清华大学计算机基础教育课程系列教材 计算机辅助设计 技术基础教程 唐龙等编著
第 1章 CAD技术概述 1. 1 CAD技术应用与发展概况 1. 2 CAD系统的软硬件技术基础
1. 1 CAD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 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 程产品设计周期、 提高设计质量的目的。 简单地讲，CAD是 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. 2 CAD技术的重要应用 CAD是计算机科学与 程设计学科相结合形成的新 兴技术，是计算机在 程中最有影响的应用技术之一。 CAD技术曾被美国国家 程科学院评为当代十项最杰出 的 程技术成就之一。 无论是军事 业还是民用 业，无论是建筑行业还 是制造加 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 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 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 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； 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 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 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 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 程公司应用CAD技术，在盘绵乙烯装 置 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 结束后剩 余钢管不到 10米。
1. 1. 3 CAD技术应用实例图示 一些图形网站如http: //rhino 3 d. com/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。
CAD For Products 2018/3/15 10
CAD In Architecture 2018/3/15 11
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Simulation/Trainning 2018/3/15 14
Advertisement 2018/3/15 15
Entertainment 2018/3/15 16
Entertainment 2018/3/15 17
Visualization • Study on how to transfer the scientific data set into visible images, to help the people to understand their meaning easily. 2018/3/15 18
Visualization 2018/3/15 19
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Virtual Reality 2018/3/15 23
Wireframe Vs. Solid Models - Illustration 2018/3/15 24
Modelling with Curved Surfaces 2018/3/15 25
Wireframe Vs. Solid Models - Illustration 2018/3/15 26
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Distributed Architecture VR System (Supported by National Hi-tech 863 Program) u VR is introduced in design procedure u The effects of model, illumination and sound can be experienced in the virtual world. u CSCW team work is supported. 2018/3/15 30
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Image based Modeling and Rendering 1 2 3 2018/3/15 32
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Special Effects of Ink-Wash Drawing 2018/3/15 34
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1. 1. 4 CAD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 1950 MIT 能够显示简单图形的图形显示器 1958 Calcomp 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，Ivan Sutherland 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 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-3 D、PHIGS、 Open. GL、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. 1. 5 CAD软件技术的发展 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。
1. 2 CAD系统的软硬件技术基础 什么是CAD系统？ CAD系统是以计算机硬件为基础，系统软件和支撑软件 为主体，应用软件为核心组成的面向 程设计问题的信 息处理系统。 CAD系统与一般计算机系统的差别： 一般计算机系统：计算机+外围设备。 CAD系统：人与计算机及外围设备协调运行的系统。其基 本功能是交互性（对话功能）。
1. 2. 1 CAD系统结构与功能 1. CAD系统的结构可用分层体系结构进行描述。 CAD 程应用软件. . . CAD 具软件：Auto. CAD, Solidworks, Pro/E. . . 应用软件 支撑软件 数据库系统：Oracle, Sybase, Forpro … 网络协议：TCP/IP, SPX/IPX 操作系统：Windows 3. x, Windows 95/98/NT, UNIX 系统软件 硬件平台：网络，计算机，绘图机，打印机. . . 硬件系统 CAD系统的体系结构
2. 系统功能分析 （1）硬件应具备的基本功能： 计算功能、存储功能、输入输出功能、交互功能 。 （2）软件应具备的基本功能： 就机械产品CAD系统来讲，应是： 产品几何造型的功能（线框、曲面与实体造型）、 2 D和3 D图形处理功能、 有限元分析功能、 优化设计过程、 数据库管理功能等。
3. CAD系统软件层次结构 CAD 专用软件 图形支撑软件 数据库软件 CAD 支撑软件 有限元分析软件 优化方法库 操作系统 系统软件 高级语言编译器 网络软件
（1）系统软件 主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、 装入与运行。 操作系统：Windows 95/98、 UNIX、Windows NT等。 语言编译系统：Visual C/C++、 Visual Basic、Auto. Lisp等。 （2）支撑软件 是为满足CAD/CAM用户共同需要而开发的通用软件。 数据库管理系统：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/Sybase等。 计算机分析软件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS等。 图形支撑软件：可分为图形处理语言及交互式绘图软件。
（3）专用软件 用户利用计算机所提供的各种系统软件、支撑软件，编 制解决用户各种实际问题的程序称为应用软件。开发应用软 件是CAD 作者的一项重要 作。
常用CAD软件 国内应用较广的微机CAD软件有： Autodesk公司的 Auto. CAD及MDT, Solidworks公司的 Solidworks， 美国CV公司的 CADDS软件的微机版本PD（Personal Designer）; Micro. Station软件，Micro-CADAM软件，CADKEY软件， Solid. Edge软件等。
程 作站CAD/CAM系统软件有： 美 国 SDRC公 司 开 发 的 I-DEAS（ Integrated Engineering Analysis Software）， IBM公司开发的CATIA（Computer-Graphics Aided Three-Dimensional Interactive Applications）， 法国Matra公司 EUCLID软件， 美国EDS公司 UG II (UNIGRAPHICS II)软件， 美国PTC公司 Pro/Engineer系统 。
1. 2. 2 CAD系统的类型 按照CAD系统中采用的计算机类型、外围设备以及它 们之间的联系方式，CAD系统可分为主机型CAD系统、 程 作站CAD系统、微机CAD系统和基于网络环境的CAD 系统。 CAD系统经历过三个阶段的发展，即许多用户共享一 台计算机；一个用户用一台计算机；一个用户共享多台计 算机。
（1） 程 作站系统 程 作站是具有高速的科学计算、丰富的图形处理、 灵活的窗口及网络管理功能的交互式计算机系统。这种 系统的特点是：一个用户用一台计算机，并且具有联网 功能。这也是它与具有分时系统的超级小型机的不同之处。 SUN 、 SGI、 HP、 DEC和 IBM等大型计算机公司广 泛采用 程 作站系统，因此 程 作站在国外CAD系 统中占有主导地位。
（2）微机CAD系统 是以一台微机为主的单用户系统。 显示设备：图形显示器 输入设备 主机 外存储器 输出设备 通讯接口 操作系统 微机CAD硬件系统
（3）网络分布CAD系统 应用计算机技术和通信技术，将分布于各地的各类 计算机以网络形式连接起来进行产品的设计 作。 Server 文件服务器 数据库服务器 TCP/IP Client 微机 作站 CAD网络示例 . . .
1. 2. 3 计算机及其输入输出设备 计算机主机 扫描仪 数字化仪 图形输入设备 数码相机 CAD 硬件 光栅扫描显示器 图形显示设备 液晶显示器 打印机 图形绘制设备 CAD硬件设备 笔式绘图机 喷墨绘图机
1. 微机组成与分类 按微机的设备组成，微机设备可分为内、外两部 分：内部设备通常包括主板、CPU、内存储器、 显示卡、电源、输入输出接口等；其中输入输出 接口又分为串行口和并行口，它们分别可以连接 鼠标、打印机等外部设备；主板上通常有几个扩 展槽，用来连接外部设备等。 外部设备一般包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光 盘驱动器、键盘、鼠标、显示器、声卡、网卡、 调制解调器等。
2. 计算机输入设备 图形输入设备可将用户的图形结果及各种命令等转换为电 信号，并传送给计算机。 （1） 物理设备 键盘、鼠标器、数字化仪、图形输入板 键盘 由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。 鼠标器 可以方便、准确地移动光标进行定位，它是窗口 软件和绘图软件的首选输入设备。 数字化仪和图形输入板 矢量图形输入设备。 语音输入与扫描输入
（2） 逻辑设备 图形输入设备从逻辑上分为 6种功能，即定位（locator）、 笔划（stroke）、数值（valuator）、选择（choice）、拾 取（pick）及字符（string），也可称为 6种逻辑设备。 图形输入设备的逻辑分类 名称 相应的典型设备 基本功能 定位 鼠标器、拇指轮 输入一个点的坐标 笔划 鼠标器、拇指轮 输入一系列点的坐标 数值 数字键盘 功能键、鼠标器 输入一个整数或实数 选择 拾取 字符串 光笔、鼠标器 字符键盘 由一个整数得到某种选择 拾取一个显示着的图素 输入一串字符
所谓逻辑设备，是指按逻辑功能定义的设备， 而不是具体的物理设备。一种逻辑设备对应于一种或 一类特定的物理设备，而实际的图形输入设备又往往 是某些逻辑输入功能的组合。
3. 计算机图形输出设备 常用的图形输出设备可以分为两大类。一类是与图形 输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速地生成、 删除和修改图形的显示设备。另一类是在纸上或其他介质 上输出可以永久性保存的图形的绘图设备。后者也称为硬 拷贝设备。 硬拷贝设备: 1）打印机（Printer） 按打印机的打印方式来分，目前常用的打印机有：点 阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。 2）绘图仪（Plotter） 根据在图纸上形成图形的不同原理，绘图仪分为喷墨、 激光、静电和笔式绘图仪。喷墨和笔式绘图仪是目前常用 的绘图设备。
习题 1 1 -1 什么是计算机辅助设计？它的主要作用是什么？ 1 -2 CAD技术的主要应用领域有哪些？ 1 -3 计算机 作方式经历了哪几种变化？相应构成了哪 几种类型的CAD系统？ 1 -4 CAD系统的硬件主要有哪些？它们的作用是什么？
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