第1讲 计算机图形学与CAD技术-绪论

课程目标：了解CAD技术的基本原理了解CAD的建模理论及方法了解利用CAD进行机械产品设计的过程了解CAD中的计算分析基本原理及过程基本掌握典型CAD系统的简单操作了解CAD技术的工程应用课程主要内容：

计算机辅助设计系统组成

（软件、硬件、常用CAD系统等）

计算机图形学基本原理

(图形的描述、图形变换、图形显示）

计算机辅助设计中的建模技术（曲线曲面建模、实体建模、特征建模、装配建模等）

计算机辅助设计中的工程计算处理（一般工程数据处理、工程设计及计算处理）

专业机械CAD系统的应用开发方法简介（二维CAD系统及三维CAD系统的应用开发简介）

CAD技术在典型机械产品设计中的应用

课程教学思路：形体定义输入1形体定义输入2形体定义输入n内部CSG＋BREP表达布尔运算结果形体BREP表达三角剖分显示数据结构显示渲染显示参数定义工程应用学时安排32学时上课

20学时上机实验地点：东校区机房上机内容安排：曲面建模（4学时）零件设计（4学时）装配设计（4学时）计算分析（4学时）注意：上机时间安排参考书目《机械CAD技术》，王书亭等《计算机图形学教程》，唐荣锡等，第二版《计算机图形学》，孙家广，第三版《计算机辅助与非均匀有理B样条》，施法中《NURBS》，LesPiegl等《CAD/CAM/CAE》系统原理，KunwooLee等先修课程：《机械设计》、《计算方法》等CAX论坛/软件评价、使用心得、作品展示……仿真论坛——SimWe/forum/各种CAE软件工具及资料……软件评价、使用心得、技术资料学习交流源地国际国内各种CG、CAD学习网站。CG与CAD的异同CG：研究某一物体对象的计算机内部表达方法交互及显示方法，以可视化效果为目标，研究共性的交互显示技术，工程背景相对较弱。如：科学数据可视化，游戏动画的场景渲染显示等。CAD：研究某一工程设计对象的计算机表达、显示，设计计算与分析；更侧重专业对象的设计应用工具的强大，通常CG是其图形显示基础。如通用二、三维CAD软件工具，专业的机械设计工具，飞机、汽车设计工具等。注：本课程将结合机械工程的学科特点来主要介绍CAD技术——机械CAD技术，CG内容将穿插在CAD技术中，使CG、CAD融合为一个有机整体。第1讲机械CAD概论1.1．机械设计过程概述1.2．机械CAD技术概述1.2.1机械CAD的概念1.2.2机械CAD的内容1.2.3机械CAD的作用1.3．机械CAD系统构成1.3.1机械CAD系统层次结构1.3.2机械CAD系统的硬件1.3.3机械CAD系统的软件1.4．机械CAD技术的发展1.4.1机械CAD的发展历程1.4.2机械CAD的发展趋势1.5．CAD系统的选型附1.典型CAD系统软件介绍本章目的：了解机械CAD基本概念了解机械CAD的主要内容和作用了解机械CAD系统的构成了解机械CAD发展的历史和趋势1）机械设计的基本涵义机械设计就是根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、结构形状、运动方式、力和能量的传递、以及所用材料等事项，并转化为具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。机械设计是产品从需求分析、设计、制造、销售、使用和回收整个产品全生命周期中的一个重要环节，对产品成本的影响占80％。

1.1．机械设计过程概述电机驱动蜗杆减速器，带动曲柄连杆机构，从而推动输送执行机构，实现工件自动输送电能转化为机械能，实现机械运动例：某工件输送机构原理示意图市场需求调查提出开发计划设计任务书功能分析寻求解决方案拟订总体布局机械运动方案设计原理方案图主要尺寸及参数设计总体结构设计装配图零部件结构设计零件图技术文档产品规划阶段(需求分析)方案设计阶段（概念设计）技术设计阶段（详细设计）传统设计方法及流程:2）机械设计主要过程传统机械设计过程:需求分析调查研究、分析用户需求、收集资料，在此基础上确定产品功能，提出需求报告概念设计构思方案，分析和论证，获得一组可行的原理性方案，然后确定设计中一些大的框架，如绘制总体布局草图，确定各零部件的基本结构和形状，建立数学模型，进行主要设计参数的分析计算与优化详细设计确定对象的细部结构，完成装配图和零件图的绘制，编写技术文档工艺设计确定工艺流程，编制工序文件，设计工装夹具，编写工艺技术文档详细设计的终结并不意味着最终获得了一个好的设计机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产、以及销售使用后，会返回大量信息，需要对产品进行不断修改机械设计是一个“设计——评价——再设计”的反复迭代、不断优化的过程传统设计方法及工具：

手工计算，计算器（尺），绘图板，最后产生设计蓝图传统设计过程的特点:每一环节靠手工完成，容易出错设计方案靠经验，方案少，不优化不能进行复杂的力学分析，难以按动态的、精确的的方法计算大部分时间花在零件图、装配图上，可重用性差设计周期长、效率低，工作繁重3)机械CAD的需求背景在人工设计情况下，存在许多的缺点，因此实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求正是在这样的背景下产生了计算机辅助设计（CAD，ComputerAidedDesign

）1.2.1CAD的基本概念20世纪60年代的观点科学计算和分析或计算机控制绘图机绘制出工程图

1967年，美国学者D.T.ROSS的定义把设计者与计算机结合为一个问题求解组，使之较各自单独工作时能更有效地达到设计问题的目标

1972年，国际信息处理联合会的定义CAD是一种技术，其中人与机（计算机）结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科的方法的综合性协作提供了可能

1.2．机械CAD技术概述CAD基本概念综合定义CAD是用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、修改、分析和优化的一种设计方法。在CAD系统中人与计算机密切合作，在不同的方面人与计算机充分发挥各自的特长，因此CAD系统是一个人机结合的系统。CAD技术是一门多学科的综合性应用新技术，它涉及到以下基础技术：图形处理技术工程分析技术数据管理与数据交换技术文档处理技术软件设计技术CAD软件数学＋编程＋工程CAD概念的拓展CAD含义的衍生：CAD技术不断发展，不同领域对CAD技术的应用程度不同，对CAD技术的含义的理解也略有差异。ComputerAidedDraftingComputerAidedDesignComputerAdiedDevelopment基于CAD的设计过程产品开发周期与数字化制造技术之间的关系设计需求分析可行性研究与分析设计建模与仿真设计优化设计评价设计结果设计分析概念设计市场信息工艺规划编程控制工装夹具生产计划物料需求运输制造包装质量检验装配营销数字化制造数字化设计数字化生产规划基于CAD的数字化设计过程现在的CAD往往与CAE、CAPP、CAM、PLM（PDM）集成，形成集成化的CAD/CAE/CAPP/CAM/PLM（PDM）系统(即C4P)。

CAD几何建模，结构设计；CAE工程分析，性能优化；CAPP工艺路线及工序的编制；CAM生成刀具加工轨迹，生成加工代码；PLM（PDM）管理产品全生命开发过程中的数据、流程、团队、项目任务，实现协同开发（并行工程），集成开发平台。CADCAECAPPCAMCAD系统的基本功能：1)计算功能机械CAD系统除了要进行各种数值的计算之外，还应能运用已积累的设计经验，获得设计对象的几种设计方案，对结构进行物性参数计算和力学性能分析。2)人机交互功能在机械CAD中，人机接口是用户与系统的桥梁。友好的界面是保证用户有效地完成复杂设计任务的基本条件，此外还需要交互设备，以实现人与计算机之间的对话。1.2.2机械CAD系统的内容3)图形显示功能从产品的构思、方案、造型的确定，到结构分析评价，系统应能实时编辑处理，保证用户随时观察修改中间结果。图形显示功能应二维、三维图形处理等功能。4)存储功能利用机械CAD系统进行设计时，会涉及到大量的相关资料数据、图形数据、计算结果等各种数据，要求CAD系统具有强大的存储功能。5)输入输出功能利用机械CAD系统进行设计时，用户需要不断输入设计要求，同时也需要将系统处理的结果及时输出，相应的输入输出功能是系统的基本功能。

机械CAD系统的任务1）产品设计信息获取2）产品定义3）几何造型常用方法：用二维和三维的建模技术来生成；由二维和三维基本元素来建立；宏编程或者变量程序；使用参数CAD系统和基于特征的CAD系统，或者利用应用系统或设计系统。4）计算分析结构分析计算；检查和校验计算；优化计算。5）验证评价利用计算机对设计对象进行自动化的评价一般要求对该对象的几何特征进行解释，其目的是为了推导出设计对象的特性。6）修改设计7）提供文档1.2.3机械CAD的作用强有力的计算、图形、数据处理能力，设计方法、工具软件化，3D设计更直观支持复杂计算，计算精度高，减轻设计强度，提高了设计精度和可靠性设计、分析综合，能进行产品性能分析优化，有利提高产品质量设计信息、知识、资源及设计过程共享可重用性好（拷贝修改），设计效率高、周期短有利于产品全生命周期的信息集成CAD的工程应用CAD概念设计：功能原理、方案、布局等方面设计。思考问题：结合自己的专业背景，指出CAD的优势有哪些??二维工程制图三维几何建模及装配结构性能计算：如强度、刚度、动态特性等运动学及动力学分析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；美国道格拉斯公司生产F15战斗机，用CAD技术解决了发动机气道和机舱密封等问题；英国三叉戟飞机比美国波音747早开工，却晚一年完成，波音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；波音飞机早期维修手册有3米多厚，而现在一张光盘上可储存数千张图纸信息。CAD技术带来的经济效益明显,CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一。机械CAD的应用效果1.3.1机械CAD系统层次结构1.3．机械CAD系统构成

计算机系统：主机存储及网络设备：存储设备、网络设备图形输入：键盘、鼠标、光笔、数字化仪、扫描仪、虚拟现实输入设备输出设备：显示器、绘图机、打印机、虚拟现实输出设备1.3.2机械CAD系统的硬件组成1.3.3机械CAD系统的软件组成CAD软件系统的三个发展阶段：集中式系统：一台主机控制多台终端（早期模式，80年代中期，微机没普及），主机故障影响全部分离式系统：一台主机一套系统，工作相互不受影响，得益于工作站与微机的发展分布式系统：网络时代的产物，支持异地、异构平台协同工作（采用工作站和微机网络系统）CAD系统软件层次结构：操作系统、基础图形支撑平台、图形标准等集成化CAD/CAM软件、数据库管理系统、产品全生命周期管理软件等面向行业的专业化设计工具软件等CAD技术是在计算机软、硬件技术的基础上发展起来的，它的发展过程与计算机技术的发展息息相关。自从1945年美国制造出世界上第一台真空管数字式计算机ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子数字积分计算机)以来，利用计算机进行产品辅助设计技术的发展，大致经历了如下几个阶段：1.4．机械CAD技术的发展1.4.1机械CAD的发展历程孕育萌芽阶段（20世纪40年代末一50年代末）成长阶段（50年代末一60年代后期）应用发展阶段(70-80年代)成熟拓展阶段（90年代至今）计算机孕育萌芽阶段早期机械式计算机20世纪40年代~50年代真空管计算机机器语言编制程序设计变压器、电动机、发电机等美国、欧洲、日本CAD成长阶段50年代末～60年代后期晶体管计算机高级语言(FORTRAN,ALGOL等）文件系统(数据管理)磁带、磁鼓、磁盘（数据存储)图形显示、输出交互式图形生成技术(人机交互）I.E.Sutherland“人机图形通信系统”SKETCHPAD发展很快，但规模大，价格昂贵CAD应用发展阶段70年代以后大规模集成电路时代分时操作系统数据库系统计算机网络图形处理软硬件技术进一步发展人机交互图形生成技术更完善鼠标、数字化仪、图形输入板取代光笔光栅扫描图形显示器使图形更形象、逼真计算机控制的精密绘图机输出高质量的图纸CAD成熟拓展阶段各种现代设计方法、设计计算和分析方法优化设计、可靠性设计、系统工程有限元法、数值积分、偏微分方程数值解法CAD技术走向成熟70年代小型机为基础的CAD系统进入市场，“交钥匙”系统(TurnKeySystem)80年代超级小型机及超级微机工作站给CAD技术极大推动90年代以微机为基础的CAD系统受到欢迎60～70年代，以二维绘图为基础的CAD设计技术80年代后期，以三维参数化特征造型为基础的3D数字化产品建模90年代中期，以多体动力学、多领域建模仿真、多学科协同优化为理论基础的数字样机技术90年代后期，以PLM为平台基础的多学科、多团队、跨地域的协同设计与仿真技术RealisticSimulation基于真实仿真的产品开发技术（远景规划）CAD发展历程及展望1.4.2机械CAD技术的发展趋势集成化网络化智能化标准化专业化(工具化) 想一想：未来你需要什么样的CAD系统？？？CAD技术发展趋势：1）集成化功能齐全完整、整体协调一致（当前集成创新也被广泛认可）就像大型综合医院与专科医院的关系、地位。思考问题：为什么要集成化CAD（或CAX）？？？集成化需求1）集成化

一个企业存在着许多不同时期、不同人员开发的互相缺乏联系的独立应用软件(或模块)，产生各种不同应用的重要数据，主要表现在：

1）功能各异、孤立的系统封闭运行，难于取得及时综合信息；

2）各孤立系统自成一体，数据重复和冗余、浪费资源；

3）各孤立系统只能通过各自接口进行转换，易造成信息丢失；

4）各孤立系统间不能直接通过数据库和网络实现信息共享；

5）各孤立系统自行开发，低水平重复，人力资源浪费。集成化的含义多种软件