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计算机辅助设计技术基础教程 清华大学计算机基础教育课程系列教材唐龙等编著 第1章CAD技术概述 1 1CAD技术应用与发展概况1 2CAD系统的软硬件技术基础 1 1CAD技术应用与发展概况1 1 1计算机辅助设计 CAD 的概念CAD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 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 提高设计质量的目的 简单地讲 CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的 CAD概念的实质在于 1 人机各尽所长 2 人机交互结合 3 最佳设计效率 CAD技术的主要作用如下 1 提高设计质量和设计效率 2 能够充分发挥设计人员创造性 3 缩短产品的设计周期 1 1 2CAD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CAD技术 CAD技术是企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777飞机是世界上第一架实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CAD 电子沙盘 机械设计CAD等 仿真模拟和动画制作 在电影制作中的成功应用 如 未来世界 玩具总动员 侏罗记公园 等在轻工行业的应用 如模具CAD和服装CAD等 在医学中的应用 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 我国科学技术部在CAD应用工程2000年规划纲要中指出 到2000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CAD技术 实现 甩掉图板 指传统设计中的描图板 提高智能劳动效率 推广我国CAD市场 扶持发展以CAD为突破口的我国自主创新的软件产业 建立起我国的CAD产业 到2000年 我国机械制造业应用CAD技术的普及率和覆盖率均达70 以上 工程设计行业CAD技术的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 1 沈阳变压器厂用CAD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 从而赢得了三峡工程的招标项目 2 泸东造船厂应用CAD技术后 生产技术准备周期缩短1 3以上 造船的设计开发能力提高一倍 3 西北电力设计院用CAD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6处隐藏在图纸中的错误 当即进行了修改 4 寰球化工工程公司应用CAD技术 在盘绵乙烯装置工程中 进行碰撞检测后 使95 以上的错误得以纠正 在总长20多万米的管道设计中 施工结束后剩余钢管不到10米 1 1 3CAD技术应用实例图示 一些图形网站如 1 1 4CAD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 软件技术的发展而发展 1 准备和诞生时期 20世纪50 60年代 电子管计算机1950MIT能够显示简单图形的图形显示器1958Calcomp滚筒式绘图机20世纪50年代末SAGE战术防空系统 2 蓬勃发展和进入应用的时期 20世纪60年代 1962 IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式图形系统 计算机及图形设备价格昂贵 技术复杂 计算机图形学的发展 如Coons曲面 3 广泛应用时期 20世纪70年代 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CAD系统 图形设备相继推出并完善 图形软件和CAD应用支撑软件不断得到充实与提高 4 飞速发展时期 20世纪80年代 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UNIX系统支撑的SUN工作站 图形软件更加成熟 5 日趋成熟的时期 20世纪90年代 出现基于PC平台的价廉物美的CAD系统 CAD系统的标准化 CGI GKS GKS 3D PHIGS OpenGL IGES STEP 智能化CAD系统 集成化 科学计算可视化 虚拟设计 虚拟制造 1 1 5CAD软件技术的发展以机械行业为例 说明CAD软件技术的发展历程 20世纪60年代 CAD的主要技术特点是交互式二维绘图和三维线框模型 20世纪70年代 CAD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CATIA 20世纪80年代 CAD的主要技术特征是实体造型理论和几何建模方法 代表软件I DEAS 20世纪90年代 CAD技术基础理论主要是以PTC的Pro Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC的I DEAS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 1 1 6发展趋势微机化 集成化 智能化 网络化 可视化 并行化 标准化 1 2CAD系统的软硬件技术基础 什么是CAD系统 CAD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息处理系统 CAD系统与一般计算机系统的差别 一般计算机系统 计算机 外围设备 CAD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 1 2 1CAD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 硬件平台 网络 计算机 绘图机 打印机 操作系统 Windows3 x Windows95 98 NT UNIX 网络协议 TCP IP SPX IPX 数据库系统 Oracle Sybase Forpro CAD工具软件 AutoCAD Solidworks Pro E CAD工程应用软件 硬件系统 系统软件 支撑软件 应用软件 CAD系统的体系结构 2 系统功能分析 1 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 2 软件应具备的基本功能 就机械产品CAD系统来讲 应是 产品几何造型的功能 线框 曲面与实体造型 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 CAD软件 CAD专用软件 CAD支撑软件 优化方法库 图形支撑软件 数据库软件 有限元分析软件 3 CAD系统软件层次结构 1 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 装入与运行 操作系统 Windows95 98 UNIX WindowsNT等 语言编译系统 VisualC C VisualBasic AutoLisp等 2 支撑软件是为满足CAD CAM用户共同需要而开发的通用软件 数据库管理系统 Foxpro ORACLE INFORMIX Sybase等 计算机分析软件 ANSYS NASTRAN ADAMS等 图形支撑软件 可分为图形处理语言及交互式绘图软件 3 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CAD工作者的一项重要工作 4 常用CAD软件国内应用较广的微机CAD软件有 Autodesk公司的AutoCAD及MDT Solidworks公司的Solidworks 美国CV公司的CADDS软件的微机版本PD PersonalDesigner MicroStation软件 Micro CADAM软件 CADKEY软件 SolidEdge软件等 工程工作站CAD CAM系统软件有 美国SDRC公司开发的I DEAS IntegratedEngineeringAnalysisSoftware IBM公司开发的CATIA Computer GraphicsAidedThree DimensionalInteractiveApplications 法国Matra公司EUCLID软件 美国EDS公司UGII UNIGRAPHICSII 软件 美国PTC公司Pro Engineer系统 1 2 2CAD系统的类型按照CAD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 CAD系统可分为主机型CAD系统 工程工作站CAD系统 微机CAD系统和基于网络环境的CAD系统 CAD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算机 1 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 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 SUN SGI HP DEC和IBM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CAD系统中占有主导地位 2 微机CAD系统是以一台微机为主的单用户系统 微机CAD硬件系统 主机 操作系统 显示设备 图形显示器 输入设备 外存储器 输出设备 通讯接口 3 网络分布CAD系统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 CAD网络示例 TCP IP Server Client 文件服务器 数据库服务器 微机 工作站 1 2 3计算机及其输入输出设备 CAD硬件 计算机主机 图形输入设备 图形绘制设备 图形显示设备 扫描仪 数字化仪 数码相机 光栅扫描显示器 液晶显示器 打印机 绘图机 笔式绘图机 喷墨绘图机 CAD硬件设备 1 微机组成与分类 按微机的设备组成 微机设备可分为内 外两部分 内部设备通常包括主板 CPU 内存储器 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 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 调制解调器等 2 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信号 并传送给计算机 1 物理设备键盘 鼠标器 数字化仪 图形输入板键盘由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成 鼠标器可以方便 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 数字化仪和图形输入板矢量图形输入设备 语音输入与扫描输入 2 逻辑设备图形输入设备从逻辑上分为6种功能 即定位 locator 笔划 stroke 数值 valuator 选择 choice 拾取 pick 及字符 string 也可称为6种逻辑设备 图形输入设备的逻辑分类 名称 相应的典型设备 基本功能 定位 鼠标器 拇指轮 输入一个点的坐标 笔划 鼠标器 拇指轮 输入一系列点的坐标 数值 数字键盘 输入一个整数或实数 选择 功能键 鼠标器 由一个整数得到某种选择 拾取 光笔 鼠标器 拾取一个显示着的图素 字符串 字符键盘 输入一串字符 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 3 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上输出可以永久性保存的图形的绘图设备 后者也