材料加工CADCAM基础第二章_计算机辅助设计基础

材料加工CAD/CAM基 础础材料科学与工程学院第二章 CAD设计设计 基础础第一节节 CAD系统统的组组成与分类类第二节节 CAD的三维维造型技术术第一节节 计计算机辅辅助设计设计 系统统的组组成 与分类类一、计计算机辅辅助系统统的基本组组成所谓谓系统统，是指为为完成特定任务务而由相关部件或要素组组成的有机的整体。一个完整的 CAD/CAM系统统必须须具备备硬件系统统和软软件系统统。（一） CAD/CAM的硬件系统统 硬件是CAD/CAM系统统运行的物质质基础础。由计计算机主机、输输入设备设备 、输输出设备设备 、存储储器、生产设备产设备 （CAM加工设备设备 ）及计计算机网络络等几部分组组成。CAD系统统的基本硬件构成图图形输输入设备设备 ： 键盘键盘 鼠标标 数字化仪仪 扫扫描仪仪 数码码相机 用户户计计算机主机图图形显显示终终端图图形输输出设备设备 绘图仪绘图仪 打印机 计计算机辅辅助系统统硬件组组成(1)计计算机主机 中央处处理器(Central Processing Unit, CPU)和主存 储设备储设备 （内存）组组成。对于CAD系统，需要进行大量计算，有大 量中间数据需要存储，对内存要求较高。(2) 外存储储器 存储储需要永久保存或暂时暂时 不用 的程序、数据库库、图图形库库和其他信息。容量大， 存取速度较较慢。磁带带、磁盘盘(软盘软盘 、硬盘盘)、光 盘盘(3) 输输入设备设备 把外界信息输输送到计计算机中，供计计算机运算和处处理。 主要输输入设备设备 ： 键盘键盘 、鼠标标(mouse)、光笔 (lightpen)、数字化仪仪(digitizer)、扫扫描仪仪、图图形输输入板 (tablet)等。 (4) 输输出设备设备 CAD需要进进行图图像处处理，设计设计 的结结果需要反映 在图纸图纸 上。 主要输输出设备设备 ： 显显示器、绘图仪绘图仪 、打印机等(5) 网 络络 局域网和因特网，将多个不同的硬件系统联统联 系起来，实现资实现资 源共享及异地网络络化设计设计 。（二）计计算机辅辅助设计设计 系统统的硬件要求(1) 性能要求较较高的图图形输输入、输输出设备设备(2) 较较高的运行速度(3) 足够够的外部存储储空间间(4) 较较好的网络络性能(三)计计算机辅辅助设计设计 的软软件组组成CADCAM系统统的软软 件根据其功能可分为为 系统软统软 件( System Software)、支 撑软软件 (Support Software)、应应 用软软件 (Applicatio n Software) 等三个层层次。计计算机 硬件操作系统统（ Windows， UNIX）CAD/CAM支撑软软件应应用软软件CAD系统统的软软件组组成 （1）系统软统软 件1、操作系统 (Operating System) UNIX、 Window XP 、Windows7等窗口 系统统。2、编译 系统高级语级语 言如 Visual C+、Visual Basic等均有各自的编译编译 系统统。 （2）支撑软软件 (Support Software)是为满为满 足CAD/CAM用户户共同需要而开发发的通用软软件或工具软软件，包括目前市场场上供应应的各种 商品化CADCAM系统统。支撑软软件是 CAD/CAM系统统的核心。 功能：(1)计计算机图图形处处理(2)三维产维产 品建模 Pre/E UG 、CATIA(3)有限元建模与分析 商品化有限元分析 软软件，如ANSYS,DYNAFORM 。Pre/E、UG 、CATIA自身集成了有限元分析模块块。以机械行业为例，说明CAD软件技术的发展历程。20世纪60年代，CAD的主要技术特点是交互式二维绘 图和三维线框模型。 20世纪70年代，CAD的主要技术特征是自由曲线曲 面生成算法和表面造型理论，代表软件CATIA。 20世纪80年代，CAD的主要技术特征是实体造型理 论和几何建模方法， 代表软件I-DEAS。 20世纪90年代，CAD技术基础理论主要是以PTC 的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和 以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论，形成了 基于特征的实体建模技术。（3）应应用软软件（Application Sofeware）应应用软软件是用户户解决实际问题实际问题 而自行开发发或委托开发发的程序系统统。它是在系统软统软 件的基础础上，或用高级语级语 言编编程，或基于某种支撑软软件，针对针对 特定的问题设计问题设计 研制，既可为为一个用户户使用，也可为为多个用户户使用的软软件。 当前，几乎所有的CAD系统软统软 件都提供相应应的二次开发发工具，使用户户能方便地根据自身需求开发专门发专门 的应应用软软件。如：AutoCAD内置的VisualLisp开发语发语 言，UG的应应用程序开发发工具UG/Open API等。二、计计算机辅辅助设计设计 系统统的分类类根据工作方式分为为检检索型、交互型和智能型。1. 检检索型CAD系统统 应应用范围围：用于设计设计 已定型的、标标准化、系列化、模块块化的工程和产产品。如电动电动 机、汽轮轮机、变压变压 器、泵泵、鼓风风机 和减速器。优优点：速度快、效率高缺点：使用范围较围较 窄，通用性差，设计设计 者不能根据需要中途介入，对对 图图形修改困难难。不适用于新产产品的开发设计发设计 。2. 交互型CAD系统统利用输输入、输输出设备设备 ，人机对话对话 方式工作。特点：人的创创造性与计计算机特性充分结结合的系统统，是现现在CAD应应用系统统的主要类类型，适合于新产产品的设计设计 、开发发工作。交互型 CAD系统统 设计设计 任务务及设计设计 指标标输输入初始数据选择标选择标 准图样图样 及有关数据确认满认满 意？决定尺寸、绘图绘图 参数及辅辅助参数自动绘图动绘图设计设计 者确认认？NNYCAD工程数据库库标标准数据库库标标准图图形库库标标准程序库库绘图绘图 程序库库修改参数输输出设计结设计结 果3. 智能型CAD系统统专专家系统统：一种使计计算机能够够在专专家级级水平上工作的计计 算机程序，能运用人类专类专 家的专门专门 知识识和推理能力，来 解决一般人难难以妥善解决的问题问题 。 解决的主要问题问题 ： 设计过设计过 程的决策（解决设计设计 路线问线问 题题），设计设计 技术术决策（设计设计 中遇到的具体技术问题术问题 的 决策）和结结果评评价。1. 存储储了大量的专专家知识识和经验经验 ， 形成系统统的知识库识库 ；2. 设设置推理机构，能模仿专专家决策的 思维过维过 程来分析问问题题和解决问题问题 。智能型 CAD系统统工作流程设计设计 任务务及设计设计 指标标输输入初始参数推理机解释释机制设计计设计计 算设计结设计结 果评评价资资料 领领域专专家知识库识库 数据库库 程序库库 图图形库库第二节节 计计算机辅辅助设计设计 系统统的三维维造型技 术术 三维维造型的优优越性三维图维图 形比二维图维图 形包含了更多的信息 三维维造型比二维绘图维绘图 更容易更易与CAM连连接起来三维维造型发发展的几个阶阶段线线框模型曲面模型实实体造型特征造型参数化变变量设计设计商品化的几何造型系统统国外：AUTOCAD、 CATIA、I - DEAS 、 Pro/Engine er、Unigraphics、 ACIS、Parasolid等。 国内： 高华、金银花、管道CAD、 制造工程师 （ME）、NPU- CAD/CAM系统一、传统传统 的造型方法几何造型和实实体造型传统传统 的几何造型(Geometric Modeling) 是CAD图图形核心系统统中的重要内容。一个完整的几何模型 ，既包括各部分的几何形状及空间间的布置，又包括各部分 之间间的连连接关系。 线线框造型曲面造型传统传统 的实实体造型三种类类型的三维维模型1 .线线框造型(Wire Farme Modeling)（1）定义义：线线框造型用一系列空间间直线线、圆圆弧和点等基本元素组组合而成，用来 描述产产品的轮轮廓外形，并在计计算机内部生成相应应的三维维映像，从而可以自动动的实实 现视图变换现视图变换 和空间间尺寸协调协调 。线线框造型是CAD/CAM技术发术发 展过过程中早应应用的三维维模型，开发发始于60年代初 期，当时时，主要是为为自动动化设计绘图设计绘图 。 这这种模型表示的是物体的棱边边。线线框模型由物体上的点、直线线和曲线组线组 成，这这种 模型系统统的通过过修改点和边边来改变变形体的形状。 描述的是产产品的轮轮廓外形。线线框模型有二维维和三维线维线 框模型。二维维几何建模实质实质 上是二维线维线 框模型，它以二维维平面的基本图图元（如点、线线、圆圆弧等 ）为为基础础表达二维图维图 形。三维线维线 框模型是二维线维线 框模型的直接拓展和延伸。 （2）、 数据结结构线线框模型的数据结结构是表结结构，在计计算机内部存贮贮的是物体的顶顶点和 棱线线信息。下图为图为 一立方体的线线框模型，分别为别为 立方体的顶顶点表和边边 表，构成该该物体的线线框模型的全部信息。线线框模型顶顶点表棱线线表（3）、线线框造型的特点特点：线线框建模所构造的实实体模型，只有离散的边边， 而没有边边与边边的关系，与该该模型相关的数学表达式是 直线线或曲线线方程、点的坐标标及边边和点的连连接关系。优优点:(1) 结结构简单简单 ，易于理解，所需信息量少，所占存贮贮空间间也最少，硬件的要求不高，处处理时时 间间短，是曲面造型和实实体造型的基础础； (2) 利用投影变换变换 ，从三维线维线 框模型可方便地生成各种正投影图图、轴测图轴测图 和任意观观察方向的透视视 投影图图。缺点：1）几何意义义的二义义性：一个线线框模型可能被解释为释为 若干 个有效几何体。2）不能表示表面含有曲面的物体；3）不能明确地定义给义给 定点与物体之间间的关系（点在物体内 部、外部或表面上），所以线线框模型不能处处理许许多重要问题问题 ，如不 能生成剖切图图、消隐图隐图 、明暗色彩图图，不能用于数控加工等；很多 模型属性无法计计算。易出现现二义义性理解； 缺少曲面边缘侧边缘侧 影轮轮廓线线； 缺少边边与面、面与体之间间关系的信息，不能描 述产产品。中间间打孔的长长方体(4)、应应用 线线框模型不适应应于对对物体进进行完整信息描述的场场合，但在有些情况下，例如评评价物体外部形状、位置或绘绘制图纸图纸 ，线线框模型提 供信息是足够够的，同时时它具有较较好的时间时间 响应应性，对对于适时时仿真 技术术或中间结间结 果的显显示是适用的。线线框具有模型数据简单简单 ，对对硬件要求不高易于掌握等特点。这这种 模型曾广泛应应用于工厂或车间车间 布局，管道铺设铺设 、运动动机构的模拟拟 干涉检查检查 。实实体造型系统统中的辅辅助手段。2. 曲面造型(Surface modeling) CAD技术的第一次革命 贵族化的曲面造型系统60年代出现的三维CAD系统只是极为简单 的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不 能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面 信息，CAM及CAE均无法实现 。进入70年代，法国达索飞机制造公司推出了三维曲面造 型系统CATIA，标志着计算机辅助设计 技术从单纯 模仿工程图纸 的三视图 模式中解放出来，首次实现 以计算机完 整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实 的基础。曲面造型系统CATIA为人类带 来了第一次CAD技术革命，改变 了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。此时的CAD技术价格极其昂贵，而且软件商品化程度低，开发者 本身就是CAD大用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国 家财政