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计算机辅助设计CAD应用前景与发展趋势一、前言：随着社会的发展和科学技术的进步，人们对设计的要求发展到了一个新的阶段，具体表现为设计对象由单机走向系统、设计要求由单目标走向多目标、设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域、承担设计的工作人员从单人走向小组甚至大的群体、产品设计由自由发展走向有计划的开展。现代设计技术与方法这一述语的概念已提出多年，但是，由于现代设计技术是一门新兴的科学，迄今为止国内外文献对此尚无普遍公认的严格定义，也没有明确的边界。现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在涉及领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。据德国机械制造工作者协会调查表明，在机械制造业中产品的55%属于适应性设计，25%为开发性设计，20%为变型设计。显然，上述设计类型划分之界限有时并不十分明确，不过为适应先进制造技术的进步与发展趋势，当今不论何种设计都有必要应用计算机辅助设计（ComputerAidedDesign——CAD）技术及其他行之有效的现代设计技术，使设计的产品能在激烈的市场竞争中取胜。现今的我们需要迅速了解、掌握最新最前沿的科技。以下为以计算机辅助设计CAD为例来阐述现代设计方法中的部分内容的概念和应用前景。二、计算机辅助设计CAD1、CAD含义：计算机辅助设计（ComputerAidedDesign)，简称CAD。他是把计算机技术引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。计算机、绘图积极其他外围设备构成CAD硬件系统，而操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和应用软件等构成CAD的软件系统。通常所说的CAD系统是只由系统硬件和系统软件组成，兼有计算、图形处理、数据库等功能，并能综合利用这些功能完成设计作业的系统。计算机辅助设计(CAD)技术，作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科学技术成果的开发与转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计现代化，增强企业及其产品在市场上的竞争力，加速国民经济的发展和国防现代化的一项关键性设计技术；也是进一步向计算机集成制造系统(CIMS)发展的重要技术基础。CAD技术包括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及相关技术的系统柴成。2、CAD系统的功能和工作主要内容及其特点功能：几何建模、计算分析、仿真试验、绘图及技术文档生成、工程数据库的管理与共享。主要内容：①建立产品设计数据库：产品设计数据库用来存储设计某类产品时所需的各种信息、如有关标准、线图、表格、计算公式等。数据库可供CAD作业时检索和调用，也便于数据的管理及数据资源的共享。②建立多功能交互式图形程序库：这个图形程序库可以进行二维、三维图形的信息处理，能在此基础上绘制二程设计图样、多种函数曲线、可进行图形变换和投影变换、可作三维几何造型和形体的真实感处理。③建立应用程序库：编制及汇集解决某一类工程(或产品)设计问题的通用及专用设计程序。如通用数学程序、常规机械设计程序、优化设计程序、有限元计算程序等。CAD的特点：缩短产品开发周期、提高产品设计质量、降低生产成本、设计模型定义、工程分析计算。3、CAD的发展过程我国CAD技术的应用情况：CAD的集成化程度较低，很多企业的应用仍停在绘图、分析计算等单项技术的应用上；CAD系统的软、硬件均依靠进口，自主版权的软件较少；缺少人才和技术力量，致使有些企业尽管引进了CAD软件系统，但其功能没能充分的发挥。CAD的发展趋势：具有集成化、标准化、网络化、智能化。“集成化包括软件硬件的集成、不同系统之间的集成、以及通过网络多媒体数据库实现异地系统协同共享信息资源等。”“标准化指研究开发符合国际标准化组织颁布的产品数据转换标准、制定网络多媒体环境下数据信息的表示和传输标准、制定统一的国家CAD技术标准体系。”“网络化指充分发挥网络系统的优势，共享昂贵的设备；借助现有的网络，用高性能的PC机代替昂贵的工作站；在网络上方便地交换设计数据。”“智能化指将领域专家的知识和经验归纳成必要的规则形成知识库，再利用知识的推理机制进行推理和判断，以获得设计专家水平的设计结果。”4、CAD系统的类型检索型CAD系统：适用基本结构已经定型，有标准零部件和结构可以借鉴的产品，即标准化、系列化产品的设计。如电机、泵、减速器等。建立系统时，首先把选定产品的有关设计资料如标准图形信息、加工工艺信息等存入计算机中，需要时输入设计要求，系统自动从所存储的信息中把符合要求的信息检索出来，以图形或文件的形式输出。缺点是当不能完全满足初始参数要求时，系统将无法输出正确结果。计算型CAD系统：也称作自动设计型CAD系统，设计人员按设计要求输入基本参数以后，无需或只需很少的人工干预，由计算机按照预先编制好的程序自动地完成全部设计任务。适用于那些设计理论成熟、计算公式确定、设计步骤及判别标准清楚的产品。例如齿轮减速箱设计系统等。交互型CAD系统：交互型CAD系统是指在设计时由设计人员与计算机进行人机对话，人工干预方案决策、作出判断及修改设计等，由设计人员与计算机系统一起互相配合工作、以得到一个最优设计。这种交互型CAD系统最适合目前工程实际中产品设计与开发的任务，是目前应用最普遍的一种CAD系统。例如AutoCAD、Proe、Engineer、SolidWorkS。5、CAD的硬件系统和软件系统CAD系统对硬件的要求：（1）、强大的图形处理和人机交互功能（2）、需要有相当大的外存容量（3）、良好的通信联网功能。按配置的不同，CAD的硬件系统可分为大型机系统、小型机系统、工程工作站系统、微机CAD系统和网络分布式CAD系统。CAD系统的软件：系统软件是CAD系统软件中最低层次的软件，它为开发各类支撑软件和面向用户的应用软件提供了必要的基础和环境。系统软件主要负责管理硬件资源以及各种软件资源，是应用和开发CAD系统的软件平台。主要包括：操作系统、编译系统和图形接口标准和网络通信及管理软件。CAD支撑软件是在系统软件基础上开发的满足CAD用户一些共同需要的通用性软件。通常包括：几何建模和图形输出软件、辅助用户完成零、部件或产品的结构设计和详细设计，输出产品的零件图、装配图或三维立体图。计算分析软件是辅助用户完成零、部件或产品的结构设计和详细设计，输出产品的零件图、装配图或三维立体图。产品数据管理软件是对CAD过程的图纸、文档、数据文件的电子化管理。CAD应用软件是在系统软件的基础上，用高级语言编程，或基于某种支撑软件，针对特定领域、特定工程设计问题、特定产品等开发专用的软件，即面向用户的应用软件。三、CAD前言应用与发展趋势：现在，随着计算机性能成数量级的提高，其价格成倍地下降；随着“网络通讯的普及化”、“信息处理的智能化”、“多媒体技术的实用化”，随着CAD技术的普及应用越来越广泛；CAD技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。正确把握CAD技术的发展趋势，对于我国CAD软件行业开发适销对路的产品，对于企业正确选型和规划自身的CAD应用系统，都有非常深远的意义。因此，未来的CAD技术需要有着更完善的开放性、集成、智能和标准化的规范。还要有虚拟现实的能力。1、图形交互技术（开放性）CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。CAD系统的开放性主要体现在系统的工作平台、用户接口、应用开发环境以及与其他系统的信息交换等方面。CAD系统的开放性是决定其能否真正达到实用化、能否真正使之转化为现实生产力的基础。2、集成的CAD系统其一是以“甩掉图板”为目标的计算机辅助绘图与设计系统。我国不少行业在此层次上的普及率和覆盖率已超过1/3，有我国自主版权的系统已有一定的市场占有率。其二是以资源共享，权限控制为目标的产品信息管理系统（PDMS），由此可以甩掉纸介质的图纸文档，并且在企业实现设计生产信息和管理信息的集成，逐步实现甩掉工艺卡。其三是以建立全局产品模型、无纸设计、加工管理为目标的计算机辅助三维设计、分析、仿真模拟、加工集成系统，波音777的设计制造过程是应用这类系统的典范。其四是以控制产品生命周期为目标的并行工程。并行工程的基本要素是优化设计，并且从产品性能设计、产品制造工艺性能设计、产品可检测性能设计、产品可维护性能设计以及产品依从性能设计入手进行优化，促进快出多出市场对路的新产品。3、智能CAD技术CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。目前在智能CAD方面主要开展了以下几方面的工作。（1）、把一批已经退休或即将退休的工程技术人员长年积累的智慧和经验总结归纳成计算机里的知识库和智能库，为后人所用。（2）、现有设备仪器在加工中质量和过程的智能控制，其中包括智能传感技术与系统控制，在此基础上进行新一代加工智能机的设计和制造。（3）、智能优化产品设计和加工过程，逐步实现加工单元的智能控制。（4）、智能设计、智能制造系统乃至工业智能化研究。4、具备标准化规范CAD软件一般是集成在一个异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，就要求它应是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准构件（零部件库）、标准化方法也已成为CAD系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。5、虚拟现实技术虚拟现实技术在CAD中已开始应用，设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题，及早看到新产品的外形，从多方面评价所设计的产品。虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析，以评价其性能，可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等，基于虚拟样机的试验仿真分析，可以在真实产品制造之前发现并解决问题，从而降低产品成本。虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向。另外，随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展，利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术，实现真正的全数字化设计和制造，已成为机械设计制造业的发展趋势。