计算机辅助设计教（学）案制造技术

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1、计计算机辅辅助设计设计与与制造技术术 . . . . . . 专业学习资料 . 第一单元 CAD 基本理论论 第一章、CAD/CAM 技术术理论论基础础 第一单、概概述 计算机辅助设计和计算机辅助制造的基本意思是指产品设计和制造技术人 员在计算机系统的支持下，根据产品设计和制造流程进行设计和制造的一项技 术，也是人类智慧与系统中的硬件和软件功能巧妙的结合。然而，如果用途不 同，则 CAD/CAM 系统中的硬件和软件的配置与组织也是不一样的，这才能有 效地用于某类工程或产品的设计与制造的全过程，即包括方案设计、总体设计 与零件设计以及加工和装配。由于 CAD/CAM 技术还在不断发展，而且，不同

2、 领域对 CAD/CAM 技术的应用程度也有不同，所以，目前对 CAD/CAM 技术的 含义的理解也略有差异。可以预料，随着计算机技术的发展，CAD/CAM 技术 帮助技术人员完成查品设计和制造的范围将不断扩大和完善，对其含义的理解 将会逐渐接近一致。 CAD/CAM 技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学 科领域，如计算机科学和工程，计算数学，几何造型、计算机图形显示、数据 结构和数据库、仿真、数控、机器人和人工智能学科和技术以及与产品设计和 制造有关的专业知识等。CAD/CAM 技术具有自己的特点和发展规律，而且， 随着电子科学技术的发展和不断地向前发展，需要人们不断地去探

3、索和研究， 使其更加完善。 . . . . . . 专业学习资料 . 当今，CAD/CAM 技术的优点已为越来越多的人共识。1985 年，一位美国 制造业专家 W。H。Slatterback 曾预言，从 1985 年到 2000 年中，美国的制造 业面临的变化将比本世纪前 75 年的变化要大得多，其根本原因是 CAD/CAM 技术的应用。目前，在工业发达的国家中，不仅将 CAD/CAM 技术广泛用于宇 航、电子和机械制造等工程和产品生产领域，而且逐渐发展到服装、装饰、家 具和制鞋等领域。另外，该技术是计算机集成化制造系统CIMS 的技术基 础之一，所以，当今世界上许多国家与有关部门都十分重视对

4、该技术的投资。 总之，CAD/CAM 技术的普及应用不仅对传统产业的改造、新兴产业的发 展、劳动生产率的提高、材料消耗的降低、国际竞争能力的增强均有巨大的带 头作用，而且 CAD/CAM 技术及其应用水平正成为衡量一个国家科学技术现代 化和工业现代化水平的重要标志之一。 我国大力推广 CAD/CAM 技术，是科研单位提高自主研究开发能力、企业 提高应变能力和提高劳动生产率的重要条件，是促进传统技术发生革命性变化 的重要手段，是缩短与发达国家的差距，把国民经济搞上去，实现社会主义现 代化建设目标的重要措施，是一项刻不容缓的战略任务。为此，进入 90 年代后， 我国的科学技术和工业部门都先后指定了

5、发展和推广 CAD/CAM 技术的计划， 并对所属部门提出了具体要求。所以，推广应用 CAD/CAM 技术的范围将不断 扩大。 第二单、CAD/CAM 技术发术发展简简介 不管是产品还是工程设计，最后都要生产符合要求的工程图纸或数控加工 信息，而且，在设计过程中的各个阶段要以图形显示出各阶段的设计结果。所 . . . . . . 专业学习资料 . 以，计算机图形学和图形显示技术是 CAD/CAM 技术的重要基础之一。也就是 说，CAD/CAM 技术的发展是与它们的发展密切相关。 40 年代计算机问世，直至 50 年代中期，计算机的使用尚不普遍，而且主 要是用于科学计算。当时，尽管在计算机系统中

6、已经开始配置了图形显示器， 但由于计算机图形学的理论还没有形成，而且当时显示器的性能较差，所以， 尚未具备人机交互功能。如美国麻省理工学院的旋风号计算机就是这样的系 统。但是到了 50 年代末期，美国麻省理工学院林肯实验室研制的空中防御系统 就能将雷达的信号转换为显示器上的图形，操作者可以用光笔指向显示屏幕上 的目标来拾取所需的信息，这种功能的出现预示着交互图形生成技术的诞生。 1963 年，美国麻省理工学院的 I。E。Sutherland 在他发表的博士论文中提 出了 SKETCHPAD 系统。在该系统中用的计算机是 TX2，可以用光笔在图形显 示器上实现选择、定位等交互功能。而且，计算机可

7、根据光笔指定的点画出直 线，或者当光笔指定圆心或半径后画出圆等。另外该系统对符号和图案的存储 采用分层的数据结构。即一幅完整的较复杂的图形可以通过分层调用各有关子 图来合成。尽管该系统还是较原始，但是这些基本理论和技术至今仍是 CAD/CAM 技术的基础，十分有用。所以，I。E。Sutherland 的 SKETCHPAD 系统被公认为对交互图形生成和显示技术的发展奠定了基础。 交互图形生成技术的出现，促进了 CAD/CAM 技术的迅速发展。60 年代中 期后，美国的一些大公司都十分重视这一技术，并投入相当资金对 CAD/CAM 技术进行研究和开发，研制了一些 CAD 系统。如 IBM 公司的

8、 SMS、SLT/MST 设计自动化系统和洛克希德公司研制的主要用于二维绘图 CADAM 系统。美国 通用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发的 CAD1 系统，该系统是在大型 . . . . . . 专业学习资料 . 计算机上运行的，成为该公司设计小轿车和卡车的比不可少的工具。在此期间， 美国的 CDC 公司也开发了作为商品销售的 Digigraphic CAD 系统。这一时期 CAD/CAM 系统的特点是：规模庞大，价格昂贵。所以，只有经济实力雄厚和 技术力量较强的大型企业和研究单位才能研究和应用 CAD/CAM 技术。 从 60 年代末期至 70 年代中期，CAD/CAM 技术的发展较快，

9、已有商品化 的硬件和软件。由于在这一时期计算机硬件的性能价格比不断完善，主要特点 是图形输入板，大容量的磁盘存储器和廉价的存储管显示器等相继出现，以及 数据管理系统等软件的开发等。以小型和超级小型计算机为主主机的 CAD/CAM 系统进入市场并成为主流。接着出现了一批专门经营 CAD/CAM 系 统硬件和软件的公司，如 Computer Vision、Intergraph、Calma、Application 等。这些 CAD/CAM 系统的特点是硬件和软件配套齐全，因此人们称它为“交钥 匙”系统。与大型计算机 CAD/CAM 系统相比，其价格相对便宜，使用和维护也 相对简单一些，这也是 CAD

10、/CAM 技术得到进一步发展和扩大应用范围的原因。 在这一时期内，CAD/CAM 系统的应用领域主要集中在航空、电子和机械工业 部门，同时对三维几何造型也开始研究。 70 年代末以后，32 位工作站和微型计算机的出现对 CAD/CAM 技术的发展 起了极大的推动作用。32 位工作站是属单位用的计算机系统，具有较高的响应 速度，它特别适用于 CAD/CAM 系统。而且，32 位工作站之间可以联网，以达 到共享系统内的资源和发挥各台计算机的特点。因此，可以根据工作需要和经 济条件以及 CAD/CAM 技术的发展等逐步投资，逐步发展和扩大 CAD/CAM 系 统的功能和规模。 80 年代中期后，这种

11、以工作站为基础的 CAD/CAM 系统发展很快，其功能 . . . . . . 专业学习资料 . 达到甚至超过小型机 CAD/CAM 系统。可以预见，这种系统将成为 CAD/CAM 系统的主流。这种系统的制造厂商只提供硬件和系统软件，而应用软件则由其 它专门开发软件的公司研制和销售。近年来在我国市场上销售这类产品的公司 有 IBM 公司、HP 公司、SUN 公司、DEC 公司、SGI 公司等，产品的种类很多， 各有特点。 由于微型计算机的性能和价格比的提高，目前以 PC386、486 为主机的 CAD/CAM 系统不断增加。该系统的特点是容量小，处理速度慢，但价格十分 便宜，应用软件丰富，便于

12、学习和维护。另外还可以进入网络系统共享资源， 并可以替代工作站完成一部分 CAD/CAM 作业，很适合中、小型企业和刚开始 应用 CAD/CAM 技术的单位。 我国在 CAD/CAM 技术方面的研究开始于 70 年代中期，当时主要是研究开 发二维绘图软件，并利用绘图机输出二维图形。主要研究单位是高等学校。航 空和造船工业是应用 CAD/CAM 技术较早的部门。80 年代初，有些大型企业和 设计院成套引进 CAD/CAM 系统（主要是 Turnkey System） 。在此基础上进行 开发和应用，取得了一定的成果。随着改革开放和发展商品经济的需要，在 80 年代中后期，我国的 CAD/CAM 技

13、术有了较大的发展，而且 CAD/CAM 技术的 优点被越来越多的人所注意。进入 90 年代后，各工业部门普遍提出了开发 CAD/CAM 技术的计划，主要表现在以下几个方面：部分单位已较好地应用 CAD/CAM 技术，提高设计质量，取得了经济效益；CAD/CAM 技术的理论和 软件开发进行了大量的研究，并取得了成果（如清华大学、浙江大学、西北工 业大学、北京航空航天大学、中科院计算所等） 。进入 90 年代后，国家科委、 各工业部门都十分重视 CAD/CAM 技术的发展，并有计划、有步骤地在全国各 . . . . . . 专业学习资料 . 地 CAD/CAM 培训基地，对有关人员 CAD/CAM

14、 技术方面的培训，以提高有关 人员 CAD/CAM 素质。与此同时，有些工业部门还对所属单位提出应用 CAD/CAM 技术的具体要求。 第三单、CAD/CAM 系统统的组组成及基本类类型 一般讲，一个 CAD/CAM 系统是由一系列必要的硬件和软件组成的，如图 1 所示。根据系统的要求，硬、软件的配置可能有所不同。而最底的硬、软件 配置，以满足系统的基本功能为目标。系统软件和硬件的组成，基本如图 2 和 图 3 所示，但对某一具体系统可能有些差异。 由于使用要求不同，CAD/CAM 系统的基本配置也有所不同。CAD/CAM 系 统的类型可按系统的功能分，也可以按系统的硬件配置分。按系统的功能一

15、般 分为通用型 CAAD/CAM 系统和专用的 CAD/CAM 系统。通用型 CAD/CAM 系 统功能适用范围很广，其硬件和软件配置也相对比较丰富。而专用 CAD/CAM 系统是为了实现某些特殊功能的系统，其硬件和软件的配置相对简单，但要符 C CA AD D/ /C CA AM M系系统统 C CA AD D/ /C CA AM M硬硬件件系系统统C CA AD D/ /C CA AM M软软件件系系统统 计计算算机机外外围围设设备备应应用用软软件件支支撑撑软软件件系系统统软软件件 图 1、CAD/CAM 系统的基本结构 计计算算机机 或或工工作作站站 电电视视 摄摄像像机机 扫扫描描器器 文文字字显显 示示终终端端 彩彩色色图图形形 显显示示器器 打打印印机机 外外接接 磁磁带带机机 磁磁盘盘 绘绘图图机机 图图形形输输 入入设设备备 电电视视 摄摄像像机机 图 2、CAD/CAM 系统硬件配置 设设计计 数数据据库库