第一章 计算机cad概述.docx

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第一章计算机cad概述

第1章矿山计算机辅助设计

1.1矿山CAD的概念

CAD是ComputerAidedDesign（计算机辅助设计）的简称。

CAD是将人和计算机的最佳特性结合起来，辅助进行产品的设计与分析的一种技术，是综合了计算机与工程设计方法的最新发展形成的一门新兴学科。

人具有图形识别、学习、思维、推理、决策和创造的能力，而计算机具有强大的计算功能和高效率的图形处理能力。

因此，CAD技术的应用对于提高设计目标的质量、增强产品的竞争力具有重要的重用。

图1CAD功能系统图

（1）信息提供:

CAD系统一般都有图形库和数据库，并且可以通过网络与其他大型信息库相连，因此，在设计需求分析阶段，设计师可以借助CAD数据库系统查询所需的信息，从而对产品的功能、经济性和制造要求等方面的可行性做出科学的估计。

（2）决策支持系统:

在概念设计过程中，需要用到专家的知识、经验及创造性思维，应用人工智能中的专家系统技术而建立的决策支持系统，可以很好地解决结构方案选择等概念设计问题。

（3）几何造型:

几何造型是用计算机及其图形系统描述物体形状，模拟物体动态处理过程的一种技术。

这种技术的采用，可以使设计师的感觉、空间想象能力和表现能力都得到延设计需求分析计算机辅助设计与制造伸。

通过几何造型，人与计算机之间可以实现图形信息的双向交流，设计师可面对屏幕上逼真的三维图形，探索各种解决设计问题的方案。

利用这种技术，可以把图形显示与结构分析、仿真模拟、评价等组合成一个有机的系统，设计师可对模型进行反复而又快速的分析、评价和修改，直至达到满意的结果。

（4）工程分析:

工程分析技术是CAD的基础技术，它包括有限元分析、优化设计方法、可靠性设计方法、物理特性计算（如体积、惯性矩等）、机械系统运动学和动力学分析、计算机模拟仿真等。

（5）评价决策:

对设计的结果进行分析评价，判断其设计是否满足设计的要求，若不满足设计要求，则须进行相应的修改或进行再设计，直到满足设计要求为至。

人类对设计结果的评价十方面依赖分析计算，如利用有限元分析得到的应力应变图可以用来评价结构设计是否合理;另一方面还依赖知识推理，如利用专家系统技术对设计结果进行评判。

（6）图形和文字处理:

利用图形支撑软件绘制工程图，将图形文件通过绘图机输时。

利用文字编辑排版软件进行设计文档制作，如工艺指导文件、设计说明书和产品说明书筹。

从CAD系统的功能对设计进程的作用可知,应用CAD技术有以下优越性:

（1）可以提高设计效率，缩短设计周期，减少设计费用。

为产品最优设计提供了有效途径和可靠保证。

（2）便于修改设计。

（3）利于设计工作的规范化、系列化和标准化。

（4）可为计算机辅助制造和检测（CAM,CAT）提供数据准备。

（5）有利于设计人员创造性的充分发挥。

计算机辅助设计的主要任务可概括为以下四部分

（1）完成设计信息的计算机存储和管理。

（2）开发工程设计的应用程序。

（3）建立一个专用图形系统或利用一个通用图形系统，完成产品造型和工程图绘制等任务。

（4）将工程数据库、应用程序以及图形系统等部分有机地组成为一个完整的CAD系统，以适应反复建立模型、评价模型和修改模型这种设计过程的需要。

1.2矿山CAD的发展

CAD的发展可追溯到1950年，当时美国麻省理工学院（MIT）在它研制的名为旋风1号的计算机上采用了阴极射线管（CRT）做成的图形显示器，可以显示一些简单的图形。

20世纪60年代是CAD发展的起步时期。

1962年美国学者IvanSutherland研制出了名为Sketchpad的系统，这是一个交互式图形系统，能在屏幕上进行图形设计与修改。

从此掀起了大规模研究计算机图形学的热潮，并开始出现CAD这一术语。

其后，在1964年美国通用汽车公司开发出了用于汽车前窗玻璃型线设计的DAC-1系统。

1965年，美国洛克希德飞机制造公司与IBM公司联合开发了基于大型机的CADAM系统，该系统具有三维线框建模、数控编程和三维结构分析等功能，使CAD在飞机工业领域进入了实用阶段。

1968～1969年，美国CALMA公司和Application公司等一批厂商先后推出了成套系统，将硬、软件放在一起成套售给用户：

即所谓TurnkeySystems（译为交钥匙系统），并很快形成CAD/CAM产业。

70年代，CAD技术进入广泛使用时期。

计算机硬件从集成电路发展到大规模集成电路，出现了廉价时固体电路随机存储器，图形交互设备也有了发展，出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器、光笔和图形输人板等，同时，以中小型机为核心的CAD系统飞速发展，出现了面向中小企业的CAD/CAM商品化系统。

到70年代后期CAD技术在许多工业领域都得到了实际应用。

80年代，CAD技术进入突飞猛进时期。

由于小型机，特别是微型机的性能价格比的提高，极大地促进CAD的发展，同时计算机外围设备（如彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机等图形输入输出设备）已逐步形成质量可靠伪系列产品，为推动CAD技术向更高水平发展提供了必要条件。

在此期间，大量的、商品化的、适用于小型机及微型机的CAD软件不断涌现，又促进CAD技术的应用和发展。

90年代，CAD技术的发展更趋成熟，将开放性、标准化、集成化和智能化作为其发展特色。

现在开发应用软件，一般是在某个支撑平台上进行二次开发，因此CAD系统必须具有良好的开放性，以满足各行各业CAD应用的需要，为了实现并行工程和协同工作，将CAD、CAM、CAPP（计算机辅助工艺编程）、NCP（数控编程）、CAT集成为一体，为CAD技术的发展和应用提供了更广阔的空间。

随着人工智能和专家系统技术的不断发展及在CAD中的应用，智能CAD系统也得到了重视和发展，智能CAD大大提高了设计水平和设计效率。

在过去的几十年里，人们已在计算机辅助设计领域中取得了巨大的成就，随着计算机硬件及软件的发展，以及人工智能技术、网络技术和计算机模拟技术等的不断发展，未来CAD技术的发展将趋向集成化、智能化、标准化和网络化。

（l）集成化。

为适应设计与制造自动化时要求，特别是适应CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，计算机集成制造系统）的要求，进一步提高CAD的集成化水平是CAD技术发展的一个重要方向。

集成化形式之一是CAD/CAM集成系统/该系统可进行运动学和动力学分析、零部件的结构设计和强度设计、自动生成工程图纸文件、自动生成数控加工所需数据或编码，用以控制数控机床进行加工制造，即可实现所谓的"无图纸生产"。

CAD/CAM进一步集成是将CAD、CAM、CAPP（计算机辅助工艺编程）、NCP（数控编程）、CAT（计算机辅助实验），PDM（产品数据管理）集成为CAE（ComputerAidedEngineering）计算机辅助工程，使设计、制造、工艺、数控编程、数据管理和测试工作广体化。

（2）智能化。

传统的CAD技术在工程设计中主要用于计算分析和图形处理等方面，对于概念设计、评价、决策及参数选择等问题的处理却颇为困难，因为这些问题的解决需要专家的经验和创造性思维。

因此将人工智能的原理和方法，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系统是工程CAD发展的必然趋势。

智能CAD（IntelligentICAD）的研究与应用要解决似下3个基本问题

1）设计知识模型的表示与建模方法。

解决如何从需求曲发,建立知识模型，进行逻辑计算机辅助设计与制造设计，并在计算机上实现等问题。

2）知识利用。

在知识利用方面，要研究各种推理机制，即要研究各种搜索方法、约束满足方法、基于规则的推理方法、框架推理方法、基于实例的推理方法等。

3）CAD的体系结构。

研究ICAD的体系结构，使之更好地体现ICAD的基本思想与特点，如集成的思想、多智能体协同工作的思想等。

（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其重要性。

迄今已制定了许多标准，例如:

计算机图形接口CGI（computergraphicsInterface）、计算机图形文件标准CGM（computergraphicsmetafile）、计算机图形核心系统GKS（Graphicskernelsystem）、面向程序员的层次交互式图形规范PHIGS（programmer’shierarchicalinteractivegraphicsstandard）、基于图形转换规范IGES（initialgraphicsexchangespecification）和产品数据转换规范STEP（standardfortheexchangeofproductmodeldata）等。

随着技术的进步，新标准还会不断地推出。

（4）网络化。

随着科学技术和经济水平的快速发展，近十几年来不断出现超大型项目和跨国界项目，这些项目的一个突出特点是参与工作的人员众多，且地理分布较广泛。

而项目本身就要求各类型的工作人员紧密合作，如汽车新车型的设计，就需要功能设计师、制造工艺师、安全设计师等多学科专家的共同工作、为了解决这个矛盾，便出现了CSCW（computersupportedcooperativework）这一新型研究领域。

CSCW是1984年由IrenGrief和PaulCashman首次提出的，目前并无统一的定义，一般认为是指分布在异地的某群体中的人们，在计算机的帮助下，得到一个虚拟的共享环境，交互磋商，快速高效地完成一个共同的任务。

现代设计强调协同设计，从CSCW应用的角度出发，协同设计是指在计算机的文持下，各成员围绕了个设计项目，承担相应部分的设计任务，并行交互地进行设计工作，最终得到满足要求的设计结果的设计方法。

显然，协同设计可以大大提高设计质量和进度，增强产品的市场竞争能力。

协同设计需要多学科专家的协同工作外而实现这一协作的基础就是计算机网络和多媒体技术。

通过计算机网络，可以实现设计成员在设计过程中方便地进行信息交流，而信息交换的方式可以是电子邮件和视频会议系统等。

1.3矿山CAD系统的组成

由一定的硬件和软件组成的供辅助设计使用的系统称为CAD系统。

由计算机及其外围设备组成CAD硬件系统，由程序及相关文档组成CAD软件系统。

CAD系统的特点是它的快速响应和图形的交互设计与显示输出的能力。

CAD系统可以采用多种多样的配置，不同的配置具有不同的特点，从而满足不同层次作业的需要。

1.3.1矿业CAD的硬件系统

图2cad的硬件系统

（1）主机

主机是控制及指挥整个CAD系统并执行实际计算种逻辑推理的装置，是CAD系统的核心部分。

主机由央处理器（CPU）和内存储器组成。

中央处理器包括控制器和运算器两部分。

控制器负责解释指令并控制指令的执行顺序，它是计算机的指挥和控制中。

运算器是执行算术运算和逻辑运算的器件，它的任务是对信息进行加工处理。

内存储器是存放指令和数据的记忆装置。

1）字长。

CPU在一个指令周期内能从内存提取并进行处理的数据位数称为字长。

字长越长，则计算机处理数据的速度越快，计算精度越高。

目前，大中型计算机的字长在64位以上，微型计算机的字长均为32位。

2）运行速度。

以CPU每秒可执行指令数目或每秒可进行多少次浮点运算来表示。

常用以下指标来度量主机的运行速度:

MIPS（百万条指令/秒）、Mflops（百万次浮点运算/秒）或时钟频率。

时钟频率越高，主机的运行速度越快。

3）内存容量。

内存容量是描述主机存储能力和性能的生要指标，它通常以KB或为单位。

内存容量越大，能够存储的信息越多，主机的性能越好。

现在微型机的内存容量从64MB、128MB、256MB、512MB、1G、8G、32G。

XP系统属于32位操作系统：

32位系统平台，其寻址能力上限为4GB，具体到32位的WindowsXP，它也只能认出3GB的内存，而且单个进程最多只能使用2GB的空间。

WindowsXP32bit设计使用内存最小为64M最大为4GB，但这并不意味着能够在32bit版本的XP下完全使用4GB物理内存。

32位的win7支持3.25G内存64位的win7支持128G内存。

（2）外存储器

外存储器又称为辅助存储器，简称外存，储是指除计算机内存及CPU缓存以外的储存器，用来存放需要永久保存的或相对来说暂时不用的程序、数据等信息。

当需要使用这些信息时，由操作系统根据命令调入内存，此类储存器一般断电后仍然能保存数据。

常见的外储存器有硬盘、软盘、光盘、U盘等。

（3）输入设备

输入设备（InputDevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。

计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。

键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。

1）键盘

键盘是最通用的数据和字符输人装置，在CAD系统中也可作为图形的输入装置。

当作为图形输入装置时，它可以用来输入文字、输入坐标值、输入一个命令、选择菜单等。

2）鼠标器

鼠标器是一种定位输入设备，可很方便地完成定位、拾取和选择等功能。

在CAD作业中，可用它来选择绘图位置，拾取图形上的目标，选择菜单中的选项等，鼠标器结构简单，价格便宜，是CAD作业中经常使用的设备。

3）数字化仪

数字化仪是将图像（胶片或像片）和图形（包括各种地图）的连续模拟量转换为离散的数字量的装置，是在专业应用领域中一种用途非常广泛的图形输入设备，是由电磁感应板、游标和相应的电子电路组成。

当使用者在电磁感应板上移动游标到指定位置，并将十字叉的交点对准数字化的点位时，按动按钮，数字化仪则将此时对应的命令符号和该点的位置坐标值排列成有序的一组信息，然后通过接口（多用串行接口）传送到主计算机。

数字化仪是分跟踪数字化仪和扫描数字化仪。

前者种类很多，早期机电结构式数字化仪现已被全电子式（电子感应板式数字化仪）所替代。

20世纪70年代曾研制出半自动和全自动跟踪数字化仪，目前生产中仍以手扶跟踪数字化仪为主要设备。

电磁感应式数字化仪的工作原理和同步感应器相似，利用游标线圈和栅格阵列的电磁耦合，通过鉴相方式，实现模（位移量）—数（坐标值）转换。

手扶跟踪数字化仪一般有点记录、增量、时间和栅格4种方式。

后者是逐行扫描将图像或图形数字化的机电装置，有滚筒式扫描仪和平台式扫描仪两种。

扫描数字化仪比跟踪数字化仪速度快，适用于图像的全要素数字化，但其不能自动识别和人工参与图中复合要素的处理，故对图件预处理要求高，实用性差。

数字化仪

4）扫描仪

扫描仪是一种能将图纸及文件快速输入到计算机的高速输入设备。

台式扫描仪能扫描4号幅面的图纸及文件，大扫描仪能扫描0号幅面的图纸。

扫描仪内部的基本组成部件是光源、光学透镜、感光元件，还有一个或多个模数转换电路。

在扫描一幅图像的时候，光源照射到图像反射回来，穿过透镜到达感光元件（成行排列的电荷藕合器），每一个电荷藕合器把这个光信号转换成模拟信号（即电压），同时量化出像素的灰暗程度，接着模-数转换电路再把模拟信号转换成数字信号进行保存。

平板式扫描仪滚筒式扫描仪

5）数码相机

数码相机使用一种光电转换器件（主要有CCD和CM0S两种）来感光、滤光并将光信号转化为电信号。

CCD是由成于上万的微光电管组成的，这些光敏元件可以因光线的差异转移不同数量的电荷。

同时根据电荷数量上的差异生成一系列的二进制数据。

数目相机可以将拍摄图像存储在软盘、Flash卡等存储装置中，用户可以根据需要进行二次处理。

（4）输出设备

1）打印机

打印机按印字原理可分撞击式与非撞击式两种，撞击式打印机是通过色带、针头将字符或图形印在纸上，这类打印机用得较多的是24针点阵打印机。

非撞击式打印机常用激光打印机和喷墨打印机，该类打印机打印速度快，噪声低，是理想的汉字、图形、图纸输出设备。

2）绘图机

绘图机是一种高速、高精度的图形输出设备，它可将己输入到CAD系统中的工程图样或在图形显示屏上己完成的结构设计图形绘制到图纸上，即可迸行硬拷贝。

绘图机按工作原理可分为笔式绘图机和非笔式绘图机两种。

笔式绘图机是驱动画笔沿，X和Y方向移动来画出图形，按其结构又可分平板式绘图机和滚筒式绘图机。

平板式绘图机由绘图平台、导轨、驱动机构、笔架等几部分组成，其X向和Y向的移动分别对应于横梁沿，向导轨的移动和笔架沿Y向导轨的移动。

滚筒式绘图机由滚筒、钢丝绳导轨、驱动机构、笔架等几部分组成滚筒式给图机是由滚筒带动绘图纸运动来实现x方向的移动，笔架由钢丝绳导轨的运动实现Y方向的移动。

目前常用的是非笔式绘图机，如静电绘图机、喷墨绘图机、激光绘图机等他们绘图速度快、图面质量好、使用更方便。

随着喷墨和激光打印技术的发展，性能价格比不断提高，近年来喷墨和激光绘图机己渐渐取代笔式绘图机而占据主流市场。

滚筒式绘图仪激光绘图仪

（5）图形显示设备

图形显示设备是CAD系统中

的重要组成部分，它不仅能实时显示所设计的图形，而且还能让设计者根据自己的意图对几何造型和工程图形进行增、删、改、移动等编辑操作。

显示器按显示画面的颜色，可分为单色显示器和彩色显示器。

目前CAD系统大都使用的是彩色显示器。

显示器件有阴极射线管（CRT）、液晶显示（LCD）、激光显示、等离子体显示等。

当前最常用的是阴极射线管显示器和液晶显示器。

阴极射线管一般是利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，通过磁场和电场的调整，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形。

液晶显示器通常是利用液晶的电光效应实现显示的，所谓电光效应是指在电的作用下，液晶分子的排列状态发生变化，从而使液晶盒的光学性质发生变化，也就是说电通过液晶对光进行了调制。

显示器按显示屏尺寸时大小，可分为12in.（英寸）、14in.、15in.、17in.、和21in.、22in.、24in.等显示器。

当前主流是l7in.显示器，专业图形设计领域一般采用21in显示器。

显示器所显示的数字、字符和图像是由一个个像素组成的，像素是显示屏上的最小信息，每个小点称作一个像素、组成显示网络的像素多少决定了图形的清晰程度，通常用分辨率表示，像素越多，分辨率越高。

目前微机显示器的分辨率通常有中分辨率（600×350,640x×480）和高分辨率（800×600,1024×768,1280×1024）两类。

1.3.2矿山CAD的软件系统

软件一般指计算机运行所需的各种程序、数据以及相关的文档。

软件着重研究如何有效地管理和使用硬件，如何实现人们所希望的各种功能要求，因此，软件水平的高低直接影响CAD系统的功能、工作效率、使用的方便程度。

（1）系统软件

系统软件指操作系统和系统实用程序等，它用于计算机的管理、控制和维护。

系统软件有两大特点;一个是公用性;无论哪个应用领域都要用到它，另二个是基础性;各种支撑软件和应用软件都需要在系统软件支撑下运行，系统软件主要包括以下软件;

1）操作系统

操作系统（OperatingSystem，简称OS）是一管理电脑硬件与软件资源的程序，同时也是计算机系统的内核与基石。

操作系统是一个庞大的管理控制程序，大致包括5个方面的管理功能:

进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。

目前微机上常见的操作系统有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。

2）编译系统

编译系统又称为第二类编程环境开发者根据语言的规定编写源程序,然后进行编译、连接,生成可执行软件，例如DOS操作系统加各类高级语言，如FORTRAN、PASCLL、C语言等就属于这种类型接口平台，用于提供编译任务输入接口以及处理状态信息输出接口，并根据输入的编译任务生成任务名；编译服务器，用于解析所述任务名，获得相应的源代码，并进行编译，同时产生所述编译任务的处理状态信息提供给所述接口平台。

3）系统实用程序

应用程序指的是程序开发人员要开发的一个数据库应用管理系统，它可以是一个单位的财务管理系统、人事管理系统等。

（各种有关功能的窗口的集合构成一个完整的应用系统，分发给各个终端用户的就是一个应用程序。

）

系统软件中的一组常用程序，它向操作系统、应用软件和用户提供经常需要的功能，如编辑程序、连接装配程序、文卷操作程序和调试程序等。

文卷操作程序的主要功能有显示、转储、修改、编辑等。

显示是指输出文卷的目录、内容、属性或图形；转储是指把信息从一种存储介质复制到相同或不同的另一种存储介质上，如从磁盘转储到磁带。

修改是指改变文卷的内容和属性。

调试程序用以排除程序中的错误，主要提供追踪、监控等功能。

利用调试程序可以方便地发现程序的错误并加以排除。

（2）支撑软件

支撑软件是由软件公司开发人员开发的，目的在于帮助人们高效、优质，低成本地建立并运行专业CAD系统的软件，它主要包括图形处理软件、几何建模、数据库管理系统、工程分析及计算软件、文档制作软件等几部分。

1）图形处理软件

图形处理软件负责CAD的绘图。

计算机辅助绘图软件是开发最早的支撑软件之一，最有代表性的绘图软件当首推美国Autodesk公司的AutoCAD系列产品，AutoCAD是微机上的交互式绘图系统，是-种图形支撑软件。

图形支撑软件一般应具备以下功能:

具有通用图形设备驱动程序，以连接各种图形输入/输出设备。

目前国际上普遍采用CGI（ComputerGraphicsInterface）程序包。

具有良好的交互图形环境，以支持交互地处理二维、三维图形。

具备在不同GAD/CAM系统之间交换数据的功能。

如当微型小型CAD系统无力承担大型任务时，可通过图形数据传递的方法交由大型机处理。

由于在中国输出工程图纸需有中文说明，所以必须考虑图形处理软件中矢量汉字的处理功能。

2）几何建模软件

为用户提供完整、准确地描述和显示三维几何形状的方法和工具，具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算等功能。

微机CAD几何建模软件有AutoCAD2002版及其附加模块Designer,I-DESE,Pro/E,UG-II等。

3）数据库管理系统

支持人们建立、使用和修改数据库中数据的软件称为数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，缩写DBMS）。

数据库管理系统除了保证数据资源共享、信息保密、数据安全之外，还能减少数据库内数据的重复。

用户使用数据库都是通过数据库管理系统，因而它也是用户与数据库之间的接口。

目前市场上有大量商品化的数据库管理系统，如DBASE、Oracle、SQLServer、Access等，它们均属手关系型和商业用数据库管理系统，用于管理非图形数据。

CAD/CAM需要工程数据库的文持，但这类软件目前还不太成熟，现在实际上常常借用商业用数据库，进行必要的开发，以解决主程数据的管理间题。

4）工程分析及计算软件

这类软件主要用来解决工程设计中的各类分析和数值计算问题，针对工程设计的需要，一般配置有以下软件：

（1）计算方法库，解决各种数学计算问题，包括解微分方程、线性方程组、数值积分、有限差分、曲线拟合等的计算机程序。

（2）优化方法软件。

优化设计是在最优化数学理论和现代计算技术基础上，运用计算机求解设计的最佳方案。

优化方法软件是将优化技术应用于工程设计，综合多种优化计算方法，为求解数学模型提供强有力数学工具的软件，其目的是为了选择设计的最佳方案。

（3）有限元分析软件，利用有限元进行结构分析的软件，包括前置处理（单元自动剖分、显示有限元网格等）计算分析和后置处理（将计算分析结果形象化为变形图、应力应变色彩浓度图及应力曲线图等）三部分