武汉大学CAD第1-1章绪论13

1、肖惠民q主要内容主要内容（共（共5节）：节）：1.1 CAD的内涵和功能的内涵和功能1.2 CAD技术的发展技术的发展1.3 CAD技术的应用技术的应用1.4 CAD系统的硬件系统的硬件1.5 CAD系统的软件系统的软件 结合工程设计的结合工程设计的主要设计环节主要设计环节和和基本设计要求基本设计要求，介绍了，介绍了CAD的功能和的功能和特点特点；CAD技术的发展技术的发展与与应用、应用、CAD系统硬软件的组成系统硬软件的组成 肖惠民CAD技术的应用对于提高产品的设计效率和设计质量，增强产品的市场竞技术的应用对于提高产品的设计效率和设计质量，增强产品的市场竞争力具有重要的作用争力具有重要的作用

2、工程设计的过程包括：设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、工程设计的过程包括：设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计评价和设计表示设计评价和设计表示CAD的功能就是在工程设计的过程中起相应的作用的功能就是在工程设计的过程中起相应的作用 CAD的功能的功能肖惠民肖惠民（1）信息提供）信息提供（设计需求分析）（设计需求分析） CAD系统一般带有图形库和数据库，且可以通过网络与其他大型信系统一般带有图形库和数据库，且可以通过网络与其他大型信息库连接，因此可借助息库连接，因此可借助CAD系统查询市场需求信息和各种与该设计、制造系统查询市场需求信息和各种与该设计、制造有个的技术信息有个的

3、技术信息（2）决策支持系统）决策支持系统（概念设计）（概念设计） 专家的知识、经验及创造性思维专家的知识、经验及创造性思维 人工智能专家系统人工智能专家系统（3）几何造型）几何造型（设计建模）（设计建模）（4）工程分析）工程分析（设计分析）（设计分析） CAD的技术基础，的技术基础， 包括有限元分析、优化设计方法、可靠性方法、包括有限元分析、优化设计方法、可靠性方法、物理特性计算、机械系统运动学和运动学分析、计算机模拟仿真等物理特性计算、机械系统运动学和运动学分析、计算机模拟仿真等（5）评价决策）评价决策（设计评价）（设计评价）（6）图形和文字处理）图形和文字处理（设计表示）（设计表示） 绘制

4、工程图绘制工程图 设计文档制作（工艺指导文件、设计说明书、产品说明书设计文档制作（工艺指导文件、设计说明书、产品说明书等）等） 肖惠民人计算机计算机系统（设计与计算）描述设计模型输入设计要求数据库图形库程序库计算结果满意否？输出设计样图及技术文件NY肖惠民产品、工程设计数据库产品、工程设计数据库图形程序库图形程序库应用程序库应用程序库存储设计所需的信息，如有关标准、线图、表格和计算公式等存储设计所需的信息，如有关标准、线图、表格和计算公式等利用图形库进行二维、三维的图形信息处理，绘制工程设计图样，建立标利用图形库进行二维、三维的图形信息处理，绘制工程设计图样，建立标准零部件图形库等准零部件图形

5、库等通用或专用设计程序，如通用数学方法计算程序、常规设计程序、优化设通用或专用设计程序，如通用数学方法计算程序、常规设计程序、优化设计程序和有限元方法计算程序等计程序和有限元方法计算程序等肖惠民建立了上述数据库后，就能开展以下建立了上述数据库后，就能开展以下CAD工作：工作：1、向、向CAD系统输入设计要求，建立产品模型系统输入设计要求，建立产品模型2、利用应用程序进行设计、优化，确定设计方案及主要参数、利用应用程序进行设计、优化，确定设计方案及主要参数3、对初步设计图形进行修改，最后由设计人员确定设计结果、对初步设计图形进行修改，最后由设计人员确定设计结果4、利用图形处理和动画技术，对产品模

6、型进行图形仿真、利用图形处理和动画技术，对产品模型进行图形仿真5、输出设计结果，包括设计计算数据、图样和文档等、输出设计结果，包括设计计算数据、图样和文档等将工程数据库、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需要 肖惠民 CAD的主要任务的主要任务 (1) 设计信息的计算机存贮和管理。设计信息的计算机存贮和管理。 (2) 通过应用程序完成工程设计。通过应用程序完成工程设计。 (3)利用专用图形系统或

7、通用图形系统，完成产品造型和工程图绘制等任利用专用图形系统或通用图形系统，完成产品造型和工程图绘制等任务务肖惠民应用应用CAD技术有以下优越性：技术有以下优越性：(1)可以提高设计效率，缩短设计周期，减少设计费用。可以提高设计效率，缩短设计周期，减少设计费用。(2) 为产品最优设计提供了有效途径和可靠保证。为产品最优设计提供了有效途径和可靠保证。(3) 尺寸准确，改图方便。尺寸准确，改图方便。(4) 利于设计工作的规范化、系列化和标准化。利于设计工作的规范化、系列化和标准化。(5) 可为计算机辅助制造和检测（可为计算机辅助制造和检测（CAM，CAT）提供数据准备。）提供数据准备。(6) 有利于

8、设计人员创造性的充分发挥有利于设计人员创造性的充分发挥 肖惠民 己有己有50余年的历史余年的历史 20世纪世纪50年代年代出现出现 由单纯的二维、三维绘图到几由单纯的二维、三维绘图到几何造型、工程分析、模拟仿真、设计文档生成等何造型、工程分析、模拟仿真、设计文档生成等 了解了解CAD技术的发展历程和趋势有助于今后有效地应用和发展这项技术技术的发展历程和趋势有助于今后有效地应用和发展这项技术1.2.1 CAD技术的发展历程技术的发展历程 CAD技术的技术的核心核心和和基础基础是是计算机图形处理技术计算机图形处理技术 CAD技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并技术的发展与计算机图形学的发展密

9、切相关，并伴随计算机及其伴随计算机及其外围设备的发展而发展外围设备的发展而发展肖惠民 1950年美国麻省理工学院（年美国麻省理工学院（MIT）研制出）研制出“旋风旋风I号号”（whirlwind I）类似于示波器的图形设备，用它可以显示简单图形类似于示波器的图形设备，用它可以显示简单图形 1958年，美国年，美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪；公司研制出滚筒式绘图仪；Gerber公司研制公司研制出平板绘图仪出平板绘图仪 1、准备和酝酿时期（上世纪、准备和酝酿时期（上世纪5060年代初）年代初） 整个整个50年代，大多采用电子管计算机、用机器语言编程，计算机主要年代，大多采用电子管计算机、

10、用机器语言编程，计算机主要用于科学计算，为之配备的图形设备仅具有输出功能，用于科学计算，为之配备的图形设备仅具有输出功能，CAD技术处于被技术处于被动式的图形处理阶段动式的图形处理阶段 计算机图形学计算机图形学(Computer Graphics，CG)研究通过计算机将数据研究通过计算机将数据转换成图形，并在专用设备上显示的原理，方法和技术的学科转换成图形，并在专用设备上显示的原理，方法和技术的学科 CAD技术的发展阶段技术的发展阶段肖惠民 1962年美国年美国MIT林肯实验室林肯实验室 IE.Suther1and（萨瑟兰）（萨瑟兰） “Sketchpad：一个人机通讯的图形系统：一个人机通讯

11、的图形系统”的博士论文的博士论文 首次提出计算机首次提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想 60年代中期：年代中期： 商品化的商品化的CAD设备，如设备，如1964年美国年美国IBM公司推出了商公司推出了商品化的计算机绘图设备；美国通用汽车公司的多路分时图形控制台，实品化的计算机绘图设备；美国通用汽车公司的多路分时图形控制台，实现各阶段的汽车设计。现各阶段的汽车设计。 60年代末：美国年代末：美国CAD工作站已达工作站已达200多台，可供几百人使用多台，可供几百人使用 2、蓬勃发展和进入应用时期（上世纪、蓬勃发展和进入应用时期

12、（上世纪60年代）年代）肖惠民 1970年美国年美国App1icon公司第一个推出完整的公司第一个推出完整的CAD系统系统 廉价的固体电路随机存储器廉价的固体电路随机存储器 产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、图形输入板等图形输入设备产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、图形输入板等图形输入设备 面向中小企业的面向中小企业的CAD/CAM商品化系统商品化系统 70年代末，美国年代末，美国CAD工作站数量超过工作站数量超过12000台，使用人数超过台，使用人数超过2.5万万 只能解决简单的产品设计问题，如二维绘图及三维线框造型等只能解决简单的产品设计问题，如二维绘图及三维线框造型等3、广泛使用的时

13、期（上世纪、广泛使用的时期（上世纪70年代）年代）肖惠民 4、突飞猛进的时期（上世纪、突飞猛进的时期（上世纪80年代）年代） 工程工作站和微型计算机出现工程工作站和微型计算机出现 新理论、新算法的大量涌现新理论、新算法的大量涌现实体造型理论及系统的发展与应用实体造型理论及系统的发展与应用 分布式联网工作站分布式联网工作站CAD系统的典型硬件环境系统的典型硬件环境 微型计算机微型计算机CAD应用软件应用软件 由二维工程图发展到三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构由二维工程图发展到三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构分析与仿真等分析与仿真等肖惠民 提高提高CAD软件的与设备无关性和可移植性

14、软件的与设备无关性和可移植性 满足不同满足不同CAD系统间的数系统间的数据交换要求据交换要求 推出了图形标准推出了图形标准 诸侯割据时代诸侯割据时代70年代以前年代以前 标准讨论时代标准讨论时代1974年年 美国国家标准化局（美国国家标准化局（ANSI） ACM SIGGRAPH “与机器无关的图形技术与机器无关的图形技术”的工作会议的工作会议 标准形成时代标准形成时代ACM于于1977、1979年先后制定和修改了年先后制定和修改了“核心图形系核心图形系统统”（Core Graphics System）肖惠民 （1）面向图形设备的驱动程序包面向图形设备的驱动程序包 计算机图形接口计算机图形接口

15、CGI（Computer Graphics Interface） 计算机图形文件标准计算机图形文件标准CGM（Computer Graphics Metafile） （3）面向不同面向不同CAD系统的文档规范系统的文档规范 基本图形转换规范基本图形转换规范IGES（Initial Graphics Exchange specification） 产品数据规范产品数据规范STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data） （2）面向用户的图形程序包面向用户的图形程序包 计算机图形核心系统计算机图形核心系统GKS （Graphics Kern

16、el System） 面向程序员的层次交互式图形标准面向程序员的层次交互式图形标准PHIGS（Programmers Hierarchical Interactive Graphics Standard） 为为CAD技术的推广和移植技术的推广和移植 资源信息共享起到了重要作用资源信息共享起到了重要作用 ISO：肖惠民 非官方标准非官方标准-SGI公司的公司的OpenGL 微软公司的微软公司的Direct X X财团的财团的X-Window系统系统 Adobe公司的公司的Postscript等等 5、集成、智能、网络化时代（、集成、智能、网络化时代（ 20世纪世纪90年代以来）年代以来） CAD

17、造型技术：造型技术：特征造型特征造型 基于约束的参数化基于约束的参数化 变量化造型方法变量化造型方法 非流非流形形体造型形形体造型 基于网络的设计基于网络的设计 协同的概念设计协同的概念设计肖惠民1.2.2 CAD技术的发展趋势技术的发展趋势 集成化集成化 网络化网络化 智能化智能化 标准化标准化 （1）集成化）集成化功能、信息、过程及企业集成功能、信息、过程及企业集成 功能集成功能集成 由由CAD（计算机辅助设计）（计算机辅助设计）CAM（计算机辅助制造）（计算机辅助制造）CAE（计算机（计算机辅助工程）辅助工程）CAPP（计算机辅助工艺设计）（计算机辅助工艺设计）PDM（产品数据管理）构（

18、产品数据管理）构成的成的CIMS(计算机集成制造系统计算机集成制造系统) 软件（含国际标准）和算法固化软件（含国际标准）和算法固化 多处理机、并行处理技术多处理机、并行处理技术 网络技术实现了异地、协同、虚拟设计和制造网络技术实现了异地、协同、虚拟设计和制造肖惠民 （2）网络化）网络化 （3）智能化）智能化 人工智能技术人工智能技术 专家系统技术专家系统技术 智能化智能化CAD系统系统 （4）标准化）标准化 1. 简述简述CAD的发展历程的发展历程 。2. CAD技术的发展趋势技术的发展趋势 。肖惠民产品、工程设计：产品、工程设计： 绘制二维、三维工程图绘制二维、三维工程图 二维图二维图线框图线框图实体图实体图肖惠民 建立图形及符号库建立图形及符号库 参数化设计参数化设计 相似结构的标准化或系列化零部件相似结构的标准化或系列化零部件 参数化定义参数化定义 图形程序库图形程序库 三维造型三维造型 装配装配 运动仿真运动仿真变速器三维造型变速器三维造型肖惠民变速器装配变速器装配肖惠民 工程分析工程分析 工程分析工具：有限元分析工程分析工具：有限元分析 优化设计优化设计 运动学以及动力学分析运动学以及动力学分析 模拟模拟仿真等仿真等 进行合理的结构、强度、运动等设计工作进行合