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山西农业大学工程技术学院韩小平2011.3§1.1CAD技术的发展历程1.1.1CAD硬件技术发展历程1、20世纪50年代（开始交互式计算图形学的研究）美麻省理工学院于1950年研制出“旋风1号”的计算机上采用了阴极射线管（CRT）做成的图形终端，并能被动地显示图形。50年代后期又出现了绘图仪和光笔。图形输出设备的出现，标志着CAD发展的开始。2、20世纪60年代（计算机图形学发展的重要时期）美麻省理工学院的I.E.Sutherland发表了博士论文《SKETCHPAD——人机对话系统》，首次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技术的发展打下了理论基础。有关计算机图形学和计算机辅助设计方面的科学组织和著作于1966年得到了承认。1964年，美通用汽车公司研制出DAC-1系统，1965年，洛克希德飞机公司推出了CADAM系统，贝尔电话公司的GRAPHIC-1系统。此时各种论文、文献、教程及学术会议大量涌现,整个70年代是计算机图形学及计算机绘图获得广泛应用的时代。但它们大多数还是16位机上的三维线框系统及二维绘图系统，还只能解决一些简单的产品设计问题。出现了以小型机为主的CAD工作站。3、20世纪70年代：4、20世纪80年代（CAD突飞猛进时期）：新理论、新算法大量涌现。AutoCAD于1982年出现，并出现了许多实体造型系统，如GMsolid（通用汽车公司）、Solidesign（Computervision公司）等等。随着硬件发展，80年代中期以后出现了工作站和网络环境下的高性能的CAD/CAM系统。5、20世纪90年代。•CAD技术正向着集成化、网络化、智能化和标准化方向发展。•1.1.2CAD软件发展历程•1.第一次技术创新——曲面造型技术曲面造型(SurfaceModeling)是计算机辅助几何设计(ComputerAidedGeometricDesign,CAGD)和计算机图形学(ComputerGraphics)的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由Coons、Bezier等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础。如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲面(RationalB-splineSurface)参数化特征设计和隐式代数曲面(ImplicitAlgebraicSurface)表示这两类方法为主体，以插值(Interpolation)、拟合(Fitting)、逼近(Approximation)这三种手段为骨架的几何理论体系。•2.第二次技术创新——实体造型技术60年代末CAD研究界提出了用计算机表示机械零件三维形体的构想，以便在一个完整的几何模型上实现零件的质量计算，有限元分析，数控加工编程和消隐立体图的生成。经过十几年的努力探索和多种技术途径的技术验证，这一思想终于成熟起来，形成了功能强大，使用方便的使用软件，并且代表了当代CAD技术的发展主流。（1）参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应的关系描述，而不需用确定的数值。变化一个参数值，其设计模型将自动改变与其相关的尺寸。（2）参数化设计的主要功能通过改变参数化模型的约束条件，就可自动地导出精确的几何模型，对系列零件，通过修改局部参数就可生成新的零件。3.第三次技术创新——参数化造型参数化模型在设计中常用到的是几何模型。a．几何模型描述的是几何实体的几何关系和拓扑关系，有的图形几何关系相同，而拓扑关系不同，有些图形几何信息不同而拓扑关系相同，b．参数化模型就是带有参数名的草图，用户修改参数名，零部件几何模型的拓扑信息不变，而尺寸自动改变。c．约束就是对几何元素的大小、位置和方向的限制。简单地可理解为图形的定形尺寸和定位尺寸。（3）参数化模型A、变量几何法1）变量几何法：将几何形状定义为一系列的特征点，将几何元素间的约束关系转换成以特征点坐标为变量的非线性约束方程组。当约束变化时，解出方程组，得到一系列新的特征点，从而生成新的几何模型。2）特点这种方法要求用户输入充分且一致的尺寸约束才能求解约束方程的解，当模型越复杂，约束越多，解线性方程的规模越大，构造方程唯一解的约束也越不容易，求解方程也越困难，故该法应用于较简单的平面模型。（4）参数设计的几种方法变量几何法是一种整体求解的方法，通用性好，但局部修改性能差，牵一发而动全身，效率很低。例:如图一个二维的三角形，三个顶点为其特征点，取三个边长的值为参变量。采用参数化设计时，先构造一个数学模型，把各约束关系用一系列的方程来表示。当改变其参数变量时，该几何模型的拓扑结构应保持不变。该几何模型的方程组为：B、尺寸驱动法1）基本思想：在工程图中，图元的形、位是由尺寸标注确定的，通过变动所标注的尺寸就能自动地得到几何图形的相应变化。2）方法：要修改图形，并不是直接修改图形实体特征点（如直线段的起始点、终点）的坐标，而是修改图形实体的尺寸（参变量）。尺寸标注线可以认为是一个向量，如下图，上面标注的内容就是参变量的现值，反映了图形的尺寸大小，其方向反映了几何数据的变化趋势，终点坐标就是要修改的几何数据，其终点称为该尺寸线的驱动点。被驱动实体所对应的点为被动点。当要改变参数值时，就可以根据尺寸线向量计算出新的终点坐标，以此来修改数据库中被动点的几何数据，使它们得到新的坐标值。如图5-13中，尺寸线d可看成为（0，0）到（1，0）的向量。长度为参量a的现值，方向为0°，表示B点将沿水平方向变化。终点D（与B点重合）就是驱动点。线段L的端点B就是被动点。若令a值为2，尺寸线向量可算出新的终点坐标（2，0），并替换原数据中驱动点、被动点的坐标。线段L伸长为L’，尺寸线d也变成d’，这就达到尺寸驱动图形变化的目的。参数化造型是由编程者预先设置一些几何图形约束，然后供设计者在造型时使用。与一个几何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其它几何。其主要技术特点是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动设计修改、全数据相关。5、参数化造型技术的主要特点基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造；全尺寸约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。造型必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束)，不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)；尺寸驱动设计修改：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变；全数据相关：尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。采用这种技术的理由在于：它彻底克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而牢牢地控制住。如打算修改零件形状时，只需编辑一下尺寸的数值即可实现形状上的改变。尺寸驱动已经成为当今造型系统的基本功能，无此功能的造型系统已无法生存。工程关系(EngineeringRelationship)如：重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，在参数化系统中不能作为约束条件直接与几何方程建立联系，它需要另外的处理手段。变量化技术是在参数化的基础上又做了进一步改进后提出的设计思想。变量化造型的技术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据相关、尺寸驱动设计修改的优点，但在约束定义方面做了根本性改变。变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸“参数”进一步区分为形状约束和尺寸约束，而不是象参数化技术那样只用尺寸来约束全部几何。除考虑几何约束(GeometryConstrain)之外，变量化设计还可以将工程关系作为约束条件直接与几何方程联立求解，无须另建模型处理。（1）变量化造型技术的主要特点4.第四次技术创新——变量化造型两种技术都属于基于约束的实体造型系统，都强调基于特征的设计、全数据相关，并可实现尺寸驱动设计修改，提供方法与手段来解决设计时所必须考虑的几何约束和工程关系等问题。（2）两种造型技术之共同点参数化技术在设计全过程中，将形状和尺寸联合起来一并考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制；变量化技术将形状约束和尺寸约束分开处理。参数化技术在非全约束时，造型系统不许可执行后续操作；变量化技术由于可适应各种约束状况，操作者可以先决定所感兴趣的形状，然后再给一些必要的尺寸，尺寸是否注全并不影响后续操作。参数化技术的工程关系不直接参与约束管理，而是另由单独的处理器外置处理；在变量化技术中，工程关系可以作为约束直接与几何方程耦合，最后再通过约束解算器统一解算。（3）两种造型技术之基本区别──约束的处理由于参数化技术苛求全约束，每一个方程式必须是显函数，即所使用的变量必须在前面的方程式内已经定义过并赋值于某尺寸参数，其几何方程的求解只能是顺序求解；变量化技术为适应各种约束条件，采用联立求解的数学手段，方程求解顺序无所谓。参数化技术解决的是特定情况(全约束)下的几何图形问题，表现形式是尺寸驱动几何形状修改；变量化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以做到尺寸驱动(Dimension-Driven)，亦可以实现约束驱动(Constrain-Driven)，即由工程关系来驱动几何形状的改变，这对产品结构优化是十分有意义的。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术驱动了CAD发展的第四次技术革命。CAD技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制造手段的更新。实际上，“参数化/变量化设计”并不是CAD软件带给我们的新设计模式，仅仅是对传统设计过程的提炼和抽象，为的是能够将我们的设计过程在计算机软件中处理。从应用上来说，参数化系统特别适用于那些技术已相当稳定成熟的零配件行业。这样的行业，零件的形状改变很少，经常只需采用类比设计，即形状基本固定，只需改变一些关键尺寸就可以得到新的系列化设计结果。再者就是由二维到三维的抄图式设计，图纸往往是绝对符合全约束条件的。除了一般的系列化零件设计，变量化系统在做概念设计时特别得心应手，比较适用于新产品开发、老产品改形设计这类创新式设计。（4）不同的技术导致截然不同的应用CAD定义：•CAD是计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）的英文缩写，计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。§1.2机械CAD技术应用•美国国家工程科学院对人类1964-1989年的25年来工程成就进行评选，结果表明，CAD/CAM技术的开发应用是十大成就之一。机械CAD约占CAD/CAM市场的35-40%1、CAD技术在机械工业中的应用：1）二维绘图：用来代替传统的手工绘图2）图形及符号库：将复杂图形分解成许多简单图形及符号，做成图库以便调用。3）参数化设计（用于标准化或系列化零部件）4）三维实体造型：采用三维实体造型设计零部件结构，经消隐、着色处理后显示物体的真实形状，可作装配及运动仿真，以便观察有无干涉。5）工程分析：如有限元分析、优化设计、运动学及动力学等分析等。6）设计文档或生成报表1）减少手工绘图时间，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。总之：采用CAD技术后，设计质量↑，设备利用率↑2-3倍，周期↓（30%-60%），成本↓（15%-30%），竞争能力↑。2、采用CAD技术的好处：3、机械CAD产品开发过程：1、概念设计在这一阶段，设计者根据客户和市场需求，确定新产品的功能和市场定位，给出产品的概念造型或草图。2、初步设计对概念设计中的内容进行方案分析比较，修正概念模型，使之更符合客户要求。用CAD的图形技术进行设计修改，方便、快捷，设计速度提高。3、详细设计详细设计是产品的真正设计阶段，需要确定产品的所有结构和尺寸。在这一阶段还要进行有限元分析、仿真及模拟。4、文档设计从概念设计到加工制造，根据