计算机辅助设计(CAD)课件.ppt
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1、1第第2章章 计算机辅助设计(计算机辅助设计(CAD)2.1 CAD概述概述2.2 CAD系统系统2.3 CAD系统的图形处理系统的图形处理2.4 工程数据的处理工程数据的处理2.5 数据库系统及其应用数据库系统及其应用2案例案例 CADCAD的应用的应用 英国的三叉戟飞机比美国的波音英国的三叉戟飞机比美国的波音747飞机早开工,飞机早开工,却晚一年完成,其原因是美国波音却晚一年完成,其原因是美国波音747设计采用了设计采用了CAD技术。美国技术。美国GM公司汽车设计中应用公司汽车设计中应用CAD技术,技术,使新型汽车的设计周期由使新型汽车的设计周期由5年缩短为年缩短为3年,新产品的年,新产品
2、的可信度由可信度由20%提高到提高到60%。32.1 CAD概述概述1.是一种(是一种(工程工程或或产品产品)设计方法。)设计方法。2.是是信息技术信息技术(计算机、网络通信、数据管理)和(计算机、网络通信、数据管理)和设计技术融合的产物。设计技术融合的产物。3.是先进制造技术群中的一项主体关键技术。是先进制造技术群中的一项主体关键技术。 计算机辅助设计计算机辅助设计是一种利用是一种利用计算机硬件计算机硬件、软件系软件系统统辅助设计者辅助设计者对产品进行对产品进行规划规划、分析分析、计算计算、综合综合、模拟模拟、评价评价、绘图绘图和和编写技术文件编写技术文件等设计活动的总等设计活动的总称。称。
3、42.1.1 CAD技术的起源、发展和应用情况技术的起源、发展和应用情况1.1950年,年,MIT研制研制Whirlwind;1958年年Calcomp研制滚筒式绘图机,研制滚筒式绘图机,Cerber研制平板绘图研制平板绘图机。机。2.萨瑟兰德萨瑟兰德1962年发表年发表“SKETC-PAD人机对话人机对话系统系统”论文,论文,1963年年实现了绘图交互技术实现了绘图交互技术。1964年年IBM公司推出商品化绘图设备。公司推出商品化绘图设备。3.20世纪世纪70年代,廉价硬件设备使年代,廉价硬件设备使CAD进入实用阶进入实用阶段。段。80年代后,形成年代后,形成分布式工作站系统分布式工作站系统
4、Apollo、Sun等,目前各种等,目前各种专业软件专业软件层出不穷。层出不穷。52.1.2 CAD技术的内涵1. 基础技术 1)图形处理技术62)工程分析技术,如有限元分析、优化设计等3)数据管理与交换技术,如数据库管理、PDM等4)文档处理技术5)软件设计技术,如接口界面设计、软件工具、软件工程规范等。72. 现代现代CAD技术的概念技术的概念1)面向设计自动化的技术)面向设计自动化的技术2)包含设计理论和方法、设计环境及设计工具)包含设计理论和方法、设计环境及设计工具3)集成化、网络化和智能化是其追求的功能目标)集成化、网络化和智能化是其追求的功能目标4)服务于先进制造技术)服务于先进制
5、造技术83. 现代现代CAD技术的研究内容技术的研究内容1)现代设计理论与方法学)现代设计理论与方法学 并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计计2)与设计环境相关的技术)与设计环境相关的技术 支持技术(支持技术(B/SB/S和和C/SC/S)、管理技术)、管理技术3)与设计工具相关的技术)与设计工具相关的技术 产品数字化定义及建模、集成的产品数字化定义及建模、集成的CAXCAX和和DFXDFX工具工具4)智能技术)智能技术92.2 CAD系统结构与功能结构与功能 CAD系统的体系结构系统的体系结构硬件平台:网络,计算机,绘图机,打印机硬件平台:网
6、络,计算机,绘图机,打印机.操作系统:操作系统:Windows 3.x/95/98/NT/2000/xp,UNIX网络协议:网络协议:TCP/IP,SPX/IPX数据库系统:数据库系统:Oracle,Sybase,Forpro CAD工具软件:工具软件:AutoCAD,Solidworks,Pro/E.CAD工程应用软件工程应用软件.硬件系统硬件系统系统软件系统软件支撑软件支撑软件应用软件应用软件10 CAD系统的硬件一般由计算机主机、外存储器、图形输入设备、图形输出设备和网络设备组成。外存储器硬盘、软盘、光盘、磁带计算机主机中央处理器 内存储器通信设备串行接口、网络接口输入设备图形终端鼠标、
7、键盘数字化仪扫描仪图形输入板输出设备图形终端绘图机打印机11(系统软件(系统软件、应用软件)应用软件) 概念:概念:系统软件指操作系统及语言等,它们不是用系统软件指操作系统及语言等,它们不是用户的具体应用程序,而是着眼于计算机资源的有效管户的具体应用程序,而是着眼于计算机资源的有效管理,用户任务的有效完成,以及操作的方便,目的是理,用户任务的有效完成,以及操作的方便,目的是要构成一个良好的软件工作环境,供应用程序的开发要构成一个良好的软件工作环境,供应用程序的开发使用。使用。12系统软件系统软件包括包括以下以下软件软件 : 操作系统操作系统(OS: Operating System) 具有五方
8、面的管理功能目前最常见的是多用户、多任务操作系统,UNIX ,Windows。 计算机语言计算机语言 低级语言(汇编语言)和高级语言。 窗口系统窗口系统 从直观来看,窗口系统是由窗口、菜单、按钮等图形对象组成的一个图形用户界面,用户的操作就是对这些图形对象的操作。13现在现在CADCAD系统都是联网系统,用户能共享网内全部硬软系统都是联网系统,用户能共享网内全部硬软件资源,可以使工作小组共同进行某个产品的辅助设计或件资源,可以使工作小组共同进行某个产品的辅助设计或开发同一软件系统。开发同一软件系统。数据库是以一定的组织方式存储在计算机中的相关的数数据库是以一定的组织方式存储在计算机中的相关的数
9、据的集合。支持人们建立、使用和修改数据库中数据的软据的集合。支持人们建立、使用和修改数据库中数据的软件称为数据库管理系统。件称为数据库管理系统。14 基本图形资源软件基本图形资源软件 面向设备驱动的面向设备驱动的CGICGI,面向应用的图形程序包,面向应用的图形程序包GKSGKS 解决图形设计问题解决图形设计问题 二、三维绘图软件,几何造型软件二、三维绘图软件,几何造型软件 解决工程分析与计算问题解决工程分析与计算问题 计算方法库,优化方法库,有限元分析及其前后计算方法库,优化方法库,有限元分析及其前后置处理程序,机械系统动态分析软件,注塑模分析软置处理程序,机械系统动态分析软件,注塑模分析软
10、件件 解决文档写作与生成问题解决文档写作与生成问题151)AutoCAD AutoCAD是当今是当今最流行最流行的的二维绘图二维绘图软件,它在二软件,它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的有强大的二维功能,如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺二维功能,如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能,同时有部分三维功能寸标注以及二次开发等功能,同时有部分三维功能。AutoCAD提供提供AutoLISP、ADS、ARX作为二次作为二次开发的工具。开发的工具。 机械、建筑、电子等领域机械、建筑、电子等领域AutoCAD AutoCAD 得到广泛
11、的应用得到广泛的应用162) Unigraphics(UG) UG是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。 UG是UnigraphicsSolutions公司拳头产品,该公司首次突破传统CAD/CAM模式,为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中,优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起,这一结合被实践证明是强有力的,并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。 3)Solid Edge ( UnigraphicsSolutions) SOLIDEDGE是真正Windows软件。SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统,它是为设
12、计人员专门开发的,易于理解和操作的实体造型系统。 174)SolidWorks SolidWorks是基于Windows平台的全参数化特征造型软件,它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好,用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中,其价位适中 。 5)ANSYS ANSYS是最大的有限元分析软件公司之一的ANSYS公司开发的,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,是经典的CAE产品。它包括结构分析,流体动力学分析,电磁场分析等具有灵敏度分析及优化分析的能力。186)Pro/Engineer Pro/Engine
13、er系统是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation,简称PTC)产品。PTC公司提出单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念,这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。可以实现所谓的并行工程。 Pro/Engineer系统主要功能如下: (1)真正全相关性,任何修改都会自动反映到所有相关地方。 (2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 (3)具有强大的装配功能,能够始终保持设计者的设计意图。 (4)容易使用,可以极大地提高设计效率。 197)CATIA CATIA是由法国D
14、assault System公司开发,它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域,CATIA提供了强大的曲面与曲线造型能力。它是航空航天工业的主流软件。一汽集团,上海大众,北京吉普在内的许多汽车公司都已选用该软件。208. CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师 CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司 。 CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件,可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表、平面包装的设计,适合所有需要二维绘图的场合,使设计人员可以把精力集中在设计构思上,彻底甩掉图板,满足现代企业快速设计、绘图、信息
15、电子化的要求。 CAXA-ME是面向机械制造业的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件 219. 高华CAD 由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。 高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图支撑系统GHDrafting、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS及自动数控编程系统GHCAM。其中GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统,它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。 2210. 金银花系统金银花系统 金银花(
16、Lonicera)系统是由广州红地技术有限公司开发的基于STEP标准的CAD/CAM系统 。 该软件主要应用于机械产品设计和制造中,它可以实现设计/制造一体化和自动化。 机械设计平台MDA(MechanicalDesignAssistant)是金银花系列软件之一,是二维和三维一体化设计系统。 2311. 开目CAD 开目CAD是开目集成技术公司开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件,它面向工程实际,模拟人的设计绘图思路,操作简便,机械绘图效率比AutoCAD高得多。 24 从硬件角度将CAD系统划分为四类:1.主机系统(Mainframe-based system) 该系统一般
17、以大型机为主机,集中配备某些公用的外部设备,同时接出许多用户工作站及字符终端。 优点 是主机功能强,能进行大信息量的作业,如大型分析计算、复杂模拟和管理等。 缺点 是当终端用户过多时,会使系统过载,响应速度变慢,而且一旦主机发生故障,整个系统就不能工作,此外价格昂贵。252. .小型机系统(Minicomputer-based system) 优点 是这种小型机大都具有32位字节,操作系统采用虚拟存储技术,成本低,体积小,便于操作使用。 缺点是系统比较封闭,也即开放性较差。20世纪80年代占据了主要的CAD市场。在80年代中期以后,小型机逐渐被工程工作站所代替。 这种系统与主机系统在形式上非常
18、类似,只不过用小型机或超小型机代替主机,用户工作站数量较少,一般在4到6个。263. 工程工作站系统工程工作站系统( (Workstation-based system) 工程工作站是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。这种系统的特点是: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。 系统设计遵循这样一种思想:一个工程师使用一台计算机;而且还能使用所有的计算机。前半句意味着摒弃了多用户分时系统的结构,后半句意味着采用网络技术。 27网络分布网络分布CADCAD系统系统 应用计算机技术和通信技术,将分布于各地的各
19、类计算机以网络形式连接起来进行产品的设计工作。CAD网络示例网络示例TCP/IPServerClient文件文件服务器服务器数据库数据库服务器服务器微机微机工作站工作站.28 优点优点是是工作站本身具有强大的分布式工作站本身具有强大的分布式计算计算功能,功能,能够支持复杂的能够支持复杂的CADCAD作业,能支持多任务进程作业,能支持多任务进程 。其性能还是优于微机系统,它为各种功能强大的其性能还是优于微机系统,它为各种功能强大的CAD/CAMCAD/CAM软件及复杂应用提供了坚实的平台软件及复杂应用提供了坚实的平台 。 缺点缺点是是系统所需要的软、硬件投资比较大。系统所需要的软、硬件投资比较大
20、。 SUN、SGI、HP、DEC和和IBM等等大型计算机公大型计算机公司广泛采用工程工作站系统,因此工程工作站在司广泛采用工程工作站系统,因此工程工作站在国外国外CADCAD系统中占有主导地位。系统中占有主导地位。294. 微型机系统(Microcomputer-based system)微机系统在中小型企业中得到了广泛应用。微机系统在中小型企业中得到了广泛应用。一般每台微机只配备一台图形终端,以保证对操作命令的快速响应。近年来微机系统发展非常迅速 。(1)32位字节的微机在速度、精度、内外存容量等方面已能满足CAD应用的要求 (2)微机上的各种软件,从图形软件、工程分析软件及各种应用软件,满
21、足了用户的大部分要求 。(3)现代网络技术能将许多微机及公共外设边在一起,做到了网内资源共享。 30微机微机CAD系统系统 是以一台微机为主的单用户系统。 微机微机CAD硬件系统硬件系统主机主机操作系统操作系统显示设备:图形显示器显示设备:图形显示器输入设备输入设备外存储器外存储器输出设备输出设备通讯接口通讯接口312.2.4 CAD系统系统(构成构成)功能功能 产品设计制造的数值计算和数据处理程序包、图形信息交换和处理显示程序包、存储和管理设计制造信息的工程数据库。1. 硬件应具备的基本功能 计算、存储、输入输出、交互 2. 软件应具备的基本功能 产品几何造型的功能(线框、曲面与实体造型)、
22、2D和3D图形处理功能、 有限元分析功能、优化设计过程、数据库管理功能等322.3 CAD系统的图形处理2.3.1 图形处理基础1.图形的图素及坐标系1)图形的基本图素(屏幕显示和拷贝)(1)直线线段(矢量图)(2)像素(位图)332)坐标系)坐标系(笛卡尔)(笛卡尔)统统(定义点定义点(图形的最基本元素)(图形的最基本元素)的位置的位置)(1)世界坐标系)世界坐标系(WC,world coordinate system) 世界坐标系是一个固定不变的坐标系,其原点和坐标轴的方向始终固定不变。世界坐标系有时又被称为绝对坐标系或用户坐标系,它是用作定义所有对象和其他坐标系的基础。34(2)设备坐标
23、系(DC,device coordinate system) 是一个二维平面坐标系,度量单位是步长(绘图仪)或像素(显示器),定义域是整数域且有界,显示器的分辨率就是其设备坐标的界限。(3)规格化设备坐标系(NDC,normalized DC) 图形在用户坐标系定义,输出时定义在设备坐标系。不同设备具有不同的坐标系和坐标范围。为增加应用程序的可移植性,也为便于图形处理,因此引入与设备无关的规格化设备坐标系,采用无量纲单位坐标系范围值。352. 二维图形变换二维图形变换 二维图形可以用代表图形的特征点的集合二维图形可以用代表图形的特征点的集合二维二维数组数组(可写成二维矩阵的形式)(可写成二维矩
24、阵的形式)表示表示。 图形的几何变换(图形的几何变换(旋转、平移和缩放等旋转、平移和缩放等)即是对)即是对该矩阵进行有意义的矩阵乘法(该矩阵进行有意义的矩阵乘法(XT)运算而得。)运算而得。1 1)基本变换)基本变换(对于点(对于点(x,y)dcbaT变换矩阵变换矩阵变换基准点为坐标原点变换基准点为坐标原点 dybxcyaxdcbayxyx36(1)比例变换 b=0,c=0(2)压缩变换000010000001TTT374)对称变换:图形以坐标原点为中心对称于坐标原点或某一条轴线的变换。对称变换对称变换后的图形是原图形关于某一轴线或原点的镜像,也称为反向变换或镜像变换。(a) 原点对称0 xy
25、(b) x轴对称0 xy(c) y轴对称0 xy100110011001TTT38(d) x=y对称0 xyy = xY(e) x = -y对称0 xyy = -x0110T0110T(4)旋转变换yy0 x xAARcossin)sin(sincos)cos(yxRyyxRx39A=30 10;60 10;60 30;T=cos(pi/6) sin(pi/6);-sin(pi/6) cos(pi/6);AA=A*T例2-1 将三角形ABC(30 10;60 10;60 30)绕坐标原点逆时针旋转30。A BC0 xy40(5)错切变换错切变换(以单位转换矩阵为例)11cbT0 x 0 x 0
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