CAD理论课件

汽车CAD技术主讲教师：梁晓瑜本门课： 1、了解CAD技术的相关概念、应用及组成。 2、理解图形变换的方法。 3、了解CAD中数学模型类型，理解几何建模技术及描述的方式。 4、掌握UG软件的工作环境和基本建模过程。考试方式： 本门课由于是应用型课程，要求学生在学完该课程后，能够利用UG软件进行简单的二维、三维绘图操作。 考试成绩包括：平时成绩：40％（出勤率，绘图作业）；卷面成绩：60％（闭卷考试）。第一章计算机辅助概论 计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）：利用计算机、外围设备及其系统软件辅助人们对产品或过程进行设计的方法和技术，包括设计、绘图、工程与文档制作等设计活动。广义的CAD技术包括： 二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析（FEA）、数控加工编程（NCP）、仿真模拟、产品数据管理（PDM）、网络数据库（NetworkDatabase）以及计算机集成技术（CIMS）等。1.1CAD技术的产生及发展过程 准备和酝酿时期（20世纪50～60年代） 蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60年代） 广泛使用的时期（20世纪70年代） 突飞猛进的时期（20世纪80年代） 开放式、化、集成化和智能化的发展时期（20世纪90年代以后）1.2CAD的发展趋势 1、集成化计算机集成制造系统（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）和并行工程（ConcurrentEngineering，CE）提高集成化水平有以下几个方面： 1）数字化产品建模必须提供针对产品生命周期的统一产品模型，该模型应该符合标准或规范，包括产品的形状、设计过程以及设计所用的知识；在建模技术上，应该能提供性能优良的特征建模、参数化设计、变量化设计和超变量化设计等方法。 2）产品数据交换除了提供目前已有的交换规范或标准所开发的中性交换文件及其接口（如DXF、IGEX、STEP、STL、SAT、VDA）外，还应具备各种外部专用接口，以便与其它软件系统连接起来。 3）产品数据管理CAD系统必须有自己统一的数据库及其管理系统，使CAD/CAE/CAM系统内的各模块用统一到数据库进行信息存取。应继续改进与提高产品数据管理（ProductDataManagement，PDM)软件性能，有效管理与产品相关的所有数据以及与产品相关的所有过程。 4）系统内包括更多的CAx和DFx应用软件。如：计算机辅助绘图（ComputerAidedDrawing，CAD）、计算机辅助制造（computerAidedManufacturing，CAM）、计算机辅助工程分析（ComputerAidedEngineering，CAE）、计算机辅助工艺规划（ComputerAidedProductionPlanning，CAPP)、制造性设计（DesignForManufacturing，DFM）、装配性设计（DesignForAssembly，DFA）、可靠性设计（DesignForReliability，DFR），并使它们有机地集成起来。 2、网络化1）提供基于因特网的完善的协同设计环境；2）提供网上多种CAD应用服务。 3、智能化将人工智能技术，特别是专家系统技术与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD是机械CAD发展的必然趋势。 4、标准化面向图形设备标准CGI，面向用户图形标准GKS，面向其它CAD系统的数据交换标准和窗口等。 5、并行工程并行地、集成地设计产品及其开发的过程。要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，包括质量、成本、进度、用户要求等，以便更大限度地提高产品开发效率及一次成功率。1.3CAD/CAM系统的基本功能1、图形显示功能CAD/CAM是一个人机交互的过程，从产品的造型、构思、方案的确定，结构分析到加工过程的仿真，系统随时保证用户能够观察、修改中间结果，实时编辑处理。用户的每一次操作，都能从显示器上及时得到反馈，直到取得最佳的设计结果。图形显示功能不仅能够对二维平面图形进行显示控制，还应当包含三维实体的处理。2、输入输出功能在CAD/CAM系统运行中，用户需不断地将有关设计的要求、各步骤的具体数据等输入计算机内，通过计算机的处理，能够输出系统处理的结果，且输入输出的信息既可以是数值的，也可以是非数值的（例如图形数据、文本、字符等）。3、存储功能由于CAD/CAM系统运行时，数据量很大，往往有很多算法生成大量的中间数据，尤其是对图形的操作、交互式的设计以及结构分析中网格划分等。为了保证系统能够正常的运行，CAD/CAM系统必须配置容量较大的存储设备，支持数据在模块运行时的正确流通。另外，工程数据库系统的运行也必须有存贮空间的保障。4、交互功能（即人机接口）在CAD/CAM系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁。友好的用户界面，是保证用户直接而有效地完成复杂设计任务的必要条件，除软件中界面设计外，还必须有交互设备实现人与计算机之间的不断通信。1.4CAD/CAM系统的主要任务1.几何建模 用基本几何实体及其相互关系构造零件或产品三维几何模型，这是后续工作的基础；2.工程分析 进行运动学、动力学、有限元分析，优化设计等3.工艺编程自动决策生成产品加工所采用的加工方法、工艺路线、工艺参数和加工设备；4.数控编程 选择所需要刀具和工艺参数，确定走刀方式，生成刀具轨迹，后置处理，生成NC程序。5.模拟仿真 预测产品工作性能，检查NC代码正确性，检查制造过程几何干涉和物理碰撞，分析产品可制造性；6.数据管理 提供有效的工程数据管理手段，支持产品设计与制造全过程数据信息流动和处理。1.5CAD在汽车工业中的应用 20世纪60年代三维CAD系统只是单单的线框式系统 20世纪70年代法国达索（Dassault）飞机制造公司率先推出三维曲面造型系统CATIA。各国都开发了自己的CAD系统。 20世纪80年代UG着重在曲面技术的基础上发展CAM 20世纪80年代中期Pro/Engineer参数化实体造型方法 20世纪90年代PTC与CATIA、IDEAS、CV、UG等大型CAD软件在汽车制造业都有了更为广泛的应用。1.6CAD技术在其它领域中的应用 CAD是一个包括范围很广的概念，概括来说，CAD的设计对象有两大类， 一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品； 一类是工程设计产品，即工程建筑，简称AEC（Architecture、Engineering和Construction）。 而如今，CAD技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。计算机辅助建筑设计（ComputerAidedArchitectureDesign，简称CAAD） CAD在建筑方面的应用。CAAD软件从最初的二维通用绘图软件发展到三维建筑模型软件，已开始被广为采用。 CAAD技术不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约2%至5%的建设投资，如果全国工程设计单位都采用CAD技术，则可以大大提高基本建设的投资效益。CAD技术应用于轻纺及服装行业 采用CAD技术对纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等要求，满足目前国际市场上对纺织品及服装的要求批量小、花色多、质量高、交货要迅速等要求，从而大大加快纺织及服装企业走向国际市场的步伐。CAD技术在电影、动画、广告和娱乐等领域的应用 3.电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史，美国好来坞电影公司主要利用CAD技术构造布景，可以利用虚拟现实的手法设计出人工不可能做到的布景。这不仅能节省大量的人力、物力，降低电影的拍摄成本，而且还可以给观众造成一种新奇、古怪和难以想像的环境，获得极大的票房收入。比如美国的《星球大战》、《外星人》、《侏罗纪公园》等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片《玩具总动员》，都取得了极大的成功。轰动全球的大片《泰坦尼克》应用了大量的三维动画制作，用计算机真实地模拟了泰克尼克航行、沉船的全过程。此外，动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术，实质上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。1.7CAD系统的构成与配置形式 1.7.1系统的基本组成： 1.7.2计算机类型 1.7.3CAD系统的配置形式1、主机终端形式 2、分布式台式计算机形式环网总线网3、客户/服务器形式（C/S）1）概念：C/S是一种计算机处理模式，它将一个大的应用任务分解为多个子任务，由多台计算机分别执行，共同完成。2）C/S的分布模式1.8CAD系统的硬件 计算机主机 外存储器 图形输入设备 图形输出设备 图形显示设备1.8.1、计算机主机主机由中央处理器和内存储器（也称内存）两部分组成。1.8.2外存储器用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息，当使用这些信息时，由操作系统根据命令调入内存。外存储器的特点：容量大，但存取速度慢。常见种类有：硬盘、软盘、光盘及磁带等。1.8.3、图形输入设备1、定位设备2、数字化仪3、图像输入设备数字化仪扫描仪数码相机数据手套 虚拟现实系统中最常用的输入装置。如下图所示，数据手套利用光导纤维的导光量来测量手指角度。当光导纤维弯曲时，传输的光将会有损失，弯曲越大，损失越多。数据手套可以帮助计算机测试人手的位置与指向，从而可以实时地生成手与物体接近或远离的图像。1.8.4输出设备是计算机实用价值的体现，CAD/CAM系统中输出设备的作用主要是将设计的数据、文件、图形、程序、指令等显示、输出或者发送给相关的执行设备。常用的输出设备有如下几种。输出设备类型显示器显卡打印机与绘图仪打印机 按颜色分类：黑白、彩色 按打印方式分类 点阵针式打印机 激光打印机 喷墨打印机 热转印打印机激光打印机是综合了激光扫描技术和电子照相技术的一种非打击式打印机。绘图仪 从结构上分，可以分为平台式和滚筒式两种。 平台式绘图仪的工作原理是，在电脑信号的控制下，笔或喷墨头的Ｘ、Ｙ方向移动，而纸在平面上不动，从而绘出图来。 滚筒式绘图仪的工作原理是，笔或喷墨头沿Ｘ方向移动，纸沿Ｙ方向移动，这样，可以绘出较长的图样。 1.8.4、图形显示设备1、光栅扫描显示器2、液晶显示器1.9CAD系统的软件CAD系统应具备两类软件：系统软件与应用软件。应用包括的范围很广，可分为CAD支撑软件及用户开发的应用软件两类，前一类在商场上可以买到商品化软件，后一类则需经用户开发而成，下图表示了这些软件间的层次关系。1.9.1系统软件系统软件指操作系统(OS)及语言等，它们不是用户的应用程序，而是着眼于计算机资源的有效管理，用户任务的有效完成，以及操作的方便，目的是构成一个良好的软件环境。1.9.2CAD支撑软件CAD支撑软件从功能上可分为三类：第一类解决图形设计问题；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。1.基本图形资源软件2.二三维绘图软件3.几何造型软件4.工程分析及计算软件1.9.3典型商品化CAD软件简介(1)AutoCAD及MDT AutoCAD系统美国Autodesk公司二维工程绘图软件具有部分的三维作图造型功能它是目前世界上应用最广的CAD软件，占整个世界个人微机CAD/CAE/CAM软件市场的37%左右 MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件，据称目前已经装机2万余套，MDT的用户主要有：中国一汽集团、荷兰菲利浦公司、德国西门子公司、日本东芝公司、美国休斯公司等等。(2)Pro/Engineer Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation简称PTC)的产品，它刚一面世(1988年)，就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎。此外，Pro/Engineer一开始就建立在工作站上，使系统独立于硬件，便于移植；该系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集成在一起，它一共有20多个模块供用户选择。Pro/Engineer在最近几年已成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统，其销售额和用户群仍以最快的速度向前发展.(3)I-DEASMasterSeries5 I-DEASMasterSeries是美国SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司自1993年推出的新一代机械设计自动化软件。I-DEASMasterSeries5于今年6月20日在美国首次展示，其最大的突破在于VGX技术的面市，极大地改进了交互操作的直观性和可靠性。另外，该版本还增强了复杂零件设计、高级曲面造型以及有限元建模和耐用性分析等模块的功能。在我国，正式使用I-DEASMasterSeries软件的用户已经超过400家，居于三维实体机械设计自动化软件的主导地位。由于SDRC公司早期是以工程与结构分析为主逐步发展起来的，所以工程分析是该公司的特长。SDRC公司近期还集中了优势力量大力加强数控加工功能的开发。 (4)CATIA CATIA系统是法国达索(Dassault)飞机公司DassaultSystems工程部开发的产品。该系统是在CADAM系统(原由美国洛克希德公司开发，后并入美国IBM公司)基础上扩充开发的，在CAD方面购买原CADAM系统的源程序，在加工方面则购买了有名的APT系统的源程序，并经过几年的努力，形成了商品化的系统。CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/CAE/CAM系统，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，并拥有20多个独立计价的模块。该系统的工作环境是IBM主机以及RISC/6000工作站。如今CATIA系统在全世界30多个国家拥有近2000家用户，美国波音飞机公司的波音777飞机便是其杰作之一。(5)Unigraphics(UG) UG起源于美国麦道(MD)公司的产品，1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部。如今EDS是全世界最大的信息技术(IT)服务公司，UG由其独立子公司UnigraphicsSolutions开发。UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。该软件可在HP、Sun、SGI等工作站上运行，自称安装总数近3万台。UG采用基于特征的实体造型，具有尺寸驱动编辑功能和统一的数据库，实现了CAD、CAE、CAM之间无数据交换的自由切换，它具有很强的数控加工能力，可以进行2轴～2.5轴、3轴～5轴联动的复杂曲面加工和镗铣。UG还提供了二次开发工具GRIP、UFUNG、ITK，允许用户扩展UG的功能。UG自90年初进入中国市场，至今已装机2000台套左右。(6)SolidWorks SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的，其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。该软件采用自顶向下的设计方法，可动态模拟装配过程，它采用基于特征的实体建模，自称100%的参数化设计和100%的可修改性，同时具有中英文两种界面可供选择其先进的特征树结构使操作更加简便和直观。该软件于1996年8月由生信国际有限公司正式引入中国，由于其基于Windows平台，而且价格合理，在我国具有广阔的市场前景。1.9.4CAD系统的选择系统软件的选用原则：1.系统功能与能力配置2.软件性能价格比3.与硬件匹配性4.二次开发能力与环境5.开放性6.可靠性