cad第1章

1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),,武漢工程大學(xué)材料成型及 其自動(dòng)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的概念 CAD（Computer Aided Design）是工程技術(shù)人員與計(jì)算機(jī)相結(jié)合、各盡所長(zhǎng)、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(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算、信息存儲(chǔ)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(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。 簡(jiǎn)單地講，CAD是工程技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目的。,,CAD概念的實(shí)質(zhì)在于： （1）人機(jī)各盡所長(zhǎng)； （2）人機(jī)交互結(jié)合； （3）最佳設(shè)計(jì)效率。 CAD技術(shù)的主要作用如下: （1）提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和

3、設(shè)計(jì)效率。 （2）能夠充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性。 （3）縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。,1.1.2 CAD技術(shù)的重要應(yīng)用 CAD是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)學(xué)科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計(jì)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(guó)國(guó)家工程科學(xué)院評(píng)為當(dāng)代十項(xiàng)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(zhēng)奪市場(chǎng)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?jiān)O(shè)計(jì)與制造的飛機(jī)。 在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：如建筑設(shè)計(jì)CAD、電子沙盤；機(jī)械設(shè)計(jì)CAD等。 仿真模擬和動(dòng)畫制作：在電影制作中的成功應(yīng)用，如“未來世界”、“玩具總動(dòng)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(jì)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(jì)制造。,我國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)主要部門的科研、設(shè)計(jì)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?jìng)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的描圖板），提高智能勞動(dòng)效率，推廣我國(guó)CAD市場(chǎng)，扶持發(fā)展以CAD為突破口的我國(guó)自主創(chuàng)新的軟件產(chǎn)業(yè)，建立起我國(guó)的CAD產(chǎn)業(yè)”。 到2000年，我國(guó)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(jì)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(guó)工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(xiàng)目三維彩色產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖和計(jì)算機(jī)分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標(biāo)項(xiàng)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(jì)開發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設(shè)計(jì)院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對(duì)該廠原設(shè)計(jì)

7、方案自動(dòng)校驗(yàn)，共查出6處隱藏在圖紙中的錯(cuò)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(cè)后，使95%以上的錯(cuò)誤得以糾正，在總長(zhǎng)20多萬米的管道設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(shí)期（20世紀(jì)50~60年代） 電子管計(jì)算機(jī) 1950 MIT 能夠顯示簡(jiǎn)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(shí)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(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜。 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，如Coons曲面 。（3）廣泛應(yīng)用時(shí)期（ 20世紀(jì)70年代） 集成電路用于計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)平臺(tái)的性能大為提高。 出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)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(shí)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(chǎng)。 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(shí)期（ 20世紀(jì)90年代） 出現(xiàn)基于PC平臺(tái)的價(jià)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(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、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(shì) 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(jì)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(jì)問題的信息處理系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的差別：一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)+外圍設(shè)備。CAD系統(tǒng)：人與計(jì)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(duì)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(tái)：網(wǎng)絡(luò)，計(jì)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(jì)算功能、存儲(chǔ)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(jì)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(jì)算機(jī)的管理、維護(hù)、控制以及計(jì)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(jì)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(jì)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(xiàng)重要工作。 （4）常用CAD軟件 國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)Matra公司 EUCLID軟件，美國(guó)EDS公司 UG (UNIGRAPHICS II)軟件，美國(guó)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(jì)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(gè)階段的發(fā)展，即許多用戶共享一臺(tái)計(jì)算機(jī)；一個(gè)用戶用一臺(tái)計(jì)算機(jī)；一個(gè)用戶共享多臺(tái)計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是：一個(gè)用戶用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，并且具有聯(lián)網(wǎng)功能。這也是它與具有分時(shí)系統(tǒng)的超級(jí)

21、小型機(jī)的不同之處。 SUN 、 SGI、 HP、 DEC和 IBM等大型計(jì)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(guó)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(tái)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(chǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，將分布于各地的各類計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)及其輸入輸出設(shè)備,CAD硬件,計(jì)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(chǔ)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(gè)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(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、聲卡、網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器等。,2. 計(jì)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(hào)，并傳送給計(jì)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(dòng)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?。╬ick）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(gè)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(gè)整數(shù)或?qū)崝?shù),選擇,功能鍵、鼠標(biāo)器,由一個(gè)整數(shù)得到某種選擇,拾取,光筆、鼠標(biāo)器,拾取一個(gè)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(duì)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(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)？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(jì)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