計算機輔助設計

第1章CAD/CAM概述第2章計算機輔助設計（CAD）第3章計算機輔助工程分析（CAE）目錄第4章計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP）第5章計算機輔助制造（CAM）第6章CAD/CAM技術的集成與發(fā)展1計算機輔助設計5/9/2024計算機輔助設計（CAD）第2章2計算機輔助設計5/9/20242.1CAD的基本功能12343計算機輔助設計5/9/2024西安文理學院2.1.1CAD的基本技術4計算機輔助設計5/9/20242.1.2CAD的關鍵技術5計算機輔助設計5/9/20242.1.3CAD技術帶來的收益6計算機輔助設計5/9/20242.2圖形生成技術12347計算機輔助設計5/9/20242.2.1平面圖形生成技術8計算機輔助設計5/9/20242.2.1平面圖形生成技術9計算機輔助設計5/9/20242.2.1平面圖形生成技術用于任意復雜的閉合邊界的區(qū)域內(nèi)進行填充。在任意不間斷區(qū)域中只取一個種子像素進行掃描填充。10計算機輔助設計5/9/20242.2.1平面圖形生成技術使用二進制矩陣進行著色來顯示字符。采用直線或Bezier曲線的集合來顯示字符。根據(jù)編碼方式對應的字符庫中的字符樣式顯示。11計算機輔助設計5/9/2024顯式表示隱式表示參數(shù)表示2.2.1平面圖形生成技術Bezier曲線曲面B樣條曲線曲面NURBS曲線曲面12計算機輔助設計5/9/20242.2.2二維圖形變換技術1.圖形的基本要素及表示方法：點二維：三維：2.齊次坐標變換（原點集）×變換矩陣=（新點集）齊次坐標表示法，就是用n+1維向量表示一個n維向量。13計算機輔助設計5/9/20242.2.2二維圖形變換技術2.二維圖形幾何變換：對圖形進行縮放、旋轉、對稱、錯切等變換；：對圖形進行平移變換；：對圖形作投影變換；：對圖形作伸縮變換。*T=14計算機輔助設計5/9/20242.2.2二維圖形變換技術15計算機輔助設計5/9/20242.2.2二維圖形變換技術16計算機輔助設計5/9/20242.2.2二維圖形變換技術組合變換17計算機輔助設計5/9/20242.2.3三維圖形變換技術1.三維圖形幾何變換對圖形進行縮放、旋轉、對稱、錯切等變換；對圖形進行平移變換；對圖形作投影變換；對圖形作整體比例變換。*T3D=三維圖形典型變換矩陣見表2.2.2.18計算機輔助設計5/9/20242.2.3三維圖形變換技術2.投影變換19計算機輔助設計5/9/20242.2.3三維圖形變換技術透視投影變換20計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術1.坐標系規(guī)格化設備坐標系是右手定則直角坐標系，用來定義視圖區(qū)，是與具體設備無關的規(guī)格化的設備坐標系。用戶在定義一個圖形時，用來描述圖形中各元素的位置、形狀和大小的坐標系。圖形輸出設備（如顯示器、繪圖機等）自身具有的坐標設備坐標系。一是用于指定裁剪空間，即確定物體要顯示輸出的部分；二是用于通過在觀察坐標系中定義觀察平面，把三維物體的用戶坐標系變換為規(guī)格化設備坐標系。21計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術2.圖形輸出窗口是在用戶坐標系中定義，用以確定顯示內(nèi)容的一個矩形區(qū)域。視區(qū)是用戶用設備坐標系在屏幕上定義的一個小于或等于屏幕的區(qū)域。22計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術窗口和視區(qū)的坐標變換23計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術窗口和視區(qū)的變換關系a.視圖區(qū)大小不變，窗口區(qū)縮小或放大時，所顯示的圖形會相反地放大或縮小；b.窗口區(qū)大小不變，視圖區(qū)縮小或放大時，所顯示的圖形會相應地放大或縮小；c.窗口區(qū)與視圖區(qū)大小相同時，所顯示圖形大小比例不變；d.視圖區(qū)縱橫比不等于窗口區(qū)縱橫比時，顯示的圖形會有X、Y方向的伸縮變化。

改變視圖區(qū)的位置，可使畫面在顯示設備的不同位置出現(xiàn)；改變視圖區(qū)的大小，可是所顯示畫面成比例地改變尺寸；改變窗口的大小，可產(chǎn)生變焦距（又稱為縮放）效果：窗口變小時，可以觀察到物體的細節(jié)；窗口變大時，物體相對變小，可觀察到景物的全貌；如果窗口的大小不變只改變其位置，是窗口掃過要觀察的物體，則可產(chǎn)生掃視的效果。24計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術3.圖元裁剪點的裁剪若等式成立說明點P（x,y）,在窗口內(nèi)，否則點在窗口外。25計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術3.圖元裁剪線的裁剪Cohen-Sutherland裁剪算法的基本思想是：對于線段P1P2分為三種情況處理。a.若P1P2完全在窗口內(nèi)，則顯示線段P1P2,即“取”該線段；b.若P1P2明顯在窗口外，則丟棄該線段；c.若線段P1P2不滿足上述兩條件，則把線段P1P2分為兩部分，其中一段完全在窗口外，丟棄該線段，然后對另一段重復上述處理。26計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術3.圖元裁剪四位編碼中每位（按由右向左順序）編碼的意義如下：

第一位，點在窗口上邊界線之上為1，否則為0；第二位，點在窗口下邊界線之下為1，否則為0；第三位，點在窗口右邊界線之右為1，否則為0；第四位，點在窗口左邊界線之左為1，否則為0。上述編碼規(guī)則可知：a.如果兩個端點的編碼均為0000”，則線段全部位于窗口內(nèi)；b.如果兩個端點編碼的位邏輯乘不為零，則整條線段必位于窗口外；c.如果不滿足上述兩個條件，則必須在分割線段計算出線段與窗口某一邊界的交點，再利用上述兩個條件判別分割后的兩條線段。27計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術3.圖元裁剪線段P1P2的端點P1的編碼不為零，但codeP1&codeP2=0,因此該直線屬于第三種情況。由codeP1=0001知，P1在窗口左邊。計算線段與窗口左邊界交點P0，則P1P0必在窗口外，舍棄之。對線段P0P2重復上述操作，由于P2的編碼codeP2=0000，說明P2在窗口內(nèi)，則剩下線段P0P2位于窗口內(nèi)。28計算機輔助設計5/9/20242.2.4圖形裁剪技術3.圖元裁剪多邊形的裁剪Sutherland-Hodgman（S-H）算法的思路是：將多邊形的各邊先相對于窗口的某一條邊界進行裁剪，然后將裁剪結果再與另一條邊界進行裁剪，如此重復多次，便可得到最終結果。29計算機輔助設計5/9/20242.3三維建模技術

機械產(chǎn)品的三維設計建模是CAD/CAM系統(tǒng)的核心技術，也是進行產(chǎn)品設計創(chuàng)新的過程。機械產(chǎn)品建模流程如下圖：30計算機輔助設計5/9/20242.3.1CAD/CAM建模基本知識以數(shù)字形式表示的存在于三維空間中要素的位置和形狀，按其幾何特征可以抽象地分為點、線、面、體四種類型。拓撲信息是反映產(chǎn)品結構中各圖形元素的數(shù)量及其相互間的連接關系。制圖語言是指除圖形信息和拓撲信息外的其他非幾何信息，包括幾何尺寸、形位公差、表面粗糙度、技術要求等的物理屬性和工藝屬性。31計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術1.線框建模原理線框模型（WireFrameMode）是利用棱邊和頂點來表示形體結構。由于線框模型僅包含形體的棱邊和頂點信息，因而可用棱邊表和頂點表兩表數(shù)據(jù)結構進行模型組織和描述。32計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術線框建模模型33計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術2.平面建模原理平面建模是根據(jù)形體表面為平面構成特征，可將幾何形體分為平面體以描述平面體結構。三維幾何模型通過表面、棱邊及頂點信息來構建形體的三維數(shù)據(jù)模型。34計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術平面建模模型35計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術3.曲面建模曲面建模是由規(guī)則曲線或系列參數(shù)曲面片通過拼接、裁剪、光順處理而構建的三維模型。36計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術4.實體建模

實體模型（SolidModel）是通過一系列基本體素，如矩形體、圓柱體、球體以及掃描體、旋轉體、拉伸體等，經(jīng)布爾運算構建的任意復雜形體的幾何模型。實集模型的構建包括兩方面內(nèi)容：一是基本體的定義；二是布爾運算。（1）參數(shù)體素法是通過少量幾個參數(shù)對一些簡單基本體素進行定義。37計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術（2）掃描體法是通過二維封閉平面沿給定的軌跡掃描來生成實體模型中的基本體。38計算機輔助設計5/9/20242.3.2幾何建模技術（3）布爾運算是在基本體定義后，將兩個或多個基本體經(jīng)并、交、差進行運算后，便可構建各種不同的形體。39計算機輔助設計5/9/20242.3.3特征建模

特征建模是在實體幾何模型基礎上，抽取作為結構功能要素的“特征”，以對設計對象進行更為豐富的描述和操作，彌補實體建模不足的一種新建模方法。所謂特征是從工程對象中高度概括和抽象出來的功能要素，包含了豐富的工程語義，不同的產(chǎn)品生產(chǎn)階段有著不同的特征定義，如產(chǎn)品的功能特征、形狀特征、加工特征、工藝特征、裝配特征等。40計算機輔助設計5/9/20242.3.3特征建模形狀特征能反映零件的特征功能，能夠提取零件形體結構的點、邊、面、體等幾何信息和拓撲信息。為技術分析、性能試驗、應用操作提供相關信息，包括設計要求、設計約束、外觀要求、運行工況、作用載荷等。用于描述與零件材料及熱處理要求的相關信息，包括零件材料牌號、性能、硬度、熱處理要求、表面處理、檢驗方式等。用于描述零件公稱幾何形狀的允許范圍，是檢驗零件質量的主要依據(jù)，包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。用于描述零件在裝配過程中的相關信息，包括位置關系、配合關系、連接關系、裝配尺寸、裝配技術要求等。用于描述與管理有關的零件信息，包括零件名、零件圖號、設計者、設計日期、零件材料、件數(shù)量等等。1.特征分類41計算機輔助設計5/9/20242.3.3特征建模2.特征間的關系鄰接關系反映形狀特征的凸臺和凹槽相互位置關系，是特征的一種外部約束，主要表現(xiàn)為形狀特征的面貼合。從屬關系反映形狀特征之間存在的主從關系，其依賴于主特征而存在。這些輔助特征與軸段主特征之間保持一種從屬關系。表示某些形狀特征在空間位置上是按照特定形式排列，如孔特征的圓周分布、陣列分布等。反映某特征與另一特征之間作為關聯(lián)屬性存在著引用的聯(lián)系，這種引用聯(lián)系主要存在于形狀特征對精度特征、材料特征等特征的引用。42計算機輔助設計5/9/20242.3.3特征建模3.特征建模的基本步驟43計算機輔助設計5/9/20242.3.4裝配建模技術1.裝配模型信息裝配模型是包含產(chǎn)品結構組成、組件幾何結構以及各組成零件之間相互連接、配合、約束等裝配關系的產(chǎn)品模型。它全面表達了產(chǎn)品的結構組成和裝配體的裝配關系，能完整、準確地傳遞裝配體的設計參數(shù)、裝配層次和裝配配合等信息。一是產(chǎn)品實體結構信息，即產(chǎn)品所包含的零部件幾何結構信息；二是產(chǎn)品各組成件間的相互關系信息，即產(chǎn)品結構的層次關系和裝配關系等。44計算機輔助設計5/9/20242.3.4裝配建模技術2.裝配關系產(chǎn)品的裝配關系是反映產(chǎn)品零部件間的相對位置的連接關系和相互配合的約束關系。產(chǎn)品零部件之間的裝配關系是裝配建模的重要基礎。45計算機輔助設計5/9/20242.3.4裝配建模技術3.裝配建模方式1）自下而上的建模方式自下而上（BottomUp）的裝配建模是一種傳統(tǒng)裝配設計方法。先設計產(chǎn)品的零部件，然后再設計定義零部件間的裝配關系，最終創(chuàng)建完成產(chǎn)品的裝配模型。若在裝配過程中發(fā)現(xiàn)事先設計的零部件不能滿足裝配要求，則需要修改零部件的設計，重新進行裝配設計，如此反復，直至滿足裝配要求為此。46計算機輔助設計5/9/20242.3.4裝配建模技術3.裝配建模方式設計快速高效；更加專注于產(chǎn)品整體設計，而不是獨立的零件細節(jié)；減少由于人為的疏忽造成的設計錯誤；零件之間具有關聯(lián)性，參考的實體變換時將自動完成其他參考零件的修改。由于事先沒有一個很好的裝配規(guī)劃和全局考慮，在零部件設計時如未能考慮其他零部件的影響，裝配過程極易產(chǎn)生不滿足裝配要求等問題。例如：由于零部件間存在干涉而導致無法裝配，從而需要對零部件重新進行設計修改，然后再裝配。因此，這種建模方法反復工作多，建模效率較低。47計算機輔助設計5/9/20242.3.4裝配建模技術3.裝配建模方式2）自上而下的建模方式自上而下（TopDown）的裝配建模，首先是設計好滿足功能要求的產(chǎn)品初步結構方案，繪制產(chǎn)品裝配草圖，確定產(chǎn)品各組成零件之間的裝配和約束關系，完成裝配層次的概念設計，并根據(jù)裝配關系把產(chǎn)品分解成若干零部件，然后在總裝配關系的約束下，完成零部件的詳細設計。48計算機輔助設計5/9/20242.3.4裝配建模技術3.裝配建模方式設計快速高效；更加專注于產(chǎn)品整體設計，而不是獨立的零件細節(jié)；減少由于人為的疏忽造成的設計錯誤；零件之間具有關聯(lián)性，參考的實體變換時將自動完成其他參考零件的修改。在大型系統(tǒng)建模時缺乏對謝姐的考慮，各個系統(tǒng)之間的協(xié)調看法難度較大。49計算機輔助設計5/9/20242.4真實感顯示及虛擬現(xiàn)實技術2.4.1圖形消隱技術1.消隱概念消隱是在繪制時消除被遮擋的不可見的線或面，習慣上稱做消除隱藏線和隱藏面，經(jīng)過消隱得到的投影圖稱為物體的真實圖形。50計算機輔助設計5/9/20242.4.1圖形消隱技術2.消隱的分類51計算機輔助設計5/9/20242.4.1圖形消隱技術3.常見的消隱算法52計算機輔助設計5/9/20242.4.2顏色與紋理1.顏色

要產(chǎn)生具有高度真實感的圖形，顏色是最重要的部分。顏色是外來的光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺。因面，物體的顏色不僅取決于物體的本身，還與光源、周圍環(huán)境的顏色以及觀察者的視覺系統(tǒng)等有關。53計算機輔助設計5/9/20242.4.2顏色與紋理2.紋理紋理一般是指物體表面的花紋或紋理即使物體表面呈現(xiàn)凹凸不平的溝紋，同時也包括在物體的光滑表面上的花紋或圖案。紋理映射，又稱紋理貼圖，是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程。簡單來說，就是把一幅圖像貼到三維物體的表面上來增強真實感，可以和光照計算、圖像混合等技術結合起來形成許多非常漂亮的效果54計算機輔助設計5/9/20242.4.3光照處理當光照射到物體表面時，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉化為熱，被反射、透射的光進入人的視覺系統(tǒng)，使人們能看見物體。為模擬這一現(xiàn)象，將建立一些數(shù)學模型來替代復雜的物理模型，這些模型稱為明暗效應模型或光照模型。三維形體的圖形經(jīng)過消隱后，再進行明暗效應的處理，可以進一步提高圖形的真實感。55計算機輔助設計5/9/20242.4.3光照處理1.光照顯示當光源來自一個方向時，漫反射光均勻向各方向傳播，與視點無關，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空間分布是均勻的。根據(jù)Lambert余弦定律，漫反射光強為：56計算機輔助設計5/9/20242.4.3光照處理1.光照顯示對于有些物體（如擦亮的金屬、光滑的塑料等）是不適用的，原因是這些物體還會產(chǎn)生鏡面反射。對于理想鏡面，反射光集中在一個方向，并遵守反射定律。對一般的光滑表面，反射光集中在一個范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強最大。因此，對于同一點來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強是不同的。鏡面反射光強可表示為：57計算機輔助設計5/9/20242.4.3光照處理2.陰影形成

陰影是現(xiàn)實生活中一個很常見的光照現(xiàn)象，是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。在真實感圖形中，通過陰影可以