CAD在机械设计中的应用现状与发展趋势

长春市南关区卫星路5151-1号瑞阳广场3号楼1单元2102室Tel：0431－84651766CAD在机械设计中的应用现状与发展趋势发表时间：2007-11-24王利华张振军来源：万方数据关键字：CAD机械设计智能设计虚拟现实技术从CAD技术的产生和发展入手,阐述了CAD的概念、构成、功能和优势.国内在将二维CAD及其软件用于低层次的绘图很普及,但自主开发的三维CAD系统还未成熟.在建模理论及算法、产品数据管理、对以CAD/CAPP/cCAM和ERP等有机集成方面的研究尚待深入.指出新一代的图形交互技术、智能CAD技术、虚拟现实技术等是发展方向.CAD的定义有一个从狭义片面到全面的发展过程，有的人认为，在工程设计中使用计算机进行科学计算和分析就是CAD，或者利用计算机控制绘图机绘制出工程图纸就是CAD，这些对CAD的理解都是片面的，因为它不能充分揭示CAD的内涵和本质，使CAD的应用始终处于一个初级状态。1CAD技术的产生和发展20世纪50年代初，CAD技术诞生并处于被动式的图形处理阶段，也是CAD技术的准备和酝酿时期。进入20世纪60年代，提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础，同时也相继出现了许多商品化的CAD设备。1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统，出现了全面向中小企业的CAD/CAM商品化系统，同时也意味着CAD技术进入广泛使用时期。20世纪80年代，CAD技术进入了突飞猛进的发展时期，在这个时期，CAD/CAM技术从大中企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。到了20世纪90年代，CAD技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，微机加视窗95/98/2000/NT操作系统与工作站加LINIX操作系统，在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台。因此现在的CAD技术和系统都具有良好开放性，图形接口、图形功能日趋标准化，在CAD系统中，综合运用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术，从而大大提高了自动化设计程度，出现了智能CAD新学科。2CAD技术概述2.1CAD概念CAD是ComputerAidedDesign的简称，即计算机辅助设计，是由计算机完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图、编制技术文件等工作，由计算机辅助设计人员完成产品的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图纸的一种机械设计方法。它是最近几十年来迅速发展起来并得到广泛应用的多学科综合性的新技术。1973年，国际信息处理联合会给CAD下了一个更广义的解释：“CAD是将入和机器混编在解题专业中的一种技术，从而使入和机器的最好特性联系起来。”CAD技术的应用适应了当前产品需提高设计质量，快速更新换代的需求。2.2CAD系统的构成长春市南关区卫星路5151-1号瑞阳广场3号楼1单元2102室Tel：0431－84651766CAD技术集中体现在CAD系统上，CAD系统是用户最终用来实现设计思想、加速产品和工程设计的信息化工具，从其体系结构上讲，可分为三个层次：即基础层、支撑层和应用层。基础层由计算机、外围设备和系统软件构成；支撑层包含计算机分析软件、数据库管理系统软件、网络服务软件和集成化CAD/CAM/CAE软件等；应用层针对不同应用领域的需求有各自的CAD专用软件来支持相应的CAD工作，目前各种机械CAD软件开发和应用层出不穷，显示出强大的生命力和广阔的发展前景。2.3CAD的功能一个比较完善的CAD系统应具备以下基本功能：(1)科学计算与分析功能，能够完成产品常规设计、优化设计、可靠性分析、有限元分析、动态分析及数字仿真模拟等科学计算。(2)图形处理功能：如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。(3)数据管理与数据交换功能：如数据库管理，不同CAD系统间的数据交换和接口功能等。(4)其它功能：如进行文档制作，编辑及文字处理功能，软件设计功能和网络功能等。2.4CAD与传统设计的比较CAD包含了从产品的方案决策、结构设计、性能分析、功能仿真一直到工艺设计的全部过程。传统设计，人工处理信息不要求形式化的表示方法，设计入员可以在非形式化的情况下工作，而CAD系统要求恰好相反；传统设计过程的支撑环境是文具、图纸和手册资料，而CAD系统则要求有一定的计算机硬件环境和软件支撑系统；CAD系统与传统设计过程也不尽相同。大量实践证明，CAD与传统设计相比，具有明显的优越性。CAD应用显著提高设计效率，缩短设计周期，提高设计质量，使部门间信息交流更迅速、可靠，便于设计与分析工作模式的统一，且有利于产品的标准化、系统化和通用化。3AutoCAD在机械设计中的应用CAD系统软件分为两大类：一类是支撑软件，如计算机操作系统、程序设计语言、图形支撑系统等，另一类为应用软件，它包括工程应用图形库、常用数学方法库、典型机械零件设计及绘图程序库，面向产品的工程数据库，面向产品的工程分析程序库和产品性能计算机仿真程序。应用软件是CAD的核心，常用的CAD软件很多，如美国AutoDesk公司开发的AutoCAD、美国SDRC公司推出的I-DEASMasterSeriess、美国PTC公司开发的Pro/Engineer、法国MATRA公司开发的EUCLID以及我国自主开发的PICAD、高华CAD，开目CAD和CAXA等等，其中AutoCAD系统是美国AutoDesk公司为微机开发的一个交互式绘图软件，它具有较强的绘图、编辑剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能，同时也具有部分的三维作图造型功能。它是目前世界上应用最广的CAD软件，其功能强大，完全是专业级的机械绘图软件，国内大部分高校、工厂都普及了AutoCAD的教学和应用。AutoCAD可以完成专业机械图的绘制，包括简单机械零件图的绘制、简单机械装配图的绘制、显示视图和长春市南关区卫星路5151-1号瑞阳广场3号楼1单元2102室Tel：0431－84651766创建文本、标注一张机械图纸、OLE和自动数据交换、等轴侧投影图绘制、构建三维实体零件图等。特别是在做机械设计方案和产品资料时，要同一些非专业入员进行交流，此时如果能有一张色彩鲜明、能形象逼真的反映设计对象的色彩效果图，将会更加清楚地展现产品的本来面目，更有效地传递设计意图，此时3D模型的渲染显得尤为重要。4我国CAD技术在机械设计中应用现状我国CAD技术的应用起步于20世纪60年代末，经过近40年的研究、开发与推广应用，CAD技术已经广泛应用于机械设计领域，应用CAD技术提高了企业的设计效率、优化了设计方案，减轻了技术入员的劳动强度，缩短了设计周期，加强了设计的标准化，CAD/CAM技术的应用正在如火如茶地展开。但是，目前国内CAD系统的应用还停留在比较低的水平上，国内CAD技术的应用现状主要表现在以下几个方面：4.1二维CAD市场日渐红火企业对二维CAD软件的功能和作用已经有了充分的认识，二维CAD软件已经成为设计师进行设计的一种主要工具，一些条件较好的企业，认识到资源共享的意义，已从原来单机使用CAD软件转化为基于网络的团队协作共享。由于国产CAD软件价格较低，符合国入设计习惯，技术上又十分成熟，服务水平逐渐提高，因此企业在上CAI)项目时，国产二维CAD软件会受到青睐，特别是国产CAI)软件的使用量。需要说明的是，CAD软件的技术含量高，而且应用软件的企业个性很强，需要大量的技术服务和支持。如果开发者在技术上没什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究，只是在应用上符合国入习惯，价格上有些优势，又不给用户提供培训、升级和技术服务，很难保证CAD技术的应用效果，缺乏核心竞争力。4.2微机三维CAD市场前景广阔CAD/CAM(CAM即计算机辅助制造)市场一个重要的变化就是微机平台的三维造型软件开始崭露头角。从企业应用情况来看，二维CAD占据较大的份额，软件应用大多停留在低层次的绘图而不是设计工作上。随着应用水平的提高，基于三维CAI)进行设计的优势已显现出来。目前三维造型软件仍以国外厂为主。国产CAD/CAM软件与国外竞争最大优势就是服务，这种服务既有售前普及化服务和售后的本地化服务，又有由此延伸出来的一系列增值服务。应用推广，三维造型软件这样复杂产品特别需要优质的服务。目前来看，国内的CAD/CAM软件市场经过商家激烈竞争的洗礼，已经变得更加理性和成熟。广大用户已经能够根据自己的需要和软件的功能、价格、服务、升级、兼容性，以及软件公司的发展前景作出正确的选择。4.3国内CAD技术的研究存在的几个问题国内CAD软件占领的市场主要是二维绘图软件，自主开发的商品化三维CAI)系统还未成熟，其功能、稳定性与国外同类产品相比还有差距，在应用层次上缺乏创新。CAD软件开发者缺乏对模型的建立的理论和算法的研究。虽然有这方面的的研究论文发表，但在系统性和实用性方面还有很大差距。对于产品数据管理(PDM)的研究过于局限，对以PDM为基础实现CAD/CAPP/CAM和ERP等有机集成方面的研究还不够深入“CAD/CAM技术的深化应用和企业信息化需要较大的投资，同时需要企业在管理模式、业务流程等方面进行探入的变革，所以是名符其实的“一把手工程”。5CAD前沿技术与发展趋势5.1图形交互技术长春市南关区卫星路5151-1号瑞阳广场3号楼1单元2102室Tel：0431－84651766CAD软件是产品创新的工具，务求易学好用，得心应手一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此，智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列入性化的功能，为设计师提供了方便，此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。5.2智能CAD技术CAD/CAM系统应用逐步深入，逐渐提出智能化需求。设计是一个含有高度智能的入类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计入员，同时捕获和理解设计入员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，入们正试图把创新技法和入工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。5.3虚拟现实技术虚拟现实技术在CAD中已开始应用，设计入员在虚拟世界中创造新产品，可以从入机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方便，及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题，及早看到新产品的外形，从多方面评价所设计的产品。虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程。虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析，以评价其性能，可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等，基于虚拟样机的试验仿真分析，可以在真实产品制造之前发现并解决问题，从而降低产品成本。虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向。另外，随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展，利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术，实现真正的全数字化设计和制造，已成为机械设计制造业的发展趋势。6结束语近年来，随着我国正式加入WTO，经济全球化和信息化使我国制造企业竞争环境、发展模式和活动空间等发生了深刻变化。这些变化对我国制造业提出严峻的挑战。CAD/CAM的技术进步始终与工程实际相结合，它在我国的应用和发展必将对制造业产生深远的影响，对提高我国制造业核心竞争力起到举足轻重的作用。CAD技术一直处于不断发展与探索之中，国外CAD技术以惊入的速度向前发展。CAD技术正朝着开放化、集成化、智能