1、計算機輔助設計技術計算機輔助設計技術機電工程學院 張海軍 博士選用教材選用教材童秉樞童秉樞( (第第3 3版版) )等等. . 機械機械CADCAD技術基礎技術基礎. .北京：清華大學出北京：清華大學出版社版社. 2008. 2008課程介紹課程介紹參考書目參考書目姚英學姚英學 等等. . 計算機輔助設計與制造計算機輔助設計與制造. .高等教育出版社高等教育出版社. . 先修課程先修課程課程介紹課程介紹l 計算機文化基礎計算機文化基礎l C C語言程序設計語言程序設計主要內容主要內容 第一章第一章 CAD/CAM概論概論 第二章第二章 CAD/CAM系統系統 第三章第三章 CAD/CAM軟件開

2、發基礎軟件開發基礎 第四章第四章 圖形處理技術基礎圖形處理技術基礎 第五章第五章 建模技術建模技術 第六章第六章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 第七章第七章 計算機輔助工藝規程設計計算機輔助工藝規程設計 第八章第八章 計算機輔助數控加工編程計算機輔助數控加工編程主要內容主要內容 第九章第九章 計算機輔助質量系統技術計算機輔助質量系統技術 第十章第十章 計算機輔助生產管理與運行控制計算機輔助生產管理與運行控制 第十一章第十一章 CAD/CAM系統集成系統集成第第1章章 CAD/CAM概論概論 1.0 機械設計概述機械設計概述1.1 CAD技術內涵技術內涵1.2 CAD技術的應用技術的應用

3、1.3 CAD技術的發展歷程技術的發展歷程 1.0 引言引言從機械設計談起從機械設計談起1.0.1 機械設計概念機械設計概念 根據使用要求確定產品應該具備的功能，構想出產品的根據使用要求確定產品應該具備的功能，構想出產品的工作原理、運動方式、力和能量的傳遞、結構形狀以及所用工作原理、運動方式、力和能量的傳遞、結構形狀以及所用材料等事項，并轉換為具體的描述（圖紙，文件等），以此材料等事項，并轉換為具體的描述（圖紙，文件等），以此作為制造的基礎。作為制造的基礎。 機械設計是產品設計、制造、裝配、銷售和使用整個生機械設計是產品設計、制造、裝配、銷售和使用整個生命周期中的第一個環節，也是最重要的環節。

4、命周期中的第一個環節，也是最重要的環節。 設計在整個生產周期中所占的比重設計在整個生產周期中所占的比重設計開發設計開發制造制造時間百分比（%)開發設計工作的重要性開發設計工作的重要性開發設計生產準備與加工原材料與外購件的采購管理和銷售010203040506070開發設計生產準備與加工原材料與外購件的采購管理和銷售對成本的影響所需的工時成本1.0.2 機械設計過程機械設計過程n 概念設計概念設計n 初步設計初步設計n 詳細設計詳細設計 機械產品開發設計可大致分成機械產品開發設計可大致分成概念設計、初步設計概念設計、初步設計、詳細設計、詳細設計階段。階段。 v概念設計：概念設計：根據市場需求確定

5、新產品的功能，給出根據市場需求確定新產品的功能，給出新產品的概念性分析模型或草圖。新產品的概念性分析模型或草圖。 v初步設計：初步設計：對概念設計輸出的結果進行方案分析比對概念設計輸出的結果進行方案分析比較，修正概念模型。較，修正概念模型。 v詳細設計：這是產品的真正結構設計階段。由概念模型和分析產生的數據對詳細設計起著重要的指導作用，同時詳細設計的結果也要進行必要的分析，并適時根據需要修改模型。目前的CAD系統大都提供詳細設計手段。 機械產品在經歷了制造加工、樣機測試、批量生產以及銷機械產品在經歷了制造加工、樣機測試、批量生產以及銷售使用后，將返回大量信息，要依據這些信息再對產品進行不售使用

6、后，將返回大量信息，要依據這些信息再對產品進行不斷修改。斷修改。 機械設計是一個機械設計是一個“設計評價再設計設計評價再設計”的反復迭代、的反復迭代、不斷優化的過程。在人工設計情況下，設計周期很長。不斷優化的過程。在人工設計情況下，設計周期很長。 1.0.3 CAD產生的背景產生的背景n 實現某種程度的自動化；實現某種程度的自動化；n 縮短設計周期，提高產品競爭力縮短設計周期，提高產品競爭力n 降低設計成本，提高設計質量。降低設計成本，提高設計質量。 1.1 CAD技術應用與發展概況技術應用與發展概況1.1.1 計算機輔助設計計算機輔助設計(CAD)的概念的概念 CADCAD是工程技術人員與計

7、算機相結合、各盡所長、應用多是工程技術人員與計算機相結合、各盡所長、應用多學科的方法綜合有效地進行問題求解的先進信息處理技術。學科的方法綜合有效地進行問題求解的先進信息處理技術。它把人類的決策判斷、創造能力與計算機的高速運算、信息它把人類的決策判斷、創造能力與計算機的高速運算、信息存儲等功能有機結合起來，從而達到縮短工程產品設計周期、存儲等功能有機結合起來，從而達到縮短工程產品設計周期、提高設計質量的目的。提高設計質量的目的。 計算機輔助設計是一種用計算機硬、軟件系統輔助人們對產品計算機輔助設計是一種用計算機硬、軟件系統輔助人們對產品或工程進行設計的或工程進行設計的方法與技術方法與技術，包括，

8、包括設計、繪圖、工程分析和文設計、繪圖、工程分析和文檔制作等設計活動檔制作等設計活動。 簡單地講，簡單地講，CAD是工程技術人員利用計算機達到最佳的設計是工程技術人員利用計算機達到最佳的設計目的。目的。 性質：它是一種新的設計方法，也是一門性質：它是一種新的設計方法，也是一門多學科綜合應用多學科綜合應用的新的新技術。技術。CAD概念的實質在于：概念的實質在于： （1）人機各盡所長；人機各盡所長； （2）人機交互結合；人機交互結合； （3）最佳設計效率。最佳設計效率。 CAD技術的主要作用如下技術的主要作用如下: （1）提高設計質量和設計效率。）提高設計質量和設計效率。 （2）能夠充分發揮設計人

9、員創造性。）能夠充分發揮設計人員創造性。 （3）縮短產品的設計周期。）縮短產品的設計周期。CAD過程：過程： n 任何設計都表現為一種過程，每個過程都由一系列設任何設計都表現為一種過程，每個過程都由一系列設 計活動組成；計活動組成；n 活動間既有串行的設計活動，也有并行的設計活動；活動間既有串行的設計活動，也有并行的設計活動；n 設計過程中的大多數活動可以用設計過程中的大多數活動可以用CADCAD實現，但并不絕對；實現，但并不絕對；n 將設計過程中能用將設計過程中能用CADCAD技術實現的活動集合在一起就構成技術實現的活動集合在一起就構成 了了CADCAD過程。過程。 CAD CAD系統在設計

10、中承擔的主要工作有系統在設計中承擔的主要工作有數據處理、工數據處理、工程分析、圖形處理與動畫仿真程分析、圖形處理與動畫仿真等等 1. 1. 數據處理數據處理 在設計過程中會產生大量信息，這些信息包括數字、在設計過程中會產生大量信息，這些信息包括數字、字符、符號和圖形等，隨著設計過程的延伸，計算機會對字符、符號和圖形等，隨著設計過程的延伸，計算機會對它們進行存儲、轉換、傳遞等處理。它們進行存儲、轉換、傳遞等處理。 2. 2. 工程分析工程分析 工程分析包括設計參數計算；面積、體積、慣性矩等工程分析包括設計參數計算；面積、體積、慣性矩等物理特性計算；強度、剛度、壽命等校核計算；應力場、物理特性計算

11、；強度、剛度、壽命等校核計算；應力場、變形、溫度場等有限元分析；結構、參數的優化計算。變形、溫度場等有限元分析；結構、參數的優化計算。3. 圖形處理圖形處理 包括二維繪圖、三維實體造型、圖像輸入輸出及識包括二維繪圖、三維實體造型、圖像輸入輸出及識別等。別等。 4. 動畫仿真動畫仿真 利用圖形仿真方法模擬設計對象的動態工作過程。如利用圖形仿真方法模擬設計對象的動態工作過程。如模擬執行部件的運動軌跡；機器人動作仿真；裝配過模擬執行部件的運動軌跡；機器人動作仿真；裝配過程仿真；加工過程仿真程仿真；加工過程仿真 。v提出問題提問：提問：有人說有人說CAD就是計算機繪圖就是計算機繪圖 , 這種說法這種說

12、法對嗎？對嗎？ 三者的區別與聯系三者的區別與聯系三者技術內涵區別三者技術內涵區別 計算機繪圖：是使用計算機繪圖：是使用圖形軟件圖形軟件和和計算機硬件計算機硬件進行進行繪圖繪圖及其有關及其有關標標注注的一種方法和技術。它以擺脫繁重的手工繪圖為主要的目的。的一種方法和技術。它以擺脫繁重的手工繪圖為主要的目的。 計算機圖形學：是研究通過計算機將計算機圖形學：是研究通過計算機將數據轉換為圖形數據轉換為圖形，并在專用，并在專用的設備上顯示的原理、方法和技術的科學。的設備上顯示的原理、方法和技術的科學。三者的聯系三者的聯系 計算機繪圖是計算機繪圖是CG中涉及工程圖形繪制的一個分支，它是一門中涉及工程圖形繪

13、制的一個分支，它是一門工程技術。計算機繪圖不是工程技術。計算機繪圖不是CAD技術的全部內涵，是技術的全部內涵，是CAD技術的技術的基礎之一。基礎之一。CG是一門獨立的學科，它的有關圖形處理的理論與是一門獨立的學科，它的有關圖形處理的理論與方法構成了方法構成了CAD技術的重要基礎。技術的重要基礎。1.1.2 CAD技術的重要應用技術的重要應用 CAD是計算機科學與工程設計學科相結合形成的新是計算機科學與工程設計學科相結合形成的新興技術，是計算機在工程中最有影響的應用技術之一。興技術，是計算機在工程中最有影響的應用技術之一。 CAD技術曾被美國國家工程科學院評為當代十項最杰出技術曾被美國國家工程科

14、學院評為當代十項最杰出的工程技術成就之一。的工程技術成就之一。 無論是軍事工業還是民用工業，無論是建筑行業還無論是軍事工業還是民用工業，無論是建筑行業還是制造加工行業，無論是機械、電子、輕紡行業還是文是制造加工行業，無論是機械、電子、輕紡行業還是文體、影視廣告行業等都離不開體、影視廣告行業等都離不開CAD技術。技術。CAD技術是企技術是企業界爭奪市場份額和生存發展不可缺少的手段。業界爭奪市場份額和生存發展不可缺少的手段。 在制造業中的應用：如波音在制造業中的應用：如波音777飛機是世界上第一架實飛機是世界上第一架實現無紙設計與制造的飛機。現無紙設計與制造的飛機。 在工程領域中的應用：如建筑設計

15、在工程領域中的應用：如建筑設計CAD、電子沙盤；機、電子沙盤；機械設計械設計CAD等。等。 仿真模擬和動畫制作：在電影制作中的成功應用，如仿真模擬和動畫制作：在電影制作中的成功應用，如“未來世界未來世界”、“玩具總動員玩具總動員”、“侏羅記公園侏羅記公園”等等 在輕工行業的應用：如模具在輕工行業的應用：如模具CAD和服裝和服裝CAD等。等。 在醫學中的應用：在醫學中的應用： 計算機輔助手術規劃和手術模擬。計算機輔助手術規劃和手術模擬。 在電子電路中的應用：超大規模集成電路的設計制造。在電子電路中的應用：超大規模集成電路的設計制造。 我國科學技術部在我國科學技術部在CAD應用工程應用工程2000

16、年規劃綱要中指年規劃綱要中指出：出：“到到2000年，在國民經濟主要部門的科研、設計單位年，在國民經濟主要部門的科研、設計單位和企業中全面普及推廣和企業中全面普及推廣CAD技術，實現技術，實現甩掉圖板甩掉圖板（指（指傳統設計中的描圖板），提高智能勞動效率，推廣我國傳統設計中的描圖板），提高智能勞動效率，推廣我國CAD市場，扶持發展以市場，扶持發展以CAD為突破口的我國自主創新的軟為突破口的我國自主創新的軟件產業，建立起我國的件產業，建立起我國的CAD產業產業”。 到到2000年，我國機械制造業應用年，我國機械制造業應用CAD技術的普及率和技術的普及率和覆蓋率均達覆蓋率均達70%以上；工程設計行

17、業以上；工程設計行業CAD技術的普及率和技術的普及率和覆蓋率均達覆蓋率均達100%。CAD技術在我國工程和產品設計的一些應用實例：技術在我國工程和產品設計的一些應用實例：（1） 沈陽變壓器廠用沈陽變壓器廠用CAD技術輸出三峽工程項目三維彩色技術輸出三峽工程項目三維彩色產品設計圖和計算機分析的數據，從而贏得了三峽工程的招產品設計圖和計算機分析的數據，從而贏得了三峽工程的招標項目。標項目。（2）瀘東造船廠應用）瀘東造船廠應用CAD技術后，生產技術準備周期縮短技術后，生產技術準備周期縮短1/3以上，造船的設計開發能力提高一倍。以上，造船的設計開發能力提高一倍。（3）西北電力設計院用）西北電力設計院用

18、CAD系統建渭河電廠主廠房三維模系統建渭河電廠主廠房三維模型，對該廠原設計方案自動校驗，共查出型，對該廠原設計方案自動校驗，共查出6處隱藏在圖紙中處隱藏在圖紙中的錯誤，當即進行了修改。的錯誤，當即進行了修改。（4）寰球化工工程公司應用）寰球化工工程公司應用CAD技術，在盤綿乙烯裝置工技術，在盤綿乙烯裝置工程中，進行碰撞檢測后，使程中，進行碰撞檢測后，使95%以上的錯誤得以糾正，在總以上的錯誤得以糾正，在總長長20多萬米的管道設計中，施工結束后剩余鋼管不到多萬米的管道設計中，施工結束后剩余鋼管不到10米。米。1.1.3 CAD技術應用實例圖示技術應用實例圖示1.1.4 CAD技術發展歷程技術發展

19、歷程 CAD技術隨著計算機及其外圍設備、圖形輸入輸出設備、技術隨著計算機及其外圍設備、圖形輸入輸出設備、軟件技術的發展而發展。軟件技術的發展而發展。（1）準備和誕生時期（）準備和誕生時期（20世紀世紀5060年代）年代） 電子管計算機電子管計算機 1950 MIT 能夠顯示簡單圖形的圖形顯示器能夠顯示簡單圖形的圖形顯示器 1958 Calcomp 滾筒式繪圖機滾筒式繪圖機 20世紀世紀50年代末年代末 SAGE戰術防空系統戰術防空系統 （2） 蓬勃發展和進入應用的時期（蓬勃發展和進入應用的時期（ 20世紀世紀60年代）年代） 1962，Ivan Sutherland 研究出了研究出了Sketchpad交互式交互式圖形系統。圖形系統。 計算機及圖形設備價格昂貴，技術復雜。計算機及圖形設備價格昂貴，技術復雜。 計算機圖形學的發展，如計算機圖形學的發展，如Coons曲面曲面 。（3）廣泛應用時期（）廣泛應用時期（ 20世紀世紀70年代）年代） 集成電路用于計算機，使計算機平臺的性能大為提高。集成電路用于計算機，使計算機平臺的性能大為提高。 出現了以小型計算機為平臺的出現了以小型計算機為平臺的CAD系統。系