第10章 計算機輔助設計技術(shù)

1、第第10章章 計算機輔助機械設計計算機輔助機械設計 10.1 計算機輔助設計的發(fā)展簡史計算機輔助設計的發(fā)展簡史1943年底，英國人為了破譯德國的密碼系統(tǒng)建造了一臺年底，英國人為了破譯德國的密碼系統(tǒng)建造了一臺叫做叫做“Colossus”的電子計算機。與此同時在美國的康恩的電子計算機。與此同時在美國的康恩(Corn)有幾個大學和研究所為了進行高速度的數(shù)值計算也有幾個大學和研究所為了進行高速度的數(shù)值計算也在研制計算機。在研制計算機。1946年，具有真正意義的第一代計算機年，具有真正意義的第一代計算機“ENIAC”誕生誕生了。了。1952年，麻省理工學院年，麻省理工學院(MIT)的伺服機構(gòu)實驗室完的伺

2、服機構(gòu)實驗室完成了數(shù)控銑床的研究，首先將計算機用于機械制成了數(shù)控銑床的研究，首先將計算機用于機械制造。造。1962年，年，D.T.Ross和機械工程系的和機械工程系的S.A.Coons合合作，開始在機械設計方面探索計算機輔助的可能。作，開始在機械設計方面探索計算機輔助的可能。從概念設計、生產(chǎn)設計直到制造，都通過人機對從概念設計、生產(chǎn)設計直到制造，都通過人機對話方式獲得計算機的協(xié)助。話方式獲得計算機的協(xié)助。另一個具有劃時代意義的工作由另一個具有劃時代意義的工作由MIT的林肯研究的林肯研究所完成。所完成。I.E.Sutherland提出了用光筆在顯示器上提出了用光筆在顯示器上選取、定位圖形要素的選

3、取、定位圖形要素的Sketch-pad系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機對話式的交互作業(yè)。人機對話式的交互作業(yè)。n汽車工業(yè)對計算機輔助設計技術(shù)的發(fā)明首先做汽車工業(yè)對計算機輔助設計技術(shù)的發(fā)明首先做出了響應。出了響應。n美國通用汽車公司和美國通用汽車公司和IBM公司率先開發(fā)了公司率先開發(fā)了DAC-1(Design AugmentedbyComputer)系統(tǒng)，用來設計汽車外型與結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)，用來設計汽車外型與結(jié)構(gòu)。n美國洛克希德公司和美國洛克希德公司和IBM公司聯(lián)合開發(fā)了基于公司聯(lián)合開發(fā)了基于大型計算機的圖形增強設計與制造軟件包大型計算機的圖形增強設計與制造軟件包CADAM，用于設計與繪圖，并具有三維結(jié)構(gòu)

4、，用于設計與繪圖，并具有三維結(jié)構(gòu)分析能力。分析能力。n隨后計算機輔助繪圖、設計、制造、分析技術(shù)隨后計算機輔助繪圖、設計、制造、分析技術(shù)在英、日、意等國的汽車公司也都獲得了廣泛在英、日、意等國的汽車公司也都獲得了廣泛的應用，并逐漸擴展到其它部門。的應用，并逐漸擴展到其它部門。n到了到了20世紀世紀70年代，出現(xiàn)了將硬件與軟件配套年代，出現(xiàn)了將硬件與軟件配套交付用戶使用的交付用戶使用的“交鑰匙系統(tǒng)交鑰匙系統(tǒng)”(Turn-Key System)，這種系統(tǒng)是在小型機和超級小型機，這種系統(tǒng)是在小型機和超級小型機的基礎上增加圖形處理功能，按分時處理的原的基礎上增加圖形處理功能，按分時處理的原則，一臺主機可

5、以帶幾個到幾十個終端。則，一臺主機可以帶幾個到幾十個終端。n80年代初期，隨著計算機制造技術(shù)的發(fā)展，所年代初期，隨著計算機制造技術(shù)的發(fā)展，所有配套的軟硬件都可以集成到一臺工作站上。有配套的軟硬件都可以集成到一臺工作站上。工作站系統(tǒng)可以作為一個獨立的單用戶系統(tǒng)，工作站系統(tǒng)可以作為一個獨立的單用戶系統(tǒng)，到到80年代中后期就成為計算機輔助繪圖、設計、年代中后期就成為計算機輔助繪圖、設計、制造、分析的主流系統(tǒng)。制造、分析的主流系統(tǒng)。n進入進入90年代以來，隨著個人計算機年代以來，隨著個人計算機(PC)的飛的飛速發(fā)展，其性能迅速趕上了速發(fā)展，其性能迅速趕上了10年前高檔工作年前高檔工作站的性能?？梢灶A見

6、，在不久的將來個人計站的性能?？梢灶A見，在不久的將來個人計算機將成為計算機輔助設計的主流機型。算機將成為計算機輔助設計的主流機型。n因特網(wǎng)因特網(wǎng)(Internet)起源于起源于60年代末，興盛于年代末，興盛于90年代，目前已經(jīng)把世界上各種類型的計算機年代，目前已經(jīng)把世界上各種類型的計算機如大、中、小型機、工作站和個人計算機連如大、中、小型機、工作站和個人計算機連接成一個有機的整體，實現(xiàn)全球范圍的資源接成一個有機的整體，實現(xiàn)全球范圍的資源共享、數(shù)據(jù)共享和設備共享。利用成熟的共享、數(shù)據(jù)共享和設備共享。利用成熟的Internet技術(shù)建立企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡技術(shù)建立企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(Intranet)，從而將計算

7、機輔助繪圖、設計、分析、制造從而將計算機輔助繪圖、設計、分析、制造和管理系統(tǒng)密切地聯(lián)系在一起相互協(xié)作，已和管理系統(tǒng)密切地聯(lián)系在一起相互協(xié)作，已經(jīng)在各種企業(yè)中迅速推廣和普及。經(jīng)在各種企業(yè)中迅速推廣和普及。n計算機技術(shù)為機械工業(yè)帶來了革命性的變革，計算機技術(shù)為機械工業(yè)帶來了革命性的變革，反過來計算機在機械工業(yè)中的應用也推動了反過來計算機在機械工業(yè)中的應用也推動了計算機技術(shù)的迅速發(fā)展。新的設備、新的操計算機技術(shù)的迅速發(fā)展。新的設備、新的操作系統(tǒng)、新的軟件、新的數(shù)據(jù)交換標準，正作系統(tǒng)、新的軟件、新的數(shù)據(jù)交換標準，正在迅速擴大計算機在工業(yè)中的應用范圍，掀在迅速擴大計算機在工業(yè)中的應用范圍，掀起一場新技術(shù)

8、革命的浪潮，成為起一場新技術(shù)革命的浪潮，成為20世紀全球世紀全球最杰出的工程技術(shù)成果。最杰出的工程技術(shù)成果。10.2 計算機輔助設計的特點和應用計算機輔助設計的特點和應用1 計算機輔助設計及相關(guān)問題計算機輔助設計及相關(guān)問題 利用計算機可以進行產(chǎn)品的利用計算機可以進行產(chǎn)品的-計算機輔助設計計算機輔助設計(Computer AidedDesign)、計算機輔助繪圖計算機輔助繪圖(ComputerAidedDrawing)、計算機輔助制造計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析(CAE)、計算機輔助工藝規(guī)劃計算機輔助工藝規(guī)劃(CAPP)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、企業(yè)

9、資源計劃企業(yè)資源計劃(ERP)等。等。 這些技術(shù)一開始是各自獨立、平行地開這些技術(shù)一開始是各自獨立、平行地開發(fā)應用的，因而被稱為孤島技術(shù)。由于在技發(fā)應用的，因而被稱為孤島技術(shù)。由于在技術(shù)上和應用上都密切相關(guān)，后來在工程實踐術(shù)上和應用上都密切相關(guān)，后來在工程實踐中這些技術(shù)逐漸結(jié)合在一起，為企業(yè)帶來了中這些技術(shù)逐漸結(jié)合在一起，為企業(yè)帶來了更大的經(jīng)濟效益。因此出現(xiàn)了更大的經(jīng)濟效益。因此出現(xiàn)了CAD/CAM/CAPP/ERP/PDM的集成。這些的集成。這些技術(shù)不同程度的集成，可以滿足從構(gòu)建中小技術(shù)不同程度的集成，可以滿足從構(gòu)建中小規(guī)模規(guī)模CAD/CAM系統(tǒng)，到建立企業(yè)級系統(tǒng)，到建立企業(yè)級CIMS，實施

10、并行工程等各個層次的需求。實施并行工程等各個層次的需求。2 CAD技術(shù)的特點技術(shù)的特點n縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；n提高產(chǎn)品設計質(zhì)量；提高產(chǎn)品設計質(zhì)量；n降低生產(chǎn)成本；降低生產(chǎn)成本；n提高管理水平：提高管理水平：10.3 計算機輔助設計的應用計算機輔助設計的應用n計算機輔助設計開始用于機械行業(yè)，到現(xiàn)在計算機輔助設計開始用于機械行業(yè)，到現(xiàn)在CAD已是一個包括范圍很廣的概念。概括來已是一個包括范圍很廣的概念。概括來說，說，CAD的設計對象有兩大類，一類是機械、的設計對象有兩大類，一類是機械、電氣、電子、輕工和紡織產(chǎn)品；另一類是工電氣、電子、輕工和紡織產(chǎn)品；另一類是工程建筑。而如今，程建筑

11、。而如今，CAD技術(shù)的應用范圍已經(jīng)技術(shù)的應用范圍已經(jīng)延伸到藝術(shù)、電影、動畫、廣告和娛樂等領延伸到藝術(shù)、電影、動畫、廣告和娛樂等領域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟及社會效益，有著廣域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟及社會效益，有著廣泛的應用前景。泛的應用前景。nCAD在機械制造行業(yè)的應用最早，也最為廣泛。如在機械制造行業(yè)的應用最早，也最為廣泛。如今世界各大航空、航天及汽車等制造業(yè)巨頭不但廣今世界各大航空、航天及汽車等制造業(yè)巨頭不但廣泛采用泛采用CAD/CAM技術(shù)進行產(chǎn)品設計，而且投入大技術(shù)進行產(chǎn)品設計，而且投入大量的人力物力及資金進行量的人力物力及資金進行CAD/CAM軟件的開發(fā)，軟件的開發(fā)，以保持自己技術(shù)上的領先地位和

12、國際市場上的優(yōu)勢。以保持自己技術(shù)上的領先地位和國際市場上的優(yōu)勢。n計算機輔助建筑設計計算機輔助建筑設計(Computer Aided Architecture Design，簡稱，簡稱CAAD)是是CAD在建筑在建筑方面的應用，它為建筑設計帶來了一場真正的革命。方面的應用，它為建筑設計帶來了一場真正的革命。不但可以提高設計質(zhì)量，縮短工程周期，還可以節(jié)不但可以提高設計質(zhì)量，縮短工程周期，還可以節(jié)約約2%至至5%的建設投資，而近幾年來我國每年的基的建設投資，而近幾年來我國每年的基本建設投資都有幾千億元之多，如果全國大小近萬本建設投資都有幾千億元之多，如果全國大小近萬個工程設計單位都采用個工程設計單

13、位都采用CAAD技術(shù)，則可以大大提技術(shù)，則可以大大提高基本建設的投資效益。高基本建設的投資效益。nCAD技術(shù)還被用于輕紡及服裝行業(yè)中。以前我國紡技術(shù)還被用于輕紡及服裝行業(yè)中。以前我國紡織品花樣設計、圖案的協(xié)調(diào)、色彩的變化、圖案的織品花樣設計、圖案的協(xié)調(diào)、色彩的變化、圖案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而目前國際市場上對紡織品及服裝的要求是批低，而目前國際市場上對紡織品及服裝的要求是批量小、花色多、質(zhì)量高、交貨要迅速，這使得我國量小、花色多、質(zhì)量高、交貨要迅速，這使得我國紡織產(chǎn)品在國際市場上的競爭力不強。采用紡織產(chǎn)品在國際市場上的競爭

14、力不強。采用CAD技技術(shù)以后，大大加快了我國紡織及服裝企業(yè)走向國際術(shù)以后，大大加快了我國紡織及服裝企業(yè)走向國際市場的步伐。市場的步伐。n電影拍攝中利用電影拍攝中利用CAD技術(shù)已有十余年的歷史。動畫技術(shù)已有十余年的歷史。動畫和廣告制作中也充分利用了計算機造型技術(shù)，實質(zhì)和廣告制作中也充分利用了計算機造型技術(shù)，實質(zhì)上也是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還被用于上也是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還被用于各種模擬器及景物的實時漫游、娛樂游戲中。各種模擬器及景物的實時漫游、娛樂游戲中。n近十年來，在近十年來，在CIMS工程和工程和CAD應用工程的推動下，應用工程的推動下，我國計算機輔助設計技術(shù)應用越來越普

15、遍，越來越我國計算機輔助設計技術(shù)應用越來越普遍，越來越多的設計單位和企業(yè)采用這一技術(shù)來提高設計效率、多的設計單位和企業(yè)采用這一技術(shù)來提高設計效率、產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動條件。產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動條件。10.4 CAD技術(shù)展望技術(shù)展望1 CAD的推廣和應用的推廣和應用nCAD是是20世紀全球最杰出的工程技術(shù)成果之世紀全球最杰出的工程技術(shù)成果之一，是跨世紀的國家關(guān)鍵技術(shù)。因此一，是跨世紀的國家關(guān)鍵技術(shù)。因此CAD技技術(shù)的發(fā)展與應用水平已成為衡量一個國家工術(shù)的發(fā)展與應用水平已成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，在一定程度上反映出業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，在一定程度上反映出一個國家的綜合實力。一個國家的綜合實力

16、。n企業(yè)推廣企業(yè)推廣CAD技術(shù)可以按照效益驅(qū)動、總體規(guī)劃、技術(shù)可以按照效益驅(qū)動、總體規(guī)劃、分步實施、重點突破的原則進行。分步實施、重點突破的原則進行。n第一步建立以第一步建立以“甩掉圖板甩掉圖板”為目標的計算機輔助繪為目標的計算機輔助繪圖與設計系統(tǒng)。圖與設計系統(tǒng)。n第二步建立以資源共享、權(quán)限控制為目標的產(chǎn)品信第二步建立以資源共享、權(quán)限控制為目標的產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)。息管理系統(tǒng)。n第三步引進先進的計算機輔助設計、分析、仿真模第三步引進先進的計算機輔助設計、分析、仿真模擬、加工集成系統(tǒng)。建立全局產(chǎn)品模型，實現(xiàn)無紙擬、加工集成系統(tǒng)。建立全局產(chǎn)品模型，實現(xiàn)無紙化設計、加工?；O計、加工。n第四步實現(xiàn)以控

17、制產(chǎn)品生命周期為目標的并行工程。第四步實現(xiàn)以控制產(chǎn)品生命周期為目標的并行工程。并行工程的基本要素是優(yōu)化設計，并且從產(chǎn)品性能并行工程的基本要素是優(yōu)化設計，并且從產(chǎn)品性能設計、產(chǎn)品制造工藝性設計、產(chǎn)品可檢測性設計、設計、產(chǎn)品制造工藝性設計、產(chǎn)品可檢測性設計、產(chǎn)品可維護性設計以及產(chǎn)品依從性設計入手進行優(yōu)產(chǎn)品可維護性設計以及產(chǎn)品依從性設計入手進行優(yōu)化，加速新產(chǎn)品的開發(fā)周期。化，加速新產(chǎn)品的開發(fā)周期。2 CAD的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢（1）集成化大型的）集成化大型的CAD軟件與軟件與CAPP/CAM/CAE各環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。各環(huán)節(jié)緊密結(jié)合。 （2）智能化智能）智能化智能CAD把工程數(shù)據(jù)庫及管理系把工程數(shù)據(jù)庫及

18、管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體。理系統(tǒng)集于一體。 （3）標準化為了適應）標準化為了適應CAD發(fā)展的需求，制定發(fā)展的需求，制定了相關(guān)的國際標準。了相關(guān)的國際標準。（4）網(wǎng)絡化運用）網(wǎng)絡化運用CAD技術(shù)建立網(wǎng)絡企業(yè)聯(lián)盟，技術(shù)建立網(wǎng)絡企業(yè)聯(lián)盟，迅速應對市場需求迅速應對市場需求 2 CAD的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢（1 1）標準化：除了）標準化：除了CADCAD支撐軟件逐步實現(xiàn)支撐軟件逐步實現(xiàn)ISOISO標準和工業(yè)標準外，標準和工業(yè)標準外，面向應用的標準構(gòu)件（零部件庫）、標準化方法也已成為面向應用的標準構(gòu)件（零部件庫）、標準化方法也已成為

19、CADCAD系系統(tǒng)中的必備內(nèi)容，且向著合理化工程設計的應用方向發(fā)展。統(tǒng)中的必備內(nèi)容，且向著合理化工程設計的應用方向發(fā)展。 （2 2）開放性：）開放性：CADCAD系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng)窗口系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng)窗口95959898NTNT和和UNIXUNIX平臺上，在平臺上，在Java LINUXJava LINUX平臺上也有平臺上也有CADCAD產(chǎn)品，此產(chǎn)品，此外外CADCAD系統(tǒng)都為最終用戶提供二次開發(fā)環(huán)境，甚至這類環(huán)境可開系統(tǒng)都為最終用戶提供二次開發(fā)環(huán)境，甚至這類環(huán)境可開發(fā)其內(nèi)核源碼，使用戶可定制自已的發(fā)其內(nèi)核源碼，使用戶可定制自已的CADCAD系統(tǒng)。系統(tǒng)。（3 3）

20、集成化：其一是廣義）集成化：其一是廣義CADCAD功能功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERPCAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP經(jīng)過多種集成形式成為企業(yè)一經(jīng)過多種集成形式成為企業(yè)一體化解決方案；其二，是將體化解決方案；其二，是將CADCAD技術(shù)能采用的算法，甚至功能模技術(shù)能采用的算法，甚至功能模塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高CADCAD系統(tǒng)的效率；其三是系統(tǒng)的效率；其三是CADCAD基于網(wǎng)絡計算環(huán)境實現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成?；诰W(wǎng)絡計算環(huán)境實現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成。（4 4）智能化：設計是一個含有高度智能的

21、人類創(chuàng)造性活動領域，）智能化：設計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動領域，智能智能CADCAD是是CADCAD發(fā)展的必然方向。發(fā)展的必然方向。10.5 主流主流2D/3D軟件介紹軟件介紹nAutoCAD(Auto Computer Aided Design)，是美國Autodesk公司首次于1982年生產(chǎn)的自動計算機輔助設計軟件，用于二維繪圖、詳細繪制、設計文檔和基本三維設計。nAutoCAD Civil 3D是美國Autodesk公司開發(fā)的一款面向土木工程行業(yè)的建筑信息模型（BIM）解決方案。主要應用在交通運輸、土地開發(fā)以及環(huán)境項目。該軟件采用基于模型的方法，有助于簡化耗時的任務并保持設計的

22、協(xié)調(diào)性，進而提高文檔和可視化作品的質(zhì)量。n3DS Max 美國Autodesk公司開發(fā)的，是一個全功能的 3D 建模、動畫、渲染和視覺特效解決方案，廣泛用于制作游戲以及電影和視頻內(nèi)容。nInventor美國Autodesk公司的產(chǎn)品，是一款集三維機械設計、仿真、工裝模具的可視化和文檔編制工具集的三維設計軟件。nMaya美國Autodesk公司的產(chǎn)品，具有衣料、毛發(fā)、毛皮、流體和粒子模擬工具。具有高動態(tài)范圍合成系統(tǒng)、攝像機跟蹤器、批處理渲染和網(wǎng)絡渲染隊列管理器。其使用者多為藝術(shù)家、設計師和三維愛好者，常用來制作動畫。nCATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional

23、 Interface Application 的縮寫。是法國達索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案，產(chǎn)品開發(fā)商Dassault System 成立于1981年，是世界上一種主流的CAD/CAE/CAM 一體化軟件。nNX(UG) 是美國UGS(Unigraphics Solutions)公司的主導產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數(shù)化軟件，是面向制造行業(yè)的CAID/CAD/CAE/CAM高端軟件，是當今最先進，最流行的工業(yè)設計軟件之一。nPro/Engineer(簡稱Pro/E)是美國參數(shù)技術(shù)公司(Parametric Technology Corporation，PTC)推出的三維設計軟件，是一款提供了產(chǎn)品的三維設計、加工、分析及繪圖等功能的完整的CAD/CAM/CAE解決方案，是一款單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)概念的通用CAD系統(tǒng)。nSolidWorks是由美國Solidworks公司研制開發(fā)的一套CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是基于Windows平臺的全參數(shù)化特征造型軟件。nSolidEdge 是Siemens PLM Software公司旗下的三維CAD軟件，是基于Windows平臺、功能強大且易用的三維CAD軟件。nImageware是世界上著名的逆向工程軟件，當將具體