计算机辅助设计技术-第1章_CAD技术概述

计算机辅助设计技术
机电工程学院 张海军 博士
选用教材
课程介绍
童秉枢(第3版)等. 机械CAD技术基础.北京：清华大学出 版社. 2008
参考书目
姚英学 等. 计算机辅助设计与制造.高等教育出版社.
课程介绍
先修课程
计算机文化基础

C语言程序设计
主要内容
第一章 CAD/CAM概论 第二章 CAD/CAM系统 第三章 CAD/CAM软件开发基础 第四章 图形处理技术基础 第五章 建模技术

集成化
数字化建模 产品数据交换STEP，XML 产品数据管理PDM 继续改进和开发CAX及DFx

网络化
因特网的协同设计环境
CAD应用服务
智能化：知识挖掘 标准化：行业应用规范

习题1
1-1 什么是计算机辅助设计？它的主要作用是什么？
1-2 CAD技术的主要应用领域有哪些？
CAD是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多 学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。 它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息 存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设计周期、 提高设计质量的目的。
计算机辅助设计是一种用计算机硬、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、工程分析和文 档制作等设计活动。 简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计 目的。
1.0 引言——从机械设计谈起 1.0.1 机械设计概念
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，并转换为具体的描述（图纸，文件等），以此
作为制造的基础。
机械设计是产品设计、制造、装配、销售和使用整个生 命周期中的第一个环节，也是最重要的环节。
设计在整个生产周期中所占的比重
设计开发
制造
60 80 100
0
20
40
时间 百分比（%)
开发设计工作的重要性
70 60
50
40 30 20 10 0
开发设计
生产准备与
加工
原材料与外
购件的采购
管理和销售
对成本的影响 所需的工时成本
1.0.2 机械设计过程
需求分析 提出明确的功能要求 原理性方案及分析 再设计
2. 工程分析
工程分析包括设计参数计算；面积、体积、惯性矩等 物理特性计算；强度、刚度、寿命等校核计算；应力场、 变形、温度场等有限元分析；结构、参数的优化计算。
3. 图形处理 包括二维绘图、三维实体造型、图像输入输出及识 别等。
4. 动画仿真 利用图形仿真方法模拟设计对象的动态工作过程。如 模拟执行部件的运动轨迹；机器人动作仿真；装配过 程仿真；加工过程仿真 。
性质：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。
CAD概念的实质在于：
（1）人机各尽所长； （2）人机交互结合； （3）最佳设计效率。
CAD技术的主要作用如下:
（1）提高设计质量和设计效率。 （2）能够充分发挥设计人员创造性。 （3）缩短产品的设计周期。
CAD过程： 任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设 计活动组成； 活动间既有串行的设计活动，也有并行的设计活动； 设计过程中的大多数活动可以用CAD实现，但并不绝对； 将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成 了CAD过程。
图形软件和CAD应用支撑软件不断得到充实与提高。
（4）飞速发展时期（ 20世纪80年代） 出现了大规模与超大规模集成电路，使微机进入市场。 推出了以UNIX系统支撑的SUN工作站。
图形软件更加成熟 。
（5）日趋成熟的时期（ 20世纪90年代） 出现基于PC平台的价廉物美的CAD系统。 CAD 系统的标准化： CGI 、 GKS 、 GKS-3D 、 PHIGS 、 OpenGL、IGES、STEP。 智能化CAD系统。 集成化 。 科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造。
1.1.3 CAD技术应用实例图示
1.1.4 CAD技术发展历程
CAD技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、 软件技术的发展而发展。
（1）准备和诞生时期（20世纪50~60年代）
电子管计算机 1950 1958 MIT 能够显示简单图形的图形显示器 Calcomp 滚筒式绘图机
不接受
概念设计 初步设计 详细设计
评价
接受
初步设计及分析
不接受
评价
接受
详细设计 制造加工 样机测试 生产 鉴定
销售和使用
机械产品开发设计可大致分成概念设计、初步设计 、详细设计阶段。

概念设计：根据市场需求确定新产品的功能，给出 新产品的概念性分析模型或草图。 初步设计：对概念设计输出的结果进行方案分析比 较，修正概念模型。
20世纪50年代
计算机应用于机械制造
20世纪60年代
CAD系统产生（sketchpad系统）
20世纪70年代
CAD单元技术的发展和
应用（交钥匙系统）
20世纪80年代 20世纪90年代
CAD/CAM/CAE的集成 CAD 向着集成化、网 络 化、 智能化、标准化发展
1.1.5 发展趋势
微机化、集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、 标准化 。
20世纪50年代末 SAGE战术防空系统
（2） 蓬勃发展和进入应用的时期（ 20世纪60年代） 1962 ， Ivan Sutherland 研究出了 Sketchpad 交互式 图形系统。 计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。 计算机图形学的发展，如Coons曲面 。
（3）广泛应用时期（ 20世纪70年代） 集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。 出现了以小型计算机为平台的CAD系统。 图形设备相继推出并完善。
三者的联系
计算机绘图是CG中涉及工程图形绘制的一个分支，它是一门 工程技术。计算机绘图不是CAD技术的全部内涵，是CAD技术的 基础之一。CG是一门独立的学科，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。
1.1.2 CAD技术的重要应用
CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新 兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。 CAD技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出 的工程技术成就之一。 无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还 是制造加工行业，无论是机械、电子、轻纺行业还是文 体、影视广告行业等都离不开CAD技术。CAD技术是企
我国科学技术部在CAD应用工程2000年规划纲要中指
出：“到2000年，在国民经济主要部门的科研、设计单位 和企业中全面普及推广CAD技术，实现‘甩掉图板’（指 传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国 CAD市场，扶持发展以CAD为突破口的我国自主创新的软 件产业，建立起我国的CAD产业”。 到2000年，我国机械制造业应用CAD技术的普及率和 覆盖率均达70%以上；工程设计行业CAD技术的普及率和
第六章 计算机辅助工程分析
第七章 计算机辅助工艺规程设计 第八章 计算机辅助数控加工编程
主要内容
第九章 计算机辅助质量系统技术 第十章 计算机辅助生产管理与运行控制 第十一章 CAD/CAM系统集成
第1章 CAD/CAM概论
1.0 机械设计概述 1.1 CAD技术内涵 1.2 CAD技术的应用
1.3 CAD技术的发展历程
设计过程 市场信息 设计需求 分析 可行性研究 与分析
制造
设计 结果
设计 评价
设计 优化
设计 分析
设计建模 与仿真
概念 设计
CAD过程
CAD系统在设计中承担的主要工作有数据处理、工 程分析、图形处理与动画仿真等 1. 数据处理
在设计过程中会产生大量信息，这些信息包括数字、 字符、符号和图形等，随着设计过程的延伸，计算机会对 它们进行存储、转换、传递等处理。

提出问题
提问：有人说CAD就是计算机绘图 , 这种说法 对吗？？？
CAD、计算机绘图、CG 三者的区别与联系
三者技术内涵区别
计算机绘图：是使用图形软件和计算机硬件进行绘图及其有关标 注的一种方法和技术。它以摆脱繁重的手工绘图为主要的目的。
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 的设备上显示的原理、方法和技术的科学。
业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。
在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实 现无纸设计与制造的飞机。 在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机 械设计CAD等。 仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如 “未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等 在轻工行业的应用：如模具CAD和服装CAD等。 在医学中的应用： 计算机辅助手术规划和手术模拟。 在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。
覆盖率均达100%。
CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例： （1） 沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色 产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招 标项目。 （2）泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短 1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。 （3）西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模 型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中 的错误，当即进行了修改。 （4）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装置工 程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以纠正，在总 长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米。
断修改。 机械设计是一个“设计－－评价－－再设计”的反复迭代、 不断优化的过程。在人工设计情况下，设计周期很长。 1.0.3 CAD产生的背景 实现某种程度的自动化； 缩短设计周期，提高产品竞争力 降低设计成本，提高设计质量。