計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)CAD技術(shù)概述

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)電工程學(xué)院張海軍博士選用教材童秉樞(第3版)等.機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造.高等教育出版社.先修課程課程介紹

計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)

C語言程序設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助工程分析第七章計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)第八章計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程主要內(nèi)容

第九章計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)技術(shù)第十章計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理與運(yùn)行控制第十一章CAD/CAM系統(tǒng)集成第1章CAD/CAM概論1.0機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)談起1.0.1機(jī)械設(shè)計(jì)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(yùn)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(xiàng)，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(jī)械設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(jì)在整個生產(chǎn)周期中所占的比重設(shè)計(jì)開發(fā)制造時間百分比（%)開發(fā)設(shè)計(jì)工作的重要性開發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)準(zhǔn)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(jì)生產(chǎn)準(zhǔn)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(jī)械設(shè)計(jì)過程概念設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)可大致分成概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。

概念設(shè)計(jì)：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(jì)：對概念設(shè)計(jì)輸出的結(jié)果進(jìn)行方案分析比較，修正概念模型。詳細(xì)設(shè)計(jì)：這是產(chǎn)品的真正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。由概念模型和分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對詳細(xì)設(shè)計(jì)起著重要的指導(dǎo)作用，同時詳細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)果也要進(jìn)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(xì)設(shè)計(jì)手段。

機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)歷了制造加工、樣機(jī)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(jìn)行不斷修改。

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

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

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

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是一種用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析和文檔制作等設(shè)計(jì)活動。簡單地講，CAD是工程技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目的。性質(zhì)：它是一種新的設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)在于：（1）人機(jī)各盡所長；（2）人機(jī)交互結(jié)合；（3）最佳設(shè)計(jì)效率。

CAD技術(shù)的主要作用如下:

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

任何設(shè)計(jì)都表現(xiàn)為一種過程，每個過程都由一系列設(shè)計(jì)活動組成；活動間既有串行的設(shè)計(jì)活動，也有并行的設(shè)計(jì)活動；設(shè)計(jì)過程中的大多數(shù)活動可以用CAD實(shí)現(xiàn)，但并不絕對；將設(shè)計(jì)過程中能用CAD技術(shù)實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)過程的延伸，計(jì)算機(jī)會對它們進(jìn)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(jì)參數(shù)計(jì)算；面積、體積、慣性矩等物理特性計(jì)算；強(qiáng)度、剛度、壽命等校核計(jì)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(jì)算。3.圖形處理包括二維繪圖、三維實(shí)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(jì)對象的動態(tài)工作過程。如模擬執(zhí)行部件的運(yùn)動軌跡；機(jī)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(jì)算機(jī)繪圖,這種說法對嗎？？？xCAD、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)繪圖：是使用圖形軟件和計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)：是研究通過計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(dú)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(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)學(xué)科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計(jì)算機(jī)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(xiàng)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(jī)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(jī)是世界上第一架實(shí)現(xiàn)無紙?jiān)O(shè)計(jì)與制造的飛機(jī)。在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：如建筑設(shè)計(jì)CAD、電子沙盤；機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)主要部門的科研、設(shè)計(jì)單位和企業(yè)中全面普及推廣CAD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)‘甩掉圖板’（指傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)械制造業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)70%以上；工程設(shè)計(jì)行業(yè)CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)100%。CAD技術(shù)在我國工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一些應(yīng)用實(shí)例：（1）沈陽變壓器廠用CAD技術(shù)輸出三峽工程項(xiàng)目三維彩色產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖和計(jì)算機(jī)分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標(biāo)項(xiàng)目。（2）瀘東造船廠應(yīng)用CAD技術(shù)后，生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備周期縮短1/3以上，造船的設(shè)計(jì)開發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設(shè)計(jì)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(jì)方案自動校驗(yàn)，共查出6處隱藏在圖紙中的錯誤，當(dāng)即進(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)例圖示1.1.4CAD技術(shù)發(fā)展歷程

CAD技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)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(zhǔn)備和誕生時期（20世紀(jì)50~60年代）電子管計(jì)算機(jī)

1950MIT能夠顯示簡單圖形的圖形顯示器

1958Calcomp滾筒式繪圖機(jī)

20世紀(jì)50年代末SAGE戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)

（2）蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用的時期（20世紀(jì)60年代）

1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備價格昂貴，技術(shù)復(fù)雜。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，如Coons曲面。（3）廣泛應(yīng)用時期（20世紀(jì)70年代）集成電路用于計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)平臺的性能大為提高。出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)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(shí)與提高。（4）飛速發(fā)展時期（20世紀(jì)80年代）出現(xiàn)了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機(jī)進(jìn)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(jì)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(zhǔn)化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系統(tǒng)。集成化。科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造。20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)應(yīng)用于機(jī)械制造

20世紀(jì)60年代CAD系統(tǒng)產(chǎn)生（sketch-pad系統(tǒng)）20世紀(jì)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(jì)80年代CAD/CAM/CAE的集成

20世紀(jì)90年代CAD向著集成化、網(wǎng)絡(luò)