简述现代设计方法之计算机辅助设计

简述现代设计方法之计算机辅助设计
内容摘要：随着科学的发展，新材料、新工艺、新技术的不断出现，产品的更新换代周期日益缩短，促使机械设计方法和技术现代化，以适应新产品的加速开发。

在这种形势下，传统的机械设计方法已经不能完全适应需要，产生和发展了以动态、优化、计算机化为核心的现代设计方法。

我国在20世纪80年代初开始了现代设计方法的研究和推广，经过20年的努力，各种现代设计方法已在机械行业得到普遍的应用。

本篇论文，主要介绍现代设计方法之一的计算机辅助设计。

正文：
计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。

在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移、复制和旋转等有关的图形数据加工工作。

CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计）诞生于二十世纪60年代，是美国麻省理工学院提出的交互式图形学的研究计划，由于当时硬件设施昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。

二十世纪70年代，小型计算机费用下降，美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。

二十世纪80年代，由于PC机的应用，CAD（计算机辅助设计）得以迅速发展，出现了专门从事CAD系统开发的公司。

当时VersaCAD是专业的CAD制作公司，所开发的CAD软件功能强大，但由于其价格昂贵，故得不到普遍应用。

而当时的Autodesk（美国电脑软件公司）公司是一个仅有员工数人的小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。

同时，由于该系统的开放性，该CAD软件升级迅速。

设计者很早就开始使用计算机进行计算。

有人认为（伊凡.萨瑟兰郡）Ivan Sutherland 在1963年在麻省理工学院开发的Sketchpad（画板）是一个转折点。

SKETCHPAD的突出特性是它允许设计者用图形方式和计算机交互：设计可以用一枝光笔在阴极射线管屏幕上绘制到计算机里。

实际上，这就是图形化用户界面的原型，而这种界面是现代CAD不可或缺的特性。

CAD最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。

随着计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广。

CAD的实现技术从那个时候起经过了许多演变。

这个领域刚开始的时候主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。

计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技巧的应用。

如今，CAD已经不仅仅用于绘图和显示，它开始进入设计者的专业知识中更“智能”的部分。

随着电脑科技的日益发展，性能的提升和更便宜的价格，许多公司已采用立体的绘图设计。

以往，碍于电脑性能的限制，绘图软件只能停留在平面设计，欠缺真实感，而立体绘图则冲破了这一限制，令设计蓝图更实体化，3D图纸绘制也能够表达出2D图纸无法绘制的曲面，能够更充分表达设计师的意图。

中国CAD技术起源于国外CAD平台技术基础上的二次开发，随着中国企业对CAD应用需求的提升，国内众多CAD技术开发商纷纷通过开发基于国外平台软件的二次开发产品让国内企业真正普及了CAD，并逐渐涌现出一批真正优秀的CAD开发商。

在二次开发的基础上，部分顶尖的国内CAD开发商也逐渐探索出适合中国发展和需求模
式的CAD，更加符合国内企业使用的CAD产品，他们的目的是开发最好的CAD，甚至是为全球提供最优的CAD技术。

至2014年除了提供优秀的CAD平台软件技术以外，一直以来积极推进国产CAD技术的发展，联合众多国产CAD二次开发商组成的国产CAD联盟，更是极大促进了国产CAD的发展壮大，为中国企业提供真正适合中国国情及应用需求的CAD解决方案。

CAD一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。

它有较强的计算能力，用规范的图形软件，有高分辨率的显示终端，可以联在资源共享的局域网上工作，已形成最流行的CAD系统。

个人计算机pc系统价格低廉，操作方便，使用灵活。

80年代以后，pc机性能不断翻新，硬件和软件发展迅猛，加之图形卡、高分辨率图形显示器的应用，以及pc机网络技术的发展，由pc机构成的CAD 系统已大量涌现，而且呈上升趋势。

除了计算机主机和一般的外围设备外，计算机辅助设计主要使用图形输入输出设备。

交互图形系统对CAD 尤为重要。

图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。

常见的输入设备有键盘、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、鼠标器、图形输入板和数字化仪。

图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类。

软拷计算机辅助设计CAD贝设备指各种图形显示设备，是人机交互必不可少的；硬拷贝设备常用作图形显示的附属设备，它把屏幕上的图像复印出来，以便保存。

常用的图形显示有三种：有向束显示、存储管显示和光栅扫描显示。

有向束显示应用最早，为了使图像清晰，电子束必须不断重画图形，故又称刷新显示，它易于擦除和修改图形，适于作交互图形的手段。

存储管显示保存图像而不必刷新，故能显示大量数据，且价格较低。

光栅扫描系统能提供彩色图像，图像信息可存放在所谓帧缓冲存储器里，图像的分辨率较高。

除计算机本身的软件如操作系统、编译程序外，CAD主要使用交互式图形显示软件、CAD应用软件和数据管理软件3类软件。

至2014年来国内快速崛起的浩辰CAD、中望CAD 等，和AutoCAD，他们都有很高度兼容，也是用户的选择之一。

交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看，图形的变换、修改，以及相应的人机交互。

CAD应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能，以完成面向机械、广告、建筑、电气各专业领域的各种专门设计。

构造应用软件的四个要素是：算法、数据结构、用户界面和数据管理。

数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息。

为此，需要建立工程数据库系统。

它同一般的数据库系统相比有如下特点：数据类型更加多样，设计过程中实体关系复杂，库中数值和数据结构经常发生变动，设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。

常用的CAD软件，也就是所谓的三维制图软件，较二维的图纸和二维的绘图软件而言，三维CAD软件能够更加直观、准确地反映实体和特征。

对于专业企业，因为绘制目标不同，还常存在有多种CAD系统并行的局面，那么就需要配置统一的、具备跨平台能力的零部件数据资源库，将标准件库和外购件库内的模型数据以中间格式（比如通用的有IGS、STEP等）导出到三维构型系统当中去，如主流的Autodesk Inventor，SolidWorks,CATIA,中望3D,Pro/E,AutoCAD,UG NX,SolidEdge,Onespace等。

国外，这种网络服务被称为“零部件图书馆”或“数据资源仓库”。

航天航空领域使用较多的为Pro/E，飞机和汽车等复杂产品制造领域则使用Catia居多，而在中小企业使用Solidworks 较多。

在欧美和日本的PLM用户中，基于互联网的PLM零部件数据资源平台LinkAble PARTcommunity（简称PCOM）的知名度一点都不亚于今天我们所熟知的BLOG和SNS这样的网络平台。

21世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化, 追求的目标是提高产品质量及生产效率,缩短设计周期及制造周期,降低生产成本,最大限度地提高
模具制造业的应变能力,满足用户需求。

具体表现出以下几个特征。

标准化:CAD/CAM系统可建立标准零件数据库,非标准零件数据库和模具参数数据库。

标准零件库中的零件在CAD设计中可以随时调用,并采用GT(成组技术)生产。

非标准零件库中存放的零件,虽然与设计所需结构不尽相同,但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改,从而加快设计过程,典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的,按用户要求对相似模具结构进行修改,即可生成所需要的结构。

集成化技术:现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成,更应该强调技术、人和管理的集成。

在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念,即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成,这更适合未来制造系统的需求。

智能化技术:应用人工智能技术实现产品生命周期(包括产品设计、制造、使用)各个环节的智能化,实现生产过程(包括组织、管理、计划、调度、控制等)各个环节的智能化,以及模具设备的智能化,也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥。

网络技术的应用:网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协议及制造自动化协议,信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。

目前早已出现了通过Internet实现跨国界模具设计的成功例子。

多学科多功能综合产品设计技术:未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。

产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

CAD/CAM技术给企业带来了全面的、根本的变革,使传统的企业设计与制造发生了质的飞跃,在全国范围内受到普遍重视和广泛应用。

企业要想进一步跟上时代步伐,CAD/CAM必须要把握好正确的发展方向。

进一步普及行业CAD/CAM技术,努力提高其应用水平。

在国家各项举措的推动下,企业一定要重视CAD/CAM技术的推广和应用,不惜一切代价投入资金引进CAD/CAM技术和人才,促进CAD/CAM技术的应用迈上新台阶。

在CAD/CAM软件的选用上,坚持高、中、低并存。

高档CAD/CAM软件实现了CAD、CAE(计算机辅助工程分析)、CAPP(计算机辅助工艺过程设计)、CAM、PDM(产品数据管理)和PPC(生产计划与控制)等技术的高度集成,能实现设计制造及生产管理的一体化。

这类高档的CAD/CAM软件,典型的有Pro/Engineer、CATIA等国外开发的软件。

中、低档CAD/CAM软件只具备部分功能,但是由于成本低、实用性强,易学易用,所以大部分企业都具备应用条件。

加大创新力度,不断开发具有特色的CAD/CAM软件。

开发CAD/CAM软件的目的应用CAD/CAM技术,科研单位不仅要紧跟时代潮流,加快CAD/CAM软件的二次开发步伐,同时要结合国情、遵守各国规范,面向国内企业发展的需要,加大创新力度。

参考文献：
【1】百度百科 .
【2】蔡汉明，陈清贵，等.机械CAD/CAM技术【M】.北京：机械工业出版社， 2005.
【3】姚英学，蔡颖.计算机辅助设计与制造【M】. 北京：高等教育出版社， 2002.
【4】任志宇，施于庆.模具CAD/CAM技术的现状与发展趋势[J].机电工程，2001.。