第1章 機械CAD緒論

濟南大學機械工程學院機械CAD參考資料《機械CAD基本教程》余俊、周濟等編著華中理工大學出版社《計算機圖形學》倪明田編著北京大學出版社VC++6.0編程入門濟南大學網站--課件服務—機械學院輔導答疑:機械學院五樓計算機圖形圖像研究所周二晚8:00—9:00機械CAD原理與實踐緒論CAD中常用的數(shù)據(jù)結構交互式工程繪圖系統(tǒng)原理參數(shù)化設計技術設計資料的程序處理工程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理技術通用機械零部件的程序設計第一章緒論CAD技術發(fā)展概況CAD系統(tǒng)的硬件組成CAD系統(tǒng)的軟件組成CAD系統(tǒng)的類型CAD技術的發(fā)展趨勢1.1CAD技術發(fā)展概況CAD(computeraideddesign)技術能充分運用計算機高速運算和快速繪圖的強大功能為工程設計及產品設計服務，因而發(fā)展迅速，目前已獲得了廣泛應用。是人類在20世紀取得的重大科技成就之一，它幾乎推動了一切領域的設計革命，徹底改變了傳統(tǒng)的手工設計繪圖方式，極大的提高了產品開發(fā)的速度和精度，使得科技人員的智慧和能力得到了延伸。據(jù)1989年美國國家工程科學院對人類25年間(1965—1989)當代十項最杰出工程技術成就進行評比的結果顯示，CAD技術的開發(fā)應用排在第4位。CAD自身作為信息產業(yè)的一部分也得到了迅猛的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，1990年全世界CAD的銷售總額已超過100億美元，年增長率高達15％一20％，明顯高于其它產業(yè)的增長率。2002年機械類CAD/CAM/CAE市場約為人民幣104億元。2.應用CAD技術來進行產品設計，能使設計、生產、維修工作快速而高效率地進行，所帶來的經濟效益是十分明顯的。過去生產一個大規(guī)模集成電路芯片，要花兩年時間，用CAD只要兩周即可完成；美國道格拉斯公司生產F15戰(zhàn)斗機，用CAD技術試制第一架飛機便解決了發(fā)動機氣道和機艙密封等關鍵問題；英國的三叉戟飛機比美國的波音747飛機早開工，卻晚一年完成，其原因就是美國的747采用了CAD技術；美國GM公司汽車設計中應用CAD技術，使新型汽車的設計周期由5年縮短為3年，新產品的可信度由20％提高到60％；法國一家公司在飛機設計中應用了CAD技術能在很短的時間內設計出幾十個方案，供用戶進行選擇，使新產品的性能提高了9％；以前波音公司的飛機維修手冊疊在一起有3米多厚，而現(xiàn)在一張光盤上可儲存1000多張圖樣信息。3.CAD技術的發(fā)展與應用水平已成為衡量一個國家的科學技術現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志之一。在國際貿易市場競爭激烈的今天，時間就是金錢，而加快產品的更新?lián)Q代，提高設計速度和設計質量是很關鍵的環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)在很大程度上取決于一個國家的產品設計和工程設計這兩大領域中心技術應用的能力。（1）沈陽變壓器廠用CAD技術輸出三峽工程項目三維彩色產品設計圖和計算機分析的數(shù)據(jù)，從而贏得了三峽工程的招標項目。（2）滬東造船廠應用CAD技術后，生產技術準備周期縮短1/3以上，造船的設計開發(fā)能力提高一倍。（3）西北電力設計院用CAD系統(tǒng)建渭河電廠主廠房三維模型，對該廠原設計方案自動校驗，共查出6處隱藏在圖紙中的錯誤，當即進行了修改。（4）寰球化工工程公司應用CAD技術，在盤綿乙烯裝置工程中，進行碰撞檢測后，使95%以上的錯誤得以糾正，在總長20多萬米的管道設計中，施工結束后剩余鋼管不到10米。CAD技術在我國工程和產品設計的一些應用實例CAD概念的實質在于：（1）人機各盡所長；（2）人機交互結合；（3）最佳設計效率。CAD技術的主要作用如下:

（1）提高設計質量和設計效率。（2）能夠充分發(fā)揮設計人員創(chuàng)造性。（3）縮短產品的設計周期。CAD技術的產生及發(fā)展過程1)準備和醞釀時期（50－60年代初）CAD技術處于被動式的圖形處理階段。2)蓬勃發(fā)展和進入應用時期（60年代）

提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結構等新思想，從而為CAD技術的發(fā)展和應用打下了理論基礎。60年代中期出現(xiàn)了許多商品化的CAD設備，60年代末，美國安裝的CAD工作站已達200多臺，可供幾百人使用。

3)廣泛使用的時期（70年代）

1970年美國Applicon公司第一個推出完整的CAD系統(tǒng)。出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的CAD／CAM商品化系統(tǒng)。70年代末，美國CAD工作站安裝數(shù)量超過12000臺，使用人數(shù)超過2．5萬。4)突飛猛進的時期（80年代）

在這個時期，圖形系統(tǒng)和CAD／CAM工作站的銷售量與日俱增，美國實際安裝CAD系統(tǒng)至1988年發(fā)展到63000套。CAD／CAM技術從大中企業(yè)向小企業(yè)擴展；從發(fā)達國家向發(fā)展中國家擴展；從用于產品設計發(fā)展到用于工程設計和工藝設計。

5)開放式、標準化、集成化和智能化的發(fā)展時期（90年代）由于微機加視窗95／98／NT操作系統(tǒng)與工作站加Unix操作系統(tǒng)在以太網的環(huán)境下構成了CAD系統(tǒng)的主流工作平臺，因此現(xiàn)在的CAD技術和系統(tǒng)都具有良好的開放性。圖形接口、圖形功能日趨標準化。6)在CAD系統(tǒng)中，綜合應用正文、圖形、圖像、語音等多媒體技術和人工智能、專家系統(tǒng)等技術大大提高了自動化設計的程度，出現(xiàn)了智能CAD新學科。智能CAD把工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體，形成如下圖所示的結構。

圖1

智能CAD系統(tǒng)智能CAD系統(tǒng)結構1.2CAD系統(tǒng)的硬件組成系統(tǒng)的基本構成系統(tǒng)總體結構分類圖形輸入設備圖形顯示設備繪圖輸出設備1.2.1系統(tǒng)的基本構成計算機主機常用外圍設備圖形輸入設備圖形輸出設備存儲設備硬盤、光盤、軟盤、磁帶計算機主機中央處理器內存儲器輸出設備圖形終端繪圖機打印機……輸入設備鼠標、鍵盤數(shù)字化儀掃描儀圖形輸入板……通訊設備串行接口、網絡接口1.2.2系統(tǒng)總體結構分類單機式系統(tǒng)集中式系統(tǒng)工作站式系統(tǒng)單機式系統(tǒng)這種系統(tǒng)為單用戶單任務環(huán)境，主機常采用PC機，通常只配一個圖形終端，以保證對操作命令的快速響應。近年來32位字長的微機在速度上、精度上、內外存容量等方面已能滿足CAD應用的要求，且價格越來越低；其次微機上的各種軟件滿足了用戶的大部分要求，因此微機系統(tǒng)在中小型企業(yè)中得到了廣泛的應用。鍵盤外存儲器計算機主機顯示器繪圖機打印機鼠標集中式系統(tǒng)這種系統(tǒng)采用功能較強的計算機，可多個用戶使用同一臺計算機，資源共享，但使用起來不方便。鍵盤圖形終端鍵盤圖形終端鍵盤圖形終端外存儲器計算機主機顯示器繪圖機打印機工作站式系統(tǒng)工作站網絡系統(tǒng)以開放式標準化的功能向用戶提供有效的網絡接口，操作系統(tǒng)也包含了完整的網絡功能，并以標準的通信協(xié)議為基礎。同時它還提供了一系列的數(shù)據(jù)通信功能，使工作站可與各類計算機連接工作.外存儲器網絡服務器繪圖機打印機PC機圖形工作站圖形工作站圖形工作站圖形工作站PC機PC機PC機1.2.3圖形輸入設備鼠標器機械式和光電式數(shù)字化儀圖形輸入板光筆掃描儀數(shù)字化儀圖形輸入板觸筆拾取器光筆矢量掃描系統(tǒng)的工作流程圖后處理掃描圖紙矢量化處理MIS文件光柵文件矢量文件格式轉換ＣＡＤ系統(tǒng)某種格式MIS文件1.2.4圖形顯示設備光柵掃描顯示器液晶顯示器光柵掃描顯示器陰極射線管矢量光柵轉換器幀緩沖存儲器顯示控制器光柵掃描顯示器的系統(tǒng)組成內存顯示文件矢量光柵轉換器幀緩沖存儲器顯示控制器CRT陰極射線管陰極射線管一般是利用電磁場產生高速的、經過聚焦的電子束，偏轉到屏幕的不同位置轟擊屏幕表面的熒光材料而產生可見圖形的。陰極射線管---基本概念像素(Pixel:PictureCell)：構成屏幕（圖像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或豎直方向單位長度上能識別的最大像素個數(shù)，單位通常為dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情況下，也可用整個屏幕所能容納的像素個數(shù)描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等射線穿透法影孔板法陰極射線管---產生彩色的常用方法射線穿透法原理：兩層熒光涂層，紅色光和綠色光兩種發(fā)光物質，電子束轟擊穿透熒光層的深淺，決定所產生的顏色電子束熒光涂層產生顏色低速電子束較低速電子束較高速電子束高速電子束影孔板法原理：影孔板被安裝在熒光屏的內表面，用于精確定位像素的位置外層玻璃熒光涂層影孔板點狀影孔板工作原理紅、綠、蘭三基色三色熒光點（很小并充分靠近--〉像素）三支電子槍電子槍、影孔板中的一個小孔和熒光點呈一直線；每個小孔與一個像素（即三個熒光點）對應如果每支電子槍發(fā)出的電子束的強度有256個等級，則顯示器能同時顯示256*256*256=16M種顏色稱為真彩系統(tǒng)調節(jié)各電子槍發(fā)生的電子束中所含電子的數(shù)目，即可控制各色光點亮度。LCD顯示器LCD顯示器的優(yōu)點外觀小巧精致，厚度只有6.5-8cm左右。不會產生CRT那樣的因為刷新頻率低而出現(xiàn)的閃爍現(xiàn)象工作電壓低，功耗小，節(jié)約能源沒有電磁輻射，對人體健康沒有任何影響LCD顯示器的缺點壽命短、怕震動、溫度敏感分辨率相對較低，色彩不夠鮮艷，且價格偏高。索尼公司的兩款LCD外形液晶顯示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是由六層薄板組成的平板式顯示器反射層水平極板水平網格線液晶層垂直網格線垂直極板觀察方向液晶顯示器的構成LCD顯示器基本原理液晶是一種介于液體和固體之間的特殊物質，它具有液體的流態(tài)性質和固體的光學性質。當液晶受到電壓的影響時，就會改變它的物理性質而發(fā)生形變，此時通過它的光的折射角度就會發(fā)生變化，而產生色彩。液晶屏幕后面有一個背光，這個光源先穿過第一層偏光板，再來到液晶體上，而當光線透過液晶體時，就會產生光線的色澤改變，從液晶體射出來的光線，還得必須經過一塊彩色濾光片以及第二塊偏光板。1.2.5繪圖輸出設備打印機針式打印機激光打印機噴墨打印機電荷控制式噴墨打印機電場控制式噴墨打印機壓電式噴墨打印機氣泡式噴墨打印機筆式繪圖機平板式繪圖機滾筒式繪圖機噴墨繪圖機針式打印機把字符或者圖形離散成點陣，經過打印頭驅動電路，激勵打印頭出針敲擊色帶，色帶在打印紙上打印出字符或者圖形。打印頭分9針和24針兩種激光打印機激光打印機是利用電信號去調制激光束，激光束采用半導體激光器，所用電信號是由計算機輸出的數(shù)據(jù)，因此就得到了載有字符或圖形信息的激光束。這樣的激光束經過光學系統(tǒng)反射和聚焦、校正，最后沿著感光鼓的軸線勻速掃描在感光鼓上，從而形成字符或圖形。再立即加熱、定影，最后被固定在紙上輸出。激光打印機可分成6大系統(tǒng):供電系統(tǒng)直流控制系統(tǒng)接口系統(tǒng)激光掃描系統(tǒng)成像系統(tǒng)搓紙系統(tǒng)成像系統(tǒng)包括：布電、曝光、顯像、轉印、定影壓電式噴墨打印機

截面結構示意圖三個主要部分：PZT材料(鉛和鋯的鈦酸鹽)制成的蓋板和墨水通道以及由聚酰亞胺膜片制成的噴嘴板。PZT通道基本結構的截面圖打印頭外型圖氣泡式噴墨打印機由電路送到噴嘴的加熱電極上的電脈沖信號使加熱元件快速升溫，促使噴嘴內鄰近的墨水汽化迅速形成氣泡。出于氣泡膨脹產生的壓力使墨水形成一個個墨滴從噴嘴中噴出。脈沖過后，墨水蒸汽凝聚，噴嘴內的墨滴由于表面張力維持齊口的平面，因而內部會產生負壓從墨水盒內吸入一滴新的墨水。平板式繪圖機平板式繪圖機由繪圖平臺、導軌、驅動機構、筆架等組成。從驅動方式來看，平板式繪圖機通常分為兩種，一種是步進馬達驅動、機械傳動的繪圖機，一種是平面電機驅動的繪圖機。機械傳動的繪圖機具有x和y向兩組導軌，橫梁可沿x向導軌移動，筆架則沿固定在橫梁上的y向導軌移動，它們均由步進電機驅動，傳動裝置一般用鋼絲繩或齒輪齒條。滾筒式繪圖機滾筒式繪圖機由筆架、卷簡、走紙機構、驅動機構等幾部分組成，是用兩只步進電機分別帶動繪圖紙和繪圖筆運動從而產生圖形軌跡。主要特點是將橫梁沿x向的運動，由卷簡帶動紙的運動來實現(xiàn)噴墨繪圖機機械結構主要包含六部分：噴頭和墨盒清潔單元小車單元送紙單元傳感器單元輔助單元1.2.6.計算機網絡

計算機網絡是用通信線路和通信設備將分散在不同地點并具有獨立功能的計算機相互聯(lián)接，按照網絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)資源共享。計算機網絡具有以下功能：①計算機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送；②網內各站點上的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)共享；③網內各站點上的軟件，包括各種語言處理程序、服務程序和應用程序等實現(xiàn)共享；④網內的計算機和外部設備等硬件資源實現(xiàn)共享；⑤網內各站點可互為后備，以提高系統(tǒng)的可靠性；⑥網內各站點實現(xiàn)負荷合理分配等。計算機網絡有廣域網和局域網兩種。廣域網用于地區(qū)之間的通信，距離可達幾百公里以至上千公里。而局域網用于一棟建筑物內或分布面積跨度僅數(shù)公里內的計算機間的通信。CAD系統(tǒng)所采用的網絡一般為局域網。

三種局域網形式

工作站計算機工作站總線工作站工作站繪圖機計算機繪圖機工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站繪圖機

a)星型網b)環(huán)型網工作站c）總線型1.3CAD系統(tǒng)的軟件組成CAD軟件分三個層次：系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應用軟件1、系統(tǒng)軟件對計算機資源進行自動管理和控制，它處于整個軟件的核心內層，主要包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。2、支撐軟件是幫助人們高效率開發(fā)應用軟件的軟件工具系統(tǒng)，亦稱為軟件開發(fā)工具，是CAD的核心技術產品應用軟件支撐軟件圖形開發(fā)平臺數(shù)據(jù)庫管理軟件程序設計語言操作系統(tǒng)軟件應用軟件的特點：(1)能夠切實可行地解決具體工程問題，給出直接用于設計的最終結果；(2)符合規(guī)范、標準和工程設計中的習慣；(3)充分利用計算機輔助設計系統(tǒng)的軟件資源，具有較高的效率；(4)具有較好的設備無關性和數(shù)據(jù)存儲無關性，便于運行于各類硬件環(huán)境以及與不同軟件的連接；(5)使用方便，具有良好的人機交互界面；(6)運行可靠，維護簡單，便于擴充，具有良好的再開發(fā)性。3、應用軟件是用戶利用計算機以及它所提供的各種系統(tǒng)軟件和支撐軟件，自行編制的用于解決各種實際問題的程序。1.4CAD系統(tǒng)的類型CAD系統(tǒng)以是否具有人機對話功能分為交互型和自動型交互型適用于目標難以用目標函數(shù)來定量描述的設計問題自動型適用于設計目標用明確的目標函數(shù)來定量描述的問題，分為自動設計型、信息檢索型和逐步逼近型自動型---自動設計型系統(tǒng)這種系統(tǒng)又稱最佳規(guī)劃型，其工作方式是把設計對象的全部問題均歸結為數(shù)學描述式，然后建立優(yōu)化設計的目標函數(shù)，再將目標函數(shù)的求解過程編制成程序存儲在設計系統(tǒng)中。系統(tǒng)存儲著各種有關數(shù)據(jù)資料，程序運行時可從中檢索出有關數(shù)據(jù)。設計人員向系統(tǒng)輸入原始數(shù)據(jù)后，計算機能自動完成全部處理，輸出已經優(yōu)化的最終結果輸入原始數(shù)據(jù)目標函數(shù)分析目標函數(shù)優(yōu)化輸出結果程序庫優(yōu)化庫數(shù)據(jù)庫自動型---信息檢索型系統(tǒng)將某種定型產品的標準化圖紙變成圖形信息存入計算機的存儲器中，在需要時可按要求，從中自動檢索出最佳的標準圖形，這種主要以信息檢索的方式進行設計工作的系統(tǒng)稱為信息檢索設計系統(tǒng)。這種系統(tǒng)主要適用于已有具體設計和已標準化的一些產品。系統(tǒng)的建立步驟為：(1)整理以往某種類型產品的圖紙，結合將來可能的發(fā)展，匯總成幾種標準圖形；(2)對于某一規(guī)格的產品，建立能提供選擇最佳標準圖形的檢索系統(tǒng)：(3)按標準圖形信息和附屬信息一起建庫。適用于已經規(guī)格化的定型產品設計,使用效果好不適用于新產品開發(fā)難于實現(xiàn)標準圖形的設計只適合于特定對象，大量的專用程序沒有通用性，經濟效果不夠理想輸入設計要求、條件輸入標準規(guī)格代碼最佳標準零部件選擇輸出結果設計人員審核、確定決定尺寸及材料自動繪圖輸出設計結束設計數(shù)據(jù)庫標準圖信息標準件基本零部件其它零部件附屬信息自動型---逐步逼近型系統(tǒng)一個產品的設計過程，常常是在計算與繪圖之間多次反復，逐步完善的過程。這是由于一些設計過程是不確定的，要由有經驗的設計人員參與、作出判斷和修改。將這類產品的數(shù)據(jù)、設計圖及設計處理程序存入系統(tǒng)。設計人員將設計信息，如功率、材料、結構要求、尺寸等輸入系統(tǒng)。系統(tǒng)經過處理后，以數(shù)據(jù)或圖形形式輸出，供設計人員判斷、修改。通過對設計對象的不斷修正和系統(tǒng)不斷的進行處理，由設計者作出最后判斷。必要時可以通過修改系統(tǒng)程序，再輸入計算機進行處理。循環(huán)上述過程，直至得到滿意的設計結果為止。開始設計輸入產品修改信息計算、分析處理顯示圖形、數(shù)據(jù)輸出結果滿意？YN交互式系統(tǒng)交互型設計系統(tǒng)是目前在計算機輔助設計系統(tǒng)中較為完善的一種形式。由設計者描述出設計模型，并由計算機對有關產品的大量資料進行檢索；由計算機對有關數(shù)據(jù)和公式進行高速運算；通過草圖或標準圖的顯示，設計者在分析結果的基礎上，通過圖形輸入設備和人機對話語言直接對圖形進行實時修改；計算機根據(jù)修改的指令，再次作出響應，并重新組織顯示。這樣一種具有人機交互作用或者對話式的反復作業(yè)過程的系統(tǒng)，稱為交互型設計系統(tǒng)。1.5CAD技術的發(fā)展趨勢當前工業(yè)企業(yè)正面臨著市場全球化、制造國際化和品種需求多樣化的新挑戰(zhàn)，各企業(yè)間圍繞著時間、質量和成本的競爭越來越激烈。由此出現(xiàn)了一系列先進制造技術、系統(tǒng)和新的生產管理方法，如并行工程、及時生產、精良生產、敏捷制造和虛擬現(xiàn)實技術等，所有這些先進制造技術和系統(tǒng)都與CAD系統(tǒng)的發(fā)展與應用密切相關。目前CAD系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1．CAD系統(tǒng)應用面向產品的整個生命周期要求產品信息模型能夠容易地在產品生命周期的不同環(huán)節(jié)（從概念設計、結構設計，詳細設計到工藝設計和數(shù)控編程）間進行轉換。要求能支持集成地、并行地設計產品及其相關的各種過程（包括制造過程和支持過程），幫助產品開發(fā)人員在設計一開始就考慮產品從概念形成到產品報廢處理的所有因素，包括質量、成本、進度計劃和用戶要求。而以往的CAD系統(tǒng)主要面向產品生命周期中的某個環(huán)節(jié)。

2．CAD系統(tǒng)應充分考慮產品信息的繼承性要求能方便地獲取全部歷史數(shù)據(jù)，最充分地利用已經生產實踐考驗過的產品信息。在用CAD系統(tǒng)進行新產品的開發(fā)設計時，只需對其中很少一部分零部件進行重新設計和制造，而絕大部分零部件的設計都將繼承以往產品的信息。CAD系統(tǒng)應具有高度變型設計能力，能夠通過快速重構，得到一種全新的產品。這不僅大大縮短了產品周期、還提高了產品的一次成熟性。

3．CAD系統(tǒng)應滿足并行設計的要求產品可以容易地被分解為一些模塊，通過計算機網絡，組織分散在各地的產品設計人員分工進行產品各零部件的設計和制造，然后進行組裝和集成。這種系統(tǒng)包括：（1）提供以網絡為基礎的會議系統(tǒng)，使開發(fā)組成員易于實現(xiàn)半結構化通信及在一個異構網絡中實現(xiàn)分布計算；（2）建立及維持產品過程及源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一模型，以使用戶能透明地提取及瀏覽分布在企業(yè)各個不同地方的數(shù)據(jù)庫內的信息；（3）對產品開發(fā)過