1、 CAD設計理論應用東北農業大學工程學院機械1102A07110049王殿波 CAD設計理論應用關鍵詞：CAD發展 基本組成 實例 CAD 即計算機輔助設計(CAD-Computer Aided Design)。利用計算機及其圖形設備幫助 設計人員進行設計工作，簡稱CAD。在工程和產品設計中，計算機可以幫助設計人員擔負 計算、信息存儲和制圖等項工作。在設計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、 分析和比較，以決定最優方案；各種設計信息，不論是數字的、文字的或圖形的，都能存 放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索；設計人員通常用草圖開始設計，將草圖變 為工作圖的繁重工作可以交給計算機完成；

2、由計算機自動產生的設計結果，可以快速作出 圖形顯示出來，使設計人員及時對設計作出判斷和修改；利用計算機可以進行與圖形的編 輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖形數據加工工作。CAD 能夠減輕設計人員的計算 畫圖等重復性勞動，專注于設計本身，縮短設計周期和提高設計質量。 發展概況 20 世紀 50 年代在美國誕生第一臺計算機繪圖系統，開始出現具有簡單繪圖 輸出功能的被動式的計算機輔助設計技術。60 年代初期出現了CAD 的曲面片技術，中期推 出商品化的計算機繪圖設備。70 年代，完整的CAD 系統開始形成，后期出現了能產生逼真 圖形的光柵掃描顯示器，推出了手動游標、圖形輸入板等多種形式的圖形輸入

3、設備，促進 了 CAD 技術的發展。80 年代，隨著強有力的超大規模集成電路制成的微處理器和存儲器 件的出現，工程工作站問世，CAD 技術在中小型企業逐步普及。80 年代中期以來，CAD 技術向標準化、集成化、智能化方向發展。一些標準的圖形接口軟件和圖形功能相繼推出， 為CAD 技術的推廣、軟件的移植和數據共享起了重要的促進作用；系統構造由過去的單一 功能變成綜合功能，出現了計算機輔助設計與輔助制造聯成一體的計算機集成制造系統； 固化技術、網絡技術、多處理機和并行處理技術在CAD 中的應用，極大地提高了CAD 系 統的性能；人工智能和專家系統技術引入CAD，出現了智能CAD技術，使CAD 系統

4、的問 題求解能力大為增強，設計過程更趨自動化?，F在，CAD 已在電子和電氣、科學研究、機 械設計、軟件開發、機器人、服裝業、出版業、工廠自動化、土木建筑、地質、計算機藝 術等各個領域得到廣泛應用。 CAD 是CAE、CAM和PDM的基礎。在CAE 中無論是單個零件、還是整機的有限元 分析及機構的運動分析，都需要 CAD 為其造型、裝配；在 CAM 中，則需要 CAD 進行曲 面設計、復雜零件造型和模具設計；而PDM 則更需要CAD 進行產品裝配后的關系及所有 零件的明細(材料、件數、重量等)。在CAD 中對零件及部件所做的任何改變，都會在CAE、 CAM和PDM中有對應。所以如果CAD 開展的

5、不好，CAE、CAM和PDM就很難做好。 CAD 系統的基本組成 。CAD 系統由硬件系統、軟件系統和人才系統組成。 硬件系統主要指計算機主機及其外部設備、網絡通信設備和生產加工設備。硬件設備 是CAD 系統運行的基礎。軟件一般是指由系統軟件、支撐軟件和應用軟件組成的程序、數 據及有關文檔。軟件是CAD 系統的核心。近年來，由于計算機技術的不斷進步，大大縮短 了軟件升級和硬件更新周期。二者之中，尤以軟件升級更為活躍，只有及時進行升級完善， 才能不斷滿足生產加工的需要。軟件的發展，需要更快的計算機硬件系統，而硬件的更新 為開發更好的CAD 軟件提供了必備的物質條件。 配置最佳的軟、硬件系統，離不

6、開高素質的操作和維護人員，人才是CAD 系統運行的 關鍵。從使用角度來看，各類CAD 系統都通過人機對話完成各種交互任務，而大部分交互 工作是人與計算機之間進行的，這就要求操作人員與計算機密切合作，各自發揮自身特長。 操作人員在設計策略、邏輯控制、信息組織、經驗和創造性方面占有主導地位。計算機在 信息存儲與檢索、分析與計算、圖形與文字處理等方面有著特有的優勢。只有把硬件、軟 件和操作人員的工作有機結合起來，并加以正確維護，才能有效地發揮CAD 系統的作用。CAD 系統是一個有機的統一體，下面我們簡單認識一下CAD 系統軟件的功能。 1.圖形顯示功能 CAD 系統是一個人機交互的過程，從產品的造

7、型、構思、方案的確定，結構分析到加 CAD 系統 硬件系統 軟件系統 人才系統 計算機 外圍設備 生產設備 系統軟件 支撐軟件 應用軟件 理論知識 實踐經驗 工過程仿真，系統隨時保證用戶能觀察、修改中間結果，實時編輯處理。用戶每一次操作， 都能從顯示器上及時得到反饋，直到取得最佳的設計、制造結果。圖形顯示功能不僅能夠 對二維平面進行顯示控制，還包含三維實體處理。 2.存儲功能 在CAD 系統運行中，數據量很大，往往有很多算法生成大量的中間數據，尤其是對圖 形的操作以及交互式的設計、結構分析中的網格劃分等。為了保證正常的運行，CAD 系統 必須配置容量較大的存儲設備，支持數據在各模塊運行時的正確

8、流通。另外，工程數據庫 系統的運行必須有存儲空間的保障。 3.輸出、輸入功能 在CAD 系統運行中，用戶需要不斷將有關設計要求、各個步驟的具體數據等輸入計算 機，通過計算機處理后，輸出處理結果。輸入、輸出信息可以是數值的，也可以是非數值 的，如圖形數據、文本、字符等。 4.交互功能 在CAD系統中，人機接口是用戶與系統連接的橋梁，友好的用戶界面是保證用戶直接 而有效完成復雜設計任務的必要條件。除軟件中的界面設計外，還必須有交互設備實現人 與計算機之間的通信。CAD 系統需要對產品設計、制造全過程的信息進行處理，包括設計、制造過程中的數 值計算、設計分析、繪圖、工程數據庫、工藝設計及加工仿真等各

9、個方面。 1.工程繪圖 采用計算機進行平面圖形的繪制，以取代傳統的手工繪圖，CAD 系統中某些中間結果 也是通過圖樣來表達的。CAD 系統一方面應具備從幾何造型的三維圖形直接向二維圖形轉 換的功能，另一方面還需具有處理二維圖形的能力，保證生成合乎生產要求、也符合國家 標準的機械圖樣。 2.幾何造型 通過二維圖形表達三維的產品是一種間接的設計方法，理論上應該是直接設計具有三 維形狀的產品。但是，依靠人工去繪制三維產品，并對三維產品直接進行分析是非常困難 的。因此，計算機輔助設計的基本任務就是利用計算機構造三維產品的幾何模型，記錄產 品的三維模型數據，并在計算機屏幕上顯示出真實的三維圖形結果。利用

10、幾何建模功能， 用戶不僅能構造各種產品的幾何模型，還可以隨時觀察、修改模型或檢驗零部件裝配的結 果。產品幾何建模包括：零件建模，即在計算機中構造每個零件的三維幾何結構模型；裝 配建模，即在計算機中構造部件的三維幾何結構模型。常用的建模方法有：線框模型，即 用零件邊框線來表示零件的三維結構；曲面造型，即用零件的表面來表示零件的三維結構； 實體造型，即全面記錄零件邊框、表面及由曲面所組成的體的信息，并記錄材料屬性及其 他加工屬性。 3.計算分析 CAD 系統構造了產品的形狀模型之后，能夠根據產品幾何形狀，計算出相應的體積、 表面積、質量、重心位置及轉動慣量等幾何特性和物理特性，為系統進行工程分析和

11、數值 計算提供必要的基本參數。另一方面，CAD 系統中的結構分析需進行的應力、溫度、位移 等計算，圖形處理中變換矩陣的運算，體素之間的交、并、差計算，以及工藝規程設計中 的工藝參數計算都要求CAD 系統對各類計算分析算法正確、全面，而且適應數據計算量大、 有較高的計算精度要求。 4.結構分析 CAD 系統結構分析常用的方法為有限元法，這是一種數值近似求解的方法，用來解決 結構形狀比較復雜的零件的靜態（動態）特性、強度、振動、熱變形、磁場、溫度場、應 力分布狀態等計算分析。在進行靜態、動態特性分析之前，系統根據產品結構特點，劃分 網格、標出單元號、節點號，并將劃分的結果顯示在屏幕上。進行分析計算

12、之后，將計算 結果以圖形、文件的形式輸出，如應力分布圖、位移變形圖等，使用戶方便、直觀地看到 分析結果。 5.優化設計 CAD 系統應具有優化求解的功能，也就是在某些條件的限制下，使產品或工程設計中 的預定指標達到最優。優化包括總體方案的優化、產品零件結構的優化、工藝參數的優化 等。優化設計是現代設計方法學中的一個重要組成部分。 6.裝配及干涉碰撞分析 零部件在設計時，利用計算機分析和評價產品的裝配性，避免真實裝配中的種種問題。 對運動機構，也要分析運動機構內部零部件之間及機構周圍環境之間是否有干涉碰撞現象，要及時發現并糾正各種可能存在的干涉碰撞問題。 7.可制造性分析 在零部件設計時，用計算

13、機分析和評價產品的可制造性能，以避免一切不合理的設計。 這些不合理的設計將導致后續制造困難或制造成本增加。 8.計算機輔助工藝規程設計（CAPP） 產品設計的目的是為了加工制造出該產品，而工藝設計是為產品的加工制造提供指導 的文件。因此，CAPP 是 CAD 與 CAM 的中間環節。CAPP 系統應當根據建模后成產的產 品信息及制造要求，自動設計、編制出加工該產品所采用的加工方法、加工步驟、加工設 備及參數。CAPP 的設計結果一方面能被生產實際所用，生成工藝卡片，另一方面能直接輸 出一些信息，為CAM中的NC 自動編程系統接受、識別，直接轉換為刀位文件。 9.NC 自動編程 在分析零件圖后，

14、制訂出零件的數控加工方案，并用專門的數控加工語言（如APT 語 言）將其輸入計算機。其基本步驟通常包括： （1）編程 手工或計算機輔助編程，生成源程序。 （2）前處理 將源程序翻譯成可執行的計算機指令，經計算，求出刀位文件。 （3）后處理 將刀位文件轉換成零件的數控加工程序，最后輸出數控加工代碼。 10.模擬仿真 在CAD 系統內部，建立一個工程設計的實際模型，通過運行仿真軟件，代替、模擬真 實系統的運行，用以預測產品的性能、產品的制造過程和產品的可制造性。如數控加工仿 真系統，從軟件上實現工件試切的加工模擬，避免了現場調試帶來的人力、物力的投入及 加工設備損壞的風險，減少了制造費用，縮短了產

15、品的設計周期。模擬仿真通常有加工軌 跡仿真，機構運動學模擬，機器人仿真，工件、刀具、機床的碰撞、干涉檢驗等。 11.工程數據庫管理 由于CAD 系統中數據量大、種類繁多，既有幾何圖形數據，又有屬性語義數據，既有 產品定義數據，又有生產控制數據，既有靜態標準數據，又有動態過程數據，結構還相當 復雜，因此，CAD 系統能提供有效的管理手段，支持工程設計制造全過程信息流通與交換。 通常，CAD 系統采用工程數據庫系統作為統一的數據環境，實現各種工程數據的管理。 近年來,在工程建設中遇到越來越多的結構復雜建筑工程。施工的首要任務是現場測量放樣,將設計圖紙的點、線位置測設并標志到施工的實際場地中。為了準

16、確定位,測量技術人員經常進行大量各種繁瑣和抽象的數據和坐標計算。為了減輕各種繁瑣和抽象的數據和坐標計算,AutoCAD被廣泛的運用到工程管理的工作當中,那么CAD有什么優點,在工程管理中又有那些應用。 CAD在工程管理應用的優點 AutoCAD是由美國Autodesk歐特克公司于二十世紀八十年代初為微機上應用CAD技術而開發的繪圖程序軟件包,經過不斷的完美,現已經成為國際上廣為流行的繪圖工具。具有完善的圖形繪制功能, 有強大的圖形編輯功能, 可以采用多種方式進行二次開發或用戶定制,可以進行多種圖形格式的轉換,具有較強的數據交換能力, 支持多種硬件設備,支持多種操作平臺,具有通用性、易用性,適用

17、于各類用戶。這些都給工程管理帶來了方便。 另外CAD圖紙中的圖形,標注等等對工程的現場管理帶來了便利,使施工員能夠更清楚的了解建筑的結構,從而更有利于施工的快速施工。 那么CAD在工程中具體有那些用途,下面我就簡單介紹一下AutoCAD在工程管理工作的一些運用，在工程管理工作中我們常常要用到Auto CAD。比如說給一棟的建筑圖改成分戶圖,用圖進行現在施工,下面我來說說AUTOCAD圖解技術在全站儀測量技術中的應用。AutoCAD與全站儀在復雜建筑工程測量中的應用 隨著建筑業的發展,建筑工程設計逐漸多樣化、藝術化、要求施工定位測量的技術含量越來越高,測量數據計算越來越復雜。如何正確、快速的對建

18、筑物進行定位成為施工過程中的重點、難點。而AUTOCAD軟件和全站儀的應用大大簡化了手工計算的工作量,并使工程定位測量變得更快速更精確。復雜建筑工程測量要點：1復雜平面圖形放線前,首先應充分學習圖紙,熟悉圖紙設計意圖,弄清各種曲線圖形的性質。在有多種曲線圖形組成的平面圖形中,應弄清不同曲線圓弧的分界點、各自的圓心、半徑,有關的角度及相互之間的關系等各種因素。 2對復雜平面圖形的施工放線,應確定幾根基準控制線及基準控制點,并由該基本控制線和基本控制點逐步導出其他各點、線的位置。 3對各種不同性質的曲線圖形,應建立合適的計算坐標體系,運用相應的數學公式,對施工放線測設時所需的數據進行計算,將復雜的

19、圖形、眾多的數字進行計算、整理、簡化,最終繪制成放線測設簡圖和有關數據表格,供實地放線測設時使用。 4復雜平面圖形的施工放線檢查和校核工作十分重要。在計算放線測設所需的有關數據時,應同時計算檢查、校核所需要的相應數據,以便實地放線測設時隨時進行檢查、校核之用。應注意的是,檢查、校核所用的數據應用不同計算方法取得。 5復雜平面圖形的施工放線,應盡可能的使用高精度儀器進行測設,并定期檢驗,保持測設儀器的高精度。測設儀器的高精度是獲得高質量放線測設的基礎和保證。同時,測量人員應有專人負責,并建立完整的測設資料。 以下就網上找到的施工石嘴山市大武口區行政文化科技中心工程為例,介紹該工程A區橢圓形建筑定

20、位測量方法。橢圓形平面布局緊湊、立面比較活潑、富有動態感,較多的應用于公共建筑,如:體育館、展廳、會議廳,禮堂等。測量特點：京華城三期工程位于新城西路和文匯西路交接的東北角,分為一標、二標、三標、四標、五標共五個標段。該工程的總用地面積為229761?,地上總建筑面積為399290?。地下總面積為62050?,綠化面積為91905?。建設單位給定的坐標點距待測坐標點較遠,建筑面積大,因此就給施工定位測量造成了一定困難。首先,使用經緯儀效率太低;其次,由于本工程定位所需控制點較多造成測量數據計算量大容易出錯,因此單純使用全站儀施測也有一定困難。見總平面圖。由于平面圖太大,我就討論7#樓的定位方法

21、。 施測:根據本工程已知的測量條件,先使用坐標放樣技術對控制點進行定位 1、以甲方給定的已知點作為前視點和后視點,使用全站儀定出總平面圖中1/A、1/H、H/23、軸處外墻端點坐標: 1/A:(3583761.684,440335.487) 1/H:(3583771.538,440332.664) H/23:(3583780.792, 440364.964)。AUTOCAD圖解技術在全站儀測量技術中的應用：1在AUTOCAD 中建立測量坐標系:縱坐標為X軸,橫坐標為Y軸,使其與設計坐標系一致。 2按比例正確繪制工程測量平面圖或使用設計單位提供的電子版圖紙。 3依據建設單位提供的前視點和后視點在

22、施工現場對待測設點進行定位。 4使用AUTOCAD圖形計算功能獲取施工圖中不明確的放樣點的坐標值(通過“查詢”命令直接得出),使用全站儀坐標放樣功能進行定位。 5對多角度圓弧形曲線可在AUTOCAD中繪制出起點坐標、曲線半徑、方位角、終點坐標采用全站儀極坐標放樣功能進行定位。 6編輯、儲存測量數據。CAD在京華城一期小區室外雨水泵站工程施工建設中的應用.由于京華城一期怡景苑地下雨水管道的高程低于小區外側的市政雨水管網,每到七、八月份雨季來臨的時候小區水淹成災,相當嚴重。而且小區積水又使小區的很多地下室開始滲水。對于這個問題對于這個問題,小區業主經常向卓越物業反映問題。卓越物業向揚州京華城中城生

23、活置業有限公司發文,說明小區現在的積水情況。我公司就此問題進行了現場勘查,發現在當初的一期工程的施工方杭州第二建筑有限公司在施工中沒有按要求進行施工,地下防水卷材沒有得到很好的保護,導致了小區積水及地下室滲漏水等問題。經討論決定實施京華城一期小區室外雨水泵站工程(后簡稱一期泵站)。在一期泵站施工的過程中Auto CAD使用是必不可少的。下面我就討論CAD在一期泵站中的應用。CAD圖紙的形成 一期泵站的工作原理是:切斷市政的雨水管網,自己建設一個雨水排放的管道,用大功率的電機通過地下水管把小區的積水排放大明湖中。一期泵站工程的開工不能盲目的執行。要有明確的施工計劃,要有詳細的工作圖紙。這就要Au

24、to CAD來幫忙了。 首先由工程部,采發布,設計部門到現場經行勘察,討論出項目的實施方案。根據現場的情況和對往年最大雨水量的計算討論得出:設計六個泵站可以滿足京華城一期怡景苑最大雨時排水量。于是由采發部聯系廠家了解雨水泵站的資料及雨水泵所需積水池的CAD圖紙,由設計部根據現場及相關資料進行圖紙的繪制,再有我們工程部進行CAD圖紙進行改良。CAD圖紙完善好之后。我們就對一期泵站經行施工預算。根據CAD圖紙進行施工預算 施工圖預算可以劃分為兩個計價模式,即傳統計價模式和工程清單計價模式。傳統計價模式下包括工料單價法。施工預算單位工程預算,單項工程預算和建設項目總預算。單位工程預算建筑工程預算和設

25、備安裝預算。 施工預算的編制依據包括:施工圖項目一覽表,施工圖紙和說明,工程地質勘察資料;國家和省市現行 的工程建設預算定額、費用定額間、材料預算價;現行有關設備原價和運雜費率;現行其他費用定額、指標和價格等。根據以上數據進行預算得出預算的價格為137萬人民幣。然后提交給稽核補進行 CAD圖紙預算的審核。 表:主要材料統計表 編名 名稱 規格 數量 單位 材料 備注 1 潛水泵 200QW360-7-11 10 臺 成品 Q360m/h H7m N11kw W287kg 設計參數參見的河海泵業產品樣本 2 潛污泵 200QW400-7-15 4 臺 成品 Q400m/h H7m N15kw W

26、360kg 設計參數參見的給水排水設計手冊 3 不銹鋼格柵 B0.9米 H0.9米格柵間隙30mm 6 個 鋼制 成品 4 啟閉機 QDA型螺桿式 12 套 成品 與閘門配套使用,功率約為1.5KW。 設計參數參見的江蘇天雨集團產品樣本 5 液位傳感器6 套 成品 6 靠壁式圓形閘門 SYZ600型(雙向 12 個 成品 通徑600, 重量112KG 設計參數參見的江蘇天雨集團產品樣本 7 橡膠止回閥 DN300 14 個 成品 A型柔性防水套管) 8 穿墻套管 DN600(柔性防水套管,墻厚300) 12 個 鋼制 A型柔性防水套管) 9 穿墻套管 DN300 14 個 10 異徑管 DN2

27、00X300 14 個 11 鋼管 D630 x10 15.6 米 12 鋼管 D325x8 219.0 米 13 包塑鐵爬梯 500mmx300mm 12 組 14 花紋鋼蓋板 1720X1100X6 4 塊 鋼制 帶鉸鏈 15 花紋鋼蓋板 1100X950X6 6 塊 鋼制 帶鉸鏈 16 花紋鋼蓋板 1100X1100X6 13 塊 鋼制 帶鉸鏈 17 花紋鋼蓋板 1700X1000X6 1 塊 鋼制 帶鉸鏈 18 花紋鋼蓋板 1000X900X6 3 塊 鋼制 帶鉸鏈。CAD圖紙預算的審核 1審核建設項目是否經過有關部門批準;建設項目工程預算是否控制在概算之內,是否經濟合理。 2 審核工

28、程計算是否準確,定額或單價套用是否合理;材料?設備訂購取價等是否合理。對工程的審查,主要檢查預算工程量計算是否遵守工程量計算規則以及預算定額項目的劃分,是否有重算、漏算和錯算工程量的現象等。預算中所列各分項工程預算單價是否與預算定額的預算單價相符,其名稱、規格、計量單位和所包括的工程內容是否與單價估價表一致。對補充定額和單位估價表審查補充定額的編制是否符合合編制原則,單位估價表計算是否正確。 3間接費和稅金的審查。間接費審查的主要內容有:間接費用定額與預算定額是否配套;計取間接費項目?費率標準與工程類別、承包方式以及施工企業的所有制性質和級別是否相符;接費的計算基礎是否符合規定;預算外調增的材料差價是否是計取了間接費,直接費或人工非常增減后,有關費用是負相應作了調整。稅金主要審查計算基礎及稅率標準是否符合規定。 4設計變更、工程項目及單位工程增減內容是否合理,審批手續是否完備, 施工設計是否合理。