第1章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),問題（討論）,1,、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的含義？,2,、計(jì)算機(jī)繪圖是否等同于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)？,考核方式,考試成績(jī),=,平時(shí)成績(jī),10%+,期末成績(jī),70%+,上機(jī)成績(jī),20%,平時(shí)成績(jī)（作業(yè)、課堂測(cè)驗(yàn)及出勤情況）,教學(xué)內(nèi)容,第一章,.,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述,第二章,.CAD,系統(tǒng),第三章,.,工程數(shù)據(jù)的處理技術(shù),第四章,.,機(jī)械,CAD,中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),第五章,.,圖形變換,第六章,.,二三維幾何建模,第七章,.,三維產(chǎn)品建模技術(shù),教學(xué)要求,1,、了解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展概況及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)成；,2,、

2、掌握在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程中所需設(shè)計(jì)資料的處理方法；,3,、掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識(shí)及數(shù)據(jù)庫(kù)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；,4,、掌握?qǐng)D形顯示及圖形變換方法；,5,、掌握應(yīng)用繪圖軟件編制自動(dòng)繪圖程序的方法；,6,、掌握交互式圖形處理軟件,AutoCAD,的使用及利用,AutoCAD,進(jìn)行二次開發(fā)的方法。,第一章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)概述,1.1 CAD,的發(fā)展歷程,1.2 CAD,基本概念和特點(diǎn),1.3,現(xiàn)代,CAD,系統(tǒng)提供的輔助功能,1.4 CAD,的推廣和應(yīng)用,1.5 CAD,未來的發(fā)展方向,1.1 CAD,的發(fā)展歷程,CAD,技術(shù)產(chǎn)生至今大致經(jīng)歷了,5,個(gè)發(fā)展時(shí)期：,1,）準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期（,20,世紀(jì),50

3、,年代）,2,）學(xué)科建立和進(jìn)入應(yīng)用時(shí)期（,20,世紀(jì),60,年代）,3,）廣泛使用時(shí)期（,20,世紀(jì),70,年代）,4,）飛速發(fā)展時(shí)期（,20,世紀(jì),80,年代）,5,）標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展時(shí)期（,20,世紀(jì),90,年代）,1,）準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期（,20,世紀(jì),50,年代）,主要標(biāo)志：,（,1,）,1950,年，麻省理工學(xué)院（,MIT,）研制出,“,旋風(fēng),號(hào),”,（,WhirlWind),圖形顯示設(shè)備,（,2,）,1952,年，,MIT,的伺服實(shí)驗(yàn)室研制成功世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床,（,3,）1958年，,Calcomp,公司研制出了滾筒式繪圖機(jī)；,Gerber,公司研制出了平板

4、繪圖儀,（,4,）,1959,年（,MIT）,將,CAD,正式列為研究項(xiàng)目進(jìn)行研究等等。,這時(shí)期硬件的特點(diǎn)是開始具有一定的圖形輸出能力。從整體上說，計(jì)算機(jī)硬件水平較低，處在電子管水平；計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，開發(fā)人員主要用機(jī)器語(yǔ)言編程，圖形的處理只能輸出不能輸入。,這臺(tái)被命名為,“,旋風(fēng)1號(hào),”,（,Whirlwind）,的電腦投入運(yùn)行，由5000個(gè)電子管組成全新的結(jié)構(gòu)，使它成為當(dāng)時(shí)速度最快的計(jì)算機(jī)。,2,）學(xué)科建立和進(jìn)入應(yīng)用時(shí)期（,20,世紀(jì),60,年代）,（,1,）在20世紀(jì)60年代，晶體管取代了真空電子管。20世紀(jì)60年代后期，出現(xiàn)了直接存取存儲(chǔ)器，研制成功了陰極射線管顯示器等等。,（,

5、2,）,1963,年春，在美國(guó)計(jì)算機(jī)聯(lián)合會(huì)的年會(huì)上，,MIT,的研究小組發(fā)表了有關(guān),CAD,項(xiàng)目的五篇論文，給工程界以很大的震動(dòng)。,（,3,）當(dāng)時(shí)，,MIT,研究小組的報(bào)告對(duì),CAD,作了這樣的設(shè)想：設(shè)計(jì)者坐在,CRT,控制臺(tái)前，通過光筆操作，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)以至制造的全過程。它還提出了用不同的層來表示某一工程圖的輪廓、剖面線和尺寸。這個(gè)系統(tǒng)為交互式圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助繪圖技術(shù)打下了理論基礎(chǔ)。這在當(dāng)時(shí)看來，帶有一些神奇色彩，但它大大地震動(dòng)了追求實(shí)效的工程界。,（,4,）美國(guó)通用汽車公司和,IBM,公司率先開發(fā)了,DAC-1(Design Augmented by Compu

6、ter),系統(tǒng)，用來設(shè)計(jì)汽車外形與結(jié)構(gòu)。,（,5,）美國(guó)洛克希德（,Lockheed）,公司和,IBM,公司聯(lián)合開發(fā)了基于大型計(jì)算機(jī)的圖形增強(qiáng)設(shè)計(jì)與制造軟件包,CADAM,用于設(shè)計(jì)與繪圖，并具有三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力。,隨后計(jì)算機(jī)輔助繪圖、設(shè)計(jì)、制造、分析技術(shù)在英、日、意等國(guó)的汽車公司也都獲得了廣泛的應(yīng)用，并逐漸擴(kuò)展到其它部門。,3,）廣泛使用時(shí)期（,20,世紀(jì),70,年代）,（,1,）計(jì)算機(jī)硬件從集成電路發(fā)展到大規(guī)模集成電路，相繼出現(xiàn)了32位小型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)。,（,2,）基于小型機(jī)的,CAD,成套系統(tǒng)（,Turnkey System）,研制成功，它包括圖形輸入及輸出設(shè)備和相應(yīng)的應(yīng)用軟件，軟硬

7、件配套使用。在此期間，為,CAD,開發(fā)了大量的圖形軟件包和以有限元為基礎(chǔ)的各種強(qiáng)度的運(yùn)算軟件包。專業(yè)的,CAD,系統(tǒng)公司和專門開發(fā),CAD,軟件的軟件公司相繼出現(xiàn)，并有一系列的,CAD,產(chǎn)品投入市場(chǎng)。,4,）飛速發(fā)展時(shí)期（,20,世紀(jì),80,年代）,5,）標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展時(shí)期（,20,世紀(jì),90,年代）,1.2 CAD,的基本概念及特點(diǎn),開始,市場(chǎng)需求分析,可行性研究與分析,概念設(shè)計(jì),初步設(shè)計(jì),詳細(xì)設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)仿真模擬,Y,工藝設(shè)計(jì)、加工制造,性能試驗(yàn),滿意嗎,設(shè)計(jì)定型,滿意嗎,N,Y,N,產(chǎn)品開發(fā)過程,設(shè)計(jì)一般經(jīng)歷以下階段：,（,1,）,概念設(shè)計(jì),：需求分析、確定功

8、,能、構(gòu)思方案，獲得一組原理方案,（,2,）,初步設(shè)計(jì),：從可行方案中優(yōu)選出一個(gè)功能滿足要求、工作原理可靠、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行、成本低廉的方案。,（,3,）,詳細(xì)設(shè)計(jì),：確定詳細(xì)結(jié)構(gòu)，完,成總布置圖、零部件圖，編寫技術(shù)文件,（,4,）,制造加工及試驗(yàn),設(shè)計(jì)是,“,設(shè)計(jì),-,評(píng)價(jià),-,再設(shè)計(jì),”,過程,圖,1-1,產(chǎn)品開發(fā)過程,2,、,CAD,的基本概念,（,1,）定義：,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),（,computer aided design,CAD,）指應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，協(xié)助工程技術(shù)人員對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析、文檔制作等設(shè)計(jì)活動(dòng)，是一種新的設(shè)計(jì)方法，也是多學(xué)科綜合的一門新技

9、術(shù)。,CAD,采用計(jì)算機(jī)工具完成設(shè)計(jì)的全過程，能將產(chǎn)品的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型。,CAD,技術(shù)所涉及到的技術(shù)：,圖形處理、工程分析、數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)交換、文檔處理、界面開發(fā)、基于,WEB,的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)。,（,2,）,CAD,與計(jì)算機(jī)繪圖、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的區(qū)別,計(jì)算機(jī)繪圖,：擺脫繁重的手工繪圖,計(jì)算機(jī)圖形學(xué),（,Computer Graphics,，簡(jiǎn)稱,CG,）：通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形，并在專用設(shè)備上顯示的原理、方法和技術(shù)的科學(xué)。,1,）計(jì)算機(jī)繪圖是,CG,的一個(gè)分支,2,）計(jì)算機(jī)繪圖不是,CAD,的全部?jī)?nèi)涵，但是它是,CAD,技術(shù)基礎(chǔ)之一,3,）,CG,是一門獨(dú)立的學(xué)科，與,CAD

10、,有明顯區(qū)別,（,3,）,CAD,過程與設(shè)計(jì)過程,3.CAD,的特點(diǎn),下表是日本一個(gè)金屬模具制造廠在進(jìn)行某項(xiàng)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，引入,CAD,前后所花時(shí)間對(duì)比。,項(xiàng)目,引入,CAD,前（小時(shí)）,引入,CAD,后（小時(shí)）,兩者之比,資料調(diào)查,34,17,2:1,設(shè)計(jì),29,9.7,3:1,繪圖,107,5.3,20:1,制作加工數(shù)控紙帶,42,3,14:1,合計(jì),212,35,6:1,CAD,有以下優(yōu)點(diǎn),提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。,降低生產(chǎn)成本。,各部門信息交流迅速、可靠。,提高企業(yè)管理水平。,1.3,現(xiàn)代,CAD,系統(tǒng)提供的輔助功能,1,、參數(shù)化和變量設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過程中，許多零部件的

11、形狀往往是相同的，只是尺寸大小發(fā)生改變，即零部件的拓?fù)潢P(guān)系不變，而大小發(fā)生改變。,2.,零件造型,零件造型是指在計(jì)算機(jī)中建立零件的三維實(shí)體模型。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自己的設(shè)想將零件從計(jì)算機(jī)中逐步,“,制作,”,出來。,3.,曲面造型,曲面造型提供了在計(jì)算機(jī)中生成、編輯自由曲線和曲面方法。比采用石膏造型更快速、更精確、效果更好。,4.,虛擬裝配,虛擬裝配能夠模仿實(shí)際的裝配過程，生成產(chǎn)品的裝配。通過虛擬裝配可以發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計(jì)不當(dāng)在實(shí)際裝配中可能出現(xiàn)的如間隙過小或過大、零件之間的干涉等問題。,5.,工程繪圖功能,大型,CAD,系統(tǒng)均提供了很強(qiáng)的生成工程圖的能力，其目的是生成符合標(biāo)準(zhǔn)的工程圖紙。同樣是生成工

12、程圖紙，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的工程圖生成方法與計(jì)算機(jī)輔助繪圖有很大的差異。,虛擬裝配的模型及裝配過程,6.,數(shù)據(jù)交換功能,數(shù)據(jù)交換功能提供與其他設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換。其主要交換標(biāo)準(zhǔn)有,IGES,SET,STEP,DXF,等。交換內(nèi)容包括二維圖形、三維模型、三維線框模型、三維曲面模型、任意形狀曲面、光柵圖像、特征、表面和公差信息等。數(shù)據(jù)交換使得利用不同,CAD,系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)共同協(xié)作完成同一產(chǎn)品的開發(fā)成為可能。,7.,二次開發(fā),二次開發(fā)是,CAD,系統(tǒng)向用戶提供的開發(fā)工具。由于機(jī)械產(chǎn)品的用途多種多樣，任何強(qiáng)大的,CAD,系統(tǒng)都不可能向用戶提供各種具體產(chǎn)品的完善的解決方案。提供二次開發(fā)工具的

13、目的是讓用戶將自己或者第三方編寫的程序集成到,CAD,系統(tǒng)中。,8.,有限元分析,有限元法是對(duì)復(fù)雜工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的一種重要分析手段。正是有了計(jì)算機(jī)高速的數(shù)值計(jì)算能力，有限元分析的計(jì)算方法才得以實(shí)現(xiàn)。最終通過計(jì)算可視化技術(shù)可以將零件上的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)的分布情況用不同色彩的云圖、箭頭、等值線以靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的方式在實(shí)體模型上直觀、清楚地表達(dá)出來。,9.,數(shù)控加工及仿真,數(shù)控加工用于產(chǎn)生零件加工工序規(guī)劃、刀路軌跡等，并能根據(jù)加工工序做出時(shí)間及成本估計(jì)。數(shù)控加工能將設(shè)計(jì)模型與加工工序規(guī)劃連接起來，當(dāng)設(shè)計(jì)模型發(fā)生修改時(shí)系統(tǒng)會(huì)將已做過的生產(chǎn)上的程序和加工過程自動(dòng)更新。,1.,4 CAD,的推廣和應(yīng)用

14、,CAD,技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，在一定程度上反映出一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力。企業(yè)中引入,CAD,技術(shù)是提高產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)技術(shù)水平的一項(xiàng)重大措施，而,CAD,技術(shù)的應(yīng)用可以滿足企業(yè)降低生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計(jì)周期的要求，可以推動(dòng)企業(yè)快速發(fā)展。,我國(guó),CAD,技術(shù)的引入大約是在60年代，起步較晚，但最近幾年的發(fā)展較為迅速，在機(jī)械、電子、建筑、汽車、服裝等行業(yè)逐步進(jìn)入了使用階段，在許多其他領(lǐng)域也進(jìn)入了試用時(shí)期。,在我國(guó)，通過,“,七五,”,和,“,八五,”,期間堅(jiān)持不懈地科技攻關(guān)，特別是機(jī)械行業(yè)從1995年以來，相繼開展的,“,CAD,應(yīng)用1215工程,”,和,“,CAD,

15、應(yīng)用1550工程,”,，使我國(guó),CAD,技術(shù)在理論與算法研究、硬件設(shè)備生產(chǎn)、支撐軟件的開發(fā)與商品化，專業(yè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，以及在人才培養(yǎng)與技術(shù)普及等方面均取得了豐碩的成果。,我國(guó)各企業(yè),CAD,技術(shù)應(yīng)用水平參差不齊，對(duì)于中、小企業(yè),CAD,技術(shù)應(yīng)用水平是建立以,“,甩掉圖板,”,為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)輔助繪圖與設(shè)計(jì)系統(tǒng)，應(yīng)用國(guó)外或國(guó)內(nèi)開發(fā)的一些計(jì)算機(jī)繪圖軟件，用計(jì)算機(jī)繪圖來代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工繪圖，這是低層次的,CAD,技術(shù)應(yīng)用。一些大型企業(yè)具有相當(dāng)實(shí)力，,CAD,技術(shù)應(yīng)用水平一般較高，引進(jìn)了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析、模擬仿真、加工集成系統(tǒng)。建立全局產(chǎn)品模型，實(shí)現(xiàn)無紙化設(shè)計(jì)、加工。,1.,5 CAD

16、,未來的發(fā)展方向,從總體上講，,CAD,技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是參數(shù)化、智能化、三維化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化。,1,、參數(shù)化,參數(shù)化能夠極大地提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率。通過尺寸驅(qū)動(dòng)既能為用戶提供設(shè)計(jì)對(duì)象的直觀、準(zhǔn)確的反饋，又能隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象加以更改，同時(shí)減少設(shè)計(jì)中的疏忽。在先進(jìn)的,CAD,軟件中，設(shè)計(jì)過程中所涉及到的所有參數(shù)都可以當(dāng)作變量，可以建立相互間的約束和關(guān)系式，增加程序邏輯。這些變量間的關(guān)系可以跨越,CAD,軟件的不同模塊，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的全相關(guān)。參數(shù)化是實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化的前提和基礎(chǔ)，參數(shù)化設(shè)計(jì)的前途不可限量。,2,、智能化,現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)智能化程度越來越高，原來繁瑣的操作逐漸由計(jì)算機(jī)智能化地進(jìn)行處理。在圖形的繪制方面，很多系統(tǒng)增加了智能導(dǎo)引的機(jī)制。系統(tǒng)始終猜測(cè)用戶的設(shè)計(jì)意圖，并根據(jù)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)環(huán)境提供不同的人機(jī)交互工具，使用戶感覺非常順手。,人工智能是計(jì)算機(jī)幾大功能之一，將人工智能引入,CAD,系統(tǒng)，使其具有專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，具有學(xué)習(xí)、推理、聯(lián)想和判斷的能力，以及智能化的視覺、聽覺、語(yǔ)言的處理能力，從而達(dá)到設(shè)計(jì)自動(dòng)化的目的。,3,、三維化,從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來看，人們頭腦中所構(gòu)思的設(shè)