机械CAD技术基础

我国制造业应用CAD技术的情 况分析
(4)基于企业信息化平台的CAD应用层次。
特点: 实现了CAD／CAE／CA PP等的CA x集成， 还实现了CA x／PDM／ERP的集成，达到了全 企业，甚至企业间的信息交换和共享。这一层 次是CAD技术的深化应用，是现阶段开展制造 业信息化工作的主要内容。
1.1 机械设计概述
机械设计过程: (1)概念设计。通过调查研究、资料收集， 仔细分析用户需求，在此基础上确定产 品功能，进而构思方案，进行分析与论 证，最后获得一组可行的原理性方案
1.1 机械设计概述
(2)初步设计。从一组可行的原理方案中选 一优化方案，绘制总布置草图，确定各 部件基本结构和形状，建立相应数学模 型，进行主要设计参数的分析计算与优 化.
CG是一门独立的学科，有自己丰富的技 术内涵，它的有关图形处理的理论与方 法构成了CAD技术的重要基础。 计算机绘图是CG中涉及工程图形绘制的 一个分支.可将它看成一门工程技术，它 是CAD技术的基础之一
设计过程与CAD过程的关系
1.3 CAD技术在我国制造业中的 应用情况
在我国2 0世纪9 O年代的“八五’’和 “九五’’计划期间，国家大力进行 CAD技术的推广应用，启动了CAD应用工 程。1 9 9 2年，CAD应用工程以“甩掉 图板’’为突破口，经过8年努力，CAD 的普及和推广工作取得了巨大成就，表 现在以下几个方面：
计算机图形学(CG)的内涵：
计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形， 并在专用设备上显示的原理、方法和技术的科学.
1．2 CAD技术的内涵
CG的研究内容有以下四个方面： (1)硬件。指图形输入设备、图形处理设备、图形 显示设备和图形绘制设备。， (2)图形软件设计。如二维绘图系统、三维造型系 统、动画制作系统、真实感图形生成系统等。 (3)图形处理的理论与方法。如几何元素和图形的 生成方法、实体表示理论与拼合算法、图形变 换、图形的消隐与裁剪、真实感图形生成等。
1.1 机械设计概述
(3)详细设计。确定设计对象的细部结构，最终 完成总布置图和零、部件图，并编写技术文件。 详细设计的终结并不意味着最终获得了一个 好的设计。机械产品在经历了制造加工、样机 测试、批量生产以及销售使用后，将返回大量 信息，要依据这些信息再对产品进行不断修改. 机械设计是一个“设计一评价一再设计”的 反复迭代、不断优化的过程，
1．5 CAD技术发展趋势
4．标准化 面向图形设备的标准CGI，面向用户的 GKS PHIGS CAD 图形标准GKS和PHIGS，面向不同CAD系统的 数据交换标准IGES和STEP，此外还有窗口标 准等。 STEP（Standard for the exchange of product model data）既是标准，又是方法学，由此构 成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模、数 据管理及接口技术等。
机械CAD技术基础 技术基础 机械
东北大学机械工程与自动化学院 现代设计与分析研究所
CAD技术概论
1.1 机械设计概述 机械设计: 就是根据使用要求确定产品应该具备 的功能，构想出产品的工作原理、运动 方式、力和能量的传递、结构形状以及 所用材料等事项，并转化为具体的描述， 例如图纸和设计文件等，以此作为制造 的依据。
CAD技术Fra Baidu bibliotek展简史
(5)20世纪90年代。CAD向集成化、网络 化、智能化和标准化方向发展， 随着世界市场的多变与激烈竞争，随 着各种先进设计理论和先进制造模式的 发展，随着高档微机、操作系统和编程 软件的发展，随着因特网的迅速发展， CAD技术正在经历着前所未有的发展机 遇与挑战.
1．5 CAD技术发展趋势
CAD技术发展简史
(2)2 O世纪6 O年代(CAD技术诞生)。这是交互 式计算机图形学发展的最重要时期。1 9 6 2年 美国学者I van Sutherland研究出了名为Sketch pad pad的系统，这是一个交互式图形系统，能在 屏幕上进行图形设计与修改，开始出现CAD这 一术语。其后，美国的一些公司推出了一些C AD系统，但由于当时刷新式图形显示器价格十 分昂贵，因此CA D系统很难普及与推广。6 O 年代后期，存储管式显示器以其低廉的价格进 入市场，降低了CAD系统的成本．促进了计算 机图形学和CAD技术的迅速发展。
习题
1联系一项具体的机械设计问题，阐明手工设计的设计 过程。 2·你认为应该怎样定义CAD?在CAD中人与计算机的作 用是什么? 3·举出一件你从事的CAD工作，画出解决这个问题的 CAD过程。 4·举出CAD发展史中若干重要事件。当今发展中有哪 些重要事件? 5·有些设计问题比其他设计更适合用CAD，为什么?这 些设计有什么特点? 6．企业采用CAD的好处与风险有哪些? 7．怎样理解CAD／CAM集成?如何提高集成水平? 8．CAD技术在智能化方面有哪些发展? 9．你认为CAD的发展方向有哪些?
从方法学角度看，CAD采用计算机工具 完成设计的全过程. 海量数据存储和高速数据 从技术角度看，CAD技术把产品的物理 模型转化为存储在计算机中的数字化模 型，从而为后续的工艺、制造、管理等 环节提供了共享的信息源。 ’
1．2 CAD技术的内涵
(1)图形处理技术。如二维交互图形技术、三维几 何造型技术及其他图形输入输出技术。 (2) (2)工程分析技术。如有限元分析、优化设计方法、 物理特性计算(如面积、体积、惯性矩等计算)、 模拟仿真以及各行各业中的工程分析等。 (3)数据管理与数据交换技术。如产品数据管理 (PDM)、数据库、异构系统间的数据交换和接 口等。 ’
CAD技术发展简史
(4)2 O世纪8 O年代。几何造型技术已经成 熟．并成为CAD系统的核心. 随着超级微型机和3 2位字长的工程工作站 迅速占领市场．各CAD厂商将原来在大型机和 小型机上的CA D／CA M系统纷纷向新的硬件 平台移植或重新开发。这一阶段C AD／C A M 系统的特点是：系统具有统一的数据结构和内 部的数据库；系统有较好的集成：特征建模及 二、三维参数化设计系统开始出现等。这一阶 段的应用特点是：从二维绘图发展为三维建模。 实现了C AD／CA E／C A M的集成，应用取得 了显著效益。
CAD技术在我国制造业中的表现
(1)CAD技术得到了应用和普及，并取得了 显著的增值效益。 (2)提高了企业的技术创新能力、产品开发 能力和市场竞争能力. (3)以应用和市场为导向，推动了国产CAD 软件产业化。
CAD技术在我国制造业中的表现
(4)建立了CAD人才培训网络，提高了企业应用 CAD技术的素质。 (5) (5)组建咨询服务体系，促进了CAD咨询服务业的 CAD 形成和发展。 (6)制定技术标准，加快了CAD应用工程向广度和 深度发展的步伐。先后发布了《CAD通用技术 规范》、《CAD文件管理》、《CAD电子文件 应用光盘存储归档与档案管理要求》等规范和 国家标准。
我国制造业应用CAD技术的 情况分析
(2)基于计算机辅助工程分析(CAE)进行产品性 能设计的应用层次。
特点:利用有限元分析、优化设计及其他工程分析工具使 形状结构设计与工程分析技术相结合，有效地提高了
产品的设计质量。 (3)基于产品数据管理(PDM)的CAD应用层次。
特点:基本实现了部门级的文档管理、产品结构管理与工 作流程管理，但与企业资源规划(ERP)系统的集成与信 息共享尚不完善，理想的产品配置还难以达到。
1．集成化
集成是指信息集成. CAD信息处于产品生命周期中信 息链的源头。为了提高系统的集成水平，CAD技术必须 在以下几个方面提高水平： (1)数字化产品建模。 (2)产品数据交换。 (3)产品数据管理。 (4)继续改进与开发各种CAx(CAD，CAE，CAPP…)以及 DFx(DFA，DFM，DFT…)并使它们有机地集成起来。
2 CAD系统
2．1 CAD系统的构成和配置形式 2．1．1 系统的基本组成 CAD系统的五个基本构成： 计算机主机、外存储器、图形输入设备、图形输出设备和 网络设备。 计算机主机包括中央处理器(CPU)和内存储器； 外存储器可分为硬盘类、软盘类、光盘类和磁带类存储器； 图形输入设备有键盘、鼠标、数字化仪、图形输入板、图 形扫描仪等； 图形输出设备有图形显示器、绘图机和打印机等； 网络设备包括网卡、传输介质、调制解调器等。
2
3
1．2 CAD技术的内涵
计算机辅助设计(computer aided design， CAD)是一种用计算机硬、软件系统辅助 人们对产品或工程进行设计的方法与技 术，包括设计、绘图、工程分析与文档 制作等设计活动，它是一种新的设计方 法，也是一门多学科综合应用的新技术。
1．2 CAD技术的内涵
1．2 CAD技术的内涵
近年来，CG向更深的方向发展，出现 了分布式图形处理、声像一体化、分数 维几何、虚拟现实、多媒体技术以及科 学计算可视化等高新理论与技术。 (4)实际应用中的图形处理问题。涉及广阔 的应用领域，如统计管理、测量、生物、 医学、药学、模拟与动画、美术、办公 自动化等
CG与CAD、计算机绘图关系
1．2 CAD技术的内涵
(4)文档处理技术。如文档制作、编辑及文 字处理等。 (5)界面开发技术。如图形用户界面、网络 用户界面、多通道多媒体智能用户界面 等。 ‘ (6)基于Web的网络应用和开发技术。
1．2 CAD技术的内涵
CAD与计算机绘图、计算机图形学的区别 计算机绘图的内涵:
计算机绘图是使用图形软件和计算机硬件进行绘图及 有关标注的一种方法和技术，它以摆脱繁重的手工绘图 为主要目标。
我国制造业应用CAD技术的 情况分析
我国制造业当前应用CAD技术的情况，大致 可分为以下四种不同的应用层次： (1) (1)基于计算机绘图、产品三维几何造型的应 用层次。
这个层次基本上属于“甩图板"层次，其特点是：提 高了绘图效率，部分产品设计采用了参数化、系列化、 模块化的方法，缩短了开发周期；采用了装配仿真等 手段，从一定程度上提高了产品的设计质量。
1．5 CAD技术发展趋势
3．智能化 人工智能技术，特别是专家系统技术，与 传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统 是机械CAD发展的必然趋势。 (1)发展新的设计理论与方法。例如并行设计的 理论、大规模定制设计的理论、概念设计的理 论、创新设计的理论等。 (2)继续深入研究机械设计型专家系统的一些基本 理论与技术问题。例如设计知识模型的表示与 建模、知识利用中的各种搜索与推理方法、知 识获取、工具系统的技术等。
CAD技术发展简史
(3)2 O世纪7 O年代。计算机交互图形技术和 三维几何造型技术(线框、曲面和实体模型)为 CAD技术的发展奠定了基础。基于大型机的商 用CA D／C A M系统开始面市。此外基于小型 机的所谓交钥匙系统(turnkey system)，它包 括图形输入及输出设备和相应的CAD／CA M软 件，以其优良的性能价格比，开始向中、小型 企业扩展。总的说，70年代是CAD单元技术的 发展和应用阶段，各功能模块渐趋完善，但数 据结构尚不统一，应用主要集中在计算机绘图 和有限元分析方面，集成性差。
1．4 CAD技术发展简史
在过去5 O多年中，CAD技术经历了五个主 要发展时期。 (1)2 0世纪5 O年代(CAD孕育阶段)。美国麻省 0 5O (CAD ) 理工学院(MIT)于1 9 5 O年在它研制的名为 “旋风”的计算机上采用了阴极射线管(CRT) 做成的图形终端，并能被动地显示图形。其后 出现了光笔，开始了交互式计算机图形学的研 究。5 0年代中期，计算机已应用于工程和产 品设计的分析计算，促进了计算机辅助工程 (CA E)技术的发展。
100 80
Lost-cycle cost committed
Cost incurred
60
20
Ease of charge 1
0
Figure1.3 characteristic curve representing cost incurred and committed during product life cycle
1．5 CAD技术发展趋势
2．网络化 (1)能够提供基于因特网的完善的协同设计环境。 该环境具有电子会议、协同编辑、共享电子白 板、图形和文字的浏览与批注、异构CAD和 PDM软件的数据集成等功能，使用户能够进行 协同设计。 (2)提供网上多种CAD应用服务，例如设计任务规 划、设计冲突检测与消解、网上虚拟装配等工 具。