·22· 机械CAD枝术 gineering,KBE)概念。产品设计中KBE应用技术研究包括两个方面：一方面是知识 型CAD系统的基础理论性研究：另一方面是用CAD系统平台开发专门的KBE应 用系统的研究。目前，CATIA、UG和Pro/E中都有相应的模块支持KBE功能。 我国的机械CAD技术起步于20世纪70年代中期，最早应用于航空工业，应用 较多的是采用计算机进行一些产品的计算分析。20世纪80年代以来，我国在CAD 技术应用开发方面实施重点投资，取得了一些成果。近些年来，机械CAD技术在我 国发展很快，已经进人普及实用阶段。一方面，软件引进力度加强，很多国际流行的 CAD软件已为广大技术人员所掌握，如AutoCAD,CATIA,UG.Pro/E、SolidWorks 等；另一方面，国内多家高校、科研院所组织开发的CAD系统，有些已达到国际先进 水平，如清软英泰、北航CAXA、华中大的开日、华中大的天喻、艾克斯特、新舟、大 天、中望等相关单位开发的CAD软件系统在国内市场上都有一定的份额，部分替代 了进口的同类CAD软件， 1.3.2机械CAD技术的发展趋势 市场需求是推动机械CAD技术不断发展的动力。机械CAD技术在现代工业 生产中发挥着举足轻重的作用，随着对CAD技术的不断研究、开发与广泛应用，对 机械CAD技术的要求也不断提高，进一步推动机械CAD技术向前发展，当前发展 趋势可以概括为下述几个方面。 1.集成化 在大型机械制造企业中，往往存在着许多不同时期、不同人员开发的互相缺乏联 系的独立应用软件（或模块），主要表现在： (1)功能各异，孤立的系统封闭运行，难以取得及时综合信息， (2)各孤立系统自成一体，数据重复和冗余、浪费资源； (3)各孤立系统只能通过各自接口进行转换，易造成信息丢失： (4)各孤立系统间不能直接通过数据库和网络实现信息共享； (5)各孤立系统自行开发，低水平重复，人力资源浪费。 通过相关机械CAD系统的集成，可以实现多种软件的数据共享、重用，减少数 据冗余和重复劳动，如产品BOM数据在设计、工艺、制造、售后阶段的集成共享。多 种软件系统在一个统一框架下运行，操作更方便。如在PDM统一环境下集成CAx 软件，软件间采用内部互访机制。不同集成系统有不同的集成层次，如各种功能的 CAD系统的集成化，CAx/PDM/ERP系统集成化，计算机集成制造系统(CIMS) 系统集成既包括硬件集成，也包括系统软件和应用软件的集成、数据的集成、过程的 集成。 一般机械CAD系统的集成须满足： (1)集成系统有畅通的信息流和正确的数据转换； (2)提供信息共享和软件共享的机制：
第1章绪论 23 (3)提供所有软件信息的版本控制及管理； (4)信息项改动时，自动跟踪相关信息项： (5)保证内部有一致的接口和外部有统一的、友好的人机界面； (6)用统一的执行控制程序来组织各种信息的传递和运行。 2.网络化 机械制造企业生产过程是一个包括产品规划、产品设计、工艺准备、零部件生产、 标准件/外购件采购、产品组装检验、产品销售及服务等在内的信息协作过程。当前， 随着并行工程等先进制造技术的发展，建立动态联盟制造体系已成为全球化制造系 统的发展趋势，要求现代CAD技术实现从单机到网络化的转变，支持动态联盟中协 同设计所需的环境和设计技术。 机械CAD技术的网络化，可以提供多学科领域开发团队的协同产品开发；支持 跨部门、跨行业、跨地域的企业协作；使数据共享、知识共享、资源共享。空中客车公 司由欧洲航空防务及航天公司和英宇航系统公司共同拥有，总部位于法国图卢兹。 空客公司的设计机构和工厂属于四个全资子公司：法国、德国、西班牙、英国的公司。 依靠机械CAD技术的网络化支持，空中客车在4国5地进行异地联合设计，分别在 4个国家的多家生产基地异地制造，在法国的图卢兹和德国的汉堡进行最后的总 装配。 3.智能化 机械设计是一种含有高度智能化的人类创造性活动，设计过程中需要大量的领 域专门知识、丰富的经验及问题求解技巧。现有交互式CAD系统的优势在于处理 数值型的工作（如计算与绘图），但工程设计中需要经验或知识决策，使用过程中往往 要人为干预，因而设计质量在一定程度上依赖用户的经验和知识水平。对CAD来 说，它是一个设计过程，从方案设计开始，一步步求解，整个设计过程要经过反复修 改；设计与制造可能是多方案的，并且不是仅有唯一的解，因此要进行多方案的优化 选择与评价：设计是以设计师为主导完成的一个循环迭代过程：CAD设计本质是 个多知识源求解问题，工程设计中所用知识的表达方式多种多样，如经验性知识、启 发性知识、数据图表、标准元件等CAD系统中要对多种知识进行有效表达。 在使用CAD设计过程中，需要符号、逻辑等多方面的知识表达与推理工具；不 同的知识源有自己的推理策略，知识源一般表示为过程和规则集，以适应逻辑推理和 数值计算的需要。 研究人们的设计思维方式，并用智能技术来表达和处理CAD设计过程中的知 识，产生高效的CAD系统，提高设计自动化程度。将人工智能技术，特别是专家系统 的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD技术发展的 必然趋势。 4.标准化 CAD标准化是CAD系统集成、数据交换、资源共享重用的前提，也是CAD应用
·24· 机械CAD技术 规范化、有序化的基本保证。CAD标准化工作随着企业CAD技术的不断推广应用 和普及，其作用越来越被企业所重视。 目前CAD数据交换标准有STEP、IGES等，CAD零部件库标准有ISO13584等 国际标准。我国还有关于CAD工程制图标准、图档管理标准等。另外，由于某些 CAD软件的市场强势地位，形成了事实标准，如DXF、SAT,以及CATIA、UG、Pro/ E等系统的输出格式。 5.专业化 CAD是产品和工程设计与制造领域的一次革命性改变，它可以帮助企业适应迅 速变化的技术环境和市场环境的要求，至今已广泛应用到各个领域，包括航空航天 电子、计算机、汽车、机械、建筑、石化、橡胶、塑料、电气乃至气象、体育、艺术等领域： 不同领域的CAD软件其核心技术、应用范围、操作方式不同，CAD软件越专业，使用 越方便，质量与效率就越高。 思考与练习 1.结合工程设计需求，认识CAD技术的发展历史。 2.了解CAD系统的功能组成、系统架构及硬件要求 3.结合你所熟悉的CAD系统，了解该系统的功能、特点及应用范围。 4.理解CAD技术的发展趋势及其对未来的影响。 5.了解当前CAD软件的情况及CAD系统选型的注意事项。 6.CAD的集成化如何实现？ 7.网络化协同设计如何实现？ 8.CAD模型间数据如何交换？ 9.人的设计知识如何与CAD软件融合？ 10.结合某一复杂机电产品（如汽车、飞机，数控机床等）设计，论述CAD软件系 统集成化、网络化、标准化、智能化及专业化的作用。 11.CAD技术经历了从线框到曲面，再到实体，再到特征造型几次大的革命性 发展，请分析这几次发展重点解决了哪些工业难题及其意义
第2章 线条图处理技术 用图形表达设计对象是机械CAD技术最重要的表达方式。计算机图形处理技 术的发展有力地促进了机械CAD技术的研究和发展，为机械CAD技术提供了高效 的工具和手段，而机械CAD技术的发展又不断对图形处理技术提出新的要求。 机械CAD技术中的图形从基本的处理技术看只有两类：一类是线条图，如工程 图等，另一类是明暗图，与照片相似。因此，构成机械CAD图形的要素有两类：一类 是刻画产品形状的点、线、面、体等几何要素；另一类是反映物体表面属性或材质的色 彩、亮度和灰度等非几何要素。 使用程序设计软件包生成图形时，首先要给出显示对象的儿何描述，该描述确定 对象的位置和形状。在图形生成之后，再经过各种图形变换处理，将该图形的世界坐 标描述变换到一个或多个输出设备参照系进行显示。 计算机图形处理的任务，就是利用计算机的高效运算能力和实时显示功能来处 理各类图形信息，包括图形的存储、生成、显示和输出，以及图形的变换、组合，分解和 运算等。计算机的图形处理技术包含与图形存储、生成、处理和显示相关的多种方 法，本章主要介绍线条图的生成、变换和显示技术。 2.1图形生成 2.1.1图形软件接☐ 1.软件标准 20世纪50年代到70年代初为计算机图形学形成和发展期，在此期间，适用于 各种不同应用目的的图形硬件设备，以及针对具体设备和应用的各种类型的图形软 件系统不断地推出。这些系统由不同的开发者设计开发，其通用性较差，限制了计算 机图形学的推广和发展，导致了计算机图形标准的出现。计算机图形软件功能标准 化问题的研究早在20世纪70年代初就已经开始。1974年美国成立了图形标准化 规划委员会(GSPC),提出了世界上第一个图形标准方案Core,为计算机图形标准化 工作做了有益尝试。与此同时，各国也都陆续制订自己的图形标准，其中以德国的
·26· 机械CAD技术 GKS标准最为著名。 图形标准的研究和制订在20世纪80年代进入了大发展时期。1985年，第一个 国际计算机图形信息标准一计算机图形核心系统(GKS)得以正式颁布。之后，三 维图形核心系统(GKS3D)、程序员层次交互式图形系统(PHIGS)、计算机图形原文 件(CGM)、计算机图形接口(CGI)、初始图形交换规范(IGES),以及产品数据交换标 准(STEP)等相继制订并颁布。 随着GKS和PHIGS得到开发，SGI公司的图形工作站逐渐流行。这些工作站 使用称为GL(Graphics Library)的函数集，GL很快成为图形界广泛使用的图形软件 包并成为事实上的标准。GL函数为快速、实时绘制而设计，很快便扩展到其他硬件 系统中。结果，作为GL与硬件无关的版本，OpenGL在20世纪90年代早期制订 推出。 2.图形接口功能 图形函数定义为独立于任何程序设计语言的一组规范。语言绑定则是为特定的 高级程序语言而定义的。通用图形编程软件包提供一个可用于C、C十十、Java或 Fortran等高级程序设计语言的图形函数库。每一个语言绑定都以最佳地使用有关 的语言及处理好数据类型、参数传递和出错等各种语法问题为目标来定义。图形软 件包在特定语言中的实现描述由国际标准化组织来制定。OpenGL的C和C++语 言绑定也是如此。 典型的图形库中的基本函数用来描述图元（直线、多边形、球面和其他对象）、设 定颜色、观察选择的场景，以及进行旋转或其他变换等。通用图形程序设计软件包有 GL,OpenGL、VRML、Java2D和Java3D等。由于图形函数库提供了程序设计语言 （如C十十)和硬件之间的接口，所以这一组图形函数称为计算机图形应用编程接口。 如果使用C十十编写应用程序，可以使用图形函数进行组织，并在输出设备上显示 图形 使用程序设计软件包生成图形时，首先要给出显示对象的几何描述，该描述确定 对象的位置和形状。在图形生成之后，要将该图形的世界坐标描述经各种处理变换 到一个或多个输出设备参照系上进行显示。 通用图形软件包为用户提供建立和管理图形的各种功能。这些子程序可以按照 它们处理输出、输入、属性、变换、观察、分割图形或一般的控制而进行分类 图形的基本构造模块称为图形输出图元，它们包括字符串和几何成分，如点、直 线、曲线、填充区域，以及彩色阵列定义的形状。有些图形软件包提供了对复杂形体 (如球体、锥体和柱体)的显示函数。生成输出图元的函数提供了构造图形的基本 工具 属性描述一个特定图元如何显示，包括颜色的设定、线形或文本的类型，以及区 域填充图案等。 可以使用几何变换来改变图形中一个对象的大小、位置或方向