第一章CAD技術概論本章目的：了解CAD基本概念了解CAD發展歷史和作用了解傳統設計過程與CAD設計過程的特點了解CAD發展趨勢§1.1傳統的機械設計過程§1.2機械CAD過程§1.3CAD的基本概念§1.4CAD技術的發展歷程§1.5CAD系統的功能與任務§1.6CAD技術的應用§1.7CAD技術的發展趨勢第一章概論1.1傳統的機械設計過程

機械設計就是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、結構形狀、運動方式、力和能量的傳遞、以及所用材料等事項，并轉化為具體的描述，例如圖紙和設計文件等，以此作為制造的依據。

機械設計是產品從需求分析、設計、制造、銷售、使用和回收整個產品全生命周期中的一個重要環節，對產品成本的影響占80％。

1.1傳統的機械設計過程市場需求調查提出開發計劃設計任務書功能分析尋求解決方案擬訂總體布局機械運動方案設計原理方案圖主要尺寸及參數設計總體結構設計裝配圖零部件結構設計零件圖技術文檔產品規劃階段(需求分析)方案設計階段（概念設計）技術設計階段（詳細設計）調查研究、分析用戶需求、收集資料，在此基礎上確定產品功能，提出需求報告構思方案，分析和論證，獲得的原理性方案，確定設計大的框架，主要設計參數分析計算與優化確定對象的細部結構，完成裝配圖和零件圖的繪制，編寫技術文件傳統設計工具：繪圖板，計算器（尺）產生設計藍圖1.1傳統的機械設計過程傳統機械設計過程的特點：每一環節靠手工完成；設計方案靠經驗，方案少，不優化；不能進行復雜的力學分析，難以按動態的、精確的的方法計算，容易出錯；大部分時間在零件圖、裝配圖上，可重用性差；設計周期長、效率低。1.1傳統的機械設計過程計算機輔助設計(CAD)的產生詳細設計的終結并不意味著最終獲得了一個好的設計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，會返回大量信息，需要對產品進行不斷修改機械設計是一個“設計——評價——再設計”的反復迭代、不斷優化的過程在人工設計情況下，存在許多的缺點，因此實現某種程度的設計自動化，縮短設計周期，降低設計成本，提高設計質量，就成為機械設計發展的迫切要求，正是在這樣的背景下產生了計算機輔助設計(ComputerAidedDesign)1.1傳統的機械設計過程1.2機械CAD工作過程輔助工具、組件應用數據庫CAD設計工具各種CAx軟件工具：

CAD（2D、3D）

CAE、CAPP、CAM等1.2機械CAD工作過程CAD作業過程的特點設計工具軟件化（CAx）強有力的計算、圖形、數據處理能力設計、分析綜合，性能選優提高了設計精度和可靠性信息共享、資源共享、設計過程共享設計效率高、周期短1.3CAD的基本概念20世紀60年代的觀點科學計算和分析或計算機控制繪圖機繪制出工程圖1967年，美國學者D.T.ROSS的定義把設計者與計算機結合為一個問題求解組，使之較各自單獨工作時能更有效地達到設計問題的目標1972年，國際信息處理聯合會的定義CAD是一種技術，其中人與機（計算機）結合為一個問題求解組，緊密配合，發揮各自所長，從而使其工作優于每一方，并為應用多學科的方法的綜合性協作提供了可能1.3CAD的基本概念CAD是用計算機硬、軟件系統輔助人們對產品或工程進行設計、修改、分析和優化的一種設計方法。在CAD系統中人與計算機密切合作，在不同的方面人與計算機充分發揮各自的特長，因此CAD系統是一個人機結合的系統。CAD技術是一門多學科的綜合性應用新技術，它涉及到以下基礎技術：圖形處理技術工程分析技術數據管理與數據交換技術

文檔處理技術

軟件設計技術

1.3CAD的基本概念CAD含義的衍生：CAD技術不斷發展，不同領域對CAD技術的應用程度不同，對CAD技術的含義的理解也略有差異。ComputerAidedDrafting(畫圖)ComputerAidedDesign(設計)ComputerAidedDevelopment(集成)狹義定義與廣義定義CAD:Computer-AidedDesignCAM:Computer-AidedManufacturingCAPP:Computer-AidedProcessPlanningCAD/CAM：設計制造一體化1.3CAD的基本概念從產品的誕生過程理解CAD的概念1.3CAD的基本概念從制造的概念理解CAD的概念1.3CAD的基本概念1.4CAD技術的發展歷程提出：1959年美國麻省理工學院（MIT）召開的CAD規劃會議。實施：1963年MIT小組在美國計算機聯合會年會上發表了CAD方面的五篇論文給工程技術界以很大的震動,也由此CAD技術得以出現,并進入了實施階段。1.4CAD技術的發展歷程1、孕育形成階段（20世紀40年代—50年代末）特點：真空管計算機；機器語言；編制程序設計變壓器、電動機、發電機等；美國、歐洲、日本；2、成長發展階段（20世紀50年代末—60年代）特點:晶體管式計算機取代真空管式計算機高級語言(FORTRAN,ALGOL,COBOL）文件系統(數據管理)（60年代初）磁帶、磁鼓、磁盤（數據存儲)CRT+光筆的圖形顯示系統交互式圖形生成技術(人機交互，1953）I.E.Sutherland“人機圖形通信系統”SKETCHPAD發展很快，但規模大，價格昂貴存儲管式顯示器。3、開發拓展階段（20世紀70年代—80年代）特點：計算機已進入大規模集成電路時代；數據處理技術已從文件系統發展到數據庫系統，系統具有統一的數據結構和內部數據庫；

幾何造型技術已經成熟；有較好的集成，實現了CAD/CAE/CAM的集成；出現特征建模及二、三維參數化設計系統。

4、應用普及階段（20世紀90年代以后）特點：廣泛采用了特征造型和基于約束的參數化和變量化造型方法，并向集線框、表面、實體造型統一表示的非流形形體造型發展；由單機或局部分布式聯網工作方式向基于網絡的設計發展。1.4CAD技術的發展歷程1952MIT的第一臺數控銑床1955APT語言1958鏜銑加工中心1962第一臺機器人、DNC直接數控1967柔性制造系統1969基于零件分類的AUTOPROS

檢索式CAPP派生式CAPP1977創成式CAPP1980S基于專家系統的CAPP1970S提出集成的需求與概念1980S研究與發展出現集成化、商品化軟件系統CAD技術的發展

2D繪圖3D設計工程分析數字樣機集成平臺目前國際知名CAD軟件公司CATIA（整體方案）UG（整體方案）Pro/E（整體方案）AutoCAD(二、三維設計)高檔：CATIA、UG中檔：Pro/E低檔：Solidworks、Solidedges、Inventor二維：AutoCADCAD在我國清華、華科大、浙大、北航等華中科技大學：天喻InteCAD、InteSolid，KMCAD等

清華：TiOpenCAD，TiGEMS等北航海爾：CAXA，金銀花等浙大大天：ZDDS新洲軟件：Solid2000技術、市場份額與國外差距很大1.5CAD系統功能與任務1.圖形顯示功能2.輸入輸出功能3.存儲功能4.交互功能基本功能：1.5CAD系統功能與任務1.幾何造型2.計算分析3.工程繪圖4.結構分析5.優化設計主要任務：6.計算機輔助工藝設計7.NC自動編程8.模擬仿真9.工程數據庫管理CAD/CAM的基本功能1.5CAD系統功能與任務1.6CAD技術的應用1.縮短產品開發周期2.提高產品設計質量3.降低生產成本4.提高管理水平優越性：1.6CAD技術的應用可重用性好，效率高（對拷貝進行簡單修改）信息、知識及資源共享（通過網絡）支持協同產品開發（通過網絡），多學科專家協作3D設計更直觀，能直接進行產品性能分析與優化，有利提高產品質量提供復雜計算，計算精度高，減輕設計強度有利于產品全生命周期的信息集成特點：1.6CAD技術的應用過去生產一個大規模集成電路芯片，要花兩年時間，用CAD只要兩周即可完成；美國道格拉斯公司生產F15戰斗機，用CAD技術試制第一架飛機便解決了發動機氣道和機艙密封等關鍵問題；英國的三叉戟飛機比美國的波音747飛機早開工，卻晚一年完成，其原因就是美國的747采用了CAD技術；美國GM公司汽車設計中應用CAD技術，使新型汽車的設計周期由5年縮短為3年，新產品的可信度由20％提高到60％；以前波音公司的飛機維修手冊最在一起有3米多厚，而現在一張光盤上可儲存l000多張圖樣信息。CAD技術帶來的經濟效益明顯,CAD技術的發展與應用水平已成為衡量一個國家的科學技術現代化和工業現代化的重要標志之一1.7CAD技術的發展趨勢CAD/CAPP/CAM/CAE/PLM/ERP/MES/SCM集成PDM（ProductDataManagement，產品數據管理）PLM（productlifecyclemanagement產品生命周期管理）ERP（EnterpriseResourcePlanning，企業資源計劃）SCM（Supplychainmanagement，供應鏈管理）MES(ManufacturingExecutionSystem,工廠制造執行系統)CRM(CustomerRelationshipManagement，即客戶關系管理)計算機集成制造系統CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)集成化、智能化、網絡化、標準化集成化1.7CAD技術的發展趨勢提高集成水平是CAD/CAM系統發展的一個重要方向,必須在以下幾方面提高水平：

從傳統的實體造型到參數化特征造型的轉變必須有自己統一的數據庫及其管理系統解決好不同CAD系統間產品模型數據的轉換問題集成系統內部應該包括種類更多、功能更為完善的設計與制造應用軟件解決好網絡通信問題，使不同節點及不同地區的用戶能夠協同工作CAXPLMPKM產品集成設計開發過程應用CAD/CAM系統進行產品開發的過程通過數據庫集成CAD、CAM和CAE1.7CAD技術的發展趨勢網絡化提供多學科領域開發團隊的協同產品開發支持跨部門、跨行業、跨地域的企業協作提供數據共享、知識共享、資源共享2發展方向BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德國法國英國西班牙空客A380在4國進行協同研制CADCAECAMCADCAECAM研制

ERPSCMSCMERP數據/BOM表

項目

需求CPC平臺機艙內裝飾前后機身駕駛艙和中段機翼發動機機架垂直尾翼水平尾翼BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德國法國英國西班牙機艙內裝飾前后機身駕駛艙和中段機翼發動機機架垂直尾翼水平尾翼

空中客車在4國進行異地專業化聯合設計，之后分別在這4個國家的多家生產基地進行異地專業化制造，最后在法國的圖盧茲和德國的漢堡進行最后的總裝配。空中客車公司的采購網絡遍布全球30個國家，有1500家以上的供應商加盟，為了保證整個供應鏈采購信息的及時溝通，空客建立了采購門戶網站，使空客實現了采購過程的和諧化、自動化和簡化，并加強了與供應商之間的合作。

空中客車公司由歐洲航空防務及航天公司和英宇航系統公司共同擁有，擁有最先進的產品和最齊全的生產線。總部位于法國圖盧茲的空中客車公司，設計機構和工廠屬于四個全資子公司：空中客車法國公司、德國公司、西班牙公司、英國公司。1.7CAD技術的發展趨勢智能化現有的CAD技術在機械設計中只能處理數值型的工作，包括計算、分析與繪圖在設計活動中存在另一類符號推理型工作將人工智能技術，特別是專家系統的技術，與傳統CAD技術結合起來，形成智能化CAD系統是機械CAD發展的必然趨勢。需求方案設計建模分析改進1.7CAD/CAM技術的發展趨勢標準化

七十年代末八十年代初，為避免不同應用系統之間點對點的網型數據轉換對多種數據轉換接口開發的要求,國際上許多國家和組織機構對數據交換標準進行了大量的研究、制定工作，誕生了許多區域性的標準。

面向圖形設備的標準CGI面向用戶的圖形標準GKS,OPENGL面向不同CAD系統的數據交換標準IGES和STEP