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郑州大学现代远程教育《建筑CAD》课程论文浅谈CAD技术的应用与发展学 号： XXXXXXXXXX姓 名： XXXXXXXXXX完成时间： 20XX.00.00浅谈CAD技术的应用与发展摘要：CAD进行数字和图形信息处理，以实现产品设计、造型和数控加工的自动编程软件，具有知识密集、综合陆强、初始投入大的特点。它的普及应用将使建筑规划设计和机械产品设计制造生产的传统模式发生深刻的变化，从而带动建筑行业和机械制造业技术的快速发展，是当前国际科技领域的前沿课题。CAD技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，本文从CAD的含义入手，简单介绍了目前CAD的几种主流软件。主要介绍了CAD技术未来的发展趋势和CAD技术研究的热点问题。关键词：CAD 应用 发展一、CAD的含义CAD即计算机辅助设计（ComputerAided Design）。利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。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行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、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始设计，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；利用计算机可以进行与图形的编辑、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劳动，缩短设计周期和提高设计质量。1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。CAD技术是电子信息技术的一个重要组成部分；它是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。从广义上说，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、网络数据库以及上述技术（CAD/CAE/CAM）的集成技术等。目前，CAD技术可以实现设计中的大多数活动，但也有一些活动还难用CAD技术来实现，如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程，图1就说明了设计过程与CAD过程的关系。二、CAD的应用范围早期CAD是一个包括应用范围很广的软件，概括来说，CAD的设计对象有两大类，一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品；另一类是工程设计产品，即工程建筑，国外简称AEC(Architecture、Engineering和Construction)。而如今，CAD技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。CAD在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板”，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用CAD/CAM技术进行产品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。计算机辅助建筑设计（ComputerAidedArchitectureDesign，简称CAD）是CAD在建筑方面的应用，它为建筑设计带来了一场真正的革命。随着CAAD软件从最初的二维通用绘图软件发展到如今的三维建筑模型软件，CAAD技术已开始被广为采用，这不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约2%至5%的建设投资，而近几年来我国每年的基本建设投资都有几千亿元之多，如果全国大小近万个工程设计单位都采用CAD技术，则可以大大提高基本建设的投资效益。CAD技术还被用于轻纺及服装行业中。以前我国纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要迅速，这使得我国纺织产品在国际市场上的竞争力不强。采用CAD技术以后，大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。如今，CAD技术已进入到人们的日常生活中，在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史，美国好来坞电影公司主要利用CAD技术构造布景，可以利用虚拟现实的手法设计出人工不可能做到的布景。这不仅能节省大量的人力、物力，降低电影的拍摄成本，而且还可以给观众造成一种新奇、古怪和难以想像的环境，获得极大的票房收入。比如美国的《侏罗纪公园》、《星球大战》、《ET》等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片《玩具总动员》，都取得了极大的成功。轰动全球的大片《泰坦尼克》应用了大量的三维动画制作，用计算机真实地模拟了泰克尼克航行、沉船的全过程。此外，动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术，实质上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。近十年来，在CIMS工程和CAD应用工程的推动下，我国计算机辅助设计技术应用越来越普遍，越来越多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改善劳动条件。目前，我国从国外引进的CAD软件有好几十种，国内的一些科研机构、高校和软件公司也都立足于国内，开发出了自己的CAD软件，并投放市场，我国的CAD技术应用呈现出一片欣欣向荣的景象。三、CAD的发展历史 CAD技术的发展大体经历了四个阶段。（一）形成阶段1950年美国麻省理工学院采用阴极射线管(CRT)研制成功图形显示终端，实现了图形的屏幕显示，从此结束了计算机只能处理字符数据的历史，并在此基础上，孕育出一门新兴学科—计算机图形学。（二）发展阶段20世纪50年代后期出现了光笔，从此开始了交互式绘图的历史。20世纪60年代初，屏幕菜单指点、功能键操作、光笔定位、图形动态修改等交互绘图技术相继出现。1962年美国人IvanSutherland开发出第一个交互式图形系统——Sketchpad。此后，相继出现了一大批商品化CAD软件系统。但是由于显示器价格昂贵，CAD系统很难推广。直到60年代末期，显示技术有了突破，显示器价格大幅度下降，CAD系统的性能价格比大大提高，CAD用户开始以每年30％的速度逐年递增。在显示技术发展的同时，计算机图形学也得到了很大发展，整个70年代，以二维绘图和三维线框图形为主的CAD系统形成主流。（三）成熟阶段第一个实体造型(SolidModeling)试验系统诞生于1973年，第一代实体造型软件于1978年推向市场，80、90年代实体造型技术成为CAD技术发展的主流，并走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的CAD软件系统。实体造型技术的发展和应用大大拓宽了CAD技术的应用领域。（四）集成阶段CAD对设计过程和制造过程所产生的巨大推动作用已被认同，加之设计和制造自动化的需求，集成化CAD系统的出现是自然而然的事。到了20世纪90年代，几乎所有的CAD系统都通过自行开发或购买配套模块的方式实现了系统集成。四、目前CAD的主要软件CAD技术从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落，从机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织、建筑、船舶、地质、采矿，一直到艺术、装演、医疗、教学、旅游、管理等，可以说无数不包，以CAD技术为基础开发的各类商业专业软件已超过10万个。以下为目前市场上比较主流的CAD软件：（1）AutoCAD及MDTAutoCAD系统是美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式绘图软件，它基本上是一个二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能，也具有部分的三维作图造型功能。它是目前世界上应用最广的CAD软件。MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件。（2）Pro/EngineerPro/Engineer系统是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation简称PTC）的产品，它刚一面世（1988年），就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎，随后各大CAD/CAM公司也纷纷推出了基于约束的参数化造型模块。此外，Pro/Engineer一开始就建立在工作站上，使系统独立于硬件，便于移植；该系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集成在一起，它一共有20多个模块供用户选择。基于以上原因，Pro/Engineer在最近几年已成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统，其销售额和用户群仍以最快的速度向前发展。（3）I-DEASMasterSeries5I-DEASMasterSeries是美国SDRC（StructuralDynamicsResearchCorporation）公司自1993年推出的新一代机械设计自动化软件，也是SDRC公司在CAD/CAE/CAM领域的旗舰产品，并以其高度一体化、功能强大、易学易用等特点而著称。I-DEASMasterSeries5于今年6月20日在美国首次展示，其最大的突破在于VGX技术的面市，极大地改进了交互操作的直观性和可靠性。另外，该版本还增强了复杂零件设计、高级曲面造型以及有限元建模和耐用性分析等模块的功能。SDRC公司近期还集中了优势力量大力加强数控加工功能的开发。（4）CATIACATIA系统是法国达索（Dassault）飞机公司DassaultSystems工程部开发的产品。该系统是在CADAM系统（原由美国洛克希德公司开发，后并入美国IBM公司）基础上扩充开发的，在CAD方面购买原CADAM系统的源程序，在加工方面则购买了有名的APT系统的源程序，并经过几年的努力，形成了商品化的系统。CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/CAE/CAM系统，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，并拥有20多个独立计价的模块。（5）EUCLIDEUCLID软件是法国MATRA公司信息部的产品，它是由法国国家科学研究中心为英法联合研制的协和号超音速客机而开发的软件。该软件具有统一的面向对象的分布式数据库，在三维实体、复杂曲面、二维图形及有限元分析模型间不需作任何数据的转换工作。由于数据是彼此引用，而不是简单的复制，所以用户在修改某部分设计时，其他相关数据会自行更新。（6）Unigraphics（UG）UG起源于美国麦道（MD）公司的产品，1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部。如今EDS是全世界最大的信息技术（IT）服务公司，UG由其独立子公司UnigraphicsSolutions开发。UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。（7）SolidWorksSolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的，其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。该软件采用自顶向下的设计方法，可动态模拟装配过程，它采用基于特征的实体建模，自称100%的参数化设计和100%的可修改性，同时具有中英文两种界面可供选择其先进的特征树结构使操作更加简便和直观五、CAD的发展趋势随着计算机硬件技术的发展，特别是图形处理设备的飞速发展，计算机辅助设计/制造((CAD/CAM)技术以惊人的速度快速发展，有专家评价：“如果把电子技术看作是工业的一次革命的话，那么CAD/CAM是工业的另一次革命，它是计算机对人类文明的巨大推动在工业方面的重要体现，其前景是不可限量的”。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，CAD技术的发展方向主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。1．标准化除了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。回顾历史，CAD和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。CAD产品更新频繁。谁家产品的技术思想领先，性能最好，用户最多，主导了市场，谁就是事实上的工业标准。CAD技术的发展不是一种纯学术行为，它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进，永无止境。目前标准有两大类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；另一是市场标准，或行业标准，属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。后者容易导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验，不少标准化专家已认识到存在的问题，并提出应对传统的标准化工作进行革新的相关观点。2．开放性CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口95／98／NT和UNIX平台上，在Java LINUX平台上也有CAD产品，此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的CAD系统。3．集成化CAD技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程。目前创新设计能力（CAD）与现代企业管理能力（ERP、PDM）的集成，已成为企业信息化的重点；其二，是将CAD技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的效率；其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。4．智能化设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。六、CAD技术研究开发热点1．计算机辅助概念设计根据有关的统计资料表明，产品工本费的70％是在产品设计阶段决定的。同时，一旦概念设计被确定下来，产品设计的60％－70％也就被确定下来。尤其需要提及的是，即使详细设计再好，也难以弥补概念设计阶段所出现的缺陷。还有产品的创新及其所具有的竞争能力基本上也是在概念设计阶段就被确定下的。故概念设计是设计过程中一个非常重要的阶段，它已成为企业竞争的一个制高点。因此计算机辅助概念设计愈来愈受到重视。但另一方面，在概念设计期间，所涉及的设计需求和约束的种种知识，往往是不精确的、近似的或未知的，也就是说复杂性很高，这给CAD技术带来很大的难度。概念设计的过程主要是评价和决策的过程，它涉及到产品功能、动作和结构等因素，它对产品的价格性能、可靠性、安全性等等起决定性的影响作用。正因为应考虑的因素和目标是多方面的。因此评价和决策过程是一个很复杂的，难度很大的过程。目前计算机辅助概念设计的方法可分为两大类：即自动生成方案和交互生成方案。当然，应用时这两种方法可以混合使用。 （1）自动生成方案目前主要采用人工智能技术。为了使计算机有效地支持概念设计活动，需要解决两大难题。即建模问题和推理问题：A．前者是对产品的功能、动作和结构诸因素之间相互影响的复杂关系进行建模或表达。例如汽锅的蒸汽阀门，其功能是防止汽锅爆炸，它的动作是当检测到一定的压力差时，它会自动打开，而其结构是所用的实际构件的布局及其连接关系，建模的结果提供推理用；B．而推理问题实际上就是生成和选择合适的方案。 建模问题主要是建模的表示法，目前已提出各种各样的表示法。如语言、几何模型、图形、对象、知识模型和图像法等等，语言表示法属于一种形式描述方法，它能保证计算机有效地进行推理，称为面向机器的表示法。而图像表示法是一种高可视化的表示法（即可视化思维模型），它侧重于提供一种有助于辅助设计人员创新工作的建模环境，称它为面向人的表示法，而上列其它表示法依次界于这两者之间。 推理问题的重点是在转换过程，即把用户需求映射到实现所给需求集合的一些实际的结构上。难点在于产生和选择合适的映射方法。例如知识获取是人工智能领域中一个大难题，为了解决这一问题，可以采用数据挖掘技术从已有的设计库中自动获取感兴趣的领域知识。 （2）交互技术生成方案由于概念设计的复杂性，自动地生成合适的方案是很困难的。在自动生成和选比方案尚未成熟之前，交互技术是重要手段。在概念设计阶段可充分利用多媒体技术，如包括有效的信息搜索技术，以便在网上可查到大量对概念设计有用的设计例子。又如研究协同概念设计技术，使群体成员易于参与概念设计，并做出积极的贡献。2．计算机支持的协同设计设计工作是一个典型的群体工作。群体成员既有分工，又有合作。因此群体的工作由两个部分组成：一是个体工作，群体成员应完成的各自分工的任务；另一是协同工作，因为群体工作不可能分解为互相独立的个体工作，群体成员之间存在相互关联的问题。一般称为接口问题，接口难免会出现矛盾和冲突，如不及时发现和协调解决，就会造成返工和损失。传统的CAD系统只支持分工后各自应完成的具体任务，至于成员间接口问题，计算机不能支持，主要靠面谈或某种通讯工具进行讨论并加以解决。但这些方式很难做到及时并充分地协商和讲讨论。因而一项大的设计任务接口问题难免要出差错，这正是为什么设计工作会出现不断反复、不断修改这一过程的主要原因。3．海量信息存储、管理和检索CAD系统处理的信息愈来愈多，而且是多媒体信息。尽管磁盘容量增长速度很快，但仍远不能满足信息量快速增长的需求。海量信息的存储、管理和快速检索已成为世人瞩目的问题。这除了依靠硬件来解决问题外，DBMS是一重要技术，实践证明，传统的关系数据库管理系统EDBMS已难已适应要求而采用面向对象和关系相结合的模型可能是个过渡的解决方案。4．设计法研究及其相关问题设计工作是项复杂的且知识密集的群体活动，为了提高效率必须遵循某种正确的设计方法，虽然设计方法学的研究已有半个多世纪了，但针对CAD的设计法却是最近才有的，称为正规设计流程法，它不仅让我们知道设计是一种流程，还为开发CAD工具提供了依据，因此了解和识别设计过程的不同方面（即不同的设计活动），是开发新一代CAD系统的关键。5．支持设计创新创新是产品设计的灵魂，如何利用计算机来支持创新，这是个新的课题。目前只能提供一种启迪方法，如存入大量多媒体设计数据，并通过网络方便地供设计人员查询，从而可能引导出意想不到的富有创新的设计。又如利用CSCW工具，通过直接讨论方式来相互启发，产生新的设计思想，促进创新设计。6．用户接口的智能化和人性化CAD系统的用户界面是人与计算机之间传递交换信息的媒介和对话接口，也是CAD软件系统的重要组成部分。以用户为中心，自然、高效多通道交互技术和无所不在的计算是一项长期的目标，也是当前人机交互的研究热点。采用以用户为中心的CAD软件设计方法，对产品进行开发和实用性工程评价，以保证CAD软件技术及CAD软件产业健康发展。在改善软件界面简化操作步骤、降低操作难度等方面予以创新。7．造型技术实现与历史无关的造型方法，即产品模型的形状不再依赖于特征创建的先后顺序，这使得三维CAD系统更易于操作使用；全面地支持概念设计和详细设计；几何造型系统能够创建任意几何形状的形体；能够更好地表达产品的完整技术和生产管理信息，支持产品全生命周期的特征造型系统，使产品的设计工作在更商层次上进行，为开发新一代的基于统一产品信息模型的CIMS集成系统奠定基础：具有线段、曲面、实体混合建模的综合能力和三维尺寸标注功能；支持基于三维像素的造型功能和解决大型复杂产品的装配问题。8．产品数据共享解决在一些主要CAD系统的用户能够打开来自其他CAD系统中的模型，在不同的CAD系统中图形数据共享与交换问题，使彼此互通，达到共享的目的，并目尽可能地避免在交互过程中可能出现的图形失真、特征和约束信息丢失问题。将通过国际标准化组织制定“产品模型数据交换标准．STEP”，借助三维CAD图形标准来解决上述问题，如采用Surfacer与UG和Pro／E功能相结合的方法，在具体操作中，使用Surfacer进行点、线处理，得到基本控制曲线，然后使用UG和Pro／E引入控制线的数据，进行曲面造型。其中，Pro／E应用的模块主要有ICEMSurf,Pro／DESIGNER(CDRS)等，UG使用的模块主要足UG／Modeling和UG／Surface模块。这几个设计模块都是一般CAD设计时常用到的。需要说明的是在设计过程中，并不是所有的点都是要选取的，为此在确定基准曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的，哪些点或线是一些细化特征的，需要在以后的设计中用到，而不是在总体设计中就体现出米的。事实上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时应尽量选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合处理。七、结束语CAD技术的发展一直是跟着实际应用的需求而发展的，随着CAD技术的广泛应用，新的需求又不断的出现。未来CAD技术的热点，将会在集成化、智能化等方面进一步发展，因而也必将在建筑规划设计、机械设计等各个领域发挥越来越重要的作用。参考文献：[1]叶修梓等.从工业界角度看CAD技术的研究主题与发展方向[J].计算机辅助设计与图形学学报.2003(10):137～140.[2]董士海.人机交互的进展及而临的挑战[J].计算机辅助设计与图形学学报.2004(1):1～11.[3]许志消.模具造型的数字化扫描及数控加工技术.制造技术与机床．1996.(9)．[4]许智钦等.3D逆向工程技术．北京:中国计量出版.2002.(4).[5]腐伟.逆向工程及其应用.山东机械2005.(1)．[6]赵葛霄.仿形技术在模其设计制造中的应用研究．模具工业。2001.(2)．

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