cad 應用技術基礎 第1章 CAD技術基礎知識

CAD技術基礎知識第1章CAD技術的基本概念1.11.1計算機輔助設計(CAD)的概念計算機輔助設計是一種用計算機硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對產品或工程進行設計的方法與技術，它包括設計、繪圖、工程分析和文檔制作等設計活動。它是一種新的設計方法，也是一門多學科綜合應用的新技術。CAD是工程技術人員利用計算機及其圖形設備，應用多學科的方法綜合有效地進行問題求解的先進信息處理技術。它把人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計算機的高速運算、信息存儲等功能有機地結合起來，從而達到縮短產品設計周期、提高設計質量的目的。

CAD概念的實質在于：（1）人機各盡所長；（2）人機交互結合；（3）最佳設計效率。

CAD技術的主要作用如下:

（1）提高設計質量和設計效率；（2）能夠充分發(fā)揮設計人員創(chuàng)造性；（3）縮短產品的設計周期。CAD過程：

任何設計都表現(xiàn)為一種過程，每個過程都由一系列設計活動組成；活動間既有串行的設計活動，也有并行的設計活動；設計過程中的大多數(shù)活動可以用CAD實現(xiàn)，但并不絕對；將設計過程中能用CAD技術實現(xiàn)的活動集合在一起就構成了CAD過程。1.1.2CAD技術的重要應用

CAD是計算機科學與工程設計學科相結合形成的新興技術，是計算機在工程中最有影響的應用技術之一。CAD技術曾被美國國家工程科學院評為當代十項最杰出的工程技術成就之一。無論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無論是建筑行業(yè)還是制造加工行業(yè)，無論是機械、電子、輕紡行業(yè)還是文體、影視廣告行業(yè)等都離不開CAD技術。CAD技術是企業(yè)界爭奪市場份額和生存發(fā)展不可缺少的手段。

在制造業(yè)中的應用：如波音777飛機是世界上第一架實現(xiàn)無紙設計與制造的飛機。在工程領域中的應用：如建筑設計CAD、電子沙盤；機械設計CAD等。仿真模擬和動畫制作：在電影制作中的成功應用，如“未來世界”、“玩具總動員”、“侏羅記公園”等。在輕工行業(yè)中的應用：如模具CAD和服裝CAD等。在醫(yī)學中的應用：計算機輔助手術規(guī)劃和手術模擬。在電子電路中的應用：超大規(guī)模集成電路的設計制造。近十多年來，在CIMS工程和CAD應用工程的推動下，我國CAD技術應用越來越普遍，越來越多的設計單位和企業(yè)采用這一技術來提高設計效率、產品質量和改善勞動條件。目前，我國從國外引進的CAD軟件有好幾十種，國內的一些科研機構、高校和軟件公司也都立足于國內，開發(fā)出了自己的CAD軟件，并投放市場，我國的CAD技術應用呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。CAD技術的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2早期研究第一代CAD第二代CAD第三代CAD普遍應用20世紀50年代20世紀60年代20世紀70年代20世紀80年代20世紀90年代及以后1.2.1CAD技術發(fā)展歷程

CAD技術隨著計算機及其外圍設備、圖形輸入輸出設備、軟件技術的發(fā)展而發(fā)展。（1）準備和誕生時期（20世紀50~60年代）電子管計算機。

1950年，MIT能夠顯示簡單圖形的圖形顯示器。

1958年，Calcomp

滾筒式繪圖機。

20世紀50年代末，SAGE戰(zhàn)術防空系統(tǒng)。

（2）蓬勃發(fā)展和進入應用的時期（20世紀60年代）

1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。計算機及圖形設備價格昂貴，技術復雜。計算機圖形學的發(fā)展，如Coons曲面。（3）廣泛應用時期（20世紀70年代）集成電路用于計算機，使計算機平臺的性能大為提高。出現(xiàn)了以小型計算機為平臺的CAD系統(tǒng)。圖形設備相繼推出并完善。圖形軟件和CAD應用支撐軟件不斷得到充實與提高。（4）飛速發(fā)展時期（20世紀80年代）出現(xiàn)了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機進入市場。推出了以UNIX系統(tǒng)支撐的SUN工作站。圖形軟件更加成熟。（5）日趨成熟的時期（20世紀90年代）出現(xiàn)了基于PC平臺的價廉物美的CAD系統(tǒng)。

CAD系統(tǒng)的標準化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系統(tǒng)。集成化?？茖W計算可視化、虛擬設計、虛擬制造。1.2.2發(fā)展趨勢微機化、集成化、智能化、網絡化、可視化、并行化、標準化。

集成化數(shù)字化建模產品數(shù)據(jù)交換產品數(shù)據(jù)管理繼續(xù)改進和開發(fā)CAX及DFx

網絡化因特網的協(xié)同設計環(huán)境

CAD應用服務智能化標準化

CAD相關技術1.3主要包括交互技術、圖形變換技術、線框模型、曲面造型和實體造型技術、特征建模技術、參數(shù)化與變量化建模技術等。交互技術交互式CAD系統(tǒng)，指用戶在使用計算機系統(tǒng)進行設計時，人和機器可以及時地交換信息。采用交互式系統(tǒng)，人們可以邊構思、邊打樣、邊修改，隨時可從圖形終端屏幕上看到每一步操作的顯示結果，非常直觀。圖形交換技術圖形變換的主要功能是把用戶坐標系和圖形輸出設備的坐標系聯(lián)系起來；對圖形作平移、旋轉、縮放、透視變換；通過矩陣運算來實現(xiàn)圖形變換。線框模型技術這是在20世紀60年代發(fā)展的造型技術，起初用于二維CAD模型的建立，用戶逐點、逐線地構建模型，其目的是使用計算機代替人工繪圖。發(fā)展到三維造型時，線框模型利用線框和多邊形構造三維形體。由于線框模型的重疊特性，需要經過人腦的轉換才能呈現(xiàn)所表達的三維模型，并且線框模型難以表達曲面造型，因此在20世紀70年代逐漸向曲面造型和實體造型發(fā)展。曲面造型技術曲面造型是指在產品設計中對于曲面形狀產品外觀的一種建模方法。曲面造型方法使用三維CAD軟件的曲面指令功能構建產品的外觀形狀曲面并得到實體化模型。曲面造型主要用于研究曲線和曲面表示、曲面求交及顯示等問題。常用的曲面造型的表示方式有Coons曲面、Bezier曲面、B樣條曲面以及非均勻有理B樣條曲面（Non-uniformrationalB-spline，NURBS）。曲面造型系統(tǒng)已廣泛應用于汽車、飛機和船舶等產品的設計當中。實體造型技術實體造型主要研究如何通過簡單體素或特征的拼合構造復雜形體，通過此方式形成的模型稱為實體模型。實體造型技術是指描述幾何模型的形狀和屬性的信息并存于計算機內，由計算機生成具有真實感的可視的三維圖形的技術。將線框模型、曲面模型和實體模型進行統(tǒng)一并融合的典型三維建模內核包括Parasolid和ACIS。這兩種建模內核是當今的主流CAD（SolidWorks、UG、CATIA、AutoCAD等）、CAE（Abaqus、ANSYSIcem-CFD等）和CAM（CimatronE、MasterCAM、OneCNC等）軟件系統(tǒng)的幾何建模內核。特征建模技術按照特征建模的分類，零部件的特征類型可分為形狀特征、裝配特征、精度特征、性能特征和補充特征等。使用特征建模，可從構形角度出發(fā)，選用對設計制造有意義的特征形體（如槽、凹腔、凸臺、空、殼、壁等特征）作為基本單元，從而拼合成零件。另一方面，在特征建模中，除了幾何、拓撲信息，其中包含了大量下游活動（計算機輔助工藝過程設計、數(shù)控編程等）所需的信息，并且形成了復合STEP標準的產品信息模型，從而為CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，計算機集成制造系統(tǒng)）及CE（ConcurrentEngineering，并行工程）環(huán)境下的CAx和DFx等集成打下良好的基礎。參數(shù)化與變量化建模技術為了實現(xiàn)模型中各個元素間尺寸驅動的功能，并建立幾何模型與工程計算間的聯(lián)系，參數(shù)化和變量化技術采用約束表達產品的幾何模型，用一組尺寸參數(shù)及工程設計參數(shù)來定義和控制幾何模型。由此形成了使用參數(shù)值來驅動形狀的能力，并可方便地修改設計形狀或進行形狀相似產品的系列化設計。另外，參數(shù)化與變量化的建模技術可以實現(xiàn)產品設計過程中方案設計、結構設計、工程繪圖、裝配設計、工程分析和運動仿真等各個環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)共享和驅動。參數(shù)化建模主要通過對結構約束、尺寸約束、參數(shù)約束這三類約束進行驅動來快速構建和修改模型，而變量化建模除包含這些約束外，還包括面積、體積、強度、剛度、運動學、動力學等工程約束的限制條件和