CAD基本概念精讲

武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]1第一章CAD概论CAD的基本概念CAD发展过程与应用CAD硬件系统CAD软件系统武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]2CAD的基本概念定义：CAD是ComputerAidedDesign(计算机辅助设计)的简称。计算机辅助设计是将人和计算机的最佳特性结合起来，辅助进行产品的设计与分析的一种技术，是综合了计算机与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。CAD狭义片面的定义：用计算机进行科学计算用计算机控制绘图机绘制出工程图纸武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]3CAD特点计算机的特点是：具有速度快、精度高、不疲倦、储量大、不易出错的特点。人的特点是：逻辑思维能力强，具有自我学习完善的智力，通过视听产生联想思维，有创造性，能自我控制情绪和兴趣。在绝大多数情况下，人和计算机的能力正好互补。通过人机对话，人和计算机可充分进行交流，发挥各自特性，达到最佳合作效果。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]4CAD的基本功能科学计算与分析功能：如产品常规设计、物理特性计算、优化设计、有限元分析、可靠性分析、动态分析及数字仿真模拟等科学计算。图形处理功能：如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。数据管理与数据交换功能：如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口功能等。文档处理功能：如文档制作、编辑及文字处理等。软件设计功能：如人机接口界面、软件工程规范及其工具系统的使用等。网络功能：如Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理，异地、协同、虚拟设计及实时仿真等。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]5传统的机械产品设计过程设计任务书任务书分析确定设计任务书同类机械的调研和资料分析总体结构方案的拟定结构设计、绘图编写技术文件结束条件协商方案论证更改设计调整传统机械设计方法的特点和局限性：•设计方法---主要为类比设计和经验设计方案拟定主要取决于个人经验难以对设计方案进行优化•设计手段—主要为手工方式设计计算主要为静态、近似计算，设计结果不能完全反映零部件真实的工作状态设计结果的可靠性、准确性不佳•设计周期长绘制装配图、零件图占整个设计周期的70%左右的时间设计中存在的问题在样机试制、装配、调试时才能发现武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]6机械产品CAD过程产品模型工程分析动态模拟自动绘图NCPCAD应用软件CAD系统硬件CAD系统基础软件设计人员设计经验专家知识决策方法工程数据库知识库算法图形库提出设计任务确定设计目标建立设计模型设计综合分析计算审核检验表达设计结果CAD过程模型武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]7CAD的优越性提高设计效率，缩短设计周期。采用CAD，能明显地减少设计计算、图纸制作和资料检索的时间，大大提高设计速度。提高设计质量。常规设计中，为了减少计算量，计算的精度受到限制，有些错误常常很难在设计阶段发现。但在CAD中，数学模型一般都比较准确，计算精度大大提高，而且可以进行优化设计、有限元分析等计算，使设计结果准确可靠。同时，由于设计人员摆脱了繁重、简单、重复的劳动，从而能集中精力发挥创造性思维，设计出高质量的产品。各部门信息交流迅速、可靠。在常规设计中，设计是通过图纸作为媒体来传播的，由于图纸的设计、制作、存储和传递需要花费较多的时间，影响了各部门信息的交流。在CAD系统中，信息可以通过电子文档来存储和传递，因此信息的交流快捷而可靠。同时，随着CAD／CAM技术的发展，CAD的信息可以直接转化成CAPP和CAM所需的信息，为实现计算机集成制造打下基础。设计与分析工作模式的统一。CAD系统中集成了许多设计分析程序，设计人员可通过实时交互操作，对产品不断进行设计和分析，从而得到最佳设计结果。有利于产品标准化、系列化、通用化。设计人员可以利用CAD系统建立标准图及标准设计库，也可以修改原有产品设计中的参数得到新的设计结果。由于可以充分利用以前的设计结果，CAD系统在标准化、系列化、通用化方面有突出的优势。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]8CAD的主要任务(1)完成设计信息的计算机存贮和管理。(2)开发工程设计的应用程序。(3)建立一个专用图形系统或利用一个通用图形系统，完成产品造型和工程图绘制等任务。(4)将工程数据库、应用程序以及图形系统等部分有机地组成为一个完整的CAD系统，以适应反复建立模型、评价模型和修改模型这种设计过程的需要。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]9CAD技术的产生和发展准备和酝酿时期（50－60年代初）：CAD技术处于被动式的图形处理阶段。蓬勃发展和进入应用时期（60年代）：提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。广泛使用的时期（70年代）：1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。出现了面向中小企业的CAD／CAM商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2.5万。突飞猛进的时期（80年代）：在这个时期，图形系统和CAD／CAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装CAD系统至1988年发展到63000套。CAD／CAM技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产吕设计发展到用于工程设计和工艺设计。开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（90年代）：由于微机加视窗95／98／NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]10有关应用完整的涡轮机绘制和装配图（Autodesk公司提供）武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]11应用大楼设计的真实感三维绘制（ThomsonDigitalImage公司提供）武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]12应用东方地毯图案（Lexidata公司提供）武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]13应用机场透视投影视图（Evans&Sutherland提供）武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]14应用布料的柔性效果（Rensselaer工业学院设计研究中心提供）武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]15应用武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]16应用动画短片TinToy（Pixar提供）武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]17应用三维函数的曲面（WolframResearch公司提供）武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]18应用武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]19CAD系统的硬件CAD系统的硬件由主机和外围设备组成。图2.1CAD系统硬件的组成武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]20一．主机中央处理器控制器：解释指令并控制指令的执行顺序主机运算器：执行算术运算和逻辑运算内存贮器组成。二．外存贮器(1)磁带。(2)磁盘。(3)光盘。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]21三．输入设备输入设备是向计算机输入数据、信息的设备总称。(1)键盘(2)鼠标器(3)数字化仪(4)扫描仪(5)数码相机扫描仪的工作原理如图所示。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]22四．输出设备(1)打印机：撞击式打印机：24针点阵打印机打印机激光打印机非撞击式打印机：喷墨打印机(2)绘图机：平板式绘图机笔式绘图机绘图机滚筒式绘图机喷墨绘图机非笔式绘图机激光绘图机静电绘图机武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]23五．图形显示设备显示器件有阴极射线管（CRT）、液晶显示（LCD）、激光显示、等离子体显示等。当前最常用的是阴极射线管显示器和液晶显示器。显示器所显示的数字、字符和图像是由一个个象素组成的，象素是显示屏上的最小信息，每个小点称作一个象素。组成显示网络的象素多少决定了图形的清晰程度，通常用分辨率表示，象素越多，分辨率越高。目前微机显示器的分辨率通常有中分辨率（600×350，640×480）和高分辨率（800×600，1024×768，1280×1024）两类。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]24CAD系统的软件系统软件CAD系统的软件可分为三个层次支撑软件应用软件一．系统软件系统软件指操作系统和系统实用程序等，它用于计算机的管理、控制和维护。1．操作系统。2．编译系统。3．系统实用程序。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]25二．支撑软件1．图形处理软件。负责CAD的绘图。2．几何建模软件。Pro/E等3．数据库管理系统。如FoxBASE，FoxPRO，工程数据库等计算方法库：如解线性方程组。优化方法软件：4．工程分析及计算软件有限元分析软件：如ADINA等机构分析及机构综合的软件：系统动态分析软件。5．文档制作软件。WPS，WORD2000等。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]26三．应用软件应用软件是用户为解决各类实际问题，在系统软件的支持下而设计、开发的程序，或利用支撑软件进行二次开发形成的程序，应用软件的功能和质量直接影响CAD系统的功能和质量。CAD系统的型式一．大（中）型机系统二．工作站系统三．微机系统四．网络型系统武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]27图形输入设备用最通常的输入设备：键盘、鼠标配合CRT显示器即可组成简易的交互式图形系统。但高性能交互式图形系统可能配备光笔、数字化仪、扫描仪、语音输入系统和三维输入设备等图形设备。1光笔由光笔检测到屏幕的光信号，然后传输给计算机，从而达到输入的目的。2数字化仪是一种能将书写版面内的几何位置转换为数字坐标的图形输入设备。现在应用最广泛的是电磁感应式数字化仪。电磁感应式数字化仪原理：基板用非磁性材料制成，在基板下密布了互相绝缘的特殊铜线网格。在X和Y方向轮流以正弦、余弦信号激励网格。在传感笔或游标传感器中安装了接收线圈。接收线圈接收到感应信号后送至处理器，处理器计算激励信号与传感器内接收线圈感应信号的相位差，从而换算出传感器所在位置的坐标。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]283触摸屏容许用手指触摸屏幕来实现选择。触摸输入有光学的、电子的和声学的。精度最高的属声学的。声学触摸屏的原理：沿一块玻璃板的水平方向和垂直方向产生高频声波，触摸屏幕引起的每个波有一部分被手指反射到发射器，接触点的屏幕位置由每个波从发送与反射到发射器的时间间隔的测量来计算。武汉理工大学物流工程学院罗齐汉[e-mail]294图形扫描仪图形扫描仪是直接把图形（如工程纸图）和图像（如照片、广告画）扫描输入到计算机中，以象素信