现代设计理论与方法-课件 第4章-计算机辅助设计-1.ppt

现代设计理论与方法-课件 第4章-计算机辅助设计-1.ppt

《现代设计理论与方法-课件 第4章-计算机辅助设计-1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代设计理论与方法-课件 第4章-计算机辅助设计-1.ppt（80页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第4章计算机辅助设计

（1）,ComputerAidedDesign（CAD）,计算机辅助设计（CAD）涉及以下一些基础技术：

1）图形处理技术如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技术。

2）工程分析技术如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。

3）数据管理与数据交换技术如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等。

4）文档处理技术如文档制作、编辑及文字处理等。

5）软件设计技术如窗口界面设计、软件工具及软件工程规范等。

CAD这一术语，目前已广泛见于世界各种科技文献资料中，因而已成为世界性的通用术语。

随着计算机技术的迅猛发展，CAD技术已广泛应用于机械、电子、建筑、土木工程、航天、纺织等众多领域。

应用CAD技术来进行产品设计，能使设计、生产、维修工作快速而高效率地进行，所带来的经济效益是十分明显的。

例如：

过去生产一个大规模集成电路芯片，要花两年时间，用CAD只要两周即可完成。

英国的三叉戟飞机比美国的波音747飞机早开工，却晚一年完成，其原因就是美国的747采用了CAD技术。

美国GM公司汽车设计中应用CAD技术，使新型汽车的设计周期由5年缩短为3年，新产品的可信度由20提高到60。

4.1.2CAD技术的发展简史,CAD技术诞生于20世纪50年代，至今已有50多年的发展历史，这一技术主要经历了如下几个发展时期：

孕育形成时期（20世纪50年代）进入实际运用时期（20世纪60年代）成熟达到完全实用时期（20世纪70年代）广泛运用时期（20世纪80年代）,CAD技术所经历的这几个重要发展阶段如下表4-a所示：

表4-aCAD技术发展的基本阶段及特点,2.1.3CAD系统的功能及CAD设计的特点,最近10年是CAD高速发展与广泛应用的时代，许多行业（如机械、电子、航空、船舶、建筑等）已普遍接受CAD技术。

CAD技术具有高智力、高效益、知识密集、更新速度快、综合性强等优点。

CAD技术的主要应用有以下几方面：

科学计算与分析能进行各种复杂的设计计算、性能分析以及评价经济；工程分析常见的分析有：

有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学分析等。

此外，针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分析问题,如注塑模设计中要进行塑流分析、冷却分析、变形分析等。

图形处理如二维、三维图形生成、显示与修改，自动绘图；图形仿真进行二维和三维的运动仿真、结构仿真，功能模拟；数据处理有完善的数据库系统，能对设计、分析、绘图等所使用的大量数据进行存取、查找、比较、综合等处理；编制设计文档或生成报表能制订各种技术文件，如文档制作、编辑及文字处理等。

参数化设计标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，设计时直接调出图形库中的零件图，并赋予一组新的尺寸参数便可生成一个新的图形。

CAD设计具有如下主要特点：

充分应用各种先进的现代设计方法在设计过程中能广泛使用有限元分析、优化设计、可靠性设计及动态分析等先进设计及分析手段；比传统的边设计、边试验，直到设计后期才能弄清产品性能的做法要科学、省时、省力得多。

充分利用图形系统和数据库的功能提高设计效率利用CAD技术，使结构设计和工程制图的速度大大提高，尤其对复杂零件的设计可以无级缩放，分级设计，加快了设计进程。

修改设计方便只需对已存储的图样做局部修改就成为新图，某些先进的辅助设计系统中，修改了装配图，则零件图随之自动修改，反之亦然。

设计与分析统一系统有一个描述产品模型的数据库，通过分析，设计者可以预知产品的性能。

易于实现产品数据的标准化企业的产品数据，包括设计、图文、技术文档等，实现标准化管理，有利于企业积累产品资料、继承历史的知识财富，并方便产品数据的存储、传递、转换和理解。

有利于实现无图纸化生产CAD技术为实现CAD/CAM的集成和CIMS（计算机集成制造）提供了基础。

提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本；从而加快了产品更新换代的速度；使企业保持良好的竞争力。

总之，采用CAD技术可以：

2.1.4CAD技术的发展趋势,随着科学技术的飞速发展，特别是计算机技术的的飞速发展与应用，使CAD技术在软件方面的发展趋势将体现在以下几个方面：

集成化智能化标准化可视化网络化,1.集成化为适应设计与制造自动化的要求，特别是适应计算机集成制造系统（CIMS）的要求，进一步提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向。

2.智能化现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。

然而在设计活动中存在另一类符号推理工作，包括方案构思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策，以及参数选择等等。

这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。

因此将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是CAD技术发展的必然趋势。

3.标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。

迄今已制定了不少的标准，例如：

随着技术进步，新标准还会出现，基于这些标准推出的有关软件是一批宝贵的资源，用户的应用开发常常离不开它们。

更为重要的是有些标准还指明了CAD技术进一步发展的道路，例如STEP既是标准，又是方法学，由此构成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模、数据管理及外部接口等。

面向图形设备的标准CGI，面向用户的图形标准GKS，面向不同CAD系统的数据交换标准STEP等。

4.可视化随着计算机软硬件水平的提高，可以逐步为设计者提供更加逼真的设计环境，更利于将概念设计转换到几何模型。

可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将设计过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、直观的图形或图像，容易发挥人们的创造力。

5.网络化计算机网络可以通过通信线路将各自独立的、分布于各处的多台计算机相互连接起来，这些计算机彼此可以通信，从而能有效地共享资源并协同工作。

在CAD应用中，网络技术的发展，大大地增强了CAD系统的能力，而没有网络的计算机简直是不可想象的，更不用谈集成化。

4.2CAD系统,一个完整的CAD系统是由CAD系统的硬件和软件两个方面所组成。

CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果。

CAD系统的组成包括：

CAD系统的硬件CAD系统的软件,4.2.1CAD系统的硬件,CAD系统的硬件是指：

计算机系统中的全部可以感触到的物理装置，它包括各种规模和结构的计算机、存储设备以及输入、输出设备等几个部分。

目前，CAD系统的硬件组成，如下图4-a所示。

图2-aCAD系统的硬件,由上图可见，CAD系统所用的硬件一般包括：

计算机主机及外围设备图形输入设备绘图输出设备图形显示设备,1.计算机主机及外围设备,计算机主机及外围设备是CAD系统硬件的重要组成部分。

计算机主机外存储器计算机网络,它包括：

计算机主机计算机主机是整个计算机系统的核心，它由两部分组成：

外存储器外存储器与内存的区别在于它是设置在计算机主机之外。

与内存相比，其容量大，但存取速度慢。

当需使用外存信息时，由操作系统根据命令调入内存。

外存储器常见种类有：

磁带机，磁盘机，移动硬盘和光盘等。

计算机网络,中央处理器（CPU）包括：

控制器和运算器：

控制器：

指挥和协调整个计算机的工作，包括负责解释指令、控制指令的执行顺序、访问存储器等。

运算器：

负责执行指令所规定的算术和逻辑运算。

主存储器：

用来存放指令和数据。

它一般包括：

ROM和RAM两部分。

中央处理器（CPU）主存储器（或称内存）,2.图形输入设备,计算机及外存储器是通过输入、输出设备与外界来沟通信息的。

所谓输入，就是把外界的信息变成计算机能够识别的电子脉冲，即由外围设备将数据送到计算机内存中。

所谓输出，就是将输入过程反过来，将计算机内部编码的电子脉冲翻译成人们能够识别的字符或图形，即从计算机的内部将数据传送到外围设备。

能够实现输入操作的装置就被称作输入设备，CAD系统所使用的输入设备主要包括：

键盘光笔图形输入板数字化仪鼠标器扫描仪声音输入装置等。

3.绘图输出设备,能够实现输出操作的装置便称作输出设备，CAD系统所使用的输出设备主要包括：

打印机、绘图仪等。

打印机：

能打印字符文件，又能打印图形，是最廉价的输出设备。

绘图机：

现有滚筒式、平台式、平面电机型绘图机等。

滚筒式绘图机如下图4-b所示。

这种绘图机结构简单，占地面积小，价格较低，但速度低、精度较差，广泛用在机械与土建等行业。

图4-b滚筒式绘图机,图形显示器，它像一个窗口，使设计者能及时了解人机间的信息交互情况。

图形显示器不但能显示字符信息，而且能随时显示所设计的图形，并能让用户对这些图形进行增、删、改、移动等交互操作，因此它不单纯是被动地显示图形，而且是一种交互式的图形显示。

目前，计算机图形显示器一般都是采用阴极射线管（CRT）作为显示设备。

4.图形显示设备,4.2.2CAD系统的软件,一个完整的CAD系统除了配置所需硬件设备，还需配置相应的软件。

CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果。

硬件是实现CAD系统功能的物质基础，然而如果没有软件的支持，硬件也是无法发挥作用的，二者缺一不可。

CAD系统的软件：

是指管理及运用计算机的全部技术，一般用程序或指令来表示。

一般而言，CAD系统的软件可分为如下两大类：

系统软件系统软件一般是由系统软件开发公司的软件专业人员负责研制开发，对于一般用户，主要关心应用软件的选用和开发。

应用软件,1.系统软件,系统软件主要用于计算机管理、维护、控制及运行，以及计算机程序的翻译和执行。

它也是应用软件赖以工作的基础。

系统软件主要分为以下几类：

（1）操作系统主要功能是管理文件及各种输出输入设备。

微机上常用操作系统如MS-DOS，Windows及Unix等；

（2）程序设计语言和语言编译系统汇编语言，Basic,Fortran,C语言及C+等；（3）窗口系统如Apple公司的Macintosh，Microsoft公司的Windows等；（4）网络通信及管理软件（5）数据库及数据库管理软件如FoxBASE，ORACLE等。

2.应用软件,应用软件是在系统软件的支持下，为实现某个应用领域的特定任务而编写的软件。

由于CAD应用软件的范围非常广泛，故将应用软件又分为CAD支撑软件和用户自己开发的应用软件两种。

CAD支撑软件从功能上可分成如下三类：

第一类：

解决几何图形设计问题；第二类：

解决工程分析与计算问题；第三类：

解决文档写作与生成问题。

基本图形资源软件二、三维绘图软件几何造型软件工程分析及计算软件文档制作软件,目前，常用的商品化支撑软件有以下几类：

上述CAD软件的层次，如下图4-c所示。

图4-c软件间的层次关系,CAD的工作过程如下图4-d所示。

图4-dCAD的工作过程,4.2.3CAD系统的形式,主机分时CAD系统小型机成套CAD系统工程工作站CAD系统微机CAD系统,CAD系统（从硬件角度）可以划分为四类：

自20世纪80年代末以来，CAD系统发展的一个新方向，即发展高性能的分布式CAD网络系统。

这一系统是将工程工作站、微机及其他I/O设备采用网络连接在一起，组成一个高性能的分布式CAD网络系统。

利用这一系统可以实现二维和三维图形功能，可以实现硬件资源共享，可以实现软件、图形、数据等资源共享。

4.3工程数据的处理方法及CAD程序编制,在机械设计过程中，常常需要从有关的工程手册或设计规范中查找及检索有关曲线、表格数据，以获得设计或校核计算时所需要的各种系数、参数等。

如何将这种人工查找转变成在CAD进程中的高效、快速处理，这就涉及工程数据的处理方法及CAD程序编制技术。

目前，在CAD技术中，对工程数据进行处理的方法主要有以下三种：

（1）将工程数据转化为程序存入计算机内存；

（2）将工程数据转化为数据文件存入计