cad 應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ) 第1章 CAD技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

CAD技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)第1章CAD技術(shù)的基本概念1.11.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的概念計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是一種用計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，它包括設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析和文檔制作等設(shè)計(jì)活動(dòng)。它是一種新的設(shè)計(jì)方法，也是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新技術(shù)。CAD是工程技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備，應(yīng)用多學(xué)科的方法綜合有效地進(jìn)行問題求解的先進(jìn)信息處理技術(shù)。它把人類的決策判斷、創(chuàng)造能力與計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算、信息存儲(chǔ)等功能有機(jī)地結(jié)合起來，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

CAD概念的實(shí)質(zhì)在于：（1）人機(jī)各盡所長(zhǎng)；（2）人機(jī)交互結(jié)合；（3）最佳設(shè)計(jì)效率。

CAD技術(shù)的主要作用如下:

（1）提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率；（2）能夠充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性；（3）縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。CAD過程：

任何設(shè)計(jì)都表現(xiàn)為一種過程，每個(gè)過程都由一系列設(shè)計(jì)活動(dòng)組成；活動(dòng)間既有串行的設(shè)計(jì)活動(dòng)，也有并行的設(shè)計(jì)活動(dòng)；設(shè)計(jì)過程中的大多數(shù)活動(dòng)可以用CAD實(shí)現(xiàn)，但并不絕對(duì)；將設(shè)計(jì)過程中能用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的活動(dòng)集合在一起就構(gòu)成了CAD過程。1.1.2CAD技術(shù)的重要應(yīng)用

CAD是計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)學(xué)科相結(jié)合形成的新興技術(shù)，是計(jì)算機(jī)在工程中最有影響的應(yīng)用技術(shù)之一。CAD技術(shù)曾被美國(guó)國(guó)家工程科學(xué)院評(píng)為當(dāng)代十項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就之一。無論是軍事工業(yè)還是民用工業(yè)，無論是建筑行業(yè)還是制造加工行業(yè)，無論是機(jī)械、電子、輕紡行業(yè)還是文體、影視廣告行業(yè)等都離不開CAD技術(shù)。CAD技術(shù)是企業(yè)界爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額和生存發(fā)展不可缺少的手段。

在制造業(yè)中的應(yīng)用：如波音777飛機(jī)是世界上第一架實(shí)現(xiàn)無紙?jiān)O(shè)計(jì)與制造的飛機(jī)。在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用：如建筑設(shè)計(jì)CAD、電子沙盤；機(jī)械設(shè)計(jì)CAD等。仿真模擬和動(dòng)畫制作：在電影制作中的成功應(yīng)用，如“未來世界”、“玩具總動(dòng)員”、“侏羅記公園”等。在輕工行業(yè)中的應(yīng)用：如模具CAD和服裝CAD等。在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)模擬。在電子電路中的應(yīng)用：超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造。近十多年來，在CIMS工程和CAD應(yīng)用工程的推動(dòng)下，我國(guó)CAD技術(shù)應(yīng)用越來越普遍，越來越多的設(shè)計(jì)單位和企業(yè)采用這一技術(shù)來提高設(shè)計(jì)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動(dòng)條件。目前，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的CAD軟件有好幾十種，國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)、高校和軟件公司也都立足于國(guó)內(nèi)，開發(fā)出了自己的CAD軟件，并投放市場(chǎng)，我國(guó)的CAD技術(shù)應(yīng)用呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。CAD技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2早期研究第一代CAD第二代CAD第三代CAD普遍應(yīng)用20世紀(jì)50年代20世紀(jì)60年代20世紀(jì)70年代20世紀(jì)80年代20世紀(jì)90年代及以后1.2.1CAD技術(shù)發(fā)展歷程

CAD技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備、圖形輸入輸出設(shè)備、軟件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。（1）準(zhǔn)備和誕生時(shí)期（20世紀(jì)50~60年代）電子管計(jì)算機(jī)。

1950年，MIT能夠顯示簡(jiǎn)單圖形的圖形顯示器。

1958年，Calcomp

滾筒式繪圖機(jī)。

20世紀(jì)50年代末，SAGE戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)。

（2）蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用的時(shí)期（20世紀(jì)60年代）

1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式圖形系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，如Coons曲面。（3）廣泛應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)70年代）集成電路用于計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)平臺(tái)的性能大為提高。出現(xiàn)了以小型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)的CAD系統(tǒng)。圖形設(shè)備相繼推出并完善。圖形軟件和CAD應(yīng)用支撐軟件不斷得到充實(shí)與提高。（4）飛速發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)80年代）出現(xiàn)了大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路，使微機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。推出了以UNIX系統(tǒng)支撐的SUN工作站。圖形軟件更加成熟。（5）日趨成熟的時(shí)期（20世紀(jì)90年代）出現(xiàn)了基于PC平臺(tái)的價(jià)廉物美的CAD系統(tǒng)。

CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系統(tǒng)。集成化?？茖W(xué)計(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造。1.2.2發(fā)展趨勢(shì)微機(jī)化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、并行化、標(biāo)準(zhǔn)化。

集成化數(shù)字化建模產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理繼續(xù)改進(jìn)和開發(fā)CAX及DFx

網(wǎng)絡(luò)化因特網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境

CAD應(yīng)用服務(wù)智能化標(biāo)準(zhǔn)化

CAD相關(guān)技術(shù)1.3主要包括交互技術(shù)、圖形變換技術(shù)、線框模型、曲面造型和實(shí)體造型技術(shù)、特征建模技術(shù)、參數(shù)化與變量化建模技術(shù)等。交互技術(shù)交互式CAD系統(tǒng)，指用戶在使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，人和機(jī)器可以及時(shí)地交換信息。采用交互式系統(tǒng)，人們可以邊構(gòu)思、邊打樣、邊修改，隨時(shí)可從圖形終端屏幕上看到每一步操作的顯示結(jié)果，非常直觀。圖形交換技術(shù)圖形變換的主要功能是把用戶坐標(biāo)系和圖形輸出設(shè)備的坐標(biāo)系聯(lián)系起來；對(duì)圖形作平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視變換；通過矩陣運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)圖形變換。線框模型技術(shù)這是在20世紀(jì)60年代發(fā)展的造型技術(shù)，起初用于二維CAD模型的建立，用戶逐點(diǎn)、逐線地構(gòu)建模型，其目的是使用計(jì)算機(jī)代替人工繪圖。發(fā)展到三維造型時(shí)，線框模型利用線框和多邊形構(gòu)造三維形體。由于線框模型的重疊特性，需要經(jīng)過人腦的轉(zhuǎn)換才能呈現(xiàn)所表達(dá)的三維模型，并且線框模型難以表達(dá)曲面造型，因此在20世紀(jì)70年代逐漸向曲面造型和實(shí)體造型發(fā)展。曲面造型技術(shù)曲面造型是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)于曲面形狀產(chǎn)品外觀的一種建模方法。曲面造型方法使用三維CAD軟件的曲面指令功能構(gòu)建產(chǎn)品的外觀形狀曲面并得到實(shí)體化模型。曲面造型主要用于研究曲線和曲面表示、曲面求交及顯示等問題。常用的曲面造型的表示方式有Coons曲面、Bezier曲面、B樣條曲面以及非均勻有理B樣條曲面（Non-uniformrationalB-spline，NURBS）。曲面造型系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)和船舶等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中。實(shí)體造型技術(shù)實(shí)體造型主要研究如何通過簡(jiǎn)單體素或特征的拼合構(gòu)造復(fù)雜形體，通過此方式形成的模型稱為實(shí)體模型。實(shí)體造型技術(shù)是指描述幾何模型的形狀和屬性的信息并存于計(jì)算機(jī)內(nèi)，由計(jì)算機(jī)生成具有真實(shí)感的可視的三維圖形的技術(shù)。將線框模型、曲面模型和實(shí)體模型進(jìn)行統(tǒng)一并融合的典型三維建模內(nèi)核包括Parasolid和ACIS。這兩種建模內(nèi)核是當(dāng)今的主流CAD（SolidWorks、UG、CATIA、AutoCAD等）、CAE（Abaqus、ANSYSIcem-CFD等）和CAM（CimatronE、MasterCAM、OneCNC等）軟件系統(tǒng)的幾何建模內(nèi)核。特征建模技術(shù)按照特征建模的分類，零部件的特征類型可分為形狀特征、裝配特征、精度特征、性能特征和補(bǔ)充特征等。使用特征建模，可從構(gòu)形角度出發(fā)，選用對(duì)設(shè)計(jì)制造有意義的特征形體（如槽、凹腔、凸臺(tái)、空、殼、壁等特征）作為基本單元，從而拼合成零件。另一方面，在特征建模中，除了幾何、拓?fù)湫畔?，其中包含了大量下游活?dòng)（計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)、數(shù)控編程等）所需的信息，并且形成了復(fù)合STEP標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品信息模型，從而為CIMS（ComputerIntegratedManufacturingSystem，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）及CE（ConcurrentEngineering，并行工程）環(huán)境下的CAx和DFx等集成打下良好的基礎(chǔ)。參數(shù)化與變量化建模技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)模型中各個(gè)元素間尺寸驅(qū)動(dòng)的功能，并建立幾何模型與工程計(jì)算間的聯(lián)系，參數(shù)化和變量化技術(shù)采用約束表達(dá)產(chǎn)品的幾何模型，用一組尺寸參數(shù)及工程設(shè)計(jì)參數(shù)來定義和控制幾何模型。由此形成了使用參數(shù)值來驅(qū)動(dòng)形狀的能力，并可方便地修改設(shè)計(jì)形狀或進(jìn)行形狀相似產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)。另外，參數(shù)化與變量化的建模技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程繪圖、裝配設(shè)計(jì)、工程分析和運(yùn)動(dòng)仿真等各個(gè)環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)共享和驅(qū)動(dòng)。參數(shù)化建模主要通過對(duì)結(jié)構(gòu)約束、尺寸約束、參數(shù)約束這三類約束進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來快速構(gòu)建和修改模型，而變量化建模除包含這些約束外，還包括面積、體積、強(qiáng)度、剛度、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等工程約束的限制條件和