1、计算机辅助设计技术,Computer Aided Design,主讲人：张宁,计算机辅助设计技术,1,1 计算机辅助设计涉及学科 2 计算机辅助设计应用举例 3 计算机辅助设计基本概念 4 计算机辅助设计发展历史与现状 5 计算机辅助设计的关键技术,2,1、课程相关学科,1 计算机辅助设计涉及学科,计算机图形学,计算机图像处理,计算机辅助设计,3,2、学科关系,1 计算机辅助设计涉及学科,图像,图形,4,2 计算机辅助设计应用实例,5,2 计算机辅助设计应用实例,基于WEB的虚拟展示系统 背景 互联网技术发展 360全景图片实现展示 特点 真正步入式三维展示系统 用户个性化定制 快速构建用户三
2、维户型 装修、家具自主定制 虚拟系统展示.avi,6,2 计算机辅助设计应用实例,7,2 计算机辅助设计应用实例,计算机艺术 书法、艺术图片 输入工具：键盘、鼠标、手写笔等等 软件工具：PhotoShop、CorelDraw、PaintBrush等等 优点：功能多、创作轻松、调色方便等等 缺点：目前难以容入人的灵感（未来的研究课题）,8,2 计算机辅助设计应用实例,9,2 计算机辅助设计应用实例,10,2 计算机辅助设计应用实例,11,2 计算机辅助设计应用实例,12,2 计算机辅助设计应用实例,13,2 计算机辅助设计应用实例,14,2 计算机辅助设计应用实例,15,1、CAD技术的概念 C
3、AD技术是计算机系统在工程和产品设计的各个阶段中，为设计人员提供快速、有效的工具和手段，加快和优化设计过程以达到最佳设计效果的一种技术 2、分类 按应用领域划分机械CAD、建筑CAD、电子CAD、工业设计CAD、地图CAD、纹织CAD和服装CAD 按CAD系统所用计算机的类型划分分为大型机CAD系统、小型机CAD系统、工作站CAD系统和微机CAD系统 按照CAD系统的规模进行分类网络环境下的CAD系统和单机环境下的CAD系统,3 计算机辅助设计的基本概念,16,1、发展历史 60年代：奠定基础 麻省理工学院Sketchpad程序，首次提出计算机图形学、交互技术 线框式CAD系统，几何关系，无法
4、表示拓扑 70年代：第一次技术革命 飞机设计中遇到自由曲面问题，提出Bezier算法 达索公司借此算法开发三维曲面造型系统CATIA 70年代末：第二次技术革命 SDRC公司发布了第一个实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS 基本体素进行布尔运算,4 计算机辅助设计的发展历史与现状,17,1、发展历史 80年代：第三次技术革命 CV公司首次提出实体参数化造型方法 PTC公司开发了尺寸驱动的Pro/E参数化软件 90年代：第四次技术革命 SDRC公司在参数化基础上提出尺寸及约束驱动的变量化技术,4 计算机辅助设计的发展历史与现状,18,2、CAD技术的现状 随着CPU性能改进和Wind
5、ows操作系统的不断发展，以前只能运行在工作站上的CAD软件现在也可以运行在微机上。 CAD软件摆脱了原有Unix操作系统的束缚，得到了在Windows平台上的全面拓展。 在我国CAD市场上，已形成了国外大型CAD/CAM/CAE高端软件、国外普及型的三维CAD软件、国外二维CAD软件平台、国产二维CAD软件、国产三维CAD软件等多品种、多层次的产品共存的局面，各类产品之间的竞争愈演愈烈。,4 计算机辅助设计的发展历史与现状,19,3、国内外著名的CAD软件 国外 UG、CATIA Pro/Engineer 、 SolidWorks AutoCAD 国内 清华大学的高华CAD 广州红地技术的金
6、银花软件 大雄CAD CAXA ,4 计算机辅助设计的发展历史与现状,20,4、未来的发展方向 L Piegl, University of South Florida, , Computer-Aided Design 鲁棒性(Robustness) 几何不确定性(Geometric uncertainties) 错误控制(Error handling) CAD引擎(CAD engines) 三维(3D) 概念到设计(From idea to design) 面向残障人士的CAD(CAD for the disabled) 网络CAD(Internet CAD) CAD教育(CAD educa
7、tion) CAD理论(CAD theory) Jon Hirschtick, SolidWorks创始人 主机端计算 开源 视频游戏 触摸界面技术 三维打印,4 计算机辅助设计的发展历史与现状,21,4、未来的发展方向,4 计算机辅助设计的发展历史与现状,22,1、几何造型技术 能将物体的形状及其属性（颜色、纹理等）存储在计算机内，形成该物体的三维几何模型的技术。,5 计算机辅助设计的关键技术,1、线框 2、曲面造型技术,3、实体造型技术,4、特征造型技术 5、参数化特征造型技术,23,5 计算机辅助设计的关键技术,1）、线框模型(Wireframe Model),用顶点和边的有限集合来表示
8、和建立物体的计算机模型。,几何信息,拓扑信息,线框模型在计算机内部是以点表和边表表达和存储的。,24,5 计算机辅助设计的关键技术,线框模型的优、缺点如下： 优点 结构简单，计算机内部易于表达和处理； 模型所需要的几何信息就是线段端点坐标，用键盘或文件输入。缺点 有歧义性； 不能进行物体几何特性(体积、面积、重量等)计算； 不便于消除隐藏线等。,25,5 计算机辅助设计的关键技术,2）、曲面（表面）模型(Surface Model),由有向棱边围成的部分来定义形体的表面，是在线框模型的基础上添加了面信息和表面特征等内容。,可以满足面面求交、线面消隐、明暗处理和数控加工的要求。,26,5 计算机
9、辅助设计的关键技术,曲面造型研究的内容：,曲面的表示、分析和控制，以及由多个曲面块组合成曲面等问题,曲面造型的特点：,曲面所围成的容积的计算可自动进行，因而可以计算模具的容积、制造一个产品所需原材料的体积和重量；,能自动产生数控机床的加工指令(自动确定刀具的切割路径)。可以消隐，做明暗处理。可以求两个面的交线。,27,5 计算机辅助设计的关键技术,3）、实体模型(Solid Model),由若干个相互间具有一定拓扑关系的表面组成的闭包。,实体模型支持剖切、物性分析和有限元分析。,可把物体的无二义性的几何和拓扑信息贮存到计算机中，从而可以自动进行真实感图像的生成和干涉检查。,实体模型和曲面模型的
10、区别,28,2、CAD与其它CAX系统的集成技术,5 计算机辅助设计的关键技术,一般有两种集成方式： 基于主模型的系统集成，CAD系统本身就是一个集成的系统。CADCAE CADCAM 基于标准接口的数据转换 从一个CAD系统转出中性文件，然后导入到其它系统中。实例：UG导出step数据，Ansys导入后进行分析,C3P,CAD CAE CAM,PDM,广义的CAX,29,2、CAD与其它CAX系统的集成技术,5 计算机辅助设计的关键技术,CAD向集成化方向发展,30,3、参数化设计技术 参数化设计（Parametric）设计是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘
11、图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。 在设计过程中，有些设计对象的结构比较定型（即拓扑关系保持不变），只是它们的尺寸由于在不同规格的产品中取不同值而有所差异，如常用的系列化、标准化、通用化的定型件。,5 计算机辅助设计的关键技术,31,4、协同式CAD技术 设计、制造、装配 跨地区 跨企业 多系统,5 计算机辅助设计的关键技术,32,4、协同式CAD技术 CAD系统造型,5 计算机辅助设计的关键技术,33,4、协同式CAD技术 模型网格化传输,5 计算机辅助设计的关键技术,34,5、CAD二次开发技术 CAD开发三种方式 完全自主版权的开发，一切需从底层做起； 基于某个通用CAD系统的二次 开发，CATIA二次开发等； 基于某种几何内核的开发，此类开发比二次开发可以更深入核心层，具有开发周期短、见效快、系统稳定和功能强等特点。 几何内核 概念：几何内核实际上就是一个类库，里面定义了图形数据的存储格式以及大量的图形算法 主要几何内核： ACIS：AutoCAD ParaSolid：UG、Pro/e OpenCASCADE：开源,5 计算机辅助设计的关键技术,35,5 计算机辅助设计的关键技术,CAD技术已成为设计制造全球化的门槛,
