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第一章CAD技术概论 1 1机械设计概述 机械设计 根据使用要求确定产品应该具有的功能 构想出产品的工作原理 运动方式 力和能量的传递 结构形状以及所用材料等事项 并转化为具体的描述 例如图纸和设计文件等 以此作为制造的依据 1 概念设计 2 初步设计 3 详细设计 再设计 需求分析 提出明确的功能要求 原理性方案及分析 初步设计及分析 详细设计 制造加工 样机测试 鉴定 生产 销售和使用 评价 评价 通过调查研究 资料收集 仔细分析用户需求 在此基础上确定产品功能 进而构思方案 进行分析与论证 最后获得一组可行的原理性方案 从一组可行的原理方案中选一优化方案 绘制总布置草图 确定各部件基本结构和形状 建立相应数学模型 进行主要设计参数的分析计算与优化 确定设计对象的细部结构 最终完成总布置图和零 部件图 并编写技术文件 1 2CAD的技术内涵 计算机辅助设计 ComputerAidedDesign 用计算机硬 软件系统辅助人们对产品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 从技术角度看 CAD技术把产品的物理模型转化为存储在计算机中的数字化模型 为后续的工艺 制造 管理等环节提供了共享的信息源 机械CAD 是指在机械设计过程中 借助计算机的辅助作用和操作者的主观干预 来辅助一项设计的建立 修改 分析和优化 最终得到用户所要求的设计信息或数控机床能接受的信息这样一个设计过程 现在的CAD技术不仅仅用于自动绘图或三维建模 而已成为一种广泛的 综合的关于设计的新技术 CAD涉及的基础技术 图形处理技术 如二维交互图形技术 三维几何造型技术及其他图形输入输出技术等工程分析技术 如有限元分析 优化设计方法 物理特性计算 模拟仿真以及各行各业的工程分析等数据管理与数据交换技术 如产品数据管理 PDM 数据库 异构系统间的数据交换和接口等文档处理技术 如文档制作 编辑与文字处理等界面开发技术 如图形用户界面 网络用户界面 多通道多媒体智能用户界面等基于Web的网络应用和开发技术值得指出的是 不应该将CAD与计算机绘图 计算机图形学混淆起来 设计过程与CAD过程的关系 CAD CAM系统工作流程 1 3CAD技术发展简史 20世纪50年代初 美国麻省理工 MIT 在它研制的名为 旋风 的计算机上采用了阴极射线管 CRT 做成的图形终端 并能被动的显示图形 其后出现了光笔 开始了交互式计算机图形学的研究 50年代中后期 计算机已经应用于工程和产品设计的分析计算 促进了计算机辅助工程 CAE 的发展 20世纪60年代 CAD技术的先驱者 MIT推出了二维绘图系统 SKETCHPAD 允许设计者坐在图形显示器前操作光笔和键盘 在屏幕上显示图形 这一研究成果具有划时代的意义 促进了CAD的发展 20世纪70年代 计算机交互图形技术和三维几何造型技术 为CAD技术的发展奠定了基础 基于大型机的CAD CAM系统开始上市 CAD技术开始了大规模的发展 由于中小型计算机的性能价格比有了很大的提高 促使CAD技术从实验室走向了工业应用 70年代后期 CAD技术在许多领域已成为工业上不可缺少的工具 80年代CAD技术进入加速发展推广使用的阶段 由于小型机功能的提高和微型机的大量应用 计算机的性能价格比日益提高 高性能的图形终端的功能日益完善 大量有实用价值的CAD系统出现 都对CAD技术的发展和推广起到了良好的促进作用 这时CAD技术开始广泛应用于民用工业 90年代是CAD技术广泛普及 继续完善和向更高水平发展的时期 出现了成熟的高度标准化 集成化的CAD系统 由于PC平台的性能越来越好 基于Windows平台的价廉物美的系统相继出现 使CAD技术的普及应用更具广阔诱人的前景 1 4CAD技术在机械工业中的应用 主要应用以下几个方面 1 二维绘图及三维建模 2 工程分析 3 基于产品数据管理 PDM 的CAD应用层次 4 基于企业信息化平台的CAD应用层次 CAD技术带来的优点 1 减少绘图时间 提高绘图效率 2 提高分析计算速度 解决复杂计算问题 3 便于修改设计 4 促进设计工作的规范化 系列化和标准化目前 CAD涉及到2D绘图 交互式图形学 有限元分析 优化计算机图形学 D描述 曲面造型 实体造型和几何仿真等各个领域 1 投资大 需要较大资金购买硬件和软件 支付培训和开发费用 2 需要一只掌握CAD技术的 有良好素质的工程师队伍 CAD技术带来的风险 1 5机械CAD技术的发展趋势 CAD系统继续发展方向是智能化 集成化 标准化和网络化 1 系统智能化是CAD技术发展的一个热点一方面是将设计领域的专家知识和工程技术人员的丰富经验融合于CAD系统中 使之成为可以继成的知识库 另一方面是CAD系统本身的智能化 如用户界面 数据采集 各种模型的自动生成 方案的优选 仿真模拟技术的应用等 2 集成化是当今CAD技术发展的一大趋势CAD技术不是孤立的 首先它集成了计算机软硬件 数据库 外围设备 图形学 网络及各个应用领域的技术 同时 它又不断和CAM CAPP以及MIS PDM 产品数据管理 MRP 制造资源管理 等系统集成 3 网络化 1 能够提供基于因特网的协同设计环境 2 提供网上多种CAD应用服务 4 标准化随着CAD技术的发展 工业标准化问题越来越显出它的重要性 迄今为止已经制定了不少标准 例如 CGI GKS IGES等 典型的CAD系统 AutoCAD MDT Inventor 电子图板 开目 SolidWorks CATIA I DEAS Pro ENGINEER UniGraphics UG AutoCAD AutoCAD是由美国AutoDesk公司出品的一种机械设计软件 其特点是二维作图性能好 适用于计算机辅助设计 CAD 但是三维作图功能不强 在计算机辅助制造 CAM 和计算机辅助分析 CAE 方面功能有所不足 在二维市场上AutoCAD占有绝对优势 1999年在中国的市场占有量是最大的 而且把第二名甩得很远 MDT MDT MechanicalDesktop 也是由美国AutoDesk公司出品的机械设计软件 该软件具有较强的参数化绘图和三维作图功能 而且其价格便宜 但是它的前景并不看好 因为 它是在AutoCAD基础上开发的 有天生的一些缺陷 而且不好弥补 所以AutoDesk公司又重新开发了它的三维拳头产品Inventor 以保住它在CAD界的地位 目前MDT在中小型企业中应用较为广泛 Inventor 由于AutoCAD所采用的内核是ACIS内核 存在先天性的不足 它在处理三维倒圆角和抽壳方面存在严重缺限 要朝三维方向发展 有很大的障碍 而二维CAD的发展受三维的冲击 无进一步的发展前途 因此Autodesk公司 放弃原来的核心构架重新开发新产品Inventor Inventor问世以来就得到了用户好评 它的三维功能可与SolidEdge和Solidworks等中档CAD软件相媲美 电子图板 电子图板是北京北航海尔软件有限公司开发的 具有知识产权的CAD系统 电子图板是二维CAD软件 它借介了AuotCAD的设计思想 其功能 界面与操作等基本与AuotCAD相同 但全面采用国标设计 电子图板在工程图设计上自动采用 高平齐 长对正 宽相等 的原则 并具有智能化的工程标注 方便的明细表与零件序号联动 种类齐全的参量国标图库以及局部参数化设计功能等特点 SolidWorks SolidWorks是Dassault公司并购的一个中档CAD产品 与CATIA同属一家公司 当初Dassault并购SolidWorks的目的是 鉴于CAD软件逐渐朝以生产为中心与以设计为中心两种模式发展的需要 因此希望以生产为中心的产品去占领以设计为中心的市场 SolidWorks集装配设计 零件造型 工程图纸设计于一体 提供一个从三维到二维的强大设计系统 96至97年 SolidWorks是PC级上销售最好的CAD软件 自SolidEdge并入EDS以后 它的市场受到一定冲击 但还是一种畅销的CAD软件 操作灵活方便 推理功能强是SolidWorks的主要特点 CATIA CATIA是Dassault公司的主要产品 该软件是目前世界航空工业中无法取代的祖师级软件 CATIA是由法国达索飞机公司研制的 目前属于IBM公司 是一个高档的CAD CAM系统 CATIA采用特征造型和参数化造型技术 允许由用户指定进行参数化设计和变量式设计 其曲面造型功能包含 高级曲面设计和自由外形设计 用于处理复杂的曲面和曲线 并有许多自动化功能和分析工具 CATIA广泛应用于航空和汽车领域 但因价格贵国内只有一些合资和合作企业使用 I DEAS I DEAS是美国SDRC公司的主要产品 它是一个集CAD CAM CAE PDM于一体的软件产品 以有限元分析功能最强而著称 SDRC公司成立于1967年 总部位于美国俄核俄洲辛辛那提 该公司现有员工2600多人 在全球18个国家设有78个分支机构 2001年该公司被EDS公司收购 I DEAS是最早进入中国市场的CAD软件 1980年 目前I DEAS的中国用户有300多家 象湖南有中意 株洲车辆厂 株洲六0八所 株洲331 株洲电力机车研究所等单位 Pro ENGINEER Pro ENGINEER 简称Pro E 是美国参数化技术公司PTC开发的CAD CAM软件 是第一套使用3D造型的CAD软件 自PTC公司并购CV 产品CADDS5 公司以后 一跃成为世界第一大三维CAD软件公司 在我国有较多用户 它采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术 为三维实体造型提供了一个优良的设计平台 其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件 当原始造型修改时 具有自动更新的功能 该软件在广东上海等地应用广泛 该软件与其它高档CAD系统相比其模具功能有较强的优势 Unigraphics Unigraphics UG 起源于美国麦道飞机公司 采用Parasolid核心构架 并于1991年并入美国通用汽车公司EDS 电子资讯系统有限公司 EDS是世界第三大CAD软件开发公司 总部设在美国圣 路易斯市 UG软件为EDS公司的四大主要产品 UG ParaSolid iMAN SolidEdgs 之一 汇集了美国航空航天及汽车工业的专业经验 现已发展成为世界一流的集成化机械CAD CAM CAE软件 可支持多种硬件平台 在小型机 工作站和微机上均可运行 广泛应用于航空 航天 汽车 通用机械和模具领域 许多世界著名公司选定UG为企业CAD CAM和CAE的标准 美国通用