第1章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述58446

1、1第第1 1章章 環(huán)境工程環(huán)境工程CADCAD概述概述r教學(xué)要求目標(biāo)教學(xué)要求目標(biāo)21.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述1.1.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能和高效率的圖形處理能力，輔助知識勞動者進(jìn)行工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，以達(dá)到理想的目的或取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的水平成了衡量一個國家工業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。3CAD的定義 1973年，當(dāng)CAD處于發(fā)展初期的時(shí)候，國際信息技術(shù)聯(lián)合會就給CAD一個廣義的定義：CAD是

2、將人和計(jì)算機(jī)混編在解題專業(yè)組中的一種技術(shù)，是將人和計(jì)算機(jī)混編在解題專業(yè)組中的一種技術(shù)，從而將人和計(jì)算機(jī)的最佳特性結(jié)合起來。從而將人和計(jì)算機(jī)的最佳特性結(jié)合起來。 人具有圖形識別的能力，具有學(xué)習(xí)、聯(lián)想、思維、決策和創(chuàng)造能力，而計(jì)算機(jī)具有巨大的信息存儲和記憶能力，有豐富靈活的圖形和文字處理功能和高速精確的運(yùn)算能力，上述人和計(jì)算機(jī)最佳特性的結(jié)合就是CAD的目的。41.1.2 CAD制圖方法l交互法：直接利用繪圖軟件的各種功能，利用人機(jī)交互方式將圖形一筆一筆畫出來。缺點(diǎn)是速度慢，繪圖工作量大，應(yīng)用熟練后，比原始繪圖要快2-3倍以上。l尺寸驅(qū)動法：51.1.2 CAD的優(yōu)點(diǎn)(1)準(zhǔn)確。計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形繪制

3、和打印的準(zhǔn)確性達(dá)到所用單位的小數(shù)點(diǎn)后1 4位。其嚴(yán)格的尺寸和公差數(shù)值比傳統(tǒng)的手工刻度方法更加可靠。(2)快速。C A D所具有的復(fù)制、編輯、安排條目等能力加速了繪圖過程。當(dāng)操作者定制了針對某一特定任務(wù)的操作過程后，工作的速度會大大提高。(3)整潔清晰。繪圖儀所具有的產(chǎn)生精確清晰的圖的能力，是優(yōu)于傳統(tǒng)手工方法的最明顯優(yōu)點(diǎn)。CAD繪圖的一致性，包括線條粗細(xì)均勻、打印高質(zhì)量字符、沒有污損或其他繪圖用的臨時(shí)標(biāo)記等方面都是極佳的。6(4)一致。因?yàn)樵诜椒ㄉ舷到y(tǒng)保持了一致性，就消除了因?yàn)閭€人風(fēng)格不同產(chǎn)生的問題。一家公司中可以有多個制圖員同時(shí)為一個工程制圖，并產(chǎn)生一致的圖形集。(5)高效。CAD繪圖員使用與

4、手工制圖完全不同的方式完成一項(xiàng)制圖任務(wù)。CAD 程序能夠?yàn)椴僮鲉T完成大量工作，因此必須在繪圖前進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作以期利用系統(tǒng)所提供的所有好處。71.1.3 CAD技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用l建筑設(shè)計(jì)，包括方案設(shè)計(jì)、三維造型、建筑渲染圖設(shè)計(jì)、平面布景、建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)、小區(qū)規(guī)劃、日照分析、室內(nèi)裝潢等各類CAD應(yīng)用軟件。l結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括有限元分析、結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)、框/排架結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析、高層結(jié)構(gòu)分析、地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工等。l設(shè)備設(shè)計(jì)，包括水、電、暖各種設(shè)備及管道設(shè)計(jì)。l城市規(guī)劃、城市交通設(shè)計(jì)，如城市道路、高架、輕軌、地鐵等市政工程設(shè)計(jì)。8l市政管線設(shè)計(jì)，如自來水、污水排放、煤氣、電力、暖氣、通

5、信（包括電話、有線電視、數(shù)據(jù)通信等）各類市政管道線路設(shè)計(jì)。l交通工程設(shè)計(jì)，如公路、橋梁、鐵路、航空、機(jī)場、港口、碼頭等。 l水利工程設(shè)計(jì)，如大壩、水渠、河海工程等。l其他工程設(shè)計(jì)和管理，如房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預(yù)算、施工過程控制與管理、旅游景點(diǎn)設(shè)計(jì)與布置、智能大廈設(shè)計(jì)等。91.1.4 CAD技術(shù)的發(fā)展歷程(1)準(zhǔn)備和誕生時(shí)期（20世紀(jì)50年代）1950年，MIT研制出WHIRLWIND 1計(jì)算機(jī)的圖形顯示器；1958年，美國Calcomp公司研制出滾筒式繪圖機(jī)；美國GerBer公司把數(shù)控機(jī)床發(fā)展成平板式繪圖機(jī)；20世紀(jì)50年代末，MIT在WHIRLWIND計(jì)算機(jī)上第一次使用了陰極射線管C

6、RT（Cathode Ray Tube），操作者可以用光筆在屏幕上確定目標(biāo)。它預(yù)示著交互式圖形生成技術(shù)的誕生，為CAD技術(shù)的發(fā)展作了必要的準(zhǔn)備。10(2)蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)60年代）20世紀(jì)60年代初，MIT的博士生Ivan Sutherland研制出世界上第一臺利用光筆的交互式圖形系統(tǒng)SKETCHPAD。在20世紀(jì)60年代，由于計(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜，只有一些實(shí)力雄厚的大公司才能使用這一技術(shù)。作為CAD技術(shù)的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在這一時(shí)期得到了很快的發(fā)展。20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)了商品化的CAD設(shè)備，CAD技術(shù)開始進(jìn)入了發(fā)展和應(yīng)用階段。11(3)廣泛應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)

7、70年代）20世紀(jì)70年代推出了以小型機(jī)為平臺的CAD系統(tǒng)。同時(shí)，圖形軟件和CAD應(yīng)用支撐軟件也不斷充實(shí)提高。圖形設(shè)備，如光柵掃描顯示器、圖形輸入板、繪圖儀等相繼推出和完善。于是，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的CAD商品化系統(tǒng)。12(4)突飛猛進(jìn)時(shí)期（20世紀(jì)80年代）20世紀(jì)80年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、工作站和RISC（精簡指令集計(jì)算機(jī)）等的出現(xiàn)使CAD系統(tǒng)的性能大大提高了一步。與此同時(shí)，圖形軟件更趨成熟，二維、三維圖形處理技術(shù)，真實(shí)感圖形技術(shù)以及有限元分析，優(yōu)化，模擬仿真，動態(tài)景觀，科學(xué)計(jì)算可視化等方面都已進(jìn)入實(shí)用階段。包括CAD/CAE/CAM一體化的綜合軟件包使CAD技術(shù)

8、又上了一個層次。13(5)日趨成熟的時(shí)期（20世紀(jì)90年代）這一時(shí)期的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面： CAD標(biāo)準(zhǔn)化體系進(jìn)一步完善； 系統(tǒng)智能化成為又一個技術(shù)熱點(diǎn)； 集成化成為CAD技術(shù)發(fā)展的一大趨勢； 科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造技術(shù)14151.1.5 CAD軟件技術(shù)的未來發(fā)展(1) CAD系統(tǒng)的智能化 與人工智能技術(shù)結(jié)合，形成CAD專家系統(tǒng)(2) 實(shí)體造型與仿真 通過靜態(tài)和動態(tài)實(shí)體造型，更真實(shí)地描述三維物體的幾何信息； 在實(shí)體造型和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)上，在計(jì)算機(jī)上建立工程設(shè)計(jì)的實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型來代替實(shí)際系統(tǒng)的 運(yùn)行，以便對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)和考核。(3) CAD系統(tǒng)的集成化 CAD+C

9、AM=CAD/CAM；CAD/CAM+CAPP+CAT+PDM=CAE 集成的最高層次：計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)-CIMS161.1.6 CAD的工作流程(1) CAD的工作內(nèi)容 建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫 建立多功能交互式圖形程序庫 建立應(yīng)用程序庫(2) CAD的工作流程圖17 人計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（設(shè)計(jì)與計(jì)算）輸入設(shè)計(jì)要求描述設(shè)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果滿意否？輸出設(shè)計(jì)結(jié)果YN數(shù)據(jù)庫圖形庫程序庫181.2 AutoCAD簡介簡介 AutoCAD是美國Autodesk公司開發(fā)的一個交互式繪圖軟件，是用于二維及三維設(shè)計(jì)、繪圖的系統(tǒng)工具，用戶可以使用它來創(chuàng)建、瀏覽、管理、打印、輸出、共享及準(zhǔn)確復(fù)用富含信息的設(shè)計(jì)圖形。 Au

10、toCAD已經(jīng)成為一個功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、市場占有率位居世界第一的CAD系統(tǒng)，在城市規(guī)劃、建筑、測繪、機(jī)械、電子、造船、汽車等許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)資料表明，目前世界上有75%的設(shè)計(jì)部門、500多萬的用戶應(yīng)用此軟件，大約有50萬套AutoCAD軟件安裝在各企業(yè)中運(yùn)行。1998年法國世界杯足球場、波士頓查爾斯河大橋、馬來西亞 Petronas 雙塔等都是它的杰作。 191.2.1 AutoCAD的發(fā)展歷程1982年10月 AutoCAD 1.0版 1983年1月AutoCAD 1.1版1984年11月AutoCAD 2.01版 1985年5月AutoCAD 2.17版1985年11月Au

11、toCAD 2.18版 1986年6月AutoCAD 2.5版1987年5月AutoCAD 2.62版 1987年9月AutoCAD 9.0版1988年10月AutoCAD 10.0版 1991年4月AutoCAD 11.0版1992年6月AutoCAD 12.0版 1994年11月AutoCAD 13.0版1997年6月AutoCAD 14.0版 1999年3月AutoCAD 2000版2000年9月AutoCAD 2000i版 2001年6月AutoCAD 2002版2003年5月AutoCAD 2004中文版 2004年3月AutoCAD 2005版2004年6月AutoCAD 2005

12、中文版201.2.2 AutoCAD的基本功能(1) 繪制圖形。AutoCAD提供了多種繪圖的方式，包括繪圖菜單、繪圖工具欄以及命令等，可以繪制點(diǎn)、線、曲線、矩形、多邊形、圓及圓弧、橢圓及橢圓弧等圖形元素。還可以進(jìn)行徒手繪線。(2) 編輯圖形。AutoCAD具有強(qiáng)大的圖形編輯功能，包括移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、拉伸、延長、斷開、修剪、拷貝、陣列、鏡射等。(3) 圖形標(biāo)注。AutoCAD可以對圖形尺寸標(biāo)注和注寫文本，并提供了各種樣式以供用戶選擇。21(4) 精確繪圖。為了用戶繪圖的方便和準(zhǔn)確，Auto CAD提供了坐標(biāo)顯示、柵格捕捉、對象捕捉。在光標(biāo)點(diǎn)上利用柵格捕捉相當(dāng)于在坐標(biāo)紙上繪圖。對象捕捉可以捕捉

13、對象的端點(diǎn)、中點(diǎn)、圓心、垂足、交點(diǎn)、切點(diǎn)、圓周上的象限點(diǎn)等等，使繪出的圖形非常準(zhǔn)確。(5) 圖形輸出。AutoCAD提供了多種圖形輸出的功能。用戶可以將圖形直接輸出到打印機(jī)，也可以輸出到其它軟件中加以利用，同時(shí)還允許用戶將圖形輸出到Internet上進(jìn)行共享。221.2.3 AutoCAD 2004快速入門1. AutoCAD 2004工作界面23工具欄菜單欄標(biāo)題欄工具選項(xiàng)板繪圖窗口狀態(tài)欄命令行窗口光標(biāo)坐標(biāo)系24l標(biāo)題欄：同其他標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序界面一樣，標(biāo)題欄包括控制圖標(biāo)以及窗口的最大化、最小化和關(guān)閉按鈕，并顯示應(yīng)用程序名和當(dāng)前圖形的文件名。l菜單欄：菜單是調(diào)用命令的一種方式。菜單

14、欄以級聯(lián)的層次結(jié)構(gòu)來組織各個菜單項(xiàng)，并以下拉的形式逐級顯示。l工具欄：工具欄是調(diào)用命令的另一種方式，通過工具欄可以直觀、快捷的訪問一些常用的命令。AutoCAD 2004系統(tǒng)提供了29種工具欄，分別為：CAD標(biāo)準(zhǔn)插入實(shí)體編輯UCS查詢視口UCS II對象捕捉視圖Web對象特性縮放標(biāo)注繪圖圖層標(biāo)準(zhǔn)繪圖順序文字布局曲面修改參照三維動態(tài)觀察器修改II參照編輯實(shí)體渲染樣式著色26l狀態(tài)欄：狀態(tài)欄位于繪圖屏幕的底部，用于顯示坐標(biāo)、提示信息等，同時(shí)還提供了一系列的控制按鈕，包括“捕捉”、“柵格”、“正交”、“極軸”、“對象捕捉”、“對象追蹤”、“線寬”和“模型/圖紙”等。l繪圖窗口：繪圖窗口是AutoCA

15、D中顯示、繪制圖形的主要場所。在AutoCAD中創(chuàng)建新圖形文件或打開已有的圖形文件時(shí)，都會產(chǎn)生相應(yīng)的繪圖窗口來顯示和編輯其內(nèi)容。由于從AutoCAD 2000版開始支持多文檔，因此在AutoCAD中可以有多個圖形窗口。由于在繪圖窗口中往往只能看到圖形的局部內(nèi)容，因此繪圖窗口中都包括有垂直滾動條和水平滾動條，用來改變觀察位置。此外，繪圖窗口的下部還包括有一個模型選項(xiàng)卡和多個布局選項(xiàng)卡，分別用于顯示圖形的模型空間和圖紙空間。 27l命令行：命令行提供了調(diào)用命令的第三種方式，即用鍵盤直接輸入命令。用戶可在命令行提示下輸入各種命令。命令行還顯示AutoCAD命令的提示及有關(guān)信息，并可查閱和復(fù)制命令的歷

16、史記錄。通過按F2鍵，可以調(diào)出文本窗口?；旧?，可以將文本窗口視為放大的命令行。28l工具選項(xiàng)板：在該工具欄上有3個選項(xiàng)卡：ISO圖案填充，英制圖案填充和辦公室項(xiàng)目樣例。通過該“ISO圖案填充”選項(xiàng)卡，用戶可以方便地選取需要進(jìn)行填充的圖案進(jìn)行填充，而不必調(diào)用HATCH命令。單擊某一圖案，然后拖放到需要填充的區(qū)域即可?！坝⒅茍D案填充”選項(xiàng)卡的使用方法與“ISO圖案填充”選項(xiàng)卡使用方法相同?！稗k公室項(xiàng)目案例”選項(xiàng)卡提供一系列辦公用品的模型，用戶可以方便地進(jìn)行調(diào)用。調(diào)用時(shí)，只需單擊需要的圖形，鼠標(biāo)就會帶著選定的圖形，選好合適的地方單擊即可完成一次調(diào)用。301.2.4 啟動和退出AutoCAD 2004 l啟動AutoCAD： 從桌面AutoCAD快捷方式圖標(biāo)啟動（雙擊或