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1、计算机辅助设计与制造技术第一单元 CAD基本理论第一章 、CAD/CAM技术理论基础第一节 、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
2、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索和研究，使其更加完善。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。Slat
3、terback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
4、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。第二节 、CAD/CAM技术发展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
5、各个阶段要以图形显示出各阶段的设计结果。所以，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
6、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
7、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
8、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，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
9、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/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
10、功能和规模。80年代中期后，这种以工作站为基础的CAD/CAM系统发展很快，其功能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
11、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
12、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、有步骤地在全国各地CAD/CAM培训基地，对有关人员CAD/CAM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。第三节 、CAD/CAM系统的组成及基本类型一般讲，一个CAD/CAM
13、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。图1、CAD/CAM系统的基本结构图2、CAD/CAM系统硬件配置图3、CAD/CAM系统软件配置由于使用要求不同，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CA
14、D/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，但要符合特殊功能的要求。按组成CAAD/CAM系统所用的计算机类型的不同，一般可以分为四类：（1） 大型机CAD/CAM系统该系统一般采用具有大容量的存储器和极强计算功能的大型通用计算机为主机，一台计算机可以连接几十至几百个图形终端和字符终端及其它图形输入和输出设备。主要优点是：系统具有一个大型的数据库，可以对整个系统的数据实行综合管理和维护；计算速度极快。主要缺点是：如果CPU失效，则整个用户都不能工作；由于计算机数据库处于中央位置，计算机数据容易被破坏；终端距离不能太远；随着计算机的总负荷增加，系统的响应速度将降低。该
15、系统一般都用在大型的飞机制造和船舶制造等公司。系统的成本很高，一般中小型企业不可能承受。有代表性的主机如DEC公司的VAX8800和VAX9000系列；IBM公司43XX、30XX和3090E系列等大型机等，系统的应用软件主要有美国洛克希德公司的CADAM和麦道公司的UGII及法国索达公司的CATIA等。（2） 小型机CAD/CAM系统生产、制造这类系统的厂商很多，如美国的CV，Intergraph，Calma，Application，Autotrol，Unigraphics等公司。在它们中间生产的产品大致可以分为两种类型。CV公司生产的是属于全封闭系统。该公司曾投入了大量的人力和物力进行硬件
16、和软件的开发。CADDS 4系统就是一个典型代表。当时，这类产品在世界上的销量相当大。另外一些厂商，如Intergraph，Application，Unigraphics，Calma等公司，它们采用了与CV公司完全不同的策略，即选择通用的计算机，如VAX和MicroVAX等计算机作为系统的硬件环境，有时它们也自己研制和生产一些专用的图形处理设备和高性能的图形显示器。这类系统的优点是软件的移植性较好，用户有较大的主动权，而且软件的研制者不必在硬件生产上分散精力。后来CV公司也逐步改变了自己的策略，逐渐向具有兼容性的硬件环境方向发展。通过使用，人们逐渐发现了这类小型机系统有一定的局限性。如系统的计算能力差，它的扩充能力也受到限制等。而且，不同系统之间的数据存储格式不相同，影响不同系统之间的数据交换。80年代中期，由于分布式工作站的问世和异种机之间联网技术的发展，促进了这种独立系统向开放式系统发展，而系
