第1講 計算機圖形學與CAD技術(shù)-緒論

課程目標：了解CAD技術(shù)的基本原理了解CAD的建模理論及方法了解利用CAD進行機械產(chǎn)品設計的過程了解CAD中的計算分析基本原理及過程基本掌握典型CAD系統(tǒng)的簡單操作了解CAD技術(shù)的工程應用課程主要內(nèi)容：

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(shù)（曲線曲面建模、實體建模、特征建模、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(shù)在典型機械產(chǎn)品設計中的應用

課程教學思路：形體定義輸入1形體定義輸入2形體定義輸入n內(nèi)部CSG＋BREP表達布爾運算結(jié)果形體BREP表達三角剖分顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯示渲染顯示參數(shù)定義工程應用學時安排32學時上課

20學時上機實驗地點：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：上機時間安排參考書目《機械CAD技術(shù)》，王書亭等《計算機圖形學教程》，唐榮錫等，第二版《計算機圖形學》，孫家廣，第三版《計算機輔助與非均勻有理B樣條》，施法中《NURBS》，LesPiegl等《CAD/CAM/CAE》系統(tǒng)原理，KunwooLee等先修課程：《機械設計》、《計算方法》等CAX論壇/軟件評價、使用心得、作品展示……仿真論壇——SimWe/forum/各種CAE軟件工具及資料……軟件評價、使用心得、技術(shù)資料學習交流源地國際國內(nèi)各種CG、CAD學習網(wǎng)站。CG與CAD的異同CG：研究某一物體對象的計算機內(nèi)部表達方法交互及顯示方法，以可視化效果為目標，研究共性的交互顯示技術(shù)，工程背景相對較弱。如：科學數(shù)據(jù)可視化，游戲動畫的場景渲染顯示等。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(cè)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(jié)合機械工程的學科特點來主要介紹CAD技術(shù)——機械CAD技術(shù)，CG內(nèi)容將穿插在CAD技術(shù)中，使CG、CAD融合為一個有機整體。第1講機械CAD概論1.1．機械設計過程概述1.2．機械CAD技術(shù)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(gòu)成1.3.1機械CAD系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)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(shù)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1.5．CAD系統(tǒng)的選型附1.典型CAD系統(tǒng)軟件介紹本章目的：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(gòu)成了解機械CAD發(fā)展的歷史和趨勢1）機械設計的基本涵義機械設計就是根據(jù)使用要求確定產(chǎn)品應該具備的功能，構(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．機械設計過程概述電機驅(qū)動蝸桿減速器，帶動曲柄連桿機構(gòu)，從而推動輸送執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)工件自動輸送電能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)機械運動例：某工件輸送機構(gòu)原理示意圖市場需求調(diào)查提出開發(fā)計劃設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計原理方案圖主要尺寸及參數(shù)設計總體結(jié)構(gòu)設計裝配圖零部件結(jié)構(gòu)設計零件圖技術(shù)文檔產(chǎn)品規(guī)劃階段(需求分析)方案設計階段（概念設計）技術(shù)設計階段（詳細設計）傳統(tǒng)設計方法及流程:2）機械設計主要過程傳統(tǒng)機械設計過程: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，提出需求報告概念設計構(gòu)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(jié)構(gòu)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)化詳細設計確定對象的細部結(jié)構(gòu)，完成裝配圖和零件圖的繪制，編寫技術(shù)文檔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(shù)文檔詳細設計的終結(jié)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)生設計藍圖傳統(tǒng)設計過程的特點:每一環(huán)節(jié)靠手工完成，容易出錯設計方案靠經(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、精確的的方法計算大部分時間花在零件圖、裝配圖上，可重用性差設計周期長、效率低，工作繁重3)機械CAD的需求背景在人工設計情況下，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，ComputerAidedDesign

）1.2.1CAD的基本概念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(jié)合為一個問題求解組，使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(shù)，其中人與機（計算機）結(jié)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(shù)概述CAD基本概念綜合定義CAD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。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(jié)合的系統(tǒng)。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)軟件設計技術(shù)CAD軟件數(shù)學＋編程＋工程CAD概念的拓展CAD含義的衍生：CAD技術(shù)不斷發(fā)展，不同領域?qū)AD技術(shù)的應用程度不同，對CAD技術(shù)的含義的理解也略有差異。ComputerAidedDraftingComputerAidedDesignComputerAdiedDevelopment基于CAD的設計過程產(chǎn)品開發(fā)周期與數(shù)字化制造技術(shù)之間的關(guān)系設計需求分析可行性研究與分析設計建模與仿真設計優(yōu)化設計評價設計結(jié)果設計分析概念設計市場信息工藝規(guī)劃編程控制工裝夾具生產(chǎn)計劃物料需求運輸制造包裝質(zhì)量檢驗裝配營銷數(shù)字化制造數(shù)字化設計數(shù)字化生產(chǎn)規(guī)劃基于CAD的數(shù)字化設計過程現(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(jié)構(gòu)設計；CAE工程分析，性能優(yōu)化；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。CADCAECAPPCAMCAD系統(tǒng)的基本功能：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(jié)構(gòu)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)人與計算機之間的對話。1.2.2機械CAD系統(tǒng)的內(nèi)容3)圖形顯示功能從產(chǎn)品的構(gòu)思、方案、造型的確定，到結(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)資料數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、計算結(jié)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(jié)果及時輸出，相應的輸入輸出功能是系統(tǒng)的基本功能。

機械CAD系統(tǒng)的任務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：用二維和三維的建模技術(shù)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(jié)構(gòu)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1.2.3機械CAD的作用強有力的計算、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)量設計信息、知識、資源及設計過程共享可重用性好（拷貝修改），設計效率高、周期短有利于產(chǎn)品全生命周期的信息集成CAD的工程應用CAD概念設計：功能原理、方案、布局等方面設計。思考問題：結(jié)合自己的專業(yè)背景，指出CAD的優(yōu)勢有哪些??二維工程制圖三維幾何建模及裝配結(jié)構(gòu)性能計算：如強度、剛度、動態(tài)特性等運動學及動力學分析過去生產(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；美國道格拉斯公司生產(chǎn)F15戰(zhàn)斗機，用CAD技術(shù)解決了發(fā)動機氣道和機艙密封等問題；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(shù)；美國GM公司汽車設計中應用CAD技術(shù)，使新型汽車的設計周期由5年縮短為3年；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(shù)帶來的經(jīng)濟效益明顯,CAD技術(shù)的發(fā)展與應用水平已成為衡量一個國家的科學技術(shù)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1.3.1機械CAD系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.3．機械CAD系統(tǒng)構(gòu)成

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、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)：一臺主機控制多臺終端（早期模式，80年代中期，微機沒普及），主機故障影響全部分離式系統(tǒng)：一臺主機一套系統(tǒng)，工作相互不受影響，得益于工作站與微機的發(fā)展分布式系統(tǒng)：網(wǎng)絡時代的產(chǎn)物，支持異地、異構(gòu)平臺協(xié)同工作（采用工作站和微機網(wǎng)絡系統(tǒng)）CAD系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)：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CAD技術(shù)是在計算機軟、硬件技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，它的發(fā)展過程與計算機技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。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(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer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(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了如下幾個階段：1.4．機械CAD技術(shù)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）計算機孕育萌芽階段早期機械式計算機20世紀40年代~50年代真空管計算機機器語言編制程序設計變壓器、電動機、發(fā)電機等美國、歐洲、日本CAD成長階段50年代末～60年代后期晶體管計算機高級語言(FORTRAN,ALGOL等）文件系統(tǒng)(數(shù)據(jù)管理)磁帶、磁鼓、磁盤（數(shù)據(jù)存儲)圖形顯示、輸出交互式圖形生成技術(shù)(人機交互）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CAD應用發(fā)展階段70年代以后大規(guī)模集成電路時代分時操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡圖形處理軟硬件技術(shù)進一步發(fā)展人機交互圖形生成技術(shù)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CAD成熟拓展階段各種現(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、系統(tǒng)工程有限元法、數(shù)值積分、偏微分方程數(shù)值解法CAD技術(shù)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)(TurnKeySystem)80年代超級小型機及超級微機工作站給CAD技術(shù)極大推動90年代以微機為基礎的CAD系統(tǒng)受到歡迎60～70年代，以二維繪圖為基礎的CAD設計技術(shù)80年代后期，以三維參數(shù)化特征造型為基礎的3D數(shù)字化產(chǎn)品建模90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(shù)90年代后期，以PLM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(shù)RealisticSimulation基于真實仿真的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)（遠景規(guī)劃）CAD發(fā)展歷程及展望1.4.2機械CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢集成化網(wǎng)絡化智能化標準化專業(yè)化(工具化) 想一想：未來你需要什么樣的CAD系統(tǒng)？？？CAD技術(shù)發(fā)展趨勢：1）集成化功能齊全完整、整體協(xié)調(diào)一致（當前集成創(chuàng)新也被廣泛認可）就像大型綜合醫(yī)院與?？漆t(yī)院的關(guān)系、地位。思考問題：為什么要集成化CAD（或CAX）？？？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(zhuǎn)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。集成化的含義多種軟件