CAD设计理论应用-王殿波

1、 CAD设计理论应用东北农业大学工程学院机械1102A07110049王殿波 CAD设计理论应用关键词：CAD发展 基本组成 实例 CAD 即计算机辅助设计(CAD-Computer Aided 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；

2、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。 发展概况 20 世纪 50 年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图 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 系统开始形成，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

3、设备，促进 了 CAD 技术的发展。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、智能化方向发展。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

4、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、土木建筑、地质、计算机艺 术等各个领域得到广泛应用。 CAD 是CAE、CAM和PDM的基础。在CAE 中无论是单个零件、还是整机的有限元 分析及机构的运动分析，都需要 CAD 为其造型、装配；在 CAM 中，则需要 CAD 进行曲 面设计、复杂零件造型和模具设计；而PDM 则更需要CAD 进行产品装配后的关系及所有 零件的明细(材料、件数、重量等)。在CAD 中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE、 CAM和PDM中有对应。所以如果CAD 开展的

5、不好，CAE、CAM和PDM就很难做好。 CAD 系统的基本组成 。CAD 系统由硬件系统、软件系统和人才系统组成。 硬件系统主要指计算机主机及其外部设备、网络通信设备和生产加工设备。硬件设备 是CAD 系统运行的基础。软件一般是指由系统软件、支撑软件和应用软件组成的程序、数 据及有关文档。软件是CAD 系统的核心。近年来，由于计算机技术的不断进步，大大缩短 了软件升级和硬件更新周期。二者之中，尤以软件升级更为活跃，只有及时进行升级完善， 才能不断满足生产加工的需要。软件的发展，需要更快的计算机硬件系统，而硬件的更新 为开发更好的CAD 软件提供了必备的物质条件。 配置最佳的软、硬件系统，离不

6、开高素质的操作和维护人员，人才是CAD 系统运行的 关键。从使用角度来看，各类CAD 系统都通过人机对话完成各种交互任务，而大部分交互 工作是人与计算机之间进行的，这就要求操作人员与计算机密切合作，各自发挥自身特长。 操作人员在设计策略、逻辑控制、信息组织、经验和创造性方面占有主导地位。计算机在 信息存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面有着特有的优势。只有把硬件、软 件和操作人员的工作有机结合起来，并加以正确维护，才能有效地发挥CAD 系统的作用。CAD 系统是一个有机的统一体，下面我们简单认识一下CAD 系统软件的功能。 1.图形显示功能 CAD 系统是一个人机交互的过程，从产品的造

7、型、构思、方案的确定，结构分析到加 CAD 系统 硬件系统 软件系统 人才系统 计算机 外围设备 生产设备 系统软件 支撑软件 应用软件 理论知识 实践经验 工过程仿真，系统随时保证用户能观察、修改中间结果，实时编辑处理。用户每一次操作， 都能从显示器上及时得到反馈，直到取得最佳的设计、制造结果。图形显示功能不仅能够 对二维平面进行显示控制，还包含三维实体处理。 2.存储功能 在CAD 系统运行中，数据量很大，往往有很多算法生成大量的中间数据，尤其是对图 形的操作以及交互式的设计、结构分析中的网格划分等。为了保证正常的运行，CAD 系统 必须配置容量较大的存储设备，支持数据在各模块运行时的正确

8、流通。另外，工程数据库 系统的运行必须有存储空间的保障。 3.输出、输入功能 在CAD 系统运行中，用户需要不断将有关设计要求、各个步骤的具体数据等输入计算 机，通过计算机处理后，输出处理结果。输入、输出信息可以是数值的，也可以是非数值 的，如图形数据、文本、字符等。 4.交互功能 在CAD系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁，友好的用户界面是保证用户直接 而有效完成复杂设计任务的必要条件。除软件中的界面设计外，还必须有交互设备实现人 与计算机之间的通信。CAD 系统需要对产品设计、制造全过程的信息进行处理，包括设计、制造过程中的数 值计算、设计分析、绘图、工程数据库、工艺设计及加工仿真等各

9、个方面。 1.工程绘图 采用计算机进行平面图形的绘制，以取代传统的手工绘图，CAD 系统中某些中间结果 也是通过图样来表达的。CAD 系统一方面应具备从几何造型的三维图形直接向二维图形转 换的功能，另一方面还需具有处理二维图形的能力，保证生成合乎生产要求、也符合国家 标准的机械图样。 2.几何造型 通过二维图形表达三维的产品是一种间接的设计方法，理论上应该是直接设计具有三 维形状的产品。但是，依靠人工去绘制三维产品，并对三维产品直接进行分析是非常困难 的。因此，计算机辅助设计的基本任务就是利用计算机构造三维产品的几何模型，记录产 品的三维模型数据，并在计算机屏幕上显示出真实的三维图形结果。利用

10、几何建模功能， 用户不仅能构造各种产品的几何模型，还可以随时观察、修改模型或检验零部件装配的结 果。产品几何建模包括：零件建模，即在计算机中构造每个零件的三维几何结构模型；装 配建模，即在计算机中构造部件的三维几何结构模型。常用的建模方法有：线框模型，即 用零件边框线来表示零件的三维结构；曲面造型，即用零件的表面来表示零件的三维结构； 实体造型，即全面记录零件边框、表面及由曲面所组成的体的信息，并记录材料属性及其 他加工属性。 3.计算分析 CAD 系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几何形状，计算出相应的体积、 表面积、质量、重心位置及转动惯量等几何特性和物理特性，为系统进行工程分析和

11、数值 计算提供必要的基本参数。另一方面，CAD 系统中的结构分析需进行的应力、温度、位移 等计算，图形处理中变换矩阵的运算，体素之间的交、并、差计算，以及工艺规程设计中 的工艺参数计算都要求CAD 系统对各类计算分析算法正确、全面，而且适应数据计算量大、 有较高的计算精度要求。 4.结构分析 CAD 系统结构分析常用的方法为有限元法，这是一种数值近似求解的方法，用来解决 结构形状比较复杂的零件的静态（动态）特性、强度、振动、热变形、磁场、温度场、应 力分布状态等计算分析。在进行静态、动态特性分析之前，系统根据产品结构特点，划分 网格、标出单元号、节点号，并将划分的结果显示在屏幕上。进行分析计算

12、之后，将计算 结果以图形、文件的形式输出，如应力分布图、位移变形图等，使用户方便、直观地看到 分析结果。 5.优化设计 CAD 系统应具有优化求解的功能，也就是在某些条件的限制下，使产品或工程设计中 的预定指标达到最优。优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化 等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要组成部分。 6.装配及干涉碰撞分析 零部件在设计时，利用计算机分析和评价产品的装配性，避免真实装配中的种种问题。 对运动机构，也要分析运动机构内部零部件之间及机构周围环境之间是否有干涉碰撞现象，要及时发现并纠正各种可能存在的干涉碰撞问题。 7.可制造性分析 在零部件设计时，用计算

13、机分析和评价产品的可制造性能，以避免一切不合理的设计。 这些不合理的设计将导致后续制造困难或制造成本增加。 8.计算机辅助工艺规程设计（CAPP） 产品设计的目的是为了加工制造出该产品，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导 的文件。因此，CAPP 是 CAD 与 CAM 的中间环节。CAPP 系统应当根据建模后成产的产 品信息及制造要求，自动设计、编制出加工该产品所采用的加工方法、加工步骤、加工设 备及参数。CAPP 的设计结果一方面能被生产实际所用，生成工艺卡片，另一方面能直接输 出一些信息，为CAM中的NC 自动编程系统接受、识别，直接转换为刀位文件。 9.NC 自动编程 在分析零件图后，

14、制订出零件的数控加工方案，并用专门的数控加工语言（如APT 语 言）将其输入计算机。其基本步骤通常包括： （1）编程 手工或计算机辅助编程，生成源程序。 （2）前处理 将源程序翻译成可执行的计算机指令，经计算，求出刀位文件。 （3）后处理 将刀位文件转换成零件的数控加工程序，最后输出数控加工代码。 10.模拟仿真 在CAD 系统内部，建立一个工程设计的实际模型，通过运行仿真软件，代替、模拟真 实系统的运行，用以预测产品的性能、产品的制造过程和产品的可制造性。如数控加工仿 真系统，从软件上实现工件试切的加工模拟，避免了现场调试带来的人力、物力的投入及 加工设备损坏的风险，减少了制造费用，缩短了产

15、品的设计周期。模拟仿真通常有加工轨 迹仿真，机构运动学模拟，机器人仿真，工件、刀具、机床的碰撞、干涉检验等。 11.工程数据库管理 由于CAD 系统中数据量大、种类繁多，既有几何图形数据，又有属性语义数据，既有 产品定义数据，又有生产控制数据，既有静态标准数据，又有动态过程数据，结构还相当 复杂，因此，CAD 系统能提供有效的管理手段，支持工程设计制造全过程信息流通与交换。 通常，CAD 系统采用工程数据库系统作为统一的数据环境，实现各种工程数据的管理。 近年来,在工程建设中遇到越来越多的结构复杂建筑工程。施工的首要任务是现场测量放样,将设计图纸的点、线位置测设并标志到施工的实际场地中。为了准

16、确定位,测量技术人员经常进行大量各种繁琐和抽象的数据和坐标计算。为了减轻各种繁琐和抽象的数据和坐标计算,AutoCAD被广泛的运用到工程管理的工作当中,那么CAD有什么优点,在工程管理中又有那些应用。 CAD在工程管理应用的优点 AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包,经过不断的完美,现已经成为国际上广为流行的绘图工具。具有完善的图形绘制功能, 有强大的图形编辑功能, 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制,可以进行多种图形格式的转换,具有较强的数据交换能力, 支持多种硬件设备,支持多种操作平台,具有通用性、易用性,适用

17、于各类用户。这些都给工程管理带来了方便。 另外CAD图纸中的图形,标注等等对工程的现场管理带来了便利,使施工员能够更清楚的了解建筑的结构,从而更有利于施工的快速施工。 那么CAD在工程中具体有那些用途,下面我就简单介绍一下AutoCAD在工程管理工作的一些运用，在工程管理工作中我们常常要用到Auto CAD。比如说给一栋的建筑图改成分户图,用图进行现在施工,下面我来说说AUTOCAD图解技术在全站仪测量技术中的应用。AutoCAD与全站仪在复杂建筑工程测量中的应用 随着建筑业的发展,建筑工程设计逐渐多样化、艺术化、要求施工定位测量的技术含量越来越高,测量数据计算越来越复杂。如何正确、快速的对建

18、筑物进行定位成为施工过程中的重点、难点。而AUTOCAD软件和全站仪的应用大大简化了手工计算的工作量,并使工程定位测量变得更快速更精确。复杂建筑工程测量要点：1复杂平面图形放线前,首先应充分学习图纸,熟悉图纸设计意图,弄清各种曲线图形的性质。在有多种曲线图形组成的平面图形中,应弄清不同曲线圆弧的分界点、各自的圆心、半径,有关的角度及相互之间的关系等各种因素。 2对复杂平面图形的施工放线,应确定几根基准控制线及基准控制点,并由该基本控制线和基本控制点逐步导出其他各点、线的位置。 3对各种不同性质的曲线图形,应建立合适的计算坐标体系,运用相应的数学公式,对施工放线测设时所需的数据进行计算,将复杂的

19、图形、众多的数字进行计算、整理、简化,最终绘制成放线测设简图和有关数据表格,供实地放线测设时使用。 4复杂平面图形的施工放线检查和校核工作十分重要。在计算放线测设所需的有关数据时,应同时计算检查、校核所需要的相应数据,以便实地放线测设时随时进行检查、校核之用。应注意的是,检查、校核所用的数据应用不同计算方法取得。 5复杂平面图形的施工放线,应尽可能的使用高精度仪器进行测设,并定期检验,保持测设仪器的高精度。测设仪器的高精度是获得高质量放线测设的基础和保证。同时,测量人员应有专人负责,并建立完整的测设资料。 以下就网上找到的施工石嘴山市大武口区行政文化科技中心工程为例,介绍该工程A区椭圆形建筑定

20、位测量方法。椭圆形平面布局紧凑、立面比较活泼、富有动态感,较多的应用于公共建筑,如:体育馆、展厅、会议厅,礼堂等。测量特点：京华城三期工程位于新城西路和文汇西路交接的东北角,分为一标、二标、三标、四标、五标共五个标段。该工程的总用地面积为229761?,地上总建筑面积为399290?。地下总面积为62050?,绿化面积为91905?。建设单位给定的坐标点距待测坐标点较远,建筑面积大,因此就给施工定位测量造成了一定困难。首先,使用经纬仪效率太低;其次,由于本工程定位所需控制点较多造成测量数据计算量大容易出错,因此单纯使用全站仪施测也有一定困难。见总平面图。由于平面图太大,我就讨论7#楼的定位方法

21、。 施测:根据本工程已知的测量条件,先使用坐标放样技术对控制点进行定位 1、以甲方给定的已知点作为前视点和后视点,使用全站仪定出总平面图中1/A、1/H、H/23、轴处外墙端点坐标: 1/A:(3583761.684,440335.487) 1/H:(3583771.538,440332.664) H/23:(3583780.792, 440364.964)。AUTOCAD图解技术在全站仪测量技术中的应用：1在AUTOCAD 中建立测量坐标系:纵坐标为X轴,横坐标为Y轴,使其与设计坐标系一致。 2按比例正确绘制工程测量平面图或使用设计单位提供的电子版图纸。 3依据建设单位提供的前视点和后视点在

22、施工现场对待测设点进行定位。 4使用AUTOCAD图形计算功能获取施工图中不明确的放样点的坐标值(通过“查询”命令直接得出),使用全站仪坐标放样功能进行定位。 5对多角度圆弧形曲线可在AUTOCAD中绘制出起点坐标、曲线半径、方位角、终点坐标采用全站仪极坐标放样功能进行定位。 6编辑、储存测量数据。CAD在京华城一期小区室外雨水泵站工程施工建设中的应用.由于京华城一期怡景苑地下雨水管道的高程低于小区外侧的市政雨水管网,每到七、八月份雨季来临的时候小区水淹成灾,相当严重。而且小区积水又使小区的很多地下室开始渗水。对于这个问题对于这个问题,小区业主经常向卓越物业反映问题。卓越物业向扬州京华城中城生

23、活置业有限公司发文,说明小区现在的积水情况。我公司就此问题进行了现场勘查,发现在当初的一期工程的施工方杭州第二建筑有限公司在施工中没有按要求进行施工,地下防水卷材没有得到很好的保护,导致了小区积水及地下室渗漏水等问题。经讨论决定实施京华城一期小区室外雨水泵站工程(后简称一期泵站)。在一期泵站施工的过程中Auto CAD使用是必不可少的。下面我就讨论CAD在一期泵站中的应用。CAD图纸的形成 一期泵站的工作原理是:切断市政的雨水管网,自己建设一个雨水排放的管道,用大功率的电机通过地下水管把小区的积水排放大明湖中。一期泵站工程的开工不能盲目的执行。要有明确的施工计划,要有详细的工作图纸。这就要Au

24、to CAD来帮忙了。 首先由工程部,采发布,设计部门到现场经行勘察,讨论出项目的实施方案。根据现场的情况和对往年最大雨水量的计算讨论得出:设计六个泵站可以满足京华城一期怡景苑最大雨时排水量。于是由采发部联系厂家了解雨水泵站的资料及雨水泵所需积水池的CAD图纸,由设计部根据现场及相关资料进行图纸的绘制,再有我们工程部进行CAD图纸进行改良。CAD图纸完善好之后。我们就对一期泵站经行施工预算。根据CAD图纸进行施工预算 施工图预算可以划分为两个计价模式,即传统计价模式和工程清单计价模式。传统计价模式下包括工料单价法。施工预算单位工程预算,单项工程预算和建设项目总预算。单位工程预算建筑工程预算和设

25、备安装预算。 施工预算的编制依据包括:施工图项目一览表,施工图纸和说明,工程地质勘察资料;国家和省市现行 的工程建设预算定额、费用定额间、材料预算价;现行有关设备原价和运杂费率;现行其他费用定额、指标和价格等。根据以上数据进行预算得出预算的价格为137万人民币。然后提交给稽核补进行 CAD图纸预算的审核。 表:主要材料统计表 编名 名称 规格 数量 单位 材料 备注 1 潜水泵 200QW360-7-11 10 台 成品 Q360m/h H7m N11kw W287kg 设计参数参见的河海泵业产品样本 2 潜污泵 200QW400-7-15 4 台 成品 Q400m/h H7m N15kw W

26、360kg 设计参数参见的给水排水设计手册 3 不锈钢格栅 B0.9米 H0.9米格栅间隙30mm 6 个 钢制 成品 4 启闭机 QDA型螺杆式 12 套 成品 与闸门配套使用,功率约为1.5KW。 设计参数参见的江苏天雨集团产品样本 5 液位传感器6 套 成品 6 靠壁式圆形闸门 SYZ600型(双向 12 个 成品 通径600, 重量112KG 设计参数参见的江苏天雨集团产品样本 7 橡胶止回阀 DN300 14 个 成品 A型柔性防水套管) 8 穿墙套管 DN600(柔性防水套管,墙厚300) 12 个 钢制 A型柔性防水套管) 9 穿墙套管 DN300 14 个 10 异径管 DN2

27、00X300 14 个 11 钢管 D630 x10 15.6 米 12 钢管 D325x8 219.0 米 13 包塑铁爬梯 500mmx300mm 12 组 14 花纹钢盖板 1720X1100X6 4 块 钢制 带铰链 15 花纹钢盖板 1100X950X6 6 块 钢制 带铰链 16 花纹钢盖板 1100X1100X6 13 块 钢制 带铰链 17 花纹钢盖板 1700X1000X6 1 块 钢制 带铰链 18 花纹钢盖板 1000X900X6 3 块 钢制 带铰链。CAD图纸预算的审核 1审核建设项目是否经过有关部门批准;建设项目工程预算是否控制在概算之内,是否经济合理。 2 审核工

28、程计算是否准确,定额或单价套用是否合理;材料?设备订购取价等是否合理。对工程的审查,主要检查预算工程量计算是否遵守工程量计算规则以及预算定额项目的划分,是否有重算、漏算和错算工程量的现象等。预算中所列各分项工程预算单价是否与预算定额的预算单价相符,其名称、规格、计量单位和所包括的工程内容是否与单价估价表一致。对补充定额和单位估价表审查补充定额的编制是否符合合编制原则,单位估价表计算是否正确。 3间接费和税金的审查。间接费审查的主要内容有:间接费用定额与预算定额是否配套;计取间接费项目?费率标准与工程类别、承包方式以及施工企业的所有制性质和级别是否相符;接费的计算基础是否符合规定;预算外调增的材料差价是否是计取了间接费,直接费或人工非常增减后,有关费用是负相应作了调整。税金主要审查计算基础及税率标准是否符合规定。 4设计变更、工程项目及单位工程增减内容是否合理,审批手续是否完备, 施工设计是否合理。