負責CAD的繪圖-計算機輔助設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)課件

第1章緒論1第1章緒論1課程要求考試形式：平時作業(yè)、測驗占10%；上機實驗占20%；筆試占70%。教材及主要參考書

1、程凱、李任江、李靜等編，《計算機輔助設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)》2、崔鴻斌、方憶湘等編，《計算機輔助設(shè)計基礎(chǔ)及應用》北京：清華大學出版社3、王熾鴻、歐宗瑛編，《計算機輔助設(shè)計》.北京：機械工業(yè)出版社2課程要求2主要內(nèi)容

CAD技術(shù)的基本概念；CAD技術(shù)的發(fā)展史；CAD技術(shù)的應用；CAD系統(tǒng)的軟件；CAD系統(tǒng)的硬件；CAD系統(tǒng)的基本類型；CAD系統(tǒng)的選型原則。3主要內(nèi)容CAD技術(shù)的基本概念；3引言

機械設(shè)計定義

機械設(shè)計就是根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應該具備的功能，構(gòu)想出產(chǎn)品的工作原理、結(jié)構(gòu)形狀、運動方式、力和能量的傳遞、以及所用材料等事項，并轉(zhuǎn)化為具體的描述，例如圖紙和設(shè)計文件等，以此作為制造的依據(jù)。

機械設(shè)計是產(chǎn)品從需求分析、設(shè)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％。

4引言

機械設(shè)計定義機械設(shè)計就是根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應該具機械設(shè)計主要過程

市場需求調(diào)查提出開發(fā)計劃設(shè)計任務書功能分析尋求解決方案擬訂總體布局機械運動方案設(shè)計原理方案圖主要尺寸及參數(shù)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配圖零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計零件圖技術(shù)文檔產(chǎn)品規(guī)劃階段(需求分析)方案設(shè)計階段（概念設(shè)計）技術(shù)設(shè)計階段（詳細設(shè)計）調(diào)查研究、分析用戶需求、收集資料，在此基礎(chǔ)上確定產(chǎn)品功能，提出需求報告構(gòu)思方案，分析和論證，獲得的原理性方案，確定設(shè)計大的框架，主要設(shè)計參數(shù)分析計算與優(yōu)化確定對象的細部結(jié)構(gòu)，完成裝配圖和零件圖的繪制，編寫技術(shù)文件5機械設(shè)計主要過程市場需求調(diào)查提出開發(fā)計劃設(shè)計任務書功能分析傳統(tǒng)設(shè)計工具：繪圖板，計算器（尺）產(chǎn)生設(shè)計藍圖6傳統(tǒng)設(shè)計工具：繪圖板，計算器（尺

機械CAD過程輔助工具、組件應用數(shù)據(jù)庫7機械CAD過程輔助工具、組件應用數(shù)據(jù)庫7CAD設(shè)計工具各種CAx軟件工具：CAD（2D、3D）CAE、CAPP、CAM等8CAD設(shè)計工具各種CAx軟件工具：8對比分析傳統(tǒng)機械設(shè)計過程：每一環(huán)節(jié)靠手工完成設(shè)計方案靠經(jīng)驗，方案少，不優(yōu)化不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，容易出錯大部分時間在零件圖、裝配圖上，可重用性差設(shè)計周期長、效率低CAD作業(yè)過程：設(shè)計工具軟件化（CAx）強有力的計算、圖形、數(shù)據(jù)處理能力設(shè)計、分析綜合，性能選優(yōu)提高了設(shè)計精度和可靠性信息共享、資源共享、設(shè)計過程共享設(shè)計效率高、周期短9對比分析傳統(tǒng)機械設(shè)計過程：CAD作業(yè)過程：91.1CAD技術(shù)的發(fā)展及應用

1.1.1CAD的內(nèi)涵、功能和任務1、CAD定義：ComputerAidedDesign(計算機輔助設(shè)計)的簡稱。計算機輔助設(shè)計是將人和計算機的最佳特性結(jié)合起來，輔助進行產(chǎn)品的設(shè)計與分析的一種技術(shù)，是綜合了計算機與工程設(shè)計方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學科。可以定義為：工程技術(shù)人員以計算機為工具，用各自的專業(yè)知識，對產(chǎn)品進行幾何造型、分析計算、繪圖和編寫技術(shù)文件等設(shè)計活動的總稱。

101.1CAD技術(shù)的發(fā)展及應用10

圖1-1CAD系統(tǒng)的功能

2、CAD的功能：工程設(shè)計的過程包括設(shè)計需求分析、概念設(shè)計、設(shè)計建模、設(shè)計分析、設(shè)計評價和設(shè)計表示，CAD的功能就是在工程設(shè)計的過程中起相應的作用，如圖1-1所示。11圖1-1C3、CAD技術(shù)是一門多學科的綜合性應用新技術(shù)，它涉及到以下基礎(chǔ)技術(shù)：圖形處理技術(shù)工程分析技術(shù)數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換技術(shù)

文檔處理技術(shù)

軟件設(shè)計技術(shù)123、CAD技術(shù)是一門多學科的綜合性應用新技術(shù)，它涉及到以下基1.1.2CAD技術(shù)的發(fā)展歷程

提出：1959年美國麻省理工學院（MIT）召開的CAD規(guī)劃會議。實施：1963年MIT小組在美國計算機聯(lián)合會年會上發(fā)表了CAD方面的五篇論文給工程技術(shù)界以很大的震動,也由此CAD技術(shù)得以出現(xiàn),并進入了實施階段。131.1.2CAD技術(shù)的發(fā)展歷程提出：1959年

CAD技術(shù)自產(chǎn)生以來發(fā)展比較迅速，大致經(jīng)歷了以下四個主要發(fā)展時期：

1、孕育形成階段（20世紀40年代—50年代末）特點：真空管計算機；機器語言；編制程序設(shè)計變壓器、電動機、發(fā)電機等；美國、歐洲、日本；14CAD技術(shù)自產(chǎn)生以來發(fā)展比較迅速，大致經(jīng)歷了以下四個2、成長發(fā)展階段（20世紀50年代末—60年代）特點:晶體管式計算機取代真空管式計算機高級語言(FORTRAN,ALGOL,COBOL）文件系統(tǒng)(數(shù)據(jù)管理)（60年代初）磁帶、磁鼓、磁盤（數(shù)據(jù)存儲)CRT+光筆的圖形顯示系統(tǒng)交互式圖形生成技術(shù)(人機交互，1953）I.E.Sutherland“人機圖形通信系統(tǒng)”SKETCHPAD發(fā)展很快，但規(guī)模大，價格昂貴存儲管式顯示器。152、成長發(fā)展階段（20世紀50年代末—60年代）特點:153、開發(fā)拓展階段（20世紀70年代—80年代）特點：計算機已進入大規(guī)模集成電路時代；數(shù)據(jù)處理技術(shù)已從文件系統(tǒng)發(fā)展到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，系統(tǒng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部數(shù)據(jù)庫；

幾何造型技術(shù)已經(jīng)成熟；有較好的集成，實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM的集成；出現(xiàn)特征建模及二、三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。

4、應用普及階段（20世紀90年代以后）特點：廣泛采用了特征造型和基于約束的參數(shù)化和變量化造型方法，并向集線框、表面、實體造型統(tǒng)一表示的非流形形體造型發(fā)展；由單機或局部分布式聯(lián)網(wǎng)工作方式向基于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計發(fā)展。163、開發(fā)拓展階段（20世紀70年代—80年代）特點：計算機已CAD技術(shù)的發(fā)展

2D繪圖3D設(shè)計工程分析數(shù)字樣機集成平臺17CAD技術(shù)的發(fā)展2D繪圖3D設(shè)計工程分析數(shù)字樣機集成平臺1目前國際知名CAD軟件公司兩大陣營：CATIA為代表（整體方案）UG為代表（整體方案）其它：Pro/E為表（整體方案）AutoCAD為代表高檔：CATIA、UG中檔：Pro/E低檔：Solidworks、Solidedges、Inventor二維：AutoCAD18目前國際知名CAD軟件公司兩大陣營：CATIA為代表（整體CAD在我國的發(fā)展清華、華科大、浙大、北航等華中科技大學：天喻InteCAD、InteSolid，KMCAD等清華：TiOpenCAD，TiGEMS等北航海爾：CAXA，金銀花等浙大大天：ZDDS新洲軟件：Solid2000技術(shù)、市場份額與國外差距很大19CAD在我國的發(fā)展清華、華科大、浙大、北航等191.1.3CAD技術(shù)的應用

CAD技術(shù)在機械工業(yè)中的主要應用有以下幾個方面：

(1)二維繪圖。(2)圖形及符號庫。(3)參數(shù)化設(shè)計。(4)三維造型。(5)工程分析。(6)生成設(shè)計文檔及報表。

201.1.3CAD技術(shù)的應用201.2CAD系統(tǒng)的軟件

系統(tǒng)軟件CAD系統(tǒng)的軟件可分為三個層次支撐軟件應用軟件

211.2CAD系統(tǒng)的軟件211.2.1系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件指操作系統(tǒng)和系統(tǒng)實用程序等，它用于計算機的管理、控制和維護。

1．操作系統(tǒng)。如Windows2000/xp/NT、UNIX（工作站，微機）等。

2．計算機語言及編譯系統(tǒng)。如Basic、Fortran、Pascal、C/C++等，這些高級語言均有相應的編譯系統(tǒng)。

3．系統(tǒng)實用程序。

221.2.1系統(tǒng)軟件221.2.2支撐軟件

1、圖形處理軟件。負責CAD的繪圖，如AutoCAD。

2、幾何建模軟件。Pro/E等。

3、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。如FoxBASE，F(xiàn)oxPRO，工程數(shù)據(jù)庫等。

計算方法庫：如解線性方程組優(yōu)化方法軟件

4、工程分析及計算軟件有限元分析軟件：如ANSYS等機構(gòu)分析及機構(gòu)綜合的軟件系統(tǒng)動態(tài)分析軟件

5、文檔制作軟件。如WPS，WORD等。

231.2.2支撐軟件231.2.3應用軟件

應用軟件是用戶為解決各類實際問題，在系統(tǒng)軟件的支持下而設(shè)計、開發(fā)的程序，或利用支撐軟件進行二次開發(fā)形成的程序，如模具設(shè)計軟件、電器設(shè)計軟件等。應用軟件的功能和質(zhì)量直接影響CAD系統(tǒng)的功能和質(zhì)量。

241.2.3應用軟件241.3CAD/CAM系統(tǒng)的硬件CAD系統(tǒng)的硬件組成實際上也就是CAD系統(tǒng)的計算機硬件配置問題，但CAD系統(tǒng)的硬件配置與通用計算機系統(tǒng)有所不同，主要區(qū)別是CAD系統(tǒng)的硬件配置中要求有較強的人機交互設(shè)備以及圖形輸入、輸出裝置，性能好，主頻高，浮點運算能力強的cpu，盡可能大的內(nèi)存和外存，以及支持標準圖形系統(tǒng)且有較大顯存的顯卡。典型的CAD系統(tǒng)的硬件計算機主機、信息存儲設(shè)備（主要指外存、如硬盤、軟盤、光盤等）、圖形輸入設(shè)備（鍵盤、鼠標、掃描儀等）、圖形輸出設(shè)備（顯示器、繪圖儀、打印機等）及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、多媒體設(shè)備等組成。251.3CAD/CAM系統(tǒng)的硬件2526262727

下面我們分別介紹這幾部分：1、計算機主機計算機主機由中央處理器(CPU)和內(nèi)存儲器(簡稱為內(nèi)存)等組成，是整個CAD系統(tǒng)的核心。衡量主機性能的指標主要有：CPU性能、字節(jié)長度、內(nèi)存容量。（大中型、小型、工作站、微機）

2、信息存儲設(shè)備信息存儲設(shè)備主要指外存儲器，外存儲器簡稱為外存。用來存放暫時不用或等待調(diào)用的程序、數(shù)據(jù)等信息。當使用這些數(shù)據(jù)時，由操作系統(tǒng)根據(jù)命令調(diào)入內(nèi)存，接受cpu處理。外存優(yōu)點：容量大。缺點：存儲速度慢。常見的外存儲器有軟盤、優(yōu)盤、硬盤和光盤。28下面我們分別介紹這幾部分：28

3、圖形輸入設(shè)備

在CAD/CAM系統(tǒng)中，經(jīng)常需要交互地輸入和修改產(chǎn)品設(shè)計方案和圖形，對圖形進行各種變換（縮放、平移、旋轉(zhuǎn)）等操作，所以需要高效的圖形輸入設(shè)備。鼠標：主要用來控制屏幕上光標的位置。鍵盤：輸入各種參數(shù)、命令及字符串。數(shù)字化儀：專門用于二維繪圖工作。是由一塊尺寸為A4~A0的圖版和一個類似于鼠標的游標器（定位器）組成。

掃描儀：可以將圖像掃描到計算機內(nèi)存儲。

293、圖形輸入設(shè)備29

4、圖形顯示設(shè)備

圖形顯示設(shè)備（CRT）是CAD系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，它不僅能隨時顯示所設(shè)計的圖形，而且還能讓用戶對這些圖形進行增、刪、改、移動等操作。因此，它不單純是被動地顯示圖形，而是一種交互式的圖形顯示。

衡量顯示器性能的主要指標是分辨率和顯示速度，對于相同尺寸的屏幕，點數(shù)越多，距離越小，分辨率就越高，顯示的圖形越精細。常用光柵掃描式顯示器。目前，液晶顯示器和等離子顯示器的應用越來越廣泛，有逐漸取代它的優(yōu)勢。分辨率1280×1024水平掃描線有1280個點。垂直掃描線有1024條。304、圖形顯示設(shè)備30電子束在CRT屏幕上從左到右做水平掃描，當達到線右終點時，電子束快速回到下一條的起始位置，逐行掃描，當達到屏幕右下角時，回到起始點，開始下一輪的掃描。5、圖形輸出設(shè)備打印機：針式、噴墨、激光。繪圖儀：筆式繪圖儀（平板、滾筒）、噴墨繪圖儀。快速成型機：使三維CAD模型快速成型。

31電子束在CRT屏幕上從左到右做水平掃描，當達到線右終點時，電1.4CAD系統(tǒng)的組成1.4.1CAD系統(tǒng)的分類

CAD/CAM系統(tǒng)的分類方法有很多，本節(jié)主要介紹兩種分類方式。1.4.1.1按計算機的配置分類1、集中式主機型系統(tǒng)（集中式CAD系統(tǒng)，多用戶分時處理，多用戶共享一臺計算機）

這種配置適用于大型CAD/CAM系統(tǒng)，一般以大（中）型機為主機，集中配備某些公用的外部設(shè)備。如繪圖機、打印機等。同時接出許多用戶工作站及字符終端，其中每個用戶工作站有一個圖形終端，并配有文本輸入設(shè)備（鍵盤）。321.4CAD系統(tǒng)的組成32優(yōu)點：主機功能強，能進行大信息量作業(yè)，如大型分析計算，復雜模擬和管理等。缺點：因為這種系統(tǒng)采用的是多用戶分時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所以當終端用戶過多時，會使系統(tǒng)過載，響應速度變慢，而且一旦出現(xiàn)主機發(fā)生故障，整個系統(tǒng)不能工作，此外，價格昂貴。3333

2、分布式工程工作站系統(tǒng)

這種系統(tǒng)配置時遵循這樣一種思想：一個工程師使用一臺計算機，而且還能使用所有計算機，前半句意味著屏棄了多用戶分時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，后半句意味著采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由于單用戶性質(zhì)，保證了優(yōu)良的時間響應，提高了用戶的工作效率。這種系統(tǒng)類型具有下列三個顯著特點：

①分布式計算能力，能支持復雜的CAD/CAM作業(yè)②圖形智能化程度高③網(wǎng)絡(luò)能力強342、分布式工程工作站系統(tǒng)34

3、微型計算機系統(tǒng)

其構(gòu)成與工作站CAD/CAM系統(tǒng)構(gòu)成類似。這種類型的系統(tǒng)主機為微型機配有圖形終端、繪圖機、打印機等。

微機在運算速度、精度、內(nèi)外存容量等方面都已能滿足CAD/CAM應用的需要。另外，微機上的各種軟件、圖形軟件、工程分析軟件及各種應用軟件都能滿足用戶的大部分要求，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使微機CAD/CAM系統(tǒng)也達到資源共享，并且微機的價格越來越便宜，因此，它在中小型企業(yè)中得到了廣泛的應用，是它們的最佳選擇。353、微型計算機系統(tǒng)354、基于網(wǎng)絡(luò)的微機-工程工作站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)CAD/CAM系統(tǒng)是一種新型的計算機系統(tǒng)，它既具有良好的交互性和快速響應的性能，又能使多用戶共享硬件資源。36361.4.1.2按工作方法及功能分類

1、檢索型CAD系統(tǒng)檢索型CAD系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其零部件已實現(xiàn)標準化、系列化及模塊化的產(chǎn)品，它們的零部件圖及裝配圖已轉(zhuǎn)化為程序存儲于計算機中，在設(shè)計過程中，根據(jù)給出參數(shù)的具體數(shù)值按要求檢索出所需要的零部件圖，在計算機上裝配成產(chǎn)品圖，并對產(chǎn)品性能進行校核，滿足要求后，輸出所需的各種技術(shù)文件及圖紙。371.4.1.2按工作方法及功能分類37

2、自動型CAD系統(tǒng)自動型CAD/CAM系統(tǒng)能根據(jù)產(chǎn)品性能規(guī)格要求在輸入基本參數(shù)后，不需人工干預，計算機能根據(jù)規(guī)定的程序，自動完成設(shè)計工作，輸出產(chǎn)品設(shè)計全部圖紙及技術(shù)文件，僅適用于設(shè)計理論成熟；計算公式確定；設(shè)計步驟及判別標準清楚；資料數(shù)據(jù)完備的產(chǎn)品。382、自動型CAD系統(tǒng)383、交互型CAD系統(tǒng)在機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，方案的決策及結(jié)構(gòu)布置要完全實現(xiàn)自動化設(shè)計是非常困難的，有時也是不可行的，設(shè)計過程中往往需要設(shè)計人員的隨時參與，由此產(chǎn)生了交互型CAD系統(tǒng)。它充分發(fā)揮了人與計算機二者的長處，即：計算機的高速運算能力和嚴格的邏輯判斷及大量信息的存儲能力和設(shè)計人員長期積累的智慧和豐富的經(jīng)驗。交互型CAD系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計工作中具有較實用的價值，并且在實現(xiàn)上相對也容易一些。393、交互型CAD系統(tǒng)39

4、智能型CAD系統(tǒng)

將人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)與普通CAD系統(tǒng)結(jié)合起來，便產(chǎn)生了智能型CAD系統(tǒng)。它主要由知識庫、推理機、實時系統(tǒng)、知識獲取系統(tǒng)以及人機接口等組成。智能型CAD系統(tǒng)可以對產(chǎn)品設(shè)計的全過程進行支持。404、智能型CAD系統(tǒng)401.4.2CAD/CAM分類與選擇原則系統(tǒng)的選擇原則

遵循“提前培訓，以軟件為主，適當配置硬件系統(tǒng)”的原則”。在建立過程中還應考慮以下原則：1、軟件系統(tǒng)的選擇應優(yōu)于硬件且應具有優(yōu)越的性能。2、硬件系統(tǒng)要有良好的開放性且符合工業(yè)標準3、整個軟硬件系統(tǒng)運行可靠，維護簡單、性能價格比優(yōu)越。4、具有良好的售后服務體系。5、供應商應該有較好的信譽、可以提供培訓、故障排除及其他增值服務411.4.2CAD/CAM分類與選擇原則系統(tǒng)的選擇原則411.5機械CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢

集成化

智能化

網(wǎng)絡(luò)化標準化

421.5機械CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢集成化421.5.1集成化CAD/CAPP/CAM/CAE集成計算機集成制造系統(tǒng)CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)提高集成水平是CAD/CAM系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向,必須在以下幾方面提高水平：

從傳統(tǒng)的實體造型到參數(shù)化特征造型的轉(zhuǎn)變

必須有自己統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)

解決好不同CAD系統(tǒng)間產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問題

集成系統(tǒng)內(nèi)部應該包括種類更多、功能更為完善的設(shè)計與制造應用軟件

解決好網(wǎng)絡(luò)通信問題，使不同節(jié)點及不同地區(qū)的用戶能夠協(xié)同工作

431.5.1集成化CAD/CAPP/CAM/CAE集成43CAXPLMPKM44CAXPLMPKM441.5.2網(wǎng)絡(luò)化提供多學科領(lǐng)域開發(fā)團隊的協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)支持跨部門、跨行業(yè)、跨地域的企業(yè)協(xié)作提供數(shù)據(jù)共享、知識共享、資源共享451.5.2網(wǎng)絡(luò)化提供多學科領(lǐng)域開發(fā)團隊的協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)452發(fā)展方向BuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHamburg德國法國英國西班牙空客A380在4國進行協(xié)同研制CADCAECAMCADCAECAM研制

ERPSCMSCMERP數(shù)據(jù)/BOM表

項目

需求CPC平臺機艙內(nèi)裝飾前后機身駕駛艙和中段機翼發(fā)動機機架垂直尾翼水平尾翼462發(fā)展方向BuxtehudeLaupheimHamburgBuxtehudeLaupheimHamburgBremenNordheimVarelMeaulteSt.NazaireNantesBrougltonFiltonToulouseGetateIllescasPuertoRealStadeHam