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第四章 設計自動化：電腦輔助設計 ( CAD ). 設計自動化：電腦輔助設計 ( CAD ). 設計部門 是企業獲得自動化 軟體 與 硬體 的先前部門之一，設計部門的技術經常由所謂的 電腦輔助設計 (CAD) 完成，其定義如下 : 電腦輔助設計 是 電腦 與 圖形軟體 的應用，用來加強從 概念化 到 文件 產生過程中的 產品設計 。. CAD 技術支援產品設計過程中的所有層級。 電腦輔助繪圖 將繪圖過程或文件產生流程自動化。 電腦輔助設計 用來加強產品設計者的生產率。 本書論及支援設計過程中所有階段的技術時， 電腦輔助設計 與 CAD 將交互使用。
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設計自動化：電腦輔助設計(CAD) • 設計部門是企業獲得自動化軟體與硬體的先前部門之一，設計部門的技術經常由所謂的電腦輔助設計(CAD)完成，其定義如下: • 電腦輔助設計是電腦與圖形軟體的應用，用來加強從概念化到文件產生過程中的產品設計。
CAD技術支援產品設計過程中的所有層級。 • 電腦輔助繪圖將繪圖過程或文件產生流程自動化。 • 電腦輔助設計用來加強產品設計者的生產率。 • 本書論及支援設計過程中所有階段的技術時，電腦輔助設計與CAD將交互使用。 • 既然CAD如此廣泛地應用於不同領域中，因此，將用一個章節來描述CAD的軟體與硬體系統。 • 本章將完整地描述CAD技術、指出CAD系統如何與CIM企業系統配合並提出投資此技術的理由。
第四章 設計自動化：電腦輔助設計(CAD) • 4.1簡介電腦輔助設計系統 • 4.2 一般系統作業 • 4.3 CAD分類 :硬體平台 • 4.4 CAD分類 :軟體 • 4.5CAD於製造系統的應用 • 4.6 摘 要
4.1 簡介電腦輔助設計系統 • 電腦輔助設計是最早期用來增強製造生產力的自動化工具之一，過去40年之CAD系統評估與技術發展的研究中指出CAD促使了製造的改變。 • 圖4-1的歷史時間序列中顯示CAD技術的重要發展。
4.2 一般系統作業 • 了解 CAD系統的關鍵元件及組成時，也應該介紹系統的基本作業。 • 系統是由硬體與軟體技術所共同組合而成;兩者同等重要。 • 硬體支援物件的電子形式表現， • 軟體可產生大範圍幾何形狀及尺寸的物件。
CAD硬體：基本作業 • 圖4-3中的方塊圖所顯示的CAD系統元件代表系統最基本的組成。 • CAD系統中用來發展、儲存及顯示幾何工件形狀的方法是絕佳的介紹起點。電腦中產生的CAD圖形有兩種不同方法來表示，儲存在軟硬碟或光碟中的圖形資料格式採用物件中的直線、弧及曲線的幾何與圖形參數。 • 然而當圖形下載至螢幕顯示的電腦動態記憶體中時，物件被轉換成點陣模式。圖4-6中簡單的物件顯示兩個技術的差異。
CAD軟體：基本作業 • 產生CAD圖形需要使用滑鼠、圓盤或者軌跡球從指令清單中選出指令;或由鍵盤輸入;或用指令輸入裝置輸入。 • 所有指令可區分成下列四個範疇:產生、編輯、改變大小與移動以及檔案處理 。 • 最經常使用的PC CAD應用程式是Auto CAD其繪圖螢幕如圖4-7所示。圖4-8是在RISC工作站的CAD解答中最經常使用的Pro/E其繪圖螢幕，圖4-8是在個人電腦NT作業系統。
4.3 CAD分類：硬體平台 • 在硬體平台分類過程中，CAD系統區分成三個範疇: • 主架構電腦 • 工程工作站或RISC(精簡指令集電腦)系統 • 微電腦 • 在執行電腦整合製造的CAD部分時，每一類都其有特別的優點及缺點之獨特性質。接下來對於不同硬體平台的特性進行研究，而附錄中所列出的網頁可看到不同CAD硬體種類。
主架構電腦平台 • 執行CAD軟體的工程工作站更大型的許多電腦，通常是由另一個供應商所開發的CAD軟體在主架構電腦上執行，而同時好幾個使用者可連接到主電腦的終端器上工作。 • 例如汽車工業中的大型中央處理機可供 100個甚或更多的產品設計師以及繪圖人員工作。
主架構電腦中CAD執行系統最主要的特徵 • 優點：每個工作站可執行強而有力的設計，執行好幾個程式是可行的，所有操作者可共享單一資料庫，針對大型繪圖檔案或大型設計、文件計畫等可以很快得到回應。 • 缺點：一開始必須投入大量資本，若只有少量使用者，則每台終端機成本是高的。複雜的作業系統需要細心的系統管理者，而複雜的軟體並不適合每一階層的操作者。
工程工作站或RISC(精簡指令集電腦)系統 • 採用各種CAD軟體之工程工作站的製造商大多採用主架構電腦的應用。 • 此種工作站平台與其他電腦不同的特徵是採用了精簡指令電腦(RISC)晶片的中央處理器。 • 這些中央處理器中的RISC晶片是個別的裝置，它們經常由銷售RISC的公司設計及生產。 • 由於RISC技術的開發，RISC工作站的第二個特徵是操作快速，工作站以及主架構電腦的處理速度是每秒百萬指令。
工程工作站或RISC(精簡指令集電腦)系統 • 由於 Intel新晶片的開發，個人電腦微處理器已經拉近兩者間的距離，但是RISC仍舊具有較快的CAD平台，對於大型複雜的向量影像必須在微秒的反應時間內呈現在銀幕上而言，高速工作站是需要的。 • 然而，工作站經常是連結到區域性網路(LAN)以分享設計檔案、產品資料以及其周邊支援如印表機及繪圖機。
RISC工程工作站機器提供了許多優點及缺點 • 優點：RISC系統具有良好的價格 /表現比例;可與主架構電腦執行相比擬的設計分析特徵;較低的初期資金投資;許多硬體供應商提供具競爭力的RISC系統;使用於許多供應商平台的UNIX作業系統是一種工業標準;可同時執行好幾個程式;而一台電腦當機不會影響到其他電腦。 • 缺點：必須維護多個CAD軟體拷貝，而且UNIX操作系統較複雜不容易使用。
微電腦 • 由IBM在 1980年早期所推出的個人電腦及個人電腦軟體之發展如AutoCAD改變了CAD應用的面貌。 • 從第一台個人電腦使用的8080微處理機晶片，Intel公司的微處理器晶片系列是執行CAD軟體之微電腦平台的最主要引擎。 • 微電腦CAD平台的操作與結構和RISC類似，在所有的應用中，CAD軟體配置於每台微電腦中，而電腦通常連結至網路以分享印表機、繪圖機以及其他系統資源。
個人電腦CAD對於朝向執行CIM的小型及中型公司提供了優點及缺點個人電腦CAD對於朝向執行CIM的小型及中型公司提供了優點及缺點 • 優點：較低的初期資本投資以及擴張成本，一個 CAD操作者可以執行系統管理工作。作業系統相對地是容易學習及使用的，而且多數的設備與其他軟體供應商也生產具競爭性的系統。 • 缺點：將CAD圖形資料整合到整個CIM資料庫中較為困難，物件的處理及繪圖與RISC中CAD軟體的能力接近但不完全相等，而且無法支援多個設計者進行複雜及大型計畫的生產。
4-4 CAD分類:軟體 • 硬體平台上的CAD軟體都持續地改變著。 • 例如AutoDesk公司在15年內發行了14版受歡迎的AutoCAD軟體版本，每個新版本都有加強的功能及大量強而有力的繪圖指。 • 由於個人電腦硬體的Intel微處理器計算能力的增加而佔盡優勢，雖然所有平台上的CAD軟體不斷進步是令人困擾的，但也導致成本/表現比例的持續減少，以些許成本所增加的性能使得許多CAD技術被視為進入ClM的第一步驟。
CAD軟體可分成兩類:根據所完成幾何形狀可看到的座標數分成二維(2-D)及三維(3-D)。CAD軟體可分成兩類:根據所完成幾何形狀可看到的座標數分成二維(2-D)及三維(3-D)。 • CAD套裝軟體以兩個座標呈現物件稱為二維軟體、而三維軟體可將工件的三維座標平面呈現。 • 三維軟體可將工件幾何形狀分成線架構、曲面或實體模型。
4-4 CAD分類:軟體系統 • 1.CAD二維線架構系統 • 2.CAD-3D線架構系統 • 3.曲面模型軟體系統 • 4.實體模型軟體系統
1.CAD 二維線架構系統 • 線架構模型指物件平面的相交是由直線與弧形所表示的CAD圖形。在一個二維線架構模型工件中，一張視圖只能看到物體的兩軸座標。 • 具有2-D或2.5-D的CAD軟體有兩個可區分的特徵:(1)軟體只是基本手工繪圖的電子模擬及擴張;(2)所儲存的幾何元素限制於點、直線及圓弧。當儲存一個2-D線架構模型時，只有二維資料被指定到點、直線及圓弧的位置。
2-D軟體充分應用於兩個領域:基本草圖作業與工件製造。2-D軟體充分應用於兩個領域:基本草圖作業與工件製造。 • 由於CAD較具有生產力，所以大部分工業界已經不用人工繪圖。由於工件經常有變化以及圖形必須經常修改，CAD贏得了此生產戰場。當需要修改圖形時，CAD可增加生產力的能力顯得更明顯。 • 應用於製造的二維工件幾何是2-D CAD第二個主要應用。製造加工品所需要的工件圖是2-D CAD的最佳應用。
2.CAD-3D線架構系統 • 3-D線架構系統是2-D概念的延伸，2-D與3-D線架構CAD軟體間最主要差別是點、直線及圓弧其有第三個座標軸。繞著X、Y或Z軸旋轉物體的幾何形狀，可以從任何角度看到3-D模型。 • 3-D模型的其他特徵包括: • (1)比2-D模型稍多的3-D工件幾何資料庫 • (2)具備類似於2-D應用中容易使用的指令組 (點、直線及圓弧)及建構技術 • (3)可以用來建構曲面模式的資料 • (4)可用來產生自動切削機器之程序程式的資料組。
3.曲面模型軟體系統 • 曲面模型系統所產生的物件結合了3-D線架構曲面中的點、直線與圓弧，這些曲面的數學定義三種: • 1.規則曲面 :圖4-13中的規則曲面是用直線來連接兩條直線或圓弧所形成的曲面。 • 2.旋轉曲面:圖4-14中的旋轉曲面是由繞著X、Y或Z軸物體的2-D剖面圖形經由旋轉所形成的曲面。
3.雕刻曲面或自由曲面:例如圖4-15中連接飛機翅膀與機身的圓角雕刻曲面，是由小塊曲面去逼近複雜曲面形狀所形成的。3.雕刻曲面或自由曲面:例如圖4-15中連接飛機翅膀與機身的圓角雕刻曲面，是由小塊曲面去逼近複雜曲面形狀所形成的。 • 曲面模型系統最主要的應用是從一些不規則曲面所組成的物件其設計與繪圖。 • 例如汽車車體設計、電視櫃、液體肥皂容器及器具等。
4.實體模型軟體系統 • 實體模型是工件幾何形狀數學上完整且明確的表示。物體的實體模型具有真正物件的所有屬性，包括物理上(尺寸、質量及材料 )、機械上(強度及彈性 )、電子上(電阻、電容及電感 )以及熱學上(傳導及擴張係數 )。 • 工件模型具有真實物件的所有特徵，實體模型的測試表現提供了實際工件的性能資訊。
由於實體模型的優點，工業界的資料指出現今大約2-D CAD工作站中的60%將改變成多數為實體模型的3-D CAD軟體。 • 電腦輔助工程(CAE)應用將顯示如何在模擬系統中測試實體模型的屬性，一個實體模型的例子如圖4-16所示。
大部分軟體供應商用以產生實體模型CAD影像的技術:大部分軟體供應商用以產生實體模型CAD影像的技術: • 1.建構式實體幾何(圖4-17所示及圖4-18所示) • 2.邊界表示法(圖4-19所示) • 3.掃掠(圖4-20所示)
1.建構式實體幾何(圖4-17所示及圖4-18所示) • 建構式實體幾何CSG軟體，可從基本形狀圖書館中建立一個實體幾何，這個圖書館包含了許多基礎零件形狀如方塊、立方體、圓柱體、錐形體、球體、樑形體及凸形圓盤。 • 透過聯集、交集及差集，的布林運算結合出如圖4-17所示的不同形狀。 • CSG樹形結構及簡潔編碼 (圖4-18)產生了有效率的實體物件資料庫。CSG技術是產生實體工件模型中最快速及最簡單的方法。
2.邊界表示法(圖4-19所示) • 邊界表示法 (Boundary Representation. B-rep實體模型也稱作參數式建模，B-rep經由邊界表面的描述去代表物體，因此可定義各面上的邊緣、曲線與點。 • CSG技術所建立的同一物體如圖4-10所示可用來展示B-rep方法。
3.掃掠(圖4-20所示) • 掃掠(Sweeping)實體建模的第三種形式是用於刀具路徑模擬，掃掠具有平移及旋轉兩種形態;對於某些幾何形態是適合的。 • 圖4-20列出了產生一個矩形體及圓柱體所需的動作。
