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计算机辅助设计技术的应用与发展

计算机辅助设计技术的应用与发展

贾伯卿

（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）

摘要：在工业设计进行的流程中,计算机辅助设计悄然的穿插在每一个相对独立的主题活动之中。从一个完整的设计流程审视,计算机辅助设计的作用显而易见。它在设计流程数据管理,产品效果表现以及计算机辅助模型制作方面等广泛应用,发挥了工具化的作用。在应用过程中,促进了其自身的发展和工业设计的发展。本文系统的介绍了计算机辅助设计技术（CAD）。在世界工业历史进程的基础上回忆了计算机辅助设计技术（CAD）的起源和发展。详细举例介绍了目前国内外现状和发展方向，通过比较看出国内外在此技术上的差距和不足，并且给出了国内如何发展此技术来追赶国外领先脚步的一些基本建议；比较详细的概述了计算机辅助设计技术（CAD）的基本功能和此技术的先进特点以及优势所在；介绍了计算机辅助设计技术（CAD）目前国内外应用状况，并且重点介绍了此技术在机械设计领域的应用情况，指出未来机械设计与CAD技术是密不可分的。文章最后以发展的眼光描述了计算机辅助设计技术(CAD)未来发展前景。

关键词： CAD、机械设计、CAM、CAPP

CAD (Computer aided design) survey report

Boqing Jia

(College of Mechanical Engineering, Dalian Jiao tong University, Dalian 116028, China)

Abstract: In the process of industrial design, computer-aided design (CAD) quietly interspersed in every

theme activities relatively. The role of CAD is obvious from a view of a complete process. It is widely used

in data management, product performance and effectiveness of computer-aided modeling, and then plays an

important role. It promotes its own development and industrial design development during the application

process. This paper introduces the CAD. It dates the origin and development of CAD that based on the

industrial historic process in the world. The paper introduces the situation and development direction of the

current domestic and international. Through the comparison in this technology from home and abroad, we

can see the gap and shortage. And then gives some basic proposals on how to develop this technology to

catch up with the pace of foreign leading. The paper presents the basic functions of CAD, the advanced

features and advantages of the technology. It depicts the application of CAD in domestic and abroad,

especially in mechanical design fields. It points out that the mechanical design and CAD technology are 计算机辅助设计技术的应用与发展

linked together in the future. At last, the paper describes the future prospects of CAD technology.

Key words: CAD, Mechanical Design, CAM, CAPP 计算机辅助设计技术的应用与发展

0. 引言

机械设计是机械产品生产过程中的重要一环,据统计,设计过程中所花费用只占总成本的5%左右,但在产品成本中约有75%是在设计阶段由设计者的设计所决定的。因此降低产品成本,关键在于改善设计。而产品换代周期,很大程度上取决新产品的设计速度。要确保产品的高技术性能指标,就要求在新产品设计中以理论设计代替经验设计,传统的机械设计方式已成为科学技术和生产发展的障碍,必须进行彻底改革。

随着计算机技术(软、硬件) 的出现、发展和应用领域的日益扩大,为传统的机械设计方式进行彻底改革提供了基础,因为计算机不仅具有快速、准确的计算功能,且其大容量存贮器使之具有极强的“记忆能力”；计算机的逻辑判断功能又使它具有一定程度的“思维能力”。光笔与图形显示器的研制成功又使设计者与计算机进行直接对话和进行图形显示及即时修改创造了条件;精密绘图机的出现能迅速和准确地将设计结果直接以图纸的形式输出,使设计者摆脱了繁重而低效的绘图劳动、有限元分析,而获得最佳的设计。这样,计算机已不单是一种高效的计算工具,而且越来越成为设计者进行创造性设计活动的强有力的工具。因此,计算机问世后,一门利用计算机(软、硬件) 进行设计工作的新学科———计算机辅助设计便逐步形成。

计算机辅助设计简称CAD,是以人为主导,利用计算机(软、硬件) 进行工程设计的一个系统,是现代设计工作的一种新技术和强有力的工具。计算机辅助设计是在科学技术与生产迅速发展的条件下并且对传统设计方法进行根本性变革的背景下产生的。而计算机软、硬件技术的发展则为其产生与发展提供了可靠而雄厚的基础。可以说,CAD是随着计算机技术发展而发展起来的一种新技术。

1. 计算机辅助设计的起源

20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。

80年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。80年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。

2. 计算机辅助设计功能方法简介

计算机辅助设计(CAD)的方法是建立在计算机(软、硬件)技术基础上的,同时吸收和运用了与设计技术相关联的科学技术和理论、系统工程等,完全有别于传统的机械设计方法。CAD可从静态分析、计算机辅助设计技术的应用与发展

近似计算、经验设计的束缚中解放出来,进入动态分析、精确计算和优化设计的新阶段。可以说,CAD是现代设计方法的综合运用。图2 所示是一个CAD系统的作业过程。

2.1 计算机辅助设计方法特点

(1)可将分析与设计综合起来进行设计,使产品性能达到最优。设计时,可以使用幅值概率密度函数分析、方差分析、相关分析及谱分析等方法求取设计参数,运用系统工程进行方案设计,以便从整体来认识设计对象,将一个产品看成是由各种零部件组成的一个系统,并从系统的整体来检查其性能使之达到最优,从而实现方案的优化。(2)可大大提高设计的精度和可靠性。在CAD系统中引进了大量近代的分析和计算方法,如有限元法、有限差分法、边界元法、数值积分法等对机械零件以至整机进行结构应力场、应变场、温度场以及流体内部的压力、流量场的分析与计算,从而大大提高设计计算精度。此外,对机械的研究已从静态分析逐步发展到动态分析,并从系统的观点出发来研究整机及零部件的可靠性,运用概率统计方法来分析零部件是否失效,从而实现对机械故障的诊断和寿命的预测。(3)具有强有力的图形处理和数据处理功能。图形和数据是CAD作业过程中信息存在与交流的主要形式,图形处理系统和数据库CAD系统顺利进行的基础。进行CAD作业时,图形处理系统可根据设计者的设想和要求,产生设计模型,并可从不同角度,按三视图、剖面图或透视图在显示器中显示出来,让设计者确认或即时修改,直到满意为止。这些图形信息存于图库中,供随时调用,也可由自动绘图机输出作为正规生产图纸。数据库不仅存贮着大量供CAD各种作业进行分析、计算、比较所需的数据资料,而且还能对分析计算所得结果进行必要的处理和存贮。因此,图形处理能力和数据库功能的强弱是衡量一个CAD系统性能的重要指标。(4)缩短设计周期,并能实现设计、制造一体化,从而降低产品成本。由于CAD系统可以迅速地完成设计过程中的各种繁重而费时的工作,如复杂的分析计算,繁重而费时的绘图劳动等,因此可大大缩短设计周期,并提高设计质量。据统计,CAD可使机械产品的设计周期缩短60 %～80 % ,工艺周期缩短80 %～90 % ,基建费用降低10 %～30 % ,经济效益提高10 %～25 %。由于计算机还可直接输出数控加工纸带,因此,CAD系统可与计算机辅助制造系统CAM联成一体,从而实现设计、制造一体化。

2.2 计算机辅助设计方法功能

(1) 科学计算功能:能进行各种复杂的工程分析与计算。

(2) 图形处理功能:能进行二维和三维图形的设计及图形显示;能自动绘图。

(3) 数据处理功能:有完善的数据库系统,能对设计、绘图所使用的大量信息进行存取、查找、比较、组合和处理。

(4) 分析功能:能对所设计的产品作各种性能分析。

(5) 编制文件功能:能制定各种技术文件包括明细表等。

3. 计算机辅助技术国内外发展现状

3.1 国外发展现状

国外一些大公司、大企业和财团都十分重视在其经营领域中应用计算机辅助设计技术， 以便使自己的产品和系统处于世界领先地位，并在竞争中获得优势。美国波音公司的最新产品波音777巨型