shè)計單位和企業(yè)中全面普及推廣CAD技術(shù)，實現(xiàn)‘甩掉圖板’（指傳統(tǒng)設(shè)計中的描圖板），提高智能勞動效率，推廣我國CAD市場，扶持發(fā)展以CAD為突破口的我國自主創(chuàng)新的軟件產(chǎn)業(yè)，建立起我國的CAD產(chǎn)業(yè)”。到2000年，我國機械制造業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達70%以上；工程設(shè)計行業(yè)CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達100%。CAD技術(shù)在我國工程和產(chǎn)品設(shè)計的一些應(yīng)用實例：（1）沈陽變壓器廠用CAD技術(shù)輸出三峽工程項目三維彩色產(chǎn)品設(shè)計圖和計算機分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標(biāo)項目。（2）瀘東造船廠應(yīng)用CAD技術(shù)后，生產(chǎn)技術(shù)準備周期縮短1/3以上，造船的設(shè)計開發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設(shè)計院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對該廠原設(shè)計方案自動校驗，共查出6處隱藏在圖紙中的錯誤，當(dāng)即進行了修改。（4）寰球化工工程公司應(yīng)用CAD技術(shù)，在盤綿乙烯裝置工程中，進行碰撞檢測后，使95%以上的錯誤得以糾正，在總長20多萬米的管道設(shè)計中，施工結(jié)束后剩余鋼管不到10米。1.1.3CAD技術(shù)應(yīng)用實例圖示1.1.4CAD技術(shù)發(fā)展歷程

CAD技術(shù)隨著計算機及其外圍設(shè)備、圖形輸入輸出設(shè)備、軟件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。（1）準備和誕生時期（20世紀50~60年代）電子管計算機

1950MIT能夠顯示簡單圖形的圖形顯示器

1958Calcomp滾筒式繪圖機

20世紀50年代末SAGE戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)

（2）蓬勃發(fā)展和進入應(yīng)用的時期（20世紀60年代）

1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。計算機及圖形設(shè)備價格昂貴，技術(shù)復(fù)雜。計算機圖形學(xué)的發(fā)展，如Coons曲面。（3）廣泛應(yīng)用時期（20世紀70年代）集成電路用于計算機，使計算機平臺的性能大為提高。出現(xiàn)了以小型計算機為平臺的CAD系統(tǒng)。圖形設(shè)備相繼推出并完善。圖形軟件和CAD應(yīng)用支撐軟件不斷得到充實與提高。（4）飛速發(fā)展時期（20世紀80年代）出現(xiàn)了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機進入市場。推出了以UNIX系統(tǒng)支撐的SUN工作站。圖形軟件更加成熟。（5）日趨成熟的時期（20世紀90年代）出現(xiàn)基于PC平臺的價廉物美的CAD系統(tǒng)。

CAD系統(tǒng)的標(biāo)準化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系統(tǒng)。集成化?？茖W(xué)計算可視化、虛擬設(shè)計、虛擬制造。20世紀50年代計算機應(yīng)用于機械制造

20世紀60年代CAD系統(tǒng)產(chǎn)生（sketch-pad系統(tǒng)）20世紀70年代CAD單元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用（交鑰匙系統(tǒng)）

20世紀80年代CAD/CAM/CAE的集成

20世紀90年代CAD向著集成化、網(wǎng)絡(luò)