现代设计理论与方法计算机辅助设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4章 计算机辅助设计,主要内容：,了解计算机辅助设计； 了解工程数据的处理方法； 掌握计算机图形处理与三维造型； 了解CAD系统的二次开发。,1,4.1 概述,4.1.1 计算机辅助设计的发展,计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术是电子信息技术和设计技术紧密结合的技术。,2,4.1.1 计算机辅助设计的发展,CAD其概念和内涵正在不断地发展中。1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开 “关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：,CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以,计算机为工具,，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等,设计活动,的总称 。,3,4.1.1 计算机辅助设计的发展,它把计算机所具有的运算快、计算精度高、有记忆、逻辑判断、图形显示以及绘图等特殊功能与人们的经验、智慧和创造力结合起来，从而减轻设计人员的体力劳动，提高设计质量，缩短设计周期 。,4,4.1.1 计算机辅助设计的发展,1.计算机的发展,1642年，法国数学家帕斯卡成功地制造了第一台钟表齿轮式,机械计算机,，但仅能做加减法运算。在此基础上，德国数学家莱布尼兹于1678年发明了可做乘除运算的计算机。,5,4.1.1 计算机辅助设计的发展,二次世界大战，随着火炮的发展，弹道计算日益复杂，原有的一些计算机已不能满足使用要求，迫切需要有一种新的快速的计算工具。这样，在一些科学家、工程师的努力下，在当时电子技术已显示出具有记数、计算、传输、存储控制等功能的基础上， 1946年美国宾夕法尼亚大学埃克特等人研制成功世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”。他的计算速度是手工计算的20万倍。它计算炮弹弹道只需要3秒钟，而在此之前，则需要200人手工计算两个月。,6,4.1.1 计算机辅助设计的发展,2.计算机技术的发展,20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的计算机辅助,设计技术,。,60年代初期出现了cad 的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。,70年代，完整的cad 系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器 ，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了cad技术的发展。,7,4.1.1 计算机辅助设计的发展,80 年代中期以来，cad 技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为cad 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；网络技术、多处理机和并行处理技术在cad中的应用，极大地提高了cad系统的性能；人工智能和专家系统技术引入cad。,8,4.1.1 计算机辅助设计的发展,CAD/CAM技术的发展,50,年代,萌芽期：,图形显示器,(50),NC,机床,(52),绘图仪,(58),60,年代,成长期,:,CAD(63),GRAPHI,等大型,CAD/CAM,系统问世,70,年代,发展期,：,CAD/CAM,软硬件系统商品化,9,4.1.1 计算机辅助设计的发展,CAD/CAM技术的发展,80,年代,普及期,：,PC,微机和工作站系统广泛使用,，从大型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展,90,年代,集成期：,CAD/CAM,集成，,CIMS,集成,10,4.1.2 计算机辅助设计的基本功能,几何,造型,工程,分析,仿真,模拟,图形,处理,计算机辅助设计的基本功能,11,4.2 CAD 系统,软件,核心,人,关键,硬件,基础,CAD系统组成,人：,有着不可替代主导作用,硬件：,是基础，包括主机、计算机外部设备以及网络通讯设备等,软件：,是核心，决定系统性能的优劣，包括操作系统、应用软件等；,12,4.2.1 CAD 系统的硬件,CAD系统的硬件一般由计算机主机、常用外围设备、图形输入设备和图形输出设备组成。图形输入和输出设备种类很多，可根据需要进行选配 。,存贮器,计算机,主机,输入装置,输出装置,CAD系统硬件组成,13,4.2.1 CAD 系统的硬件,14,4.2.2 CAD 系统的软件,应用软件,支撑软件,系统,软件,CAD系统的软件组成,15,4.2.2 CAD 系统的软件,系统软件：,对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统和数据通信系统等。,操作系统,：计算机软件核心，有CPU管理、内存,管理、I/O管理、文件管理等功能，常用,操作系统有DOS、Windows、Unix等。,语言编译系统：,如Basic、C/C+、LISP等编,译系统，将高级语言转换为计算机机器语言。,图形接口标准：,如 GL/OpenGL等图形接口标准，,独立于硬件设备和各种不同的计算机语言。,16,4.2.2 CAD 系统的软件,支撑软件：,是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具。,交互绘图软件：,主要完成二维工程图样的绘制，,如AutoCAD、CAXA等。,三维造型软件：,如 Solidworks、Solidedge等。,工程分析软件：,如 ANSYS、ADINA等。,综合集成支撑软件：,如 UG、PRO/E、CATIA等,具,有CAD、CAE、CAM等综合功能。,17,4.2.2 CAD 系统的软件,应用软件：,在系统软件和支撑软件基础上，针对某一,具体应用,开发的软件，如机床设计、夹具设计、汽车车身设计等CAD或CAE软件系统。,18,4.2.3 CAD 硬件系统的形式,1.主机分时系统,这种系统一般以小型机以上的计算机为主机，集中配备某些公司的外部设备，如绘图机、打印机、磁带机等，以分时的方式接出许多用户工作站及字符终端。,2.小型机成套系统,19,4.2.3 CAD 硬件系统的形式,3. 工作站系统,摒弃了多用户分时系统的结构，采用网络技术，由于系统的单用户性质，保证了优良的时间响应，提高了用户的工作效率。,工作站本身具有强大的分布式计算功能，能够支持复杂的CAD作业和多任务进程。但由于硬件技术的飞速发展，使工作站与微型机系统的界限变得模糊了。,4.微型机系统,一个微型机系统的构成，一般每台微型机只配一个图形终端，以保证对操作命令的快速响应。,20,设计数据,数表,线图,常数数表,普通线图,列表函数,程序化,（数组）,单个编程处理,文件化,数据库,离散为数组,插值计算,函数拟合,直接应用公式,折线图,带有公式,处理方法,数据类型,4.3 工程数据的处理方法及程序编制,21,4.3.1 数表的分类及存取,90 100 110 120 130 140 150 160,k,0.68 0.74 0.79 0.83 0.86 0.89 0.92 0.95,一维数表,例：,由带包角查取修正系数k,二维数表：,例：齿轮传动工况系数KA,工况系数,KAjl,工作平稳,中等冲击,较大冲击,j=0,j=1,j=2,工作平稳,I=0,1.00,1.25,1.75,轻度冲击,I=1,1.25,1.50,3.00,中等冲击,I=2,1.50,1.75,3.25,22,4.3.1 数表的分类及存取,多维数表,例：,齿 形 公 差,23,一维数表,例：,由带包角查取修正系数k,用2个一维数组进行程序化 。,float,alfa8=90.0,100.0,110.0,120.0,130.0,140.0,150.0,160.0;,float kalfa8=0.68,0.74,0.79,0.83,0.86,0.89,0.92,0.95;,90 100 110 120 130 140 150 160,k,0.68 0.74 0.79 0.83 0.86 0.89 0.92 0.95,4.3.1 数表的分类及存取,24,4.3.1 数表的分类及存取,二维数表：,例：齿轮传动工况系数KA,工况系数,KAij,单班,双班,三班,j=0,j=1,j=2,工作平稳,i=0,1.00,1.25,1.75,轻度冲击,i=1,1.25,1.50,3.00,中等冲击,i=2,1.50,1.75,3.25,用二维数组进行程序化,float a33=1.0,1.25,1.75,1.25,1.5,3.0,1.5,1.75,3.25;,25,4.3.1 数表的分类及存取,多维数表,例：,齿 形 公 差,26,用三维数组进行程序化,float ff3612= 2.1,2.6, ,90,2.4,3.0,125,2.5,3.4,140,2.4,3.0,112,2.5,3.2,140,3.4,280,2.6,3.4,160,2.8,3.8,180,4.5,450,3.0,4.2,224,3.2,4.5,250,5.0,500 . ;,4.3.1 数表的分类及存取,多维数表,例：,齿 形 公 差,27,4.3.1 数表的分类及存取,二维数表：,例：齿轮传动工况系数KA,工况系数,KAij,单班,双班,三班,j=0,j=1,j=2,工作平稳,i=0,1.00,1.25,1.75,轻度冲击,i=1,1.25,1.50,3.00,中等冲击,i=2,1.50,1.75,3.25,28,检索齿轮传动工况系数C语言程序：,#include ,main(), int i,j;,float ka33=1.0,1.25,1.50,1.25,1.5,3.0,1.5,1.75,3.25;,while(1), printf(“输入载荷特性(0,1,2): ”);,scanf（“%d”，,if(i=0,while(1), printf(“输入工作班数(0,1,2): ”)；,scanf（“%d”，,if(j=0,printf(“得到的齿轮工况系数为%f,”,kaij);,4.3.1 数表的分类及存取,29,数表数组化表示存在的不足：,1）使程序膨胀、累赘，仅适合于小型数表；,2）数据的独立性较差,数表文件化：,可使程序简练；,使数表与应用程序分离；,一个数表文件可供多个应用程序使用；,提高数据系统的可维护性。,4.3.1 数表的分类及存取,30,平键数表文件化,4.3.1 数表的分类及存取,31,建立数表文件C语言程序：,#include ,#define num=12,struct key_GB float d1,d2,b,h,t,t1;, key;,void main(), int i;,FILE *fp;,If(fp=fopen(“key.dat”,”w”)=NULL), printf(“Cannot open the data file”);,exit();,for(i=0;i8,else printf(“The diameter d is not in range, input again!”);,for(i=0;ikey.d1&d0沿+x方向错切； b0沿+y方向错切； d0沿-y方向错切。,a=1,b=0,c=0；,d=d,e=1,f=0，,61,3.组合变换,4.5.3 二维图形的几何变换,指对图形做一次以上的基本几何变换。,1）平移组合变换,求点,P,(,x,y,)经第一次平移变换（,Tx,1,Ty,1），第二次平移变换（,Tx,2,Ty,2）后的坐标,P,*（,x,*,y,*）,解：设点,P,(,x,y,1)经第一次平移变换后的坐标为,P,(,x,y,1)，则,62,3.组合变换,4.5.3 二维图形的几何变换,指对图形做一次以上的基本几何变换。,1）平移组合变换,经第二次平移变换后的坐标为,P,*(,x,*,y,* 1),变换矩阵为,Tt,=,Tt,1,Tt,2,63,3.组合变换,4.5.3 二维图形的几何变换,指对图形做一次以上的基本几何变换。,1）平移组合变换,变换矩阵为,Tt,=,Tt,1,Tt,2,64,3.组合变换,4.5.3 二维图形的几何变换,2）比例组合变换,变换矩阵为：,65,3.组合变换,4.5.3 二维图形的几何变换,3）旋转组合变换,变换矩阵为：,66,3.组合变换,4.5.3 二维图形的几何变换,4）旋转组合变换,变换矩阵为：,67,3.组合变换,4.5.3 二维图形的几何变换,5）一般性组合变换 根据变换要求，将改变换转化为基本几何变换形式，其变换矩阵是根据基本几何变换的顺序，依次将个基本几何变换的矩阵的乘积。,注意：矩阵的乘法不满足交换率，所以组合顺序不能颠倒。,68,4.5.4 三维造型,三维几何建模技术,1、线框建模,2、表面（曲面）建模,3、实体模型,1）构造体素几何表示法,2）边界表示法：,3）扫描表示法,4、特征建模,69,1、线框模型（Wireframe Model）,原理：,通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。,数据结构：,顶点表、棱边表二表结构。,线框建模的数据结构,4.5.4 三维造型,70,1、线框模型（Wireframe Model）,原理：,通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。,数据结构：,顶点表、棱边表二表结构。,特点：,数据结构简单、信息量少、占用内存空间小、操作速度快，可生成三视图、透视图和轴侧图。,不足：,缺少面、体信息，易产生多义性，不能消隐、不能剖视、不能进行物性计算和求交计算等.,4.5.4 三维造型,71,2.表面（曲面）建模,原理：,通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。,数据结构：,顶点表、棱边表、面表三表结构。,表面模型数据结构,4.5.4 三维造型,72,2.表面（曲面）建模,原理：,通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。,数据结构：,顶点表、棱边表、面表三表结构。,4.5.4 三维造型,特点：,可消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。,不足：,缺少体信息，不便进行物性计算和分析。,73,曲面建模,a)平面: 三个点定义；,b)线性拉伸面:一条平面曲线沿直线方向移动扫成；,c)直纹面 一直线两端点在两曲线对应等参数点,上移动形成；,4.5.4 三维造型,74,曲面建模,d)回转面 平面线框图绕某一轴线旋转产生；,e)扫成面,一剖面线沿一条导线移动构成；,一剖面线沿导线光滑过渡到另一剖面线；, 一剖面线沿两条给定等参数边界移动形成。,4.5.4 三维造型,75,曲面建模,f)圆角面 圆角过渡面；,g)等距面 沿原始曲面法线方向移动一个,固定的距离。,4.5.4 三维造型,76,3.实体建模,实体建模概念：,描述了实体全部几何信息，且定义了实体所有点、线、面、体信息。,特点：,实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，物性计算等操作。,4.5.4 三维造型,77,3.实体建模,实体建模概念：,描述了实体全部几何信息，且定义了实体所有点、线、面、体信息。,特点：,实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，物性计算等操作。,实体模型表示方法：,构造体素几何表示法（CSG，Constructive Solid Geometry）,扫描表示法（Sweeping Representation）,边界表示法（B-Rep，Boundary Representation）,4.5.4 三维造型,78,1、构造体素几何表示法（CSG）,通过基本体素交、并、差正则集合运算构造各种复杂实体。,基本体素：,矩形块、圆柱、圆锥、球、锲、环等。,4.5.4 三维造型,79,1、构造体素几何表示法（CSG）,通过基本体素交、并、差正则集合运算构造各种复杂实体。,4.5.4 三维造型,80,特点：,无二义性，最终实体与基本体素先后拼合顺序无关，造型简单，易于实现，可方便转换成其它表示方法。,缺点：,没有详细几何信息，必须转化为其它形式才能对点、边、面等信息进行查询和编辑。,1、构造体素几何表示法（CSG）,通过基本体素交、并、差正则集合运算构造各种复杂实体。,4.5.4 三维造型,81,2、边界表示法（B-rep）,通过面、环、边、顶点的几何和拓扑参数来表示实体。,4.5.4 三维造型,82,优点：,记录有实体所有几何信息和拓扑信息。,不足：,缺乏实体生成过程信息，数据存储量大，难以直接构造。,2、边界表示法（B-rep）,通过面、环、边、顶点的几何和拓扑参数来表示实体。,4.5.4 三维造型,83,3、扫描表示法 (Sweeping),形体沿某一方向平移或绕某轴线旋转进行实体定义的方法 。,4.5.4 三维造型,84,4.特征建模技术,特征：,从工程对象概括和抽象出来的具有,工程语义的功能要素。,特征建模：,通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。,特征建模对设计对象具有更高的定义层次，易于理解和使用，能为设计和制造过程各环节提供充分的工程和工艺信息。,特征建模是实现CAD/CAM集成化和智能化的关键技术。,4.5.4 三维造型,85,4.特征建模技术,4.5.4 三维造型,特征的分类:,1）形状特征:,具有一定工程语义的几何形体。,体特征：,构造主体形状的特征，如凸台、孔、圆柱体、矩形体等；,过渡特征：,如倒角、圆角、键槽、中心孔、退刀槽、螺纹等；,分布特征：,如圆周均布孔、齿轮的齿形轮廓等。,86,4.特征建模技术,4.5.4 三维造型,特征的分类:,1）形状特征:,具有一定工程语义的几何形体。,凹陷：,与已存在的形状特征一端相交的被减体；,凸起：,与已存在的形状特征一端相交的附加体。,从形状角度分：,通道：,与已存在的形状特征两端相交的被减体；,87,2）精度特征,包括尺寸公差、形位公差和表面粗,糙度等。,3）材料特征,如材料型号、性能、硬度、表面处,理、检验方式等。,4）技术特征,描述零件的有关性能和技术要求；,5）装配特征,描述装配过程中配合关系、装配顺,序、装配方法等。,6）管理特征,描述管理信息，如零件名、批量、,设计者、日期等。,4.特征建模技术,4.5.4 三维造型,88,4.6 专用机械CAD系统的二次开发,89,