計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（第二版）課件第1章CAD概述

第1章CAD概論

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1.1CAD的內(nèi)涵、功能和任務(wù)

1．定義：CAD是ComputerAidedDesign(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))的簡(jiǎn)稱。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是將人和計(jì)算機(jī)的最佳特性結(jié)合起來，輔助進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析的一種技術(shù)，是綜合了計(jì)算機(jī)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。

2．CAD的功能：工程設(shè)計(jì)的過程包括設(shè)計(jì)需求分析、概念設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)建模、設(shè)計(jì)分析、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)表示，CAD的功能就是在工程設(shè)計(jì)的過程中起相應(yīng)的作用，如圖1-1所示。

圖1-1CAD系統(tǒng)的功能

(1)信息提供：CAD系統(tǒng)一般都有圖形庫和數(shù)據(jù)庫，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)與其它大型信息庫相連，因此，在設(shè)計(jì)需求分析階段，設(shè)計(jì)師可以借助CAD系統(tǒng)查詢所需的市場(chǎng)需求信息和各種與該產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造有關(guān)的技術(shù)信息，從而對(duì)產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)性和制造要求等方面的可行性作出科學(xué)的估計(jì)。

(2)決策支持系統(tǒng)：在概念設(shè)計(jì)過程中，需要用到專家的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及創(chuàng)造性思維，應(yīng)用人工智能中的專家系統(tǒng)技術(shù)而建立的決策支持系統(tǒng)，可以很好地解決結(jié)構(gòu)方案選擇等概念設(shè)計(jì)問題。

(3)幾何造型：幾何造型是用計(jì)算機(jī)及其圖形系統(tǒng)描述物體形狀，模擬物體動(dòng)態(tài)處理過程的一種技術(shù)。這種技術(shù)的采用，可以使設(shè)計(jì)師的感覺、空間想象能力和表現(xiàn)能力都得到延伸。

(4)工程分析：工程分析技術(shù)是CAD的基礎(chǔ)技術(shù)，它包括有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、可靠性設(shè)計(jì)方法、物理特性計(jì)算（如體積、慣性矩等）、機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、計(jì)算機(jī)模擬仿真等。

(5)評(píng)價(jià)決策：對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，判斷其設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)的要求，若不滿足設(shè)計(jì)要求，則須進(jìn)行相應(yīng)的修改或進(jìn)行再設(shè)計(jì)，直到滿足設(shè)計(jì)要求為至。

(6)圖形和文字處理：利用圖形支撐軟件繪制工程圖，將圖形文件通過繪圖機(jī)輸出。利用文字編輯排版軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)文檔制作，如工藝指導(dǎo)文件、設(shè)計(jì)說明書和產(chǎn)品說明書等。

3．CAD技術(shù)的優(yōu)越性：

(1)可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用。

(2)為產(chǎn)品最優(yōu)設(shè)計(jì)提供了有效途徑和可靠保證。

(3)便于修改設(shè)計(jì)。

(4)利于設(shè)計(jì)工作的規(guī)范化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。

(5)可為計(jì)算機(jī)輔助制造和檢測(cè)（CAM，CAT）提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

(6)有利于設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性的充分發(fā)揮。

利用CAD的目的就是實(shí)現(xiàn)某種程度的設(shè)計(jì)自動(dòng)化，縮設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。CAD技術(shù)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的，美國(guó)科學(xué)院工程技術(shù)委員會(huì)對(duì)1986年的統(tǒng)計(jì)分析是：（1）降低工程設(shè)計(jì)成本13%~30%；（2）減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的時(shí)間30%~60%；（3）產(chǎn)品質(zhì)量的量級(jí)提高2~5倍；（4）減少加工過程30%~60%；（5）降低人力成本5%~20%；（6）增加產(chǎn)品作業(yè)生產(chǎn)率40%~70%；（7）增加設(shè)備的生產(chǎn)率2~3倍；（8）增加工程師分析問題的廣度和深度的能力3~35倍4．CAD的主要任務(wù)：

(1)完成設(shè)計(jì)信息的計(jì)算機(jī)存貯和管理。

(2)開發(fā)工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序。

(3)建立一個(gè)專用圖形系統(tǒng)或利用一個(gè)通用圖形系統(tǒng)，完成產(chǎn)品造型和工程圖繪制等任務(wù)。

(4)將工程數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序以及圖形系統(tǒng)等部分有機(jī)地組成為一個(gè)完整的CAD系統(tǒng)，以適應(yīng)反復(fù)建立模型、評(píng)價(jià)模型和修改模型這種設(shè)計(jì)過程的需要。

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1.2CAD技術(shù)的發(fā)展

1．發(fā)展歷程：

60年代是CAD發(fā)展的起步時(shí)期。1962年美國(guó)學(xué)者IvanSutherland研制出了名為Sketchpad的系統(tǒng)，這是一個(gè)交互式圖形系統(tǒng)，能在屏幕上進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)與修改。從此掀起了大規(guī)模研究計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的熱潮，并開始出現(xiàn)CAD這一術(shù)語。

70年代，CAD技術(shù)進(jìn)入廣泛使用時(shí)期。到70年代后期，CAD技術(shù)在許多工業(yè)領(lǐng)域都得到了實(shí)際應(yīng)用。

80年代，CAD技術(shù)進(jìn)入突飛猛進(jìn)時(shí)期。

90年代，CAD技術(shù)的發(fā)展更趨成熟。

2．發(fā)展趨勢(shì)：

未來CAD技術(shù)的發(fā)展將趨向集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化。(1)集成化。為適應(yīng)設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的要求，特別是適應(yīng)CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的要求，進(jìn)一步提高CAD的集成化水平是CAD技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。將CAD、CAM、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝編程）、NCP（數(shù)控編程）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)）、PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）集成為CAE（ComputerAidedEngineering，計(jì)算機(jī)輔助工程），使設(shè)計(jì)、制造、工藝、數(shù)控編程、數(shù)據(jù)管理和測(cè)試工作一體化。

(2)智能化。傳統(tǒng)的CAD技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中主要用于計(jì)算分析和圖形處理等方面，對(duì)于概念設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策及參數(shù)選擇等問題的處理卻頗為困難，因?yàn)檫@些問題的解決需要專家的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造性思維。因此將人工智能的原理和方法，特別是專家系統(tǒng)的技術(shù)，與傳統(tǒng)CAD技術(shù)結(jié)合起來，形成智能化CAD系統(tǒng)是工程CAD發(fā)展的必然趨勢(shì)。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化問題越來越顯示出其重要性。迄今已制定了許多標(biāo)準(zhǔn)，例如：計(jì)算機(jī)圖形接口CGI（computergraphics）、計(jì)算機(jī)圖形文件標(biāo)準(zhǔn)CGM（computergraphicsmetafile）、基于圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范IGES（initialgraphicsexchangespecification）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范STEP（standardfortheexchangeofproductmodeldata）等。

(4)網(wǎng)絡(luò)化。協(xié)同設(shè)計(jì)需要多學(xué)科專家的協(xié)同工作，而實(shí)現(xiàn)這一協(xié)作的基礎(chǔ)就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成員在設(shè)計(jì)過程中方便地進(jìn)行信息交流，而信息交換的方式可以是電子郵件和視頻會(huì)議系統(tǒng)等。

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1.3CAD技術(shù)的應(yīng)用

§1.3.1電子工業(yè)

現(xiàn)在CAD技術(shù)在電子工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到高度集成化，即集設(shè)計(jì)、制造和分析于一體的CAD/CAM/CAE集成系統(tǒng)，能完成設(shè)計(jì)圖紙輸入、設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析、數(shù)控加工程序的自動(dòng)生成和自動(dòng)測(cè)試等一系列工作。

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1.3CAD技術(shù)的應(yīng)用

§1.3.2機(jī)械工業(yè)

1.機(jī)械設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶要求確定產(chǎn)品應(yīng)該具備的功能，構(gòu)想出產(chǎn)品的工作原理、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞、結(jié)構(gòu)形狀、以及所用材料等事項(xiàng)，并轉(zhuǎn)化為具體的描述，如圖紙和設(shè)計(jì)文件等，以此作為制造、安裝、檢驗(yàn)的依據(jù)。機(jī)械設(shè)計(jì)是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、裝配、銷售和生命周期的第一個(gè)和最重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)楫a(chǎn)品的成本

75%在設(shè)計(jì)階段決定的，產(chǎn)品的性能80%是在設(shè)計(jì)階段決定的。機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)“設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過程。

2.機(jī)械CAD設(shè)計(jì)方法機(jī)械CAD就是在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域采用CAD設(shè)計(jì)方法。機(jī)械設(shè)計(jì)CAD是CAD技術(shù)應(yīng)用重要領(lǐng)域。

3.機(jī)械CAD的工作方式

CAD技術(shù)的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程，改變了人們的思維方式，工作方式和生產(chǎn)管理方式。原因是載體發(fā)生了變化，已不再是圖紙了。CAD工作方式體現(xiàn)在：①并行設(shè)計(jì)。進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各部門，可平行地進(jìn)行各自地工作，同時(shí)，還可共享到他人的信息，從網(wǎng)絡(luò)上獲得產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)形狀和尺寸、各部門的設(shè)計(jì)結(jié)果、分析計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，并能對(duì)共同感興趣的進(jìn)行討論和協(xié)調(diào)。在設(shè)計(jì)中，這種協(xié)調(diào)是必不可少的。

②在設(shè)計(jì)階段就可模擬零件加工裝配，以及早發(fā)現(xiàn)加工工藝性方面的問題，甚至運(yùn)動(dòng)部件的相碰、相干涉的問題。③在設(shè)計(jì)階段可以進(jìn)行性能仿真，這將大幅度地減少試驗(yàn)工作量和費(fèi)用。

CAD技術(shù)在機(jī)械工業(yè)中的主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：

(1)二維繪圖。

(2)圖形及符號(hào)庫。

(3)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

(4)三維造型。

(5)工程分析。

(6)生成設(shè)計(jì)文檔及報(bào)表。

§1.3.3

建筑工業(yè)

CAD技術(shù)在建筑領(lǐng)域也得到了充分的應(yīng)用，目前的建筑CAD系統(tǒng)可以在圖形顯示屏幕上構(gòu)畫建筑物的三維模型，進(jìn)行建筑外形、周圍環(huán)境、場(chǎng)地規(guī)劃、日照效應(yīng)等的設(shè)計(jì)，同時(shí)還可完成建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)部的平面布置設(shè)計(jì)以