计算机辅助设计软件.docx
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计算机辅助设计软件
网络教育学院
专科生毕业大作业
题目：
计算机辅助设计软件
学习中心：
河南郑州奥鹏
层次：
高中起点专科
专业：
机械设计制造及其自动化
年级：
2021年秋季
学号：
202104545943
学生：
张彬
指导教师：
余子开
内容摘要
进入21世纪以来，计算机辅助设〔CAD〕计软件在工程产品和设计中发挥的作用越来越大，它不仅可以提高设计者的设计精度和方便保存，而且降低了设计者的劳动强度，提高了工作效率，可以说，它已经成为了设计者必不可少的一件利器。
本文纵观计算机辅助软件的产生、开展、应用通过例举一些现今常用的国内外CAD软件的实例，阐述了当今CAD软件的主流技术，并且提出了选用适合自己的CAD软件的，最后结合CAD的开展趋势，提出了我国CAD软件的开展方向。
关键词CAD；概述；主流技术；开展趋势
引言
20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开场出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。
60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。
70年代，完整的CAD系统开场形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的开展。
80年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，cad技术在中小型企业逐步普及。
80年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向开展。
一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了cad系统的性能；人工智能和专家系统技术引入cad，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。
现在，cad已在电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。
1计算机辅助设计概述
概述
计算机辅助设计（CAD-ComputerAidedDesign）简称CAD.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。
在设计中通常要用计算机对不同方案进展大量的计算、分析和比拟，以决定最优方案；各种设计信息，不管是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开场设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进展与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
CAD能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。
人们根据系统功能的要求，用有限的特征来描述设计问题，通过形式化用计算机的数据构造来表达特征，并将用数据构造描述的"特征"数据存放在数据库之中。
这样，"设计"过程变成了对数据库的处理。
这一过程可以看作是建模过程，模型被用来表示实际的或抽象的对象，是对被处理对象进展计算、分析、模拟和研究的根底。
因此，模型是实际构造在CAD系统中的具体表达，是计算机"认知"产品的根底。
我们知道，产品和工程构造本身能表现出来的属性〔"特征"〕是无限的，但可用的计算机资源、人们的认识知识是有限的，我们只能"认知"实际构造的局部属性，只能处理产品和工程构造设计的某些方面。
根据模型的不同，CAD系统一般分为二维CAD和三维CAD系统。
二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本……〞等几何元素的集合，系统内表达的任何设计都变成了几何图形，所依赖的数学模型是几何模型，系统记录了这些图素的几何特征。
二维CAD系统一般由图形的输入与编辑、硬件接口、数据接口和二次开发工具等几局部组成。
三维CAD系统的核心是产品的三维模型。
三维模型是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型，模型中包括了产品几何构造的有关点、线、面、体的各种信息。
计算机三维模型的描述经历了从线框模型、外表模型到实体模型的开展，所表达的几何体信息越来越完整和准确，能解决“设计〞的范围越广。
其中，线框模型只是用几何体的棱线表示几何体的外形，就如同用线架搭出的形状一样，模型中没有外表、体积等信息。
外表模型是利用几何形状的外外表构造模型，就如同在线框模型上蒙了一层外皮，使几何形状具有了一定的轮廓，可以产生诸如阴影、消隐等效果，但模型中缺乏几何形状体积的概念，如同一个几何体的空壳。
几何模型开展到实体模型阶段，封闭的几何外表构成了一定的体积，形成了几何形状的体的概念，如同在几何体的中间填充了一定的物质，使之具有了如重量、密度等特性，且可以检查两个几何体的碰撞和干预等。
由于三维CAD系统的模型包含了更多的实际构造特征，使用户在采用三维CAD造型工具进展产品构造设计时，更能反映实际产品的构造或加工制造过程。
专业化CAD应用系统是各专业根据各自的设计需要，利用通用CAD系统提供的二次开发工具或数据接口功能，将各类专业设计技术研制成CAD系统的各类设计工具和知识，从而使设计能直接按照专业设计的方法进展，大大提高了CAD系统的“设计〞能力和效率。
但这类CAD系统针对具体的专业进展开发，在专业设计方面不具备通用性。
1.2.CAD技术的产生及开展过程
1准备和酝酿时期〔50－60年代初〕CAD技术处于被动式的图形处理阶段。
2蓬勃开展和进入应用时期〔60年代〕 提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据构造等新思想，从而为CAD技术的开展和应用打下了理论根底。
60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。
3．广泛使用的时期〔70年代〕 1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。
出现了面向中小企业的CAD／CAM商品化系统。
70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2．5万。
4．突飞猛进的时期〔80年代〕 在这个时期，图形系统和CAD／CAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装CAD系统至1988年开展到63000套。
CAD／CAM技术从大中企业向小企业扩展；从兴旺国家向开展中国家扩展；从用于产吕设计开展到用于工程设计和工艺设计。
5．开放式、标准化、集成化和智能化的开展时期〔90年代〕 由于微机加视窗95／98／NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。
图形接口、图形功能日趋标准化。
在CAD系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD新学科。
智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体，形成如图1示所示的构造。
图1 智能CAD系统
1.3.CAD系统的构成及分类
CAD技术集中表达在CAD系统上，CAD系统是最终用户用来实现设计思想、加速产品和工程设计的信息化工具。
1．CAD系统的构成 CAD系统硬件构成如图2所示，从其体系构造讲可分为三个层次，如图3所示。
根底由计算机、外围设备和系统软件组成。
系统软件在工作站上流行Unix加Motif操作系统，在微机上流行Win95/98/NT操作系统。
系统软件还包括支撑软件、系统开发和维护的工具软件。
支撑层包含了图3中部所示内容，随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的重要开展趋势。
应用层针对不同应用领域的需求有各自的CAD专用软件来支持相应的CAD工作。
图2 CAD系统的硬件根本组成
图3CAD系统的三层构造
2．CAD系统的分类 CAD系统作为计算机应用系统的一个重要分支，经历了三个开展阶段，即：
多用户共享一台计算机；一个用户使用一台计算机；一个用户共享多台计算机。
从系统构造上看，CAD系统大致可分为两类，即集中式系统和网络系统。
集中式系统要求有功能较强的计算机，一次投资大，使用起来不灵活，在80年代中期以前应用比拟广泛。
从工作站和高性能微机问世以后，大多数用户采用工作站和微机网络系统来代替这类集中式CAD系统，形成网络化的系统。
1.4CAD支撑软件
CAD支撑软件主要包括：
1．设备驱动程序，如Windows操作系统支持的设备驱动程序集，ISO通过的标准程序库CGI（ComputerGraphicsInterface），又如HP公司提供的绘图仪、打印机设备驱动程序等；
2．窗口管理系统，工作站上流行Motif窗口系统；微机上Win95、Win98、WinNT窗口系统，微机上的窗口系统已代替了过去的DOS操作系统，成为最群众化的操作系统。
窗口系统中包含了丰富的图形用户接口〔GUI〕程序，多媒体用户接口程序〔MUI〕和网络用户接口程序〔NOI〕；
3．汉字输入输出程序，除了中文之星专用汉字处理程序外，中文Windows操作系统也已广泛应用；
4．二维计算机辅助设计绘图系统；
5．三维线框、曲面、实体和特征统一表示的数字化建模系统；
6．三维真实图形实时显示系统；
7．产品数据管理系统PDM〔ProductDataManagementSystem〕；
8．异地协同虚拟设计系统；
9．智能CAD系统；
2CAD技术现状
2.1CAD技术的特点
CAD技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其他领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成局部；也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。
CAD技术的特点是涉及面广而复杂、技术变化快、竞争剧烈，而且投资大、风险高、产出高。
现代有名的CAD软件都是规模巨大、功能众多、系统复杂，所以投资大、开发周期长，难以及时跟上硬件平台和开发环境的迅速开展，以及广阔用户需求的变化和不断增长的要求。
2.2CAD技术的现状
经过四十多年的开展，CAD技术有了长足的进步。
现在CAD主要运行在工作站或微机平台上。
工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了CAD技术的推广。
随着Pentium芯片和WindowsNT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD软件现在也可以运行在微机上。
由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且windowsNT操作系统的平安性与DOS、Windows3.x、Windows95/98等操作系统相比有了很大提高。
所以，微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。
在此根底上，CAD软件厂商展开了新一轮的竞争。
一方面工作站上著名的CAD的软件〔如UG、CATIA〕全功能地移植到微机平台，使微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力；另一方面CAD软件打破了原有Unix环境的桎梏，在Windows平台上全面拓展。
Pentium以上处理器和NT环境已经或者正在成为CAD软件运行和应用的主流平台。
2.3CAD系统的硬件环境
当前CAD系统的硬件环境主要是工程工作站及个人计算机。
工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理及灵活的窗口与网络管理功能的交互式计算机系统，它一般具有32位或64位字长的中央处理器（CPU），广泛采用精简指令（RISC），超标量、超流水线及超长指令技术，具有Unix操作系统和X窗口管理系统，在一个分布式的网络环境下运行。
目前流行的工作站主要有：
Sun公司的SPARCStation10工作站，美国惠普（HP）公司的HP-PA工作站，DEC公司的Alpha工作站，SGI工作站及IBM公司的RS/6000工作站。
工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在当前一定程度上限制了CAD技术的推广。
以前，个人计算机和工作站相比在计算、图形、网络及并行处理等方面均有较大的差异。
个人计算机上运行的DOS及Windows等系统软件在可靠性、平安性及效率等方面也不如工作站上的系统软件。
然而，随着计算机硬件技术的飞速开展，个人计算机的计算能力、图形处理能力的不断提高和操作系统的逐渐完善，使其与专业RISC/Unix工作站的性能差距逐渐缩小。
尤其是Intel的PentiumPro和PentiumⅡ芯片以及Microsoft的WindowsNT的发布，使得个人计算机在性能上完全具备了与中低档工作站竞争的实力，加之个人计算机价格低廉，这使其在普及CAD应用中起到了工作站所不能代替的作用。
3当今CAD领域的主流技术
根底造型技术（参数化设计、变量化设计及特征造型技术）
在CAD技术开展的初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件技术的飞速开展，CAD技术才从二维平面绘图开展到三维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。
而如今参数化及变量化设计思想和特征造型那么代表了当今CAD技术的开展方向。
传统的CAD绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素，要进展图面修改只有删除原有的线条后重画，而新产品的打样设计不可防止的要进展屡次的修改，进展零件形状和尺寸的综合协调、优化，而且大多数设计工作都是在原有设计根底上的改良。
因此，新的CAD系统都增加了参数化和变量化设计模块，使得产品的设计图可以随着某些构造尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形，这可以减少大量的重复劳动，减轻设计工作量。
参数化设计一般是指设计对象的构造形状比拟定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。
生产中最常用的系列化标准件就是属于这一类型。
变量化设计（Variationaldesign）是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。
约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。
变量化设计允许尺寸欠约束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。
变量化设计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等，尤其在做概念设计时更显得得心应手。
谈到变量化设计，就不能不提及美国SDRC公司的VGX技术。
VGX是VariationalGeometryExtended（超变量化几何）的缩写，是变量化技术开展的一个里程碑。
它的思想最早表达在SDRC公司的软件产品I-DEASMasterSeries第一版的变量化构图中。
VGX技术为CAD软件带来了空前的易用性，设计人员可以非常直观地、实时地进展产品三维几何模型的操作和修改，而且只需在一个主模型中，就可以动态地捕捉设计、分析和制造的意图并一气呵成地进展操作。
VGX技术极大地改良了交互操作的直观性及可靠性，从而使CAD软件更加易于使用，富有效率。
特征造型是CAD建模方法的一个新里程碑，它是在CAD/CAM技术的开展和应用到达一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历史进程中孕育成长起来的。
过去的CAD技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型开展阶段，都是着眼于完善产品的几何描述能力，亦即只描述了产品的几何信息；而特征造型那么是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型效劳。
特征（feature）在这里作为一个专业术语，兼有形状和功能两种属性，它包括产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。
特征造型技术使得产品的设计工作在更高的层次上进展，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素。
特征的引用直接表达了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造了前提。
CAD的数据交换格式及标准化（DXF格式IGES格式及STEP标准）
随着CAD技术的不断开展和日益成熟以及各行业CAD应用的不断深入，CAD标准化工作越来越显示出了它的重要性。
CAD标准化工作作为高新技术标准化的一局部，在CAD技术工作中占有很重要的位置，国家科委工业司和国家技术监视局标准司于'八五'期间共同发布了?
CAD通用技术标准?
，规定了我国CAD技术各方面的标准，而其中CAD数据交换问题是CAD广泛应用后各行业所面临的重要问题。
由于CAD数据的急剧膨胀，而不同的CAD系统产生的数据文件又采用不同的数据格式，甚至各个CAD系统中数据元素的类型也不尽一样，这种状况潜在地阻碍了CAD技术的进一步应用和开展。
所以，如何能使企业的CAD技术信息实现最大限度的共享并进展有效的管理是标准化所面临的非常重要的课题。
目前，在微机和工作站上用于数据交换的图形文件标准主要有：
AutoCAD系统的DXF（DataExchangeFile）文件，美国标准统的XF（DataExchangeFile）文件，美国标准IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification即初始图形交换标准）及国际标准STEP（StandardfortheExchangeofProductmodeldata）。
其他一些较为重要的标准还有：
在ESPRIT（欧洲信息技术研究与开发战略规划）资助下的CAD-I标准（仅限于有限元和外形数据信息）；德国的VDA-FS标准（主要用于汽车工业）；法国的SET标准（主要应用于航空航天工业）等等。
AutoCAD的DXF文件是具有专门格式的ASCII码文本文件，它比拟好读，易于被其它程序处理，主要用于实现高级语言编写的程序与AutoCAD系统的连接，或其他CAD系统与AutoCAD之间的图形文件交换。
由于AutoCAD在世界范围内的应用极为广泛，已经深入到各行各业之中，所以它的数据文件格式已经成为一种事实上的工业标准。
DXF图形数据交换文件为推广应用CAD/CAM技术提供了很大的便利，但由于DXF文件开发较早，从现在的目光来看，它当然存在很多的缺乏：
它不能描述产品的完整几何模型，难以进一步开展；其信息定义不完整，它仅保存了原有系统数据构造中的几何和局部属性信息，而大量的拓扑信息已不复存在；其信息描述方面也有许多缺陷，致使一些信息量过分冗长；文件格式比拟复杂，而且也不尽合理。
所以，Autodesk公司近来强调了用二进制的DWG和网络上的DWF格式作为它的数据传输标准，但二者的格式都不公开，因此很难再作为工业标准为其他CAD系统所利用。
IGES标准最早是ANSI于80年代初制定的，是建筑在波音公司CAD/CAM集成信息网络、通用电气公司的中心数据库和其他各种数据交换格式之上。
其最初版本仅限于描述工程图纸的几何图形和注释，随后又将电气、有限元、工厂设计和建筑设计纳入其中。
1988年6月公布的IGES4.0又吸收了ESP中的CSG（ConstructiveSolidGeometry，意译为体素构造法）和装配模型，后经扩大又收入了新的图形表示法、三维管道模型以及对FEM（有限元模型）功能的改良。
而B-rep（边界表示法）模型那么在IGES5.0中定义。
然而，IGES在文件构造中却又不合理地定义了直接存取的指针系统。
其在应用中暴露的主要问题有：
数据文件过大，数据转换处理时间过长；
某些几何类型转换不稳定；
只注意了图形数据转换而忽略了其他信息的转换。
尽管如此，IGES仍然是目前为各国广泛使用的事实上的国际标准数据交换格式，我国于1993年9月起将IGES3.0作为国家推荐标准。
产品模型数据交换标准STEP是国际标准化组织（ISO）所属技术委员会TC184（工业自动化系统技术委员会）下的“产品模型数据外部表示〞（ExternalRepresentationofProductModelData）分委员会SC4所制订的国际统一CAD数据交换标准。
所谓产品模型数据是指为在覆盖产品整个生命周期中的应用而全面定义的产品所有数据元素，它包括为进展设计、分析、制造、测试、检验和产品支持而全面定义的零部件或构件所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据，另外，还可能包含一些和处理有关的数据。
产品模型对于下达生产任务、直接质量控制、测试和进展产品支持功能可以提供全面的信息。
STEP为产品在它的生命周期内规定了惟一的描述和计算机可处理的信息表达形式。
这种形式独立于任何特定的计算机系统，并能保证在多种应用和不同系统中的一致性。
这一标准还允许采用不同的实现技术，便于产品数据的存取、传输和归档。
STEP标准是为CAD/CAM系统提供中性产品数据而开发的公共资源和应用模型，它涉及到了建筑、工程、构造、机械、电气、电子工程及船体构造等无所不包的所有产品领域。
在产品数据共享方面，STEP标准提供四个层次的实现方法：
ASCII码中性文件；访问内存构造数据的应用程序界面；共享数据库以及共享知识库。
无疑，这将会给商业和制造业带来一场大变革，而且STEP标准在下述几个方面有着明显的优越性：
一是经济效益显著；二是数据范围广、精度高，通过应用协议消除了产品数据的二义性；三是易于集成，便于扩大；四是技术先进、层次清楚，分为通用资源（子标准40系列）、应用资源（子标准100系列）和应用协议（子标准200系列）三局部。
如今，STEP标准已经成为国际公认的CAD数据文件交换全球统一标准，许多国家都依据STEP标准制订了相应的国家标准。
我国STEP标准的制订工作由CSBTSTC159/SC4完成，STEP标准在我国的对应标准号为GB16656。
STEP标准存在的问题是整个体系极其庞大，标准的制订过程进展缓慢，数据文件比IGES更大。
目前商用CAD系统提供的STEP应用协议还只有AP203“配置控制设计〞，内容包括产品的配置管理、曲面和线框模型、实体模型的小平面边界表示和曲面边界表示等以及AP214“汽车机械设计过程的核心数据〞两种。
4CAD软件举例介绍。
4.1国产CAD
首先我们提一下国内的CAD软件厂商。
CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件（原北京航空航天大学华正软件研究所）。
该公司是从事CAD/CAE/CAM软件与工程效劳的专业化公司。
CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进展零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计，适合所有需要二维绘图的场合，使设计人员可以把精力集中在设计构思上，彻底甩掉图板，满足现代企业快速设计、绘图、信息电子化的要求。
CAXA-ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。
CAXA制造工程师1.0版于1996年推出，CAXA-ME2.0版于1998年3月发布，CAXA-ME2000版业已发布。
开目CAD是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。
开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。
开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。
高华CAD是由北京高华计算机推出的CAD产品。
该公司是由清华大学和广东
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