第1章 计算机辅助设计概述

问题（讨论）1、计算机辅助设计的含义？2、计算机绘图是否等同于计算机辅助设计？考核方式考试成绩=平时成绩×10%+期末成绩×70%+上机成绩×20%平时成绩（作业、课堂测验及出勤情况）教学内容第一章.计算机辅助设计概述第二章.CAD系统第三章.工程数据的处理技术第四章.机械CAD中常用的数据结构第五章.图形变换第六章.二三维几何建模第七章.三维产品建模技术教学要求1、了解计算机辅助设计的发展概况及计算机辅助设计系统的构成；2、掌握在计算机辅助设计过程中所需设计资料的处理方法；3、掌握数据结构知识及数据库在计算机辅助设计中的应用；4、掌握图形显示及图形变换方法；5、掌握应用绘图软件编制自动绘图程序的方法；6、掌握交互式图形处理软件AutoCAD的使用及利用AutoCAD进行二次开发的方法。第一章计算机辅助设计概述1.1CAD的发展历程1.2CAD基本概念和特点1.3现代CAD系统提供的辅助功能1.4CAD的推广和应用1.5CAD未来的发展方向1.1CAD的发展历程CAD技术产生至今大致经历了5个发展时期：1）准备和酝酿时期（20世纪50年代）2）学科建立和进入应用时期（20世纪60年代）3）广泛使用时期（20世纪70年代）4）飞速发展时期（20世纪80年代）5）标准化、集成化、智能化和网络化发展时期（20世纪90年代）1）准备和酝酿时期（20世纪50年代）主要标志：（1）1950年，麻省理工学院（MIT）研制出“旋风Ⅰ号”（WhirlWindⅠ)图形显示设备（2）1952年，MIT的伺服实验室研制成功世界上第一台三坐标数控铣床（3）1958年，Calcomp公司研制出了滚筒式绘图机；Gerber公司研制出了平板绘图仪（4）1959年（MIT）将CAD正式列为研究项目进行研究等等。这时期硬件的特点是开始具有一定的图形输出能力。从整体上说，计算机硬件水平较低，处在电子管水平；计算机主要用于科学计算，开发人员主要用机器语言编程，图形的处理只能输出不能输入。2）学科建立和进入应用时期（20世纪60年代）（1）在20世纪60年代，晶体管取代了真空电子管。20世纪60年代后期，出现了直接存取存储器，研制成功了阴极射线管显示器等等。（2）1963年春，在美国计算机联合会的年会上，MIT的研究小组发表了有关CAD项目的五篇论文，给工程界以很大的震动。（3）当时，MIT研究小组的报告对CAD作了这样的设想：设计者坐在CRT控制台前，通过光笔操作，进行人机对话，实现从概念设计到生产设计以至制造的全过程。它还提出了用不同的层来表示某一工程图的轮廓、剖面线和尺寸。这个系统为交互式图形学和计算机辅助绘图技术打下了理论基础。这在当时看来，带有一些神奇色彩，但它大大地震动了追求实效的工程界。（4）美国通用汽车公司和IBM公司率先开发了DAC-1(DesignAugmentedbyComputer)系统，用来设计汽车外形与结构。（5）美国洛克希德（Lockheed）公司和IBM公司联合开发了基于大型计算机的图形增强设计与制造软件包CADAM用于设计与绘图，并具有三维结构设计能力。随后计算机辅助绘图、设计、制造、分析技术在英、日、意等国的汽车公司也都获得了广泛的应用，并逐渐扩展到其它部门。3）广泛使用时期（20世纪70年代）（1）计算机硬件从集成电路发展到大规模集成电路，相继出现了32位小型计算机和微型计算机。（2）基于小型机的CAD成套系统（TurnkeySystem）研制成功，它包括图形输入及输出设备和相应的应用软件，软硬件配套使用。在此期间，为CAD开发了大量的图形软件包和以有限元为基础的各种强度的运算软件包。专业的CAD系统公司和专门开发CAD软件的软件公司相继出现，并有一系列的CAD产品投入市场。4）飞速发展时期（20世纪80年代）5）标准化、集成化、智能化和网络化发展时期（20世纪90年代）1.2CAD的基本概念及特点开始市场需求分析可行性研究与分析概念设计初步设计详细设计结构分析计算机仿真模拟Y工艺设计、加工制造性能试验满意吗设计定型满意吗NYN1.产品开发过程设计一般经历以下阶段：（1）概念设计：需求分析、确定功能、构思方案，获得一组原理方案（2）初步设计：从可行方案中优选出一个功能满足要求、工作原理可靠、结构设计可行、成本低廉的方案。（3）详细设计：确定详细结构，完成总布置图、零部件图，编写技术文件（4）制造加工及试验设计是“设计-评价-再设计”过程图1-1产品开发过程2、CAD的基本概念（1）定义：计算机辅助设计（computeraideddesign,CAD）指应用计算机系统，协助工程技术人员对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析、文档制作等设计活动，是一种新的设计方法，也是多学科综合的一门新技术。CAD采用计算机工具完成设计的全过程，能将产品的物理模型转化为数字化模型。CAD技术所涉及到的技术：图形处理、工程分析、数据管理与数据交换、文档处理、界面开发、基于WEB的网络应用与开发技术。（2）CAD与计算机绘图、计算机图形学的区别计算机绘图：摆脱繁重的手工绘图计算机图形学（ComputerGraphics，简称CG）：通过计算机将数据转换为图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的科学。1）计算机绘图是CG的一个分支2）计算机绘图不是CAD的全部内涵，但是它是CAD技术基础之一3）CG是一门独立的学科，与CAD有明显区别（3）CAD过程与设计过程3.CAD的特点下表是日本一个金属模具制造厂在进行某项产品生产时，引入CAD前后所花时间对比。项目引入CAD前（小时）引入CAD后（小时）两者之比资料调查34172:1设计299.73:1绘图1075.320:1制作加工数控纸带42314:1合计212356:1CAD有以下优点①提高设计效率，缩短设计周期。②提高设计质量。③降低生产成本。④各部门信息交流迅速、可靠。⑤提高企业管理水平。1.3现代CAD系统提供的辅助功能1、参数化和变量设计在设计过程中，许多零部件的形状往往是相同的，只是尺寸大小发生改变，即零部件的拓扑关系不变，而大小发生改变。2.零件造型零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。设计人员可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。3.曲面造型曲面造型提供了在计算机中生成、编辑自由曲线和曲面方法。比采用石膏造型更快速、更精确、效果更好。4.虚拟装配虚拟装配能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配。通过虚拟装配可以发现由于设计不当在实际装配中可能出现的如间隙过小或过大、零件之间的干涉等问题。5.工程绘图功能大型CAD系统均提供了很强的生成工程图的能力，其目的是生成符合标准的工程图纸。同样是生成工程图纸，计算机辅助设计的工程图生成方法与计算机辅助绘图有很大的差异。虚拟装配的模型及装配过程6.数据交换功能数据交换功能提供与其他设计自动化系统之间的各种标准数据交换。其主要交换标准有IGES,SET,STEP,DXF等。交换内容包括二维图形、三维模型、三维线框模型、三维曲面模型、任意形状曲面、光栅图像、特征、表面和公差信息等。数据交换使得利用不同CAD系统的优势共同协作完成同一产品的开发成为可能。7.二次开发二次开发是CAD系统向用户提供的开发工具。由于机械产品的用途多种多样，任何强大的CAD系统都不可能向用户提供各种具体产品的完善的解决方案。提供二次开发工具的目的是让用户将自己或者第三方编写的程序集成到CAD系统中。8.有限元分析有限元法是对复杂工程进行结构分析的一种重要分析手段。正是有了计算机高速的数值计算能力，有限元分析的计算方法才得以实现。最终通过计算可视化技术可以将零件上的应力、应变、位移等参数的分布情况用不同色彩的云图、箭头、等值线以静态或动态的方式在实体模型上直观、清楚地表达出来。9.数控加工及仿真数控加工用于产生零件加工工序规划、刀路轨迹等，并能根据加工工序做出时间及成本估计。数控加工能将设计模型与加工工序规划连接起来，当设计模型发生修改时系统会将已做过的生产上的程序和加工过程自动更新。1.4CAD的推广和应用CAD技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志，在一定程度上反映出一个国家的综合实力。企业中引入CAD技术是提高产品和工程设计技术水平的一项重大措施，而CAD技术的应用可以满足企业降低生产成本，缩短设计周期的要求，可以推动企业快速发展。我国CAD技术的引入大约是在60年代，起步较晚，但最近几年的发展较为迅速，在机械、电子、建筑、汽车、服装等行业逐步进入了使用阶段，在许多其他领域也进入了试用时期。在我国，通过“七五”和“八五”期间坚持不懈地科技攻关，特别是机械行业从1995年以来，相继开展的“CAD应用1215工程”和“CAD应用1550工程”，使我国CAD技术在理论与算法研究、硬件设备生产、支撑软件的开发与商品化，专业应用软件系统的研制与应用，以及在人才培养与技术普及等方面均取得了丰硕的成果。我国各企业CAD技术应用水平参差不齐，对于中、小企业CAD技术应用水平是建立以“甩掉图板”为目标的计算机辅助绘图与设计系统，应用国外或国内开发的一些计算机绘图软件，用计算机绘图来代替传统手工绘图，这是低层次的CAD技术应用。一些大型企业具有相当实力，CAD技术应用水平一般较高，引进了先进的计算机辅助设计、分析、模拟仿真、加工集成系统。建立全局产品模型，实现无纸化设计、加工。1.5CAD未来的发展方向从总体上讲，CAD技术的发展趋势是参数化、智能化、三维化、集成化、网络化和标准化。1、参数化参数化能够极大地提高机械设计效率。通过尺寸驱动既能为用户提供设计对象的直观、准确的反馈，又能随时对设计对象加以更改，同时减少设计中的疏忽。在先进的CAD软件中，设计过程中所涉及到的所有参数都可以当作变量，可以建立相互间的约束和关系式，增加程序逻辑。这些变量间的关系可以跨越CAD软件的不同模块，从而实现设计数据的全相关。参数化是实现机械设计自动化的前提和基础，参数化设计的前途不可限量。2、智能化现有的计算机辅助设计系统智能化程度越来越高，原来繁琐的操作逐渐由计算机智能化地进行处理。在图形的绘制方面，很多系统增加了智能导引的机制。系统始终猜测用户的设计意图，并根据当时的设计环境提供不同的人机交互工具，使用户感觉非常顺手。人工智能是计算机几大功能之一，将人工智能引入CAD系统，使其具有专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，以及智能化的视觉、听觉、语言的处理能力，从而达到设计自动化的目的。3、三维化从设计的观点来看，人们头脑中所构思的设计对象是三维物体，因此，直接用三维实体形式来描述设计对象是最直观、方便省力的设计方式。过去由于计算机技术的限制，直接使用三维实体模型很困难，不得不使用二维绘图软件。二维图形表示三维物体有很多局限性，由于二维CAD仅提供了产品零件的线框信息而没有面、体、材料的概念。因而不一定能准确反映现实实际，经常发生错误、碰撞和二义性。随着三维图形技术的发展，促进了三维CAD技术的应用步伐。在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计意图。并能做到在产品的设计、计算分析、制造等各个环节上实现数据共享。在三维模型的基础上可以进行装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级的计算机辅助设计工作。例如，美国波音777客机的设计、制造、装配、实验，已经全面使用了三维CAD技术，实现了百分之百的数字化和无纸化设计，研制周期缩短到4年左右。随着计算机软硬件技术的发展，二维绘图将很快被三维实体造型所代替。波音777飞机数字化装配4、集成化集成就是向企业提供一体化的解决方案。集成的出发点是企业中各个环节是不可分割的，必须统一考虑。随着技术的发展，计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制造、计算机辅助工艺编制将逐步在企业中得到推广和应用。由于这些系统大都是作为自