1.绪论 机电系统就是机电一体化系统,机电一体化系统是光、机、电、液、控制技术 和软件技术集成起来而形成的复杂系统 机电一体化( mechatronics)一词是机械( mechanics)和电子( electronics)两 个词的合成词,20世纪70年代中期由日本首先开始使用,现在已得到欧美各国的普 遍认同,并得到广泛使用。近年来,随处可见许多以前仅有机械结构实现运动的装 置,通过与电子、软件技术相结合而得到显著改进和提高的实例 按照上述机电一体化的定义,机械工程学科和电子工程学科是机电系统的两个 支柱。但除此之外,机电一体化还是控制工程和信息工程学科等的多学科综合技术 图1-0所示的是构成和支撑机电一体化的学科和技术 测试技术 计算机工程学 传感技术 信息处理 系统工程学 控制、信息工程学 通讯工程学 生产工程学 机械力学 电子电路 机构学 子工程学 电器工程学 材料力学工 微电子学 液压与气压\程 光学 精密加工 机器人工程学 机械零件 与机械设计 考察近年来机电一体化技术迅速发展的原因,可以归纳为如下的几个方面: 1)半导体和集成电路技术的不断发展和价格越来越低 2)计算机及其编程语言和应用技术的进步: 3)控制技术和仿真技术的不断发展 4)小型化、功能强的传感器和执行装置的进步等。 由于上述各个方面今后还将不断发展,所以可以预见机电一体化将还会有更加 广阔的发展前景 但机电系统组成的复杂性和技术复杂性给其设计带来了新的问题,单一学科的 人员难以完成,一般是多学科小组形式的开发团队形式。计算机辅助设计( Computer aided design-CAD)成为机电系统开发的必备工具。本书主要分析计算机辅助机电
1 1． 绪论 机电系统就是机电一体化系统，机电一体化系统是光、机、电、液、控制技术 和软件技术集成起来而形成的复杂系统。 机电一体化（mechatronics）一词是机械（mechanics）和电子（electronics）两 个词的合成词，20 世纪 70 年代中期由日本首先开始使用，现在已得到欧美各国的普 遍认同，并得到广泛使用。近年来，随处可见许多以前仅有机械结构实现运动的装 置，通过与电子、软件技术相结合而得到显著改进和提高的实例。 按照上述机电一体化的定义，机械工程学科和电子工程学科是机电系统的两个 支柱。但除此之外，机电一体化还是控制工程和信息工程学科等的多学科综合技术。 图 1-0 所示的是构成和支撑机电一体化的学科和技术。 图 1-0 考察近年来机电一体化技术迅速发展的原因，可以归纳为如下的几个方面： 1） 半导体和集成电路技术的不断发展和价格越来越低； 2） 计算机及其编程语言和应用技术的进步； 3） 控制技术和仿真技术的不断发展； 4） 小型化、功能强的传感器和执行装置的进步等。 由于上述各个方面今后还将不断发展，所以可以预见机电一体化将还会有更加 广阔的发展前景。 但机电系统组成的复杂性和技术复杂性给其设计带来了新的问题，单一学科的 人员难以完成，一般是多学科小组形式的开发团队形式。计算机辅助设计（Computer aided design - CAD）成为机电系统开发的必备工具。本书主要分析计算机辅助机电 机 电 一 体 化 电 子 工 程 学 机 械 工 程 学 控制、信息工程学 ⚫ 测试技术 ⚫ 传感技术 ⚫ 系统工程学 ⚫ 生产工程学 ⚫ 机械力学 ⚫ 机构学 ⚫ 材料力学 ⚫ 液压与气压 ⚫ 精密加工 ⚫ 机械零件 与机械设计 ⚫ 计算机工程学 ⚫ 信息处理 ⚫ 通讯工程学 ⚫ 电子电路 ⚫ 电器工程学 ⚫ 微电子学 ⚫ 光学 ⚫ 机器人工程学
系统设计中存在的诸多问题和关键技术,为机电系统的开发提供技术支持。 本章简要介绍CAD技术的发展、特点和应用,并对其常用的计算机及外围设备 图形设备、CAD软件和集成系统的组成及其特点进行讨论。通过本章的学习,可使 读者了解国内外常见的CAD系统的功能特征,并能正确地选择CAD系统应用于工 程和产品设计。 1.1cAD技术的发展和应用 1发展过程 计算机辅助设计主要研究用计算机、外围设备、图形输入输出设备和相应的软 件帮助人们进行工程和产品设计的技术,它是随着计算机、外围设备、图形设备及 其软件的发展而发展的。 准备和酝酿时期(20世纪50~60年代初) 1950年美国麻省理工学院(MT)研制出类似于示波器的图形设备“旋风I号” ( Whirlwind I),用它可以显示简单图形。1958年,美国 Calcomp公司研制出滚筒 式绘图仪; Gerber公司研制出平板绘图仪。整个50年代,人们大多采用电子管计 算机,用机器语言编程。计算机主要用于科学计算,为之配置的图形设备仅具有输 出功能,CAD技术处于被动式的图形处理阶段。 2.勃发展和进入应用时用(20世纪60年代) 1962年美国MT林肯实验室的1.E. Sutherland发表了“ Sketchpad:一个人机 通信的图形系统”的博士论文,首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符 号的数据结构等新思想,从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。60年代 中期出现了许多商品化的CAD设备,如1964年美国IBM公司推出了商品化的计算 机绘图设备,美国通用汽车公司的多路分时图形控制台,可实现各阶段的汽车设计。 0年代末,美国安装的CAD工作站已达200多台,可供几百人使用。 3.广泛使用的时期(20世纪70年代 1970年美国 Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。在此时期出现了廉价 的固体电路随机存储器、产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、图形输入板等多 种形式的图形输入设备,出现了面向中小企业的 CADICAM商品化系统。70年代末 美国CAD工作站安装数量超过12000台,使用者超过25000人
2 系统设计中存在的诸多问题和关键技术，为机电系统的开发提供技术支持。 本章简要介绍 CAD 技术的发展、特点和应用，并对其常用的计算机及外围设备、 图形设备、CAD 软件和集成系统的组成及其特点进行讨论。通过本章的学习，可使 读者了解国内外常见的 CAD 系统的功能特征，并能正确地选择 CAD 系统应用于工 程和产品设计。 1．1 CAD 技术的发展和应用 1．1．1 发展过程 计算机辅助设计主要研究用计算机、外围设备、图形输入输出设备和相应的软 件帮助人们进行工程和产品设计的技术，它是随着计算机、外围设备、图形设备及 其软件的发展而发展的。 1．准备和酝酿时期（20 世纪 50～60 年代初） 1950 年美国麻省理工学院（MIT）研制出类似于示波器的图形设备“旋风 I 号” （Whirlwind I ），用它可以显示简单图形。1958 年，美国 Calcomp 公司研制出滚筒 式绘图仪；Gerber 公司研制出平板绘图仪。整个 50 年代，人们大多采用电子管计 算机，用机器语言编程。计算机主要用于科学计算，为之配置的图形设备仅具有输 出功能，CAD 技术处于被动式的图形处理阶段。 2．蓬勃发展和进入应用时用（20 世纪 60 年代） 1962 年美国 MIT 林肯实验室的 I. E. Sutherland 发表了“Sketchpad：一个人机 通信的图形系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符 号的数据结构等新思想，从而为 CAD 技术的发展和应用打下了理论基础。60 年代 中期出现了许多商品化的 CAD 设备，如 1964 年美国 IBM 公司推出了商品化的计算 机绘图设备，美国通用汽车公司的多路分时图形控制台，可实现各阶段的汽车设计。 60 年代末，美国安装的 CAD 工作站已达 200 多台，可供几百人使用。 3．广泛使用的时期（20 世纪 70 年代） 1970 年美国 Applicon 公司第一个推出完整的 CAD 系统。在此时期出现了廉价 的固体电路随机存储器、产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、图形输入板等多 种形式的图形输入设备，出现了面向中小企业的 CAD/CAM 商品化系统。70 年代末， 美国 CAD 工作站安装数量超过 12000 台，使用者超过 25000 人
4.奥飞猛进的时期(20世纪80年代 在这个时期,图形系统和 CAD/CAM工作站的销售量与日俱增。1981年美国 实际安装CAD系统5000套,1983年超过12000套,1988年发展到63000套 CADICAM技术从大中企业向小企业扩展,从发达国家向发展中国家扩展,从用于 产品设计发展到用于工程设计和工艺设计 5.开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期(20世纪90年代) CAD技术和系统的开放性取决于其所用计算机和系统软件的开放性。由于微机 加 Windows95/98/NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了 CAD系统的主流工作平台,因此,现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性 图形接口、图形功能日趋标准化。从1977年由 SIGGRAPH图形特别兴趣小组 GSPC推出CORE图形标准以来,又出现了计算机图形接口CGl( computer graphics interface),计算机图形文件标准CGM( computer graphics metafile),计算机图形核 心系统GKS( graphics kernel system),面向程序员的层次交互式图形标准PHGS ( Programmer' s hierarchical interactive graphics standard),基本图形转换规范IGES ( initial graphics exchange specification)和产品数据转换规范STEP( standard for the exchange of product model data)等。这里的标准有些是面向图形设备的驱动程序包 有些是面向用户的图形用户接口程序包,有些是面向不同CAD系统的文档规范。这 些由国际标准化组织(ISO)制定的标准为CAD技术和系统的推广、移植和信息资 源共事起到了重要的作用 CAD技术的集成化主要体现在四个方面: (1)系统构造由过去单一功能变成集成功能,软构件和软总线技术普遍采用 出现了由计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)/计算机辅助工程(CAE) /计算机辅助工艺设计(CAPP)/产品数据管理(PDM)等功能模块构成的计算机集 成制造系统(CIMS) (2)CAD技术中的有关软件(合国际标准)和算法不断固化,即用集成电路 及其功能块来实现有关软件和算法的功能 (3)多处理机、并行处理技术用于CAD中,使工作速度成数量级地提高。 (4)网络技术在CAD中被普遍采用,使近程和远程的资源都能即时共享,实 现了异地、协同、虚拟设计和制造 在CAD系统中综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专 家系统等技术大大提高了自动化设计的程度,出现了智能CAD的新学科。智能CAD 把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于 体,形成如图1.1.1所示的结构。集成化、智能化CAD技术与系统是真正实现 设计自动化的关键
3 4．突飞猛进的时期（20 世纪 80 年代） 在这个时期，图形系统和 CAD/CAM 工作站的销售量与日俱增。 1981 年美国 实际安装 CAD 系统 5000 套，1983 年超过 12000 套，1988 年发展到 63000 套。 CAD/CAM 技术从大中企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于 产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。 5．开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（20 世纪 90 年代） CAD 技术和系统的开放性取决于其所用计算机和系统软件的开放性。由于微机 加 Windows 95/98/NT 操作系统与工作站加 Unix 操作系统在以太网的环境下构成了 CAD 系统的主流工作平台，因此，现在的 CAD 技术和系统都具有良好的开放性。 图形接口、图形功能日趋标准化。从 1977 年由 SIGGRAPH 图形特别兴趣小组 GSPC 推出 CORE 图形标准以来，又出现了计算机图形接口 CGI（computer graphics interface），计算机图形文件标准 CGM（computer graphics metafile），计算机图形核 心系统 GKS（graphics kernel system），面向程序员的层次交互式图形标准 PHIGS （Programmer’s hierarchical interactive graphics standard），基本图形转换规范 IGES （initial graphics exchange specification）和产品数据转换规范 STEP（standard for the exchange of product model data）等。这里的标准有些是面向图形设备的驱动程序包， 有些是面向用户的图形用户接口程序包，有些是面向不同 CAD 系统的文档规范。这 些由国际标准化组织（ISO）制定的标准为 CAD 技术和系统的推广、移植和信息资 源共事起到了重要的作用。 CAD 技术的集成化主要体现在四个方面： （1） 系统构造由过去单一功能变成集成功能，软构件和软总线技术普遍采用， 出现了由计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助制造（CAM）/计算机辅助工程（CAE） /计算机辅助工艺设计（CAPP）/产品数据管理（PDM）等功能模块构成的计算机集 成制造系统（CIMS）。 （2） CAD 技术中的有关软件（合国际标准）和算法不断固化，即用集成电路 及其功能块来实现有关软件和算法的功能。 （3） 多处理机、并行处理技术用于 CAD 中，使工作速度成数量级地提高。 （4） 网络技术在 CAD 中被普遍采用，使近程和远程的资源都能即时共享，实 现了异地、协同、虚拟设计和制造。 在 CAD 系统中综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专 家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能 CAD 的新学科。智能 CAD 把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于 一体，形成如图 1．1．1 所示的结构。集成化、智能化 CAD 技术与系统是真正实现 设计自动化的关键
专家系统(知识库) 数据库 用户 工程数据库管理系统 图像处理系统 各种应用子系统 图1.1.1智能CAD系统 1.1.2应用 我国科学技术部在CAD应用工程2000年规划级要中指出:“到2000年,在国 民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广CAD技术,实现‘甩掉图 板’(指传统设计中的描图板),提高智能劳动效率,推广我国CAD市场,扶持发 展以CAD为突破口的我国自主创新的软件产业,建立起我国的CAD产业”。重点 在机械制造业的大中型骨干企业和科研单位中普及应用CAD技术;同时,在全国各 类企事业单位中大规模应用CAD技术。到2000年,机械制造业应用CAD技术的 普及率和覆盖率均达70%以上,CAD应用水平达到国外工业发达国家80年代末 90年代初的水平。工程设计行业CAD普及率和覆盖率均达到100%,实现勘察设计 手段从传统的手工方式向现代化方式转变,CAD应用水平达到国际90年代中期先 进水平。广义CAD的应用一般从绘制二维工程图开始,逐步深入到图纸文档电子化 管理、三维造型、装满渲染、有限元分析与优化设计、工艺设计、数控加工、仿真 模拟、产品数据管理、制造资源管理、企业资源管理、异地协同虚拟设计制造等内 容。CAD技术的应用归纳起来主要有以下几个方面。 工程和产品设计 工程和产品设计包括的范围很广,大到机场、桥梁、高速公路、地铁等工程项 目和飞机、火车、汽车、船舶、火箭、影视片等产品,小到衣服、鞋、帽、头发、 广告画等。超大规模集成电路的设计制造离开CAD将无法进行。沈阳变压器厂用 CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据,从而赢得了 三峡工程的招标项目;沪东造船厂应用CAD技术后,生产技术准备周期缩短1/3 以上,造船的设计开发能力提高一倍,使其从粗放的造船模式向精密造船模式转化 西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模型,对该厂原设计方案自动校 验,共査出6处隐藏在图纸中的错误,当即进行了修改,避免了重大损失;寰球化 工工程公司应用CAD技术,在盘绵乙烯装置工程中,进行碰撞检查后,使95%以 上错误得以纠正,在总长20多万米的管道设计中,施工结束后剩余钢管不到10米
4 图 1.1.1 智能 CAD 系统 l．1．2 应 用 我国科学技术部在 CAD 应用工程 2000 年规划级要中指出：“到 2000 年，在国 民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广 CAD 技术，实现‘甩掉图 板’（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国 CAD 市场，扶持发 展以 CAD 为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的 CAD 产业”。重点 在机械制造业的大中型骨干企业和科研单位中普及应用 CAD 技术；同时，在全国各 类企事业单位中大规模应用 CAD 技术。到 2000 年，机械制造业应用 CAD 技术的 普及率和覆盖率均达 70%以上，CAD 应用水平达到国外工业发达国家 80 年代末、 90 年代初的水平。工程设计行业 CAD 普及率和覆盖率均达到 100%，实现勘察设计 手段从传统的手工方式向现代化方式转变，CAD 应用水平达到国际 90 年代中期先 进水平。广义 CAD 的应用一般从绘制二维工程图开始，逐步深入到图纸文档电子化 管理、三维造型、装满渲染、有限元分析与优化设计、工艺设计、数控加工、仿真 模拟、产品数据管理、制造资源管理、企业资源管理、异地协同虚拟设计制造等内 容。CAD 技术的应用归纳起来主要有以下几个方面。 1．工程和产品设计 工程和产品设计包括的范围很广，大到机场、桥梁、高速公路、地铁等工程项 目和飞机、火车、汽车、船舶、火箭、影视片等产品，小到衣服、鞋、帽、头发、 广告画等。超大规模集成电路的设计制造离开 CAD 将无法进行。沈阳变压器厂用 CAD 技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了 三峡工程的招标项目；沪东造船厂应用 CAD 技术后，生产技术准备周期缩短 1/3 以上，造船的设计开发能力提高一倍，使其从粗放的造船模式向精密造船模式转化； 西北电力设计院用 CAD 系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校 验，共查出 6 处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改，避免了重大损失；寰球化 工工程公司应用 CAD 技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检查后，使 95%以 上错误得以纠正，在总长 20 多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到 10 米， 专家系统（知识库） 工程数据库管理系统 各种应用子系统 图像处理系统 数据库 用户
钢结构压缩机厂房10万个钉孔中,不对中的孔不到10个,这是人工设计绝对办不 到的。在我国类似的实例不胜枚举 2.计算机艺术和影视、动画片制作 应用高性能的CAD系统可以真实地模拟机械零件的加工处理、飞机起降、船舶 进出港口、物体受力破坏等过程:在电影界可用来产生动画片和电影片的特技镜头 以及数字电影 3.事务处理 在事务处理中采用CAD技术可绘制各种形式的统计图表,如直方图、扇形图 库存留等。用图表反映事实将会更清晰、形象直观,还可以显示计算机系统中信息 流、控制流的运作情况。 4.绘制测量图 用CAD技术绘制的地理、地形图、矿藏勘探图、气象图、人口分布密度图以及 有关的等值线、等位面图,早已在生产建设中产生了巨大的作用。 5.机器人 用CAD技术可以模拟各种形式的机器人、机械手及其运动环境。现在CAD技 术已成为工程界普遍重视、深入了解、广泛应用、不断发展和提高的热点,以后它 所发挥的作用将会越来越大 1.1.3应用CAD技术的优缺点 CAD技术涉及的学科较广泛,它基本上是计算机硬、软件及其相应的应用专业 学科的高度综合,三者缺一不可。CAD技术在工程和产品设计中所起的作用如图 1.1.2所示
5 钢结构压缩机厂房 10 万个钉孔中，不对中的孔不到 10 个，这是人工设计绝对办不 到的。在我国类似的实例不胜枚举。 2．计算机艺术和影视、动画片制作 应用高性能的 CAD 系统可以真实地模拟机械零件的加工处理、飞机起降、船舶 进出港口、物体受力破坏等过程；在电影界可用来产生动画片和电影片的特技镜头 以及数字电影。 3．事务处理 在事务处理中采用 CAD 技术可绘制各种形式的统计图表，如直方图、扇形图、 库存留等。用图表反映事实将会更清晰、形象直观，还可以显示计算机系统中信息 流、控制流的运作情况。 4．绘制测量图 用 CAD 技术绘制的地理、地形图、矿藏勘探图、气象图、人口分布密度图以及 有关的等值线、等位面图，早已在生产建设中产生了巨大的作用。 5．机器人 用 CAD 技术可以模拟各种形式的机器人、机械手及其运动环境。现在 CAD 技 术已成为工程界普遍重视、深入了解、广泛应用、不断发展和提高的热点，以后它 所发挥的作用将会越来越大。 1．1．3 应用 CAD 技术的优缺点 CAD 技术涉及的学科较广泛，它基本上是计算机硬、软件及其相应的应用专业 学科的高度综合，三者缺一不可。 CAD 技术在工程和产品设计中所起的作用如图 1．1．2 所示