智能CAD chapter1

智能CADPart0前言2020/1/213课程描述课程名称智能计算机辅助设计IntelligentComputer-AidedDesign(ICAD)课程目的掌握智能CAD的设计思想了解智能设计方法的应用前置课程高级语言程序设计数据结构人工智能计算机图形学2020/1/214课程内容课堂授课(36课时)第一部分CAD概论第二部分智能CAD概论第三部分CAD设计基础第四部分智能CAD方法第五部分智能CAD软件系统以及二次开发考核以及成绩评定笔试成绩×70%+作业成绩×20%+考勤×10%考查方式：开卷2020/1/215课程教材教材计算机辅助设计教程——张秉森王钰编著清华大学出版社2020/1/216参考书目智能CAD方法与模型——潘云鹤著科学出版社CAD系统与方法——潘云鹤编著浙江大学出版社分形及其计算机生成——齐东旭著科学出版社TheAlgorithmicbeautyofplants——Lindermayer著Springer出版社分形——李水根编著高等教育出版社2020/1/217CAD/CAM/CAE系统原理——袁清珂等译电子工业出版社计算机辅助设计与绘图——李学志编著清华大学出版社AutoCAD中文版教程——刘志虹张芳编著电子工业出版社AutoCAD2000/2000i/2002程序设计基础教程——林龙震编著科学出版社用VBA开发AutoCAD2000应用程序——王钰编著人民邮电出版社PartI绪论——CAD概论2020/1/219学习要点掌握CAD技术的基本概念掌握CAD系统的组成部分了解CAD技术的衍生技术及其相关系统掌握CAD技术的发展历程理解CAD技术各阶段的技术特点理解CAD技术的发展趋势了解CAD技术的常见方法2020/1/2110CAD基本概念计算机辅助设计ComputerAidedDesign将设计者和计算机结合在一起，利用计算机辅助设计者进行产品的创建、设计、分析和优化的一种技术定义利用计算机技术完成设计过程中的信息检索、分析、计算、综合、修改以及文件编制的工作2020/1/2111CAD系统发展历程1963MITI.E.Sutherland“SKETCHPAD-A：一种人机对话系统”:实现图形显示和修改的交互操作第一次明确地提出了CAD的术语和概念20世纪60年代中期开始出现具有实用功能的CAD系统20世纪70年代超级小型机为基础的集中分时方式开始出现商品化的CAD系统20世纪80年代分布式联网的工作站出现了成熟的CAD软件和图形标准20世纪90年代支持网络、协同、智能设计CAD的衍生2020/1/2113产品周期2020/1/2114CAD的衍生——CAM衍生概念CAM计算机辅助制造ComputerAidedManufacture利用计算机代替人完成制造以及与制造过程相关的工作狭义的CAM——数控技术NumericalControl产生于20世纪50年代MIT用数控装置或者计算机代替人工操纵机床进行零件的自动化加工2020/1/2115广义的CAM数控技术工业机器人Robot：负责搬运、装配和焊接等工作柔性制造系统FlexibleManufactureSystem为了同时完成不同零件、不同工序的制造任务，借助一个总体控制系统来协调加工过程和零件存储，并且通过一个自动输送网络在机床之间传送物料整个设备制造的物流过程都通过计算机来进行集中的控制和监控2020/1/2116CAD的衍生——CAPPCAPP计算机辅助工艺设计ComputerAidedProcessPlanning设计信息加工信息指导加工制造过程产生于20世纪70年代初产品加工制造过程（工艺设计）的计算机辅助设计和文档编制产品的加工方法、加工路线、加工设备、加工参数工艺设计是连接产品设计和产品制造之间的桥梁CAPP是连接CAD与CAM之间的桥梁和纽带2020/1/2117CAPP系统检索法派生式系统从数据库中检索某类加工对象的标准加工工艺，然后根据异同进行修正前提：具备一个完备的检索数据库生成法创成式系统直接根据加工对象的几何形状、材质等信息，自动生成最佳工艺具有更高的智能性综合式系统2020/1/2118CAD的衍生——CAECAE计算机辅助工程ComputerAidedEngineering对CAD、CAPP、CAM、CAT所组成的过程进行统一管理CAE系统结构图产品设计工艺设计生产制造质量检查计算机系统CADCAPPCAMCAT2020/1/2119CAD的衍生——CIMSCIMS计算机集成制造系统ComputerIntegratedManufactureSystemCAE+MIS覆盖了产品的整个生命周期CIMS集成产品模型CIMS是CAD一体化进程的必然产物核心：CAD/CAM关键：信息的集成数据的共享2020/1/2120CAD的衍生——VM虚拟制造CAD/CAM集成化发展的最高层次VirtualManufacturing采用计算机仿真与虚拟现实技术、计算机协同技术，通过三维模型以及动画，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理和控制等产品制造的本质过程基本上不消耗资源和能量，不生产实际产品，是产品的设计、开发与实现在计算机上的本质实现高度集成支持敏捷制造分布合作以设计为中心、生产为中心、控制为中心的虚拟制造2020/1/2121虚拟制造的工业应用波音777第一个用无纸化的方法设计成功的商业客机Dassault/IBM公司的CATIACAD系统在第一架飞机实际组装之前，除了飞机前端实体模型外，没有建造任何物理原型CAD技术发展历程2020/1/2123CAD技术发展历程初级阶段实体造型阶段参数化技术阶段变量化技术阶段NEXT2020/1/2124初级阶段计算机辅助几何设计阶段曲线和曲面的计算机表示、计算和逼近三种方法Coons：一个复杂的曲面用若干个小曲面来逼近表示Bézier：用若干关键控制点设计曲线或者曲面的轮廓B样条：Bézier方法的拓展，现今最为广泛的方法二维计算机绘图技术三维曲面造型CAD系统价格昂贵软件商品化程度极低通用化程度很差BACK2020/1/2125实体造型阶段1979年，SDRC公司第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS实体造型技术能够精确地表示三维实体的全部属性统一CAD、CAE和CAM的模型表示数据计算量非常大受当时硬件性能的限制，数据计算量急速增大限制了实体造型技术在CAD系统中的全面推进无约束自由造型BACK2020/1/2126参数化技术阶段二十世纪八十年代中期参数化实体造型方法特点基于特征全尺寸约束全数据相关尺寸驱动的设计与修改BACK2020/1/2127变量化技术阶段尺寸参数：形状约束vs.尺寸约束欠尺寸约束工程关系也可以作为约束条件直接与几何方程联立求解二十世纪九十年代实现了二维的变量化技术二十世纪九十年代后期借助于超变量化几何技术（VariationalGeometryeXteneded）才实现了三维的变量化技术三维变量化控制技术三维造型技术直接几何描述&历史树描述BACK2020/1/2128CAD系统现状现状微机平台软件基于windows平台参数驱动二维与三维双向关联特征造型动态导航STEP标准动态图形显示2020/1/2129CAD系统发展趋势发展方向I4集成化Integrated功能集成、信息集成、过程集成、动态联盟企业集成网络化Internetwork协同设计人机交互化Interactive友好性、高效性、多样性智能化IntelligentS标准化StandardCAD系统的分类2020/1/2131CAD系统的类型系统功能分类通用系统——AutoCAD专用系统——Protel应用领域分类机械CAD建筑CAD电子CAD工业设计CAD地图CAD：GIS地理信息系统纺织CAD服装CADBACK2020/1/2132系统结构分类单环节CAD用于设计过程中某一个特定的设计环节顺序多环节CAD将若干顺序设计环节的CAD子系统串接，前一个CAD子系统的输出为后一个子系统的输入，形成一个大系统集成化CAD包含多个针对不同设计环节的设计子系统，以工程数据库为核心，所有的设计子系统是以统一的工程数据库为资源各自展开工作的，而各自的设计结果导致数据的变化又通过对数据库的修改传达给其它所有的子系统，使得各个子系统正确地协同工作2020/1/2133计算机类型分类大型机CAD小型机CAD工作站CAD微型计算机CAD网络分类网络环境下的CAD基于C/S架构的CAD系统基于Web的B/S架构的CAD系统单机环境下的CADCAD硬件系统2020/1/2135CAD硬件系统CAD硬件配置CAD硬件系统组成图2020/1/2136交互设备逻辑交互设备：对应实物设备操作的功能表现定位器定值器按钮拾取物理交互设备鼠标书写板数字化仪空间球光笔3D物体输入设备3D数字化仪2020/1/2137图形显示设备彩色光栅扫描显示器液晶显示器工作原理光栅扫描显示原理图形输出设备打印机绘图仪:平板式vs.滚筒式2020/1/2138图形输入设备向量型图形输入设备根据轨迹，记录坐标点的方法来输入主要输入的数据形式是直线或者由折线构成的图形数据光栅扫描型图形输入设备逐行扫描，按照一定密度采样的方法来输入图形输入数据形式就是一幅由亮度值所构成的像素矩阵——图像扫描仪摄像机三维扫描仪图形存储设备VR相关的设备CAD软件系统2020/1/2140CAD软件系统CAD软件系统的层次广度：应用于各个行业深度CAD软件层次图层次系统系统软件支撑软件专用软件2020/1/2141CAD系统的三层结构2020/1/2142CAD支撑软件CAD通用软件图形软件：基本图元显示及变换、人机交互的基本功能，常见I/O设备支持造型软件/几何建模软件实体（三维）造型，目的是用一组有限的、简单的集合元素以及一组施加其上的操作来构建复杂实体工程分析计算软件工程数据库管理软件适合CAD系统集成化发展趋势人工智能软件文档制作软件2020/1/2143CAD应用软件按照行业方向和功能特点划分以产品结构设计为主的CAD软件AutoCAD万能性——高级的、可交互的、以二维图形为主的开放性和可扩展性以工业造型设计为主的CAD软件Studio：产生效果图Designer：创建三维模型以动画和效果图设计为主的CAD软件3DMax以电子电路以及印刷电路设计为主的CAD软件ProtelCAD方法2020/1/2145CAD方法设计过程设计要求方案设计使设计对象成形对象表达修改定型设计文件编辑计算2020/1/2146CAD方法按照设计过程分类面向画面的方法：作用于设计文件编辑步骤面向计算的方法：作用于设计过程中的计算步骤应用前提：用公式描述设计对象所含各个变量之间的关系和约束面向对象模型造型的方法：作用于设计过程中对象表达、修改和定型阶段侧重于三维实体设计对象面向综合的方法根据设计条件和设计的领域知识，产生若干符合条件的设计对象基于知识工程的方法智能性从低到高2020/1/2147按照智能性分类几何CAD方法通过对几何形体的数学计算来操作设计对象智能CAD方法通过对设计知识和领域知识的运用来操作设计对象2020/1/2148CAD开发完全自主版权的开发基于一个CAD系统的二次开发基于一个几何平台的开发2020/1/2149思