第第4 4章章 计算机辅助计算机辅助设计设计(1)(1)Ⅳ Computer Aided DesignComputer Aided Design( CAD ) ( CAD )内容简介内容简介第第4 4章章 计算机辅助设计计算机辅助设计( (CADCAD) )计算机辅助设计计算机辅助设计（（CADCAD））是现代产品设计现代产品设计中广泛采用的现代设现代设 计方法计方法和手段手段它在产品设计中的应用，不仅能显著提高产品的设设 计质量计质量，而且可以大大缩减产品的设计周期设计周期本章本章主要介绍了如下方面内容如下方面内容：● CAD的基本概念、发展概况、发展趋势 ● CAD系统的系统的组成及功能● 工程数据的处理方法及CAD程序编制● 机械工程数据库的创建与应用● 计算机图形处理与三维造型● 专用机械CAD系统的开发及应用4.1 概述 4.1.1 CAD技术的基本概念计算机辅助设计计算机辅助设计，即英文Computer Aided DesignComputer Aided Design，简称CADCAD它是一种利用计算机硬、软件系统辅助设计者对产品进行规划 、 分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件等设计活动的 总称。
这一技术的特点：它将设计人员设计人员的思维、综合分析和创造能力与计算机计算机的高速运 算、巨大数据存储和快速图形生成等能力很好地结合起来，来完成 设计工作因此，CADCAD是一个人机结合的设计系统在这个系统中，它充 分利用设计者和计算机的各自优点来完成设计工作CAD是一种十分重要的现代设计方法，也是一门多学科综合应 用的新技术 CADCAD技术技术是现代设计方法及手段的综合体现计算机辅助设计计算机辅助设计（（ CADCAD ））涉及以下一些基础技术：1) 1) 图形处理技术图形处理技术 如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图 形输入、输出技术2) 2) 工程分析技术工程分析技术 如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等3) 3) 数据管理与数据交换技术数据管理与数据交换技术 如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等 4) 4) 文档处理技术文档处理技术 如文档制作、编辑及文字处理等5)5)软件设计技术软件设计技术 如窗口界面设计、软件工具及软件工程规范 等CADCAD这一术语这一术语，目前已广泛见于世界各种科技文献资料各种科技文献资料中，因而 已成为世界性的通用术语通用术语。
随着计算机技术的迅猛发展， CADCAD技术技术已广泛应用于机械、电子 、建筑、土木工程、航天、纺织等众多领域应用CADCAD技术技术来进行产品设计，能使设计、生产、维修工作快 速而高效率地进行，所带来的经济效益是十分明显的例如：例如：过去生产一个大规模集成电路芯片，要花两年时间，用 CAD只要两周即可完成英国的三叉戟飞机比美国的波音747飞机早开工，却晚一年完成， 其原因就是美国的747采用了CAD技术美国GM公司汽车设计中应用CAD技术，使新型汽车的设计周期 由 5 年缩短为 3 年，新产品的可信度由 20﹪ ﹪ 提高到 60﹪ ﹪ 4.1.2 CAD技术的发展简史CAD技术诞生于 20世纪 50年代，至今已有 50 多年的发展历史， 这一技术主要经历了如下几个发展时期：Ø 孕育形成时期（20世纪50年代） Ø 进入实际运用时期（20世纪60年代） Ø 成熟达到完全实用时期（20世纪70年代） Ø 广泛运用时期（20世纪80年代）CAD技术所经历的这几个重要发展阶段如下表4-a所示：阶 段时 间特 点孕育形成阶段20世纪 50年代提出CAD设想， 为CAD应用进行硬、软件准备。
研制成长阶段20世纪 60年代研制成功实验性CAD系统， 其中：有代表性的是美国GM公司和 IBM公司开发的汽车前 窗玻璃线型设计DAC-1系统，美国贝尔实验室用于印刷电路设计的CAD系统技术商品化 阶段20世纪 70年代CAD开始实用化， 从二维的电路设计发展到三维的飞机、汽车、造船等设计， 出现了许多开发CAD系统的公司，如CV、Calma、Intergraph、Applicon、IBM等高速发展阶段20世纪 80年代由于解决了三维几何造型、仿真等问题，应用范围不断扩大 ，大中型系统向微型化发展； 出现了应用极广的微机CAD系统和性能优良的工作站CAD系 统全面普及阶段20世纪 90年代随着CAD技术的发展，性能提高，价格降低， CAD开始在设计领域全面普及，成为必不可少的设计工具表4-a CAD技术发展的基本阶段及特点4.1.3 CAD 系统的功能及CAD设计的特点最近10年是CADCAD高速发展与广泛应用的时代，许多行业（如机械 、电子、航空、船舶、建筑等）已普遍接受CAD技术CADCAD技术技术具有高智力、高效益、知识密集 、更新速度快 、综合性 强等优点CADCAD技术技术的主要应用有以下几方面：► 科学计算与分析能进行各种复杂的设计计算、性能分析以及评价经济； ► 工程分析常见的分析有：有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学分析等。
此外，针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分析 问题,如注塑模设计中要进行塑流分析 、冷却分析 、变形分析等 ► 图形处理如二维、三维图形生成、显示与修改，自动绘图；► 图形仿真进行二维和三维的运动仿真、结构仿真，功能模拟；► 数据处理有完善的数据库系统，能对设计、分析、绘图等所使用的大量 数据进行存取、查找、比较、综合等处理；► 编制设计文档或生成报表能制订各种技术文件，如文档制作、编辑及文字处理等► 参数化设计标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变， 采用参数化设计的方法建立图形程序库，设计时直接调出图形库中的 零件图，并赋予一组新的尺寸参数便可生成一个新的图形CADCAD设计设计具有如下主要特点主要特点：► 充分应用各种先进的现代设计方法在设计过程中能广泛使用有限元分析、优化设计、可靠性设计及 动态分析等先进设计及分析手段；比传统的边设计、边试验，直到设计后期才能弄清产品性能的做法要科学、省时、省力得多► 充分利用图形系统和数据库的功能► 提高设计效率 利用CAD技术，使结构设计和工程制图的速度大大提高，尤其对 复杂零件的设计可以无级缩放，分级设计，加快了设计进程。
► 修改设计方便 只需对已存储的图样做局部修改就成为新图，某些先进的辅助设 计系统中，修改了装配图，则零件图随之自动修改，反之亦然► 设计与分析统一系统有一个描述产品模型的数据库，通过分析，设计者可以预知产品的性能► 易于实现产品数据的标准化企业的产品数据，包括设计、图文、技术文档等，实现标准化管 理，有利于企业积累产品资料、继承历史的知识财富，并方便产品数 据的存储、传递、转换和理解► 有利于实现无图纸化生产CAD技术为实现CAD/CAM的集成和CIMS （计算机集成制造）提供了基础Ø 提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本； Ø 从而加快了产品更新换代的速度； Ø 使企业保持良好的竞争力总之，采用CADCAD技术技术可以：4.1.4 CAD技术的发展趋势随着科学技术的飞速发展，特别是计算机技术的的飞速发展与 应用，使 CADCAD技术技术在软件方面的发展趋势将体现在以下几个方面：Ø 集成化 Ø 智能化 Ø 标准化 Ø 可视化 Ø 网络化1. 集成化为适应设计与制造自动化的要求，特别是适应计算机集成制造 系统（CIMS）的要求，进一步提高集成水平集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向。
2. 智能化现有的CADCAD技术技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计 算、分析与绘图然而在设计活动中存在另一类符号推理工作，包括方案构思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策，以及参数选择等等 这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决因此将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技 术结合起来，形成智能化智能化CADCAD系统系统是CAD技术发展的必然趋势3. 标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性 迄今已制定了不少的标准，例如：随着技术进步，新标准新标准还会出现，基于这些标准推出的有关软件是一批宝贵的资源，用户的应用开发常常离不开它们更为重要的是有些标准还指明了CAD技术进一步发展的道路，例如STEP既是标准，又是方法学，由此构成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模、数据管理及外部接口等Ø 面向图形设备的标准CGI，Ø 面向用户的图形标准GKS，Ø 面向不同CAD系统的数据交换标准STEP等4. 可视化随着计算机软硬件水平的提高，可以逐步为设计者提供更加逼真 的设计环境，更利于将概念设计转换到几何模型可视化可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将设计过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图形或图像，容易发挥人们的创造力。
5. 网络化计算机网络计算机网络可以通过通信线路将各自独立的、分布于各处的多台计算机相互连接起来，这些计算机彼此可以通信，从而能有效地共享资源并协同工作在CAD应用中，网络技术的发展，大大地增强了CADCAD系统系统的能力，而没有网络的计算机简直是不可想象的 ，更不用谈集成化4.2 CAD系统一个完整的CADCAD系统系统是由CAD系统的硬件和软件两个方面所组 成CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果CAD系统的组成包括：q CAD系统的硬件q CAD系统的软件4.2.1 CAD系统的硬件CADCAD系统的硬件系统的硬件是指：计算机系统计算机系统中的全部可以感触到的物理装 置，它包括各种规模和结构的计算机、存储设备以及输入、输出设备等 几个部分目前，CADCAD系统系统的硬件组成，如下图4-a 所示 图2-a CAD系统的硬件由上图可见，CAD系统所用的硬件一般包括：§ 计算机主机及外围设备 § 图形输入设备 § 绘图输出设备 § 图形显示设备1. 计算机主机及外围设备计算机主机及外围设备是CAD系统硬件的重要组成部分● ●计算机主机 ● 外存储器● 计算机网络它包括：● ●计算机主机 计算机主机是整个计算机系统的核心，它由两部分组成：● 外存储器外存储器与内存的区别在于它是设置在计算机主机之外。
与内存相比，其容量大，但存取速度慢当需使用外存信息时，由操作系 统根据命令调入内存外存储器常见种类有：磁带机，磁盘机，移动硬盘和，磁盘机，移动硬盘和光盘等● 计算机网络中央处理器（CPU）包括：控制器和运算器：控制器：指挥和协调整个计算机的工作，包括负责解释指令、控制指令的执行顺序、访问存储器等运算器：负责执行指令所规定的算术和逻辑运算主存储器：用来存放指令和数据它一般包括：：ROM和和RAM两部分§ 中央处理器（CPU） § 主存储器（或称内存）2. 图形输入设备计算机计算机及外存储器外存储器是通过输入输入、输出设备出设备与外界来沟通信息的所谓输入输入，就是把外界的信息变成计算机能够识别的电子脉冲， 即由外围设备将数据送到计算机内存计算机内存中所谓输出输出，就是将输入过程反过来，将计算机内部编码的电子脉 冲翻译成人们能够识别的字符或图形，即从计算机的内部将数据传送 到外围设备能够实现输入操作的装置就被称作输入设备输入设备，CAD系统所使用的 输入设备主要包括：§ 键盘 § 光笔 § 图形输入板 § 数字化仪 § 鼠标器 § 扫描仪 § 声音输入装置等3. 绘图输出设备能够实现输出操作的装置便称作输出设备输出设备，CAD系统所使用的输 出设备主要包括：打印机、绘图仪等。
打印机：能打印字符文件，又能打印图形。