计算机辅助设计与制造技术课件.ppt

1、计算机辅助设计计算机辅助设计技术基础教程技术基础教程清华大学计算机基础教育课程系列教材清华大学计算机基础教育课程系列教材 唐龙等编著唐龙等编著第第1章章 CAD技术概述技术概述 1.1 CAD技术应用与发展概况技术应用与发展概况1.2 CAD系统的软硬件技术基础系统的软硬件技术基础 1.1 CAD技术应用与发展概况技术应用与发展概况1.1.1 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)的概念的概念 CADCAD是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。多学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理

2、技术。它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息它把人类的决策判断、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、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。提高设计质量的目的。简单地讲，简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的。的设计目的。CAD概念的实质在于：概念的实质在于：（1）人机各尽所长；人机各尽所长；（2）人机交互结合；人机交互结合；（3）最佳设计效率。最佳设计效率。CAD技术的主要作用如下技术的主要作用如下:（1）提高设计质量和设计效率。）提高设计质量

3、和设计效率。（2）能够充分发挥设计人员创造性。）能够充分发挥设计人员创造性。（3）缩短产品的设计周期。）缩短产品的设计周期。1.1.2 CAD技术的重要应用技术的重要应用 CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。CAD技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出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。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

4、械、电子、轻纺行业还是文是制造加工行业，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体、影视广告行业等都离不开CAD技术。技术。CAD技术是企技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。在制造业中的应用：如波音在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。现无纸设计与制造的飞机。在工程领域中的应用：如建筑设计在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机电子沙盘；机械设计械设计CAD等。等。仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如

5、“未来世界未来世界”、“玩具总动员玩具总动员”、“侏罗记公园侏罗记公园”等等 在轻工行业的应用：如模具在轻工行业的应用：如模具CAD和服装和服装CAD等。等。在医学中的应用：在医学中的应用：计算机辅助手术规划和手术模拟。计算机辅助手术规划和手术模拟。在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。我国科学技术部在我国科学技术部在CAD应用工程应用工程2000年规划纲要年规划纲要中指出：中指出：“到到2000年，在国民经济主要部门的科研、设年，在国民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广计单位和企业中全面普及推广CAD技术，实现技术，实现

6、甩掉甩掉图板图板（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国推广我国CAD市场，扶持发展以市场，扶持发展以CAD为突破口的我国为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的自主创新的软件产业，建立起我国的CAD产业产业”。到到2000年，我国机械制造业应用年，我国机械制造业应用CAD技术的普及技术的普及率和覆盖率均达率和覆盖率均达70%以上；工程设计行业以上；工程设计行业CAD技术的技术的普及率和覆盖率均达普及率和覆盖率均达100%。CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例：技术在我国工程和产品设计的一些应用实例：（1）沈阳变压器厂用沈阳

7、变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招标项目。三峡工程的招标项目。（2）泸东造船厂应用）泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期技术后，生产技术准备周期缩短缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。以上，造船的设计开发能力提高一倍。（3）西北电力设计院用）西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。在图纸中的错误，当即

8、进行了修改。（4）寰球化工工程公司应用）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使置工程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以以上的错误得以纠正，在总长纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到余钢管不到10米。米。1.1.3 CAD技术应用实例图示技术应用实例图示 一些图形网站如一些图形网站如http:/ 在各个领域的应用效果。在各个领域的应用效果。1.1.4 CAD技术发展历程技术发展历程 CAD技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、软件

9、技术的发展而发展。软件技术的发展而发展。（1）准备和诞生时期（）准备和诞生时期（20世纪世纪5060年代）年代）电子管计算机电子管计算机 1950 MIT 能够显示简单图形的图形显示器能够显示简单图形的图形显示器 1958 Calcomp 滚筒式绘图机滚筒式绘图机 20世纪世纪50年代末年代末 SAGE战术防空系统战术防空系统（2）蓬勃发展和进入应用的时期（蓬勃发展和进入应用的时期（20世纪世纪60年代）年代）1962，Ivan Sutherland 研究出了研究出了Sketchpad交互式交互式图形系统。图形系统。计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。计算机

10、图形学的发展，如计算机图形学的发展，如Coons曲面曲面。（3）广泛应用时期（）广泛应用时期（20世纪世纪70年代）年代）集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。出现了以小型计算机为平台的出现了以小型计算机为平台的CAD系统。系统。图形设备相继推出并完善。图形设备相继推出并完善。图形软件和图形软件和CAD应用支撑软件不断得到充实与提高应用支撑软件不断得到充实与提高。（4）飞速发展时期（）飞速发展时期（20世纪世纪80年代）年代）出现了大规模与超大规模集成电路，使微机进入市场。出现了大规模与超大规模集成电路，使微机进入市场。推出了以推出了以

11、UNIX系统支撑的系统支撑的SUN工作站。工作站。图形软件更加成熟图形软件更加成熟。（5）日趋成熟的时期（）日趋成熟的时期（20世纪世纪90年代）年代）出现基于出现基于PC平台的价廉物美的平台的价廉物美的CAD系统。系统。CAD系统的标准化：系统的标准化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化智能化CAD系统。系统。集成化集成化。科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造。科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造。1.1.5 CAD软件技术的发展软件技术的发展 以机械行业为例，说明以机械行业为例，说明CAD软件技术的发展历程。软件技术的发展历程。20世纪世纪60年

12、代，年代，CAD的主要技术特点是交互式二维绘图和三的主要技术特点是交互式二维绘图和三维线框模型。维线框模型。20世纪世纪70年代，年代，CAD的主要技术特征是自由曲线曲面生成算的主要技术特征是自由曲线曲面生成算法和表面造型理论，代表软件法和表面造型理论，代表软件CATIA。20世纪世纪80年代，年代，CAD的主要技术特征是实体造型理论和几何的主要技术特征是实体造型理论和几何建模方法，建模方法，代表软件代表软件I-DEAS。20世纪世纪90年代，年代，CAD技术基础理论主要是以技术基础理论主要是以PTC的的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以为代表的参数化造型理论和以SDRC的的I

13、-DEAS为为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。1.1.6 发展趋势发展趋势 微机化、集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、微机化、集成化、智能化、网络化、可视化、并行化、标准化标准化。1.2 CAD系统的软硬件技术基础系统的软硬件技术基础 什么是什么是CAD系统？系统？CAD系统是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件系统是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。息处理系统。CAD系统与一般计算机系统的差别：系统与一

14、般计算机系统的差别：一般计算机系统：计算机一般计算机系统：计算机+外围设备。外围设备。CADCAD系统：人与计算机及外围设备协调运行的系统。其基系统：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）。本功能是交互性（对话功能）。1.2.1 CAD系统结构与功能系统结构与功能 1.CAD系统的结构可用分层体系结构进行描述。系统的结构可用分层体系结构进行描述。硬件平台：网络，计算机，绘图机，打印机硬件平台：网络，计算机，绘图机，打印机.操作系统：操作系统：Windows 3.x,Windows95/98/NT,UNIX网络协议：网络协议：TCP/IP,SPX/IPX数据库系统：数

15、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CAD系统的体系结构系统的体系结构2.系统功能分析系统功能分析 （1）硬件应具备的基本功能：）硬件应具备的基本功能：计算功能、存储功能、输入输出功能、交互功能计算功能、存储功能、输入输出功能、交互功能。（2）软件应具备的基本功能：）软件应具备的基本功能：就机械产品就机械产品CAD系统来讲，应是：系统来讲，应是：产品几何造型的功能（线框、曲面与实体造型）、产品几何造型的功能（

16、线框、曲面与实体造型）、2D和和3D图形处理功能、图形处理功能、有限元分析功能、有限元分析功能、优化设计过程、优化设计过程、数据库管理功能等。数据库管理功能等。CAD CAD 软件软件 CAD 专用软件专用软件 CAD 支撑软件支撑软件 优化方法库优化方法库 图形支撑软件图形支撑软件 数据库软件数据库软件 有限元分析软件有限元分析软件 系统软件系统软件 操作系统操作系统 高级语言编译器高级语言编译器 网络软件网络软件3.CAD系统软件层次结构系统软件层次结构（1）系统软件系统软件 主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装入与

17、运行。装入与运行。操作系统：操作系统：Windows 95/98、UNIX、Windows NT等。等。语言编译系统：语言编译系统：Visual C/C+、Visual Basic、AutoLisp等。等。（2 2）支撑软件）支撑软件 是为满足是为满足CAD/CAM用户共同需要而开发的通用软件。用户共同需要而开发的通用软件。数据库管理系统：数据库管理系统：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/Sybase等。等。计算机分析软件：计算机分析软件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS等。等。图形支撑软件：可分为图形处理语言及交互式绘图软件。图形支撑软件：可分为图形处理语言及交互式绘图软件

18、。（3）应用软件）应用软件 用户利用计算机所提供的各种系统软件、支撑软件，编用户利用计算机所提供的各种系统软件、支撑软件，编制解决用户各种实际问题的程序称为应用软件。开发应用软制解决用户各种实际问题的程序称为应用软件。开发应用软件是件是CAD工作者的一项重要工作。工作者的一项重要工作。（4）常用）常用CAD软件软件 国内应用较广的微机国内应用较广的微机CAD软件有：软件有：Autodesk公司的公司的 AutoCAD及及MDT,Solidworks公司的公司的 Solidworks，美国美国CV公司的公司的 CADDS软件的微机版本软件的微机版本PD（Personal Designer）;Mi

19、croStation软件，软件，Micro-CADAM软件，软件，CADKEY软件，软件，SolidEdge软件等。软件等。工程工作站工程工作站CAD/CAM系统软件有：系统软件有：美国美国SDRC公司开发的公司开发的I-DEAS（Integrated Engineering Analysis Software），），IBM公司开发的公司开发的CATIA（Computer-Graphics Aided Three-Dimensional Interactive Applications），），法国法国Matra公司公司 EUCLID软件，软件，美国美国EDS公司公司 UG II(UNIGRAP

20、HICS II)软件，软件，美国美国PTC公司公司 Pro/Engineer系统系统。1.2.2 CAD系统的类型系统的类型 按照按照CAD系统中采用的计算机类型、外围设备以及它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，们之间的联系方式，CAD系统可分为主机型系统可分为主机型CAD系统、工系统、工程工作站程工作站CAD系统系统、微机、微机CAD系统系统和基于网络环境的和基于网络环境的CAD系统。系统。CAD系统经历过三个阶段的发展，即许多用户共享一系统经历过三个阶段的发展，即许多用户共享一台计算机；一个用户用一台计算机；一个用户共享多台计台计算机；一个用户用一台计算机；一个用户共

21、享多台计算机。算机。（1）工程工作站系统工程工作站系统 工程工作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理、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功能。这也是它与具有分时系统的超级小型机的不同之处。处。SUN、SGI、HP、DEC和和 IBM等大型计算机公司广等大型计算机公司广泛采用工程工作站系统，因此工程工作站在国外泛采用工程工作站系统，因此工程工作

22、站在国外CAD系系统中占有主导地位统中占有主导地位。（2）微机）微机CAD系统系统 是以一台微机为主的单用户系统。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（3）网络分布网络分布CAD系统系统 应用计算机技术和通信技术，将分布于各地的各类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。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文件服务器文件服务器数据库

23、服务器数据库服务器微机微机工作站工作站.1.2.3 计算机及其输入输出设备计算机及其输入输出设备 CADCAD硬件硬件计算机主机计算机主机图形输入设备图形输入设备图形绘制设备图形绘制设备图形显示设备图形显示设备扫描仪扫描仪数字化仪数字化仪数码相机数码相机光栅扫描显示器光栅扫描显示器液晶显示器液晶显示器打印机打印机绘图机绘图机笔式笔式绘图机绘图机喷墨绘图机喷墨绘图机CAD硬件设备硬件设备1.微机组成与分类微机组成与分类 按微机的设备组成，微机设备可分为内、外两部按微机的设备组成，微机设备可分为内、外两部分：内部设备通常包括主板、分：内部设备通常包括主板、CPU、内存储器、内存储器、显示卡、电源、

24、输入输出接口等；其中输入输出显示卡、电源、输入输出接口等；其中输入输出接口又分为串行口和并行口，它们分别可以连接接口又分为串行口和并行口，它们分别可以连接鼠标、打印机等外部设备；主板上通常有几个扩鼠标、打印机等外部设备；主板上通常有几个扩展槽，用来连接外部设备等。展槽，用来连接外部设备等。外部设备一般包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光外部设备一般包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、键盘、鼠标、显示器、声卡、网卡、盘驱动器、键盘、鼠标、显示器、声卡、网卡、调制解调器等。调制解调器等。2.计算机输入设备计算机输入设备 图形输入设备可将用户的图形结果及各种命令等转换为电图形输入设备可将用户的图形结果

25、及各种命令等转换为电信号，并传送给计算机。信号，并传送给计算机。（1）物理设备物理设备 键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板 键盘键盘 由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。鼠标器鼠标器 可以方便、准确地移动光标进行定位，它是窗口可以方便、准确地移动光标进行定位，它是窗口软件和绘图软件的首选输入设备。软件和绘图软件的首选输入设备。数字化仪和图形输入板数字化仪和图形输入板 矢量图形输入设备。矢量图形输入设备。语音输入与扫描输入语音输入与扫描输入（2）逻辑设备逻辑设备 图形输入设备从逻辑上分为图形输入设备从逻辑上分为6种

26、功能，即定位（种功能，即定位（locator）、）、笔划（笔划（stroke）、）、数值（数值（valuator）、）、选择（选择（choice）、）、拾拾取（取（pick）及字符（及字符（string），），也可称为也可称为6种逻辑设备。种逻辑设备。图形输入设备的逻辑分类图形输入设备的逻辑分类名称名称相应的典型设备相应的典型设备基本功能基本功能定位定位鼠标器、拇指轮鼠标器、拇指轮输入一个点的坐标输入一个点的坐标笔划笔划鼠标器、拇指轮鼠标器、拇指轮输入一系列点的坐标输入一系列点的坐标数值数值数字键盘数字键盘输入一个整数或实数输入一个整数或实数选择选择功能键、鼠标器功能键、鼠标器由一个整数得到某

27、种选择由一个整数得到某种选择拾取拾取光笔、鼠标器光笔、鼠标器拾取一个显示着的图素拾取一个显示着的图素字符串字符串字符键盘字符键盘输入一串字符输入一串字符3.计算机图形输出设备计算机图形输出设备 常用的图形输出设备可以分为两大类。一类是与图形常用的图形输出设备可以分为两大类。一类是与图形输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速地生成、输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速地生成、删除和修改图形的显示设备。另一类是在纸上或其他介质删除和修改图形的显示设备。另一类是在纸上或其他介质上输出可以永久性保存的图形的绘图设备。后者也称为硬上输出可以永久性保存的图形的绘图设备。后者也称为硬拷贝设备。拷贝

28、设备。硬拷贝设备硬拷贝设备:1）打印机（）打印机（Printer）按打印机的打印方式来分，目前常用的打印机有：点按打印机的打印方式来分，目前常用的打印机有：点阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。2）绘图仪（）绘图仪（Plotter）根据在图纸上形成图形的不同原理，绘图仪分为喷墨、根据在图纸上形成图形的不同原理，绘图仪分为喷墨、激光、静电和笔式绘图仪。喷墨和笔式绘图仪是目前常用激光、静电和笔式绘图仪。喷墨和笔式绘图仪是目前常用的绘图设备。的绘图设备。所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，而不是具体的物理设备。一种逻辑设备对应于一种或而不是具体的物理设备。一种逻辑设备对应于一种或一类特定的物理设备，而实际的图形输入设备又往往一类特定的物理设备，而实际的图形输入设备又往往是某些逻辑输入功能的组合。是某些逻辑输入功能的组合。