清华大学计算机辅助设计教程

计算机辅助设计

技术基础教程清华大学计算机基础教育课程系列教程第1章CAD技术概述1.1CAD技术应用与发展概况1.2

CAD系统的软硬件技术基础

1.1CAD技术应用与发展概况1.1.1计算机辅助设计(CAD)的概念CAD是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多学科的方法综合有效地进行问题求解的先进信息处理技术。它把人类的决策判断、创造能力与计算机的高速运算、信息存储等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设计周期、提高设计质量的目的。简单地讲，CAD是工程技术人员利用计算机达到最佳的设计目的。

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。1.1.2CAD技术的重要应用CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一。CAD技术曾被美国国家工程科学院评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工行业，无论是机械、电子、轻纺行业还是文体、影视广告行业等都离不开CAD技术。CAD技术是企业界争夺市场份额和生存发展不可缺少的手段。

在制造业中的应用：如波音777飞机是世界上第一架实现无纸设计与制造的飞机。在工程领域中的应用：如建筑设计CAD、电子沙盘；机械设计CAD等。仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等在轻工行业的应用：如模具CAD和服装CAD等。在医学中的应用：计算机辅助手术规划和手术模拟。在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。我国科学技术部在CAD应用工程2000年规划纲要中指出：“到2000年，在国民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广CAD技术，实现‘甩掉图板’（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国CAD市场，扶持发展以CAD为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的CAD产业”。到2000年，我国机械制造业应用CAD技术的普及率和覆盖率均达70%以上；工程设计行业CAD技术的普及率和覆盖率均达100%。CAD技术在我国工程和产品设计的一些应用实例：（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）泸东造船厂应用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。1.1.3CAD技术应用实例图示一些图形网站如/gallery/id/具有丰富的图片，可显示CAD技术在各个领域的应用效果。1.1.4CAD技术发展历程CAD技术随着计算机及其外围设备、图形输入输出设备、软件技术的发展而发展。（1）准备和诞生时期（20世纪50~60年代）电子管计算机1950MIT能够显示简单图形的图形显示器

1958Calcomp滚筒式绘图机20世纪50年代末SAGE战术防空系统

（2）蓬勃发展和进入应用的时期（20世纪60年代）1962，IvanSutherland研究出了Sketchpad交互式图形系统。计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂。计算机图形学的发展，如Coons曲面。（3）广泛应用时期（20世纪70年代）集成电路用于计算机，使计算机平台的性能大为提高。出现了以小型计算机为平台的CAD系统。图形设备相继推出并完善。图形软件和CAD应用支撑软件不断得到充实与提高。（4）飞速发展时期（20世纪80年代）出现了大规模与超大规模集成电路，使微机进入市场。推出了以UNIX系统支撑的SUN工作站。图形软件更加成熟。（5）日趋成熟的时期（20世纪90年代）出现基于PC平台的价廉物美的CAD系统。CAD系统的标准化：CGI、GKS、GKS-3D、PHIGS、OpenGL、IGES、STEP。智能化CAD系统。集成化。科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造。1.洋1.胁5扰CA扶D软颠件技跨术的舞发展以机拼械行凶业为所例，萄说明们CA沙D软钞件技府术的脊发展从历程展。20帐世纪腰60饿年代替，C自AD烈的主灯要技游术特液点是朽交互岸式二巾维绘明图和华三维董线框朱模型变。20鲁世纪驳70竟年代想，C现AD曾的主期要技筋术特弱征是参自由畏曲线基曲面怜生成好算法屋和表末面造杰型理基论，汇代表娘软件剥CA孔TI雹A。20越世纪挎80锄年代备，C都AD赔的主墓要技亿术特沿征是侧实体衡造型婚理论垄和几林何建搅模方冬法，佩代饥表软填件I完-D波EA窄S。20恐世纪基90讨年代胶，C品AD对技术愧基础苦理论脏主要得是以汽PT文C的膝Pr梯o/质En豆gi项ne演er幅为代叼表的泳参数绿化造延型理陷论和考以S晨DR寒C的龙I-估DE担AS蓄为代昆表的职变量斧化造钞型理这论，警形成眼了基绣于特相征的庄实体台建模新技术烂。1.桂1.课6搜发饭展趋轧势微机衡化、跌集成竖化、贱智能室化、把网络陕化、浓可视非化、绣并行恰化、咏标准后化促。1.并2材C凤AD烧系统鞭的软愤硬件扑技术买基础什么锁是C鬼AD捡系统供？CA良D系统非是以怪计算治机硬心件为蹄基础淘，系摄统软厚件和幸支撑枯软件州为主构体，牲应用粪软件陪为核灵心组归成的剧面向罚工程华设计牢问题宽的信玻息处卫理系租统。CA众D系统清与一隆般计锐算机滥系统娇的差去别：一般疏计算决机系茅统：最计算斩机+蚕外围想设备因。CA惹D系伸统：板人与锦计算庙机及速外围蓄设备忆协调陆运行韵的系恭统。胃其基讨本功远能是鬼交互联性（璃对话扬功能良）。1.伶2.略1耍C俱AD肥系统昨结构截与功痰能1.泡C服AD系统戚的结壮构可忆用分籍层体增系结熄构进绒行描秒述。硬件磨平台失：网糕络，爬计算另机，介绘图廊机，京打印哨机.膊..操作阴系统帅：W家in慌do厅ws额3编.x挨,发Wi质nd食ow占s9扬5/录98妻/N还T,燃UN饭IX网络帜协议上：T躺CP搭/I浴P,厉SP厨X/碎IP卵X数据积库系篮统：禁Or牵ac险le羞,S凑yb宝as慌e,胳Fo违rp帮ro乱…CA遥D工具奔软件淘：A谁ut火oC洽AD考,S兵ol殿id衔wo当rk免s,清Pr逮o/页E.圈..CA拌D工程赞应用仅软件交..欠.硬件榴系统系统缺软件支撑劣软件应用村软件CA嘉D系群统的驻体系仓结构2.系统有功能北分析（1灾）硬互件应纲具备投的基部本功虎能：计算谦功能驾、存电储功龙能、收输入摧输出俱功能辛、交乌互功暑能。（2范）软誉件应剧具备掌的基搜本功飘能：就机筛械产检品C荣AD呜系统轧来讲萝，应醒是：产品握几何脾造型券的功产能（舟线框与、曲功面与竞实体炕造型跟）、2D和3D图形浴处理颗功能窄、有限穷元分报析功销能、优化涨设计完过程昨、数据攀库管网理功蹲能等漏。CA画D腰软件CA嘴D遭专用骨软件CA皱D株支沃撑软汤件优化挑方法蚀库图形湾支撑妖软件数据价库软扬件有限隆元分尽析软味件系统软件操作系统高级语言编译器网络软件3.律CA孕D系统泥软件闯层次支结构（1捧）系统黑软件主要睡用于饰计算肚机的驶管理拔、维玻护、汪控制键以及翻计算肿机程艳序的波翻译沈、装钞入与垦运行耀。操作冠系统盾：W罪in寺do堆ws漆9杯5/穿98扎、界UN蝴IX井、W跪in驳do覆ws检N纱T等魂。语言炊编译服系统远：Vi版su割al衡C恒/C兆++、Vi疮su渠al浩B望as蛋ic、Au凑to脖Li辉sp等。（2廉）支伐撑软盼件是为暂满足横CA稿D/滴CA浪M用昆户共绒同需性要而苹开发湿的通冤用软视件。数据上库管从理系能统：芹Fo层xp扫ro吧/O枪RA混CL尘E/路IN汇FO沾RM剥IX蝇/S芦yb吉as赞e等马。计算斑机分盯析软痕件：感AN耕SY艰S/境NA配ST黎RA狭N/链AD州AM杯S等滨。图形绘支撑芳软件踢：可讯分为编图形巨处理班语言粮及交质互式蹦绘图娃软件耕。（3融）应台用软递件用户侍利用绑计算浩机所针提供青的各仔种系妙统软臂件、灿支撑贵软件谜，编衫制解为决用讨户各荣种实币际问惊题的凉程序刘称为维应用钥软件奏。开礼发应荷用软芝件是CA端D工作慢者的旷一项爪重要载工作撒。（4话）常波用C渐AD窗软件国内跳应用尽较广樱的微略机C关AD爪软件狼有：Au朗to赖de申sk姜公司显的产Au撕to洗CA炉D及语MD暴T,So皱li糟dw享or沉ks遍公司汉的疮So件li骑dw裳or倦ks箱，美国算CV拘公司另的捡CA币DD染S软有件的嫂微机震版本划PD些（P拌er腊so郊na煌l梨De释si迅gn米er惭）;Mi愁cr墙oS厘ta喊ti旁on谨软件盲，M肆ic蛇ro水-C狸AD漏AM颈软件膀，C烂AD切KE沸Y软外件，托So宁li煮dE配dg峡e软誉件等歉。工程朱工作复站C寸AD沿/C虑AM木系统系软件好有：美国伸SD恭RC承公司镰开发虹的I鹿-D生EA丘S（闲In驼te阻gr腹at感ed傍E序ng受in让ee言ri边ng逗A钱na样ly酸si特s恨So绞ft地wa吵re纵），IB碧M公哗司开湿发的洒CA漠TI洁A（蔬Co悔mp驱ut晃er割-G夏ra壳ph膊ic博s转Ai垫de雀d赵Th锈re个e-出Di袜me惠ns气io寇na普l昼In仪te音ra馒ct铸iv毯e脊Ap偏pl睡ic扒at杯io拿ns宇），法国弊Ma孔tr习a公寒司品E钩UC腐LI赠D软惨件，美国菠ED劈燕S公晒司付U刊G侍II倾(泛UN惰IG身RA肠PH柴IC款S恢I看I)惩软件许，美国PT符C公司Pr像o/勤En原gi才ne拉er系统。1.驳2.肃2疯C洗AD火系统并的类旬型按照躬CA传D系禾统中遇采用答的计阻算机阳类型疗、外呜围设旁备以序及它穗们之巧间的回联系卖方式治，C丝式AD剥系统推可分除为主筐机型行CA菌D系满统、魔工程鹅工作昼站C烟AD系统、微震机C雄AD系统和基旁于网靠络环滑境的晓CA僵D系统帖。CA躲D系击统经萌历过福三个帖阶段赏的发唯展，书即许春多用盆户共俗享一旁台计登算机筒；一风个用调户用因一台僵计算别机；间一个葵用户佳共享绝多台欲计算兽机。（1乐）肌工程彩工作止站系拿统工程南工作豆站是着具有汇高速关的科朽学计跌算、劝丰富迷的图春形处臂理、巨灵活到的窗巩口及亮网络新管理暗功能赚的交础互式轨计算疏机系贵统。册这种惯系统利的特哭点是拍：一突个用辫户用薄一台行计算锻机，截并且狂具有狱联网鼻功能昌。这去也是窃它与福具有馋分时屈系统龟的超篮级小椒型机否的不缓同之威处。SU音N拌、锣SG件I、嘱HP插、马D马EC羡和就IB趣M等读大型仰计算墙机公稍司广野泛采陵用工军程工归作站喇系统旬，因辱此工详程工核作站盖在国灭外C怎AD系统愁中占冶有主钱导地揭位。（2教）微度机C丽AD草系统是以弟一台扮微机尝为主郑的单子用户抢系统森。微机丹CA养D硬抗件系渣统主机操作介系统显示息设备球：图尾形显避示器输入割设备外存碑储器输出谈设备通讯辛接口（3怠）网络隆分布CA浮D系统应用未计算肝机技客术和停通信俊技术睛，将灿分布尤于各柴地的瓶各类乌计算裕机以塘网络灰形式倦连接且起来熔进行议产品肝的设掀计工夜作。CA柱D网棒络示践例TC捞P/坏IPSe晃rv好erCl冒ie臣nt文件羊服务切器数据电库服绿务器微机工作决站..谢.1.喇2.潜3泊计算残机及乐其输益入输虏出设营备CA汪D硬件计算坟机主蝇机图形盈输入毯设备图形幅绘制晴设备图形澡显示港设备扫描个仪数字旦化仪数码钉相机光栅批扫描彩显示否器液晶银显示习器打印林机绘图盟机笔式冰绘图塞机喷墨坛绘图选机CA邮D硬撇件设献备1.微机捷组成河与分谅类按微私机的速设备茫组成裤，微奶机设利备可酸分为士内、菌外两串部分寨：内挂部设就备通夹常包隐括主冲板、割CP助U、桃内存狂储器穗、显意示卡课、电晕源、摄输入禁输出前接口犁等；回其中让输入床输出歼接口肿又分棕为串锹行口悲和并杜行口绝，它绑们分扎别可鸟以连劲接鼠缓标、逝打印线机等占外部基设备剑；主均板上吴通常佛有几泉个扩芳展槽振，用棉来连鸣接外酿部设缓备等翼。外部侧设备返一般辛包括苍软盘辜驱动缸器、按硬盘寇驱动首器、脖光盘邮驱动敌器、搞键盘墨、鼠态标、肃显示粮器、财声卡分、网辅卡、易调制丽解调栗器等米。2.计算罪机输莲入设奖备图形秃输入讯设备碎可将舞用户忍的图斜形结马果及华各种条命令伶等转傅换为保电信航号，滤并传侦送给荒计算驱机。（1革）物理拨设备键盘部、鼠徐标器益、数忠字化生仪、狭图形血输入旧板键盘荣由一阀组按机阵列县方式抄装配觉在一并起的味按键耕开关部组成束。鼠标筑器可以刘方便慈、准眨确地乔移动健光标晋进行少定位陕，它喝是窗亦口软肌件和看绘图脚软件右的首帝选输途入设复备。数字客化仪证和图假形输肃入板饭矢量啦图形器输入播设备愉。语音犬输入题与扫皂描输兵入（2信）前逻辑矛设备图形胀输入禾设备撞从逻蹦辑上热分为尊6种旨功能鸣，即家定位节（l骨oc县at督or索）、平笔划望（s叶tr果ok童e）赚、数名值（煮va狱lu贼at躁or筒）、撞选择怒（c怠ho斗ic更e）膝、拾绍取（内pi角ck议）及滴字符摊（s帜tr削in抬g）合，也枯可称什为6竭种逻笼辑设壶备。图形腐输入筑设备雨的逻谨辑分嘴类名称相应竖的典谷型设利备基本赚功能定位鼠标溉器、视拇指事轮输入拒一个纽奉点的富坐标笔划鼠标脉器、葡拇指替轮输入仪一系床列点萌的坐地标数值数字倘键盘输入授一个存整数直或实卸数选择功能单键、项鼠标继器由一誉个整鼠数得趴到某管种选浮择拾取光笔傲、鼠妈标器拾取谈一个妇显示腹着的尽图素字符架串字符制键盘输入稀一串坝字符所谓撤逻辑浅设备鞭，是袋指按遭逻辑非功能嫩定义董的设场备，戏而不删是具铺体的何物理肺设备穴。一