94计算机辅助设计

计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)本节主要介绍如下方面内容：●CAD的基本概念、发展概况、发展趋势●计算机辅助设计应用举例●CAD系统的组成●工程数据的处理方法及CAD程序编制●专用机械CAD系统的开发及应用1.1CAD技术的基本概念计算机辅助设计，即英文ComputerAidedDesign，简称CAD。它是一种利用计算机硬、软件系统辅助设计者对产品进行规划、分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。这一技术的特点：它将设计人员的思维、综合分析和创造能力与计算机的高速运算、巨大数据存储和快速图形生成等能力很好地结合起来，来完成设计工作。计算机辅助设计：ComputerAidedDesign。简称为CAD。计算机辅助设计与制图：ComputerAidedDesignAndDrafting。简称为CADD计算机辅助制造：ComputerAidedMade。简称为CAM。计算机辅助设计与制造：ComputerAidedDesignAndMade。简称为CAD/CAM。几个名词：计算机辅助设计（CAD）涉及以下一些基础技术：1)图形处理技术如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技术。2)工程分析技术如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。3)数据管理与数据交换技术如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等。4)文档处理技术如文档制作、编辑及文字处理等。5)软件设计技术如窗口界面设计、软件工具及软件工程规范等。应用CAD技术来进行产品设计，能使设计、生产、维修工作快速而高效率地进行，所带来的经济效益是十分明显的。例如：过去生产一个大规模集成电路芯片，要花两年时间，用CAD只要两周即可完成。英国的三叉戟飞机比美国的波音747飞机早开工，却晚一年完成，其原因就是美国的747采用了CAD技术。美国GM公司汽车设计中应用CAD技术，使新型汽车的设计周期由5年缩短为3年，新产品的可信度由20﹪提高到60﹪。随着计算机技术的迅猛发展，CAD技术已广泛应用于机械、电子、建筑、土木工程、航天、纺织等众多领域。1.2CAD技术的发展简史CAD技术诞生于20世纪50年代，至今已有50多年的发展历史，这一技术主要经历了如下几个发展时期：孕育形成时期（20世纪50年代）进入实际运用时期（20世纪60年代）成熟达到完全实用时期（20世纪70年代）广泛运用时期（20世纪80年代）CAD技术所经历的这几个重要发展阶段如下所示：阶段时间特点孕育形成阶段20世纪50年代提出CAD设想，为CAD应用进行硬、软件准备。研制成长阶段20世纪60年代研制成功实验性CAD系统，其中：有代表性的是美国GM公司和IBM公司开发的汽车前窗玻璃线型设计DAC-1系统，美国贝尔电话实验室用于印刷电路设计的CAD系统。技术商品化阶段20世纪70年代CAD开始实用化，从二维的电路设计发展到三维的飞机、汽车、造船等设计，出现了许多开发CAD系统的公司，如CV、Calma、Intergraph、Applicon、IBM等。高速发展阶段20世纪80年代由于解决了三维几何造型、仿真等问题，应用范围不断扩大，大中型系统向微型化发展；出现了应用极广的微机CAD系统和性能优良的工作站CAD系统。全面普及阶段20世纪90年代随着CAD技术的发展，性能提高，价格降低，CAD开始在设计领域全面普及，成为必不可少的设计工具。CAD技术发展的基本阶段及特点1.3CAD的功能及CAD设计的特点CAD技术的主要应用有以下几方面：►科学计算与分析能进行各种复杂的设计计算、性能分析以及评价经济；►工程分析常见的分析有：有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学分析等。此外，针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分析问题,如注塑模设计中要进行塑流分析、冷却分析、变形分析等。►图形处理如二维、三维图形生成、显示与修改，自动绘图；►图形仿真进行二维和三维的运动仿真、结构仿真，功能模拟；►数据处理有完善的数据库系统，能对设计、分析、绘图等所使用的大量数据进行存取、查找、比较、综合等处理；►编制设计文档或生成报表能制订各种技术文件，如文档制作、编辑及文字处理等。►参数化设计标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，设计时直接调出图形库中的零件图，并赋予一组新的尺寸参数便可生成一个新的图形。CAD设计具有如下主要特点：►充分应用各种先进的现代设计方法在设计过程中能广泛使用有限元分析、优化设计、可靠性设计及动态分析等先进设计及分析手段；比传统的边设计、边试验，直到设计后期才能弄清产品性能的做法要科学、省时、省力得多。►充分利用图形系统和数据库的功能►提高设计效率利用CAD技术，使结构设计和工程制图的速度大大提高，尤其对复杂零件的设计可以无级缩放，分级设计，加快了设计进程。►修改设计方便只需对已存储的图样做局部修改就成为新图，某些先进的辅助设计系统中，修改了装配图，则零件图随之自动修改，反之亦然。►设计与分析统一系统有一个描述产品模型的数据库，通过分析，设计者可以预知产品的性能。►易于实现产品数据的标准化企业的产品数据，包括设计、图文、技术文档等，实现标准化管理，有利于企业积累产品资料、继承历史的知识财富，并方便产品数据的存储、传递、转换和理解。►有利于实现无图纸化生产CAD技术为实现CAD/CAM的集成和CIMS（计算机集成制造）提供了基础。提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本；从而加快了产品更新换代的速度；使企业保持良好的竞争力。总之，采用CAD技术可以：1.4CAD技术的发展趋势随着科学技术的飞速发展，特别是计算机技术的的飞速发展与应用，使CAD技术在软件方面的发展趋势将体现在以下几个方面：集成化智能化标准化可视化网络化1.集成化为适应设计与制造自动化的要求，特别是适应计算机集成制造系统（CIMS）的要求，进一步提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向。2.智能化现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而在设计活动中存在另一类符号推理工作，包括方案构思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策，以及参数选择等等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。因此将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是CAD技术发展的必然趋势。3.标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。迄今已制定了不少的标准，例如：随着技术进步，新标准还会出现，基于这些标准推出的有关软件是一批宝贵的资源，用户的应用开发常常离不开它们。更为重要的是有些标准还指明了CAD技术进一步发展的道路，例如STEP既是标准，又是方法学，由此构成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模、数据管理及外部接口等。面向图形设备的标准CGI，面向用户的图形标准GKS，面向不同CAD系统的数据交换标准STEP等。4.可视化随着计算机软硬件水平的提高，可以逐步为设计者提供更加逼真的设计环境，更利于将概念设计转换到几何模型。可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将设计过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图形或图像，容易发挥人们的创造力。5.网络化计算机网络可以通过通信线路将各自独立的、分布于各处的多台计算机相互连接起来，这些计算机彼此可以通信，从而能有效地共享资源并协同工作。在CAD应用中，网络技术的发展，大大地增强了CAD系统的能力，而没有网络的计算机简直是不可想象的，更不用谈集成化。2.计算机辅助设计应用举例计算机辅助设计应用举例（续）计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）应用领域：机械，大规模集成电路，建筑，服装，玩具优点：设计周期短，成本低，质量高计算机辅助设计应用举例（续）计算机辅助设计应用举例（续）计算机艺术书法、艺术图片输入工具：键盘、鼠标、手写笔等等软件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等优点：功能多、创作轻松、调色方便等等缺点：目前难以容入人的灵感（未来的研究课题）计算机辅助设计应用举例（续）电子地图计算机辅助设计应用举例（续）计算机动画及广告影视创作传统动画：费时费力，质量差，例子：《大闹天宫》，90*60*24=129，600张胶片，几十位动画工作者近两年的时间计算机动画（ComputerAnimation):效率高，质量高例子：《侏罗纪公园》计算机动画创作工具：3DMAX,MAYA等等计算机辅助设计应用举例（续）自然景物仿真3.CAD系统的组成一个完整的CAD系统是由CAD系统的硬件和软件两个方面所组成。CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果。CAD系统的组成包括：CAD系统的硬件CAD系统的软件3.1CAD系统的硬件CAD系统的硬件是指：计算机系统中的全部可以感触到的物理装置，它包括各种规模和结构的计算机、存储设备以及输入、输出设备等几个部分。目前，CAD系统的硬件组成，如下图4-a所示。图2-aCAD系统的硬件由上图可见，CAD系统所用的硬件一般包括：计算机主机及外围设备图形输入设备绘图输出设备图形显示设备1.计算机主机及外围设备计算机主机及外围设备是CAD系统硬件的重要组成部分。●计算机主机●外存储器●计算机网络它包括：●计算机主机计算机主机是整个计算机系统的核心，它由两部分组成：●外存储器外存储器与内存的区别在于它是设置在计算机主机之外。与内存相比，其容量大，但存取速度慢。当需使用外存信息时，由操作系统根据命令调入内存。外存储器常见种类有：磁带机，磁盘机，移动硬盘和光盘等。●计算机网络中央处理器（CPU）包括：控制器和运算器：控制器：指挥和协调整个计算机的工作，包括负责解释指令、控制指令的执行顺序、访问存储器等。运算器：负责执行指令所规定的算术和逻辑运算。主存储器：用来存放指令和数据。它一般包括：ROM和RAM两部分。中央处理器（CPU）主存储器（或称内存）2.图形输入设备计算机及外存储器是通过输入、输出设备与外界来沟通信息的。所谓输入，就是把外界的信息变成计算机能够识别的电子脉冲，即由外围设备将数据送到计算机内存中。所谓输出，就是将输入过程反过来，将计算机内部编码的电子脉冲翻译成人们能够识别的字符或图形，即从计算机的内部将数据传送到外围设备。能够实现输入操作的装置就被称作输入设备，CAD系统所使用的输入设备主要包括：键盘光笔图形输入板数字化仪鼠标器扫描仪声音输入装置等。3.绘图输出设备能够实现输出操作的装置便称作输出设备，CAD系统所使用的输出设备主要包括：打印机、绘图仪等。打印机：能打印字符文件，又能打印图形，是最廉价的输出设备。绘图机：现有滚筒式、平台式、平面电机型绘图机等。滚筒式绘图机如下图4-b所示。这种绘图机结构简单，占地面积小，价格较低，但速度低、精度较差，广泛用在机械与土建等行业。图4-b滚筒式绘图机图形显示器，它像一个窗口，使设计者能及时了解人机间的信息交互情况。图形显示器不但能显示字符信息，而且能随时显示所设计的图形，并能让用户对这些图形进行增、删、改、移动等交互操作，因此它不单纯是被动地显示图形，而且是一种交互式的图形显示。目前，计算机图形显示器一般都是采用阴极射线管（CRT）作为显示设备。4.图形显示设备3.2CAD系统的软件一般而言，CAD系统的软件可分为如下两大类：■系统软件系统软件一般是由系统软件开发公司的软件专业人员负责研制开发，对于一般用户，主要关心应用软件的选用和开发。■应用软件2.应用软件应用软件是在系统软件的支持下，为实现某个应用领域的特定任务而编写的软件。由于CAD应用软件的范围非常广泛，故将应用软件又分为CAD支撑软件和用户自己开发的应用软件两种。CAD支撑软件从功能上可分成如下三类：第一类：解决几何图形设计问