第1章 机械CAD绪论

济南大学机械工程学院机械CAD参考资料《机械CAD基本教程》余俊、周济等编著华中理工大学出版社《计算机图形学》倪明田编著北京大学出版社VC++6.0编程入门济南大学网站--课件服务—机械学院辅导答疑:机械学院五楼计算机图形图像研究所周二晚8:00—9:00机械CAD原理与实践绪论CAD中常用的数据结构交互式工程绘图系统原理参数化设计技术设计资料的程序处理工程数据的数据库管理技术通用机械零部件的程序设计第一章绪论CAD技术发展概况CAD系统的硬件组成CAD系统的软件组成CAD系统的类型CAD技术的发展趋势1.1CAD技术发展概况CAD(computeraideddesign)技术能充分运用计算机高速运算和快速绘图的强大功能为工程设计及产品设计服务，因而发展迅速，目前已获得了广泛应用。是人类在20世纪取得的重大科技成就之一，它几乎推动了一切领域的设计革命，彻底改变了传统的手工设计绘图方式，极大的提高了产品开发的速度和精度，使得科技人员的智慧和能力得到了延伸。据1989年美国国家工程科学院对人类25年间(1965—1989)当代十项最杰出工程技术成就进行评比的结果显示，CAD技术的开发应用排在第4位。CAD自身作为信息产业的一部分也得到了迅猛的发展，据统计，1990年全世界CAD的销售总额已超过100亿美元，年增长率高达15％一20％，明显高于其它产业的增长率。2002年机械类CAD/CAM/CAE市场约为人民币104亿元。2.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。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；美国道格拉斯公司生产F15战斗机，用CAD技术试制第一架飞机便解决了发动机气道和机舱密封等关键问题；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％；法国一家公司在飞机设计中应用了CAD技术能在很短的时间内设计出几十个方案，供用户进行选择，使新产品的性能提高了9％；以前波音公司的飞机维修手册叠在一起有3米多厚，而现在一张光盘上可储存1000多张图样信息。3.CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一。在国际贸易市场竞争激烈的今天，时间就是金钱，而加快产品的更新换代，提高设计速度和设计质量是很关键的环节，这一环节在很大程度上取决于一个国家的产品设计和工程设计这两大领域中心技术应用的能力。（1）沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招标项目。（2）沪东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。（3）西北电力设计院用CAD系统建渭河电厂主厂房三维模型，对该厂原设计方案自动校验，共查出6处隐藏在图纸中的错误，当即进行了修改。（4）寰球化工工程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装置工程中，进行碰撞检测后，使95%以上的错误得以纠正，在总长20多万米的管道设计中，施工结束后剩余钢管不到10米。CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例CAD概念的实质在于：（1）人机各尽所长；（2）人机交互结合；（3）最佳设计效率。CAD技术的主要作用如下:

（1）提高设计质量和设计效率。（2）能够充分发挥设计人员创造性。（3）缩短产品的设计周期。CAD技术的产生及发展过程1)准备和酝酿时期（50－60年代初）CAD技术处于被动式的图形处理阶段。2)蓬勃发展和进入应用时期（60年代）

提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。

3)广泛使用的时期（70年代）

1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。出现了面向中小企业的CAD／CAM商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2．5万。4)突飞猛进的时期（80年代）

在这个时期，图形系统和CAD／CAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装CAD系统至1988年发展到63000套。CAD／CAM技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。

5)开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（90年代）由于微机加视窗95／98／NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。6)在CAD系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD新学科。智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体，形成如下图所示的结构。

图1

智能CAD系统智能CAD系统结构1.2CAD系统的硬件组成系统的基本构成系统总体结构分类图形输入设备图形显示设备绘图输出设备1.2.1系统的基本构成计算机主机常用外围设备图形输入设备图形输出设备存储设备硬盘、光盘、软盘、磁带计算机主机中央处理器内存储器输出设备图形终端绘图机打印机……输入设备鼠标、键盘数字化仪扫描仪图形输入板……通讯设备串行接口、网络接口1.2.2系统总体结构分类单机式系统集中式系统工作站式系统单机式系统这种系统为单用户单任务环境，主机常采用PC机，通常只配一个图形终端，以保证对操作命令的快速响应。近年来32位字长的微机在速度上、精度上、内外存容量等方面已能满足CAD应用的要求，且价格越来越低；其次微机上的各种软件满足了用户的大部分要求，因此微机系统在中小型企业中得到了广泛的应用。键盘外存储器计算机主机显示器绘图机打印机鼠标集中式系统这种系统采用功能较强的计算机，可多个用户使用同一台计算机，资源共享，但使用起来不方便。键盘图形终端键盘图形终端键盘图形终端外存储器计算机主机显示器绘图机打印机工作站式系统工作站网络系统以开放式标准化的功能向用户提供有效的网络接口，操作系统也包含了完整的网络功能，并以标准的通信协议为基础。同时它还提供了一系列的数据通信功能，使工作站可与各类计算机连接工作.外存储器网络服务器绘图机打印机PC机图形工作站图形工作站图形工作站图形工作站PC机PC机PC机1.2.3图形输入设备鼠标器机械式和光电式数字化仪图形输入板光笔扫描仪数字化仪图形输入板触笔拾取器光笔矢量扫描系统的工作流程图后处理扫描图纸矢量化处理MIS文件光栅文件矢量文件格式转换ＣＡＤ系统某种格式MIS文件1.2.4图形显示设备光栅扫描显示器液晶显示器光栅扫描显示器阴极射线管矢量光栅转换器帧缓冲存储器显示控制器光栅扫描显示器的系统组成内存显示文件矢量光栅转换器帧缓冲存储器显示控制器CRT阴极射线管阴极射线管一般是利用电磁场产生高速的、经过聚焦的电子束，偏转到屏幕的不同位置轰击屏幕表面的荧光材料而产生可见图形的。阴极射线管---基本概念像素(Pixel:PictureCell)：构成屏幕（图像）的最小元素分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数，单位通常为dpi（dotsperinch)。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述，如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等射线穿透法影孔板法阴极射线管---产生彩色的常用方法射线穿透法原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色电子束荧光涂层产生颜色低速电子束较低速电子束较高速电子束高速电子束影孔板法原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置外层玻璃荧光涂层影孔板点状影孔板工作原理红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近--〉像素）三支电子枪电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线；每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色称为真彩系统调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。LCD显示器LCD显示器的优点外观小巧精致，厚度只有6.5-8cm左右。不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象工作电压低，功耗小，节约能源没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响LCD显示器的缺点寿命短、怕震动、温度敏感分辨率相对较低，色彩不够鲜艳，且价格偏高。索尼公司的两款LCD外形液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)是由六层薄板组成的平板式显示器反射层水平极板水平网格线液晶层垂直网格线垂直极板观察方向液晶显示器的构成LCD显示器基本原理液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩。液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板。1.2.5绘图输出设备打印机针式打印机激光打印机喷墨打印机电荷控制式喷墨打印机电场控制式喷墨打印机压电式喷墨打印机气泡式喷墨打印机笔式绘图机平板式绘图机滚筒式绘图机喷墨绘图机针式打印机把字符或者图形离散成点阵，经过打印头驱动电路，激励打印头出针敲击色带，色带在打印纸上打印出字符或者图形。打印头分9针和24针两种激光打印机激光打印机是利用电信号去调制激光束，激光束采用半导体激光器，所用电信号是由计算机输出的数据，因此就得到了载有字符或图形信息的激光束。这样的激光束经过光学系统反射和聚焦、校正，最后沿着感光鼓的轴线匀速扫描在感光鼓上，从而形成字符或图形。再立即加热、定影，最后被固定在纸上输出。激光打印机可分成6大系统:供电系统直流控制系统接口系统激光扫描系统成像系统搓纸系统成像系统包括：布电、曝光、显像、转印、定影压电式喷墨打印机

截面结构示意图三个主要部分：PZT材料(铅和锆的钛酸盐)制成的盖板和墨水通道以及由聚酰亚胺膜片制成的喷嘴板。PZT通道基本结构的截面图打印头外型图气泡式喷墨打印机由电路送到喷嘴的加热电极上的电脉冲信号使加热元件快速升温，促使喷嘴内邻近的墨水汽化迅速形成气泡。出于气泡膨胀产生的压力使墨水形成一个个墨滴从喷嘴中喷出。脉冲过后，墨水蒸汽凝聚，喷嘴内的墨滴由于表面张力维持齐口的平面，因而内部会产生负压从墨水盒内吸入一滴新的墨水。平板式绘图机平板式绘图机由绘图平台、导轨、驱动机构、笔架等组成。从驱动方式来看，平板式绘图机通常分为两种，一种是步进马达驱动、机械传动的绘图机，一种是平面电机驱动的绘图机。机械传动的绘图机具有x和y向两组导轨，横梁可沿x向导轨移动，笔架则沿固定在横梁上的y向导轨移动，它们均由步进电机驱动，传动装置一般用钢丝绳或齿轮齿条。滚筒式绘图机滚筒式绘图机由笔架、卷简、走纸机构、驱动机构等几部分组成，是用两只步进电机分别带动绘图纸和绘图笔运动从而产生图形轨迹。主要特点是将横梁沿x向的运动，由卷简带动纸的运动来实现喷墨绘图机机械结构主要包含六部分：喷头和墨盒清洁单元小车单元送纸单元传感器单元辅助单元1.2.6.计算机网络

计算机网络是用通信线路和通信设备将分散在不同地点并具有独立功能的计算机相互联接，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享。计算机网络具有以下功能：①计算机之间实现数据传送；②网内各站点上的数据库实现共享；③网内各站点上的软件，包括各种语言处理程序、服务程序和应用程序等实现共享；④网内的计算机和外部设备等硬件资源实现共享；⑤网内各站点可互为后备，以提高系统的可靠性；⑥网内各站点实现负荷合理分配等。计算机网络有广域网和局域网两种。广域网用于地区之间的通信，距离可达几百公里以至上千公里。而局域网用于一栋建筑物内或分布面积跨度仅数公里内的计算机间的通信。CAD系统所采用的网络一般为局域网。

三种局域网形式

工作站计算机工作站总线工作站工作站绘图机计算机绘图机工作站工作站工作站工作站工作站工作站工作站绘图机

a)星型网b)环型网工作站c）总线型1.3CAD系统的软件组成CAD软件分三个层次：系统软件、支撑软件和应用软件1、系统软件对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统、数据通信系统等。2、支撑软件是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具，是CAD的核心技术产品应用软件支撑软件图形开发平台数据库管理软件程序设计语言操作系统软件应用软件的特点：(1)能够切实可行地解决具体工程问题，给出直接用于设计的最终结果；(2)符合规范、标准和工程设计中的习惯；(3)充分利用计算机辅助设计系统的软件资源，具有较高的效率；(4)具有较好的设备无关性和数据存储无关性，便于运行于各类硬件环境以及与不同软件的连接；(5)使用方便，具有良好的人机交互界面；(6)运行可靠，维护简单，便于扩充，具有良好的再开发性。3、应用软件是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件，自行编制的用于解决各种实际问题的程序。1.4CAD系统的类型CAD系统以是否具有人机对话功能分为交互型和自动型交互型适用于目标难以用目标函数来定量描述的设计问题自动型适用于设计目标用明确的目标函数来定量描述的问题，分为自动设计型、信息检索型和逐步逼近型自动型---自动设计型系统这种系统又称最佳规划型，其工作方式是把设计对象的全部问题均归结为数学描述式，然后建立优化设计的目标函数，再将目标函数的求解过程编制成程序存储在设计系统中。系统存储着各种有关数据资料，程序运行时可从中检索出有关数据。设计人员向系统输入原始数据后，计算机能自动完成全部处理，输出已经优化的最终结果输入原始数据目标函数分析目标函数优化输出结果程序库优化库数据库自动型---信息检索型系统将某种定型产品的标准化图纸变成图形信息存入计算机的存储器中，在需要时可按要求，从中自动检索出最佳的标准图形，这种主要以信息检索的方式进行设计工作的系统称为信息检索设计系统。这种系统主要适用于已有具体设计和已标准化的一些产品。系统的建立步骤为：(1)整理以往某种类型产品的图纸，结合将来可能的发展，汇总成几种标准图形；(2)对于某一规格的产品，建立能提供选择最佳标准图形的检索系统：(3)按标准图形信息和附属信息一起建库。适用于已经规格化的定型产品设计,使用效果好不适用于新产品开发难于实现标准图形的设计只适合于特定对象，大量的专用程序没有通用性，经济效果不够理想输入设计要求、条件输入标准规格代码最佳标准零部件选择输出结果设计人员审核、确定决定尺寸及材料自动绘图输出设计结束设计数据库标准图信息标准件基本零部件其它零部件附属信息自动型---逐步逼近型系统一个产品的设计过程，常常是在计算与绘图之间多次反复，逐步完善的过程。这是由于一些设计过程是不确定的，要由有经验的设计人员参与、作出判断和修改。将这类产品的数据、设计图及设计处理程序存入系统。设计人员将设计信息，如功率、材料、结构要求、尺寸等输入系统。系统经过处理后，以数据或图形形式输出，供设计人员判断、修改。通过对设计对象的不断修正和系统不断的进行处理，由设计者作出最后判断。必要时可以通过修改系统程序，再输入计算机进行处理。循环上述过程，直至得到满意的设计结果为止。开始设计输入产品修改信息计算、分析处理显示图形、数据输出结果满意？YN交互式系统交互型设计系统是目前在计算机辅助设计系统中较为完善的一种形式。由设计者描述出设计模型，并由计算机对有关产品的大量资料进行检索；由计算机对有关数据和公式进行高速运算；通过草图或标准图的显示，设计者在分析结果的基础上，通过图形输入设备和人机对话语言直接对图形进行实时修改；计算机根据修改的指令，再次作出响应，并重新组织显示。这样一种具有人机交互作用或者对话式的反复作业过程的系统，称为交互型设计系统。1.5CAD技术的发展趋势当前工业企业正面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的新挑战，各企业间围绕着时间、质量和成本的竞争越来越激烈。由此出现了一系列先进制造技术、系统和新的生产管理方法，如并行工程、及时生产、精良生产、敏捷制造和虚拟现实技术等，所有这些先进制造技术和系统都与CAD系统的发展与应用密切相关。目前CAD系统的发展趋势主要体现在以下几方面：

1．CAD系统应用面向产品的整个生命周期要求产品信息模型能够容易地在产品生命周期的不同环节（从概念设计、结构设计，详细设计到工艺设计和数控编程）间进行转换。要求能支持集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程），帮助产品开发人员在设计一开始就考虑产品从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。而以往的CAD系统主要面向产品生命周期中的某个环节。

2．CAD系统应充分考虑产品信息的继承性要求能方便地获取全部历史数据，最充分地利用已经生产实践考验过的产品信息。在用CAD系统进行新产品的开发设计时，只需对其中很少一部分零部件进行重新设计和制造，而绝大部分零部件的设计都将继承以往产品的信息。CAD系统应具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的产品。这不仅大大缩短了产品周期、还提高了产品的一次成熟性。

3．CAD系统应满足并行设计的要求产品可以容易地被分解为一些模块，通过计算机网络，组织分散在各地的产品设计人员分工进行产品各零部件的设计和制造，然后进行组装和集成。这种系统包括：（1）提供以网络为基础的会议系统，使开发组成员易于实现半结构化通信及在一个异构网络中实现分布计算；（2）建立及维持产品过程及源数据的统一模型，以使用户能透明地提取及浏览分布在企业各个不同地方的数据库内的信息；（3）对产品开发过