cad第1章

1、計算機(jī)輔助設(shè)計,,武漢工程大學(xué)材料成型及 其自動化研究室 秦建華主講,第1章 CAD技術(shù)概述,,1.1 CAD技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展概況1.2 CAD系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)基礎(chǔ),1.1 CAD技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展概況1.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)的概念 CAD（Computer Aided Design）是工程技術(shù)人員與計算機(jī)相結(jié)合、各盡所長、應(yīng)用多學(xué)科的方法綜合有效地進(jìn)行問題求解的先進(jìn)信

2、息處理技術(shù)。它把人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計算機(jī)的高速運(yùn)算、信息存儲等功能有機(jī)結(jié)合起來，從而達(dá)到縮短工程產(chǎn)品設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量的目的。 簡單地講，CAD是工程技術(shù)人員利用計算機(jī)達(dá)到最佳的設(shè)計目的。,,CAD概念的實(shí)質(zhì)在于： （1）人機(jī)各盡所長； （2）人機(jī)交互結(jié)合； （3）最佳設(shè)計效率。 CAD技術(shù)的主要作用如下: （1）提高設(shè)計質(zhì)量和

3、設(shè)計效率。 （2）能夠充分發(fā)揮設(shè)計人員創(chuàng)造性。 （3）縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。,1.1.2 CAD技術(shù)的重要應(yīng)用 CAD是計算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計學(xué)科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計算機(jī)在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一。 CAD技術(shù)曾被美國國家工程科學(xué)院評為當(dāng)代十項最杰出的工程技術(shù)成就之一。 無論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無論是建筑行業(yè)還是制造加工行業(yè)，無論是機(jī)械、電子、輕紡行業(yè)還是文體、影視廣告行業(yè)

4、等都離不開CAD技術(shù)。CAD技術(shù)是企業(yè)界爭奪市場份額和生存發(fā)展不可缺少的手段。,在制造業(yè)中的應(yīng)用：如波音777飛機(jī)是世界上第一架實(shí)現(xiàn)無紙設(shè)計與制造的飛機(jī)。 在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：如建筑設(shè)計CAD、電子沙盤；機(jī)械設(shè)計CAD等。 仿真模擬和動畫制作：在電影制作中的成功應(yīng)用，如“未來世界”、“玩具總動員”、“侏羅記公園”等 在輕工行業(yè)的應(yīng)用：如模具CAD和服裝CAD等。 在醫(yī)學(xué)中的

5、應(yīng)用： 計算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)模擬。 在電子電路中的應(yīng)用：超大規(guī)模集成電路的設(shè)計制造。,我國科學(xué)技術(shù)部在CAD應(yīng)用工程2000年規(guī)劃綱要中指出：“到2000年，在國民經(jīng)濟(jì)主要部門的科研、設(shè)計單位和企業(yè)中全面普及推廣CAD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)‘甩掉圖板’（指傳統(tǒng)設(shè)計中的描圖板），提高智能勞動效率，推廣我國CAD市場，扶持發(fā)展以CAD為突破口的我國自主創(chuàng)新的軟件產(chǎn)業(yè)，建立起我國的CAD產(chǎn)業(yè)”。 到2000年，我國機(jī)

6、械制造業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)70%以上；工程設(shè)計行業(yè)CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)100%。,CAD技術(shù)在我國工程和產(chǎn)品設(shè)計的一些應(yīng)用實(shí)例：（1） 沈陽變壓器廠用CAD技術(shù)輸出三峽工程項目三維彩色產(chǎn)品設(shè)計圖和計算機(jī)分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標(biāo)項目。（2）瀘東造船廠應(yīng)用CAD技術(shù)后，生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備周期縮短1/3以上，造船的設(shè)計開發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設(shè)計院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對該廠原設(shè)計

7、方案自動校驗(yàn)，共查出6處隱藏在圖紙中的錯誤，當(dāng)即進(jìn)行了修改。（4）寰球化工工程公司應(yīng)用CAD技術(shù)，在盤綿乙烯裝置工程中，進(jìn)行碰撞檢測后，使95%以上的錯誤得以糾正，在總長20多萬米的管道設(shè)計中，施工結(jié)束后剩余鋼管不到10米。,1.1.3 CAD技術(shù)應(yīng)用實(shí)例圖示,一些圖形網(wǎng)站如http://rhino3d.com/gallery/id/具有豐富的圖片，可顯示CAD技術(shù) 在各個領(lǐng)域的應(yīng)用效果。,1.1.4 CAD技術(shù)發(fā)展歷程

8、 CAD技術(shù)隨著計算機(jī)及其外圍設(shè)備、圖形輸入輸出設(shè)備、軟件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。（1）準(zhǔn)備和誕生時期（20世紀(jì)50~60年代） 電子管計算機(jī) 1950 MIT 能夠顯示簡單圖形的圖形顯示器   1958 Calcomp 滾筒式繪圖機(jī) 20世紀(jì)50年代末 SAGE戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng),（2） 蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用的時期（ 20世紀(jì)60年代）

9、 1962，Ivan Sutherland 研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。 計算機(jī)及圖形設(shè)備價格昂貴，技術(shù)復(fù)雜。 計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，如Coons曲面 。（3）廣泛應(yīng)用時期（ 20世紀(jì)70年代） 集成電路用于計算機(jī)，使計算機(jī)平臺的性能大為提高。 出現(xiàn)了以小型計算機(jī)為平臺的CAD系統(tǒng)。 圖形設(shè)備相繼推出并完善。 圖形軟件和CAD應(yīng)用支撐軟件不斷得到充實(shí)與提高。

10、,（4）飛速發(fā)展時期（ 20世紀(jì)80年代） 出現(xiàn)了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機(jī)進(jìn)入市場。 推出了以UNIX系統(tǒng)支撐的SUN工作站。 圖形軟件更加成熟 。（5）日趨成熟的時期（ 20世紀(jì)90年代） 出現(xiàn)基于PC平臺的價廉物美的CAD系統(tǒng)。 CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。

11、 智能化CAD系統(tǒng)。 集成化 。 科學(xué)計算可視化、虛擬設(shè)計、虛擬制造。,1.1.5   CAD軟件技術(shù)的發(fā)展 以機(jī)械行業(yè)為例，說明CAD軟件技術(shù)的發(fā)展歷程。 20世紀(jì)60年代，CAD的主要技術(shù)特點(diǎn)是交互式二維繪圖和三維線框模型。 20世紀(jì)70年代，CAD的主要技術(shù)特征是自由曲線曲面生成算法和表面造型理論，代表軟件CATIA。 20世紀(jì)80年代，C

12、AD的主要技術(shù)特征是實(shí)體造型理論和幾何建模方法， 代表軟件I-DEAS。 20世紀(jì)90年代，CAD技術(shù)基礎(chǔ)理論主要是以PTC的Pro/Engineer為代表的參數(shù)化造型理論和以SDRC的I-DEAS為代表的變量化造型理論，形成了基于特征的實(shí)體建模技術(shù)。,1.1.6 發(fā)展趨勢 微機(jī)化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、并行化、標(biāo)準(zhǔn)化 。,1.2 CAD系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)基礎(chǔ),什么是CAD系統(tǒng)？CAD系統(tǒng)是以計算機(jī)硬件為基礎(chǔ)

13、，系統(tǒng)軟件和支撐軟件為主體，應(yīng)用軟件為核心組成的面向工程設(shè)計問題的信息處理系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)與一般計算機(jī)系統(tǒng)的差別：一般計算機(jī)系統(tǒng)：計算機(jī)+外圍設(shè)備。CAD系統(tǒng)：人與計算機(jī)及外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行的系統(tǒng)。其基本功能是交互性（對話功能）。,1.2.1 CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能 1. CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可用分層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。,,,,,硬件平臺：網(wǎng)絡(luò)，計算機(jī)，繪圖機(jī)，打印機(jī)...,,操作系統(tǒng)：Windows xp, Window

14、s2000//NT,UNIX,,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：TCP/IP,SPX/IPX,,,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：Oracle,Sybase,Forpro …,,,CAD工具軟件：AutoCAD,Solidworks,Pro/E...,,,CAD工程應(yīng)用軟件...,,,,,,,,,,,硬件系統(tǒng),系統(tǒng)軟件,支撐軟件,應(yīng)用軟件,,CAD系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),2.系統(tǒng)功能分析 （1）硬件應(yīng)具備的基本功能： 計算功能、存儲功能、輸入輸出功能、交互

15、功能 。 （2）軟件應(yīng)具備的基本功能： 就機(jī)械產(chǎn)品CAD系統(tǒng)來講，應(yīng)是： 產(chǎn)品幾何造型的功能（線框、曲面與實(shí)體造型）、 2D和3D圖形處理功能、 有限元分析功能、 優(yōu)化設(shè)計過程、 數(shù)據(jù)庫管理功能等。,CAD 軟件,CAD 專用軟件,,,,,CAD 支撐軟件,優(yōu)化方法庫,圖形支撐軟件,數(shù)據(jù)庫軟件,有限元分析軟件

16、,,,,,,,3.CAD系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu),（1）系統(tǒng)軟件 主要用于計算機(jī)的管理、維護(hù)、控制以及計算機(jī)程序的翻譯、裝入與運(yùn)行。 操作系統(tǒng)：Windows 系列、 UNIX、Windows NT等。 語言編譯系統(tǒng)：Visual C/C++、 Visual Basic、AutoLisp等。（2）支撐軟件 是為滿足CAD/CAM用戶共同需要而開發(fā)的通用軟件。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/

17、Sybase等。 計算機(jī)分析軟件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS等。 圖形支撐軟件：可分為圖形處理語言及交互式繪圖軟件。,（3）應(yīng)用軟件 用戶利用計算機(jī)所提供的各種系統(tǒng)軟件、支撐軟件，編制解決用戶各種實(shí)際問題的程序稱為應(yīng)用軟件。開發(fā)應(yīng)用軟件是CAD工作者的一項重要工作。 （4）常用CAD軟件 國內(nèi)應(yīng)用較廣的微機(jī)CAD軟件有： Autodesk公司的 AutoCAD及MDT, Sol

18、idworks公司的 Solidworks， 美國CV公司的 CADDS軟件的微機(jī)版本PD（Personal Designer）; MicroStation軟件，Micro-CADAM軟件，CADKEY軟件，SolidEdge軟件等。,工程工作站CAD/CAM系統(tǒng)軟件有： 美國SDRC公司開發(fā)的I-DEAS（Integrated Engineering Analysis Software），

19、 IBM公司開發(fā)的CATIA（Computer-Graphics Aided Three-Dimensional Interactive Applications），法國Matra公司 EUCLID軟件，美國EDS公司 UG (UNIGRAPHICS II)軟件，美國PTC公司 Pro/Engineer系統(tǒng) 。,1.2.2 CAD系統(tǒng)的類型 按照CAD系統(tǒng)中采用的計算機(jī)類型、外圍設(shè)備以及它們之間的聯(lián)系

20、方式，CAD系統(tǒng)可分為主機(jī)型CAD系統(tǒng)、工程工作站CAD系統(tǒng)、微機(jī)CAD系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的CAD系統(tǒng)。 CAD系統(tǒng)經(jīng)歷過三個階段的發(fā)展，即許多用戶共享一臺計算機(jī)；一個用戶用一臺計算機(jī)；一個用戶共享多臺計算機(jī)。,（1） 工程工作站系統(tǒng) 工程工作站是具有高速的科學(xué)計算、豐富的圖形處理、靈活的窗口及網(wǎng)絡(luò)管理功能的交互式計算機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是：一個用戶用一臺計算機(jī)，并且具有聯(lián)網(wǎng)功能。這也是它與具有分時系統(tǒng)的超級

21、小型機(jī)的不同之處。 SUN 、 SGI、 HP、 DEC和 IBM等大型計算機(jī)公司廣泛采用工程工作站系統(tǒng)，因此工程工作站在國外CAD系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位。,（2）微機(jī)CAD系統(tǒng) 是以一臺微機(jī)為主的單用戶系統(tǒng)。,微機(jī)CAD硬件系統(tǒng),主機(jī),,操作系統(tǒng),顯示設(shè)備：圖形顯示器,,,輸入設(shè)備,外存儲器,,,,輸出設(shè)備,,通訊接口,（3）網(wǎng)絡(luò)分布CAD系統(tǒng) 應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，將分布于各地的各類計算機(jī)以網(wǎng)絡(luò)形式

22、連接起來進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計工作。,CAD網(wǎng)絡(luò)示例,TCP/IP,Server,Client,,文件服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,,,,,,微機(jī),工作站,...,1.2.3 計算機(jī)及其輸入輸出設(shè)備,CAD硬件,計算機(jī)主機(jī),圖形輸入設(shè)備,圖形繪制設(shè)備,圖形顯示設(shè)備,掃描儀,數(shù)字化儀,數(shù)碼相機(jī),光柵掃描顯示器,液晶顯示器,打印機(jī),繪圖機(jī),筆式繪圖機(jī),噴墨繪圖機(jī),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CAD硬件設(shè)備,1. 微機(jī)組成與分類,按

23、微機(jī)的設(shè)備組成，微機(jī)設(shè)備可分為內(nèi)、外兩部分：內(nèi)部設(shè)備通常包括主板、CPU、內(nèi)存儲器、顯示卡、電源、輸入輸出接口等；其中輸入輸出接口又分為串行口和并行口，它們分別可以連接鼠標(biāo)、打印機(jī)等外部設(shè)備；主板上通常有幾個擴(kuò)展槽，用來連接外部設(shè)備等。外部設(shè)備一般包括軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、聲卡、網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等。,2. 計算機(jī)輸入設(shè)備,圖形輸入設(shè)備可將用戶的圖形結(jié)果及各種命令等轉(zhuǎn)換為電信號，并傳送給計算機(jī)。 （

24、1） 物理設(shè)備 鍵盤、鼠標(biāo)器、數(shù)字化儀、圖形輸入板 鍵盤 由一組按陣列方式裝配在一起的按鍵開關(guān)組成。 鼠標(biāo)器 可以方便、準(zhǔn)確地移動光標(biāo)進(jìn)行定位，它是窗口軟件和繪圖軟件的首選輸入設(shè)備。 數(shù)字化儀和圖形輸入板 矢量圖形輸入設(shè)備。 語音輸入與掃描輸入,（2） 邏輯設(shè)備 圖形輸入設(shè)備從邏輯上分為6種功能，即定位（locator）、筆劃（stroke）、數(shù)值（valuator）、選擇（cho

25、ice）、拾取（pick）及字符（string），也可稱為6種邏輯設(shè)備。,,圖形輸入設(shè)備的邏輯分類,,名稱,相應(yīng)的典型設(shè)備,基本功能,定位,鼠標(biāo)器、拇指輪,輸入一個點(diǎn)的坐標(biāo),筆劃,鼠標(biāo)器、拇指輪,輸入一系列點(diǎn)的坐標(biāo),數(shù)值,數(shù)字鍵盤,輸入一個整數(shù)或?qū)崝?shù),選擇,功能鍵、鼠標(biāo)器,由一個整數(shù)得到某種選擇,拾取,光筆、鼠標(biāo)器,拾取一個顯示著的圖素,字符串,字符鍵盤,輸入一串字符,所謂邏輯設(shè)備，是指按邏輯功能定義的設(shè)備，而不是具體的物理設(shè)備。一種邏

26、輯設(shè)備對應(yīng)于一種或一類特定的物理設(shè)備，而實(shí)際的圖形輸入設(shè)備又往往是某些邏輯輸入功能的組合。,3. 計算機(jī)圖形輸出設(shè)備,常用的圖形輸出設(shè)備可以分為兩大類。一類是與圖形輸入設(shè)備相結(jié)合，構(gòu)成具有交互功能的可以快速地生成、刪除和修改圖形的顯示設(shè)備。另一類是在紙上或其他介質(zhì)上輸出可以永久性保存的圖形的繪圖設(shè)備。后者也稱為硬拷貝設(shè)備。 硬拷貝設(shè)備: 1）打印機(jī)（Printer） 按打印機(jī)的打印方式來分

27、，目前常用的打印機(jī)有：點(diǎn)陣打印機(jī)、噴墨打印機(jī)與激光打印機(jī)。 2）繪圖儀（Plotter） 根據(jù)在圖紙上形成圖形的不同原理，繪圖儀分為噴墨、激光、靜電和筆式繪圖儀。噴墨和筆式繪圖儀是目前常用的繪圖設(shè)備。,習(xí)題1,1-1 什么是計算機(jī)輔助設(shè)計？它的主要作用是什么？1-2 CAD技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？1-3 計算機(jī)工作方式經(jīng)歷了哪幾種變化？相應(yīng)構(gòu)成了哪 幾種類型的CAD系統(tǒng)？1-4 CAD系