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1、计算机辅助设计计算机辅助设计技术基础教程技术基础教程清华大学计算机基础教育课程系列教材清华大学计算机基础教育课程系列教材 唐龙等编著唐龙等编著第第1章章 CAD技术概述技术概述 1.1CAD技术应用与发展概况技术应用与发展概况1.2 CAD系统的软硬件技术基础系统的软硬件技术基础 1.1CAD技术应用与发展概况技术应用与发展概况1.1.1计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)的概念的概念 CADCAD是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用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。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。
2、它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息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、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。提高设计质量的目的。简单地讲，简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的。的设计目的。CAD概念的实质在于：概念的实质在于：（1）人机各尽所长；人机各尽所长；（2）人机交互结合；人机交互结合；（3）最佳设计效率。最佳设计效率。CAD技术的主要作用如下技术的主要作用如下:（1）提高设计质量和设计效率。）提高设计质量和设计
3、效率。（2）能够充分发挥设计人员创造性。）能够充分发挥设计人员创造性。（3）缩短产品的设计周期。）缩短产品的设计周期。1.1.2CAD技术的重要应用技术的重要应用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。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。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、
4、轻纺行业还是文是制造加工行业，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体、影视广告行业等都离不开CAD技术。技术。CAD技术是企技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。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：如波音在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。现无纸设计与制造的飞机。在工程领域中的应用：如建筑设计在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机电子沙盘；机械设计械设计CAD等。等。仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如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
5、未来世界”、“玩具总动员玩具总动员”、“侏罗记公园侏罗记公园”等等在轻工行业的应用：如模具在轻工行业的应用：如模具CAD和服装和服装CAD等。等。在医学中的应用：在医学中的应用：计算机辅助手术规划和手术模拟。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。在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。我国科学技术部在我国科学技术部在CAD应用工程应用工程2000年规划纲要年规划纲要中指出：中指出：“到到2000年，在国民经济主要部门的科研、设年，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计单位和企业中全面普及推广CAD技术，实现技术，实现甩掉甩掉图板
6、图板（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国推广我国CAD市场，扶持发展以市场，扶持发展以CAD为突破口的我国为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的自主创新的软件产业，建立起我国的CAD产业产业”。到到2000年，我国机械制造业应用年，我国机械制造业应用CAD技术的普及技术的普及率和覆盖率均达率和覆盖率均达70%以上；工程设计行业以上；工程设计行业CAD技术的技术的普及率和覆盖率均达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：技术在我国工程和产品设计的一些应用实例：（1）沈阳变压器厂用沈阳变压器厂用C
7、AD技术输出三峡工程项目三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。三峡工程的招标项目。（2）泸东造船厂应用）泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期技术后，生产技术准备周期缩短缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。以上，造船的设计开发能力提高一倍。（3）西北电力设计院用）西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三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，共查出维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。在图纸中的错误，当即进行了修改。
8、（4）寰球化工工程公司应用）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使置工程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以以上的错误得以纠正，在总长纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到余钢管不到10米。米。1.1.3CAD技术应用实例图示技术应用实例图示一些图形网站如一些图形网站如http:/ CAD 软件软件CAD专用软件专用软件CAD支撑软件支撑软件优化方法库优化方法库图形支撑软件图形支撑软件数据库软件数据库软件有限元分析软件有限元分析软件系统软件系统软件操作系统操作系统高级语言编译器高级语言
9、编译器网络软件网络软件3.CAD系统软件层次结构系统软件层次结构（1）系统软件系统软件主主要要用用于于计计算算机机的的管管理理、维维护护、控控制制以以及及计计算算机机程程序序的的翻翻译译、装入与运行。装入与运行。操作系统：操作系统：Windows95/98、UNIX、WindowsNT等。等。语言编译系统：语言编译系统：VisualC/C+、VisualBasic、AutoLisp等。等。（2 2）支撑软件）支撑软件 是为满足是为满足CAD/CAM用户共同需要而开发的通用软件。用户共同需要而开发的通用软件。数据库管理系统：数据库管理系统：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/Sybas
10、e等。等。计算机分析软件：计算机分析软件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS等。等。图形支撑软件：可分为图形处理语言及交互式绘图软件。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）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。开发应用软件是件是CAD工作者的一项重要工作。工作者的一项重要工作。（4）常用）常用CAD软件软件国内应用较广的微机国内应用较广的微机CAD软件有：软件有：Autodesk公司的公司的AutoCA
11、D及及MDT,Solidworks公司的公司的Solidworks，美国美国CV公司的公司的CADDS软件的微机版本软件的微机版本PD（PersonalDesigner）;MicroStation软件，软件，Micro-CADAM软件，软件，CADKEY软件，软件，SolidEdge软件等。软件等。工程工作站工程工作站CAD/CAM系统软件有：系统软件有：美美 国国 SDRC公公 司司 开开 发发 的的 I-DEAS（IntegratedEngineeringAnalysisSoftware），），IBM公公司司开开发发的的CATIA（Computer-Graphics AidedThree-
12、DimensionalInteractiveApplications），），法国法国Matra公司公司EUCLID软件，软件，美国美国EDS公司公司UGII(UNIGRAPHICSII)软件，软件，美国美国PTC公司公司Pro/Engineer系统系统。1.2.2CAD系统的类型系统的类型按按照照CAD系系统统中中采采用用的的计计算算机机类类型型、外外围围设设备备以以及及它它们们之之间间的的联联系系方方式式，CAD系系统统可可分分为为主主机机型型CAD系系统统、工工程程工工作作站站CAD系系统统、微微机机CAD系系统统和和基基于于网网络络环环境境的的CAD系统。系统。CAD系系统统经经历历过过
13、三三个个阶阶段段的的发发展展，即即许许多多用用户户共共享享一一台台计计算算机机；一一个个用用户户用用一一台台计计算算机机；一一个个用用户户共共享享多多台台计计算机。算机。（1）工程工作站系统工程工作站系统工工程程工工作作站站是是具具有有高高速速的的科科学学计计算算、丰丰富富的的图图形形处处理理、灵灵活活的的窗窗口口及及网网络络管管理理功功能能的的交交互互式式计计算算机机系系统统。这这种种系系统统的的特特点点是是：一一个个用用户户用用一一台台计计算算机机，并并且且具具有有联联网网功功能能。这这也也是是它它与与具具有有分分时时系系统统的的超超级级小小型型机机的的不不同同之之处。处。SUN、SGI、
14、HP、DEC和和IBM等等大大型型计计算算机机公公司司广广泛泛采采用用工工程程工工作作站站系系统统，因因此此工工程程工工作作站站在在国国外外CAD系系统中占有主导地位统中占有主导地位。（2）微机）微机CAD系统系统是以一台微机为主的单用户系统。是以一台微机为主的单用户系统。微机微机CAD硬件系统硬件系统主机主机操作系统操作系统显示设备：图形显示器显示设备：图形显示器输入设备输入设备外存储器外存储器输出设备输出设备通讯接口通讯接口（3）网络分布网络分布CAD系统系统应用计算机技术和通信技术，将分布于各地的各类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。
15、计算机以网络形式连接起来进行产品的设计工作。CAD网络示例网络示例TCP/IPServerClient文件服务器文件服务器数据库服务器数据库服务器微机微机工作站工作站.1.2.3计算机及其输入输出设备计算机及其输入输出设备CADCAD硬件硬件计算机主机计算机主机图形输入设备图形输入设备图形绘制设备图形绘制设备图形显示设备图形显示设备扫描仪扫描仪数字化仪数字化仪数码相机数码相机光栅扫描显示器光栅扫描显示器液晶显示器液晶显示器打印机打印机绘图机绘图机笔式笔式绘图机绘图机喷墨绘图机喷墨绘图机CAD硬件设备硬件设备1.微机组成与分类微机组成与分类按按微微机机的的设设备备组组成成，微微机机设设备备可可分
16、分为为内内、外外两两部部分分：内内部部设设备备通通常常包包括括主主板板、CPU、内内存存储储器器、显显示示卡卡、电电源源、输输入入输输出出接接口口等等；其其中中输输入入输输出出接接口口又又分分为为串串行行口口和和并并行行口口，它它们们分分别别可可以以连连接接鼠鼠标标、打打印印机机等等外外部部设设备备；主主板板上上通通常常有有几几个个扩扩展槽，用来连接外部设备等。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、盘驱动器、键盘、鼠标、显示器、声卡、网卡、调制解调器等。调制解调器等。2.计算机输入
17、设备计算机输入设备 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。信号，并传送给计算机。（1）物理设备物理设备 键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板 键盘键盘 由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。鼠标器鼠标器 可以方便、准确地移动光标进行定位，它是窗口可以方便、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。软件和绘图软件的首选输入设备。数字化仪和图形输入板数字化仪和图形输入板 矢量图形输入设备。矢量图形输入设备。语音输入与扫
18、描输入语音输入与扫描输入（2）逻辑设备逻辑设备图图形形输输入入设设备备从从逻逻辑辑上上分分为为6种种功功能能，即即定定位位（locator）、笔笔划划（stroke）、数数值值（valuator）、选选择择（choice）、拾拾取（取（pick）及字符（及字符（string），），也可称为也可称为6种逻辑设备。种逻辑设备。图形输入设备的逻辑分类图形输入设备的逻辑分类名称名称相应的典型设备相应的典型设备基本功能基本功能定位定位鼠标器、拇指轮鼠标器、拇指轮输入一个点的坐标输入一个点的坐标笔划笔划鼠标器、拇指轮鼠标器、拇指轮输入一系列点的坐标输入一系列点的坐标数值数值数字键盘数字键盘输入一个整数或实
19、数输入一个整数或实数选择选择功能键、鼠标器功能键、鼠标器由一个整数得到某种选择由一个整数得到某种选择拾取拾取光笔、鼠标器光笔、鼠标器拾取一个显示着的图素拾取一个显示着的图素字符串字符串字符键盘字符键盘输入一串字符输入一串字符3.计算机图形输出设备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、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
20、也称为硬上输出可以永久性保存的图形的绘图设备。后者也称为硬拷贝设备。拷贝设备。硬拷贝设备硬拷贝设备:1）打印机（）打印机（Printer）按打印机的打印方式来分，目前常用的打印机有：点按打印机的打印方式来分，目前常用的打印机有：点阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。2）绘图仪（）绘图仪（Plotter）根据在图纸上形成图形的不同原理，绘图仪分为喷墨、根据在图纸上形成图形的不同原理，绘图仪分为喷墨、激光、静电和笔式绘图仪。喷墨和笔式绘图仪是目前常用激光、静电和笔式绘图仪。喷墨和笔式绘图仪是目前常用的绘图设备。的绘图设备。所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备，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。是某些逻辑输入功能的组合。