清華大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教程

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

技術(shù)基礎(chǔ)教程清華大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程系列教程第1章CAD技術(shù)概述1.1CAD技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展概況1.2

CAD系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)

1.1CAD技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展概況1.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的概念CAD是工程技術(shù)人員與計(jì)算機(jī)相結(jié)合、各盡所長(zhǎng)、應(yīng)用多學(xué)科的方法綜合有效地進(jìn)行問(wèn)題求解的先進(jìn)信息處理技術(shù)。它把人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算、信息存儲(chǔ)等功能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到縮短工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。簡(jiǎn)單地講，CAD是工程技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目的。

CAD概念的實(shí)質(zhì)在于：（1）人機(jī)各盡所長(zhǎng)；（2）人機(jī)交互結(jié)合；（3）最佳設(shè)計(jì)效率。

CAD技術(shù)的主要作用如下:（1）提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。（2）能夠充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性。（3）縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。1.1.2CAD技術(shù)的重要應(yīng)用CAD是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)學(xué)科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計(jì)算機(jī)在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一。CAD技術(shù)曾被美國(guó)國(guó)家工程科學(xué)院評(píng)為當(dāng)代十項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就之一。無(wú)論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無(wú)論是建筑行業(yè)還是制造加工行業(yè)，無(wú)論是機(jī)械、電子、輕紡行業(yè)還是文體、影視廣告行業(yè)等都離不開(kāi)CAD技術(shù)。CAD技術(shù)是企業(yè)界爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額和生存發(fā)展不可缺少的手段。

在制造業(yè)中的應(yīng)用：如波音777飛機(jī)是世界上第一架實(shí)現(xiàn)無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)與制造的飛機(jī)。在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：如建筑設(shè)計(jì)CAD、電子沙盤(pán)；機(jī)械設(shè)計(jì)CAD等。仿真模擬和動(dòng)畫(huà)制作：在電影制作中的成功應(yīng)用，如“未來(lái)世界”、“玩具總動(dòng)員”、“侏羅記公園”等在輕工行業(yè)的應(yīng)用：如模具CAD和服裝CAD等。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)模擬。在電子電路中的應(yīng)用：超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造。我國(guó)科學(xué)技術(shù)部在CAD應(yīng)用工程2000年規(guī)劃綱要中指出：“到2000年，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要部門(mén)的科研、設(shè)計(jì)單位和企業(yè)中全面普及推廣CAD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)‘甩掉圖板’（指?jìng)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的描圖板），提高智能勞動(dòng)效率，推廣我國(guó)CAD市場(chǎng)，扶持發(fā)展以CAD為突破口的我國(guó)自主創(chuàng)新的軟件產(chǎn)業(yè)，建立起我國(guó)的CAD產(chǎn)業(yè)”。到2000年，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)70%以上；工程設(shè)計(jì)行業(yè)CAD技術(shù)的普及率和覆蓋率均達(dá)100%。CAD技術(shù)在我國(guó)工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一些應(yīng)用實(shí)例：（1）沈陽(yáng)變壓器廠用CAD技術(shù)輸出三峽工程項(xiàng)目三維彩色產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖和計(jì)算機(jī)分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標(biāo)項(xiàng)目。（2）瀘東造船廠應(yīng)用CAD技術(shù)后，生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備周期縮短1/3以上，造船的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設(shè)計(jì)院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對(duì)該廠原設(shè)計(jì)方案自動(dòng)校驗(yàn)，共查出6處隱藏在圖紙中的錯(cuò)誤，當(dāng)即進(jìn)行了修改。（4）寰球化工工程公司應(yīng)用CAD技術(shù)，在盤(pán)綿乙烯裝置工程中，進(jìn)行碰撞檢測(cè)后，使95%以上的錯(cuò)誤得以糾正，在總長(zhǎng)20多萬(wàn)米的管道設(shè)計(jì)中，施工結(jié)束后剩余鋼管不到10米。1.1.3CAD技術(shù)應(yīng)用實(shí)例圖示一些圖形網(wǎng)站如/gallery/id/具有豐富的圖片，可顯示CAD技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果。1.1.4CAD技術(shù)發(fā)展歷程CAD技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、圖形輸入輸出設(shè)備、軟件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。（1）準(zhǔn)備和誕生時(shí)期（20世紀(jì)50~60年代）電子管計(jì)算機(jī)1950MIT能夠顯示簡(jiǎn)單圖形的圖形顯示器

1958Calcomp滾筒式繪圖機(jī)20世紀(jì)50年代末SAGE戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)

（2）蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用的時(shí)期（20世紀(jì)60年代）1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，如Coons曲面。（3）廣泛應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)70年代）集成電路用于計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)平臺(tái)的性能大為提高。出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的CAD系統(tǒng)。圖形設(shè)備相繼推出并完善。圖形軟件和CAD應(yīng)用支撐軟件不斷得到充實(shí)與提高。（4）飛速發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)80年代）出現(xiàn)了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。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(shí)期（20世紀(jì)90年代）出現(xiàn)基于PC平臺(tái)的價(jià)廉物美的CAD系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系統(tǒng)。集成化。科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造。1.1.5

CAD軟件技術(shù)的發(fā)展以機(jī)械行業(yè)為例，說(shuō)明CAD軟件技術(shù)的發(fā)展歷程。20世紀(jì)60年代，CAD的主要技術(shù)特點(diǎn)是交互式二維繪圖和三維線框模型。20世紀(jì)70年代，CAD的主要技術(shù)特征是自由曲線曲面生成算法和表面造型理論，代表軟件CATIA。20世紀(jì)80年代，CAD的主要技術(shù)特征是實(shí)體造型理論和幾何建模方法，代表軟件I-DEAS。20世紀(jì)90年代，CAD技術(shù)基礎(chǔ)理論主要是以PTC的Pro/Engineer為代表的參數(shù)化造型理論和以SDRC的I-DEAS為代表的變量化造型理論，形成了基于特征的實(shí)體建模技術(shù)。1.1.6發(fā)展趨勢(shì)微機(jī)化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、并行化、標(biāo)準(zhǔn)化。1.2CAD系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)什么是CAD系統(tǒng)？CAD系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)硬件為基礎(chǔ)，系統(tǒng)軟件和支撐軟件為主體，應(yīng)用軟件為核心組成的面向工程設(shè)計(jì)問(wèn)題的信息處理系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)與一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的差別：一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)+外圍設(shè)備。CAD系統(tǒng)：人與計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行的系統(tǒng)。其基本功能是交互性（對(duì)話功能）。1.2.1CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能1.CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可用分層體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。硬件平臺(tái)：網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)，繪圖機(jī)，打印機(jī)...操作系統(tǒng)：Windows3.x,Windows95/98/NT,UNIX網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：TCP/IP,SPX/IPX數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：Oracle,Sybase,Forpro…CAD工具軟件：AutoCAD,Solidworks,Pro/E...CAD工程應(yīng)用軟件...硬件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件支撐軟件應(yīng)用軟件CAD系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)2.系統(tǒng)功能分析

（1）硬件應(yīng)具備的基本功能：計(jì)算功能、存儲(chǔ)功能、輸入輸出功能、交互功能。

（2）軟件應(yīng)具備的基本功能：就機(jī)械產(chǎn)品CAD系統(tǒng)來(lái)講，應(yīng)是：產(chǎn)品幾何造型的功能（線框、曲面與實(shí)體造型）、

2D和3D圖形處理功能、有限元分析功能、優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程、數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能等。

CAD軟件CAD專用軟件CAD支撐軟件優(yōu)化方法庫(kù)圖形支撐軟件數(shù)據(jù)庫(kù)軟件有限元分析軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)高級(jí)語(yǔ)言編譯器網(wǎng)絡(luò)軟件3.CAD系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)

（1）系統(tǒng)軟件

主要用于計(jì)算機(jī)的管理、維護(hù)、控制以及計(jì)算機(jī)程序的翻譯、裝入與運(yùn)行。操作系統(tǒng)：Windows95/98、UNIX、WindowsNT等。語(yǔ)言編譯系統(tǒng)：VisualC/C++、VisualBasic、AutoLisp等。（2）支撐軟件是為滿足CAD/CAM用戶共同需要而開(kāi)發(fā)的通用軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/Sybase等。計(jì)算機(jī)分析軟件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS等。圖形支撐軟件：可分為圖形處理語(yǔ)言及交互式繪圖軟件。

（3丙）應(yīng)姨用軟宇件用戶仙利用哈計(jì)算田機(jī)所歲提供蹤蝶的各渾種系哲統(tǒng)軟霜件、奶支撐活軟件魯，編國(guó)制解箏決用點(diǎn)戶各池種實(shí)管際問(wèn)劈燕題的耀程序選稱為釘應(yīng)用桂軟件付。開(kāi)泳發(fā)應(yīng)殺用軟拖件是CA士D工作判者的萌一項(xiàng)擇重要耐工作切。（4世）常站用C在AD捕軟件國(guó)內(nèi)協(xié)應(yīng)用磁較廣崗的微考機(jī)C較AD糧軟件春有：Au倦to丸de股sk糠公司首的豬Au般to挺CA笑D及澡MD狀T,So烏li刻dw膛or胳ks永公司遠(yuǎn)的殿So障li梳dw購(gòu)or碗ks疲，美國(guó)蘇CV花公司拾的熟CA別DD科S軟返件的慌微機(jī)確版本擠PD饒（P鬧er蜓so伍na膛l蔬De林si樓gn憶er系）;Mi甘cr征oS餡ta朱ti讓on嗚軟件描，M龜ic煎ro培-C喝AD不AM元軟件橫，C烈AD歐KE國(guó)Y軟誓件，賀So多l(xiāng)i廊dE佩dg集e軟強(qiáng)件等關(guān)。工程些工作奇站C誤AD膝/C萌AM萄系統(tǒng)館軟件僅有：美國(guó)志SD健RC男公司陵開(kāi)發(fā)辯的I亞-D伸EA炭S（牛In車(chē)te浙gr謎at顫ed螺E死ng峽in喝ee袋ri偉ng分A苦na槳ly愉si伴s項(xiàng)So拜ft躁wa振re亂），IB匹M公疫司開(kāi)撲發(fā)的蠢CA駝TI磁A（豈Co潔mp游ut拆er槍-G旺ra勢(shì)ph累ic沉s籠Ai記de瓜d娃Th住re摩e-社Di罪me懷ns泉io夸na驅(qū)l照In猾te身ra謹(jǐn)ct蠶iv避e逐Ap懼pl字ic逼at吃io穴ns倘），法國(guó)也Ma費(fèi)tr凡a公煩司鏈E小UC什LI切D軟伸件，美國(guó)殲ED肆S公織司腔U索G烏II菊(賽UN墾IG榜RA玩PH閉IC僚S嫁I防I)紅軟件綿，美國(guó)PT朽C公司Pr某o/燃En陣gi元ne割er系統(tǒng)。1.搖2.頁(yè)2彼C耐AD豆系統(tǒng)繩的類膽型按照紡CA拾D系效統(tǒng)中涉采用劑的計(jì)瘡算機(jī)蛋類型總、外完圍設(shè)寄備以哄及它吧們之愁間的躁聯(lián)系卵方式屢，C高AD兇系統(tǒng)邪可分貌為主狗機(jī)型桂CA屆D系雪統(tǒng)、印工程胃工作擦站C粘AD系統(tǒng)、微殲機(jī)C寺AD系統(tǒng)和基釘于網(wǎng)憂絡(luò)環(huán)矩境的雄CA廟D系統(tǒng)享。CA沸D系宮統(tǒng)經(jīng)畝歷過(guò)摧三個(gè)被階段曠的發(fā)總展，記即許餃多用謀戶共賽享一師臺(tái)計(jì)苦算機(jī)礎(chǔ)；一釘個(gè)用較戶用薄一臺(tái)混計(jì)算畫(huà)機(jī)；掃一個(gè)援用戶僵共享滅多臺(tái)扛計(jì)算駝機(jī)。（1度）售工程見(jiàn)工作慎站系恭統(tǒng)工程跡工作羅站是貨具有軟高速婆的科扯學(xué)計(jì)揮算、煉豐富警的圖陜形處歇理、罵靈活臂的窗護(hù)口及華網(wǎng)絡(luò)上管理被功能善的交屢互式你計(jì)算齊機(jī)系綿統(tǒng)。脂這種腹系統(tǒng)狠的特撤點(diǎn)是斯：一乓個(gè)用澆戶用任一臺(tái)也計(jì)算退機(jī)，攔并且爪具有離聯(lián)網(wǎng)母功能劣。這侄也是沉它與蘿具有有分時(shí)熊系統(tǒng)褲的超衛(wèi)級(jí)小山型機(jī)羊的不賠同之蹲處。SU贏N稠、開(kāi)SG餡I、夕HP溫、考D黨EC勝和浴IB浪M等附大型捷計(jì)算蹤蝶機(jī)公集司廣醋泛采萄用工帆程工梢作站家系統(tǒng)約，因隨此工方程工濾作站沈在國(guó)沃外C纏AD系統(tǒng)盒中占鍬有主矛導(dǎo)地店位。（2攤）微貢機(jī)C貴AD潛系統(tǒng)是以皆一臺(tái)縱微機(jī)叢為主冠的單辯用戶通系統(tǒng)亞。微機(jī)稈CA劇D硬層件系瘋統(tǒng)主機(jī)操作深系統(tǒng)顯示嬌設(shè)備傲：圖前形顯致示器輸入戴設(shè)備外存裕儲(chǔ)器輸出夏設(shè)備通訊忌接口（3居）網(wǎng)絡(luò)化分布CA鋤D系統(tǒng)應(yīng)用炭計(jì)算這機(jī)技啊術(shù)和丘通信劃技術(shù)慚，將鞭分布航于各級(jí)地的好各類漸計(jì)算栽機(jī)以尼網(wǎng)絡(luò)啄形式監(jiān)連接墓起來(lái)?yè)线M(jìn)行訊產(chǎn)品遲的設(shè)泉計(jì)工基作。CA份D網(wǎng)斯絡(luò)示限例TC藥P/慮IPSe料rv播erCl膨ie和nt文件燈服務(wù)細(xì)器數(shù)據(jù)決庫(kù)服河務(wù)器微機(jī)工作籌站..估.1.被2.主3鳥(niǎo)計(jì)算揉機(jī)及虎其輸猶入輸菊出設(shè)桶備CA里D硬件計(jì)算射機(jī)主差機(jī)圖形典輸入議設(shè)備圖形炮繪制畜設(shè)備圖形喉顯示球設(shè)備掃描蕩儀數(shù)字蔑化儀數(shù)碼械相機(jī)光柵浮掃描厲顯示析器液晶潑顯示嫂器打印奧機(jī)繪圖缸機(jī)筆式扎繪圖褲?rùn)C(jī)噴墨偉繪圖騙機(jī)CA鄰D硬咳件設(shè)咱備1.微機(jī)暖組成柜與分陣類按微斷機(jī)的丙設(shè)備屬組成噴，微劇機(jī)設(shè)跨備可燦分為點(diǎn)內(nèi)、沃外兩售部分喇：內(nèi)米部設(shè)屑備通埋常包效括主向板、膏CP溝U、澆內(nèi)存饑儲(chǔ)器銷、顯愚示卡鍬、電陳源、爐輸入跳輸出撇接口質(zhì)等；憂其中店輸入堤輸出問(wèn)接口健又分?jǐn)y為串綠行口赴和并友行口恢，它美們分龍別可串以連巖接鼠申標(biāo)、擊打印莊機(jī)等喜外部胳設(shè)備哄；主稿板上巾通常營(yíng)有幾插個(gè)擴(kuò)巴展槽自，用形來(lái)連碎接外團(tuán)部設(shè)突備等飽。外部少設(shè)備肯一般獄包括皂軟盤(pán)圓驅(qū)動(dòng)梁器、蠶硬盤(pán)承驅(qū)動(dòng)經(jīng)器、揉光盤(pán)浩驅(qū)動(dòng)波器、單鍵盤(pán)糟、鼠差標(biāo)、吃顯示舅器、番聲卡夕、網(wǎng)左卡、腫調(diào)制閉解調(diào)檔器等嫂。2.計(jì)算字機(jī)輸賢入設(shè)尸備圖形諸輸入熟設(shè)備畜可將江用戶地的圖咳形結(jié)劃果及疤各種幕命令趟等轉(zhuǎn)齒換為也電信坡號(hào)，臉并傳爪送給詞計(jì)算型機(jī)。（1煉）物理揭設(shè)備鍵盤(pán)鑰、鼠事標(biāo)器要、數(shù)姨字化橡儀、強(qiáng)圖形灘輸入佳板鍵盤(pán)翻由一餓組按播陣列限方式療裝配秀在一賞起的眉按鍵時(shí)開(kāi)關(guān)償組成爛。鼠標(biāo)宰器可以精方便貸、準(zhǔn)胃確地勝移動(dòng)案光標(biāo)掀進(jìn)行適定位紅，它境是窗絞口軟殊件和弄繪圖句軟件鮮的首籮選輸協(xié)入設(shè)蹤蝶備。數(shù)字睬化儀康和圖聾形輸巷入板輕矢量崇圖形威輸入拒設(shè)備拍。語(yǔ)音洗輸入縣與掃碌描輸巡壽入（2惜）駕邏輯梅設(shè)備圖形毯輸入害設(shè)備算從邏潛輯上荒分為富6種丙功能丘，即助定位腳（l重oc秒at杜or議）、忠筆劃滾（s脫tr倍ok戰(zhàn)e）明、數(shù)嫂值（靠va侄lu階at慚or戰(zhàn)）、艷選擇腔（c凈ho真ic弟e）術(shù)、拾撇?。ǖ蕄i推ck蚊）及科字符缺（s爪tr購(gòu)in驗(yàn)g）事，也胡可稱櫻為6窩種邏干輯設(shè)創(chuàng)備。圖形皂輸入標(biāo)設(shè)備省的邏綁輯分矩類名稱相應(yīng)鏟的典璃型設(shè)歉?jìng)浠局芄δ芏ㄎ皇髽?biāo)瞎器、封拇指貞輪輸入銷一個(gè)吐點(diǎn)的壯坐標(biāo)筆劃鼠標(biāo)瓜器、房誠(chéng)拇指澡輪輸入斤一系你列點(diǎn)薯的坐撥標(biāo)數(shù)值數(shù)字激鍵盤(pán)輸入胡一個(gè)犬整數(shù)破或?qū)嵳獢?shù)選擇功能亮鍵、鬼鼠標(biāo)豆器由一廉個(gè)整腎數(shù)得嘗到某蜓種選鹽擇拾取光筆窩、鼠振標(biāo)器拾取睜一個(gè)害顯示泳著的遼圖素字符仍串字符擇鍵盤(pán)輸入貌一串給字符所謂尋邏輯布設(shè)備辯，是慚指按涂邏輯把功能棵定義矛的設(shè)把備，將而不屯是具護(hù)體的嫁物理盛設(shè)備裳。一羅種邏箏輯設(shè)溪備對(duì)廚應(yīng)于杯一種幸或一唇類特瞧定的倦物理廁設(shè)備擺，而帆實(shí)際疏的圖固形輸乘入設(shè)敞備又努往往央是某性些邏銜輯輸魯入功憲能的卷組合急。3.計(jì)算蹲機(jī)圖甜