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1、第第1 1章章 CADCAD技术概况技术概况1.1 CAD技术的发展历程技术的发展历程 1.2 机械机械CAD技术应用技术应用1.3 工程数据处理工程数据处理 1.4 CAD系统的结构与分类系统的结构与分类 1.5 CAD系统的硬件组成系统的硬件组成 1.6 CAD系统的软件组成系统的软件组成 1.7 CAD的发展趋势的发展趋势 计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简，简称称CAD）：是利用计算机强有力的计算功能和高效）：是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助设计人员进行工程和产品率的图形处理能力，辅助设计人员进行工程和产品的设计与分析，
2、以达到理想的目的或取得新成果的的设计与分析，以达到理想的目的或取得新成果的一种技术。一种技术。本章主要内容：本章主要内容：介绍介绍CAD的硬件及软件的发展历程、的硬件及软件的发展历程、机械机械CAD技术应用、工程数据处理、技术应用、工程数据处理、CAD系统的构系统的构成及分类，成及分类，CAD系统硬件及软件组成、系统硬件及软件组成、CAD技术发技术发展趋势。展趋势。 1.1 CAD技术的发展历程技术的发展历程 CADCAD硬件技术发展历程硬件技术发展历程CAD硬件发展主要经历以下五个时期：硬件发展主要经历以下五个时期：1.诞生时期（诞生时期（20世纪世纪5060年代）年代）图形显示器出现；交互
3、式图形生成技术诞生（光笔）。图形显示器出现；交互式图形生成技术诞生（光笔）。2.2.发展及应用时期（发展及应用时期（2020世纪世纪60607070年代）年代）屏幕取点、功能键操作、图形动态修改等交互图形技术先屏幕取点、功能键操作、图形动态修改等交互图形技术先后出现。后出现。 3.广泛应用时期（广泛应用时期（20世纪世纪70年代）年代） 图形输入输出设备、存储设备等的出现，同时图形软件及图形输入输出设备、存储设备等的出现，同时图形软件及CAD支撑软件不断改善，涌现出一批面向中小企业的支撑软件不断改善，涌现出一批面向中小企业的CAD商品软件，商品软件，使使CAD技术得到广泛应用。技术得到广泛应用
4、。当时当时CADCAD技术以二维图形及三维线框技术以二维图形及三维线框模型为主。模型为主。4.快速发展时期（快速发展时期（20世纪世纪80年代）年代） 精简指令集计算机（精简指令集计算机（RISCRISC）技术在）技术在CADCAD系统中开始应用，使系统中开始应用，使CADCAD系系统的性能大大提高。同时，图形软件更趋成熟，二维及三维图统的性能大大提高。同时，图形软件更趋成熟，二维及三维图形处理技术、有限元分析、动态仿真等进入实用时期。形处理技术、有限元分析、动态仿真等进入实用时期。5.5.成熟时期（成熟时期（2020世纪世纪9090年代至今）年代至今） 2020世纪世纪9090年代至今是年代
5、至今是CADCAD技术广泛普及、不断完善、向更高水技术广泛普及、不断完善、向更高水平发展的时期。随着计算机硬件软件更加完善及普及，平发展的时期。随着计算机硬件软件更加完善及普及，CADCAD系统系统向智能化、集成化、网络化等方向发展。向智能化、集成化、网络化等方向发展。 CAD软件发展历程软件发展历程 面向先进制造面向先进制造CAD技术技术 50年代年代 60年代年代 70年代年代 80年代年代 90年代年代 至今至今CAD二维绘图系统二维绘图系统三视图算法三视图算法CAD/CAM软件软件AutoCAD第一次第一次CAD技术创新技术创新贝塞尔算法应用贝塞尔算法应用3D曲面造型系统曲面造型系统第
6、二次第二次CAD技术创新技术创新实体造型系统实体造型系统CAD/CAM软件软件UG、-I-DEASUG开发开发第三次第三次CAD技术创新技术创新参数化系统参数化系统UG、Pro/e第四次第四次CAD技术创新技术创新变量化系统变量化系统I-DEAS集成化技术集成化技术智能化技术智能化技术CAD交互化技术交互化技术网络化技术网络化技术1.2 机械机械CAD技术应用技术应用 产品开发过程产品开发过程大致分为概念设计、初步设计、详细设计（包括结构分析、动态仿大致分为概念设计、初步设计、详细设计（包括结构分析、动态仿真模拟）、文档设计、工艺过程设计、加工制造等几个阶段。真模拟）、文档设计、工艺过程设计、
7、加工制造等几个阶段。1.概念设计概念设计：根据客户和市场需求，确定新产品的功能和市场定位，给出产品的根据客户和市场需求，确定新产品的功能和市场定位，给出产品的概念造型或草图。概念造型或草图。2.初步设计初步设计：对概念设计中的内容进行方案分析比较，修正概念模型，使之更符对概念设计中的内容进行方案分析比较，修正概念模型，使之更符合客户要求。合客户要求。3.详细设计详细设计：这是产品的真正设计阶段，要确定产品的所有结构和尺寸。在这一这是产品的真正设计阶段，要确定产品的所有结构和尺寸。在这一阶段，进行有限元分析、仿真及模拟。目前的阶段，进行有限元分析、仿真及模拟。目前的CAD系统都提供详细设计的手段
8、，系统都提供详细设计的手段，完成产品的详细设计。完成产品的详细设计。4.文档设计：文档设计：从概念设计到加工制造，根据不同的需求产生相应的文档，以便管从概念设计到加工制造，根据不同的需求产生相应的文档，以便管理，使产品开发整个过程有机的连在一起，成为一个统一的整体。理，使产品开发整个过程有机的连在一起，成为一个统一的整体。5.工艺过程设计工艺过程设计 6.加工制造加工制造NY开始开始市场需求分析市场需求分析确定产品性能确定产品性能概念设计概念设计初步设计初步设计详细设计详细设计工程文档工程文档设计设计设计结果评设计结果评估估工艺过程设计工艺过程设计加工制造加工制造装装 配配产产 品品市市 场场
9、结构分析结构分析模模 拟拟计算机绘图计算机绘图CAPPCADCAM图图1.2 产品开发流程产品开发流程 1.3工程数据处理工程数据处理 在产品设计过程中，设计人员经常从各种国家标准、工程设计规范等在产品设计过程中，设计人员经常从各种国家标准、工程设计规范等资料中资料中查取查取相关的设计数据。例如键的公称尺寸、齿轮齿形系数等等。相关的设计数据。例如键的公称尺寸、齿轮齿形系数等等。采用计算机辅助设计时，通常对采用计算机辅助设计时，通常对设计资料处理的方法设计资料处理的方法有以下两种：有以下两种：（1）将设计资料转变为程序，即）将设计资料转变为程序，即程序化程序化。采用编程的方法对数表及线。采用编程
10、的方法对数表及线图进行处理，通常不外乎两种方法：第一，采用图进行处理，通常不外乎两种方法：第一，采用数组存储数组存储在程序中，用在程序中，用查表、插值的方法检索所需数据；第二，查表、插值的方法检索所需数据；第二，拟合成公式拟合成公式编入程序，由计算编入程序，由计算获得所需数据。获得所需数据。（2）利用）利用数据库管理数据库管理设计资料。将数表中的数据或线图经离散化后的设计资料。将数表中的数据或线图经离散化后的数据按规定的格式存放在数据库中，由数据库自身进行管理，独立于应数据按规定的格式存放在数据库中，由数据库自身进行管理，独立于应用程序，因此，可以被应用程序所共享用程序，因此，可以被应用程序所
11、共享。 表格数据的程序化表格数据的程序化 根据数据表的来源的不同可分以下为根据数据表的来源的不同可分以下为两类两类：1.数据本身就有精确的数据本身就有精确的理论计算公式或经验公式理论计算公式或经验公式的，对于这类的，对于这类数据表，可以直接采用理论计算公式或经验公式编制检取有关数据表，可以直接采用理论计算公式或经验公式编制检取有关数据的程序。例如齿轮的齿形系数等数表，只是为了手工计算数据的程序。例如齿轮的齿形系数等数表，只是为了手工计算方便，才把这些公式以数据表的形式给出。方便，才把这些公式以数据表的形式给出。2.数据表中的数据，彼此之间数据表中的数据，彼此之间不存在一定的函数关系或是由试不存
12、在一定的函数关系或是由试验获得验获得的。对于这类数据表可采用数组形式，结合插值进行查的。对于这类数据表可采用数组形式，结合插值进行查取，也可以求其经验公式，然后编入程序。例如，各种材料的取，也可以求其经验公式，然后编入程序。例如，各种材料的机械性能等机械性能等。型号型号顶宽顶宽a断面高断面高h节宽节宽a0节高节高y0O1068.52.1A138112.3B1710.5144.1C2213.5194.8D3219276.9E3823.5328.3F50304211.0表表1.1 标准三角胶带型号及断面尺寸（标准三角胶带型号及断面尺寸（GB1171-74）单位：）单位：mm C语言的程序片段：语言
13、的程序片段：Int i;float a7=10.0,13.0,17.0,22.0,32.0,38.0,50.0;float h7=6.0,8.0,10.5,13.5,19.0,23.5,30.0;float a07=8.5,11.0,14.0,19.0,27.0,32.0,42.0float y07=2.1,2.3,4.1,4.8,6.9,8.3,11.0给定给定i=2（即（即B型），程序可立即查出型），程序可立即查出a2=17.0，h2=10.5，a02=14.0，y0=2=4.1。线图的程序化线图的程序化 在产品设计资料中，有些参数之间函数关系是用线图来表示的，如在产品设计资料中，有些参数
14、之间函数关系是用线图来表示的，如齿形系数、三角胶带传动的选型图等。根据来源不同，齿形系数、三角胶带传动的选型图等。根据来源不同，线图线图可分为以可分为以下三类。下三类。1.线图所表示的各参数之间本身线图所表示的各参数之间本身有计算公式有计算公式，由于计算公式复杂，为，由于计算公式复杂，为便于手工计算将公式绘成线图，以供设计时查用。因此在程序化时，便于手工计算将公式绘成线图，以供设计时查用。因此在程序化时，应直接应用原来的公式。应直接应用原来的公式。2.线图所表示的各参数之间线图所表示的各参数之间没有或找不到计算公式没有或找不到计算公式，这时可从曲线上，这时可从曲线上读取自变量及相应的变量的数值
15、，制成数据表，然后按处理数据表的读取自变量及相应的变量的数值，制成数据表，然后按处理数据表的方法处理。方法处理。3. 用曲线拟合的方法求得线图的用曲线拟合的方法求得线图的经验公式经验公式，将公式编入程序。，将公式编入程序。 工程数据的数据库管理工程数据的数据库管理 数据库系统数据库系统包括包括数据库数据库和和数据库管理系统数据库管理系统两部分。两部分。 数据库数据库 是存储关联数据的集合。是存储关联数据的集合。 数据库管理系统数据库管理系统 提供对数据的定义、建立、检提供对数据的定义、建立、检索、修改等操作，以及对数据的安全性、完整性、索、修改等操作，以及对数据的安全性、完整性、保密性的统一控
16、制，它起着应用程序与数据库之间保密性的统一控制，它起着应用程序与数据库之间的接口作用。的接口作用。 1.4 CAD1.4 CAD系统的结构与分类系统的结构与分类 CAD系统系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统外 储外 储存 设存 设备备输入输入输出输出设备设备显 示显 示设备设备系统系统软件软件支撑支撑软件软件应用应用软件软件图图1.3 CAD1.3 CAD系统构成系统构成 CADCAD分类分类 CAD系统根据硬件配置形式分成三大类：主机系统根据硬件配置形式分成三大类：主机终终端端CAD系统、工作站系统、工作站CAD系统、个人微机系统、个人微机CAD系统。系统。1.1.主机主机终端终端CADC
17、AD系统系统 主主 机机图形设备图形设备图形设备图形设备图形设备图形设备图形设备图形设备交互式输交互式输入设备入设备交互式输交互式输入设备入设备交互式输交互式输入设备入设备2.工作站工作站CAD系统系统 服务器服务器工作站工作站工作站工作站绘图仪绘图仪.交 互 式 输交 互 式 输入设备入设备交 互 式 输交 互 式 输入设备入设备3.个人微机个人微机CAD系统系统 网络结构网络结构 1.1.个人微机及局域网个人微机及局域网 2.2.客户机客户机/ /服务器（服务器（C/SC/S，Client/ServerClient/Server） 集线器集线器服务器服务器打印机打印机绘图仪绘图仪客户机客户
18、机客户机客户机客户机客户机客户机客户机客户机客户机3.3.Internet/IntranetInternet/Intranet Internet局域网局域网CAD系统系统NC机床机床局域网局域网NC机床机床CAD系统系统局域网局域网CAD系统系统NC机床机床1.5 CAD1.5 CAD系统的硬件组成系统的硬件组成 硬件硬件通常指构成计算机的设备实体，是一切可以触摸通常指构成计算机的设备实体，是一切可以触摸到的物理设备的总称。通常到的物理设备的总称。通常CADCAD系统由计算机、外围设系统由计算机、外围设备（包括输入输出设备、图形显示设备、外存储设备备（包括输入输出设备、图形显示设备、外存储设备
19、等）构成。对于选择等）构成。对于选择CADCAD系统的硬件，主要考虑以下几系统的硬件，主要考虑以下几个方面个方面因素因素： 1.1.硬件的系统性能硬件的系统性能 2.2.硬件系统的开发性与可移植性硬件系统的开发性与可移植性 3.3.硬件系统的可靠性、可维护性和服务质量硬件系统的可靠性、可维护性和服务质量 4.4.硬件系统的升级扩展能力硬件系统的升级扩展能力 主机主机 主机是主机是CADCAD系统的核心。系统的核心。CADCAD系统对主机的要系统对主机的要求是具有高速运算能力、处理数据能力、图求是具有高速运算能力、处理数据能力、图形处理能力。主机的类型及性能很大程度决形处理能力。主机的类型及性能
20、很大程度决定着定着CADCAD系统的性能。主机系统的性能。主机性能指标性能指标有有CPUCPU主主频和内存存储容量。频和内存存储容量。 外存储设备外存储设备 1.磁盘磁盘: 包括软磁盘和硬磁盘两种。包括软磁盘和硬磁盘两种。2.移动硬盘移动硬盘: 是近几年开发出来的新型移动存储设备，具有存储速度快、是近几年开发出来的新型移动存储设备，具有存储速度快、容量大、携带方便、价格低、可靠性高等特点，广泛用于存储容量大、携带方便、价格低、可靠性高等特点，广泛用于存储 数据。数据。 3.U盘盘: 是一种新型的移动存储设备，取代软盘，即插即用。特点是携带是一种新型的移动存储设备，取代软盘，即插即用。特点是携带
21、使用方便、容量大、抗震防潮等使用方便、容量大、抗震防潮等。4.光盘光盘: 光盘技术具有以下优点：存储密度高、速度快、寿命长、可靠性光盘技术具有以下优点：存储密度高、速度快、寿命长、可靠性好、价格低等。好、价格低等。图形输入设备图形输入设备 1.键盘键盘: 键盘用于输入字符或字符串，字母数字键盘是最典型的设备。键盘用于输入字符或字符串，字母数字键盘是最典型的设备。2.鼠标和跟踪球鼠标和跟踪球: 鼠标有旋转球的机械式和利用光反射的光电式两种。鼠标有旋转球的机械式和利用光反射的光电式两种。按照按键的数量，又分为两键和三键鼠标。按照按键的数量，又分为两键和三键鼠标。CAD系统通常采用三键鼠系统通常采用
22、三键鼠标。标。3. 扫描仪扫描仪: : 用于输入图形、图像。用于输入图形、图像。4.其它设备其它设备: 如语音识别器，可以用于输入语音命令及数值。如语音识别器，可以用于输入语音命令及数值。图形输出设备图形输出设备 1.绘图仪绘图仪 : 按照工作原理分为笔式绘图仪和非笔式绘图仪两种按照工作原理分为笔式绘图仪和非笔式绘图仪两种 （1）笔式绘图仪笔式绘图仪: 笔式绘图仪以墨水笔作为绘图工具。笔式绘图仪以墨水笔作为绘图工具。（2）喷墨式滚喷墨式滚筒绘图机筒绘图机: 具有较高的图像及精确的线条质量，采具有较高的图像及精确的线条质量，采 用高速喷墨打印机技术，进行打印高质量等图形以及效果图等。用高速喷墨打
23、印机技术，进行打印高质量等图形以及效果图等。2.打印机打印机: 目前喷墨打印机和激光打印机应用最为广泛目前喷墨打印机和激光打印机应用最为广泛 。图形显示设备图形显示设备 显示设备是最终产品图形显示效果的部件。显示器显示设备是最终产品图形显示效果的部件。显示器的类型有的类型有阴极射线管阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）显示器显示器、液晶显示器液晶显示器（LCD，Liquid Crystal Display）、）、等离子板显示器等离子板显示器等。等。 1.6 CAD系统的软件组成系统的软件组成 CAD系统软件包括系统软件、支撑软件及应用软件。对于系统软件包括系统软件、支撑软件及应
24、用软件。对于CAD系统选系统选择软件时一般考虑以下几个因素。择软件时一般考虑以下几个因素。1）软件的性能价格比）软件的性能价格比2）软件）软件/硬件的匹配硬件的匹配3）软件的二次开发）软件的二次开发4）软件的开放性）软件的开放性 5）软件商的实力）软件商的实力系统软件系统软件 系统软件系统软件是指使用、控制、管理计算机各个部件运行，并充分发挥是指使用、控制、管理计算机各个部件运行，并充分发挥计算机各设备功能，提高效率，为用户提供方便服务所需程序的总计算机各设备功能，提高效率，为用户提供方便服务所需程序的总称。系统软件具有两个特点，一是称。系统软件具有两个特点，一是通用性通用性，不同应用领域的用
25、户都，不同应用领域的用户都可以使用它；二是可以使用它；二是基础性基础性，系统软件是支撑软件和应用软件的基础。，系统软件是支撑软件和应用软件的基础。系统软件包括操作系统和语言编译系统。系统软件包括操作系统和语言编译系统。1 1）操作系统：）操作系统：软件系统的核心，用于管理计算机软件硬件资源。操软件系统的核心，用于管理计算机软件硬件资源。操作系统具有五大管理功能，即存储管理、设备管理、文档管理、作作系统具有五大管理功能，即存储管理、设备管理、文档管理、作业管理及处理机管理。业管理及处理机管理。2 2）语言编译系统）语言编译系统：用于将高级语言编写的程序翻译成计算机能够接用于将高级语言编写的程序翻
26、译成计算机能够接受的机器指令。根据功能将高级语言划分为程序设计语言、数据库受的机器指令。根据功能将高级语言划分为程序设计语言、数据库语言、仿真语言、人工智能语言。语言、仿真语言、人工智能语言。 支撑软件支撑软件 （1）二维绘图软件）二维绘图软件（2）三维建模软件）三维建模软件（3）数据管理软件）数据管理软件（4）计算分析软件）计算分析软件（5）文字处理软件）文字处理软件（6）网络软件）网络软件应用软件应用软件 应用软件是由应用者为解决实际问题，在系统软件和支撑软件基础上，用高级语言编写的，针对某一应用领域专门设计的为一个或多个用户服务的软件。 1.7 CAD的发展趋势的发展趋势 集成化集成化
27、由于应用领域不同，集成的具体含义不同。即使在同一领域，由于应用领域不同，集成的具体含义不同。即使在同一领域，不同阶段、不同的层面，集成的含义也有差异。被广泛认同的不同阶段、不同的层面，集成的含义也有差异。被广泛认同的说法是，说法是，集成集成是指实现系统（或模块）之间信息的交换、传递是指实现系统（或模块）之间信息的交换、传递和共享。对于和共享。对于CAD系统的集成是将不同功能、不同模块集成到系统的集成是将不同功能、不同模块集成到一起，形成一个完整系统，即一起，形成一个完整系统，即CAD/CAPP/CAM/CAE系统，系统，使该系统能够在使该系统能够在CAPP、CAM、CAE模块之间进行数据传递和
28、模块之间进行数据传递和共享。共享。传统传统CAD技术实质上是技术实质上是“数值数值+计算计算”程序，有以下缺点：程序，有以下缺点： （1）决策环节需要用户完成，需要用户有较好的专业知识和丰富经验；）决策环节需要用户完成，需要用户有较好的专业知识和丰富经验；（2）有关课题知识和利用这些知识的方法搅和在一起，修改不便，）有关课题知识和利用这些知识的方法搅和在一起，修改不便，难以移植难以移植；（3）对大型、复杂问题，单纯用）对大型、复杂问题，单纯用CAD会导致会导致知识组织爆炸知识组织爆炸；（4）在建立数学模型时，应用了许多假设与简化，导致简化后的数学模型与实）在建立数学模型时，应用了许多假设与简化
29、，导致简化后的数学模型与实际情况不符，际情况不符，很难得到理想的模型很难得到理想的模型。为克服上述问题，人们提出了智能的为克服上述问题，人们提出了智能的CAD系统，即把系统，即把人工智能人工智能（AI，Artificial Intelligence）的方法和技术引入到传统的）的方法和技术引入到传统的CAD系统，模拟人脑的推理过程，分系统，模拟人脑的推理过程，分析归纳设计析归纳设计/工艺知识，提出设计工艺知识，提出设计/工艺方案，从而提高设计工艺方案，从而提高设计/工艺水平，缩短产工艺水平，缩短产品开发周期，降低成本，提高效率。人工智能的一个重要的分支是专家系统品开发周期，降低成本，提高效率。人
30、工智能的一个重要的分支是专家系统（ES，Expert System），它为），它为CAD系统提供一个强有力的工具。系统提供一个强有力的工具。专家系统专家系统是基于知识的智能程序，在特定领域，以专家水平解决实际问题。由：是基于知识的智能程序，在特定领域，以专家水平解决实际问题。由：知识库、推理机、解释系统、知识获取系统、人机接口五部分组成。知识库、推理机、解释系统、知识获取系统、人机接口五部分组成。智能化智能化网络化网络化 网络技术是计算机技术和通信技术相互渗透的产物，并且相伴发展，网络技术是计算机技术和通信技术相互渗透的产物，并且相伴发展，并在计算机应用和信息的传递中起着越来越重要的作用。人们
31、在解决并在计算机应用和信息的传递中起着越来越重要的作用。人们在解决了计算机的运算速度、容量、功能、性价比等一系列问题之后，通过了计算机的运算速度、容量、功能、性价比等一系列问题之后，通过Internet和和Intranet进行通信，实现计算机之间通信、及软硬件、信进行通信，实现计算机之间通信、及软硬件、信息等方面共享，统一考虑各工作单位的软硬件资源配置，实现产品的息等方面共享，统一考虑各工作单位的软硬件资源配置，实现产品的国际化开发和生产，以达到通过网络实现低成本、高效能的最佳效果。国际化开发和生产，以达到通过网络实现低成本、高效能的最佳效果。当今世界已经进入信息化时代，信息同样是一种资源，而
32、且越来越成当今世界已经进入信息化时代，信息同样是一种资源，而且越来越成为重要资源，信息在使用和传递过程中不但不会损耗，还会增值，并为重要资源，信息在使用和传递过程中不但不会损耗，还会增值，并且只有作用和流通才会充分发挥其效能。而网络则为信息传递提供了且只有作用和流通才会充分发挥其效能。而网络则为信息传递提供了广阔空间。广阔空间。CAD交互化（多媒体化交互化（多媒体化） 应用虚拟现实技术、面向对象技术、网络技术以及可视化应用虚拟现实技术、面向对象技术、网络技术以及可视化技术有助于实现技术有助于实现CAD交互化。交互化。 思考题思考题1、CAD软硬件技术发展历程？软硬件技术发展历程？2、CAD技术在产品设计流程各阶段如何应用？技术在产品设计流程各阶段如何应用？3、说明工程数据处理的方法？、说明工程数据处理的方法？4、如何选配微机、如何选配微机CAD系统？系统？5、微机、微机CAD系统主要外设是什么？系统主要外设是什么？
