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1、合肥工業(yè)大學(xué)
機械與
SCHOOL OF MECHANICAL AND AUTOMOTIVE ENGINEERING
機械CAD教程
Mechanical Computer Aided Design
授課人：夏
鏈
Lecturer: Xia Lian
機械CAD
Schedule for this course:
Total hours: 40 (Lecture:24, Practice: 16)
Credits: 2.5
Duration: from the 9th week (April 22,2008) to the 14th week (May 31 2
2、008)
Lectures: Time: Tuesday (5,6 14:30-16:30)
Thursday (5,6 14:30-16:30)
Location: East 201
West 2 204
Practice: Time: Wednesday (14:30-18:30 0315-0389)
Saturday (18:00-21:30 0390-0448 and 2002 related)
Location:機汽學(xué)院計算機房(機械二樓406室)
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
機械CAD
1、本課程包含哪些內(nèi)容（What）？
◆ CA
3、D基本理論和基礎(chǔ)知識
◆ CAD軟件應(yīng)用 — Solidworks
2、為什么要學(xué)習(xí)本課程（Why）？
◆ CAD是機械與汽車工程學(xué)院面向各專業(yè)的一門重
要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，為后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)、課程設(shè)計和
畢業(yè)設(shè)計打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
◆ Solidworks是目前非常流行的CAD三維實體造型軟件，
易學(xué)上手快，為其他高端CAD軟件的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。
3、如何學(xué)好本課程（How）？
◆重視基本理論和基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，充分理解CAD在
產(chǎn)品開發(fā)周期中的核心作用；
◆重視實踐環(huán)節(jié)，熟練掌握CAD軟件三維建模的方法。
◆做好課后資料的查閱，把握先進制造技術(shù)的發(fā)展前沿。
合肥工業(yè)
4、大學(xué)精品課程
機械CAD
機械CAD
CAD學(xué)科
CAM學(xué)科
自動化
幾何建模
CAD
設(shè)計
計算機
圖形學(xué)
設(shè)計
CAD
CAM
制造
CAD
自動化
幾何建模
CAD/CAM
計算機
圖形學(xué)
制造
CAD與CAM學(xué)科
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
機械CAD
參考書(Bibliography) :
1《Computer Integrated Manufacturing》 James A. Rehg,
Herry W. Kraebber
2《CADCAM》Chri
5、s McMahon, Jimmie Bronne
3《機械CAD與Solidworks三維計算機輔助設(shè)計》黃康等,中國科
技大學(xué)出版社
4《 Solidworks 2001 Plus基礎(chǔ)及應(yīng)用教程》何煜琛等,電子工業(yè)
出版社
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
機械CAD
CAD/CAE/CAM網(wǎng)絡(luò)資源
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
機械
CAD
Mechanical
Computer Aided
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
Design
第1部分 CAD技術(shù)概述
1.1制造企業(yè)、設(shè)計模型和產(chǎn)品
6、開發(fā)過程
1.2 CAD、CAD/CAE/CAM以及產(chǎn)品的PDM
1.3 CAD系統(tǒng)
1.4 CAD技術(shù)在機械工業(yè)中的應(yīng)用
1.5 CAD技術(shù)發(fā)展趨勢
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
1.1制造企業(yè)、設(shè)計模型和產(chǎn)品開發(fā)過程
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
（6）
制造基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)
（5）
料
產(chǎn)
資源
品生命（4）營定義
周期轉(zhuǎn)（3）
系
信
統(tǒng)
計
共享的知識
（2）
（1）
用戶
組織
系統(tǒng)
裝配
社
7、區(qū)
和測
試
制造
零部件制造
職責(zé)
規(guī)劃
作業(yè)
規(guī)章
管理
SME新型制造企業(yè)輪
概念化
概念化
綜合過濾
綜合
分析
設(shè)計的豐富
面向裝配的設(shè)計
面向制造的設(shè)計
評價
分析
文檔編制
評價
設(shè)計模型
文檔編制
新設(shè)計模型
8、
構(gòu)思、市場調(diào)查
1.市場調(diào)研
2.管理審核
3.設(shè)計工程
4.生產(chǎn)工程
否
設(shè)計成本和
生產(chǎn)目標(biāo)
工程設(shè)計
制造審核
滿足成本目標(biāo)？
是
產(chǎn)品設(shè)計過程:
概念化
綜合
分析
評價
文檔編制
確定主要組件
5.制造
生產(chǎn)工程設(shè)計
6.客戶使用
產(chǎn)品開發(fā)周期
制造
客戶文檔
傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程
市場調(diào)查
產(chǎn)品構(gòu)
9、思
并行工程組
生產(chǎn)工程
設(shè)備供應(yīng)商
確定成本和生產(chǎn)目標(biāo)
設(shè)計工程
生產(chǎn)控制
CNC程序員
夾具設(shè)計人員
質(zhì)量控制
零件供應(yīng)商
工具設(shè)計人員
全企業(yè)范圍內(nèi)的并行設(shè)計過程
產(chǎn)品設(shè)計過程：
概念化
綜合
分析
評價
文檔編制
采購
市場
滿足目標(biāo)成本？
否
需要重新設(shè)計
是
滿足目標(biāo)
制造系統(tǒng)開發(fā)和安裝
制造系統(tǒng)作業(yè)
改進的產(chǎn)品開發(fā)過程
設(shè)計過程
綜合
設(shè)計要求
設(shè)計說明，
規(guī)范及要求
分析
收集相關(guān)設(shè)計信息以
及可行性研究
計算機輔助設(shè)計過程
設(shè)計
10、信息
與存檔
設(shè)計
評估
最優(yōu)化
設(shè)計
設(shè)計分析
設(shè)計建模
與仿真
概念化設(shè)計
制造過程
計算機輔助制造過程
生產(chǎn)規(guī)劃
設(shè)計和獲取
新的工具
工藝
規(guī)劃
材料訂單
生產(chǎn)
質(zhì)量控制
包裝
運輸
數(shù)控編程
市場銷售
典型生產(chǎn)周期
第1部分 CAD技術(shù)概述
1.2 CAD、CAD/CAE/CAM以及產(chǎn)品的PDM
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
從原始人類制造第一件石器的
那個時刻起，就產(chǎn)生了設(shè)計這
一活動。
社會化大工業(yè)生產(chǎn)的形成過程
中，
11、設(shè)計逐漸分離成為相對獨
立的生產(chǎn)部門，繼而成為專門
的科學(xué)學(xué)科。
由于自然和科學(xué)發(fā)展的客觀規(guī)
律，由于人類追求完美的本能
，設(shè)計過程從來就是一個“設(shè)
計→評價→再設(shè)計→再評價”
的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過程
。
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
科學(xué)的發(fā)展、特別是計算機
技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使機械
設(shè)計技術(shù)本身迅速發(fā)展起來
：
從經(jīng)驗設(shè)計到科學(xué)設(shè)計；
從可用（adequate）設(shè)計
到優(yōu)化（optimal）設(shè)計
；
從靜態(tài)設(shè)計到動態(tài)設(shè)計；
從手工設(shè)計到計算機輔助
設(shè)計。
第1部分 CAD技術(shù)概述
提高產(chǎn)品質(zhì)量
縮短生產(chǎn)
準(zhǔn)備時間
12、
降低制造成本
提升企業(yè)市場競爭力
環(huán)境友好
提高售后服務(wù)
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機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
100
75
50
25
Overhead
Labor
Material
Design
0
Final manufacturing
cost
Influence on final
manufacturing
cost
Design influence on manufacturing cost
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機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
知識、
經(jīng)驗、
創(chuàng)造
13、力
存儲能力
計算能力
圖形處理能力
可編程序
人的最佳
特性
計算機和
計算機軟件的
最佳特性
最終的CAD系統(tǒng)
最終的CAD系統(tǒng)
硬件 +軟件
CAD的特點
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機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD is a software system
that uses computer graphics
to assist in the creation,
modification, and analysis of
a design.
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CAD定義
A Definit
14、ion of CAD：
CAD is the application of
computers and graphics
software to aid and
enhance the product design
from conceptualization to
documentation.
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
國際信息處理聯(lián)合會(IFIP)給出的完整定義為：
“CAD是一種技術(shù)，其中人與計算機結(jié)合為一個問題求解組，緊密配
合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應(yīng)用多學(xué)科方法的綜
合性協(xié)作提供了可能。CAD是工程技術(shù)人員以計算機為工
15、具，對產(chǎn)品和工
程進行設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱?！?
CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (計算機輔助繪圖)的縮
寫，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步的認(rèn)識到單純使用計算機繪
圖還不能稱之為計算機輔助設(shè)計；真正的設(shè)計是整個產(chǎn)品的設(shè)計，它包括產(chǎn)
品的構(gòu)思、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。二維工程圖設(shè)計只是產(chǎn)品設(shè)
計中的一小部分；于是CAD的縮寫也由Computer Aided Drafting改
為 Computer Aided Design，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個產(chǎn)
品的輔助設(shè)計。利用計算機強大而快速的數(shù)據(jù)處
16、理能力和準(zhǔn)確而靈活的圖文
處理能力，幫助設(shè)計人員完成繁雜的設(shè)計任務(wù)，提高設(shè)計工作效率和質(zhì)量。
CAD（計算機輔助設(shè)計）定義
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機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD已成為一門綜合性應(yīng)用新技術(shù)，它涉及到以下基礎(chǔ)技術(shù)。
（1）圖形處理技術(shù)。如二維交互圖形技術(shù)、三維幾何造型及其它圖形輸
入輸出技術(shù)。
（2）工程分析技術(shù)。如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計方法、物理特性計算（如
面積、體積、慣性矩等）、模擬仿真以及各行各業(yè)中的工程分析等。
（3）數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù)。如數(shù)據(jù)庫管理、不同CAD系統(tǒng)間的數(shù)
據(jù)交換和接口等。
（4）文檔處理技術(shù)。如文檔
17、制作、編輯及文字處理等。
（5）軟件設(shè)計技術(shù)。如窗口界面、軟件工程規(guī)范及其工具系統(tǒng)的使用等。
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD——計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)，內(nèi)容涵蓋產(chǎn)
品設(shè)計的各個方面
狹義CAD系統(tǒng)
廣義CAD系統(tǒng)
CAD/CAM系統(tǒng)
CAD/CAM/CAE系統(tǒng)
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
手工設(shè)計
計算機輔助設(shè)計
基
本
操
作
計算
有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、計算機仿真
繪圖
三維建模、二維圖紙
查手冊、資料
數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
手工制圖
二維CAD
三維CAD
18、
設(shè)計意圖的表達
采用草圖進行表示
采用二維圖表示
采用3D模型表示，直觀形象
設(shè)計意圖的記錄
頭腦或者文字描述
頭腦或者文字描述
方程式、尺寸與幾何關(guān)系等、并
可根據(jù)需要隨時調(diào)整
產(chǎn)品模型的修改
困難，容易引起沖突
針對單一零件較為方便，
但關(guān)聯(lián)性差，容易引起沖
突
零件之間通過參數(shù)化技術(shù)保持?jǐn)?shù)
據(jù)一致性，更改方便
平面圖繪制
速度慢
支持捕捉、提供豐富的作
圖功能、等夠生成較為復(fù)
雜的圖紙、速度快
支持捕捉、提供參數(shù)化技術(shù)、速
度較快
平面圖修改
困難
圖素位置、形狀改動方
便，但是無法同時更新尺
寸
幾何圖素形狀與尺寸雙向驅(qū)動、
19、修改十分方便
曲面曲線
一般采用近似作圖方法
提供為數(shù)不多的方法
造型方法多樣，較好地適應(yīng)工程
需要
產(chǎn)品展示
手工繪制軸測圖、渲染
圖、效率十分低下
線條清晰的設(shè)計圖紙，但
缺乏立體感和光照效果
三維模型、動畫演示產(chǎn)品動作過
程，生動直觀
其他因素
借助模板繪圖
提供公差標(biāo)注等工程支持
廣泛地支持工程應(yīng)用、支持?jǐn)?shù)控
加工、仿真分析等
提供標(biāo)準(zhǔn)件與標(biāo)準(zhǔn)特征、支持設(shè)
計序列化和設(shè)計重用、提供對
PDM、并行工程等產(chǎn)品開發(fā)模式
的支持
車間小型
計算機
制造
機器人
直接數(shù)
適應(yīng)性
控制
可編程邏輯
控制器
主計算機\
20、
大型計算機
數(shù)控NC
計算機
數(shù)控CNC
字控制
計算機
輔助制造
微處理器
柔性制造
系統(tǒng)
車間、工廠
CAM
CAD/CAM
柔性制
造單元
精簡指令集計算機
基于PC的CAD和CAM
手工制圖
二維計算機
輔助設(shè)計CAD
IBM個人
計算機
全面集成的
系統(tǒng)軟件
成組技術(shù)
零件
編碼
設(shè)計與制圖
計算機輔助
工藝規(guī)劃
物料需求規(guī)劃
計算機輔助
工程CAE
三維線
實體模型
制造資源規(guī)劃
計算機集成制造
計劃與圖標(biāo)
1950
1960
21、
1970
1980
1990-2010
自動化時間線
框圖
概念化
產(chǎn)品設(shè)計組
評價
評價組
CAD系統(tǒng)綜合
分析組
分析CAE
·快速原型
·運動模型
·成本模型
生產(chǎn)工程CAPP
·計算機輔助工藝規(guī)劃
·制造物料清單
生產(chǎn)工程組
PDM系統(tǒng)
·設(shè)計物料清單
·加工圖
·2D模型
·3D模型
·實體模型
·其他文件
文檔建立
·產(chǎn)品圖
·產(chǎn)品文檔
·用戶信息
·質(zhì)量屬性分析
·有限元分析
·裝配干涉
制造工程CAM
·工具設(shè)計
·機器編程
22、
制造工程組
·網(wǎng)絡(luò)信息
文檔開發(fā)組
企業(yè)中設(shè)計與制造要素的CAD集成
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD
integrates the design process and processes used in
production and manufacturing engineering.
Six Teams:
product design, analysis, evaluation, documentation
development, production engineering, manufacturing
engineering
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
23、
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD/CAE
CAM
人
參考·檢索
幾何建模
分析·模擬
圖面、規(guī)格、
零件樣品、各
種模型
數(shù)據(jù)庫
工藝設(shè)計
NC編程
機器人編程
自動化工廠
自動繪圖
CAD/CAE/CAM集成
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
初
幾
分
詳
幾
分
生
工
N
機
生
產(chǎn)
步
何
析
細(xì)
何
析
制
產(chǎn)
藝
C
24、
器
產(chǎn)
加
裝
檢
設(shè)
建
模
設(shè)
建
模
圖
準(zhǔn)
設(shè)
編
人
制
工
配
查
品
計
模
擬
計
模
擬
備
計
程
編
造
程
CAD CAE
CAD CAE CAD
CAD/CAE/CAM
廣義CAD
CAM
廣義CAM
CAD/CAE/CAM的范圍
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
1.3 CAD系統(tǒng)
用戶
應(yīng)
用
圖
形
軟
件
支
撐
CAD
25、軟
件
操作系統(tǒng)
計算機硬件
及外圍設(shè)備
言
程
序
設(shè)
計
語
其
他
應(yīng)
用
軟
件
CAD系統(tǒng)的組成
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
字母數(shù)字鍵盤
計算機
顯示器
（顯示屏）
功能鍵盤
中央處理器
圖形輸入板
繪圖儀
設(shè)計
或制
圖人
員
手持
游標(biāo)器
繪圖儀
菜單
磁盤驅(qū)動器
打印機
光標(biāo)控制
·操縱桿
存儲媒體
·光筆
·鼠標(biāo)
·跟蹤球
CAD硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機
26、械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
搬運機械
操縱桿
光筆
NC機床
機器人
自動測試裝置
繪圖儀
圖形終端
計算機
數(shù)字化儀
鼠標(biāo)
（主機）
打印機
鍵盤
字符終端
CAD/CAM系統(tǒng)硬件組成
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
硬盤機、磁帶機
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
公司名稱
高端CAD
中端CAD
低端CAD (二維)
Dassaul
27、t System
CATIA
SolidWorks
EDS
UG、IDEAS
SolidEdge
PTC
Pro/Engineer
Pro/Desktop
Autodesk
Inventor、MDT
AutoCAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
Pro/ENGINEER
40%
其他
17%
Solid Edge
4%
Euclid
6%
CATIA
11%
Unigraphics
8%
Solid Works
9%
各品牌的尺寸驅(qū)動實體模型系統(tǒng)的銷售情況
（共430 000個系統(tǒng)）
合肥工業(yè)大學(xué)精
28、品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
其他
16%
Solid Edge
3%
Pro/ENGINEER
22%
Euclid/Strim
5%
Solid Works
5%
CADDS
7%
Autodesk
Mechanical
Desktop
Unigraphics
8%
各品牌的3D機械設(shè)計軟件的銷售情況
（共750 000個系統(tǒng)）
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
CATIA
15%
機械CAD
19%
第1部分 CAD技術(shù)概述
1.4 CAD技術(shù)在機械工業(yè)中的應(yīng)用
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機
29、械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
其它
14.60%
機械
36.40%
航空
19.10%
電力 2.80%
電子
27.10%
美國CAD/CAM的市場情況
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機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD技術(shù)在機械工業(yè)中的主要應(yīng)用有以下幾方面：
（1）二維繪圖
（2）圖形及符號庫
（3）參數(shù)化設(shè)計
（4）三維造型
（5）工程分析：常見的有有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、
運動學(xué)及動力學(xué)分析等。
（6）設(shè)計文檔或生成報表。
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
采用CAD
30、技術(shù)會帶來以下好處：
（1）減少手工繪圖時間，提高繪圖效率。
（2）提高分析計算速度，解決復(fù)雜計算問題。
（3）便于修改設(shè)計。
（4）促進設(shè)計工作的規(guī)范化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。
總之，采用CAD技術(shù)確實能夠提高設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期、
降低設(shè)計成本，從而加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，使企業(yè)保持良好
的競爭能力。
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
Reduce the lead time for new product introduction
Products can be tested more quickly
Costly mist
31、akes in design or production can be avoided
Documentation can be printed in time and the time to
manufacture can be reduced
various forms for multiple users
The quality of designs and the products manufactured from
them is improved
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
非圓齒輪的數(shù)控加工
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
32、
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
螺旋轉(zhuǎn)子的CAD/CAM和數(shù)控加工
第1部分 CAD技術(shù)概述
逆向工程應(yīng)用與曲面造型
3維激光掃描儀
生成的曲面
掃描獲取的
點云數(shù)據(jù)
實物
生成的曲面實體
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
測量
葉輪成品
毛坯與夾具
五軸聯(lián)動數(shù)
控加工中心
加工實況
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
螺旋葉輪的CAD模型
葉輪刀具軌跡
33、規(guī)劃
葉輪加工所用的夾具設(shè)計
螺旋葉輪的CAD/CAM與加工仿真
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
數(shù)控彎管機整機運動仿真
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
CAD技術(shù)應(yīng)用
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
1.5
CAD技術(shù)發(fā)展趨勢
1．CAD系統(tǒng)應(yīng)用面向產(chǎn)品的整個生命周期
2．CAD系統(tǒng)應(yīng)充分考慮產(chǎn)品信息的繼承性
3．CAD系統(tǒng)應(yīng)滿足并行設(shè)計的要求
4．CAD系統(tǒng)與產(chǎn)品信息標(biāo)準(zhǔn)化相結(jié)合
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
1.5
CAD技術(shù)發(fā)展趨勢
5．產(chǎn)品模型的可轉(zhuǎn)換性特別是二維和三維產(chǎn)品模型間的
互相轉(zhuǎn)換可滿足不同的需要
6．面向全球的產(chǎn)品信息編碼系統(tǒng)
7．軟件系統(tǒng)要具有很好的可移植性和自組織性
8．智能化
9．虛擬現(xiàn)實技術(shù)
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
第1部分 CAD技術(shù)概述
合肥工業(yè)大學(xué)精品課程
機械CAD
機械CAD及CAD技術(shù)概述
