第1章汽车车身计算机辅助设计技术概述

第1章汽车车身计算机辅助设计技术概述1.1CAD技术的产生和发展计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，简称CAD)是从50年代开始，随着计算机技术及其外围设备的发展而形成的一门新技术。了解CAD的发展历史，有助于我们今后更有效地应用这门新兴技术。1.1.1CAD技术的产生及发展过程第二次世界大战以后,生产机械化、自动化程度日益提高,设计工作成为整个生产体系的薄弱环节,迫切要求实现设计自动化。20世纪50年代计算机开始用于设计计算,1956年发明了CRT显示装置,1958年又发明了数控绘图仪,这就为设计自动化提供了可能。CAD的研究就是在这个时期为谋求电力变压器等的设计自动化而开展起来的。1959年美国麻省工学院（MIT）将CAD正式列为研究项目进行研究。1963年春，在美国计算机联合会的年会上，MIT的研究小组发表了有关CAD项目的五篇论文，给工程界以很大的震动,这标志CAD的诞生。MIT研究小组的报告对CAD作了这样的设想：设计者坐在CRT控制台前，通过光笔操作，进行人机对话,实现从概念设计到生产设计以至制造的全过程。从此，CAD开始发展起来。。经过30多年计算机硬件和软件技术的发展，CAD技术已成为一门新的学科，并成为计算机应用的极其重要的新领域。计算机辅助设计：是利用计算机、外围设备及其系统软件辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。CAD技术：二维工程制图、三维几何设计、有限元分析（FEA）、数控加工编程（NCP）、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库、CAD\CAE\CAMCAD技术是随着计算机及其外围设备、图形设备及其相关软件的发展而发展的。CAD的整个发展过程,可划分为5个阶段：(1)初始准备和酝酿阶段(20世纪50年代).在这一阶段主要特点是提出CAD设想，为CAD研制试验提供了硬、软件的准备工作。如，研制了图形显示设备、绘图仪及计算机计算程序等。美国麻省工学院（MIT）1950年研制“旋风”计算机采用阴极射线管（CRT）做成图形终端，被动显示图形。(2)蓬勃发展和进入应用时期(20世纪60年代).在20世纪60年代初发生了两件对CAD发展有影响的重大事件。第一件是首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储的数据结构等新思想。第二件是成功开发了用于汽车前窗玻璃线型设计的DAC－I系统（通用公司）。由于这两件事情的发生,使得讲求实效的工程界对CAD的发展前景充满了信心。1962年美国麻省工学院研究生I.E.Sutherland发表“人机对话图形通讯系统”论文，设计者可以在图形显示前操作光笔和键盘进行图形设计与修改。(3)广泛使用的时期(20世纪70年代).此阶段CAD技术开始实用化,从二维电路设计发展到三维汽车、飞机、船舶等设计,出现了许多开发CAD系统的公司,并在CAD应用中取得经济效益。CAD技术进入了大多工程和产品的设计领域1970年美国Applicon公司第一个推出完整CAD系统。CAD/CAM开始商品化。(4)突飞猛进的时期(20世纪80年代)。在此期间，由于科学技术的迅速发展，超大规模集成电路的出现使计算机成本大幅度下降，使CAD系统的硬件配置和软件开发适应于中、小型企业的承受能力。据1982年一年的统计，全世界范围内就有一百多家新成立的CAD公司，CAD技术市场得以开辟和发展。CAD技术从大中企业向小企业扩展，从发展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。(5)开放化标准化集成化和智能化的发展时期(20世纪90年代)。进入20世纪90年代以来，随着CAD技术的急速发展和市场竞争日益加剧，使得商品化的CAD系统的性能提高，价格降低。32位字长的工程工作站及微机达到了过去小型机、甚至中型机的性能，计算机网络获得了广泛应用，形成了微机环境、工作站和网络环境下的高性能的CAD系统，使得CAD技术在设计领域全面普及，成为工程界必不可少的设计工具。我国在CAD技术的研究开发方面起步较晚,但后期发展较快.最早是在航空工业,此外汽车、造船工业也是发展CAD技术卓有成效的部门。科技人员对计算机图形学和计算几何（CAGD)的有关算法和理论进行了深入研究,取得了不少的突破和创新。进入80年代中期,CAD技术在我国机械、电子、建筑、宇航、轻纺等领域得到了迅速发展。我国引进万余套大、中、小型和超级微机CAD系统,但大部分硬件利用率低,软件应用及二次开发进展缓慢。与此同时,国内高等院校、科研院所也开发了一系列有一定水平的CAD系统。如清华大学的GEMS系统、北航的PANDA系统、南航的B-SURF-3D系统等等。1.1.2CAD的发展趋势1.集成化计算机集成制造系统（ComputerIntegrateManufacturingSystem，CIMS)和并行工程（ConcurrentEngineering）要求提高CAD系统。集成含义：功能集成、信息集成、过程集成、动态联盟中企业的集成。CAD技术提高集成内容：（1）数字化产品集成特征建模、参数化建模（2）产品数据交换外部专业接口（3）产品数据管理统一数据库信息存取（4）完善的应用软件CAM(ComputerAidedManufacturing）CAE(ComputerAidedEngineering）CAPP（ComputerAidedProductionPlanning）2.网络化设计工作推向网络协同的模式（1）完善的的协同设计环境具有电子会议、协同编辑、图形和文字浏览与批注功能（2）提供网上多种CAD应用服务设计任务规划、设计冲突检测与消解、网上虚拟装配3.智能化将人工智能技术、专家系统技术与传统CAD技术结合形成智能化CAD系统。（1）发展新的设计理论和方法（2）研究机械设计型专家系统的基本理论与技术问题知识工程、知识获取、知识模型的表示与建模等4.标准化5.并行工程并行的、集成的设计产品及其开发的过程。质量、成本、进度、用户要求提高产品开发效率1.1.3计算机辅助几何造型设计CAGD的概念计算机辅助几何设计(ComputerAidedGeometricDesign,CAGD)是CAD中派生出来的一个重要分支，它是与几何有关的外形和结构方面的计算机辅助设计技术。CAGD这一术语是1974年由巴恩希尔（Barnhill）与里森费尔德（Riesenfeld）在犹他大学国际会议上提出，其研究内容包括几何外形的数学描述、三维几何形体的计算机表示与几何模型的建立、几何信息的处理与几何数据的管理以及几何图形的显示等。这些方面的研究不仅有助于提高产品几何外形的设计质量和提高设计效率，而且改变了设计者传统的设计方法。CAGD与计算几何有密切关系，二者属于同一学科，研究内容一致，但各有侧重，前者侧重工程应用，后者侧重理论研究。计算几何是CAGD技术的主要数学理论。计算几何与机电产品CAGD计算几何是由函数逼近论、微分几何、代数几何、计算数学、数控技术、计算机图形学等形成的一门边缘学科。A．R．Forrest对计算几何下的定义是“对几何信息的计算机表示、分析和综合”。这就是说，它可以通过设计者提供的少量几何信息和选用的数学方法来定义任意形状的曲线和曲面，能利用计算机图形显示设备进行几何外形的交互设计。计算几何是CAGD技术的主要数学理论。机电产品CAGD，就是应用计算几何的理论和方法建立机电产品几何外形的数学模型，并通过计算机对其进行描述、分析、修改、控制和处理，从而使计算机成为设计人员的得利助手。CAGD技术的应用从60年代起CAGD的产生及最初的应用，主要围绕汽车、航空、造船这三大工业部门的几何外形设计问题。经过30多年的发展，CAGD理论不断深化，方法日益丰富，应用愈加广泛。在国外，CAGD的应用除了上述三个方面及一般机械零部件的设计领域外，正在扩展到越来越多的技术领域。例如：人体造型、人体器官(脑、心脏、胃等)X光断层扫描立体图形重建；导弹地形匹配；飞行模拟训练；石油勘探地层结构图建立；鞋、帽外形设计；动画片和艺术图案设计等等。在美、英等发达国家，CAGD专业的毕业生，一向成为各大公司争聘的对象。CAGD成为一个热门专业。我国70年代中期开始CAGD的研究和应用，航空、汽车、造船行业起步较早，其他行业也陆续开展了CAGD工作。许多大学开设了CAGD方面的课程，并进行有关课题的研究。1982年在青岛召开了“全国计算几何学术研讨会”，参加会议的专家有130多名，包括苏步青、李若生、唐荣锡、刘鼎元、梁友栋、汪嘉业、齐东旭、李心灿等著名专家。这次研讨会开得很成功，代表们决心：发扬“青岛精神”，攀登计算几何高峰！会议期间还进行两项有象征意义的活动：（1）攀登崂山；（2）游览郊洲湾。总之，国外CAGD的研究与应用达到了很高水平，国内CAGD工作正在积极地开展，并已取得许多成果，正向更加实用阶段过渡。1.2CAD技术在汽车工业的应用1.2.1CAD/CAM技术CAD/CAM技术是CAD与CAM的有效结合，它是利用电子计算机实现高效率和高精度地进行自动化设计和制造的先进技术。这项技术是利用计算机的快速性、准确性和大规模存储能力，使之与设计人员的创造性思维相结合，加快设计进度，提高设计质量，并可免受生产人员技术和水平不同及疲劳等因素的影响，使产品的制造长期保持在高速度、高质量、稳定的状态。CAD/CAM结合的关键，在于有效联结CAD中处理的“形状信息”和CAM中处理的“加工信息”。CAD/CAM系统由如下三部分构成：（1）硬件（Hardware）：机器、设备部分，如计算机主机、输入输出设备等；（2）软件（Software）：运行机器所需要的各种程序，如系统软件、应用软件、专业软件等；（3）人件”（Humanware）：是指操作CAD/CAM系统的人的水平。只有把硬件、软件和人件融为一体，才能有效地发挥系统的功能。如果把CAD/CAM系统比作开车的话，开车的技术相当于软件，车的结构相当于硬件，司机的素质相当于人件，要想开好车，就必须具备有关车的结构方面的知识和开车的技术。从CAD/CAM的发展过程看，最初是由CAM开始的，它是以数控NC（NumericalControl）机床为中心发展起来的。其后实现了以计算机图形学（ComputerGraphics）为中心的CAD技术。随着CAD和CAM的应用与发展，逐步实现了CAD和CAM的有效结合。第二次世界大战结束后不久，第一代电子管式计算机ENIAC（电子数字积分器）于1946年在美国研制成功（这台庞大笨重的计算机，共用了18800个电子管、重30吨、占地150平方米、耗电150千瓦、价值40万美元、但内存容量为17K位、运算速度仅为5000次/秒），开创了用电子计算机解决复杂科学和工程问题的新篇章。1947年美国PARSONS公司创造了第一台数控设备用于制造直升飞机旋翼，这是最早的数控设备，它包括了今天的以计算机为基础的数控技术（ComputerNumericalControlTechnology），这是计算机一次有意义的应用，并且同样是以后发展成计算机辅助制造的基础。美国通用汽车公司（GeneralMotor）从1959年就开始着手车身计算机辅助设计的研究工作。建立了成为DAC－1的设计系统。自此以后，CAD技术开始加速发展，到60年代后期，一些大的汽车公司都建立了自己的用于车身开发的CAD/CAM系统，如雷诺公司的UNISURF系统和福特公司的PDGS系统。进入70年代后期，CAD/CAM技术成熟起来并进入实用阶段。现在国内外汽车工业中的车身设计与制造已广泛采用了CAD/CAM技术。当前，CAD/CAM技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志，它为未来的计算机一体化工厂提供了技术基础。1.2.2汽车车身CAD/CAM技术的应用美国福特汽车公司在上世纪80年代初就开始CAD系统的规划与实施，到了1985年有一半以上的产品设计工作在图形终端上实现，至90年代初其产品开发全面采用CAD。早期的CAD系统已自行开发的PDGS和