重庆科创学院-现代设计方法之第1章计算机辅助设计CAD

2019/12/15第一章计算机辅助设计（CAD）主讲人魏良庆2010年9月现代设计方法重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15主要内容1.1CAD系统的发展与应用1.2CAD硬件系统1.3CAD软件系统1.4系统接口技术1.5CAD系统的图形处理重庆科创职业学院第一章计算机辅助设计（CAD）重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15考试重点CAD的图形输入和输出设备CAD系统的图形处理参数化绘图实体造型重庆科创职业学院第一章计算机辅助设计（CAD）重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15考试难点CAD图形的二维变换CAD图形的三维变换立体图形的消隐参数化绘图重庆科创职业学院第一章计算机辅助设计（CAD）重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/151.1.1CAD的概念CAD是指人们在计算机软、硬件的辅助下对产品或工程进行设计、绘图、分析计算、修改和编制技术文件以及显示、输出的一种设计方法。现代设计方法1.1CAD系统的发展与应用重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15概念理解CAD把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设计周期、提高设计质量的目的。现代设计方法1.1.1CAD的概念重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15CAD概念的实质在于：（1）人机各尽所长；（2）人机交互结合；（3）最佳设计效率。1.1.1CAD的概念重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15现代设计方法1需求分析2问题定义3综合设计4分析、优化5评价6表示7几何造型8工程分析1需求分析2问题定义3综合设计4分析、优化5评价6表示9产生设计结果并评价10自动绘图常规设计CAD设计1.1.1CAD的概念重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15专家系统重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15准备和酝酿阶段（50年代）初步图形输出能力：图形显示器；滚筒式绘图机；平板绘图仪；电子管水平成长和发展阶段（60年代）晶体管取代电子管：阴极射线显示器，直接存储器等；FORTRAN语言的发展与完善；数据处理能力的提高：文件系统的出现。1.1.2CAD的发展概况重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15成熟和推广阶段（70年代）光栅扫描显示器、光笔、数字化仪等图形输入、输出设备不断涌现；完整的CAD系统出现人机交互图形技术日臻善，各种现代设计计算和分析方法，以及现代设计方法得到发展和完善。CAD/CAM系统逐步进入中小企业。广泛应用阶段（80年代至今）CAD系统由小型计算机向微型计算机转化；在发达国家，CAD技术在制造业得到广泛应用。现代设计方法1.1.2CAD的发展概况重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15CAD技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工行业，无论是机械、电子、轻纺行业还是文体、影视广告行业等都离不开CAD技术。1.1.3CAD的应用重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15现代设计方法制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机械设计CAD等。仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等轻工行业的应用：如模具CAD和服装CAD等。医学中的应用：计算机辅助手术规划和手术模拟。电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15什么是CAD系统？以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件为核心组成的面向工程设计问题的信息处理系统。CAD系统与一般计算机系统的差别：一般计算机系统：计算机+外围设备。CAD系统：人与计算机及外围设备协调运行的系统。其基本功能是交互性（对话功能）。1.2CAD硬件系统重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15按照CAD系统中采用的计算机类型、外围设备以及它们之间的联系方式，CAD系统可分为主机型CAD系统、工程工作站CAD系统、微机CAD系统和基于网络环境的CAD系统。1.2.1CAD系统的分类重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（1）工程工作站系统具有高速的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统。特点：一个用户用一台计算机，并且具有联网功能。这也是它与具有分时系统的超级小型机的不同之处。1.2.1CAD系统的分类重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（2）微机CAD系统是以一台微机为主的单用户系统。现代设计方法主机操作系统显示设备：图形显示器输入设备外存储器输出设备通讯接口1.2.1CAD系统的分类重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（3）网络分布CAD系统应用计算机技术和通信技术，将分布于各地的各类计算机以网络形式连接起来进行产品的设计工作.现代设计方法TCP/IPServerClient文件服务器数据库服务器微机工作站...1.2.1CAD系统的分类重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15重庆科创职业学院1.2.2CAD系统的硬件配置CAD硬件计算机主机图形输入设备图形绘制设备图形显示设备扫描仪数字化仪数码相机光栅扫描显示器液晶显示器打印机绘图机笔式绘图机喷墨绘图机光笔键盘数据存储设备重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（1）计算机主机目前CAD所使用的计算机系统主要有工作站和高档微机两种，它们的主要特征是，都具备很强的图形处理能力，速度较高，使用较大的内外存以适应CAD应用软件的需求。重庆科创职业学院现代设计方法1.2.2CAD系统的硬件配置重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15计算机的技术指标主要有3个方面：一是运算速度，以CPU（中央处理单元）的每秒执行指令数目（MIPS，百万次/秒）来衡量，时钟频率（主频）是影响速度的主要方面；二是字长，即CPU每执行一条指令可以内存提取和处理的数据位数，例如386、486为32位，pentium是64位并采用了较新的RISC（精简指令集）技术；三是内存容量，内存越大，可容纳和处理的程序和数据量就愈大。重庆科创职业学院现代设计方法1.2.2CAD系统的硬件配置重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15选用何种计算机系统，应取决于选用何种CAD应用软件及应用开发方面的要求。一般来说，高档微机于中小型CAD系统，如二维绘图、CAD/CAM、产品信息管理等，具有价廉物美、共享资源丰富的特点。而工作站适用于集成化CAD/CAM/CAE系统，包括三维建模、分析，数控加工和数据库等，但无论在硬件还是在软件方面均需要较大的投资额度。重庆科创职业学院现代设计方法1.2.2CAD系统的硬件配置重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（2）图形输入设备CAD作业中，常需要交互输入和修改产品设计方案的图形，对图形作多种变换操作。仅用键盘输入不能满足快速作业的要求，因而出现了各种各样的输入设备，如光笔、鼠标器、扫描仪等。重庆科创职业学院现代设计方法重庆科创职业学院键盘光笔扫描仪鼠标器数字化仪由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成可以方便、准确地移动光标进行定位跟踪控制光标位置和选择菜单直接把图形扫描进入计算机，以像素信息保存检测装置，将屏幕上的显示状态转换为电信号1.2.2CAD系统的硬件配置重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（3）图形显示设备图形适配器是图形显示设备与CPU的接口，并控制图形显示的电子器件。图形显示器的主要器件是阴极射线管(CRT)，目前交互图形系统广泛使用的是光栅扫描式显示器，它的显示原理与电视机相似。分逐行扫描（水平扫描频率高，应用较多）和隔行扫描（质量不太好）。衡量图形显示器清晰度的主要指标是分辨率。重庆科创职业学院现代设计方法重庆科创职业学院1.2.2CAD系统的硬件配置重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（4）图形绘制设备CAD设计结果通常以数据表的形式或工程图的形式输出到打印纸或图纸上，以形成后续生产的指导性文件。用于输出报表和图纸的硬拷贝设备有打印机和绘图机等。滚筒式、平板式、静电式等现代设计方法1.2.2CAD系统的硬件配置重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15（5）数据存储设备主要指外存储器。应用广泛的是磁带、磁盘（软磁盘和硬磁盘）和光盘几类。1.2.2CAD系统的硬件配置重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15软件是实现CAD各项功能技术的核心。CAD系统的软件分为三类：系统软件，支撑软件和应用软件。系统软件与硬件和操作系统环境相关，支撑软件主要指各种工具软件，应用软件指以支撑软件为基础的各种面向工程应用的软件，其中大量的由各行业的工程设计人员开发。1.3CAD系统软件重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15主要用于计算机管理，维护，控制及运行，以及计算机程序的翻译和执行，它分为以下几类:1.操作系统操作系统的主要功能是管理文件及各种输入输出设备。Windows95/98、UNIX、WindowsNT2.计算机语言（编译系统）是将高级语言编制的程序转换成可执行指令的程序。VisualC/C++、VisualBasic3.网络通信及管理软件。1.3.1系统软件4.数据库及数据库管理软件。工程数据的管理重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15支撑软件是在系统软件的基础上开发的满足CAD用户一些共同需要的通用软件或工具软件，它是CAD软件系统的核心。近10多年，由于计算机应用领域的扩大，CAD支撑软件产品及市场飞速发展，根据应用需求分为以下几类。1.3.2支撑软件重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15(1)计算机分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值计算和分析。1)常用数学方法库（函数库）及其可视化软件。2)工程分析及计算软件。目前，有限元理论和方法已趋成熟，而且求解总是的范围及规模日益扩大，除弹性力学和流体力学外，也应用于流动分析、电磁场分析等方面。商品化的有限元分析软件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS等，一些软件还具有较强的前后置处理功能。现代设计方法1.3.2支撑软件重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/153)优化设计软件。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，通过迭代寻求设计的最优方案。已有不少成熟的优化程序库，如LBM公司的ODL，我国自主版权的“优化方法程序库OPB-2”等。现代设计方法1.3.2支撑软件重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15(2)集成化CAD/CAM软件-解决几何图形设计问题早期主要致力于实现交互式绘图，如CADAM、AUTOCAD的早期版本均主要以二维交互式绘图为主。80年代中期开始，实体造型技术日趋完善，不少CAD系统转向采用实体造型技术定义产品零件的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。现代设计方法1.3.2支撑软件重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15现代设计方法今天，参数化技术、装配设计、并行设计方法为各个模块共享几何模型和最终的集成创造了条件。目前较流行的CAD集成系统有：I-DEAS、Pro/Engineer、UG、CADDS-5、CATIA、Siemens-Design等。国内由清华大学和华中理工大学共同开发的CAD-MLS也初步实现了CAD、CAM、FCA、2D、数据库管理的集成，但商品化程度仍较低。1.3.2支撑软件重庆科创职业学院重庆科创职业学院2019/12/15(3)数据库管理系统(DBMS)管理庞大的数据信息，提供数据的增删、查询、共享、安全维护等操作，是用户与数据之间的接口