1、第一章汽車車身計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)概述，1.1 CAD技術(shù)的創(chuàng)建和開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是20世紀(jì)50年代以來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和外圍設(shè)備的發(fā)展而形成的新技術(shù)。了解CAD的發(fā)展史將有助于今后更有效地應(yīng)用此新技術(shù)。1.1.1 CAD技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展過(guò)程第二次世界大戰(zhàn)后，生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化程度日益提高，設(shè)計(jì)工作成為整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的弱點(diǎn)，迫切要求實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。20世紀(jì)50年代，計(jì)算機(jī)開(kāi)始用于設(shè)計(jì)計(jì)算，1956年發(fā)明了CRT顯示設(shè)備，1958年發(fā)明了CNC繪圖儀，使設(shè)計(jì)自動(dòng)化成為可能。CAD的研究是在這個(gè)時(shí)期為電力變壓器等設(shè)計(jì)自動(dòng)化而進(jìn)行的。1959年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)正式將CAD選為研究項(xiàng)

2、目，進(jìn)行了研究。1963年春天，在美國(guó)計(jì)算機(jī)聯(lián)盟年會(huì)上，MIT研究小組發(fā)表了5篇關(guān)于CAD項(xiàng)目的論文，對(duì)工程界造成了巨大沖擊，這篇論文象征了CAD的誕生。MIT研究團(tuán)隊(duì)的報(bào)告設(shè)想了CAD，設(shè)計(jì)者坐在CRT控制臺(tái)前，通過(guò)手寫筆操作實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)和制造的整個(gè)過(guò)程。從那時(shí)起，CAD開(kāi)始發(fā)展。即可從workspace頁(yè)面中移除物件。經(jīng)過(guò)30多年計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展CAD技術(shù)已成為一門新興的學(xué)科成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用中一個(gè)非常重要的新領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：使用計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件支持產(chǎn)品或工程的方法和技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析和文檔制作等設(shè)計(jì)活動(dòng)。CAD技術(shù)：二維工程繪圖、三維幾何設(shè)計(jì)

3、、有限元分析(FEA)、NC加工編程(NCP)、模擬、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、CADCAECAM、CAD技術(shù)、計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備CAD的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程可以分為(1)初始準(zhǔn)備和釀造階段(20世紀(jì)50年代)。此階段的主要特征是提出CAD構(gòu)想，并為CAD開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)提供硬件和軟件準(zhǔn)備工作。例如，已開(kāi)發(fā)了圖形顯示設(shè)備、繪圖儀和計(jì)算機(jī)計(jì)算程序。美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)于1950年開(kāi)發(fā)了“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)，它使用陰極射線管(CRT)創(chuàng)建圖形終端的手動(dòng)顯示圖形。(2)蓬勃發(fā)展，進(jìn)入應(yīng)用期(20世紀(jì)60年代)。20世紀(jì)60年代初，有兩個(gè)影響CAD開(kāi)發(fā)的主要事件。第一個(gè)是計(jì)算機(jī)圖形、交互技術(shù)、分層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新的想

4、法。二是汽車擋風(fēng)玻璃線性設(shè)計(jì)的DAC-I系統(tǒng)(通用公司)的成功開(kāi)發(fā)。這兩件事發(fā)生后，重視實(shí)效的工程界對(duì)CAD的發(fā)展前景充滿了信心。1962年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究生I.E.Sutherland發(fā)表了人機(jī)對(duì)話圖形通信系統(tǒng)論文，該論文允許設(shè)計(jì)者在圖形顯示前操作光筆和鍵盤，進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)和修改。(3)廣泛使用的時(shí)期(20世紀(jì)70年代)。在此階段，CAD技術(shù)開(kāi)始實(shí)用化，從二維電路設(shè)計(jì)到三維汽車、飛機(jī)、船舶等設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)CAD系統(tǒng)的公司很多，并從CAD應(yīng)用程序中獲得了經(jīng)濟(jì)效益。CAD技術(shù)在大多數(shù)工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中是1970年美國(guó)Applicon首次發(fā)布整個(gè)CAD系統(tǒng)。CAD/CAM開(kāi)始商品化。(4)飛躍

5、發(fā)展的時(shí)期(20世紀(jì)80年代)。在此期間，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)成本大大降低，CAD系統(tǒng)的硬件配置和軟件開(kāi)發(fā)適合中小企業(yè)的敏感性。據(jù)1982年一年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球已有100多家新成立的CAD公司開(kāi)拓和發(fā)展了CAD技術(shù)市場(chǎng)。CAD技術(shù)從大企業(yè)到小企業(yè)、從開(kāi)發(fā)國(guó)家到發(fā)展中國(guó)家、從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到工程設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)。(5)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)化集成和智能開(kāi)發(fā)期間(20世紀(jì)90年代)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，CAD技術(shù)的快速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇提高了商品化CAD系統(tǒng)的性能，降低了價(jià)格。32位長(zhǎng)的工程工作站和計(jì)算機(jī)過(guò)去達(dá)到了小型、甚至中型機(jī)器的性能，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛應(yīng)用，在計(jì)算機(jī)

6、環(huán)境、工作站和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中形成了高性能CAD系統(tǒng)，CAD技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域全面普及，成為工程不可或缺的設(shè)計(jì)工具。我國(guó)在CAD技術(shù)的研發(fā)方面起步較晚，但后期發(fā)展較快。最初是航空工業(yè)，而且汽車造船工業(yè)也是CAD技術(shù)發(fā)展取得成果的部門?？茖W(xué)技術(shù)人員深入研究了計(jì)算機(jī)圖形和計(jì)算幾何(CAGD)的相關(guān)算法和理論，取得了很多突破和革新。進(jìn)入80年代中期，CAD技術(shù)在我國(guó)機(jī)械、電子、建筑、航天、輕紡等領(lǐng)域迅速發(fā)展。我國(guó)正在引進(jìn)10，000多臺(tái)大型、中型、小型、超級(jí)計(jì)算機(jī)CAD系統(tǒng)，但大部分硬件利用率低，軟件應(yīng)用和二次開(kāi)發(fā)進(jìn)展緩慢。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)發(fā)了一系列具有一定水平的CAD系統(tǒng)。清華大學(xué)的GEMS

7、系統(tǒng)、north air的PANDA系統(tǒng)、south air的B-SURF-3D系統(tǒng)等。1.1.2CAD的發(fā)展趨勢(shì)1。電腦整合制造系統(tǒng)(CIMS)與并行工程整合需要CAD系統(tǒng)增強(qiáng)功能。研究(CAD system integrate manufacturing system，Concurrent Engineering Engineering)。整合的意義：功能整合、信息整合、流程整合、動(dòng)態(tài)聯(lián)盟中的企業(yè)整合。使用CAD技術(shù)改進(jìn)集成內(nèi)容：(1)數(shù)字產(chǎn)品集成功能建模，參數(shù)化建模，(2)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換外部專業(yè)界面，(3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理集成數(shù)據(jù)庫(kù)信息訪問(wèn)，(4)完善的應(yīng)用程序軟件計(jì)算機(jī)輔助制造(cam)ca

8、m將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工作切換到web協(xié)作模式(1)電子會(huì)議、協(xié)作編輯、圖形和文本導(dǎo)航和注釋功能(2)聯(lián)機(jī)CAD應(yīng)用程序設(shè)計(jì)工作計(jì)劃、設(shè)計(jì)沖突檢測(cè)和解決、聯(lián)機(jī)虛擬裝配、3。將智能人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)有CAD技術(shù)相結(jié)合，形成智能CAD系統(tǒng)。(1)開(kāi)發(fā)新的設(shè)計(jì)理論和方法(2)機(jī)械設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的基本理論和技術(shù)問(wèn)題知識(shí)工程、知識(shí)獲取、知識(shí)模型的表示和建模等4。標(biāo)準(zhǔn)化5 .并行工程并行、集成設(shè)計(jì)產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)流程。質(zhì)量、成本、進(jìn)度、用戶要求提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率；1 . 1 . 3計(jì)算機(jī)輔助幾何建模設(shè)計(jì)；CAGD概念計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(CAGD)是CAD派生的重要分支，是與幾何相關(guān)的形狀和結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)

9、。CAGD一詞是1974年猶他大學(xué)國(guó)際會(huì)議上，巴恩希爾和里森菲爾德提出的，其研究包括幾何形式的數(shù)學(xué)說(shuō)明、三維幾何形式的計(jì)算機(jī)表示和幾何模型的建立、幾何信息的處理和幾何數(shù)據(jù)的管理、幾何表示等。這方面的研究不僅有助于提高產(chǎn)品幾何形態(tài)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率，還改變了設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式。CAGD與計(jì)算幾何關(guān)系密切，兩者屬于同一學(xué)科，研究?jī)?nèi)容一致，但分別側(cè)重于工程應(yīng)用，后者側(cè)重于理論研究。計(jì)算幾何是CAGD技術(shù)的主要數(shù)學(xué)理論。計(jì)算幾何和機(jī)械產(chǎn)品CAGD、計(jì)算幾何是由函數(shù)近似論、微分幾何、代數(shù)幾何、計(jì)算數(shù)學(xué)、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形等形成的邊緣學(xué)科。A.R.Forrest在計(jì)算幾何圖形下定義為幾何圖形資訊

10、的電腦表現(xiàn)法、分析和合成。也就是說(shuō)，可以使用由設(shè)計(jì)者提供的少量幾何信息和可選的數(shù)學(xué)方法定義任意形狀的曲線和曲面，并使用計(jì)算機(jī)圖形顯示設(shè)備進(jìn)行幾何形狀的相互設(shè)計(jì)。計(jì)算幾何是CAGD技術(shù)的主要數(shù)學(xué)理論。機(jī)電產(chǎn)品CAGD是組織機(jī)電產(chǎn)品的幾何形狀，并應(yīng)用通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行說(shuō)明、分析、修改、控制和處理，使計(jì)算機(jī)成為設(shè)計(jì)者利益助手的理論和方法。CAGD技術(shù)的應(yīng)用，60年代以來(lái)CAGD的生成和早期應(yīng)用，主要圍繞汽車、航空、造船三大產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的幾何設(shè)計(jì)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，CAGD理論繼續(xù)深化，方法越來(lái)越豐富，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在國(guó)外，CAGD的應(yīng)用超越了上述三個(gè)方面和普通機(jī)械零件的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，擴(kuò)展到了越來(lái)越多的技

11、術(shù)領(lǐng)域。例如：人體建模、人體器官(大腦、心臟、胃等)x射線斷層掃描立體影像重建；導(dǎo)彈地形匹配；飛行模擬訓(xùn)練；石油勘探地層結(jié)構(gòu)圖的繪制；鞋子、帽子形狀設(shè)計(jì)；漫畫和藝術(shù)圖案設(shè)計(jì)等。在美國(guó)和英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家專攻CAGD的畢業(yè)生一直是大企業(yè)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)象。CAGD成為熱門專業(yè)。我國(guó)70年代中期開(kāi)始了CAGD的研究和應(yīng)用，航空、汽車、造船業(yè)從初期開(kāi)始，其他行業(yè)也相繼開(kāi)展CAGD事業(yè)。很多大學(xué)開(kāi)設(shè)了CAGD課程，對(duì)相關(guān)主題進(jìn)行研究。1982年在青島舉行的“全國(guó)計(jì)算幾何學(xué)術(shù)研討會(huì)”上，有130多名著名專家參與，包括蘇寶清、李趙生、唐英石、柳花園、梁宇東、王志東旭、李心燦等。這次研討會(huì)開(kāi)得很成功，代表們決心前進(jìn)

12、“青島精神”，攀登計(jì)算幾何的最高峰！會(huì)議期間還舉行了兩次象征性的活動(dòng)。(1)攀登廬山；(2)游覽郊區(qū)灣?？傊?，海外CAGD的研究和應(yīng)用達(dá)到了很高的水平，國(guó)內(nèi)CAGD工作積極進(jìn)行，取得了很多成果，進(jìn)入了更實(shí)用的階段。1.2 CAD技術(shù)CAD/CAM技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用1.2.1 CAD/CAM技術(shù)CAD/CAM技術(shù)是CAD和CAM的有效組合，是使用電子計(jì)算機(jī)高效、準(zhǔn)確地自動(dòng)化設(shè)計(jì)和制造的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)利用計(jì)算機(jī)的快速性、準(zhǔn)確性和大規(guī)模存儲(chǔ)能力，結(jié)合設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性思維，加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，使產(chǎn)品長(zhǎng)期保持高速度、高質(zhì)量、穩(wěn)定的狀態(tài)，來(lái)自生產(chǎn)人員的技術(shù)和水平差異、疲勞等因素。CAD/CAM

13、組合的核心是有效地將CAD處理的圖形信息與CAM處理的加工信息相關(guān)聯(lián)。CAD/CAM系統(tǒng)是(1)硬件(硬件):機(jī)器、設(shè)備部分(例如計(jì)算器主機(jī)、I/o設(shè)備等):(2)軟件：運(yùn)行機(jī)器所需的各種程序，例如系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、專業(yè)軟件等(3)hyperware:表示運(yùn)行CAD/CAM系統(tǒng)的人員的級(jí)別。只有將硬件、軟件、人集成在一起，才能有效地發(fā)揮系統(tǒng)的功能。如果將CAD/CAM系統(tǒng)比作駕駛，則駕駛的技術(shù)對(duì)應(yīng)于軟件，汽車的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于硬件，駕駛員的素質(zhì)類似于人，要想駕駛好汽車，必須具有汽車結(jié)構(gòu)的知識(shí)和駕駛的技術(shù)。從CAD/CAM的開(kāi)發(fā)過(guò)程來(lái)看，最初是從CAM開(kāi)始，圍繞CNC NC(NC)機(jī)床發(fā)展的。此后，

14、實(shí)現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)圖形為中心的CAD技術(shù)。隨著CAD和CAM的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，CAD和CAM的有效結(jié)合逐漸形成。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后不久，第一代電子管計(jì)算機(jī)電子數(shù)字集成商(ENIAC)就有了新的方法，可以用電子計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜的科學(xué)和工程問(wèn)題，包括18800個(gè)電子管、30噸、150平方米的占地空間、150千瓦、40萬(wàn)美元的功耗、17K位、5000次/秒的內(nèi)存容量1947年，美國(guó)帕森斯為制造第一個(gè)數(shù)控設(shè)備直升機(jī)旋翼制造了第一個(gè)數(shù)控設(shè)備，其中包括計(jì)算機(jī)有意義的應(yīng)用程序今天基于計(jì)算機(jī)的數(shù)控技術(shù)，并將繼續(xù)作為計(jì)算機(jī)輔助制造的基礎(chǔ)發(fā)展。美國(guó)通用汽車公司從1959年開(kāi)始著手車身計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作。建立了Dac-1設(shè)

15、計(jì)系統(tǒng)。之后，CAD技術(shù)開(kāi)始加速，直到20世紀(jì)60年代末，一些大型汽車公司為汽車開(kāi)發(fā)部署了自己的CAD/CAM系統(tǒng)，例如雷諾的UNISURF系統(tǒng)和福特公司的PDGS系統(tǒng)。70年代后期，CAD/CAM技術(shù)成熟，進(jìn)入了實(shí)用階段。目前，CAD/CAM技術(shù)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)的車身設(shè)計(jì)和制造。目前CAD/CAM技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技現(xiàn)代化和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，為未來(lái)的計(jì)算機(jī)集成工廠提供了技術(shù)基礎(chǔ)。1.2.2汽車車身CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用美國(guó)福特汽車公司從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始規(guī)劃和實(shí)施CAD系統(tǒng)，1985年，超過(guò)一半的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在圖形終端進(jìn)行，90年代初完全采用CAD進(jìn)

16、行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。早期的CAD系統(tǒng)是基于PDGS和CAD自行開(kāi)發(fā)的，此后逐漸將I-DEAS轉(zhuǎn)換為核心主流軟件。美國(guó)GM從CAD/CAM技術(shù)開(kāi)發(fā)初期開(kāi)始，就自行開(kāi)發(fā)了以車身設(shè)計(jì)為目標(biāo)的DAC-1系統(tǒng)，對(duì)車身的三維曲線設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和綜合。該公司的設(shè)計(jì)質(zhì)量檢查(CADNCE)、圖形工作(FBG)以其規(guī)模大、應(yīng)用廣泛而聞名。直到20世紀(jì)90年代早期，美國(guó)通用汽車公司才選擇UG作為整個(gè)公司的CAD/CAE/CAM/CIM主導(dǎo)系統(tǒng)。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究和普及CAD/CAM技術(shù)，在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。中國(guó)faw引入了IBM4381，以在整個(gè)工廠中為主機(jī)構(gòu)建短距離和遠(yuǎn)程工作站，并建立了技術(shù)信息和CAD/CAM中心。同時(shí)，有限元結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用越來(lái)越廣泛，完成了大量車身、車架、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、變速器殼體、橋殼等零部件的結(jié)構(gòu)分析。東風(fēng)汽車是我們汽車行業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的最好單位之一。東風(fēng)汽車是我們汽車行業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的最好單位之一。計(jì)算機(jī)輔助建模設(shè)計(jì)、工程分析、制造和軟件維護(hù)人員約900多人?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)二維設(shè)計(jì)已經(jīng)全面普及，車輛三維設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了各個(gè)設(shè)計(jì)部門的實(shí)用階段。但是，由于我國(guó)CAD/CAM軟件自身開(kāi)發(fā)技術(shù)水平和發(fā)達(dá)國(guó)家之間的巨大差距，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和公司發(fā)布的CAD/CAM軟件套件已不能