第二章-CAD的应用(2.1-2.3)教学提纲

第二章CAD的应用(2.1-2.3)2.1概述

计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，简称CAD)是指将计算机作为主要的技术手段来生成和运用各种数字信息与图形信息，用以进行工程或产品设计。CAD技术是信息技术(计算机、网络通信、数据管理等技术)和设计技术(工业设计、产品设计和生产过程设计等)密切结合而产生的一门高新技术，是数字化设计方法中的一个重要方面，已经广泛应用于工程和产品设计领域。在制造业中，CAD技术已经成为先进制造技术群中的一项主体关键技术。2026/3/2122.1概述

CAD技术利用计算机的软硬件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，其特点是将设计人员的思维、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。2026/3/2132.1概述CAD技术也是一门多学科综合应用的新技术，它涉及以下一些技术基础：1．图形处理技术。如自动绘图、几何建模、图形仿真及其他图形输入、输出技术。2．工程分析计算。如有限元分析、优化设计以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。2026/3/21420世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。80年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。发展概况2026/3/21580年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。现在，CAD已在电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。发展概况2026/3/216应用情况当前CAD技术在汽车工业中的主要应用在以下几个方面：1）二维绘图。2）图形及符号库。3）参数化设计。4）三维造型。5）工程分析。6）设计文档或生成报表。2026/3/217优越性

(1)减少手工绘图的劳动量，降低劳动强度；

(2)加快工程或产品的设计过程，提高设计工作效率，缩短设计周期，加快产品的更新换代；

(3)便于修改，提高设计质量和增进设计水平；

(4)便于建立标准图和标准设计库，便于广泛应用标准图和标准设计，有利于产品的标准化、系列化和通用化；

(5)缩短生产周期，降低工程造价或产品成本；

(6)便于企业内部的管理和对外联系，使企业在市场竟争中处于有利地位。2026/3/218发展趋势1）集成化2）智能化3）标准化4）可视化5）网络化

2026/3/2192.2CAD系统

由于设计工作与图形分不开，所以后来CAD重点转到计算机辅助制图。目前，CAD已扩大到三维物体的设计。

从计算机科学的角度看，CAD的任务如下：

1)建立多功能交互式图形程序库，进行图形信息的处理与交换；

2)建立工程数据库，存储和管理设计信息；

3)建立专业的应用程序库，进行设计计算和信息处理。

一个完善的CAD系统，必须包括交互式图形程序库、工程数据库和应用程序库。CAD的主要工作是软件而不是硬件，尤其是要开发适用于各个行业的应用软件。2026/3/2110CAD系统的功能

(1)设计组件重用(Reuseofdesigncomponents)

(2)简易的设计修改和版本控制功能(Easeofdesignmodificationandversioning)

(3)设计的标准组件的自动产生(Automaticgenerationofstandardcomponentsofthedesign)

(4)设计是否满足要求和实际规则的检验(Validation/verificationofdesignsagainstspecificationsanddesignrules)

(5)无需建立物理原型的设计模拟(Simulationofdesignswithoutbuildingaphysicalprototype)

(6)装配件(一堆零件或者其它装配件)的自动设计

(7)工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表(BillofMaterials)

(8)设计到生产设备的直接输出

(9)到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出2026/3/21112.2.1CAD系统的硬件一个完整的CAD系统是由计算机硬件和软件两个部分所组成的。CAD系统功能的实现，是由硬件和软件协调作用的结果。CAD系统的硬件是指计算机系统中的全部可以感触到的物理装置，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。

2026/3/21121.系统软件

与计算机硬件直接联系且供用户使用的软件。系统软件起着扩充计算机功能和合理调度计算机资源的作用，它有两个重要特点：(1)公用性，无论是哪个应用领域，无论是哪个计算机用户，都要使用；

(2)基础性，应用软件要用系统软件来编写、实现，并在系统软件的支持下运行，因此，系统软件是应用软件赖以工作的基础。2.2.2CAD系统的软件2026/3/21132.2.2CAD系统的软件在系统软件中，最重要的有两类:(1)操作系统：负责组织计算机系统的活动以完成人交给的任务和负责指挥计算机系统有条不紊地应付千变万化的局面；

(2)各种程序设计语言、语言编译系统、数据库管理系统和数据通讯软件等，负责人与计算机之间的通讯。系统软件的目标在于扩大系统的功能，方便用户使用，为应用软件的开发和运行创造良好的环境，合理调度计算机的各种资源，以提高计算机的使用效率。2026/3/21142.应用软件应用软件细分为支撑软件和用户自己开发的应用软件两种，下图表示了这些软件间的层次关系。支撑软件是支持CAD应用软件的通用程序库和软件开发的工具，其中比较常用的有以下几类：(1)基本图形资源软件;(2)二、三维图形处理软件;(3)几何造型软件;(4)设计计算及工程分析软件;(5)专家系统。2026/3/21152.2.3CAD系统的形式从国内外CAD硬件技术的发展来看，可以将CAD系统归纳为以下四种形式：1.主机分时CAD系统该系统的特点是由小型机以上的高性能通用计算机作为主机，以分时方式连接儿十个甚至上百个图形终端以及更多的字符终端进行工作的一种集中分时的CAD系统。2.小型机成套CAD系统有时也被称为交钥匙系统，意为只要转动“钥匙”，系统就能启动，其安装、使用、维护极为方便。2026/3/21163.工程工作站CAD系统工作站是介于小型机和微机之间的一种机型，具有处理速度快，分布式计算能力强，网络性能灵活，图形处理能力强大以及CAD应用软件丰富等优越性。4.微机CAD系统与工程工作站CAD系统相比，该系统的运算能力和图形处理能力相对较低，但其价格便宜，因此该系统已被许多中小型企业所广泛采用。2.2.3CAD系统的形式2026/3/21172.3工程数据处理方法与CAD实现

计算机具有大量存储与迅速检索的功能，将设计过程中所需要的表格、线图以程序或文件的方式预先存入计算机中，供设计时灵活方便地调用，必要时还可以建立或利用公共数据库，将表格和线图转化为相互关联的数据结构，以利于更方便地完成资料信息的交换。

2026/3/21182.3.1数表的分类及存取2.3.2线图的分类及处理2.3.3列表函数的插值与数据公式的拟合2.3.4工程数据库的创建与应用2.3工程数据处理方法与CAD实现

2026/3/21192.3.1数表的分类与存取1.数表的分类机械设计过程中，包括汽车设计中所使用的工程技术数表种类很多，在对这些数表进行程序化处理时，应根据数表各自所具有的特点分别加以处理。通常，可以按数表中的数据之间有无函数关系而将数表分为列表函数表和简单数表两类，或按数表的维数而将数表分为一维数表和二维数表两类。(1)列表函数表：数表中所记载的一组数据彼此之间存在着一定的函数关系。根据数表中数据来源的不同，列表函数表又可细分为两类:2026/3/2120①有计算公式的列表函数表：当初制定数表时，有精确的理论计算公式或经验公式，只是由于公式复杂，为了便于手工计算，才把这些公式以数表的形式给出。在编制CAD计算程序时，对于这二类数表可以直接利用编制数表的理论计算公式或经验公式来计算有关的数据。②无计算公式的列表函数表:这类数表中的数据是通过实验进行观测并根据实践经验加以修正而得到的一些离散数据，以列表函数的形式形成参数间的函数关系。对于这一类数表可以利用程序设计语言所提供的数组进行存储，在检索时还需要利用插值的方法来检取数据。2.3.1数表的分类与存取——数表的分类2026/3/2121(2)简单数表：数表中所记载的一组数据彼此之间不存在函数关系，只是记载了一些不同对象间的各个常数关系，其数据都是离散量。对于这类数表也是利用程序设计语言所提供的数组进行存储，由于不存在函数关系，所以在检索时不存在插值问题。(3)一维数表:所要检取的数据只与一个变量有关的数表。(4)二维数表:所要检取的数据同时与两个变量有关的数表。2.3.1数表的分类与存取——数表的分类2026/3/21222.数表的存取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，二维数表采用两维数组进行存储。查取数据时用逻辑判断语句进行比较，选择出所需要的数据。

2026/3/21232.3.2线图的分类及处理

在机械设计资料中，除数据表格以外，还经常出现线图，线图可以直观地表现出参数间的函数关系及函数的变化趋势。这些线图在对数坐标系中常常表现为直线或折线，在普通直角坐标系中一般都是曲线。在传统手工设计过程中，可从线图直接查取所需的参数；而在CAD计算程序中，程序不能直接查取线图，必须将线图处理成程序能够检索的形式。对于不同类型的线图，其处理方法各不相同。

2026/3/2124

1.有计算公式的线图线图所表示的各参数之间本来就有计算公式，只是由于计算公式复杂，为了便于手工计算才将公式绘制成为线图供设计时查用。对于这样的线图，用计算机进行处理时，由于计算机具有高速运算的能力，所以应该直接使用原来的计算公式。2.3.2线图的分类及处理

2.无计算公式的线图线图中所表示的各个参数之间没有或找不到计算公式，对于这样的线图常用的处理方法有两种：(1)数表化处理：首先将线图转化成数表形式，然后按前述处理数表的方法进行处理。由于线图反映的是参数间的函数关系，所以转化后所获得的数表属于列表函数表，当所要查取的数据不在数表所列的结点上时。需要使用列表函数的插值方法进行插值运算。(2)公式化处理：对于直线或折线图，可将其转化为线性方程，用以表示参数间的函数关系。直线图通常有直角坐标系的、对数坐标系的和由折线组成的区域图三种类型，可分别进行。2026/3/21252.3.3列表函数的插值与数据公式的拟合1.列表函数的插值

在列表函数表中不可能列出函数关系所代表的所有对应值，而只能是每隔一定的间隔给出对应的函数值。在实际查表时，所要查取的数据不一定是数表中现有的数据，而往往处在数表中所列出的两个数据之间。这时，就需要用插值的方法来求取函数值。

插值的基本思想是在插值点附近选取几个合适的结点，利用这些结点构造一个简单的函数g(x)，使g(x)经过所选取的结点，在此小段上用g(x)来近似代替列表函数f(x)，即在结点之间的函数值就用g(x)的值来代替。因此，插值的实质问题就是如何构造一个既简单又具有足够精度的函数g(x)。

2026/3/21262.3.3列表函数的差值与数据公式的拟合2.数据公式的拟合

在实际的工程设计问题中，往往由于间题的复杂性而得不到一个既表达了各参数之间的关系，又使于计算的理论公式。只有在特定条件下进行试验，将通过试验所得到的实测数据绘制成线图或数表作为设计时的依据。在CAD计算程序中，对于线图或数表可以数组形式存入计算机内存供设计时查取，但这种处理方法与直接用公式进行计算的方法相比不仅编程复杂，而且需要占用较大的内存。因此，最理想的方法是设法找出计算公式。数据公式拟合的方法就是在一系列实测数据的基础上，建立起相应的供设计时使用的经验公式，这一过程也称为数据的曲线拟合。2026/3/21272.3.4工程数据库的创建与应用

在从事产品设计的过程中，经常需要查阅有关产品设计手册中大量的数表，如何对这些大量的数据资源进行有效的组织和管理已经成为CAD系统中不可缺少的研究内容。数据库系统的诞生，为大量数据的组织和管理问题提供了有效的解决途径。随着CAD技术的进一步深入和发展，对数据库系统的研究越来越成为重点。2026/3/21281.数据库与数据库管理系统