第1章计算机辅助设计概述

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；
1959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。
②利用应用程序库中已编制的各种应用程序，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。
③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。
④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直接的依据。
⑤输出设计结果，其中包括设计计算数据、图样及文 档等。
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。
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。
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 效的工程界。
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 。
③各部门信息交流迅速、可靠。在常规设计中，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。
在此期间，适用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。
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l—1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 社会生产力为目标的一种创造性劳动。
④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。
⑤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。
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l—2所示。 由此可见，CAD工作内容主要有以下三个方面。
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。
①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。
②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。
计算机辅助设计 （CAD）
华北电力大学机械工程系 花广如
复杂弹簧造型
构建该模型主要使用“从方程建立曲 线”、可变剖面扫描、扫描、关系式特 征等建模工具。
装饰罩模型
构建该模型使用拉伸、孔、阵列、环形 折弯等建模工具。
叶轮模型
使用边界混合、阵列等建模工具
紫色花模型
连接头零件模型
该模型主要使用旋转、拉伸、倒角、螺 旋扫描特征等建模工具
轮毂模型
手枪模型
轴承模型
机器人模型
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。
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 DAC1(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。
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。
②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，在设计阶段就 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。
1.3 现代CAD系统提供的辅助功能
现代CAD系统为机械设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。
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。
ห้องสมุดไป่ตู้
1963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10~15min内完成通常需要几周时 间才能完成的工作。
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。