计算机辅助设计

第1章计算机辅助设计概述1.1计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD），它是计算机科学技术发展和应用中的一门重要技术。所谓CAD技术，就是利用计算机快速的数值计算和强大的图文处理功能来辅助工程师、设计师、建筑师等工程技术人员进行产品设计、工程绘图和数据管理的一门计算机应用技术，如制作模型、计算、绘图等。计算机辅助设计对提高设计质量，加快设计速度，节省人力与时间，提高设计工作的自动化程度具有十分重要的意义。现在，它已成为工厂、企业和科研部门提高技术创新能力，加快产品开发速度，促进自身快速发展的一项必不可少的关键技术。与计算机辅助设计（CAD）相关的概念有：CAE（ComputerAidedEngineering）：计算机辅助分析。就是把CAD设计或组织好的模型，用计算机辅助分析软件对原设计进行仿真设计成品分析，通过反馈的数据，对原CAD设计或模型进行反复修正，以达到最佳效果。CAM（ComputerAidedManufacture）：计算机辅助制造。就是把计算机应用到生产制造过程中，以代替人进行生产设备与操作的控制，如计算机数控机床、加工中心等都是计算机辅助制造的例子。CAM不仅能提高产品加工精度、产品质量，还能逐步实现生产自动化，对降低人力成本、缩短生产周期有很大的作用。把CAD、CAE、CAM结合起来，使得一项产品由概念、设计、生产到成品形成，节省了相当多的时间和投资成本，而且保证了产品质量（如图1-1所示）。CAE分析CAM制造否是产品CAD设计图1-1计算机辅助设计过程计算机辅助设计（CAD）技术是集计算、设计绘图、工程信息管理、网络通讯等计算机及其他领域知识于一体的高新技术，是先进制造技术的重要组成部分。其显著特点是：提高设计的自动化程序和质量，缩短产品开发周期，降低生产成本费用，促进科技成果转化，提高劳动生产效率，提AutoCAD2007应用基础教程·2·高技术创新能力。可见，计算机辅助设计（CAD）对工业生产、工程设计、机器制造、科学研究等诸多领域的技术进步和快速发展产生了巨大影响。1.2计算机辅助设计的范畴计算机辅助设计（CAD）是一个涵盖范围很广的概念。概括来说，CAD的设计对象最初包括两大类，一类是机械、电子、汽车、航天、轻工和纺织产品等；另一类是工程设计产品等，如工程建筑。如今，CAD技术的应用范围已经延伸到诸如艺术等各行各业，如电影、动画、广告、娱乐和多媒体仿真（如：模拟霜冻植被受损的过程）等都属于CAD范畴。CAD在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员甩掉图板，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用CAD/CAM技术进行产品设计，而且投入大量的人力、物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。CAD在建筑方面的应用——计算机辅助建筑设计（CAAD），它为建筑设计带来了一场真正的革命。随着CAD软件从最初的二维通用绘图软件发展到如今的三维建筑模型软件，CAD技术已开始被广泛采用，这不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约2%～5%的建设投资，而近几年来，每年仅在我国的基本建设投资就有几千亿元之多，如果全国近万个大小工程设计单位都采用CAD技术，则可以大大提高基本建设的投资效益。CAD技术还被用于轻纺及服装行业中。以前，我国纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢，效率低，而现在国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要迅速，这使得我国纺织产品在国际市场上的竞争力不强。采用CAD技术以后，大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。如今，CAD技术已进入到人们的日常生活中，在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史，美国好莱坞电影公司主要利用CAD技术构造布景，可以利用虚拟现实的手法设计出人工不可能做出的布景。这不仅能节省大量的人力、物力，降低电影的拍摄成本，而且还可以给观众造成一种新奇、古怪和难以想象的环境，获得极大的票房收入。1.3计算机辅助设计的现状与发展计算机辅助设计（CAD）技术产生于20世纪60年代，到现在只是短短的40多年，但它的技术发展之快、应用之广、影响之大，令人瞩目，特别是进入20世纪90年代后，随着计算机软硬件技术取得了突飞猛进的发展，以及互联网的广泛应用，这都极大地促进了CAD技术的发展。CAD技第1章计算机辅助设计概述·3·术应用展现出广阔的应用前景，从早期的几个特殊行业的应用，到现在几乎遍及所有领域。随着CAD技术的发展和人们需求的不断提高，人工智能等各类技术逐渐融入到CAD系统中，形成了基于各种知识的CAD系统（或智能CAD系统）。知识的应用使CAD系统的“设计”功能和设计自动化水平大大提高，对产品设计全过程的支持程度大大加强，促进了产品和工程的创新开发。世界发达国家已把计算机辅助设计技术作为增强企业生产竞争力和促进发展的重要手段。我国在“八五”期间就实施了“国家CAD应用工程”计划，近10年来，我国加大了计算机辅助设计技术的研究、应用和推广，越来越多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改善劳动条件。目前，我国从国外引进的CAD软件有几十种，国内的一些科研机构、高校和软件公司也都立足于国内，开发出了自己的CAD软件，并投放市场，使CAD技术应用呈现出一片欣欣向荣的景象。计算机辅助设计将朝着标准化、智能化、集成化、网络化、三维化及多媒体虚拟化等方向发展，甩掉图板，实现全自动无纸化设计、生产和制造，是计算机辅助设计发展的最终目标。1.4计算机辅助设计的常用软件介绍计算机辅助设计深入到各行各业，所使用的软件很多，在这里着重介绍应用较广泛的几个常用软件。1．AutoCADAutoCAD是美国Autodesk公司开发研究的一种通用计算机辅助设计软件包。Autodesk公司在1992年推出了AutoCAD的第一个版本V1.0，随后相继开发出多个版本，其中典型版本有R14、AutoCAD2000、AutoCAD2002、AutoCAD2005等，目前最新的是AutoCAD2009版。AutoCAD的功能越来越强大和完善，是当今世界上最为流行的计算机辅助设计软件之一。2．PhotoshopPhotoshop是Adobe公司推出的一款功能十分强大、使用范围广泛的平面图像处理软件。目前，Photoshop是众多平面设计师进行平面设计，图形图像处理的首选软件。3．CorelDrawCorelDraw是Corel公司出品的世界一流的平面矢量绘图软件，被专业设计人员广泛使用，它的集成环境（称为工作区）为平面设计提供了先进的手段和最方便的工具。在CorelDraw系列的软件包中，包含了CorelDraw、CorelPaintPhoto两大软件和一系列的附属工具软件，可以完成一幅作品从设计、构图、草稿、绘制到渲染的全部过程。CorelDraw是系列软件包中的核心软件，可以在其集成环境中集中完成平面矢量绘图。4．Pro/EngineerPro/Engineer系统是美国参数技术公司（PTC）的产品，它刚一面世（1988年），就以其先进的AutoCAD2007应用基础教程·4·参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎。Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计与生产过程集成在一起，它一共有20多个模块供用户选择。基于以上原因，Pro/Engineer在最近几年已成为三维机械设计领域里最富魅力的系统。5．SolidWorksSolidWorks是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发，最有代表性的三维CAD绘图软件，多用于外型设计。SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，与Office兼容，具有较强的参数化特征造型功能。6．CAXA电子图版CAXA电子图板是由北京海尔软件有限公司于1996年研制开发的二维微机系统。CAXA电子图板以交互方式，对几何模型进行实时的构造、编辑和修改，并能保存各类拓朴信息。目前已在工程和产品设计绘图中得到广泛的应用，成为全国制图员计算机绘图技能考试的指定软件。7．PICADPICAD系统及系列软件是中科院凯思软件集团及北京凯思博宏应用工程公司开发的具有自主版权的CAD软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性，对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航。PICAD是国内商品化最早、市场占有率最大的CAD支撑平台及交互式工程绘图系统。8．高华CAD高华CAD由清华大学和广东科龙（容声）集团联合创建，系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDRAFTING、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。高华CAD也是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，是全国CAD应用工程的主推产品之一，其中GHGEMS5.0曾获第二届全国自主版权CAD支撑软件评测第一名。9．清华XTMCAD清华XTMCAD是清华大学机械CAD中心和北京清华艾克斯特CIMS技术公司共同开发的基于Windows95和AutoCADR12及R13二次开发的CAD软件。它具有动态导航、参数化设计及图库建立与管理功能，还具有常用零件优化设计、工艺模块及工程图纸管理等模块。作为Autodesk注册认可的软件增值开发商，可直接得到Autodesk公司的技术支持，其优势体现在对CIMS工程支持数据的交换与共享上。10．开目CAD开目CAD是华中科技大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。第1章计算机辅助设计概述·5·1.5小结本章主要介绍了计算机辅助设计的概念、范畴以及计算机辅助设计的现状与发展，同时还介绍了目前常用的计算机辅助设计软件。通过本章的学习，可以快速、全面地了解计算机辅助设计的相关知识，明确计算机辅助设计的作用和重要性，为后续学习AutoCAD2007打下基础。1.6上机练习与习题1．什么是计算机辅助设计？2．现实生活中，你了解或者接触过的哪些应用属于计算机辅助设计范畴？3．你用过哪一种计算机辅助设计软件？4．你期待具备怎样的计算机辅助设计能力？AutoCAD2007应用基础教程·6·模具CAD/CAM软件的应用与开发现状模具CAD/CAM是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上发展起来的，它是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。模具CAD/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工种。它以计算机软件的形式，为用户提供一种有效的辅助工具，使工种技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。模具CAD/CAE在技术的迅猛发展，软件，硬件水平的进一步完善，为模具工业提供了强有力的技术支持，为企业的产品设计，制造和生产水平的发展带来了质的飞跃，已经成为现代企业信息化，集成化、网络化的最优选择。一、模具CAD/CAM发展概况模具CAD/CAM的发展状况符合通用CAD/CAM软件的发展进程。目前通用CAD/CAM软件的发展现状如下:CAD技术经历了二维平面图形设计，交互式图形设计、三维线框模型设计、三维实体造型设计、自