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计算机辅助设计,计算机辅助设计(CAD),本节主要介绍如下方面内容： CAD的基本概念、发展概况、发展趋 势 计算机辅助设计应用举例 CAD系统的组成 工程数据的处理方法及CAD程序编制 专用机械CAD系统的开发及应用,1.1 CAD技术的基本概念,计算机辅助设计，即英文Computer Aided Design，简称CAD。 它是一种利用计算机硬、软件系统辅助设计者对产品进行规划、分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。 这一技术的特点： 它将设计人员的思维、综合分析和创造能力与计算机的高速运算、巨大数据存储和快速图形生成等能力很好地结合起来，来完成 设计工作。,计算机辅助设计：Computer Aided Design。简称为CAD。 计算机辅助设计与制图：Computer Aided Design And Drafting。简称为CADD 计算机辅助制造：Computer Aided Made。简称为CAM。 计算机辅助设计与制造：Computer Aided Design And Made。简称为CAD/CAM。,几个名词：,计算机辅助设计（ CAD ）涉及以下一些基础技术： 1) 图形处理技术 如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图 形输入、输出技术。 2) 工程分析技术 如有限元分析、优化设计及面向各种专业的 工程分析等。,3) 数据管理与数据交换技术 如数据库管理、产品数据管理、 产品数据交换规范及接口技术等。 4) 文档处理技术 如文档制作、编辑及文字处理等。 5)软件设计技术 如窗口界面设计、软件工具及软件工程规范 等。,应用CAD技术来进行产品设计，能使设计、生产、维修工作快速而高效率地进行，所带来的经济效益是十分明显的。,例如：过去生产一个大规模集成电路芯片，要花两年时间，用CAD只要两周即可完成。 英国的三叉戟飞机比美国的波音747飞机早开工，却晚一年完成，其原因就是美国的747采用了CAD技术。 美国GM公司汽车设计中应用CAD技术，使新型汽车的设计周期由 5 年缩短为 3 年，新产品的可信度由 20提高到 60。,随着计算机技术的迅猛发展， CAD技术已广泛应用于机械、电子、建筑、土木工程、航天、纺织等众多领域。,1.2 CAD技术的发展简史,CAD技术诞生于 20世纪 50年代，至今已有 50 多年的发展历史，这一技术主要经历了如下几个发展时期：,孕育形成时期（20世纪50年代） 进入实际运用时期（20世纪60年代） 成熟达到完全实用时期（20世纪70年代） 广泛运用时期（20世纪80年代）,CAD技术所经历的这几个重要发展阶段如下所示：,CAD技术发展的基本阶段及特点,1.3 CAD 的功能及CAD设计的特点,CAD技术的主要应用有以下几方面： 科学计算与分析 能进行各种复杂的设计计算、性能分析以及评价经济； 工程分析 常见的分析有：有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学分析等。此外，针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分析问题,如注塑模设计中要进行塑流分析 、冷却分析 、变形分析等 。, 图形处理 如二维、三维图形生成、显示与修改，自动绘图； 图形仿真 进行二维和三维的运动仿真、结构仿真，功能模拟； 数据处理 有完善的数据库系统，能对设计、分析、绘图等所使用的大量数据进行存取、查找、比较、综合等处理； 编制设计文档或生成报表 能制订各种技术文件，如文档制作、编辑及文字处理等。, 参数化设计 标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，设计时直接调出图形库中的零件图，并赋予一组新的尺寸参数便可生成一个新的图形。,CAD设计具有如下主要特点： 充分应用各种先进的现代设计方法 在设计过程中能广泛使用有限元分析、优化设计、可靠性设计及动态分析等先进设计及分析手段；比传统的边设计、边试验，直到设计后期才能弄清产品性能的做法要科学、省时、省力得多。 充分利用图形系统和数据库的功能 提高设计效率 利用CAD技术，使结构设计和工程制图的速度大大提高，尤其对复杂零件的设计可以无级缩放，分级设计，加快了设计进程。 修改设计方便 只需对已存储的图样做局部修改就成为新图，某些先进的辅助设计系统中，修改了装配图，则零件图随之自动修改，反之亦然。 设计与分析统一 系统有一个描述产品模型的数据库，通过分析，设计者可以预知产品的性能。, 易于实现产品数据的标准化 企业的产品数据，包括设计、图文、技术文档等，实现标准化管理，有利于企业积累产品资料、继承历史的知识财富，并方便产品数据的存储、传递、转换和理解。 有利于实现无图纸化生产 CAD技术为实现CAD/CAM的集成和CIMS （计算机集成制造）提供了基础。,提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本； 从而加快了产品更新换代的速度； 使企业保持良好的竞争力。,总之，采用CAD技术可以：,1.4 CAD技术的发展趋势,随着科学技术的飞速发展，特别是计算机技术的的飞速发展与应用，使 CAD技术在软件方面的发展趋势将体现在以下几个方面：,集成化 智能化 标准化 可视化 网络化,1. 集成化 为适应设计与制造自动化的要求，特别是适应计算机集成制造系统（CIMS）的要求，进一步提高集成水平是CAD/CAM系统发展的一个重要方向。,2. 智能化 现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。,然而在设计活动中存在另一类符号推理工作，包括方案构思与拟 定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策，以及参数选择等等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。 因此将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是CAD技术发展的必然趋势。,3. 标准化 随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。 迄今已制定了不少的标准，例如：,随着技术进步，新标准还会出现，基于这些标准推出的有关软件 是一批宝贵的资源，用户的应用开发常常离不开它们。更为重要的是 有些标准还指明了CAD技术进一步发展的道路，例如STEP既是标准， 又是方法学，由此构成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模、数据 管理及外部接口等。,面向图形设备的标准CGI， 面向用户的图形标准GKS， 面向不同CAD系统的数据交换标准STEP等。,4. 可视化 随着计算机软硬件水平的提高，可以逐步为设计者提供更加逼真 的设计环境，更利于将概念设计转换到几何模型。 可视化是指运用计算机图形学和图像处理技术，将设计过程中产 生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交 互处理的理论、方法和技术，它使往日冗繁、枯燥的数据变成生动、 直观的图形或图像，容易发挥人们的创造力。,5. 网络化 计算机网络可以通过通信线路将各自独立的、分布于各处的多台 计算机相互连接起来，这些计算机彼此可以通信，从而能有效地共享 资源并协同工作。 在CAD应用中，网络技术的发展，大大地增强了CAD系统的能 力，而没有网络的计算机简直是不可想象的 ，更不用谈集成化。,2 . 计算机辅助设计应用举例,计算机辅助设计应用举例（续）,计算机辅助设计与制造（CAD/CAM） 应用领域：机械，大规模集成电路，建筑，服装，玩具 优点：设计周期短，成本低，质量高,计算机辅助设计应用举例（续）,计算机辅助设计应用举例（续）,计算机艺术 书法、艺术图片 输入工具：键盘、鼠标、手写笔等等 软件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等 优点：功能多、创作轻松、 调色方便等等 缺点：目前难以容入人的 灵感（未来的研究课题）,计算机辅助设计应用举例（续）,电子地图,计算机辅助设计应用举例（续）,计算机动画及广告影视创作 传统动画：费时费力，质量差， 例子：大闹天宫，90*60*24=129，600张胶片，几十位动画工作者近两年的时间 计算机动画（Computer Animation):效率高，质量高 例子：侏罗纪公园 计算机动画创作工具：3D MAX, MAYA等等,计算机辅助设计应用举例（续）,自然景物仿真,3. CAD系统的组成,一个完整的CAD系统是由CAD系统的硬件和软件两个方面所组成。 CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果。,CAD系统的组成包括：,CAD系统的硬件 CAD系统的软件,3.1 CAD系统的硬件,CAD系统的硬件是指：计算机系统中的全部可以感触到的物理装置，它包括各种规模和结构的计算机、存储设备以及输入、输出设备等几个部分。目前，CAD系统的硬件组成，如下图4-a 所示。,图2-a CAD系统的硬件,由上图可见，CAD系统所用的硬件一般包括：,计算机主机及外围设备 图形输入设备 绘图输出设备 图形显示设备,1. 计算机主机及外围设备,计算机主机及外围设备是CAD系统硬件的重要组成部分。, 计算机主机 外存储器 计算机网络,它包括：, 计算机主机 计算机主机是整个计算机系统的核心，它由两部分组成：, 外存储器 外存储器与内存的区别在于它是设置在计算机主机之外。 与内存相比，其容量大，但存取速度慢。当需使用外存信息时，由操作系统根据命令调入内存。 外存储器常见种类有：磁带机，磁盘机，移动硬盘和光盘等。 计算机网络,中央处理器（CPU）包括：控制器和运算器： 控制器：指挥和协调整个计算机的工作，包括负责解释指令、控制指令 的执行顺序、访问存储器等。 运算器：负责执行指令所规定的算术和逻辑运算。 主存储器：用来存放指令和数据。它一般包括：ROM和RAM两部分。,中央处理器（CPU） 主存储器（或称内存）,2. 图形输入设备,计算机及外存储器是通过输入、输出设备与外界来沟通信息的。 所谓输入，就是把外界的信息变成计算机能够识别的电子脉冲，即由外围设备将数据送到计算机内存中。 所谓输出，就是将输入过程反过来，将计算机内部编码的电子脉冲翻译成人们能够识别的字符或图形，即从计算机的内部将数据传送到外围设备。 能够实现输入操作的装置就被称作输入设备，CAD系统所使用的输入设备主要包括：,键盘 光笔 图形输入板 数字化仪 鼠标器 扫描仪 声音输入装置等。,3. 绘图输出设备,能够实现输出操作的装置便称作输出设备，CAD系统所使用的输出设备主要包括：打印机、绘图仪等。 打印机：能打印字符文件，又能打印图形，是最廉价的输出设备。 绘图机：现有滚筒式、平台式、平面电机型绘图机等。 滚筒式绘图机如下图4-b 所示。这种绘图机结构简单，占地面积小，价格较低，但速度低、精度较差，广泛用在机械与土建等行业。,图4-b 滚筒式绘图机,图形显示器，它像一个窗口，使设计者能及时了解人机间的信息交互情况。 图形显示器不但能显示字符信息，而且能随时显示所设计的图形，并能让用户对这些图形进行增、删、改、移动等交互操作，因此它不单纯是被动地显示图形，而且是一种交互式的图形显示。 目前，计算机图形显示器一般都是采用阴极射线管（CRT）作为显示设备。,4. 图形显示设备,3.2 CAD系统的软件,一般而言，CAD系统的软件可分为如下两大类： 系统软件 系统软件一般是由系统软件开发公司的软件专业人员负责研制开发，对于一般用户，主要关心应用软件的选用和开发。 应用软件,2. 应用软件,应用软件是在系统软件的支持下，为实现某个应用领域的特定任务而编写的软件。由于CAD应用软件的范围非常广泛，故将应用软件又分为CAD支撑软件和用户自己开发的应用软件两种。 CAD支撑软件从功能上可分成如下三类： 第一类：解决几何图形设计问题； 第二类：解决工程分析与计算问题； 第三类：解决文档写作与生成问题。, 基本图形资源软件 二 、三维绘图软件 几何造型软件 工程分析及计算软件 文档制作软件,目前，常用的商品化支撑软件有以下几类：,CAD的工作过程如下图4-d 所示。,图4-d CAD的工作过程,4. 工程数据的处理方法及CAD程序编制,在机械设计过程中，常常需要从有关的工程手册或设计规范 中查找及检索有关曲线、表格数据，以获得设计或校核计算时所 需要的各种系数、参数等。如何将这种人工查找转变成在CAD进 程中的高效、快速处理，这就涉及工程数据的处理方法及CAD程 序编制技术。,目前，在CAD技术中，对工程数据进行处理的方法主要有以下三种： (1) 将工程数据转化为程序存入计算机内存； (2) 将工程数据转化为数据文件存入计算机外存； (3) 将工程数据转化为结构存入数据库。,4.1数表的分类及存取 1. 数表的分类,在机械设计中，常用数表形式给出机械零部件的设计参数。 设计计算时，需根据给定条件从表格中选取需要的值。在编制机 械CAD计算程序的时候，应将数表作程序化处理，以便调用。,机械设计过程中所使用的工程技术数表种类很多。 通常，按数表中的数据有无函数关系，可分为：,按数表的维数，又可分为：,表4-1 包角系数 K 一维数表,表4-2 V 带长度系数 KL 二维数表,2. 数表的存取,在CAD作业中，进行工程数表存取的一般原则如下：, 数据存入计算机的形式应考虑到检索的方便，通常将数据按一 定规则进行排列，然后存入数组。 一维数表采用一维数组进行存储。 二维数表采用二维数组进行存储。 查取数据时用逻辑判断语句进行比较，检索出所需要的数据。,（1）一维数表的存取 现以例4-1 为例说明一维数表的存取方法。 例4-1 一平键联接中的平键基本尺寸数据如表4-3所示，试编写程 序根据轴径d 查取相应的键宽b 和键高h 。,表4-3 平键尺寸与轴径关系（摘自GB1095-79）,解：根据表中轴径d 检索键宽b 和键高h 尺寸时，首先需要判断轴径d 所在的范围。 根据数表的这一特点，在程序中存储该数表时， 可用两个一维数组 b 10和 h10分别存储键宽和键高的值， 再用另一个一维数组 d 11存储轴径的范围界限值。 在CAD作业中，当需要检索键宽和键高时，先用条件语句判断轴径 d 所在的范围，在此范围内便可检索出键宽和键高的数据值。 依据这一思想，实现表4-3的数表存取的程序编写如下：,/* chp4_01. c */ # include main () static float d11 = 6.0, 8.0, 10.0, 12.0,17.0, 22.0, 30.0, 38.0, 44.0, 50.0, 58.0, b10 = 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0, 14.0, 16.0, h10 = 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 8.0, 9.0, 10.0; float dd, bb, hh; int i; puts (“Please input d = ? n“); scanf (“%f“, ,（2）二维数表的存取,现以例4-2 为例说明二维数表的存取方法。 例4-2 表4-2所示为V 长度系数 KL，如果V带的截面型号为A型，内周长度为560mm，试编写程序在该表中查取相应的长度系数KL。,解：对本例二维数表，首先需给资料名称加注序号，即给数表的行和列加注序号： 在行向加注序号 i031（共32种内周长度）， 在列向加注序号 j06 （共7种V 带类型） 。 然后就可以定义一个二维数组将数表中的数据存入计算机。 在查表时，只要给出其数据的位置序号（i，j），即可检索到对应的数据值。 对于本例，即A型截面所对应的列序号为 j1，内周长为560mm所对应的行序号为 i2，查取的V带长度系数KL 的程序如下：,表4-2 V 带长度系数 KL,/* chp4_02.c */ # include main () static float kl327=0.89, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 0.91, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 0.94, 0.80, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, 100.0, ; int i, j; float kl1; i=2; j=1; kl1 = kl i j; if (fabs(kl1-100.0) 1.0e-6) printf (“THE DATA OUT OF THE TABLE!“); else printf (“kl = %f“, kl1); ,对于数表中出现的空格，应在存入计算机时用一个适当的有别于数表中其它数据的数字来代替，并在程序中使用判断语句进行检查。 在本例程序中使用数字“100.0”来代替空格，并使用判断语句： “ if (fabs (kl1-100.0) 1.0e-6) ” 来检查是否出现空格。,4.2 线图的分类及处理,线图是函数关系的一种常用表示方法。 线图的特点是鲜明直观，并能清楚地表示出函数的变化趋势及规律。因此，在工程设计资料中，很多参数间的函数关系是用线图来表达的。 但在CAD作业中，目前尚不能直接对线图进行编程，因此必须对它进行相应的处理，才能实现对参数图存储和自动检索的目的。 1. 线图的类型 根据线图中数据的来源，线图可分为两类：,为了CAD作业需要，进行线图程序化处理的方法有以下几种： 线图数表化处理（将线图整理成数表）； 线图公式化处理（建立出线图的解析式）； 曲线拟合处理（建立出线图的近似式）。,2. 线图的处理,在线图的处理方法中，可分如下几种： 1) 有计算公式线图的处理 2) 无计算公式线图的处理 (1)线图的数表化处理 (2)线图的公式化处理, 直角坐标系直线图 的公式化处理； 对数坐标系直线图 的公式化处理； 区域图的处理。,有些线图所表示的各 参数之间关系原本就有计 算公式，但为了设计人员 工作时查取方便，将计算 公式绘制成为线图，如图 4-2。 对于这样的线图，在 CAD作业时，应在CAD计 算程序中可直接使用公式 进行计算。,图4-2 螺旋角参数Z,1）有计算公式线图的处理,2）无计算公式线图的处理,（1）线图的数表化处理,线图的数表化处理就是 将线图离散化为数表，然后 再用4.3.1节中所述方法加以 处理。以在CAD作业时，供 进行数据检索。 例如，表4-4就是图4-3 离散化后形成的数表。,图4-3 蜗轮的齿形系数Y2 (变位系数=0,=20, ha =1),表4-4 蜗轮的齿形系数Y2（变位系数=0,=20, ha=1）,（2）线图的公式化处理,进行线图公式化处理，对不同类型的线图有不同的处理方法： 对有计算公式的线图，可直接将公式编入程序； 对直线图可将其图形转化为线性方程，再编入程序。,而直线图通常又分如下三种情况： 直角坐标直线图 对数坐标直线图 区域图 具体处理方法如下：,如图4-4所示是齿轮强度计算时所用到的动载系数Kv 的线图， 横坐标为：VZ1 /100， 纵坐标为： Kv 。 包括直齿轮和斜齿轮共有16条直线分别代表不同精度等级下的函数关系。,直角坐标系直线图的公式化处理,对于该线图若用数表化处理， 则要转化为16个一维数表或 2个二维数表， 不仅数据量很大，而且还要占用较多的计算机内存。,对此，可通过取直线上任意两点的坐标值来求其斜率，从而写出直线方程式。 若已知直线上任意两个点 坐标，则该直线方程为：,图4-4 动载荷系数 Kv,（4-1）,对于Kv 线图，则可表示成：,式中： 为直线上任意两点的纵坐标值； 为该两点的横坐标值。,因此，对图4-4上每一条直线选取其上任意两点的坐标值，带入 上式，便可列出直线方程，利用该方程便可计算出任意VZ1/100的动 载系数Kv 值。 利用上述方法，图4-4中的16条直线，可变换为16个直线方程。, 对数坐标系直线图的公式化处理,在机械设计资料中，常会遇到对数坐标直线图，如图4-5所示。,图4-5 弯曲强度的寿命系数YN,若已知对数坐标系下直线上的任意两点的坐标：,令,则,（4-2）,其对数坐标的直线方程可以表示为：,对于图4-5所示的齿轮弯曲强度寿命系数 YN 的每一条直线，只要给出其两任意点的坐标，即可列出它的直线方程式：,将图中某一直线任意两点的坐标值（N