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1、1,第一章 CAD技术概论,1.1 机械设计概述,机械设计：根据使用要求确定产品应该具有的功能，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。,1）概念设计,2）初步设计,3）详细设计,再设计,需求分析,提出明确的功能要求,原理性方案及分析,初步设计及分析,详细设计,制造加工,样机测试、鉴定,生产、销售和使用,评价,评价,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。,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
2、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。,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,2,1.2 CAD的技术内涵,计算机辅助设计（Computer Aided Design)：用计算机硬、软件系统辅助人们对产品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。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，为后续的工艺、制造、管理等环节提供了共享的信息源。,机械CAD：是指在机械设计过程中，借助计算机的辅助作用和操作者的主观干预，来辅助一项设计的建立、修改、分析和优化，最终得到用户所要求的
3、设计信息或数控机床能接受的信息这样一个设计过程。 现在的CAD技术不仅仅用于自动绘图或三维建模，而已成为一种广泛的、综合的关于设计的新技术。,3,CAD涉及的基础技术,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等 工程分析技术：如有限元分析、优化设计方法、物理特性计算、模拟仿真以及各行各业的工程分析等 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 文档处理技术：如文档制作、编辑与文字处理等 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 基于Web的网络应用和开发技术 值得指出的是：不应该将CAD
4、与计算机绘图、计算机图形学混淆起来。,4,设计过程与CAD过程的关系,5,CAD/CAM系统工作流程,6,1.3 CAD技术发展简史,20世纪50年代初，美国麻省理工（MIT）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，并能被动的显示图形，其后出现了光笔，开始了交互式计算机图形学的研究。50年代中后期，计算机已经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（CAE）的发展。,20世纪60 年代，CAD技术的先驱者，MIT推出了二维绘图系统（ SKETCHPAD ），允许设计者坐在图形显示器前操作光笔和键盘，在屏幕上显示图形。这一研究成果具有划时代的意义，促
5、进了CAD的发展。,20世纪70 年代，计算机交互图形技术和三维几何造型技术，为CAD技术的发展奠定了基础，基于大型机的CAD/CAM系统开始上市。,7,CAD技术开始了大规模的发展。由于中小型计算机的性能价格比有了很大的提高，促使CAD技术从实验室走向了工业应用。70年代后期，CAD技术在许多领域已成为工业上不可缺少的工具。,80年代CAD技术进入加速发展推广使用的阶段。由于小型机功能的提高和微型机的大量应用，计算机的性能价格比日益提高，高性能的图形终端的功能日益完善，大量有实用价值的CAD系统出现，都对CAD技术的发展和推广起到了良好的促进作用。这时CAD技术开始广泛应用于民用工业。,90
6、年代是CAD技术广泛普及、继续完善和向更高水平发展的时期。出现了成熟的高度标准化、集成化的CAD系统，由于PC平台的性能越来越好，基于Windows平台的价廉物美的系统相继出现，使CAD技术的普及应用更具广阔诱人的前景。,8,1.4 CAD技术在机械工业中的应用,主要应用以下几个方面： （1）二维绘图及三维建模； （2）工程分析； （3）基于产品数据管理（PDM）的CAD应用层次； （4）基于企业信息化平台的CAD应用层次；,9,CAD技术带来的优点,（1）减少绘图时间，提高绘图效率 （2）提高分析计算速度，解决复杂计算问题 （3）便于修改设计 （4）促进设计工作的规范化、系列化和标准化目前，
7、CAD涉及到2D绘图、交互式图形学、有限元分析、优化计算机图形学、D描述、曲面造型、实体造型和几何仿真等各个领域。,（1）投资大。需要较大资金购买硬件和软件，支付培训和开发费用。 （2）需要一只掌握CAD技术的、有良好素质的工程师队伍,CAD技术带来的风险,10,1.5 机械CAD技术的发展趋势,CAD系统继续发展方向是智能化、集成化、标准化和网络化。,1、系统智能化是CAD技术发展的一个热点 一方面是将设计领域的专家知识和工程技术人员的丰富经验融合于CAD系统中，使之成为可以继成的知识库；另一方面是CAD系统本身的智能化，如用户界面、数据采集、各种模型的自动生成、方案的优选、仿真模拟技术的应
8、用等。,2、集成化是当今CAD技术发展的一大趋势 CAD技术不是孤立的，首先它集成了计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用领域的技术；同时，它又不断和CAM、CAPP以及MIS、PDM(产品数据管理)、MRP(制造资源管理)等系统集成。,11,3、网络化 （1）能够提供基于因特网的协同设计环境； （2）提供网上多种CAD应用服务。,4、标准化 随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显出它的重要性。迄今为止已经制定了不少标准，例如：CGI，GKS，IGES等。,12,典型的CAD系统,AutoCAD,MDT,Inventor,电子图板,开目,Solid Works,CATIA
9、,I-DEAS,Pro/ENGINEER,UniGraphics(UG),13,AutoCAD,AutoCAD是由美国AutoDesk公司出品的一种机械设计软件。其特点是二维作图性能好，适用于计算机辅助设计(CAD)，但是三维作图功能不强，在计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助分析(CAE)方面功能有所不足。,在二维市场上AutoCAD 占有绝对优势，1999年在中国的市场占有量是最大的，而且把第二名甩得很远。,14,MDT,MDT(Mechanical Desktop)也是由美国AutoDesk公司出品的机械设计软件。,该软件具有较强的参数化绘图和三维作图功能，而且其价格便宜，但是它的前景并
10、不看好。因为，它是在AutoCAD基础上开发的，有天生的一些缺陷，而且不好弥补。,所以AutoDesk公司又重新开发了它的三维拳头产品Inventor，以保住它在CAD界的地位。目前MDT在中小型企业中应用较为广泛。,15,Inventor,由于AutoCAD所采用的内核是ACIS内核，存在先天性的不足，它在处理三维倒圆角和抽壳方面存在严重缺限，要朝三维方向发展，有很大的障碍，而二维CAD的发展受三维的冲击，无进一步的发展前途。,因此Autodesk公司，放弃原来的核心构架重新开发新产品Inventor。 Inventor问世以来就得到了用户好评。它的三维功能可与Solid Edge和Soli
11、dworks等中档CAD软件相媲美。,16,电子图板,电子图板是北京北航海尔软件有限公司开发的、具有知识产权的CAD系统。,电子图板是二维CAD软件，它借介了AuotCAD的设计思想，其功能、界面与操作等基本与AuotCAD相同，但全面采用国标设计。,电子图板在工程图设计上自动采用“高平齐”、“长对正”、“宽相等”的原则，并具有智能化的工程标注、方便的明细表与零件序号联动、种类齐全的参量国标图库以及局部参数化设计功能等特点。,17,Solid Works,Solid Works 是Dassault公司并购的一个中档CAD产品，与CATIA 同属一家公司。当初Dassault 并购Solid W
12、orks的目的是，鉴于CAD软件逐渐朝以生产为中心与以设计为中心两种模式发展的需要。因此希望以生产为中心的产品去占领以设计为中心的市场。,Solid Works集装配设计、零件造型、工程图纸设计于一体，提供一个从三维到二维的强大设计系统。,96至97年，Solid Works是PC级上销售最好的CAD软件，自Solid Edge并入EDS以后，它的市场受到一定冲击，但还是一种畅销的CAD软件。操作灵活方便，推理功能强是Solid Works的主要特点。,18,CATIA,CATIA是Dassault公司的主要产品，该软件是目前世界航空工业中无法取代的祖师级软件。 CATIA是由法国达索飞机公司
13、研制的，目前属于IBM公司，是一个高档的CAD/CAM系统。,CATIA采用特征造型和参数化造型技术，允许由用户指定进行参数化设计和变量式设计。,其曲面造型功能包含：高级曲面设计和自由外形设计，用于处理复杂的曲面和曲线，并有许多自动化功能和分析工具。,CATIA广泛应用于航空和汽车领域，但因价格贵国内只有一些合资和合作企业使用。,19,I_DEAS,I_DEAS是美国SDRC公司的主要产品，它是一个集CAD/CAM/CAE/PDM于一体的软件产品，以有限元分析功能最强而著称。,SDRC公司成立于1967年，总部位于美国俄核俄洲辛辛那提。该公司现有员工2600多人，在全球18个国家设有78个分支
14、机构。2001年该公司被EDS公司收购。,I_DEAS是最早进入中国市场的CAD软件(1980年)，目前I_DEAS的中国用户有300多家，象湖南有中意、株洲车辆厂，株洲六0八所，株洲331，株洲电力机车研究所等单位。,20,Pro/ENGINEER,Pro/ENGINEER（简称Pro/E)是美国参数化技术公司PTC开发的CAD/CAM软件。是第一套使用3D造型的CAD软件，自PTC公司并购CV（产品CADDS5）公司以后，一跃成为世界第一大三维CAD软件公司。,在我国有较多用户，它采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术，为三维实体造型提供了一个优良的设计平台。其工业设计方案可以直接读取
15、内部的零件和装配文件。当原始造型修改时，具有自动更新的功能。该软件在广东上海等地应用广泛。,该软件与其它高档CAD系统相比其模具功能有较强的优势。,21,Unigraphics,Unigraphics(UG)起源于美国麦道飞机公司，采用Parasolid核心构架，并于1991年并入美国通用汽车公司EDS(电子资讯系统有限公司)。EDS是世界第三大CAD软件开发公司，总部设在美国圣.路易斯市。UG软件为EDS公司的四大主要产品(UG、ParaSolid、iMAN、Solid Edgs)之一，汇集了美国航空航天及汽车工业的专业经验，现已发展成为世界一流的集成化机械CAD/CAM/CAE软件。,可支持多种硬件平台，在小型机、工作站和微机上均可运行。广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械和模具领域。许多世界著名公司选定UG为企业CAD、CAM和CAE的标准。美国通用汽车公司、波音飞机公司、贝尔直升机公司、英国宇航公司，普惠发动机公司LG电子都以UG作为产品开发的软件平台。,UG软件自1990年进入中国市场以来，迅速赢得了广大的中国CAD/CAM用户，在我国沿海开发城市应用非常广泛。目前UG软件拥有中国用户1000多家，装机5000多台套，已成为我国高档CAD/CAM/CAE系统的主流产品。如春兰、科龙、海尔、海信、小鸭、华室、康佳和长虹集等家电行业均采用UG。,
