计算机绘图与几何造型课件

第二章第二章 计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型2.1计算机图形学基础计算机图形学基础2.2计算机三维造型原理计算机三维造型原理2.3 AutoCAD2000软件介绍软件介绍2.4 AutoCAD二维视图绘制二维视图绘制2.5 AutoCAD三维实体造型三维实体造型2.6由三维模型生成二维视图由三维模型生成二维视图2.7 由二维视图生成三维模型由二维视图生成三维模型12.1计算机图形学基础计算机图形学基础 制造技术制造技术，对象对象，几何形状几何形状 CAD/CAE，离不开几何图形几何图形和形体形体的描述描述、表示表示、运算运算、加工加工与处理处理 CAD/CAE计算机图形学计算机图形学 计算机图形学，60年代年代开始，新兴学科新兴学科 计算机计算机及图形设备图形设备来输入输入、表示表示、变换变换、运算运算和输出输出图形的原原理理、算法算法及系统系统一、图形的数学描述与物理实现一、图形的数学描述与物理实现二、计算机图形系统的构成及其界面的标准化二、计算机图形系统的构成及其界面的标准化三、计算机图形系统中的坐标系三、计算机图形系统中的坐标系2一、图形的数学描述与物理实现一、图形的数学描述与物理实现 图形图形客观事物客观事物的几何抽象几何抽象 机械产品机械产品，欧几里德几何欧几里德几何 点点、线线、面面、体体 数学描述数学描述，真实形态，物理实现，真实形态，物理实现，存在差异，本质不同 物理实现物理实现显示、绘画、印刷、模型、实物等 抽象的抽象的点、线、面、体，不存在，物理表现也无法实现 抽象的数学描述，抓住了客观对象的主要几几何何特特征征，以便度度量量、描绘描绘、记录记录、比较比较、运算运算、编辑编辑、修饰修饰、变换变换、构建构建等操作。数学描述数学模型数学模型，计算机处理问题的精髓 计算机解决实际问题的路线就是：问问题题分分析析数数学学模模型型算算法法程序程序解答解答3 几几何何形形体体客观世界中，实实物物；计算机图图形形系统系统中，“程序程序”程序运行，并不得到几何形体，而是信息表达信息表达 “程序”“算法算法”数学模型数学模型 几几何何造造型型数学模型各种运算几何形体的各种处理处理：正则运算、透视、变换大小，改变视点、色彩、灯光、纹理、编辑等4 图形的物物理理实实现现图图形形设设备备（如显示器、绘图仪、打印机等）将图形呈呈现现出来，与设设备备密切相关，设备的属属性性和特特征征将体现于最终的图形中 光栅显示器，象素象素点集 象素有大小，象素点阵有分辨率分辨率 5 图形图形与图像图像不同 图形由描述点、线、面、体等几何元素的形状形状参数参数和描述灰度、色彩、线型、线宽等表观特征的属性参属性参数数以及描述图形的方程方程等构成，可以进行数学运算和变换运算和变换 图像由二维坐标、灰度值或色彩值所描述的像像素阵列素阵列构成，可以进行表观涂改表观涂改，不能进行几何运算和变换 光栅式显示器光栅式显示器和点阵式输出设备点阵式输出设备由参数和方程表示的图形图形需要通过某种转换算法转换算法，变成点阵表示的图像图像，才能进行显示或输出6二、计算机图形系统的构成及其界面的标准化二、计算机图形系统的构成及其界面的标准化 计算机图形系统的构成，图图2-1 由计算机计算机、图形设备图形设备、存贮设备存贮设备和特定程序特定程序构成 可移植性可移植性，设备互换性设备互换性 1974年，美国国家标准化局（ANSI），“与与机机器器无无关关的图形技术的图形技术”会议，制定计算机图形标准的规则 1977年，美国计算机协会（ACM），图形标准化委员会，“核心图形系统核心图形系统”（Core Graphics System）的规范。7图图2-1 计算机图形系统及其界面标准计算机图形系统及其界面标准8 计算机图形标准图形系统及应用系统中各界面之间进行数数据据传传送送和通通信信的接接口口标标准准（称之为数数据据及及文文件件格格式式标标准准），以及供图形应用程序调用的子程序功能和格式标准（子程序功能和格式标准（称之为子程序界面标准）子程序界面标准）9 CGM计算机图形元文件 CGI计算机图形接口和面向图形设备的接口标准 GKS计算机图形核心系统 GKS-3D三维图形核心系统 PHIGS程序员层次的交互式图形系统 GL图形程序库 IGES基本图形转换规范 STEP产品数据转换规范 GUI图形化的用户界面10三、计算机图形系统中的坐标系三、计算机图形系统中的坐标系 几何对象，数学描述、形体造型、图形输入输出坐标系 方便造型，实现变换，控制输出五个坐标系：世界坐标系世界坐标系（全局坐标系）造型坐标系造型坐标系（局部坐标系）观察坐标系观察坐标系 归一化设备坐标系归一化设备坐标系 设备坐标系设备坐标系 图2-211图图2-2 计算机图形系统中的坐标系计算机图形系统中的坐标系 12 （1）世世界界坐坐标标系系（WCS:World Coordinate System）：右手直角坐标系，定义整个图形所在的空间“模型空间”，又称“用户坐标系”13 （2）造造 型型 坐坐 标标 系系（MCS:Modeling Coordinate System）：定义基本形体或图素，每一个形体和图素都有各自的坐标原点、坐标轴取向和长度单位，右手直角坐标系，或圆柱坐标系，或球坐标系，或仿射坐标系。造型坐标系造型坐标系可以被放在世界坐标系中的任意指定位置形体形体或图素图素可以放在世界坐标系中的任何指定位置14 （3）观观察察坐坐标标系系（VCS:Viewing Coordinate System）：左手直角坐标系，可在世界坐标系的任何位置、任何方向定义 作用：实现三维模型平面视图 通过视窗平面，输出图形的归一化设备坐标。15 （4）规规一一化化设设备备坐坐标标（NDC:Normalized Device Coordinate System）：左手直角坐标系，对视图区域归一化定义 应用程序应用程序指定视图区域的实际取值范围 NDC标准化接口（GKS），取值范围：（0.0、0.0、0.0）（1.0、1.0、1.0）用户图形数据NDC值应用程序的可移植性16 （5）设设备备坐坐标标系系（DCS：Device Coordinate System）：左手直角坐标系，在图形输出设备上指定窗口和视图区，定义象素或位图的坐标172.2 计算机三维造型原理计算机三维造型原理一、计算机三维几何模型一、计算机三维几何模型二、复杂形体在计算机中的表示方式二、复杂形体在计算机中的表示方式三、实体造型的本质三、实体造型的本质宏编程宏编程四、特征造型四、特征造型五、特征造型用户界面五、特征造型用户界面18一、计算机三维几何模型一、计算机三维几何模型 构成三维形体的几何元素几何元素间有两种重要信息：几几何何信信息息几何元素性质和度量关系，如位置、大小、方向等 拓扑信息拓扑信息几何元素之间的连接关系 在计算机中，几何信息和拓扑信息三维形体 六六 层层 结结 构构：点(Vertex)边(Edge)环(Loop)面(Face)外壳(Sell)形体(Object)有冗赘冗赘 不同类型类型：线框模型线框模型、表面模型表面模型和实体模型实体模型。19 线线框框（Wireframe）模模型型，最早，广泛应用，顶点和邻边，树形结构图图2-3 几何形体的线框模型几何形体的线框模型20 线框模型的特点：结构简单、易于理解、适于多面体 是表面模型和实体模型的基础 对于曲面形体，存在问题：曲面“轮廓线”是随视线方向的变化而变化的；只有顶点和棱边，几何信息不不连连续续，不能表明曲面的形状和实体的充填域，也不能明确地指出给定的点与形体之间的关系（点在形体内部、外部或表面上）不能实现剖切图、消隐图、明暗色彩图、物性分析、干涉检测、加工处理等表示或操作21 表表面面（surface）模模型型，有向棱边形体表面形体，在线框模型的基础上，增加有关面边（环边）信息、表面特征、棱边连接方向等内容 定义了哪些线确定了一个面，以及面在环内还是环外22图图2-4 几何形体的表面模型几何形体的表面模型 23 环环有序、有向边组成的面的封闭边界 边不能相交，相邻两条边共享一个端点 外环确定面的最大外边界，其边按逆时针方向排序 内环确定面中内孔或凸台的边界，其边按顺时针方向排序。在面上沿一个环前进，其左侧总是面内，右侧总是面外24 面面二维几何元素，形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定 一个面可以无内环，但必须有一个且只有一个外环 面有方向性，外环法向矢量方向（以外环按右手法则确定）表面模型可以满足面面求求交交、线、面消消隐隐、明暗色色彩彩图、数控数控加工等的需要 只表达了一个封闭的表面“壳”，实体究竟存在于表面的哪一侧，并没有给出明确的定义 在物性计算、有限元分析等应用中，缺乏完整性25 实实体体（Solid）模模型型，在表面模型的基础上，定义了表面哪一侧存在实体 可用三种方法来定义：在定义表面的同时，给出实体存在侧的一点P；用外环法向矢量来指明实体存在的一侧；用有向棱边隐含地表示，右手法则，可检查形体的拓扑一致性拓扑一致性 拓拓扑扑合合法法的形体在相邻两个面的公共边界上，棱边的方向正好相反26图图2-5 三维形体的实体模型三维形体的实体模型 27 实实体体封闭表面围成的一个空间域，欧氏空间R3中非空、有界的封闭子集，其边界是有限面的并集 几何造型的可靠性和可加工性形体上任意一点的足够小的邻域在拓扑上应是一个等价的封闭圆，即形体上围绕该点的邻域在二维空间中可构成一个单连通域满足这个定义的形体称之为正则形体正则形体 非正则形体非正则形体，图图2-628图图2-6 非正则形体非正则形体 29二、复杂形体在计算机中的表示方式二、复杂形体在计算机中的表示方式 线框模型、表面模型和实体模型是计算机图形系统中几何形体的低层次模型，被用于最简单、最基本的几何形体体素 在应用程序的层面上，复杂形体复杂形体的高层次表示，有：特征表示特征表示 构造的实体几何表示构造的实体几何表示（CSG）边界表示边界表示（BRep）单元分解表示单元分解表示 扫描表示扫描表示30 （1）“构造的实体几何”表示复杂形体可用简单形体的运算组合来表示 正则集合运算和几何变换 常用体素如图2-7 二二叉叉树树，终终端端结结点点是体素或刚体运动的变换参数；非非终终端端结结点点是正则集合运算或刚体几何变换，这种运算或变换只对其紧接着的结点（子形体）起作用 子树（非变换叶子结点）表示结点组合及变换的结果 树根表示最终的结果，即整个形体 图图2-8 CSG树是无二义性的，但不是唯一的31图图2-7 基本体素及其定义参数基本体素及其定义参数 32图图2-8 由简单体素形成复杂形体由简单体素形成复杂形体33CSG表示的优点优点：数据结构比较简单，数据量比较小，内部数据的管理比较容易；每个CSG表示都和一个有效实体相对应；CSG表示可以方便地转换成BRep表示，从而可支持广泛的应用；CSG表示的实体容易修改。CSG表示的缺点缺点：产生和修改形体的操作种类有限，基于集合运算对形体的局部操作不易实现；由于形体的边界几何元素（点、边、面）是隐含地表示在CSG中（由程序形成），故显示与绘制CSG表示的实体需要较长的时间（总要运行一段程序）。34 （2）边界表示用面、环、边、点来定义形体的位置和形状，详细记录了构成形体的所有几几何何元素元素的几何信息几何信息和拓扑信息拓扑信息 便于直接存取各个面、面的边界，以及顶点的定义参数 有利于以面、边、点为基础的各种几何运算和操作，如形体线框的绘制、有限元网络的划分，数控加工轨迹的计算、真实感彩色图形的生成、扭转、拉伸等变形处理35BRep表示的优点优点是：表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的，使绘制BRep表示形体的速度较快，而且比较容易确定几何元素间的连接关系；对形体的BRep表示可有较多的操作和运算；BRep表示的缺点缺点是：数据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据结构的程序比较复杂；修改形体的操作较难实现；BRep表示并不一定对应一个有效形体，需要有专门的程序来保证BRep表示形体的有效性、正则性等。36 （3）CSG与BRep混合表示法混合表示法用CSG作为高层次抽象的数据模型，用BRep作为低层次的具体的表示形式。CSG树的叶子结点除了存放传统的体素的参数定义，还存放该体素的BRep表示；CSG树的中间结点表示各子树的运算结果。用这样的混合模型对用户来说十分直观明了，可以直接支持基于特征的参数化造型功能，而对于形体加工和分析所需要的边界、交线、表面显式表示等，又能够由低层的BRep直接提供。37 （4）特征表示特征表示从应用层面来定义形体，可以较好地表达设计者的意图，为制造和检验产品或形体提供技术依据和管理信息 “特征”是一种概念 从应用的角度来看，实体所具有的属性，如形状、精度、材料和性能等就是实体的特征 从几何形体建模的角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素，是一组可加工表面可加工表面的集合，是一个有形的参数化几何实体参数化几何实体。38 （5）单元分解单元分解表示和扫描表示扫描表示，是为适应某些特定的应用要求而发展的辅助表示方式，需要与上述几种表示方式中的一种或多种配合使用。39 （6）应用系统应用系统中的形体表示方式表示方式：对于一个实用的几何造型系统，不需要同时使用上述五种表示，也不可能只采用其中的一种表示，一般根据应用要求和计算机系统配置采用几种表示相结合的方式，由此形成了 CSG单表示结构，图2-9 BRep单表示结构，图2-10 CSG-BRep双表示结构，图2-11 混合表示结构，在双表示结构的基础上再扩充单元分解表示和扫描表示等。不同表示结构，人机交互方式人机交互方式不同，数据结构数据结构不同40图图2-9 CSG单表示结构单表示结构41图图2-10 BRep单表示结构单表示结构42图图2-11 CSG-BRep双表示结构双表示结构43 70年代初，美国Rochester大学推出了以CSG表示为基础的PADL-1系统；日本北海道大学推出了以Coons曲面片为边界的TIPS系统；美国MIT大学推出了以线框边界为基础的ADAM系统；美国Stanford大学推出了以欧拉操作为基础的Geomod系统；英国Cambridge大学推出了以边界表示为基础的Build-1系统。80年代初，由Build-1演变形成的Romulus系统、美国的PADL-2系统、由ADAM演变形成的ANVIL系统，对几何造型技术的发展起了较大的推动作用 由Romulus发展出了GMS、ME-30、ACIS等几何造型系统；由ANVIL开发出了GMsolid、Unigraphics、CADDS、Tiger等几何造型系统 目前，国际上应用较广的几何造型系统有IBM公司的CADAM、CATIA；SDRC公司的Geomod；PT公司的Pro/Engineer；Spatial Technology公司的ACIS；Cimplex公司的Cimplex等。44三、实体造型的本质三、实体造型的本质宏编程宏编程 无论造型应用程序应用程序采取何种实体表示结构，实体造型实体造型过程都是用户在应用程序的环境中使用相关造型命令造型命令（实质是子程序调用）来构造对象的几何模型几何模型（生成该几何形状的计算机程序和结构化数据），其实质是在进行宏编程宏编程 如下图所示形体的构造过程，是一个CSG树 许多CAD软件可以提供CSG树树，如Solid Edge中由“Edge Bar”可以看到CSG树 由于是宏程序，CSG树也可以编辑修改，并由此改变它形成的几何形体45 任何复杂的几何形体都可用简单形体的组合来表示，通常用正则集合运算正则集合运算来实现这种组合，其中可配合执行必要的几何变换几何变换 简单形体、正则集合运算、几何变换等都是子程序，即软件的工具或命令46四、特征造型四、特征造型 （1）特征造型 工程中的实体具有多方面属性或特征，除了几何特征外，还有容差、材料、性能等特征 全面完整的CAD/CAE/CAM技术要求产品模型中携载所需要的全部信息 传统的实体造型技术建立在单纯的几何表示和操作之上，缺乏应用意义的单纯几何表示和操作与工程技术人员丰富的设计概念和方法不相适应 计算机集成制造系统（CIMS）的发展，要求CAD系统除了满足自身信息完备性之外，还必须为CAE、CAPP、CAM等系统，提供各种非几何信息特征造型技术47 特征造型基于实体的CSG、BRep等表示结构，先生成基本形体特征，再在其上添加或去除一些特征，从而构造出复杂形体，模型中不仅包含了产品完整的几何信息，还包含了所需要的各种非几何信息 它是面向制造全过程，实现CAD/CAE/CAM集成的重要手段 1988年末ISO颁布的PDES/STEP标准草案，将形状、容差和材料特征列为产品信息模型的构成要素特征造型获得了法定地位和广泛应用 在应用软件中，开辟“属性备注”将非几何信息纳入实体模型之中48 特征造型，一方面为设计人员提供了高层的人一机交互语言摆脱了传统的基于几何拓扑的低层次交互设计方法使设计人员集中精力处理较高层次的设计问题设计更加快速、方便、设计质量得以保证 另一方面，特征是一个高层次的设计概念，内部包含了大量设计人员的设计意图，这对于设计的维护以及后续的分析、综合等过程有着重要意义，对于提高CAD系统的自动化程度以及解决CAD与CAE、CAPP、CAM在数据交换过程中存在的不连续性不连续性也有很大帮助 先进的三维造型软件都采用特征造型技术49 （2）特征的定义与分类特征的定义与分类 特征造型技术是一个新兴的研究和应用领域关于特征本身还没有形成一个明确的定义，从不同的应用角度对特征有不同的定义 从零件加工的角度，特征被定义为加工操作和工具有关的零部件形式以及技术特性；从形体建模的角度，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素；从设计人员角度，特征是用于设计、分析和评估的基本元素。总而言之，特征是将设计、分析和加工中使用的几何、拓扑和功能基元重新组织，形成更高层次、更方便设计的操作对象，它应当反映设计、分析、加工、装配等过程中进行推理判断所需要的全部信息。50 从不同的应用角度可以对特征进行不同的分类 从产品整个生产制造周期看，分为设计特征、分析特征、加工特征、检验特征和装配特征；从功能上看，分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征；从复杂程度看，分基本特征、组合特征和复合特征。一个好的特征分类方法有助于对特征进行更深入的研究，包括语义分析、表示、处理等 考虑到实际应用背景和实现上的方便性，可以将基本特征分为：51 形状特征在零件整体上呈一定布局的，具有特定形状并对应特定功能的局部。精度特征形位公差、尺寸公差、表面光洁度和检测要求等非几何信息。材料特征材料种类、机械性能和物性参数等。装配特征包括装配体中各零件的位置关系、公差配合、功能关系、动力学关系等。分析特征有关工程分析方面的特征。例如，有限元分析中的梁特征和板件特征等。52 （3）特征的形式化描述特征的形式化描述 为了给应用程序提供实用的统一表示和处理框架，可以将特征形式化地描述为：特征是满足某些约束关系的特征元素的集合。用式子表示为：特征特征元素1，特征元素2，约束1，约束2，特征特征1，特征2，约束1，约束2，特征元素是指属于该特征的客观和主观对象、外表和内在属性 例如，孔是一个特征，其内表面是人们可以触觉的客观对象，而轴线则为人们无法触觉的主观对象 约束是特征元素之间必须满足的关系，分为几何约束和非几何约束 几何约束是特征的几何拓扑元素之间的约束 非几何约束是诸如功能、应用场合等方面的约束 上述形式化的特征描述具有层次性的显著特点：特征从最基本的几何拓扑元素开始，通过增加约束形成高层的特征，而高层特征通过进一步增加约束，形成更高层次的特征53 （4）特征造型系统的实现模式 目前特征造型系统的实现主要有四种模式：图2-24 特征附加定义 特征自动识别 特征自动重构 基于特征的造型 这四种模式也就是特征造型系统的发展历程54a)特征附加定义模式b)特征自动识别模式c)特征自动重构模式d)基于特征的造型系统图图2-24 特征造型系统的实现模式特征造型系统的实现模式55 早期，采用特征附加定义的方式系统的特征信息 采用传统的实体造型系统零件几何模型 再进入特征附加定义系统，通过交互的定义操作高层的特征信息附加到已有的几何模型之上 实现较为简单，但有很多缺陷：形体设计中仍以低级的几何操作为主，设计效率低 特征交互定义繁琐，而且与几何模型无内在关联，当零件形状发生变化时，其特征交互定义必须重新进行56 特征自动识别模式，采用传统的实体造型系统零件几何模型，然后通过一个针对特定应用领域的特征自动识别系统从几何模型中将所需的特征识别出来 这种方式避免了繁琐的特征交互定义操作，提高了设计的自动化程度，但是由于特征自动识别过程是一个复杂的模式匹配过程，对于复杂零件的识别过程需花费大量的工作时间，此外，对于一些复杂特征，系统不一定能够识别出来57 直接从传统实体造型系统构建的几何模型中自动识别出所需特征存在一定的困难，一种解决途径就是在纯几何模型与特征模型之间引入与特定应用无关的元特征形状特征 首先，通过支持形状特征及操作的形状特征造型系统零件的形状特征模型 然后，根据不同的应用场合，把形状特征模型解释成更高层的应用特征模型 这种方式消除了特征自动识别所带来的复杂匹配过程，具有较高的效率及系统可扩充性，但用户面对的仍然是缺乏实际含义的形状特征和操作，不能很好地支持基于高层次概念设计的工作58 基于特征的造型系统直接把具有特定应用含义的特征作为用户进行高层次的实际工程设计的基本概念和方法，避免了特征的识别和重构，大幅度地提高了设计效率和设计质量，同时，在设计过程中还可以方便地进行设计特征的合法性检验和相关性检验，组织更复杂的特征 这种方式是目前特征造型系统的最高实现方式。在这样的系统中，可以直接对特征进行以下操作：特征的创建与删除 特征属性的修改 特征的复制和参数化引用 同一特征在不同应用场合的变换 特征查询 特征的组合与复合 用户自定义特征59五、特征造型用户界面特征造型用户界面 应用软件，实体造型，基于上述表示法，先生成基本形体特征，再添加或去除一些几何特征复杂实体 流行CAD软件种类很多，依据的计算机图形学原理相同，并且遵守着各种ISO界面标准，但不同开发商提供的产品存在着显著的差别，反映在用户界面上，既大体相似，又有不同风格 AutoCAD2000和Solid Edge 8.0的三维实体造型用户界面，图图2-12，图图2-1360图图2-12 AutoCAD2000窗口布局窗口布局 61图图2-13 Solid Edge 8.0窗口布局窗口布局 62 它们都是Windows程序，界面外观极为相似，各部分对应如下：Auto CAD2000 Solid Edge 8.0标准Windows 主窗口 标准Windows主窗口标题栏 标题栏菜单条 主菜单条标准工具条 主工具条对象特征工具条 特征动态条绘图区 工作区绘图工具条 特定工作环境工具条修改工具条Model和Layout选项卡命令窗口(命令序列)Edge Bar（特征树）状态行（系统状态按钮提示行）提示区世界坐标（WCS）三个参考平面63 AutoCAD2000，集成化单一程序集成化单一程序 Model/Layout选选项项卡卡和系统状态控控制制按按钮钮，切换切换不同的环境 Solid Edge8.0，模块化的软件包模块化的软件包 不同的环境是相对独立的模块模块 四个环境：零件、钣金、装配和工程图 每个环境生成自己独特的Solid Edge文件64 从造型方法来看，AutoCAD2000是实实体体建建模模（如同雕塑），先生成模型的基本形体，然后再通过集合运算，在基本形体上添加或减去一些基本形体，形成复杂形体 基本形体的生成有两种方法：参数化体素参数化体素，图图2-14 轮廓扫掠轮廓扫掠，图图2-15 形体间的集合运算集合运算方式：图图2-1665图图2-14 AutoCAD2000基本体素基本体素 66图图2-15 轮廓扫掠生成实体轮廓扫掠生成实体a)拉延 c)扫掠 b)旋转 d)放样 67图图2-16 体素集合运算体素集合运算 68 Solid Edge 8.0采用的是特特征征造造型型方法，建模过程是特征的生成、添加和去除等操作的累积 Solid Edge Part环境中，特征命令分为三大类：轮轮廓廓特特征征、处处理理特特征征（如倒角、圆角等）和映映像特征像特征（如阵列、镜像等）轮廓特征需要先绘制轮廓才能产生，有添料和除料两类，由此形成形体的加减，因此Solid Edge建模工具中没有集合运算，其特征工具条见图图2-1769图图2-17 Solid Edge 8.0特征工具条特征工具条 70 特征化造型过程具有清晰的树型结构，Edge Bar对话框显示了特特征征树树，并提供了对其进行编辑修改的便利，见图图2-18 AutoCAD2000由于采用的不是特征造型，因此没有特征树。其建模过程在命令窗口中以命命令令序序列列作以记录 命令序列是操作执行程序，一环扣一环，不能象特征树那样被编辑修改。AutoCAD2000提供了较强的实体编辑工具，为模型修改创造条件 71图图2-18 在在Edge Bar窗口中浏览和修改特征树窗口中浏览和修改特征树a)Edge Bar浏览器窗口 b)特征编辑菜单72 三维造型过程中，掌握和灵活运用工工作作空空间间中的坐标系统坐标系统是重要的 Solid Edge中的坐标系统，直观而极易操作 三个主参考平面标示了世世界界坐坐标标（WCS），图图2-19；观观察察坐坐标标的调整由主工具条上的“三维旋转”和“常用视图选择”两个命令就可轻松完成，通过“视图名称列表”工具还可以调用以前定义的视图和定义新视图；造造型型坐坐标标则通过指定参考面和该面上的参考边就可建立，并且以正视方式展示在一个子窗口（草草图图窗窗口口）中，图图2-20，为轮廓绘制创造了极大的便利73图图2-19 Solid Edge工作区中的坐标系工作区中的坐标系 74图图2-20 Solid Edge的草图绘制窗口的草图绘制窗口75 AutoCAD2000中坐标系统显得不是那么直观和方便 在AutoCAD中，“造型坐标系”被称为“用户坐标系（UCS）”，有专门的UCS工具条用于造型坐标的设置、命名和引用等操作，图图2-2176图图2-21 AutoCAD2000用户坐标工具条和对话框用户坐标工具条和对话框77 在AutoCAD中，造型坐标的建立或指定，并不直接产生一个类似于Solid Edge中的草图平面的正视图窗口，只是改变了参数输入的参照系，由UCS坐标系标示符指示，图图2-22 要使轮廓绘制平面呈正视图，需要通过观察坐标的选择或设置来实现 观察坐标的选择和设置是通过View工具条和View Point Presets对话框来完成，选择“相对UCS”，图图2-2378图图2-22 AutoCAD中中UCS的指定及标示符的指定及标示符 79图图2-23 AutoCAD中观察坐标的选择和设置中观察坐标的选择和设置 802.3 AutoCAD2000软件介绍软件介绍 AutoCAD原是一个基于DOS操作系统的命令行驱动程序，后转变为一个成熟的Windows应用软件，从AutoCAD2000开始不再有DOS或UNIX版本 在Windows的多任务环境中，利用OLE，AutoCAD可以从Microsoft Excel、Word、Paint或其它支持OLE的应用程序中拷贝和粘贴文档，也可以直接把AutoCAD图形输出给其它OLE应用程序，不需要任何转换 从AutoCAD2000开始，采用了与Microsoft Office系列应用软件更为一致的界面和对象特征81一、一、AutoCAD启动启动二、二、AutoCAD工作窗口工作窗口三、三、AutoCAD的工具条集合的工具条集合四、二维草图的规划与设计四、二维草图的规划与设计五、五、AutoCAD界面的友好性界面的友好性六、六、AutoCAD的智能绘图功能的智能绘图功能七、几何约束与尺寸驱动七、几何约束与尺寸驱动八、对象选择操作的多样性八、对象选择操作的多样性九、九、AutoCAD的坐标系统和图形的基点的坐标系统和图形的基点十、十、AutoCAD的图层、块、组和设计中心的图层、块、组和设计中心十一、十一、AutoCAD的日志文件的日志文件十二、十二、AutoCAD软件的开放性软件的开放性82一、一、AutoCAD启动启动1.Windows开始程序AutoCAD2000 AutoCAD20002.鼠标双击Windows桌面上的AutoCAD2000图标 启动后，没有图形打开时，绘图窗口为空白，图图2-25 选择“文件（File）新建（New）”，出现Startup（开启）对话框 选择“打开已有文件”、“从草图开始”、“使用模板”等其中一种工作方式，设置缺省单位制，图图2-26 如果是重新启动AutoCAD，这个对话框会自动出现 83图图2-25 AutoCAD空白窗口空白窗口 84图图2-26 AutoCAD开启对话框开启对话框 85二、二、AutoCAD工作窗口工作窗口 五个部分：下拉菜单条、浮动工具条、绘图区、命令窗口、状态行 还有一个隐藏的，局域视图窗口，用于显示所选局部区域的贴近视图 图图2-9为AutoCAD工作窗口的典型布局：顶部是菜单条，菜单条下面和窗口左边是工具条，最下面是状态行，其上为命令窗口，其余部分为绘图区 86 应用程序由人机交互界面人机交互界面和命令集命令集构成 下下拉拉菜菜单单条、工工具具条条和弹弹出出式式菜菜单单（鼠标右键单击）是Windows应用程序通行的三三种种命命令令组组织管理模式织管理模式 工工作作区区（这里是绘图区，Word是文档页面，Excel是图表工作簿，等等）、状状态态行行和任任务务标标题题栏栏（任务标题、窗口最小化、窗口最大化、关闭）是Windows应用程序通行的界面要素通行的界面要素 87 下拉式菜单下拉式菜单选项有三种情况：单一命令，直接执行AutoCAD的某种操作；级连菜单，有三角形指示符（），意味着该菜单项有若干次级命令，它们提供更详细的选项组；还有一些菜单项后面跟一个省略号（），点击该选项会弹出一个对话框。88 工具工具是将命令以“按钮”的形式放在屏幕上，以便操作 工工具具条条是将一类相关的命令集中放置，以便寻找和管理 工具条中的按钮与下拉菜单中的相应选项并无差别，也有三种类型：显示下一级选项（浮出工具条，或称命令抽屉）打开对话框 直接发出操作命令 状状态态行行显示当前命令或选项的简短提示信息，以帮助用户正确操作89 命命令令窗窗口口，AutoCAD2000特有，不同于其它Windows应用程序 以行行文文本本的形式记录用户操作的指令序列和系统的响应及提示，是DOS平台下AutoCAD风格的保留，但不是消极的习惯性保留，而是对纯粹的Windows界面的积极补充，对用户完成命令操作起“即时引导”作用，还可作为一幅图形的生成过程记录（日志文件）保存下来，也可作为一段宏程序使用，这对于AutoCAD软件的二次开发极为有用 单击Standard工具条中的List工具，可以打开AutoCAD的文本（Text）窗口，显示出图形中被选定对象的有关信息90 AutoCAD工工作作窗窗口口的布局和风格可以由用户进行设置 用鼠标进行相应的拖动操作即可，图图2-27，另一种布局 通过Options（选项）对话框进行相应的设置，图图2-28，Options（选项）对话框的“打开与保存”卡，图图2-29所示为Options（选项）对话框“文件列表”卡91图图2-27 AutoCAD工作窗口的另一种布局工作窗口的另一种布局 92图图2-28 Options对话框打开与保存卡对话框打开与保存卡 93图图2-29 Options对话框中文件列表对话框中文件列表 942.3.3 AutoCAD的工具条集合的工具条集合 鼠标右键单击AutoCAD窗口上的任一工具条，屏幕上将出现一个弹出式列表（图图2-30），其中列出了所有的工具条名称，单击钩选任一选项，相应的工具条就出现在屏幕上，再次单击取消钩选，则相应工具条从屏幕上消失95图图2-30 工具菜单工具菜单 963D Orbit（3D姿态）控制三维视图的工具；Dimension（尺寸）用于标注图形的尺寸；Draw（绘图）用于创建二维图形的命令集，包括直线、圆弧、圆、曲线、椭圆及文本等；Inquiry（查询）用于查寻距离、点坐标、对象特性、块特性及区域等的命令；Insert（插入）用于插入其它图形、图象及OLE对象；Layout（布局）用于设置图形的布局，以便查看、打印和绘图；Modify（修改）用于编辑现有对象，如移动、复制、旋转、擦除、修剪、延伸等；97Modify（修改）编辑复杂对象的命令，如多义线、复合线、三维实体及阴影线等；Object Properties（对象属性）设置对象的属性；Object Snap（对象捕捉）帮助用户选取对象上的特定点，如端点、中点、圆心等；Refedit（引用编辑）用于改变符号或背景图形，这些符号和背景图形是作为外部参考图形输入的；Reference（引用）用于控制图形的交叉引用；Render（渲染）用于控制AutoCAD的渲染功能；Shade（明暗）用于控制三维模型的显示方式；Solids（实体）用于创建三维实体；98Solids Editing（实体编辑）用于编辑三维实体；Standard Toolbar（标准工具条）显示控制、文件管理及编辑等常用命令；Surfaces（表面）创建三维表面的命令；UCS（用户坐标系）设置绘图工作平面，是三维建模中非常有用的工具，也有助于绘制二维图形；UCS（用户坐标系）从一系列预先设定的用户坐标系中进行选取的工具；View（视角）用于控制查看三维模型的方式；Viewports（视窗）用于创建和编辑对象的多个视图；Web（网络）连接World Wide Web的工具；Zoom（缩放）放大、缩小图形的命令。99四、二维草图的规划与设计四、二维草图的规划与设计 三维实体几何模型的建立，以二维平面图形（截面轮廓）的拉伸、旋转和三维实体的布尔运算等为主要方法 用于拉伸或旋转而形成三维实体的二维平面轮廓图被称为二维草图二维草图，不同于工程图（三视图）计算机绘图软件具有强大的编辑和修改功能草图的绘制宜采用“从整体到局部，从粗略到精细”的操作策略，这样的绘图过程被称为“规划与设计”100 二维草图绘制的第一步是指定工工作作平平面面，即草图所在的平面，并在其上建立一个造型坐标系造型坐标系，以便于绘图操作 Solid Edge，是通过指定参考平面，再在其上指定一个参考边来完成这个任务的。之后，在工作区中出现一个正视草图平面的子窗口，同时，当前环境工具条变为Draw（绘图）和Modify（修改）工具条，图图2-20 AutoCAD则是通过将UCS移动到工作平面上来完成这个任务的，操作结束后UCS图标落到工作面上的指定位置（由指定原点来确定），但视图窗口并没有变化。要想使视图窗口正视工作面，需要调用View（视图）工具条上的命令改变VCS（视窗坐标系），使其正对于当前的UCS101 Draw（绘图）和Modify（修改）工具条是AutoCAD二维绘图使用的主要工具条，图图2-31 其中各工具的功能说明见表表2-1 Solid Edge将这两个工具条合二为一了 一般的CAD软件还提供了用界标点（Grips）编辑或修改图形的功能。102图图2-31 绘图与修改工具条绘图与修改工具条 103表表2-1 AutoCAD绘图工具条与修改工具条中的工具绘图工具条与修改工具条中的工具 104五、五、AutoCAD界面的友好性界面的友好性 AutoCAD软件为其命令操作提供了丰富的友好性支持，使用户的操作更加方便和灵活。AutoCAD的绘图和造型工具的命令操作方式命令操作方式有两种类型：“主主/谓谓”型在执行命令之前，选取命令作用的对象 “动动/宾宾”型在执行命令之后，选取命令作用的对象 图形编辑命令，几乎所有图形软件都默认采用“主/谓”型 有一些命令只能采取“动/宾”型，尤其是那些需要选取多个对象的修改或构造命令 AutoCAD软件允许用户设置命令的操作方式。当执行一个不适于主/谓操作的命令时，系统会自动撤消已有的选取，并显示提示信息，要求用户重新选择对象，因此用户不必记住哪些命令不适于主/谓操作105 在交互式的用户界面上进行绘图或造型操作时，理解系统与用户的交流方式是至关重要的。AutoCAD软件提供了丰富的界界面面信信息息，以提示用户“系统目前处于什么状态，用户应当或可以做什么？”工具条上的激活按钮激活按钮表明系统当前的命令状态 不同的光标样式光标样式也表明系统的不同状态，表表2-2 工具提示框工具提示框以文本方式显示出光标所指按钮的命令名 状状态态行行以文本方式显示出系统当前的操作状态、选点光标当前位置的坐标值、需要用户进行的操作等 命命令令窗窗口口以文本方式显示出用户输入的命令和数据，给出下一步操作的引导等 鼠标右键单击鼠标右键单击弹出的菜单列出了鼠标所指区域可进行的操作106表表2-2 AutoCAD光标样式的含义光标样式的含义 107 AutoCAD命令（Command）窗口中出现一组选项（在 中）时，应当注意其中的大小写字母。如果用键盘输入以选取相应的选项，只需要输入这些大写字母 AutoCAD命令提示具有清晰的树型结构树型结构 图图2-32为画弧（Arc）命命令令结结构构。用户发出命令后，作为响应，AutoCAD以提示行信息的形式提供若干选项。根据用户选择的选项不同，AutoCAD可能进一步提供下一级的选项组，或者进行某种操作108图图2-32 AutoCAD画弧（画弧（Arc）命令结构）命令结构 109 AutoCAD的界面样式界面样式可以由用户设置 选 择“工 具（Tools）偏 好（Preference）”打 开 偏 好（Preference）对话框，在其中就可以完成对界面样式的设置 AutoCAD还允许用户对键盘和鼠标操作进行设置 在线帮助在线帮助是大多数软件都具有的 按F1键或菜单条上的“HelpAutoCAD Help Topics”，屏幕上出现AutoCAD的帮助主题窗口，图图2-33，选择相应的主题或输入检索词，就可找到所需的说明 在某个命令操作过程中打开AutoCAD的帮助窗口，则与该命令相关的说明就直接显示出来，图图2-34为启动Move命令之后按F1键或菜单条上的“HelpAutoCAD Help Topics”所得到的结果110图图2-33 AutoCAD帮助主题窗口帮助主题窗口 111图图2-34 AutoCAD命令操作说明命令操作说明 112 AutoCAD2000软 件 包 中 还 有“AutoCAD Learning Assistant（AutoCAD学学习习助助手手）”，提供了大量的快速提示和简单教学练习 还有一些其它获取帮助的手段。如Whats New概述了AutoCAD2000的新增功能；Support Assistant给出了一系列经常遇到的问题的答案，其特有的支持工具可以通过AutoCAD Web网址更新；Autodesk on the Web 提供了Autodesk网址上的一系列流行网页，读者可以寻找一些新的信息、下载某些工具、进行软件升级以 及 找 到 AutoCAD完 成 某 些 工 作 的 新 方 法；Connect to AutoCAD2000 Website启动缺省的Web浏览器并链接到Autodesk网址 113六、六、AutoCAD的智能绘图功能的智能绘图功能 智智能能绘绘图图是在用户操作过程中由CAD软件自动发现和保持某种几何特征的动态辅助绘图功能，也可称为捕捕捉捉跟跟踪功能踪功能 在用户执行绘图操作过程中，随着定点光标接近某些特定的方向、特定的几何点或特定的几何关系时，系统自动地发现、捕捉和跟踪它们，从而帮助用户精确绘图 系统对特定方向的捕捉与跟踪称为极极点点跟跟踪踪（Polar Tracking），对特定几何点的捕捉称为对对象象捕捕捉捉，对特定几何关系的捕捉称为关系捕捉关系捕捉114 智能绘图功能可以由用户进行设置 对哪些几何特征和方向进行捕捉，自动捕捉的范围大小（决定捕捉灵敏度和分辨性）等，均可在设置对话框中进行更改 智能绘图功能被启动后，定点光标到达相应几何点附近或接近相应的方向或几何关系时，系统会显示出一个临时的、动态的符号，指示被捕捉到的几何点、方向或关系 被捕捉到的几何点、方向或关系一旦被采用（鼠标左键单击），就形成了相应的几何约束，并在以后的图形修改中被保持 115 动动态态捕捕捉捉功能与动动态态跟跟踪踪功能相配合，使定点光标在移动过程中锁定跟踪被捕捉到的几何点、方向或关系 在Solid Edge中，将这些智能绘图功能称为关关系系指指示示器器，并将动态捕捉和跟踪功能合二为一 在画线操作中的“封闭（Close）”命令，用来封闭一系列连续画出的线段序列，即将线段序列的起点与终点连起来，这也可以被看作是一种捕捉功能 图图2-35是AutoCAD画图设置（Drafting Settings）对话框中的对象捕捉选项卡116图图2-35 AutoCAD中常见的几何捕捉标记中常见的几何捕捉标记 117七、几何约束与尺寸驱动七、几何约束与尺寸驱动 几几何何约约束束，是指对图形中几何元素之间某些特定几何关系所施加的控制，无论怎样改变图形，这些关系始终保持不变 在智能绘图过程中，一些几何关系通过动态捕捉和跟踪功能，已经被施加到图形中。另外还有一些关系命令，使用户可以为图形增加关系约束，从而更加精确地修改图形 被施加的关系约束，以相应关系标记关系标记显示出来 118 除了几何约束之外，大多数CAD软件还可对图形施加尺寸约束尺寸约束 用户可以在草图绘制过程中淡化尺寸，即先用绘图命令勾画轮廓形状，再利用尺寸标注工具标注尺寸 图形上一旦标注了尺寸，就形成了相应的尺寸约束，其后几何形状的改变就受这些尺寸的制约 已经标注的尺寸还可以重新标注或修改，相应图形也就随之改变，这就形成了所谓的尺寸驱动尺寸驱动 还可以对尺寸设定某种表达式（尺尺寸寸表表达达式式），从而建立尺寸与尺寸、尺寸与变量、图形与图形、图形与变量之间的关系约束 对图形形成约束的尺寸被称为驱驱动动尺尺寸寸。所有的驱动尺寸构成一个变量表变量表，可以在变量表中直接改变某些驱动尺寸的值 一个图形的全部尺寸中不可能都是驱动尺寸，还有一些被被动动尺尺寸寸，其值受相关图形元素的控制，一旦图形改变，这些尺寸自动更新，但改变这些尺寸的数值时，却不能改变图形119 在特征工具条上有一个命令选项被用来指定尺寸的类型，是驱动型还是被动型，缺省设置为驱动型。这两种类型以尺寸标注的颜色不同来区分 某些尺寸由于其它尺寸和关系的约束无法成为驱动尺寸时，它们被自动设置为被动尺寸 AutoCAD软件中图形的各部分尺寸都是由绘图或修改命令直接输入的，尺寸标注并不对图形产生影响和约束，因此也就没有驱动尺寸和被动尺寸之分，任何一个尺寸都可以随意进行修改。当然，由于几何约束的存在，某一尺寸被修改后，图形的相关部分，进而有关尺寸也随之变化 也就是说，AutoCAD软件中图形的任何一个尺寸都是驱动尺寸，也又都是被动尺寸。120八、对象选择操作的多样性八、对象选择操作的多样性 在图形软件中，对象选择操作是必须和经常的，方法多种多样 “点选点选”用对象选择光标点击 “划选划选”用点选光标拖动划线掠过被选对象，可同时选择多个对象 “框选框选”用选择框来框定被选对象，可同时选择多个对象 AutoCAD有两种对象选择框：标准选择框（又称实窗口）所选对象是完全被包围其中的；交叉选择框（又称虚窗口）选择的是所有与框线相交的对象 在标准光标和选点光标下单击绘图区的任何空白部分，都会启动这两种选择框，光标向右拖动为标准选择框，光标向左拖动为交叉选择框121也可在命令窗口中键入对象选择命令来进行对象选择操作。AutoCAD的对象选择命令有：AllallCrossingCCrossing PolygonCPFenceFLastLMultipleMPreviousPWindowWWindow PolygonWPAutoauSinglesi122九、九、AutoCAD的坐标系统和图形的基点的坐标系统和图形的基点 AutoCAD软件采用的坐标系统由四种坐标构成：世世界界坐坐标标系（WCS）：图形或几何模型所存在的坐标系，它是所有坐标变换的基准 视视图图坐坐标标系（VCS）：用户观察图形或几何模型，或者生成三维形体的平面视图所采用的视窗坐标系 用用户户坐坐标标系（UCS）：当前绘图操作的坐标系，选择合适的用户坐标系使得绘图命令中的坐标值输入简捷而准确 相相对对坐坐标标系：AutoCAD允许用户在绘图操作过程中，以上一点为基准确定下一点的位置，这时只要输入下一点相对于上一点的相对坐标值即可，方式是在输入的坐标值之前冠以“”相对坐标有两种极坐标和直角坐标。前者的格式为“距离值角度值”；后者的格式为“相对x坐标值，相对y坐标值”123 在AutoCAD环境中，移动、粘贴或导入一个图形对象时，需要指定一点作为基点基点 移动变换需要一个移动起点和一个移动矢量，基点就是这个移动矢量的起点，随后通过鼠标拖动光标在屏幕上划过的距离和方向，或者通过键盘输入的移动终点坐标，就确定了移动矢量 基点可以在图形内，也可以在图形外，不论它是否在被移动对象上，都与被移动对象一起进行刚性移动刚性移动124 向当前图形中插入一个由外部引入的图形粘贴或导入操作时，也需要指定一个基点，以确定被插入图形在当前图形中的位置，这种基点被称为插入基点 所有的图形都有基点，缺省的基点是绝对坐标（0，0，0），用基点（Base）命令可以改变图形的基点125十、十、AutoCAD的图层、块、组和设计中心的图层、块、组和设计中心 AutoCAD提供了强大的图形组织与管理功能 层层（Layer）用于区分同一幅图中不同类型的信息 一幅复杂的图形由许多“透明”的层片叠加而成，每一层上存放不同的各类信息。各个层可以随时打开或关闭，使它们能够分别显示或绘制，或者以不同组合的方式显示 AutoCAD对层数没有限制，在新图中缺省层号为0126 图图层层工具（Layers）在属属性性（Properties）工具条中和格式格式（Format）下拉菜单中 点击图层命令弹出层属性管理器（Layer Properties Manager）对话框定义一个新层或对已有层的属性进行设置或修改127 块块（Block）的概念在字处理软件中是众所周知的，它是文档中被选定的一组字符、一段文字或一部分图表等，可以拷贝（复制）、粘贴、移动或删除，在Windows环境中还可以将其复制到剪切板中，从而在多任务间共享 AutoCAD用块的方式编辑图形文档的做法与字处理软件相似 在一个图形文件中，可以将选定的一部分图形定义成一个块，从而保存或插入其它图形文件或同一文件的另一个地方，也可将整个文件作为一个块来使用128 创建（定义）一个块，就是通过块定义对话框给被选定的部分起一个块名，并选定块的基点（也就是块的插入参考点）和块所包含的对象 块只存在于其创建操作所发生的当前文件中，除非用户特意将其作为图形文件保存到磁盘上（用块保存命令）129 被定义为块的图形是一个没有“模型驱动”的图符，不能用绘图命令或修改命令进行修改 要修改已定义的块，必须先将其分解为组件（有模型驱动），然后分别进行编辑，最后再重新组合成块，这个过程称为块的重定义 在图形中插入块实质上是一种动态链接，当重新定义已被插入到图形中的块时，图形中所有对该块的“引用”之处都将随着发生相应变化 当用插入块（Insert Block）工具将一个图图形形文文件件插入到当前图形中时，被插入的图形自动变为当前图形中的一个块，但对于块的重新定义不会影响到被引用的图形文件，除非用户特意用块保存命令将其覆盖 在图形中插入块时，可对块进行缩放和旋转，也可修改被插入块的属性，使其沿某个方向延伸130 块是一个非常有用的功能，但由于其动态链接的本性