第1童绪论 ·17· 模型、表面模型到实体模型的发展，所表达的几何信息越来越完整和准确，能解决 “设计”的范围越来越广，能够构造各种复杂的产品形状，而且三维造型还能够自 动生成相应的二维工程图，具有参数化、变量化功能，还可以进行装配设计。通过 赋予零部件一定的物理属性，如材料密度，还可以进行产品的各种物理特性计算。 此外，利用三维CAD系统建立的几何模型还可以用于后续的工程分析、数控加 工等。 3.应用软件 应用软件是在系统软件和支撑软件基础上，针对某一专门应用领域的需要而研 制的软件。在实际应用中，由于用户的设计要求及生产条件多种多样，所选购的支撑 软件难以完全适应各种具体要求，通常会在支撑软件的基础上进行二次开发，开发出 用户化的应用程序，如组合机床设计软件、汽车车身设计软件等。 相对于通用化的支撑软件，应用软件通常使用起来更专业、效率更高，往往具有 自动、检索，甚至智能化的特点。 4.典型CAD系统介绍 在CAD软件发展过程中，先后出现了大量的商品化支撑软件，有些慢慢退出了 市场，有些逐渐功能更加完善、强大。目前，最著名的二维机械CAD软件仍然是 AutoCAD,基于三维实体建模、参数化设计、特征造型等特性的机械CAD系统在国 内已获得广泛的应用，常见的主要有CATIA,UG,Pro/Engineer和SolidWorks、.Sol idEdge,Inventor等软件系统。表l-l所示为从众多的国内外商品化机械CAD软件 中选择一部分具有代表性的产品，表中进行了概略性的介绍。 表11典型CAD软件介绍 公司名称CAD产品名称 简要说明及主要模块，功能 AutoCAD是国际上广为流行的绘图工具。可以绘制任意二维 和三维图形，速度快、精度高，在航空航天，造船，建筑、机械、电子 AutoCAD 化工，美工等很多领域得到广泛应用。AutoCAD具有良好的用户 Autodesk 界面，通过交互菜单戒命令行方式便可以进行各种操作。它的多 (美国) 文档设计环境，让非计算机专业人员能很快地学会使用，从而不断 提高工作效率 这是一个以装配为中心的三维设计与基于特征的实体建模系统 Inventor 其特点是采用了自适应造型技术，能实现通过WEB合作的大型装配 P。/E是最早采用参数化设计的、基于特征的实体模形化系统 工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。 PTC Pro/Enginee 通过记录特征元素的生成操作过程，用尺寸驱动方法修改相应的 (美国) 二维轮廓，实现参数化特征建模，使曲面、实体、参数化特征设计融 为一体，可以任意构造复杂零件和装配件
·18· 机械CAD技术 续表 公司名称CAD产品名称 简要说明及主要模块、功能 UG起源于美国麦道飞机公司，2001年EDS并购了SDRC,2004 年SDRC的1DEAS和EDS的UG推出第个合并版本NX1.0 2003年11月，UGS从EDS中分离出来独立发展。现在又枝西门 UG NX 子公司牧购，UGNX被称为Siemens NX,UG是从二维绘图、数 控加工编程，曲面造型等功能发展起来的软件，采用参数化和变量 UGS PLM 化技术与传统的实体，线框和表面功能结合，适合于航空、航天、汽 软件公 车、通用机械以及模具等行业产品的设计，分析及制造 (原UGS, EDS I-DEAS是美国UGS子公司SDRC公司开发的CAD/CAM (属西门 I-DEAS 软件。该件是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。DEAS 子公司) 在CAD/CAE一体化技术方面一直领先，软件内含诸如结构分析，热 力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能 SolidEdge是Siemens PLM Software公司旗下的三维CAD软件 SolidEdge 采用Siemens PLM Software公司自己拥有专利的Parasolid作为软件 核心，将普及型CAD系统与世界上最具领先地位的实体造型引结 合在一起，是基于Vindows平台、功能强大且易用的三维CAD饮件 CATIA是法国达素系统公司的产品开发旗舰解决方案。CAT I有113种独立的功能模块，其中曲线曲面造型功能强大。作为 PLM协同解决方案的一个重要组成部分，支持从项目前阶段、具 CATIA 体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。目 Dassault 前，CATIA是国际高端CAD系统的领头羊，在航空及造船工业具 (法闲) 有垄断地位，并占汽车工业相当大的份额 最早基于Windows的三维设计软件，自动捕捉设计意图和引导 设计修改，装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件，支 SolidWorks 持“自顶而下”以及“自底而上”的方法进行装配设计。具有全面的 零件实体建模功能，二维和三维全关联，标注和细节绘制工具，能 快捷地生成工程图纸 CAXA电子图板是高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软 北京北航 CAXA电 件，辅助设计人员进行零件图，装配图、工艺图表，平面包装的设 海尔软件 子图板 计，适合二维绘图的场合，可使设计人员甩掉图板，满足相关行业 有限公司 的设计要求 (中国北京) CAXA三维 实体设计 参数化三维特征设计 二维设计与绘图，局部参数化设计，参数化国标图岸 武汉天喻软 采用Windows界面风格，易学、易用 件有限公司 InteCAD 根据草图特征，自动产生投影图 (中国武汉)】 多比例绘图功能可在一张图中绘制多个不同比例的图形 自动生成基于图档管理的非图形信息，与PDM系统无缝集成
第1章绪论 ·19 5.产品数据交换 现代工业生产已经呈现出多企业和全球化协同作业的趋势，不同企业或部门根 据承担项目的不同，都配置了不同的软件环境，因此出现了环境异构的局面。这些异 构环境构成了部门、企业之间信息共享的障碍，使得不同CAD系统之间、CAD与 CAE、CAM之间的模型重用出现困难，因此要制定统一的、支持不同应用系统的产 品信息描述和交换标准，实现产品数据模型的共享。 1)标准接口 20世纪80年代以来，国外对数据交换标准做了大量的研究、制定工作，也产生 了许多标准，相关标准为CAD的推广应用起到了较大的促进作用，目前以图形数据 交换为代表的标准成为产品数据交换的主流，具有开放性、规范性和权威性的标准 中，最具有代表性的是IGES和STEP标准。 (I)IGES(Initial Graphics Exchange Specification,初始图形交换规范)是美国 国家标准和技术研究所NIST(National Institute of Standards and Technology)研制 的。IGES的目标是要定义不同CAD系统间几何图形数据的交换格式。IGES重点 支持下列模型的交换：二维线框模型、三维线框模型、三维表面模型、三维实体模型、 技术图样模型。 1996年以后，IGES版本不再发展，但现在大多数CAD商用软件仍支持IGES 格式图形文件的输入和输出。 (2)STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data,产品模型数据交 换标准)是国际标准化组织I1SO制定的数据表达与交换标准。制定STEP标准的目 的有两个：一是统一产品的数据表示，二是规范产品的数据交换。STEP的产品数据 表示是想建立一个包括产品全寿命周期的、完整的、语义一致的产品数据模型，以满 足产品全寿命周期各阶段对产品信息的不同需求，以及保证对产品信息理解的一致 性。STEP的产品数据交换是想建立一种独立于任何CAX系统，具有多种形式的交 换方法。STEP体系庞大，迄今为止正式公布了30多种子标准 2)业界接口 在软件的发展过程中，由于当时完全没有满足要求的标准接口，但又需要和其他 软件进行数据交换和共享，因此先后出现了一些有影响的、被业界认可的通用接口规 范，如DXF、ACIS SAT和Parasolid X_T等 由美国Autodesk公司制定的面向二维CAD模型交换规范DXF(Data Ex- change File),它已经成为一种事实上的标准；Spatial Technology公司推出的ACIS 是一款三维几何造型引擎，许多三维造型系统如AutoCAD、CADKEY、MDT和 TurboCAD等都使用它作为造型内核；EDS公司的Parasolid是与ACIS,DesignBase 等系统齐名的商用几何造型系统，可以提供精确的儿何边界表达(B-Rep),能在以它 为几何核心的CAD系统间可靠地传递几何和拓扑信息，UG,SolidWorks、SolidEdge 等都采用它作为内核
·20· 机械CAD技术 3)专用接口 为了扩大软件的市场和兼容其他软件厂商开发的模型，有些CAD软件专门开 发了读取和写人其他软件模型格式文件的接口，如CAXA电子图板能直接读取 AutoCAD的DWG文件，I-DEAS可以直接读取CATIA,UG、Pro/E的文件等。 如果要进行不同软件间的数据交换，建议：如果有专用接口，就使用专用接口：如 果无专用接口，尽可能使用输出软件的内核系统事实通用接口：如果上述转换仍有困 难，可使用标准通用接口。需注意的是，不论使用哪种接口，都要确保两端软件的接 口版本和参数尽量一致，才能获得较高的数据传输精度。 1.3机械CAD技术的发展 1.3.1机械CAD技术的发展历程 计算机辅助设计技术的发展历史与计算机技术的发展密切相关。1946年，美国 麻省理工学院(MIT)研制成功了世界上第一台电子计算机，它的高速运算能力和大 容量的信息存储能力，使得很多数值分析方法能在计算机上完成。之后，人们不断将 计算机技术引入设计制造领域。1963年，美国MIT学者I.E.Sutherland有关人机 对话图形通信系统的论文问世，研制成功了世界上第一套实时交互功能的二维 SKETCHPAD系统。该系统允许设计者操作光笔和键盘，在荧光屏上显示图形，实 现人机交互作业。这项成果标志着CAD技术的诞生，为以后CAD技术的发展提供 了基本条件和理论基础。 CAD技术萌芽以来，陆续出现了许多商品化的CAD系统和设备。20世纪6O 年代是二维、三维线框造型时期，70年代进人自由曲面造型阶段，80年代中期实体造 型技术实用化，80年代中后期出现了参数化造型技术，90年代初期特征造型软件面 世，90年代后期以来，CAD技术全面进人知识驱动与协同设计时代。 1.二维绘图和三维线框造型阶段 20世纪6O年代是CAD技术的萌芽时期。这一时期的机械CAD软件为简单的 线框造型系统，此时的CAD系统仅仅是手工绘图板的替代工具，同时，须使用大型 计算机，硬件支持系统价格昂贵，在一定程度上限制了CAD技术的应用。代表性的 商用CAD系统是洛克希德公司研制的二维绘图系统CADAM。 2.三维曲面和实体几何造型阶段 20世纪70年代末到80年代中期是CAD技术的第一次重要发展时期。由于工 业界强烈的应用需求，曲面造型和实体造型技术获得了快速发展。美国MIT的 Coons和法国雷诺公司的Bezier先后提出了新的曲面算法，使得人们可以用计算机 处理复杂曲线及曲面问题。197？年法国达索飞机公司成立一个开发部门，开发出三 维曲面造型系统CATIA,标志着CAD建模技术从二维走向三维，同时也使CAM技
第1章绪 论 ·21· 术开发具备了实现的基础，带来了一次CAD技术革命。曲面造型带来的技术革新， 使飞机、汽车开发手段有了质的飞跃。 实体造型在理论上统一了CAD/CAE/CAM的模型表达，它代表着CAD技术 的发展方向。20世纪70年代末，开始出现早期的实体造型软件，采用基本体素和布 尔运算来构造三维模型。1979年，SDRC公司推出了世界上第一个完全基于实体造 型技术的大型CAD/CAE软件DEAS,标志着CAD发展史上的又一次技术革命。 这一时期，CAD系统主要运行在分时大型机、小型机或图形工作站上，软硬件价 格仍然昂贵。 3.参数化特征造型和变量化造型阶段 20世纪80年代末到90年代初属于CAD第二次重要的发展时期。这一时期单 用户计算系统的普及、参数化技术和特征造型技术的发展，使得CAD产业格局面临 新一轮变革。 20世纪80年代中期，实体造型技术逐渐普及，CV公司以副总裁Sam Geisberg 为首提出参数化设计思想，即基于特征，全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修 改。因曲面造型需求大，CV公司内部否决了这一方案。这些人集体离开了CV公 司，于1985年成立了PTC公司，研制参数化软件Pro/E,首次实现尺寸驱动的零件 设计修改。参数化技术带来了CAD发展史上的又一次技术革命 20世纪90年代初期，变量化设计技术出现。SDRC公司对参数化技术进行研 究，发现了许多不足，并以参数化技术为基础，提出变量化设计技术，支持欠约束设 计。通过重写DEAS,于l993年推出全新-DEAS Master Series软件。直至今天， 变量化设计技术仍是CAD核心技术之一· 4.知识驱动与协同设计时代 20世纪90年代中期至今，计算机软/硬件技术的快速发展，微机三维CAD系 统的快速蝠起，使CAD系统成本大幅度降低，CAD技术得到迅速普及推广，带来了 CAD第三次发展高潮。如我国“九五”期间的“甩图纸”工程，极大推动了CAD技术 的普及应用。 1993年，原CV公司的John Hirschtick创建了SolidWorks公司，1995年底发 布SolidWorks;l996年初，Intergraph发布SolidEdge软件。SolidWorks和 SolidEdge上市后在CAD工业界又一次引起轰动，成为微机平台参数化特征造型系 统的后起之秀。 随着经济全球化进程的加速，跨行业、跨地区、跨国家的联盟型虚拟企业迅速发 展，企业环境发生了深刻变化，许多复杂产品的设计不得不由分布在不同地点的产品 设计人员和其他相关人员协同完成，在广泛普及应用的CAD技术支持下，分布式协 同设计技术应运而生」 这一时期，随着几何造型功能的逐渐成熟，CAD技术的发展开始关注产品设计 中广泛涉及的设计知识的应用问题，出现了基于知识的工程(Knowledge Based En