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1、第一章第一章 CADCAD概论概论nCAD的基本概念的基本概念nCAD发展过程与应用发展过程与应用nCAD硬件系统硬件系统nCAD软件系统软件系统1武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu CAD的基本概念n定义：CAD是ComputerAidedDesign(计算机帮助设计)的简称。计算机帮助设计是将人和计算机的最佳特性结合起来，帮助进行产品的设计与分析的一种技术，是综合了计算机与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。nCAD狭义片面的定义：n用计算机进行科学计算n用计算机限制绘图机绘制出工程图纸2武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.
2、whut.edu CAD特点n计算机的特点是：具有速度快、精度高、不疲乏、储量大、不易出错的特点。n人的特点是：逻辑思维实力强，具有自我学习完善的智力，通过视听产生联想思维，有创建 性，能自我限制心情和爱好。n在绝大多数状况下，人和计算机的实力正好互补。通过人机对话，人和计算机可充分进行 沟通，发挥各自特性，达到最佳合作效果。3武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu CAD的基本功能n科学计算与分析功能：如产品常规设计、物理特性计算、优化设计、有限元分析、牢靠性分析、动态分析及数字仿真模拟等科学计算。n图形处理功能：如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模
3、拟及其图形输入输出功能等。n数据管理与数据交换功能：如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口功能等。n文档处理功能：如文档制作、编辑及文字处理等。n软件设计功能：如人机接口界面、软件工程规范及其工具系统的运用等。n网络功能：如Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理，异地、协同、虚拟设计及实时仿真等。4武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 传统的机械产品设计过程传统的机械产品设计过程设计任务书任务书分析确定设计任务书同类机械的调研和资料分析总体结构方案的拟定结构设计、绘图编写技术文件结束条件协商方案论证更改设计调整传统机械设计
4、方法的特点和局限性：传统机械设计方法的特点和局限性：设计方法设计方法-主要为类比设计和阅历设主要为类比设计和阅历设计计方案拟定主要取决于个人阅历方案拟定主要取决于个人阅历难以对设计方案进行优化难以对设计方案进行优化设计手段设计手段主要为手工方式主要为手工方式设计计算主要为静态、近似计算，设设计计算主要为静态、近似计算，设计结果不能完全反映零部件真实的工计结果不能完全反映零部件真实的工作状态作状态设计结果的牢靠性、精确性不佳设计结果的牢靠性、精确性不佳设计周期长设计周期长绘制装配图、零件图占整个设计周期绘制装配图、零件图占整个设计周期的的70%左右的时间左右的时间设计中存在的问题在样机试制、装配
5、、设计中存在的问题在样机试制、装配、调试时才能发觉调试时才能发觉5武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 机械产品CAD过程产品模型工程分析动态模拟自动绘图NCPCAD应用软件设计经验专家知识决策方法工程数据库知识库算法图形库提出设计任务确定设计目标建立设计模型设计综合分析计算审核检验表达设计结果CAD过程模型6武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu CAD的优越性 n提高设计效率，缩短设计周期。接受CAD，能明显地削减设计计算、图纸制作和资料检索的时间，大大提高设计速度。n提高设计质量。常规设计中，为了削减计算量，计算的精度
6、受到限制，有些错误常常很难在设计阶段发觉。但在CAD中，数学模型一般都比较精确，计算精度大大提高，而且可以进行优化设计、有限元分析等计算，使设计结果精确牢靠。同时，由于设计人员摆脱了繁重、简洁、重复的劳动，从而能集中精力发挥创建性思维，设计出高质量的产品。n各部门信息沟通快速、牢靠。在常规设计中，设计是通过图纸作为媒体来传播的，由于图纸的设计、制作、存储和传递须要花费较多的时间，影响了各部门信息的沟通。在CAD系统中，信息可以通过电子文档来存储和传递，因此信息的沟通快捷而牢靠。同时，随着CADCAM技术的发展，CAD的信息可以干脆转化成CAPP和CAM所需的信息，为实现计算机集成制造打下基础。
7、n设计与分析工作模式的统一。CAD系统中集成了很多设计分析程序，设计人员可通过实时交互操作，对产品不断进行设计和分析，从而得到最佳设计结果。n有利于产品标准化、系列化、通用化。设计人员可以利用CAD系统建立标准图及标准设计库，也可以修改原有产品设计中的参数得到新的设计结果。由于可以充分利用以前的设计结果，CAD系统在标准化、系列化、通用化方面有突出的优势。7武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu CAD的主要任务(1)完成设计信息的计算机存贮和管理。完成设计信息的计算机存贮和管理。(2)开发工程设计的应用程序。开发工程设计的应用程序。(3)建建立立一一个个专专
8、用用图图形形系系统统或或利利用用一一个个通通用用图图形形系系统统，完完成产品造型和工程图绘制等任务。成产品造型和工程图绘制等任务。(4)将将工工程程数数据据库库、应应用用程程序序以以及及图图形形系系统统等等部部分分有有机机地地组组成成为为一一个个完完整整的的CAD系系统统，以以适适应应反反复复建建立立模模型型、评评价价模型和修改模型这种设计过程的须要。模型和修改模型这种设计过程的须要。8武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu CAD技术的产生和发展 n准备和酝酿时期（5060年头初）：CAD技术处于被动式的图形处理阶段。n蓬勃发展和进入应用时期（60年头）：提
9、出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。60年头中期出现了很多商品化的CAD设备，60年头末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人运用。n广泛运用的时期（70年头）：1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。出现了面对中小企业的CADCAM商品化系统。70年头末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，运用人数超过2.5万。n突飞猛进的时期（80年头）：在这个时期，图形系统和CADCAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装CAD系统至1988年发展到63000套。CADCAM技术从大中企业向小企业
10、扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产吕设计发展到用于工程设计和工艺设计。n开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（90年头）：由于微机加视窗9598NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。9武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 有关应用有关应用完整的涡轮机绘制和装配图（Autodesk公司供应）10武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 应用应用大楼设计的真实感三维绘制（ThomsonDigita
11、lImage公司供应）11武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 应用应用东方地毯图案（Lexidata公司供应）12武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 应用应用机场透视投影视图（Evans&Sutherland供应）13武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 应用应用布料的柔性效果（Rensselaer工业学院设计探讨中心供应）14武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 应用应用15武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu
12、 应用应用动画短片TinToy（Pixar供应）16武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 应用应用三维函数的曲面（WolframResearch公司供应）17武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 应用应用18武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu CAD系统的硬件系统的硬件CAD系统的硬件由主机和外围设备组成。图2.1CAD系统硬件的组成19武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 一主机一主机中心处理器中心处理器限制器：说明指令并限制指限制器：说明指令并限
13、制指令的执行依次令的执行依次主机主机运算器：执行算术运算和逻运算器：执行算术运算和逻辑运算辑运算内存贮器组成。内存贮器组成。二外存贮器二外存贮器(1)磁带。磁带。(2)磁盘。磁盘。(3)光盘。光盘。20武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 三输入设备三输入设备输入设备是向计算机输入数据、信息的设备总称。(1)键盘(2)鼠标器(3)数字化仪(4)扫描仪(5)数码相机扫描仪的工作原理如图所示。21武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 四输出设备四输出设备(1)打印机：撞击式打印机：24针点阵打印机打印机激光打印机非撞击式打印机
14、：喷墨打印机(2)绘图机：平板式绘图机笔式绘图机绘图机滚筒式绘图机喷墨绘图机非笔式绘图机激光绘图机静电绘图机22武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 五图形显示设备五图形显示设备显显示示器器件件有有阴阴极极射射线线管管（CRT）、液液晶晶显显示示（LCD）、激激光光显显示示、等等离离子子体体显显示示等等。当当前前最最常用的是阴极射线管显示器和液晶显示器。常用的是阴极射线管显示器和液晶显示器。显显示示器器所所显显示示的的数数字字、字字符符和和图图像像是是由由一一个个个个象象素素组组成成的的，象象素素是是显显示示屏屏上上的的最最小小信信息息，每每个个小小点点称称
15、作作一一个个象象素素。组组成成显显示示网网络络的的象象素素多多少少确确定定了了图图形形的的清清晰晰程程度度，通通常常用用辨辨别别率率表表示示，象象素素越越多多，辨辨别别率率越越高高。目目前前微微机机显显示示器器的的辨辨别别率率通通常常有有中中辨辨别别率率（600350，640480）和和高高辨辨别别率率（800600，1024768，12801024）两类。）两类。23武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu CAD系统的软件系统的软件系统软件系统软件CAD系统的软件可分为三个层次系统的软件可分为三个层次支撑软件支撑软件应用软件应用软件一系统软件一系统软件系系统
16、统软软件件指指操操作作系系统统和和系系统统好好用用程程序序等等，它它用用于计算机的管理、限制和维护。于计算机的管理、限制和维护。1操作系统。操作系统。2编译系统。编译系统。3系统好用程序。系统好用程序。24武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 二支撑软件二支撑软件1图形处理软件。负责CAD的绘图。2几何建模软件。Pro/E等3数据库管理系统。如FoxBASE，FoxPRO，工程数据库等计算方法库：如解线性方程组。优化方法软件：4工程分析及计算软件有限元分析软件：如ADINA等机构分析及机构综合的软件：系统动态分析软件。5文档制作软件。WPS，WORD2000
17、等。25武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 三三应用软件应用软件应应用用软软件件是是用用户户为为解解决决各各类类实实际际问问题题，在在系系统统软软件件的的支支持持下下而而设设计计、开开发发的的程程序序，或或利利用用支支撑撑软软件件进进行行二二次次开开发发形形成成的的程程序序，应应用用软软件件的的功功能能和和质质量量干干脆脆影影响响CAD系统的功能和质量。系统的功能和质量。CAD系统的型式系统的型式一大（中）型机系统一大（中）型机系统二工作站系统二工作站系统三微机系统三微机系统四网络型系统四网络型系统26武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail
18、.whut.edu 图形输入设备图形输入设备用最通常的输入设备：键盘、鼠标协作用最通常的输入设备：键盘、鼠标协作CRTCRT显示器即可组成简易的交互式图显示器即可组成简易的交互式图形系统。但高性能交互式图形系统可能配备光笔、数字化仪、扫描仪、语音形系统。但高性能交互式图形系统可能配备光笔、数字化仪、扫描仪、语音输入系统和三维输入设备等图形设备。输入系统和三维输入设备等图形设备。1 1 光笔光笔由光笔检测到屏幕的光信号，然后传输给计算机，从而达到输入的目的。由光笔检测到屏幕的光信号，然后传输给计算机，从而达到输入的目的。2 2 数字化仪数字化仪是一种能将书写版面内的几何位置转换为数字坐标的图形输
19、入设备。现在应是一种能将书写版面内的几何位置转换为数字坐标的图形输入设备。现在应用最广泛的是电磁感应式数字化仪。用最广泛的是电磁感应式数字化仪。电磁感应式数字化仪原理：基板用非磁性材料制成，在基电磁感应式数字化仪原理：基板用非磁性材料制成，在基板下密布了相互绝缘的特殊铜线网格。在板下密布了相互绝缘的特殊铜线网格。在X X和和Y Y方向轮番以方向轮番以正弦、余弦信号激励网格。在传感笔或游标传感器中安装正弦、余弦信号激励网格。在传感笔或游标传感器中安装了接收线圈。接收线圈接收到感应信号后送至处理器，处了接收线圈。接收线圈接收到感应信号后送至处理器，处理器计算激励信号与传感器内接收线圈感应信号的相位
20、差，理器计算激励信号与传感器内接收线圈感应信号的相位差，从而换算出传感器所在位置的坐标。从而换算出传感器所在位置的坐标。27武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 3 3 触摸屏触摸屏容许用手指触摸屏幕来实现选择。触摸输入有光学的、电子的和声学的。精容许用手指触摸屏幕来实现选择。触摸输入有光学的、电子的和声学的。精度最高的属声学的。度最高的属声学的。声学触摸屏的原理：沿一块玻璃板的水平方向和垂直方向产生高频声波，触声学触摸屏的原理：沿一块玻璃板的水平方向和垂直方向产生高频声波，触摸屏幕引起的每个波有一部分被手指反射到放射器，接触点的屏幕位置由每摸屏幕引起的每个
21、波有一部分被手指反射到放射器，接触点的屏幕位置由每个波从发送与反射到放射器的时间间隔的测量来计算。个波从发送与反射到放射器的时间间隔的测量来计算。28武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 4 4 图形扫描仪图形扫描仪图形扫描仪是干脆把图形（如工程纸图）和图像图形扫描仪是干脆把图形（如工程纸图）和图像（如照片、广告画）扫描输入到计算机中，以象素（如照片、广告画）扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储的设备。信息进行存储的设备。原理：用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜原理：用光源照射原稿，投射光线经过一组光学镜头射到电荷耦合器件上，再经过模头射到电荷耦合器件
22、上，再经过模/数转换器、图数转换器、图像数据暂存器等，最终输入到计算机。像数据暂存器等，最终输入到计算机。辨别率：扫描仪的辨别率是指在原稿的单位长度辨别率：扫描仪的辨别率是指在原稿的单位长度（英寸）上取样的点数，单位是（英寸）上取样的点数，单位是dpidpi（每英寸的点（每英寸的点数），常用的辨别率有数），常用的辨别率有300dpi300dpi到到1000dpi1000dpi之间。之间。幅面：是指所支持的原稿最大尺寸。常用的有幅面：是指所支持的原稿最大尺寸。常用的有A0,A0,A1,A4A1,A4等。等。29武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 5 5 语音
23、系统语音系统包括语音输入和语音识别系统。广泛应用于代替键盘实现文字的语音识别录入。包括语音输入和语音识别系统。广泛应用于代替键盘实现文字的语音识别录入。这一技术已相当成熟，识别率可达这一技术已相当成熟，识别率可达95%95%以上。以上。原理：声音输入一般是对着安装在头套上的麦克风陈述的。麦克风设计成将其原理：声音输入一般是对着安装在头套上的麦克风陈述的。麦克风设计成将其它背景声音的输入降为最小。假如不同的操作员运用该系统，需进行确定的训它背景声音的输入降为最小。假如不同的操作员运用该系统，需进行确定的训练，随着操作员对识别结果的确认或选择，系统具有学习功能，会逐步提高识练，随着操作员对识别结果
24、的确认或选择，系统具有学习功能，会逐步提高识别率。别率。6 6 数据手套数据手套原理：是一种戴在手上的传感器，由一系列检测手原理：是一种戴在手上的传感器，由一系列检测手和手指运动的传感器构成。发送天线和接收天线之和手指运动的传感器构成。发送天线和接收天线之间的电磁耦合，用来供应关于手的位置和方向的信间的电磁耦合，用来供应关于手的位置和方向的信息。发送和接收天线各自由一组三个相互垂直的线息。发送和接收天线各自由一组三个相互垂直的线圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统。能给出用户全圈构成，形成三维笛卡儿坐标系统。能给出用户全部手指关节的角度变更，由应用程序推断出用户在部手指关节的角度变更，由应用程序推断
25、出用户在虚拟现实环境中进行操作时的手的姿态。虚拟现实环境中进行操作时的手的姿态。30武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 计算机绘图设备计算机绘图设备象显示器一样，绘图机也分为随机矢量式和光栅点阵式两大类。它们的发展都象显示器一样，绘图机也分为随机矢量式和光栅点阵式两大类。它们的发展都特殊快速，且种类繁多。特殊快速，且种类繁多。1 1 滚筒式绘图机滚筒式绘图机随机矢量式31武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 2 2 平板式绘图机平板式绘图机随机矢量式32武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.e
26、du 3 3 喷墨式彩色绘图机喷墨式彩色绘图机光栅点阵式33武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 4 4 静电式绘图机静电式绘图机光栅点阵式34武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 图形系统图形系统35武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 图形系统图形系统36武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 图形系统图形系统37武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu 图形系统图形系统38武汉理工高校 物流工程学院 罗齐汉 qhluomail.whut.edu