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计算机辅助设计

2023-03-09 21:14自然百科人已围观

[拼音]：jisuanji fuzhu sheji

[外文]：computer-aided design

利用电子计算机的高速处理大容量存储和图形功能来辅助产品设计的技术，英文缩写CAD。广义地说，CAD是指一切利用计算机辅助进行的设计和分析工作。

发展简史

50年代初，人们已经开始利用电子计算机进行工程设计的分析计算，分析产品的结构应力、热传导特性、振动特性等。1956年美国工程师克雷和基希提出计算机逻辑电路的计算机辅助设计系统，它能简单地检查逻辑方程，模拟在给定输入变量条件下输出的结果，并且可以产生底板接线表。这是最早引入计算机辅助设计概念的一个系统。这一阶段的计算机辅助设计技术还只限于解决零星孤立的简单问题。到了60年代，由于交互式绘图显示终端和绘图设备的出现，这种新技术才得到比较广泛的应用，逐步取代设计人员繁重的绘图工作。这时的系统以小型机为主，配有键盘、阴极射线管显示终端、绘图仪和打印机。计算机制造商针对特定应用领域将有关软硬件组装在一起,构成一个CAD系统出售，用户使用非常方便。60年代后期，出现了一批以大型机为主的CAD系统,主要用户是飞机制造业和汽车制造业。计算机的速度和容量迅速提高，数据库技术也有了很大发展，CAD技术日趋成熟，于是出现了大型CAD工作站。这种大型 CAD系统有丰富的应用软件包（包括各种二维、三维的绘图软件包）、大型工程数据库（包含数万张计算机图形数据）和使用方便灵活的用户接口。70年代，计算机辅助设计技术已冲破小单位的界限，与计算机网络技术相结合,形成分布式CAD系统。大型机、小型机、微型机相互结合，大型机负责大量的计算分析和几何图形的处理；小型机负责局部分析和绘图；微型机和外部设备构成智能终端，提供更方便的用户接口。这个时期数控加工技术也得到飞速发展，为计算机辅助制造的发展奠定了基础。70年代后期，计算机辅助设计与计算机辅助制造逐渐结合为一体，使计算机辅助设计发挥出更大的效能。

CAD系统

主要包括三个部分。

（1）交互式图形系统　它帮助设计人员绘制各种二维或三维的设计图形。在工程设计方面需要绘制各种零件图、部件图、装配图，以及三维立体透视图。设计人员可以交互式地修改已经生成的图形，进行放大、缩小、平移、旋转等操作。

（2）各种计算分析用的软件包　通过这些程序可以对产品的性能进行评估，在各种可能的方案中选出最佳方案，决定最佳的产品式样、尺寸、结构等设计参数。

（3）CAD 数据库　用以存储并管理大量的描述产品的数据以及设计过程所需要的各种数据，如各种设计规范和标准以及各种管理用的数据等。

优越性

计算机辅助设计充分发挥人的思维判断能力和计算机的高速运算和记忆能力，完全改变传统的产品生产方式，改变人在生产过程中的作用。其优越性表现在：

（1）提高设计的精度，减少错误，能完成单靠人工方式无法完成的复杂设计。例如，大规模集成电路和多层印刷电路板的设计中，图形极为复杂，要求精度极高，单靠人工是很难完成的。

（2）大大提高生产率。能使人摆脱繁琐重复的绘图工作，省去查阅资料的时间，设计速度大大加快。缩短了设计和制造的周期，使新的先进的设计思想能迅速变成产品，促进产品更新换代，增加产品的竞争能力。

（3）便于实现最优设计。由于设计速度快，设计人员有可能从许多设计方案中选出最佳的设计方案，从而达到更好的经济效益。

（4）降低设计成本。与数控机床相配合,使设计和生产小批量产品仍有经济效益,这有利于增加产品的花色品种，满足各方面的特殊需要。

（5）使设计工作不再单纯依靠少数掌握特殊技能的专家，一般设计人员也有可能完成较高级、较复杂的设计工作。

工作过程

设计是一种创造性的活动。采用计算机辅助设计技术研制新产品(全新产品或改型产品)时，设计人员首先根据产品的用途和以往的经验，对产品的形状、尺寸、结构等提出一个大致的设想，即建立一个有关新产品的粗略模型。设计人员将这些原始设计信息通过输入设备以某种数据结构形式存入计算机中，然后通过交互式终端对此模型进行各种模拟试验和分析，根据分析结果对原始设计加以反复修改。这种修改是以电子信息形式高速进行的，因此，可以方便地反复多次进行，直至能获得满意的结果。设计的结果存在计算机中，需用时可很快在图形终端上显示出来，或通过绘图设备绘制在图纸上。在交互式图形系统中设计人员可以从各个方向，以各种比例，甚至从各种截面上去观察所设计产品的零部件。这就完全改变了原来依靠图纸传递设计人员设计思想和意图的状况。设计人员对产品的试验和分析是在虚拟对象上进行的。对于特殊复杂的零部件，还可进行有限元的分割,以观察每一单元对应力的反应,并据此来确定最合理的用料方案。对随位置而变化的传热和导电特性，也可通过对每一单元规定的色码在彩色显示终端上显示出来，还可使零部件或产品活动化，进行动力学的模拟和计算，以分析它们的振动特性和寿命。对产品的装配情况，也可以进行模拟试验，设计者可在屏幕上以色度不同的彩色图像，逼真地显示零部件的组装过程，检查它们之间的配合情况，从而不必制造样机和产品模型来进行实际试验，只要在虚拟模型上作必要的分析和模拟，就可获得新产品的各项性能的精确指标。CAD的结果可以用图纸和说明书的形式输出,也可以直接形成数控加工的数据,通过数控纸带或数据库传递给CAM系统。

下图为计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)系统的相互关系。图中实线表示联机信息传递，虚线表示脱机信息传递。计算机监督可以联机进行，也可脱机进行。 CAD生成的设计信息一般以脱机方式传递给CAM，但也可直接传递。

实用系统

CAD系统包括硬件和软件两个部分。CAD硬件自从80年代初出现了主机和图形终端合在一起的工程工作站以来，以工作站、文件服务器和局域网组成的分布式系统已逐渐代替了原来以超级小型机或中型机为基础的集中式系统。这种系统响应时间快，交互能力强，能共享资源。为了进一步提高工作站的处理能力和响应时间，已采用具有10MIPS（每秒兆指令数）运算速度的RISC（缩减指令系统计算机）的中央处理器。为了提高图形显示的质量和速度,出现了分辨率为2048×2048,显示速度为50万矢量／秒，能动态显示三维图形的图形处理器。为了满足中小企业对CAD的需要,高档个人计算机(PC)加上高分辨率图形板，构成高性能的 PCCAD工作站。这主要是因为大规模集成电路（VLSI）技术的迅速发展，使半导体存储器的容量成倍提高，并出现新的高性能的图形处理芯片。CAD软件分为支撑软件和应用软件。

CAD 支撑软件采用根据国际标准或行业标准设计的软件,如UNIX操作系统,图形核心系统GKS,GKS-3D，网络文件系统NFS,符合OSI标准的局域网通信软件等,形成一个开放式的支撑环境，以便于应用软件的移植和集成。CAD支撑软件采用多窗口技术、用户接口管理系统(UIMS)和三维真实感图形显示技术等新技术。 CAD支撑软件还采用工程数据库系统和MAP/TOP网把整个CAD系统集成起来，以便向计算机集成制造系统(CIMS)的方向发展。

CAD应用软件从主要面向设计转向模块化结构,以便实现 CAD/CAM系统。并从单纯的计算机辅助设计转向智能化计算机辅助设计、设计自动化（DA）和优化设计。CAD应用软件大都是为特定领域而编制的,但也有一些是通用软件，如Auto CAD（计算机辅助绘图系统）,SPICE(电路分析程序),NASTRAN CSMP(工程分析程序)，ADAMS（机械系统自动动态分析程序），DRAM（铰链机构动态分析程序），IMP（综合机械分析程序）,KINSYN（运动综合程序）,ALEXTR，EXTCAM（冲模设计程序）,STRUDL，ANSYS，SAP（有限元分析程序）。汽车制造工业中典型的CAD系统有：DAC-1（美国通用汽车公司研制，是汽车制造工业中最早使用的计算机辅助设计系统）,CADANCE (美国通用汽车公司研制，用于检查设计质量),FBG（美国通用汽车公司研制，用于绘图作业），PDGS（美国福特汽车公司研制）,CAD-Ⅰ和CAD-Ⅱ(日本日产汽车公司研制),SCAD（日本铃木汽车公司研制，用于汽车车身的设计和制造），UNISURF（法国雷诺汽车公司研制,用于汽车外形设计）。航空工业中典型的CAD系统有：ATLAS(美国波音公司研制,为综合结构计算程序),CPDS（美国波音公司研制），SYNAC(通用动力学公司研制)，IDEAS(格拉曼公司研制)，ASSET(洛克希德公司研制)，ICADE（美国麦道公司研制）,CAP（美国罗克韦尔公司研制），ASAP（博特公司研制）,IPAD（美国航空航天管理局,波音公司等厂家共同研制的飞行器计算机辅助设计系统），PASPA（日本航空宇宙工业会研制）。造船工业中的CAD系统有：NASD(日本NKK公司研制,用于船体设计程序)等。建筑工程中的CAD系统则有HOUSE（建筑设计通用绘图软件包）等。

发展趋势

（1）智能化，扩大功能，使绘图系统有更丰富的色彩和层次。

（2）研制高效率的专用硬设备，如绘图软件硬化、CAD/CAM数据库机等。

（3）扩大应用范围,除了传统的机械、电子线路、大规模集成电路、建筑、飞机、轮船、汽车等的设计外，进一步开拓更广阔的应用领域，如医疗器械设计、包装设计、服装设计以至家用设备的设计等。

（4）标准化，以便于共享成果和相互交流，减少费用。在程序设计语言、数控语言，以及图形的计算机内表示等方面标准化的工作已经有不少成果，但多数还是针对特定环境的应用软件包，尚缺乏统一的标准。

参考文章