计算机辅助设计.ppt

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1、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,1.1 CAD技术的基本概念,计算机辅助设计，即英文Computer Aided Design，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

2、机辅助设计：Computer Aided Design。简称为CAD。 计算机辅助设计与制图：Computer Aided Design And Drafting。简称为CADD 计算机辅助制造：Computer Aided Made。简称为CAM。 计算机辅助设计与制造：Computer Aided Design And Made。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

3、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

4、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。,1.2 CAD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：,CAD技术发展的基本阶段及特点,1.3 CAD 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

5、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

6、，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。

7、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：,1.4 CAD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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、间 计算机动画（Computer Animation):效率高，质量高 例子：侏罗纪公园 计算机动画创作工具：3D MAX, 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,3.1 CAD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-a

13、 CAD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

14、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

15、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

16、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,3.2 CAD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题； 第二类：解决工程分析与计算问题； 第三类：解决文档写作与生成问题。, 基本图形资源软件 二 、三维绘图软件 几何造型软件 工程分析及计算软件 文档制作软件,目前，常用的商品化支撑软件有以下几类：,