第1講 計算機圖形學與CAD技術-緒論

1、華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 了解了解CAD技術的基本原理技術的基本原理 了解了解CAD的建模理論及方法的建模理論及方法 了解利用了解利用CAD進行機械產(chǎn)品設計的過程進行機械產(chǎn)品設計的過程 了解了解CAD中的計算分析基本原理及過程中的計算分析基本原理及過程 基本掌握典型基本掌握典型CAD系統(tǒng)的簡單操作系統(tǒng)的簡單操作 了解了解CAD技術的工程應用技術的工程應用華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 計算機輔助設計系統(tǒng)組成 （軟件、硬件、常用CAD系統(tǒng)等） 計算機圖形學基本原理 (圖形的描述、圖形變換、圖形顯示） 計算機輔助設計中的建模技術 （曲線曲面建模、實體建模、特征建模

2、、裝配建模等） 計算機輔助設計中的工程計算處理 （一般工程數(shù)據(jù)處理、工程設計及計算處理） 專業(yè)機械CAD系統(tǒng)的應用開發(fā)方法簡介 （二維CAD系統(tǒng)及三維CAD系統(tǒng)的應用開發(fā)簡介） CAD技術在典型機械產(chǎn)品設計中的應用華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 課程教學思路：形體定義形體定義輸入輸入1形體定義形體定義輸入輸入2形體定義形體定義輸入輸入n內(nèi)部內(nèi)部CSGBREP表達表達布爾布爾運算運算結果形體結果形體BREP表達表達三角三角剖分剖分顯示數(shù)顯示數(shù)據(jù)結構據(jù)結構顯示顯示渲染渲染顯示參顯示參數(shù)定義數(shù)定義工程工程應用應用華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 32學時上課 20學時上機實

3、驗 地點：東校區(qū)機房 上機內(nèi)容安排： 曲面建模 （4學時） 零件設計 （4學時） 裝配設計 （4學時） 計算分析 （4學時） 注意：上機時間安排華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心參考書目參考書目機械機械CAD技術技術，王書亭等，王書亭等計算機圖形學教程計算機圖形學教程，唐榮錫等，第二版，唐榮錫等，第二版計算機圖形學計算機圖形學，孫家廣，第三版，孫家廣，第三版計算機輔助與非均勻有理計算機輔助與非均勻有理B樣條樣條，施法中，施法中NURBS，Les Piegl等等CAD/CAM/CAE系統(tǒng)原理，系統(tǒng)原理，Kunwoo Lee等等先修課程：先修課程：機械設計機械設計、計算方法計算方法等等華

4、中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心http:/ 。CAD：研究某一工程設計對象的計算機表達、顯示，設計計算與分析；更側重專業(yè)對象的設計應用工具的強大，通常CG是其圖形顯示基礎。如通用二、三維CAD軟件工具，專業(yè)的機械設計工具，飛機、汽車設計工具等。注：本課程將結合機械工程的學科特點來主要介紹CAD技術機械CAD技術，CG內(nèi)容將穿插在CAD技術中，使CG、CAD融合為一個有機整體。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心1.1機械設計過程概述1.2機械CAD技術概述1.2.1 機械CAD的概念1.2.2 機械CAD的內(nèi)容1.2.3 機械CAD的作用1.3機械CAD系統(tǒng)構成1.3.1

5、機械CAD系統(tǒng)層次結構1.3.2 機械CAD系統(tǒng)的硬件1.3.3 機械CAD系統(tǒng)的軟件1.4機械CAD技術的發(fā)展1.4.1 機械CAD的發(fā)展歷程1.4.2 機械CAD的發(fā)展趨勢1.5CAD系統(tǒng)的選型附 1. 典型CAD系統(tǒng)軟件介紹華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心本章目的：本章目的：了解機械CAD基本概念了解機械CAD的主要內(nèi)容和作用了解機械CAD系統(tǒng)的構成了解機械CAD發(fā)展的歷史和趨勢華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心機械設計就是根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應該具備的功能，構想出產(chǎn)品的工作原理、結構形狀、運動方式、力和能量的傳遞、以及所用材料等事項，并轉化為具體的描述，例如圖紙和

6、設計文件等，以此作為制造的依據(jù)。 機械設計是產(chǎn)品從需求分析、設計、制造、銷售、使用和回收整個產(chǎn)品全生命周期中的一個重要環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品成本的影響占80。 1.1機械設計過程概述華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l電機驅動蝸桿減速器，帶動曲柄連桿機構，從而推動輸送執(zhí)行機構，實現(xiàn)工件自動輸送l電能轉化為機械能，實現(xiàn)機械運動例：某工件輸送機構原理示意圖華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心市場需求調(diào)查市場需求調(diào)查提出開發(fā)計劃提出開發(fā)計劃設計任務書設計任務書功能分析功能分析尋求解決方案尋求解決方案擬訂總體布局擬訂總體布局機械運動機械運動方案設計方案設計原理方案圖原理方案圖主要尺寸主要尺寸及

7、參數(shù)設計及參數(shù)設計總體結構設計總體結構設計裝配圖裝配圖零部件零部件結構設計結構設計零件圖零件圖技術文檔技術文檔產(chǎn)品規(guī)劃階段產(chǎn)品規(guī)劃階段( (需求分析需求分析) )方案設計階段方案設計階段（概念設計）（概念設計）技術設計階段技術設計階段（詳細設計）（詳細設計）傳統(tǒng)設計方法及流程:華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l需求分析調(diào)查研究、分析用戶需求、收集資料，在此基礎上確定產(chǎn)品功能，提出需求報告l概念設計構思方案，分析和論證，獲得一組可行的原理性方案，然后確定設計中一些大的框架，如繪制總體布局草圖，確定各零部件的基本結構和形狀，建立數(shù)學模型，進行主要設計參數(shù)的分析計算與優(yōu)化l詳細設計確定對

8、象的細部結構，完成裝配圖和零件圖的繪制，編寫技術文檔l工藝設計確定工藝流程，編制工序文件，設計工裝夾具，編寫工藝技術文檔華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 詳細設計的終結并不意味著最終獲得了一個好的設計 機械產(chǎn)品在經(jīng)歷了制造加工、樣機測試、批量生產(chǎn)、以及銷售使用后，會返回大量信息，需要對產(chǎn)品進行不斷修改 機械設計是一個“設計評價再設計”的反復迭代、不斷優(yōu)化的過程 華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心傳統(tǒng)設計方法及工具： 手工計算，計算器（尺），繪圖板，最后產(chǎn)生設計藍圖華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l每一環(huán)節(jié)靠手工完成，容易出錯l設計方案靠經(jīng)驗，方案少，不優(yōu)化l不

9、能進行復雜的力學分析 ，難以按動態(tài)的、精確的的方法計算l大部分時間花在零件圖、裝配圖上，可重用性差 l設計周期長、效率低，工作繁重華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 在人工設計情況下，存在許多的缺點，因此實現(xiàn)某種程度的設計自動化，縮短設計周期，降低設計成本，提高設計質(zhì)量，就成為機械設計發(fā)展的迫切要求 正是在這樣的背景下產(chǎn)生了計算機輔助設計（CAD，Computer Aided Design ）華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心20世紀60年代的觀點科學計算和分析或計算機控制繪圖機繪制出工程圖 1967年，美國學者D.T.ROSS的定義把設計者與計算機結合為一個問題求解組，使

10、之較各自單獨工作時能更有效地達到設計問題的目標 1972年，國際信息處理聯(lián)合會的定義CAD是一種技術，其中人與機（計算機）結合為一個問題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應用多學科的方法的綜合性協(xié)作提供了可能 1.2機械CAD技術概述華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心lCAD是用計算機硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品或工程進行設計、修改、分析和優(yōu)化的一種設計方法。l在CAD系統(tǒng)中人與計算機密切合作，在不同的方面人與計算機充分發(fā)揮各自的特長，因此CAD系統(tǒng)是一個人機結合的系統(tǒng)。lCAD技術是一門多學科的綜合性應用新技術，它涉及到以下基礎技術： 圖形處理技術 工程分析

11、技術 數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術 文檔處理技術 軟件設計技術 CAD軟件數(shù)學 編程 工程華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 CAD含義的衍生：CAD技術不斷發(fā)展，不同領域對CAD技術的應用程度不同，對CAD技術的含義的理解也略有差異。Computer Aided DraftingComputer Aided DesignComputer Adied Development華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心產(chǎn)品開發(fā)周期與數(shù)字化制造技術之間的關系產(chǎn)品開發(fā)周期與數(shù)字化制造技術之間的關系設計需求分設計需求分析析可行性研究可行性研究與分析與分析設計建模設計建模與仿真與仿真設計設計優(yōu)化優(yōu)化

12、設計設計評價評價設計設計結果結果設計設計分析分析概念概念設計設計市場信息市場信息工藝工藝規(guī)劃規(guī)劃編程控制編程控制工裝夾具工裝夾具生產(chǎn)計劃生產(chǎn)計劃物料需求物料需求運輸運輸制造制造包裝包裝質(zhì)量質(zhì)量檢驗檢驗裝配裝配營銷營銷數(shù)字化制造數(shù)字化制造數(shù)字化設計數(shù)字化設計數(shù)字化生產(chǎn)規(guī)劃數(shù)字化生產(chǎn)規(guī)劃華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心基于CAD的數(shù)字化設計過程華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心現(xiàn)在的CAD往往與CAE、CAPP、CAM、PLM（PDM）集成，形成集成化的CAD/CAE/CAPP/CAM/PLM（PDM）系統(tǒng)(即C4P) 。 CAD幾何建模，結構設計；CAE工程分析，性能優(yōu)化；

13、CAPP工藝路線及工序的編制；CAM生成刀具加工軌跡，生成加工代碼；PLM（PDM）管理產(chǎn)品全生命開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)、流程、團隊、項目任務，實現(xiàn)協(xié)同開發(fā)（并行工程），集成開發(fā)平臺。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心CADCAECAPPCAM華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心1) 計算功能機械CAD系統(tǒng)除了要進行各種數(shù)值的計算之外，還應能運用已積累的設計經(jīng)驗，獲得設計對象的幾種設計方案，對結構進行物性參數(shù)計算和力學性能分析。2) 人機交互功能在機械CAD中，人機接口是用戶與系統(tǒng)的橋梁。友好的界面是保證用戶有效地完成復雜設計任務的基本條件，此外還需要交互設備，以實現(xiàn)人與計算機之間

14、的對話。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心3) 圖形顯示功能從產(chǎn)品的構思、方案、造型的確定，到結構分析評價，系統(tǒng)應能實時編輯處理，保證用戶隨時觀察修改中間結果。圖形顯示功能應二維、三維圖形處理等功能。4) 存儲功能利用機械CAD系統(tǒng)進行設計時，會涉及到大量的相關資料數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、計算結果等各種數(shù)據(jù)，要求CAD系統(tǒng)具有強大的存儲功能。5) 輸入輸出功能利用機械CAD系統(tǒng)進行設計時，用戶需要不斷輸入設計要求，同時也需要將系統(tǒng)處理的結果及時輸出，相應的輸入輸出功能是系統(tǒng)的基本功能。 華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心1）產(chǎn)品設計信息獲取2）產(chǎn)品定義3）幾何造型 常用方法：用二維

15、和三維的建模技術來生成；由二維和三維基本元素來建立；宏編程或者變量程序；使用參數(shù)CAD系統(tǒng)和基于特征的CAD系統(tǒng)，或者利用應用系統(tǒng)或設計系統(tǒng)。4）計算分析 結構分析計算；檢查和校驗計算；優(yōu)化計算。5）驗證評價 利用計算機對設計對象進行自動化的評價一般要求對該對象的幾何特征進行解釋，其目的是為了推導出設計對象的特性。6）修改設計7）提供文檔華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l強有力的計算、圖形、數(shù)據(jù)處理能力，設計方法、工具軟件化， 3D設計更直觀l支持復雜計算，計算精度高，減輕設計強度，提高了設計精度和可靠性l設計、分析綜合，能進行產(chǎn)品性能分析優(yōu)化，有利提高產(chǎn)品質(zhì)量l設計信息、知識、資

16、源及設計過程共享 l可重用性好（拷貝修改） ，設計效率高、周期短 l有利于產(chǎn)品全生命周期的信息集成華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心CAD的工程應用CADCAD概念設計：概念設計：功能原理、方案、布局等方面設計。思考問題：思考問題：結合自己的專業(yè)背景，指出CAD的優(yōu)勢有哪些 ? ?華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心二維工程制圖華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心三維幾何建模及裝配華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心結構性能計算：結構性能計算：如強度、剛度、動態(tài)特性等如強度、剛度、動態(tài)特性等華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心運動學及動力學分析運動學及

17、動力學分析華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l過去生產(chǎn)一個大規(guī)模集成電路芯片，要花兩年時間，用CAD只要兩周即可完成；l美國道格拉斯公司生產(chǎn)F15戰(zhàn)斗機，用CAD技術解決了發(fā)動機氣道和機艙密封等問題；l英國三叉戟飛機比美國波音747早開工，卻晚一年完成，波音747采用了CAD技術；l美國GM公司汽車設計中應用CAD技術，使新型汽車的設計周期由5年縮短為3年；l波音飛機早期維修手冊有3米多厚，而現(xiàn)在一張光盤上可儲存數(shù)千張圖紙信息。 CAD技術帶來的經(jīng)濟效益明顯 ,CAD技術的發(fā)展與應用水平已成為衡量一個國家的科學技術現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一。機械CAD的應用效果華中科技大學華中

18、科技大學CADCAD中心中心1.3.1 機械CAD系統(tǒng)層次結構硬件平臺：網(wǎng)絡，計算機，繪圖機，打印機， 網(wǎng)絡協(xié)議：TCP/IP，SPX/IPX數(shù)據(jù)庫：Oracle，Sybase，SQL Server支撐軟件：AutoCAD、CATIA、Pro/E，UG，Solidworks專業(yè)機械CAD軟件 Internet/Intranet，操作系統(tǒng)：Windows，UNIX，Linux1.3機械CAD系統(tǒng)構成華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 計算機系統(tǒng)： 主機 存儲及網(wǎng)絡設備： 存儲設備、網(wǎng)絡設備 圖形輸入： 鍵盤、鼠標、光筆、 數(shù)字化儀、掃描儀、 虛擬現(xiàn)實輸入設備 輸出設備： 顯示器、繪圖機

19、、 打印機、 虛擬現(xiàn)實輸出設備1.3.2 機械CAD系統(tǒng)的硬件組成華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心1.3.3 機械CAD系統(tǒng)的軟件組成CAD軟件系統(tǒng)的三個發(fā)展階段：集中式系統(tǒng)：集中式系統(tǒng)：一臺主機控制多臺一臺主機控制多臺終端（早期模式，終端（早期模式，8080年代中期，年代中期， 微機沒普及），主機故障影響全微機沒普及），主機故障影響全部部分離式系統(tǒng)：分離式系統(tǒng)：一臺主機一套系統(tǒng)，一臺主機一套系統(tǒng)，工作相互不受影響，得益于工工作相互不受影響，得益于工 作站與微機的發(fā)展作站與微機的發(fā)展分布式系統(tǒng)：分布式系統(tǒng)：網(wǎng)絡時代的產(chǎn)物，網(wǎng)絡時代的產(chǎn)物，

20、支持異地、異構支持異地、異構 平臺協(xié)同工作平臺協(xié)同工作（采用工作站和微機網(wǎng)絡系統(tǒng)）（采用工作站和微機網(wǎng)絡系統(tǒng)） 華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心CAD系統(tǒng)軟件層次結構：操作系統(tǒng)、基礎圖形支撐平臺、圖形標準等集成化CAD / CAM軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、產(chǎn)品全生命周期管理軟件等面向行業(yè)的專業(yè)化設計工具軟件等華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心uCAD技術是在計算機軟、硬件技術的基礎上發(fā)展起來的，它的發(fā)展過程與計算機技術的發(fā)展息息相關。u自從1945年美國制造出世界上第一臺真空管數(shù)字式計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Co

21、mputer 電子數(shù)字積分計算機) 以來，利用計算機進行產(chǎn)品輔助設計技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了如下幾個階段：1.4機械CAD技術的發(fā)展1.4.1 機械CAD的發(fā)展歷程孕育萌芽階段（20世紀40年代末一50年代末）成長階段（50年代末一60年代后期）應用發(fā)展階段(70 -80年代)成熟拓展階段（90年代至今）華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l早期機械式計算機l20世紀40年代50年代l真空管計算機l機器語言l編制程序設計變壓器、電動機、發(fā)電機等l美國、歐洲、日本華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l50年代末60年代后期l晶體管計算機l高級語言(FORTRAN,ALGOL等）l文

22、件系統(tǒng) (數(shù)據(jù)管理)l磁帶、磁鼓、磁盤 （數(shù)據(jù)存儲)l圖形顯示、輸出l交互式圖形生成技術 (人機交互）lI.E.Sutherlandl“人機圖形通信系統(tǒng)”lSKETCHPADl發(fā)展很快，但規(guī)模大，價格昂貴華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l70年代以后l大規(guī)模集成電路時代 l分時操作系統(tǒng)l數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)l計算機網(wǎng)絡l圖形處理軟硬件技術進一步發(fā)展 人機交互圖形生成技術更完善 鼠標、數(shù)字化儀、圖形輸入板取代光筆 光柵掃描圖形顯示器使圖形更形象、逼真 計算機控制的精密繪圖機輸出高質(zhì)量的圖紙華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l各種現(xiàn)代設計方法、設計計算和分析方法 優(yōu)化設計、可靠性設計、

23、系統(tǒng)工程 有限元法、數(shù)值積分、偏微分方程數(shù)值解法lCAD技術走向成熟 70年代 小型機為基礎的CAD系統(tǒng)進入市場，“交鑰匙” 系統(tǒng)(Turn Key System) 80年代 超級小型機及超級微機工作站給CAD技術極大推動 90年代 以微機為基礎的CAD系統(tǒng)受到歡迎華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心CUSTOMERTOOLSCAETOOLSCOSTMODELINGPRODUCI-BILITYKBEDESIGNDRIVERSLIBRARYDRMB2BWEBSERVERWORKFLOW3rd PartyCommercialDRMCADTOOLSDATAEXCHANGEADDITIONAL

24、COMPONENTS.ADDITIONALEXTENSIONS.3rd PartyCommercialPDM3rd PartyCommercialDatabasesCUSTOMERTOOLSCAETOOLSCOSTMODELINGPRODUCI-BILITYKBEDESIGNDRIVERSLIBRARYDRMB2BWEBSERVERWORKFLOW3rd PartyCommercialDRMCADTOOLSDATAEXCHANGEADDITIONALCOMPONENTS.ADDITIONALEXTENSIONS.3rd PartyCommercialPDM3rd PartyCommercial

25、DatabasesCUSTOMERTOOLSCAETOOLSCOSTMODELINGPRODUCI-BILITYKBEDESIGNDRIVERSLIBRARYDRMB2BWEBSERVERWORKFLOW3rd PartyCommercialDRMCADTOOLSDATAEXCHANGEADDITIONALCOMPONENTS.ADDITIONALEXTENSIONS.3rd PartyCommercialPDM3rd PartyCommercialDatabases60607070年代，以二維繪圖為基礎的年代，以二維繪圖為基礎的CADCAD設計技術設計技術8080年代后期，以三維參數(shù)化特征造

26、型為基礎的年代后期，以三維參數(shù)化特征造型為基礎的3D3D數(shù)字化產(chǎn)品建模數(shù)字化產(chǎn)品建模9090年代中期，以多體動力學、多領域建模仿真、多年代中期，以多體動力學、多領域建模仿真、多學科協(xié)同優(yōu)化為理論基礎的數(shù)字樣機技術學科協(xié)同優(yōu)化為理論基礎的數(shù)字樣機技術9090年代后期，以年代后期，以PLMPLM為平臺基礎的多學科、為平臺基礎的多學科、多團隊、跨地域的協(xié)同設計與仿真技術多團隊、跨地域的協(xié)同設計與仿真技術Realistic SimulationRealistic Simulation基于真實仿真的產(chǎn)品開基于真實仿真的產(chǎn)品開發(fā)技術（遠景規(guī)劃）發(fā)技術（遠景規(guī)劃）CAD發(fā)展歷程及展望華中科技大學華中科技大學

27、CADCAD中心中心l集成化 l網(wǎng)絡化l智能化l標準化l專業(yè)化 (工具化)想一想：未來你需要什么樣的想一想：未來你需要什么樣的CADCAD系統(tǒng)？系統(tǒng)？CADCAD技術發(fā)展趨勢：技術發(fā)展趨勢：華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心1）集成化功能齊全完整、整體協(xié)調(diào)一致功能齊全完整、整體協(xié)調(diào)一致（當前集成創(chuàng)新也被廣泛認可）（當前集成創(chuàng)新也被廣泛認可）就像大型綜合醫(yī)院與?？漆t(yī)院的關系、地位。就像大型綜合醫(yī)院與專科醫(yī)院的關系、地位。思考問題：思考問題：為什么要集成化CAD（或CAX）？華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心集成化需求1）集成化 一個企業(yè)存在著許多不同時期、不同人員開發(fā)的互相缺

28、乏聯(lián)系的獨立應用軟件(或模塊)，產(chǎn)生各種不同應用的重要數(shù)據(jù)，主要表現(xiàn)在： 1）功能各異、孤立的系統(tǒng)封閉運行，難于取得及時綜合信息； 2）各孤立系統(tǒng)自成一體，數(shù)據(jù)重復和冗余、浪費資源； 3）各孤立系統(tǒng)只能通過各自接口進行轉換，易造成信息丟失； 4）各孤立系統(tǒng)間不能直接通過數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享； 5）各孤立系統(tǒng)自行開發(fā)，低水平重復，人力資源浪費。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心集成化的含義l多種軟件的數(shù)據(jù)共享、重用，減少數(shù)據(jù)冗余和重復勞動。如產(chǎn)品BOM數(shù)據(jù)在設計、工藝、制造、售后階段的集成共享。l多種軟件系統(tǒng)在一個統(tǒng)一框架下運行，操作更方便。如在PDM統(tǒng)一環(huán)境下集成CAx軟件，軟件

29、間采用內(nèi)部互訪機制。l不同集成系統(tǒng)有不同的集成層次，如各種功能的CAD系統(tǒng)的集成化，CAx/PDM/ERP系統(tǒng)集成化，計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)。l系統(tǒng)集成既包括硬件集成，也包括系統(tǒng)軟件和應用軟件的集成、數(shù)據(jù)的集成、過程的集成。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心集成化的要求集成化的要求集成化解決方集成化解決方案示例案示例 1）集成系統(tǒng)有暢通的信息流和正確的數(shù)據(jù)轉換； 2）提供信息共享和軟件共享的機制； 3）提供所有軟件信息的版本控制及管理； 4）信息項改動時，自動跟蹤相關信息項； 5）一致的接口；友好統(tǒng)一的人機界面； 6）統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序組織各種信息的傳遞。天喻軟件集成解決方案

30、華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心2）網(wǎng)絡化團隊協(xié)同，復雜產(chǎn)品設計所需團隊協(xié)同，復雜產(chǎn)品設計所需想想單機游戲和網(wǎng)絡游戲的差別想想單機游戲和網(wǎng)絡游戲的差別智能移動終端技術的發(fā)展對智能移動終端技術的發(fā)展對CADCAD技術的影響技術的影響思考問題：思考問題：為什么要網(wǎng)絡化華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 設想網(wǎng)絡時代設想網(wǎng)絡時代 ，人們?nèi)绾卫茫藗內(nèi)绾卫肅ADCAD系統(tǒng)工系統(tǒng)工具進行產(chǎn)品開發(fā)具進行產(chǎn)品開發(fā) 在家里、在旅途在家里、在旅途. .?？傊?，不受任何時空限。總之，不受任何時空限制制網(wǎng)絡化工作模式網(wǎng)絡化工作模式 網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化CAD意義意義 企業(yè)生產(chǎn)過程是一個包括產(chǎn)品規(guī)劃

31、、產(chǎn)品設計、工藝準備、零部件生產(chǎn)、標準件/外購件采購、產(chǎn)品組裝檢驗、產(chǎn)品銷售及服務等的信息協(xié)作過程。 當前，隨著并行工程等先進制造技術的發(fā)展，建立動態(tài)聯(lián)盟制造體系已成為全球化制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，要求現(xiàn)代CAD技術實現(xiàn)從單機到網(wǎng)絡化CAD技術的轉變，支持動態(tài)聯(lián)盟中協(xié)同設計所需的環(huán)境和設計技術。 華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心網(wǎng)絡化的作用網(wǎng)絡化的作用l提供多學科領域開發(fā)團隊的協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)l支持跨部門、跨行業(yè)、跨地域的企業(yè)協(xié)作l使數(shù)據(jù)共享、知識共享、資源共享。網(wǎng)絡化應用示例：網(wǎng)絡化應用示例： 空中客車公司由歐洲航空防務及航天公司和英宇航系統(tǒng)公司共同擁有，總部位于法國圖盧茲的空中客車公司

32、。空客公司的設計機構和工廠屬于四個全資子公司：法國、德國、西班牙、英國等公司。 空中客車在4國5地進行異地聯(lián)合設計，分別在4個國家的多家生產(chǎn)基地異地制造，在法國的圖盧茲和德國的漢堡進行最后的總裝配。現(xiàn)在我國天津是一個新的總裝生產(chǎn)基地。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心垂直尾翼垂直尾翼水平尾翼水平尾翼 空客公司的采購網(wǎng)絡遍布全球30個國家，有1500家以上的供應商加盟，為了保證整個供應鏈采購信息的及時溝通，建立了采購門戶網(wǎng)站 。該網(wǎng)站加強了空客公司與供應商之間的合作。 華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心3）智能化思考：思考：為什么要智能化？為什么要智能化？專家知識重用所需，專

33、家知識重用所需，CADCAD軟件的適度自動化軟件的適度自動化簡單產(chǎn)品設計的全自動化，就像簡單產(chǎn)品設計的全自動化，就像“芝麻開門芝麻開門”。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心現(xiàn)有交互式CAD系統(tǒng)優(yōu)勢在于處理數(shù)值型的工作（如計算與繪圖），但工程設計中需要經(jīng)驗或知識決策，使用過程中往往要人為干預，因而設計質(zhì)量在一定程度上依賴用戶的經(jīng)驗和知識水平。智能化的必要性對CAD來說，它是一個設計過程，從方案設計開始，一步步求解，整個設計過程要經(jīng)過反復修改、設計；設計與制造可能是多方案的，并且不是僅有唯一的解，因此要進行多方案的優(yōu)化選擇與評價；設計是以設計師為主導完成的一個循環(huán)迭代過程：需求分析需求分

34、析方案設計方案設計建模建模分析分析改進改進華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 CAD設計本質(zhì)是一個多知識源求解問題，工程設計中所用知識的表達方式多種多樣，如經(jīng)驗性知識、啟發(fā)性知識、數(shù)據(jù)圖表、標準元件等，CAD系統(tǒng)中需要對多種知識進行有效表達。智能化的含義 在使用CAD設計過程中，需要符號、邏輯等多方面的知識表達與推理工具；不同的知識源有自己的推理策略，知識源一般表示為過程和規(guī)則集，以適應邏輯推理和數(shù)值計算的需要。 智能CAD技術：研究人們設計思維方式，并用智能技術來表達和處理CAD設計過程中的知識，產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，提高設計自動化程度。 華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中

35、心將人工智能技術，特別是專家系統(tǒng)的技術，與傳統(tǒng)將人工智能技術，特別是專家系統(tǒng)的技術，與傳統(tǒng)CADCAD技術結合起來，技術結合起來，形成智能化形成智能化CADCAD系統(tǒng)是機械系統(tǒng)是機械CADCAD發(fā)展的必然趨勢。發(fā)展的必然趨勢。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心4）標準化思考：思考：為什么要標準化？為什么要標準化？數(shù)據(jù)交換共享所需數(shù)據(jù)交換共享所需強勢軟件數(shù)據(jù)格式事實標準，強勢軟件數(shù)據(jù)格式事實標準，國際標準地位被挑戰(zhàn)？國際標準地位被挑戰(zhàn)？華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心CAD標準化是CAD系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)交換、資源共享重用的前提集成與信息共享的前提，也是CAD應用規(guī)范化、有序化

36、的基本保證。CAD標準化工作隨著企業(yè)CAD技術的不斷推廣應用和普及，其重要性越來越被企業(yè)所重視 。CADCAPPCAMDFXCG標準是各種圖形設備、圖形軟件開發(fā)兼容的技術保證關于CG標準主要有GKS、OpenGL、DirectX、VRML等。采用點對點直接交換數(shù)據(jù)，要了解其采用點對點直接交換數(shù)據(jù)，要了解其它它CAD所有格式，且開發(fā)量大。所有格式，且開發(fā)量大。通過中性的標準格式交換數(shù)據(jù)，通過中性的標準格式交換數(shù)據(jù)，只需了解標準格式，開發(fā)量較小只需了解標準格式，開發(fā)量較小4）標準化華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心 目前關于CAD數(shù)據(jù)交換標準有STEP、IGES等，CAD零部件庫標準IS

37、O13584等國際標準。 我國還有關于CAD工程制圖標準、圖檔管理標準等。 另外，由于某些CAD軟件的市場強勢，形成了事實標準，如DXF、_XT、SAT，以及CATIA、UG、PRO/E等輸出格式。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心5）專業(yè)化思考：思考：為什么要專業(yè)化？為什么要專業(yè)化？更適用、高效快速設計所需更適用、高效快速設計所需華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心CAD是產(chǎn)品和工程設計與制造領域的一次革命性改變，它可以幫助企業(yè)適應飛速變化的技術環(huán)境和市場環(huán)境的要求，至今已廣泛應用到各個領域。包括航空航天、電子、計算機、汽車、機械、建筑、石化、橡膠、塑料、電氣乃至氣象、體育

38、、藝術等領域。 不同領域的CAD軟件其核心技術、應用范圍、操作方式不同CAD軟件越專業(yè)，使用越方便，質(zhì)量與效率越高CAD專業(yè)化及工程化開發(fā)需要行業(yè)領域的專家知識，通常以通用CAD平臺為基礎經(jīng)過二次開發(fā)形成專業(yè)化軟件工具CAD專業(yè)化開發(fā)需要重視（懂得CAD二次開發(fā)具有比較優(yōu)勢）專業(yè)化CAD設計系統(tǒng)及工具集通用CAD設計平臺及開發(fā)工具華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心1.5 CAD1.5 CAD系統(tǒng)選型原則系統(tǒng)選型原則 明確企業(yè)需求 企業(yè)需要哪一類軟件，解決問題的范圍及深度 企業(yè)要達到的具體目標，存在的關鍵技術 確定近期目標與長遠目標 近期目標：根據(jù)人力、資金、現(xiàn)有技術水平 長遠目標：考

39、慮到將來的發(fā)展 軟件技術與 服務并重 技術要求：滿足現(xiàn)實功能需求，兼顧未來需求 服務支持：持續(xù)的售后服務支持CATIA、UG、Pro/E、Solidworks、Solidedge、Inventor、國產(chǎn)等。選誰？ 好用、可靠、持久的軟件是最好的。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l軟件系統(tǒng)要滿足以下三點要求 用標準操作系統(tǒng) 良好的用戶界面 齊全的技術文檔，優(yōu)良的可讀性l功能齊全（零件、曲面、裝配、繪圖、輸入/輸出、專業(yè)功能等） l完整的系統(tǒng)集成解決方案l良好的二次開發(fā)接口（便于專業(yè)化開發(fā)）l硬件系統(tǒng)要有良好的開放性且符合工業(yè)標準 l穩(wěn)定可靠、維護簡單、性價比高 華中科技大學華中科技大

40、學CADCAD中心中心各種CAx軟件工具： CAD（2D、3D）、CAE、CAPP、CAM等附附 1 1：國內(nèi)外典型：國內(nèi)外典型CADCAD系統(tǒng)介紹系統(tǒng)介紹華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心AutoDesk及及AutoCAD AutoCAD是微機上是微機上CAD技術軟件，國際上廣為流行的繪圖工具。技術軟件，國際上廣為流行的繪圖工具?？梢岳L制任意二維和三維圖形，速度快、精度高，在航空航天、造船、可以繪制任意二維和三維圖形，速度快、精度高，在航空航天、造船、建筑、機械、電子、化工、美工等很多領域得到廣泛應用。建筑、機械、電子、化工、美工等很多領域得到廣泛應用。AutoCAD具有良好的用戶

41、界面，通過交互菜單或命令行方式便可具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進行各種操作。它的多文檔設計環(huán)境，讓非計算機專業(yè)人員也能很快以進行各種操作。它的多文檔設計環(huán)境，讓非計算機專業(yè)人員也能很快地學會使用，從而不斷提高工作效率。地學會使用，從而不斷提高工作效率。AutoCAD可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行，可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行，并支持分辨率由并支持分辨率由320200到到20481024的各種圖形顯示設備的各種圖形顯示設備40多種，以多種，以及數(shù)字儀和鼠標器及數(shù)字儀和鼠標器30多種，繪圖儀和打印機數(shù)十種。多種，繪圖儀和打印機數(shù)十種。Au

42、toCAD的發(fā)展可分為初級階段（的發(fā)展可分為初級階段（1982.11-84.10，AutoCAD R1.0,1.2, 2.0 ）、中級階段（）、中級階段（85.5-87.9,，R2.17,2.5，, 9.03 ） 、提、提高階段（高階段（88.8-92，R10.0，, 12.0 ） 、高級階段（、高級階段（96.6-99.1, R13,R14, R2000 ）和完善階段（）和完善階段（2001.9-， R2002, ） 。 Autodesk 是世界領先的設計軟件和數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建公司，用于建筑、是世界領先的設計軟件和數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建公司，用于建筑、機械、通信、娛樂等領域，幫助機械、通信、娛樂等領域，幫

43、助 150 多個國家的多個國家的400多萬用戶推動業(yè)務。多萬用戶推動業(yè)務。當今沒有哪家公司能在當今沒有哪家公司能在產(chǎn)品品種產(chǎn)品品種和和市場占有率市場占有率方面與之匹敵。方面與之匹敵。 Autodesk公司公司1982年成立，年成立，AutoCAD面市；面市；85年成為首家上市的年成為首家上市的 PC CAD 公司；公司；90年，年，Autodesk 成立多媒體部，推出了第一個動畫工成立多媒體部，推出了第一個動畫工作作3D Studio 軟件；軟件；94年，年，Autodesk售出第售出第100萬套萬套AutoCAD，同，同時進入中國市場；時進入中國市場；99年，推出年，推出Autodesk I

44、nventor；1992年年2004年，年，Autodesk收購多家公司；收購多家公司；05年，年，Autodesk營業(yè)收入已超過營業(yè)收入已超過10億美元。億美元。華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心l友好的界面，易學易用、價格便宜、性價比高友好的界面，易學易用、價格便宜、性價比高l完全自動捕捉設計意圖和引導設計修改完全自動捕捉設計意圖和引導設計修改l裝配設計中可以直接參照已有的零件生成新的零件，支持裝配設計中可以直接參照已有的零件生成新的零件，支持“自頂自頂而下而下”方法還是方法還是“自底而上自底而上”的方法進行裝配設計的方法進行裝配設計l全面的零件實體建模功能，二維和三維全關聯(lián)全面

45、的零件實體建模功能，二維和三維全關聯(lián)l標注和細節(jié)繪制工具，能快捷地工程圖紙標注和細節(jié)繪制工具，能快捷地工程圖紙l具有全相關的鈑金設計能力具有全相關的鈑金設計能力l提供完整的開發(fā)工具提供完整的開發(fā)工具(API)，用戶可以用微軟的，用戶可以用微軟的VB、V C或其它或其它支持支持OLE的編程語言建立自己的應用方案的編程語言建立自己的應用方案l豐富的數(shù)據(jù)轉換接口豐富的數(shù)據(jù)轉換接口Solidwork最早基于最早基于Windows的三維設計軟件的三維設計軟件Pro/ElPro/E采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的

46、基于特征的功能去生成模型人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型l建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，在整個設計過程的任何一處發(fā)生建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上lPro/E采用三維線框設計的思想，首先建立基準面，在基準面上畫采用三維線框設計的思想，首先建立基準面，在基準面上畫二維草圖，用掃成法將二維輪廓生成三維形體。依次更換參考面，二維草圖，用掃成法將二維輪廓生成三維形體。依次更換參考面，用顯式操作生成形體，盡量避免求交、裁剪等集合運算。用顯式操作生成形體，盡量避免求交、裁剪等集

47、合運算。l隨時記錄特征元素的生成操作過程，當修改標注尺寸值后，用尺隨時記錄特征元素的生成操作過程，當修改標注尺寸值后，用尺寸驅動方法修改相應二維輪廓，重新運行零件設計過程的全部操寸驅動方法修改相應二維輪廓，重新運行零件設計過程的全部操作命令，由此實現(xiàn)參數(shù)化特征建模，使曲面、實體、參數(shù)化特征作命令，由此實現(xiàn)參數(shù)化特征建模，使曲面、實體、參數(shù)化特征設計融為一體，可以任意構造復雜零件和裝配件。設計融為一體，可以任意構造復雜零件和裝配件。Pro/E開創(chuàng)了參數(shù)化開創(chuàng)了參數(shù)化特征設計的先河特征設計的先河華中科技大學華中科技大學CADCAD中心中心CATIA 達索飛機公司達索飛機公司67年用年用Bzier曲

48、面建立飛機外形數(shù)學模型，曲面建立飛機外形數(shù)學模型，70年展開幻影年展開幻影數(shù)字化設計。數(shù)字化設計。 74年擴大年擴大CAD規(guī)模，從美國引進洛克希德飛機公司規(guī)模，從美國引進洛克希德飛機公司CADAM系統(tǒng)，系統(tǒng)，75年年100萬美元引進萬美元引進CADAM源程序。源程序。 77年開發(fā)三維交互年開發(fā)三維交互CAD軟件，軟件，78年投入使用年投入使用CATIA。同時建立主數(shù)據(jù)庫，。同時建立主數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一管統(tǒng)一管ADAM二維結構圖和二維結構圖和CATIA三維模型文件。三維模型文件。 81年年IBM公司開始負責經(jīng)銷公司開始負責經(jīng)銷CATIA系統(tǒng)，并組建達索系統(tǒng)公司。系統(tǒng)，并組建達索系統(tǒng)公司。90年年IBM

49、用用2.7億美元收購億美元收購CADAM，92年托付達索管理。年托付達索管理。 97年年3.1億美元收購億美元收購SolidWorks，97年年1.05億美元收購億美元收購Deneb精益制造精益制造布局仿真軟件布局仿真軟件Delmia，98年在美成立年在美成立ENOVIA公司開發(fā)公司開發(fā)PDMII，98年達年達索接管法國馬特拉（索接管法國馬特拉（MATRA）的）的CAD/CAM業(yè)務，包括業(yè)務，包括Euclid等，等，99年年收購收購SmarTeam業(yè)務，業(yè)務，2000年用年用2150萬并購萬并購ACIS 3D業(yè)務。業(yè)務。 至此，達索至此，達索/CATIA完成了完成了PLM的戰(zhàn)略布局，形成產(chǎn)品全

50、生命期的的戰(zhàn)略布局，形成產(chǎn)品全生命期的CAD/CAM/CAE/PDM一體化管理，為數(shù)字化企業(yè)提供電子商務的完整工一體化管理，為數(shù)字化企業(yè)提供電子商務的完整工具，實現(xiàn)產(chǎn)品從初步設計到售后服務的全過程仿真。具，實現(xiàn)產(chǎn)品從初步設計到售后服務的全過程仿真。 其中其中CATIA和和SolidWorks支持產(chǎn)品數(shù)字化設計和仿真，支持產(chǎn)品數(shù)字化設計和仿真，Delmia完成精益完成精益制造過程的數(shù)字定義和仿真，制造過程的數(shù)字定義和仿真，Enovia提供數(shù)字化產(chǎn)品、過程和資源的集提供數(shù)字化產(chǎn)品、過程和資源的集成化、分布式協(xié)同管理。三者構成產(chǎn)品全生命期流程，支持企業(yè)協(xié)同的成化、分布式協(xié)同管理。三者構成產(chǎn)品全生命期流程，支持企業(yè)協(xié)同的知識重用。知識重用。 CATIA V4 93年推出，適合年推出，適合IBM主機和工作站，有主機和工作站，有113種獨立的功能模塊。種獨立的功能模塊。 98年推出年推出CATIA V5 Windows NT。CATIA V4的曲面系統(tǒng)使用的曲面系統(tǒng)使用Bzier形形式，現(xiàn)在改成式，現(xiàn)在改成NURBS形式，且采用形式，且采用DCM約束管理軟件。約束