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第1章 计算机辅助设计的历史与未来
1.1 CAD技术概论
1.1.1 CAD技术的基本概念
CAD技术是计算机系统在工程和产品设计的各个阶段中，为设计人员提供快速、有 效的工具和手段，加快和优化设计过程以达到最佳设计效果的一种技术
1.1.2 CAD、CAE、CAM与CIMS CAD/CAM：Computer-aided Manufacturing CAE：Computer-aided Engineering CIMS：Computer-Integrated Manufacturing System，即计算机集成制造系统，是有20余年历史的CAD/CAM/CAE技术的自然产物 CAD/CAE/CAM 技术以计算机及周边设备和系统软件为基础，它包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容。是一种设计人员借助于计算审进行设计的方法。
CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。
1.1.3 CAD/CAM系统的分类
按应用领域划分
机械CAD/CAM、建筑CAD、电子CAD/CAM、工业设计CAD/CAM、地图CAD、纹织CAD/CAM等
按CAD/CAM系统所用计算机的类型划分
分为大型机CAD/CAM系统、小型机CAD/CAM系统、工作站CAD/CAM系统和微机CAD/CAM系统
现代企业在CAD/CAM的建设过程中，必须考虑到与CAPP、PDM、MIS等系统的集成问题
因此，企业应根据其自身的发展来确定CAD/CAM系统的建设
1.2 CAD的发展历程
计算机辅助设计主要是用于研究如何用计算机及其外围设备和图形输入输出设 1 备来帮助人们进行工程和产品设计的技术，它是随着计算机及其外围设备、图形设备以及软件技术的发展而发展的。在CAD技术的发展历程中主要经历了以下几个时期。
1）准备和诞生时期（20世纪50年代-60年代）
1950年，美国麻省理工学院研制出WHIRLWIND 1（旋风1）计算机的一个配件--图形显示器。1958年，美国Calcomp公司研制出由数字记录仪发展成的滚筒式绘图机，美国GerBer公司把数控机床发展成平板式绘图机。20世纪50年代，计算机由电子管组成，用机器语言编程，主要用于科学计算，图形设备仅仅具有输出功能，CAD技术处于酝酿和准备阶段。20世纪50年代末，美国麻省理工学院在WHIRLWIND计算机上开发了SAGE战术防空系统，第一次使用了具有指挥功能和控制功能的阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube），操作者可以用光笔在屏幕上确定目标。它预示着交互式图形生成技术的诞生，为CAD技术的发展作了必要的准备。
2）蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60年代）
20世纪60年代初，美国麻省理工学院的博士生Ivan Sutherland研制出世界上第一台利用光笔的交互式图形系统SKETCHPAD。但在20世纪60年代，由于计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂，只有一些实力雄厚的大公司才能使用这一技术。作为CAD技术的基础，计算机图形学在这一时期得到了很快的发展。20世纪60年代中期出现了商品化的CAD设备，CAD技术开始进入了发展和应用阶段。
3）广泛应用时期（20世纪70年代）
20世纪70年代推出了以小型机为平台的CAD系统。同时，图形软件和CAD应用支撑软件也不断充实提高。图形设备，如光栅扫描显示器、图形输入板、绘图仪等相继推出和完善。于是，20世纪70年代出现了面向中小企业的CAD商品化系统。
4）突飞猛进时期（20世纪80年代）
20世纪80年代，大规模和超大规模集成电路、工作站和RISC（精简指令集计算机）等的出现使CAD系统的性能大大提高了一步。与此同时，图形软件更趋成熟，二维、三维图形处理技术，真实感图形技术以及有限元分析，优化，模拟仿真，动态景观，科学计算可视化等方面都已进入实用阶段。包括CAD/CAE/CAM一体化的综合软件包使CAD技术又上了一个层次。
5）日趋成熟的时期（20世纪90年代）
这一时期的发展主要体现在以下几个方面：CAD标准化体系进一步完善；系统智能化成为又一个技术热点；集成化成为CAD技术发展的一大趋势；科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是20世纪90年代CAD技术发展的新趋向。CAD技术的发展趋势：
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 2 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。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；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。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往是束手无策的。因此，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。
1.3 CAD技术的现状
微机平台为普及CAD/CAM创造了良好的条件。
运行于Windows操作系统之上
在我国CAD市场上，已形成了国外大型高端软件、国外普及型、国外与国产二维CAD软件平台等多品种、多层次的产品共存的局面
国内在二维CAD软件方面，有两个发展方向：一个是以AutoCAD为平台的二次开发应用软件；另一个是自主平台的CAD软件
1.4 常用的CAD软件
以产品结构设计为主的CAD软件 以工业造型设计为主的CAD软件
溜冰鞋的工业造型设计过程
1.5 CAD的硬件环境
1.5.1 交互设备（Interactive Device）
鼠标（Mouse） 书写板（Tablet）
数字化仪（Digitizer）
空间球（Space ball）
1.5.2 图形输出设备 打印机
激光打印机
喷墨打印机 绘图仪
1.6 CAD技术的发展热点与未来趋势
1.6.1 三维超变量化技术
变量化技术的主要特点：在约束定义方面做了根本性的改变 1.6.2基于知识工程的CAD技术
基于知识的工程（Knowledge Based Engineering，KBE）,也称为知识驱动（Knowledge Driven），其实质是知识捕捉（Knowledge Capture）与知识重用（Knowledge Reuse）
习题
1.如何理解计算机辅助设计（CAD）的含义？ 2．如何理解计算机辅助制造（CAM）的含义？
3．就某一具体的生产企业，简述其CIMS系统应包括的功能。4．一般而论，应如何对CAD系统进行分类？分为哪些类型？ 5．常用的CAD系统外围设备有哪些？
6．什么是实体造型、参数化建模和变量化建模？ 7．CAD的二次开发有哪些类型？
