計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造2007級電子教案-2010版

1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造主講：廉哲滿機(jī)械工程系 有問題探討 請聯(lián)系 2732058（O）HP） 主樓:研究生院-121 主要參考書 寧汝新 等 CAD CAM 機(jī)械工業(yè)出版社北京，1999年 蔡穎 CADCAM原理與應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 北京，1998年 馮辛安 CADCAM技術(shù)概論 機(jī)械工業(yè)出版社 北京，1995年教學(xué)方法與考核方式 教學(xué)方法課堂教學(xué) 自 學(xué)專題講座 考核方式考 試（70%）平時成績（30%）作業(yè)出勤小測驗(yàn) 考試形式：閉卷課 程 內(nèi) 容CAD/CAM概論CAD/CAM系統(tǒng)CAD/CAM軟件開發(fā)基礎(chǔ)圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)建模技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃

2、設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)分析計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理CAD/CAM系統(tǒng)集成第一章：CAD/CAM概論 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 概括了解CAD/CAM技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展；通過對設(shè)計(jì)制造過程的分析，理解CAD/CAM系統(tǒng)的基本功能和工作過程；掌握CAD/CAM的基本概念；了解CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。 學(xué)習(xí)重點(diǎn)：CAD/CAM的概念 第一章：CAD/CAM概論學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi) 容 知 識 點(diǎn) CAD/CAM的基本概念 CAD/CAM的基本術(shù)語CAD/CAM的基本功能CAD/CAM系統(tǒng)的工作過程CAD/CAM的發(fā)展概況CAD/CAM/CAPP的發(fā)展與回顧C(jī)AD/CAM技術(shù)的應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用CAD/CAM

3、技術(shù)的優(yōu)越性CAD/CAM技術(shù)的新發(fā)展CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展方向第一章：CAD/CAM概論一、CAD/CAM的基本概念 CAD：是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè) 計(jì)過程中的各項(xiàng)工作。 如：草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工裝設(shè) 計(jì)、工程分析 CAPP：是指工藝人員借助于計(jì)算機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品制造工藝要 求，交互地或自動地確定產(chǎn)品加工方法和方案。 如：加工方法選擇、工藝路線確定、工序設(shè)計(jì)第一章 概論 CAM：是指借助計(jì)算機(jī)完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造出來的 過程中的各項(xiàng)活動。 如：計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程、 制造過程控制、質(zhì)量檢測與分析1、從產(chǎn)品制造的過程理解CAD/CAM市場需求分析產(chǎn)品任務(wù)

4、規(guī)劃概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析詳細(xì)設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段CAD毛坯設(shè)計(jì)工藝路線規(guī)劃工序設(shè)計(jì)工裝設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)階段CAPPNC編程加工仿真NC加工質(zhì)量控制裝配 生產(chǎn)階段性能測試分析CAM第一章 概論 現(xiàn) 代 制 造 概 念市場需求分析產(chǎn)品概念設(shè)計(jì) 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 生產(chǎn)準(zhǔn)備 產(chǎn)品生產(chǎn) 質(zhì)量控制 銷 售 售后服務(wù)傳統(tǒng)的制造概念第一章 概論2、CAD/CAM的基本功能1）圖形圖像處理 機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)涉及大量的圖形圖像處理任務(wù)。 圖形的坐標(biāo)變換、裁剪、渲染、消隱處理、光照處理。2）產(chǎn)品與過程建模 在CAD/CAM系統(tǒng)中，對產(chǎn)品信息及其相關(guān)過程信息的描述是一切工作的基礎(chǔ)。 幾何造型3）信息存儲與管理 CAD/CAM系統(tǒng)

5、應(yīng)能提供有效的管理手段，支持設(shè)計(jì)與制造 全過程的信息流動與交換。通常采用工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為統(tǒng) 一的數(shù)據(jù)環(huán)境。第一章 概論5）工程信息傳輸與交換 各功能模塊之間進(jìn)行信息交換。4）工程計(jì)算分析與優(yōu)化 產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中，涉及大量的分析計(jì)算，為系統(tǒng)進(jìn)行工程分析和數(shù)值計(jì)算提供必要的基本參數(shù)。 根據(jù)幾何形狀，計(jì)算體積、表面積、質(zhì)量、重心位置等； 結(jié)構(gòu)分析中，進(jìn)行應(yīng)力、溫度、位移等計(jì)算； 圖形處理中，進(jìn)行矩陣變換、體素之間的布爾運(yùn)算等。第一章 概論6）模擬與仿真 在CAD/CAM系統(tǒng)中，建立實(shí)際產(chǎn)品或系統(tǒng)的數(shù)字化模型，通過仿真軟件，代替、模擬真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行，以預(yù)測產(chǎn)品的性能、制造過程和可制造性。7）人機(jī)交

6、互8）信息輸入9）信息輸出第一章 概論二、CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展1、CAD技術(shù)的發(fā)展四個發(fā)展階段： 形成期：1950年，旋風(fēng)計(jì)算機(jī)（采用CRT），無交互功能。 發(fā)展期：50年代后期，出現(xiàn)光筆，交互式繪圖。 成熟期：1973年，產(chǎn)生實(shí)體造型技術(shù)。 集成期：根據(jù)設(shè)計(jì)、制造的自動化的需要，CAD/CAM集成。2、CAM技術(shù)的發(fā)展52年：研制出NC機(jī)床55年：研制APT自動編程工具語言，實(shí)現(xiàn)NC程序編程的自動化58年：研制加工中心（MC）70年：FMS、CIM第一章 概論3、CAPP技術(shù)的發(fā)展 早期CAPP： 以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，零件分類成組，制訂工藝。 派生式CAPP：根據(jù)工藝、結(jié)構(gòu)、尺寸形狀相似性

7、，進(jìn)行GT 編碼，制訂工藝。 創(chuàng)成式CAPP：邏輯決策，制訂工藝規(guī)程。 人工智能的專家系統(tǒng)：模仿工藝專家的邏輯思維方式，利用專 家的知識對非確定性的工藝過程設(shè)計(jì)作出邏輯決策。4、CAD/CAM的集成機(jī)械行業(yè)軟件：AUTOCAD、CATIA、PRO/E、UG、I-DEAS、CADAM第一章 概論三、CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)及其應(yīng)用水平已成為衡量一個國家工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。應(yīng)用：航空航天、造船、機(jī)床制造、汽車業(yè)等。我國CAD/CAM：70年代中期：高校，二維圖形軟件的開發(fā)80年代：引進(jìn)CAD/CAM軟件系統(tǒng)，二次開發(fā)90年代：全面推廣第一章 概論四、CAD/C

8、AM技術(shù)的新發(fā)展1、制造業(yè)面臨的市場形勢制造模式：多品種、變批量生產(chǎn)企業(yè)要求：T：上市時間短Q：質(zhì)量高C：成本低S：售后服務(wù)完善第一章 概論未來制造業(yè)的特點(diǎn)：1、產(chǎn)品開發(fā)周期短、上市時間快2、制造系統(tǒng)柔性化社會市場需求的多樣化促使制造模式向柔性制造發(fā)展。如何以最快的速度及時開發(fā)出滿足顧客愿望的產(chǎn)品并搶先打入市場，越來越成為競爭的焦點(diǎn)。這些都迫使現(xiàn)代企業(yè)必須具有很強(qiáng)的應(yīng)變能力，能迅速響應(yīng)用戶提出的各種要求，并能根據(jù)科技發(fā)展、市場需求的變化及時調(diào)整產(chǎn)品的類型和結(jié)構(gòu)。原來的機(jī)械化、剛性自動化系統(tǒng)不能適應(yīng)這種需求。 3、整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的質(zhì)量保證第一章 概論5、生產(chǎn)過程更加精良6、人員素質(zhì)要求更高4

9、、企業(yè)的組織形式將是跨地區(qū)、跨國家的虛擬公司虛擬企業(yè)：為了快速響應(yīng)某一市場需求，通過信息高速公路，將產(chǎn)品涉及到的不同企業(yè)臨時組建成一個沒有圍墻、超越空間約束、靠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、統(tǒng)一指揮的合作經(jīng)濟(jì)實(shí)體。特點(diǎn)：企業(yè)的功能上的不完整、地域上的分散性和組織結(jié)構(gòu)上的非永久性，即功能的虛擬化、組織的虛擬化、地域的虛擬化。第一章 概論7、智能化程度更高智能制造技術(shù)將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié)，通過模擬專家的智能活動，取代或延伸制造環(huán)境中的部分腦力勞動，從而在制造過程中，系統(tǒng)具備自組織能力，能自動監(jiān)測其運(yùn)動狀態(tài)，在受到外界或內(nèi)部激勵時能自動調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到最佳狀態(tài)。 8、綠色制造在整個制造過程，對環(huán)境負(fù)面

10、影響小，廢棄物和有害物質(zhì)的排放最小，資源利用率最高。 綠色制造技術(shù)主要包含了綠色資源、綠色生產(chǎn) 和綠色產(chǎn)品三方面的內(nèi)容。9、分布、并行、集成并存第一章 概論CAD/CAM技術(shù)的新發(fā)展1、支持TOP-DOWN的CAD/CAM技術(shù)2、支持DFx的CAD/CAM技術(shù)3、智能CAD/CAM技術(shù)4、并行工程5、虛擬制造技術(shù)6、計(jì)算機(jī)集成制造7、支持異地設(shè)計(jì)制造的CAD/CAM技術(shù)第二章 CAD/CAM系統(tǒng) 學(xué)習(xí)目標(biāo): 在了解CAD/CAM系統(tǒng)工作過程之后，學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基本組成；了解硬件的類型、配置形式和軟件種類、功能；掌握CAD/CAM系統(tǒng)的選用原則。通過知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，能夠?yàn)橐粋€具體部門（企業(yè)或公司），根

11、據(jù)工作性質(zhì)配置一個相對完整的CAD/CAM 系統(tǒng)。 學(xué)習(xí)重點(diǎn)： CAD/CAM系統(tǒng)的組成與分類； CAD/CAM系統(tǒng)選用原則。 第二章 CAD/CAM系統(tǒng)學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi) 容知 識 點(diǎn)CAD/CAM的組成分類系統(tǒng)的分類/系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)CAD/CAM系統(tǒng)的典型硬件輸入設(shè)備輸出設(shè)備CAD/CAM軟件系統(tǒng)基本組成系統(tǒng)軟件/支撐軟件/應(yīng)用軟件CAD/CAM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體原則硬件選用原則軟件選用原則第二章 CAD/CAM系統(tǒng)一、CAD/CAM系統(tǒng)的組成與分類1、CAD/CAM系統(tǒng)的組成CAD/CAM系統(tǒng) 硬件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)軟件支撐軟件應(yīng)用軟件第二章 C

12、ADCAM系統(tǒng)2、CAD/CAM系統(tǒng)的分類1）根據(jù)CAD/CAM系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)硬件及其信息處理方式 以大型計(jì)算機(jī)或小型計(jì)算機(jī)為主機(jī)的系統(tǒng) 由工程工作站或微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)2）根據(jù)使用的支撐軟件規(guī)模大小的不同分為 CAD系統(tǒng)：專門完成設(shè)計(jì)任務(wù) CAM系統(tǒng)：專門面向生產(chǎn)系統(tǒng) CAD/CAM系統(tǒng)：面向CAD/CAM一體化3）根據(jù)是否使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為 單機(jī)系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)第二章 CADCAM系統(tǒng)主 機(jī) 型工程工作站 微機(jī)系統(tǒng) 基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境定 義 也稱集中式，以一臺大中型計(jì)算機(jī)為主機(jī)，支持多個終端運(yùn)行。 具有較強(qiáng)針對性的軟硬件配套系統(tǒng) 以個人計(jì)算機(jī)環(huán)境和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為前提的高性能計(jì)算機(jī)。 以單臺

13、微機(jī)為主的用戶系統(tǒng)。優(yōu) 點(diǎn) 一個主機(jī)，多個終端共享一個CPU；共享資源，集中管理；計(jì)算速度快。 供應(yīng)商按用戶需要提供，無需用戶進(jìn)行新的開發(fā)；效率較高，具有良好的人機(jī)界面。提高用戶的工作效率，具有分布式計(jì)算功能，能夠支持復(fù)雜的CAD作業(yè)，支持多任務(wù)進(jìn)程，PC機(jī)成本低。投資少見效快，支撐軟件及應(yīng)用軟件十分豐富；具有良好的可擴(kuò)充性。 缺 點(diǎn) 主機(jī)故障，所有用戶中斷；用戶增加，系統(tǒng)響應(yīng)變慢。 擴(kuò)展能力差。 速度慢，處理能力差。按照所用計(jì)算機(jī)的不同又可劃分為以下四種類型 二、CAD/CAM系統(tǒng)中的典型硬件1、計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng) 組成：主機(jī)（中央處理器、內(nèi)部存儲器）、外部存儲器 （磁盤存儲器、光盤存儲器）、顯

14、示器、鍵盤和鼠標(biāo)等。（1）主機(jī) 主機(jī)包括：中央處理器、主機(jī)板、內(nèi)存。 是用于指揮、控制整個CAD/CAM系統(tǒng)完成運(yùn)算、分析工 作，是CAD/CAM硬件系統(tǒng)的核心。 （2）外部存儲器 用于保留程序及數(shù)據(jù)。 如：磁盤、磁帶、光盤等第二章 CADCAM系統(tǒng)第二章 CADCAM系統(tǒng)2、輸入設(shè)備 對于交互式CAD/CAM系統(tǒng)來說，除需要具有一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)備，還應(yīng)能提供以下功能： 功能名稱功 能 作 用實(shí) 例定 位 確定位置，輸入點(diǎn)的坐標(biāo)圓心，實(shí)體運(yùn)算的點(diǎn)筆 畫 輸入系統(tǒng)點(diǎn)的坐標(biāo)畫折線數(shù) 值 輸入一個具體的數(shù)值 圓的半徑選 擇 由一個數(shù)據(jù)確定一個選擇項(xiàng)選菜單或列表中的選項(xiàng)拾 取 拾取某一圖形目標(biāo)圖

15、形的編輯字符串 輸入文本公差標(biāo)注、技術(shù)要求（1）鍵盤 （2）鼠標(biāo)和操縱桿 （3）數(shù)字化儀 （4）圖形板 （5）光筆 （6）觸摸屏 （7）掃描輸入設(shè)備 （8）語音輸入設(shè)備 （9）數(shù)據(jù)手套 （10）位置傳感器 第二章 CADCAM系統(tǒng)輸入是將各種外部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識別的編碼的過程。第二章 CADCAM系統(tǒng)3、輸出設(shè)備 輸出設(shè)備的作用：將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)、文件、圖形、程序、指令等顯示、輸出或發(fā)送給相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備。（1）顯示器（2）打印機(jī)（3）繪圖儀（4）立體顯示器（5）3D聽覺環(huán)境系統(tǒng)（6）生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備 第二章 CADCAM系統(tǒng)三、CAD/CAM軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件支撐軟件系統(tǒng)軟件OSCAD/CAM分三個

16、層次：系統(tǒng)軟件、支撐軟件、應(yīng)用軟件1、系統(tǒng)軟件是使用、管理、控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序的集合，是連接用戶與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的紐帶。作用：1）為用戶使用計(jì)算機(jī)提供一個清晰、簡潔、易于使用的友好界面；2）盡可能使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種資源得到充分而合理的應(yīng)用。第二章 CADCAM系統(tǒng)系統(tǒng)軟件特點(diǎn)：1、通用性：不同領(lǐng)域的用戶都需要并使用系統(tǒng)軟件，即多機(jī)通 用和多用戶通用；2、基礎(chǔ)性：即系統(tǒng)軟件是支撐軟件和應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)，應(yīng)用軟 件要借助于系統(tǒng)軟件編程與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件主要包括：1、操作系統(tǒng)2、計(jì)算機(jī)編程語言3、網(wǎng)絡(luò)通訊及其管理軟件第二章 CADCAM系統(tǒng)2、機(jī)械CAD/CAM支撐軟件支撐軟件是CAD/CAM軟件系

17、統(tǒng)的重要組成部分，它不針對具體的應(yīng)用對象，而是為某一應(yīng)用領(lǐng)域的用戶提供工具或開發(fā)環(huán)境，不同的支撐軟件依賴一定的操作系統(tǒng)，又是各類應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)。分類：1）基本圖形資源與自動繪圖軟件（1）基本圖形資源軟件：是根據(jù)各種圖形標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范實(shí)現(xiàn)的軟件包，大多是供應(yīng)用程序調(diào)用的圖形子程序包或函數(shù)庫，支持不同專業(yè)的應(yīng)用圖形軟件開發(fā)，具有基本圖形元素繪制（點(diǎn)、線、圓等）、圖形幾何運(yùn)算等功能。（如 CGI、GKS、PHIGS）（2）自動繪圖軟件：主要解決零件圖的詳細(xì)設(shè)計(jì)問題，輸出符合 工程要求的零件圖或裝配圖。第二章 CADCAM系統(tǒng)2）幾何建模軟件提供一個完整、準(zhǔn)確地描述和顯示三維幾何形狀的方法和工具。功能：消

18、隱、著色、濃淡處理、實(shí)體參數(shù)計(jì)算、質(zhì)量特性計(jì)算。4）仿真與模擬功能：基本物理機(jī)械量的計(jì)算、基本力學(xué)參數(shù)計(jì)算、有限元分析、產(chǎn)品裝配、公差分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析和優(yōu)化算法等。3）工程計(jì)算與分析軟件建立真實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型的技術(shù) - 利用模型分析系統(tǒng)的行為而不建立實(shí)際系統(tǒng)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，實(shí)時、并行地模擬產(chǎn)品生產(chǎn)或各部分運(yùn)行的全過程，以預(yù)測產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的制造過程和產(chǎn) 品的可制造性。第二章 CADCAM系統(tǒng)5）工藝過程設(shè)計(jì)將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為各種加工、管理信息，包括完整的工藝路線、工序卡等工藝文件以及供數(shù)控加工用的數(shù)控程序及其工藝信息。6）專用設(shè)備控制程序生成7）管理與集成用于生成相應(yīng)的設(shè)備

19、控制程序。如、數(shù)控加工程序、運(yùn)輸小車控制程序、機(jī)器人控制程序。3、應(yīng)用軟件 是用戶為解決某類實(shí)際問題而自行開發(fā)或委托開發(fā)的程序系統(tǒng)。第二章 CADCAM系統(tǒng)四、CAD/CAM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體原則 1）實(shí)用化原則 2）適度先進(jìn)性原則 3）系統(tǒng)性原則 4）整體設(shè)計(jì)與分步實(shí)施原則2、硬件設(shè)備的選用原則 1）系統(tǒng)功能與能力 2）系統(tǒng)的開放性與可移植性 3）系統(tǒng)升級擴(kuò)展能力 4）良好的性能價格比 5）系統(tǒng)的可靠性、可維修性與服務(wù)質(zhì)量第二章 CADCAM系統(tǒng)3、軟件的選用原則 1）系統(tǒng)功能與能力配置 2）軟件性能價格比 3）與硬件匹配性 4）二次開發(fā)能力與環(huán)境 5）開放性 6）可靠性第三章

20、 CAD/CAM系統(tǒng)軟件開發(fā)基礎(chǔ) 學(xué)習(xí)目標(biāo): 學(xué)習(xí)重點(diǎn)：工程數(shù)據(jù)的程序化方法 學(xué)習(xí)難點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 掌握軟件開發(fā)所需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本理論；學(xué)會利用計(jì)算機(jī)，針對工程設(shè)計(jì)中不同數(shù)據(jù)的形式，采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行處理；了解數(shù)據(jù)管理幾種方法的特點(diǎn)；掌握排序、查找的基本方法和數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)知識；會編寫排序、查找程序。內(nèi) 容知 識 點(diǎn)工程數(shù)據(jù)的程序化處理 數(shù)值的程序化 數(shù)表的程序化 線圖的程序化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念 常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲與管理 文件的組織方法 文件的查找及排序 數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型 工程數(shù)據(jù)庫學(xué)習(xí)內(nèi)容第三章 CAD/CAM系統(tǒng)軟件開發(fā)基礎(chǔ)第三章 CAD/CAM系

21、統(tǒng)軟件開發(fā)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)資料的處理方法：（1）程序化（2）數(shù)據(jù)庫存儲 具體方法： 將數(shù)表中的數(shù)據(jù)或線圖經(jīng)離散化后存入一維、二維或三維數(shù) 組用查表、插值等方法檢索所需數(shù)據(jù)； 將數(shù)表或線圖擬合成公式，編入程序計(jì)算出所需數(shù)據(jù)。在應(yīng)用程序內(nèi)部對數(shù)表及線圖進(jìn)行查表、處理或計(jì)算。將數(shù)表及線圖中的數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)庫的規(guī)定進(jìn)行文件結(jié)構(gòu)化。如、確定文件名、字段名、字段類型等，存放在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)獨(dú)立于應(yīng)用程序，但又能為所有應(yīng)用程序提供服務(wù)。第三章 軟件開發(fā)一、工程數(shù)據(jù)的程序化方法1、數(shù)值程序化1）用數(shù)組形式存儲數(shù)據(jù) 是將使用的各個參數(shù)及其函數(shù)關(guān)系用一種合理編制的程序存入計(jì)算機(jī)，以便運(yùn)行使用。2）用數(shù)學(xué)公式計(jì)算數(shù)據(jù) 如果

22、所使用的數(shù)值是一組單一、嚴(yán)格但能找到某種規(guī)律的數(shù)列，則不必定義數(shù)組逐項(xiàng)賦值，將反映這種規(guī)律的數(shù)學(xué)公式編入程序，通過計(jì)算即可快速、準(zhǔn)確地達(dá)到目的。第三章 軟件開發(fā)2、數(shù)表程序化1）屏幕直觀輸出法 如果數(shù)表幅面不大，其中數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)取得或長期經(jīng)驗(yàn)積累的有限個離散數(shù)值，實(shí)際使用中經(jīng)常允許根據(jù)情況考慮，選取中間數(shù)值，僅憑程序中簡單的條件判斷難以正確選取。此時，可采用屏幕直觀輸出法，將整個表格可視化地顯示在屏幕上。 2）數(shù)組存儲法 如果表格中的數(shù)據(jù)項(xiàng)目略多、確定而無規(guī)律，要解決的問題就是數(shù)據(jù)的存儲與檢索。可采用定義多個一維數(shù)組或二維數(shù)組的辦法存儲數(shù)據(jù)，程序運(yùn)行時，判斷選擇。 第三章 軟件開發(fā)3）公式計(jì)算法

23、 工程手冊中數(shù)據(jù)的來源（兩大類）： 已知明確的函數(shù)關(guān)系 表示形式：表格或曲線 工程數(shù)據(jù)的處理方法： 插值法 曲線擬合法 實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù) 表示形式：表格或曲線第三章 軟件開發(fā) 插值法 基本思想：構(gòu)造某個簡單的函數(shù) Y=P（x）作為列表函數(shù) f（x）的近似表達(dá)式，計(jì)算P（x）值以得到f（x）的近似值，并使f（xi）= P（ xi ）成立，稱P（x）為f（x）的插值函數(shù)，點(diǎn) x1，x2，.，稱為插值節(jié)點(diǎn)。 常見方法： 線性插值 拉格朗日插值線性插值（兩點(diǎn)插值） 插值點(diǎn)P的相鄰兩點(diǎn)：y1=f（x1），y2=f（x2），近似認(rèn)為函數(shù)在 此區(qū)間呈線性，根據(jù)幾何關(guān)系求插值點(diǎn)P對應(yīng)于x的函數(shù)值y。一般式

24、為（線性插值公式）：第三章 軟件開發(fā) 拉格朗日插值 線性插值存在一定的誤差，在有些情況下，線性插值的誤差比較大，難以滿足要求，這時采用多次插值公式，提高插值精度。4）交互式分級描述法 將復(fù)雜的多元函數(shù)表按一定原則分解成多個子表，用程序描述子表中數(shù)據(jù)和子表間關(guān)系，通過人機(jī)交互逐級問答，漸次逼近問題實(shí)質(zhì)，最終輸出所需數(shù)據(jù)結(jié)果。第三章 軟件開發(fā)3、線圖程序化工程手冊的線圖來源：1） 復(fù)雜理論公式2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由于實(shí)際工程問題比較復(fù)雜，往往很難將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用公式來精確描述，而常常采用某個曲線公式近似地反映數(shù)據(jù)間的關(guān)系，這就是所謂的經(jīng)驗(yàn)公式。建立這種經(jīng)驗(yàn)公式的過程稱為曲線擬合。第三章 軟件開發(fā) 擬合原理：

25、常用方法：最小二乘法（1）線性方程擬合 有n組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi，yi），設(shè)線性方程的形式是：根據(jù)最小二乘法定理，為了達(dá)到最好的擬合，應(yīng)使各節(jié)點(diǎn)的偏差平方和為最小。設(shè)S（a，b）為偏差平方和，則求S最小時的a，b第三章 軟件開發(fā)由此可見，曲線擬合可歸結(jié)為函數(shù)求極值。對上式取偏導(dǎo)并使之為零，得整理并求解：第三章 軟件開發(fā)（2）對數(shù)方程擬合 有n組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi，yi），設(shè)對數(shù)方程的形式是：采用變量代換，使之回歸成線性方程的形式，令 X = ln x，代入上式得：其偏差平方和為：第三章 軟件開發(fā)（3）指數(shù)方程擬合 有n組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi，yi），設(shè)指數(shù)方程的形式是：兩邊取對數(shù)：令Y=lny，A=lna，

26、X=lnx，則其偏差方程：第三章 軟件開發(fā)例：切削力實(shí)驗(yàn)中，改變切削深度ap時測得的主切削力FZ的數(shù)值如下表試建立經(jīng)驗(yàn)公式 aP 1 2 3 4 FZ 64 115.2 179.2 243.2解：取對數(shù)： lg FZ = lgapx FZ lgap令： lg FZ = y，lgap = a ，x FZ = b，lgap=x則得：y=a+bx第三章 軟件開發(fā)由教材公式（3.9）：a=1.79459，b=0.96259y=1.795+0.963x lg FZ = y，lgap = 1.795 ，ap = 62.3因： lg FZ = lgapx FZ lgap lg FZ = lg62.30.96

27、3 lgap所以：第三章 軟件開發(fā)二、CAD/CAM中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容：（1）數(shù)據(jù)元素之間的邏輯關(guān)系（2）數(shù)據(jù)元素的存儲關(guān)系（3）對各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算 數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)主要目的：提高數(shù)據(jù)處理的效率（數(shù)據(jù)處理的速度、節(jié)省存儲空間）第三章 軟件開發(fā)1、基本概念與術(shù)語數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)元素的集合（數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系）例：向量、矩陣（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）- 數(shù)據(jù)元素之間有著位置關(guān)系圖書館的圖書卡（復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)） - 各種書、主題、作者 有相互關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)元素：數(shù)據(jù)的基本單位，是數(shù)據(jù)集合中的一個個體。 它具有廣泛的含義，一般來說，現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的 一切個體都可以是數(shù)據(jù)元素。例：

28、季節(jié)名：春、夏、秋、冬 - 季節(jié)的數(shù)據(jù)元素 1、 5、 8、 9 - 數(shù)值的數(shù)據(jù)元素第三章 軟件開發(fā)數(shù)據(jù)元素一般具有某共同特征：- 四個數(shù)據(jù)的共同特征是季節(jié)名春、夏、秋、冬父親、兒子、女兒- 家庭成員人們不會同時處理特征完全不同且互相之間沒有任何關(guān)系的各類數(shù)據(jù)元素，對于具有不同特征的數(shù)據(jù)元素總是分別進(jìn)行處理。在具有相同特征的數(shù)據(jù)元素集合中，各個數(shù)據(jù)元素之間存在著某種關(guān)系，這種關(guān)系（聯(lián)系）反映了該集合中的數(shù)據(jù)元素所固有的一種結(jié)構(gòu)。固有關(guān)系：用“前后件”關(guān)系描述如：春、夏、秋、冬 - 春是夏的前件，而夏是春的后件第三章 軟件開發(fā)其它術(shù)語： 姓名 學(xué)號 性別 年齡 成 績 英語 數(shù)學(xué) 語文 * 1

29、90 92 88 * 2 * 3記錄記錄記錄數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)據(jù)項(xiàng)組合項(xiàng) 文 件 第三章 軟件開發(fā)2、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 是指數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，包括數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。 車 床 床身及導(dǎo)軌 主軸箱 尾 座 走刀箱 溜板箱 刀 架 離合器 主軸組件 中間變速機(jī)構(gòu) 主軸 主軸齒輪 主軸軸承 第三章 軟件開發(fā)1）數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)元素之間的前后件的關(guān)系。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)包含以下兩個方面的信息：（1）表示數(shù)據(jù)元素的信息（2）表示各數(shù)據(jù)元素之間的前后件的關(guān)系 （邏輯關(guān)系，而與存儲位置無關(guān)）數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系。邏輯結(jié)構(gòu)分兩大類：線性結(jié)構(gòu)、非線性結(jié)構(gòu)第三章 軟件開發(fā)（1）線性結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)間的關(guān)系簡單

30、，只是順序排列的位置關(guān)系，而且這種位置關(guān)系是線性的。在這種結(jié)構(gòu)中，每個數(shù)據(jù)元素僅與它前面的一個和后面的一個數(shù)據(jù)元素相聯(lián)系，因而僅能用于表達(dá)數(shù)據(jù)之間的簡單順序關(guān)系。如：英文字母 （a、b、c、d）矩陣第三章 軟件開發(fā)（2）非線性結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)間邏輯關(guān)系比較復(fù)雜。數(shù)據(jù)間的關(guān)系是一種多元關(guān)系。 機(jī)械工程系 機(jī)制專業(yè) 農(nóng)機(jī)專業(yè) 99級 20級 21級 22級 樹狀結(jié)構(gòu)第三章 軟件開發(fā)2）數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲方式分為：順序存儲結(jié)構(gòu)、鏈接存儲結(jié)構(gòu)（1）順序存儲結(jié)構(gòu)用一組連續(xù)的存儲單元依次存放各數(shù)據(jù)元素。 特點(diǎn)：a、所有元素所占的存儲空間是連續(xù)的 b、數(shù)據(jù)元素在存儲空間中是按邏

31、輯順序依次存放的例：長度為n的線性表： （a1，a2，a3，.） . a3 a2 a1 .地址： ADR（ai） ADR（ai）+k 第三章 軟件開發(fā)（2）鏈接存儲結(jié)構(gòu)存儲線性表中的每一個元素時，一方面要存儲數(shù)據(jù)元素的值，另一方面要存儲各數(shù)據(jù)元素之間的前后件關(guān)系。在鏈接存儲結(jié)構(gòu)中，一個數(shù)據(jù)元素項(xiàng)由數(shù)據(jù)域和指針域組成。 數(shù)據(jù)域 指針域 存儲數(shù)據(jù)元素的值存放下一個數(shù)據(jù)元素的存儲序號（存儲節(jié)點(diǎn)的地址）第三章 軟件開發(fā)例：線性鏈表： （a1，a2，.a5），10個存儲節(jié)點(diǎn)。 0 a5 5 a3 10 a4 1 a1 9 a2ViNexti12345678910鏈表的物理狀態(tài) a1 i a2 a3 a4

32、 a5 319510鏈表的邏輯狀態(tài)第三章 軟件開發(fā)3、常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1）線性表線性表是由n個數(shù)據(jù)元素組成的有限序列，表中的每一個數(shù)據(jù)元素，除了第一個和最后一個外，僅有一個前件和一個后件。表示：（a1，a2，a3，an）- 呈線性關(guān)系物理結(jié)構(gòu)：采用順序存儲結(jié)構(gòu)、鏈接存儲結(jié)構(gòu)2）棧與隊(duì)列（1）棧：是一種特殊的線性表，它的插入和刪除操作只能 在表的一端進(jìn)行。第三章 軟件開發(fā)基本概念： 棧頂：插入和刪除的一端 棧底：不允許插入和刪除的一端操作原則： 先進(jìn)后出，F(xiàn)ILO - First in Last out如：棧的示意圖 a n a n-1 a 1 棧頂棧底inout第三章 軟件開發(fā)數(shù)控加工的程序編制

33、（2）隊(duì)列：也是一種特殊的線性表，它限定只能在表 的一端插入，在表的另一端刪除?；靖拍睿?隊(duì)尾：允許插入的一端 隊(duì)頭：允許刪除的一端操作原則： 先進(jìn)先出，F(xiàn)IFO - First in First out如：隊(duì)列的示意圖a na n-1a 2a 1.進(jìn)隊(duì)出隊(duì)第三章 軟件開發(fā)3）樹與二叉樹（1）樹 工學(xué)院 機(jī)械工程系 化學(xué)工程系 機(jī)制教研室 機(jī)械基礎(chǔ)教研室 農(nóng)機(jī)教研室 層次結(jié)構(gòu)樹 電子工程系 . 第三章 軟件開發(fā)樹結(jié)構(gòu)表示元素之間的層次關(guān)系A(chǔ)BCDEIHGFLGK 一層 二層 . 三層 四層根結(jié)點(diǎn)樹葉結(jié)點(diǎn) 樹根：無前件的結(jié)點(diǎn) 深度：樹中結(jié)點(diǎn)的最大層次 度：結(jié)點(diǎn)的子樹的個數(shù) 樹葉：度數(shù)為0的結(jié)點(diǎn)

34、子結(jié)點(diǎn)第三章 軟件開發(fā)（2）二叉樹特點(diǎn)：（1）非空二叉樹，只有一個根結(jié)點(diǎn)；（2）每個結(jié)點(diǎn)最多有兩個子樹（二叉樹的度數(shù)不能超過2）BAC -BCA表達(dá)式 N = （B+C）- A第三章 軟件開發(fā)物理結(jié)構(gòu)：（1）二叉樹通常采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)域、指針域）；（2）二叉樹由于每個元素可以有兩個后件（兩個子結(jié)點(diǎn)）， 因此用于存儲二叉樹的存儲結(jié)點(diǎn)的指針有“兩個”。存儲結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)：左指針數(shù)據(jù)域右指針指向左子數(shù)的地址指向右子數(shù)的地址第三章 軟件開發(fā)遍歷二叉樹： 二叉數(shù)的遍歷是指不重復(fù)地訪問二叉樹中的所有結(jié)點(diǎn)。 前序遍歷 4）圖 數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系是任意的。 應(yīng)用： （1）公共交通聯(lián)系的一組城市 （2）化學(xué)結(jié)構(gòu)、

35、交通網(wǎng)絡(luò) 訪問方式：根 - 左子樹 - 右子樹 中序遍歷 訪問方式：左子樹 - 根 - 右子樹 后序遍歷 訪問方式：左子樹 - 右子樹 - 根第三章 軟件開發(fā)三、數(shù)據(jù)的存儲與管理1、數(shù)據(jù)文件文件：記錄的集合關(guān)鍵字：標(biāo)識記錄的數(shù)據(jù)項(xiàng)的值1）常用的文件組織方式（1）順序文件：物理順序與邏輯順序一致的文件（2）索引文件：帶有一個包括關(guān)鍵字和存放地址索引表的文件（3）直接存取文件：采用一種算法將記錄的關(guān)鍵字轉(zhuǎn)換為一個 近乎隨機(jī)的數(shù)，根據(jù)這個數(shù)確定記錄在存 儲器上的位置，以便存取。第三章 軟件開發(fā)2）文件的操作文件的操作主要表現(xiàn)在兩個方面：查找、排序（1）查找 方法： 順序查找法 折半查找法 分塊查找法

36、（2）排序 對文件中記錄的關(guān)鍵字按遞增或遞減的順序重新排列。 選擇排序 冒泡排序 插入排序第三章 軟件開發(fā)2、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1）數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn) 數(shù)據(jù)管理： 數(shù)據(jù)的人工管理 數(shù)據(jù)的文件管理 數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特點(diǎn)： 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，減少了數(shù)據(jù)冗余 數(shù)據(jù)存儲的結(jié)構(gòu)化 增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的獨(dú)立性 加強(qiáng)了對數(shù)據(jù)的保護(hù)第三章 軟件開發(fā)2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) （1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)成 硬件 軟件 數(shù)據(jù)庫管理員 數(shù)據(jù)庫 （2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能 數(shù)據(jù)庫定義功能 數(shù)據(jù)庫管理功能 數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能 通信功能 其他功能 第三章 軟件開發(fā)3）數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型是指數(shù)據(jù)庫內(nèi)部數(shù)據(jù)的組織方式，描述了數(shù)據(jù)之間的各種 聯(lián)

37、系。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，每一種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都是基于某種數(shù)據(jù)模型。種類： 層次模型：用樹形結(jié)構(gòu)表示實(shí)體之間聯(lián)系的模型 網(wǎng)狀模型：指事物之間為網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu) 關(guān)系模型：是一種用二維表結(jié)構(gòu)表示實(shí)體之間聯(lián)系的模型第三章 軟件開發(fā)4）工程數(shù)據(jù)庫簡介 （1）工程數(shù)據(jù)分析 類型：1、管理型數(shù)據(jù)：包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中所用到的數(shù)據(jù)資料 如、技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、產(chǎn)品目錄等。2、設(shè)計(jì)型數(shù)據(jù)：指在工業(yè)設(shè)計(jì)與制造中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。 如、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、加工工藝路線等3、圖形數(shù)據(jù)：包括各種工程圖表、二維工程圖形、三維幾何造 型等數(shù)據(jù)。4、各種軟件包：指一些能夠獨(dú)立處理局部設(shè)計(jì)的工程計(jì)算或圖形 處理軟件，如有限元

38、分析第三章 軟件開發(fā)（2）工程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 1、數(shù)據(jù)類型的多樣性： 由于工程數(shù)據(jù)中可以是文字型、設(shè)計(jì)型、圖形數(shù)據(jù)、各種 軟件包以及它們的組合類型，因此要求能夠存儲及處理多 種數(shù)據(jù)類型。2、數(shù)據(jù)類型的復(fù)雜性3、概念模式的動態(tài)性4、界面設(shè)計(jì)第三章 軟件開發(fā) 學(xué)習(xí)目標(biāo): 學(xué)習(xí)重點(diǎn)：圖形的幾何變換 學(xué)習(xí)難點(diǎn)：消隱算法 圖形處理是CAD/CAM中的關(guān)鍵技術(shù)，要求學(xué)習(xí)者全面掌握圖形處理技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包括圖形生成、編輯和圖形變換；學(xué)會使用典型的繪圖軟件；學(xué)會編寫簡單的繪圖程序。 第四章 圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi) 容知 識 點(diǎn)圖形的幾何變換 圖形幾何變換的基本原理 二維圖形的基本變換 二維圖形的組

39、合變換 三維圖形的變換圖形消隱技術(shù) 消隱的概念與作用 消隱算法的基本測試方法 常用消隱算法圖形的光照處理 光照處理的基本原理圖形裁剪技術(shù) 窗口與視區(qū) 二維圖形裁剪第四章 圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)第四章 圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)一、圖形的幾何變換1、圖形幾何變換的基本原理如果用P x y表示XY平面上一個未被變換的點(diǎn)，而用P x y表示經(jīng)某種變換后的新點(diǎn)。則，對于二維幾何變換，一般可分3種情況。XYoP x yP x y 平 移 變 換令T=Tx Ty，其中Tx為點(diǎn)P沿X方向的平移量， Ty為沿Y方向的平移量，則；相應(yīng)的向量形式為：第四章 圖形處理(4,5)xyo(7,1)xyo圖 平移變換平移變換量為： Tx

40、 = 3，Ty = - 4第四章 圖形處理(2,5/4)(4,5)xyoxyo 比 例 變 換設(shè)定Sx 為給定點(diǎn)P相對于坐標(biāo)原點(diǎn)沿X方向的比例系數(shù)，Sy 為沿Y方向的比例系數(shù)。第四章 圖形處理經(jīng)變換：若令則得矩陣形式為：第四章 圖形處理 旋 轉(zhuǎn) 變 換若給定點(diǎn) P 相對于坐標(biāo)原點(diǎn)逆時針旋轉(zhuǎn) 角，其變換后的坐標(biāo)用如下形式表示：xyo P（x，y）P（x，y）第四章 圖形處理用矩陣形式表示為：即其中第四章 圖形處理(5,2)xyo(2.1,4.9)xyo圖為一個正方形繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)45的情況。繞任意一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)變換，不能用上面介紹的公式求得。第四章 圖形處理齊次坐標(biāo)變換齊次坐標(biāo)表示法是就是由（n+1

41、）維向量表示一個n維向量。在二維平面中，點(diǎn) P（x，y）的齊次坐標(biāo)表示為： P（wx，wy，w） 這里， w - 是不為零的比例系數(shù)即： 二維平面中，點(diǎn)用非齊次坐標(biāo)表示時，具有兩個分量，且是 唯一的。而用齊次坐標(biāo)表示，則具有3個分量，且不唯一。 （12，8，4）和（6，4，2）以及（3，2，1） 表示同一個點(diǎn)（3，2）第四章 圖形處理 優(yōu)點(diǎn)： 提供了用矩陣運(yùn)算把二維、三維甚至高維空間中的一個 點(diǎn)集從一個坐標(biāo)系變換到另一個坐標(biāo)系的有效方法。 在幾何變換中為了使所有的變換都統(tǒng)一用矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)， 所以坐標(biāo)采用齊次坐標(biāo)表示。平移、比例和旋轉(zhuǎn)等幾何變換形式：從以上公式可以看出，對于平移變換的處理方法（加

42、法）和對于比例、旋轉(zhuǎn)變換的處理方法（乘法）是不同的。若采用齊次坐標(biāo)技術(shù)，上述三種變換都可以用矩陣乘法處理。第四章 圖形處理二維齊次坐標(biāo)三維齊次坐標(biāo) x1 y1 1 x2 y2 1 x3 y3 1. xn yn 1 x1 y1 z1 1 x2 y2 z2 1 x3 y3 z3 1. xn yn zn 1對于平面上的點(diǎn)，有如下齊次變換矩陣：（x* y* 1） =（x y 1） T（x，y）為變換前的點(diǎn)坐標(biāo)，（x*，y*）為變換后的坐標(biāo)， T成為變換矩陣。第四章 圖形處理2、二維圖形的基本變換通常，用下列形式表示齊次坐標(biāo)中二維平面內(nèi)一個未被變換的點(diǎn)：P x y 1用33矩陣表示變換矩陣：則，經(jīng) T

43、變換后：第四章 圖形處理（1）平移變換若點(diǎn)P（x，y）沿X，Y方向平移量為：則，平移變換矩陣為：也即，第四章 圖形處理 用齊次坐標(biāo)變換如何描述多次平移變換若點(diǎn)P（x，y）經(jīng)T1變換后平移了（Tx1，Ty1），經(jīng)T2變換后又平移了（Tx2，Ty2），其總的變化矩陣如何？令第四章 圖形處理其中而連續(xù)的平移變換是平移量相加第四章 圖形處理（2）比例變換若Sx，Sy分別表示點(diǎn)P（x，y）沿X和Y方向相對原點(diǎn)的比例變換系數(shù)，則矩陣形式為：其中第四章 圖形處理即則有第四章 圖形處理 連續(xù)的比例變化可通過連續(xù)的矩陣相乘實(shí)現(xiàn)若點(diǎn)P（x，y）經(jīng)比例變換T1（Sx1，Sy1）后，再經(jīng)比例變換T2（Sx2，Sy2）

44、，其總的變化矩陣如何？即第四章 圖形處理（3）旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換公式其中角正負(fù)的確定：點(diǎn) P 在XY平面內(nèi)繞原點(diǎn)逆時針旋轉(zhuǎn)所形成的角度為正，反之為負(fù)。第四章 圖形處理兩個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)變化：兩個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)變換是角度的相加第四章 圖形處理（4）對稱變換OXYOXYOXYy = xOXYy = - xOXY第四章 圖形處理(1) 對稱于 Y 軸變換矩陣為:點(diǎn)P經(jīng)T變換作用后, 所得P點(diǎn)的坐標(biāo)為:第四章 圖形處理(2) 對稱于 X 軸變換矩陣為:點(diǎn)P經(jīng)T變換作用后, 所得P點(diǎn)的坐標(biāo)為:第四章 圖形處理(3) 對稱于原點(diǎn)變換矩陣為:點(diǎn)P經(jīng)T變換作用后, 所得P點(diǎn)的坐標(biāo)為:第四章 圖形處理(4) 對稱于直線

45、y = x變換矩陣為:點(diǎn)P經(jīng)T變換作用后, 所得P點(diǎn)的坐標(biāo)為:第四章 圖形處理(5) 對稱于直線 y = -x變換矩陣為:點(diǎn)P經(jīng)T變換作用后, 所得P點(diǎn)的坐標(biāo)為:第四章 圖形處理3、組合變換xoyA(xA, yA)PN組合變換: 對一個給定的圖形, 按一定 順序進(jìn)行多次基本變換而得到 新的圖形.例: 點(diǎn) P(x, y) 繞任意點(diǎn)A逆時針 旋轉(zhuǎn) 角, 求其組合變換矩陣.第四章 圖形處理步驟 1: 平移任意點(diǎn) A, 使其與坐標(biāo)系原點(diǎn)重合, 平移矩陣為:xoy(A)P則第四章 圖形處理步驟 2: 點(diǎn)P繞任意點(diǎn) A(即坐標(biāo)原點(diǎn))旋轉(zhuǎn), 旋轉(zhuǎn)矩陣為:則Pxoy(A)P第四章 圖形處理步驟 3: 再做平移

46、變換,使點(diǎn)A回到原位, 平移變換矩陣為:xoyA(xA, yA)PN則第四章 圖形處理組合變換矩陣:第四章 圖形處理4、三維圖形基本變換三維圖形的幾何變換也采用齊次坐標(biāo)變換技術(shù)來描述空間的各點(diǎn)坐標(biāo)及各種變換。三維空間中的 P（x， y， z）的齊次坐標(biāo)形式：x y z 1三維空間各種變換矩陣：第四章 圖形處理 變 比 變 換設(shè)變換矩陣為：則，點(diǎn)P（x， y， z）在T作用下變?yōu)椋海?）局部變比：第四章 圖形處理 變 比 變 換設(shè)變換矩陣為：則，點(diǎn)P（x， y， z）在T作用下變?yōu)椋海?）局部變比：第四章 圖形處理 平 移 變 換當(dāng)變換陣為：則，點(diǎn) P經(jīng)平移變換后：第四章 圖形處理 對 稱 變

47、換（1）相對于XY平面 的對稱變換（2）相對于XZ平面 的對稱變換（3）相對于YZ平面 的對稱變換第四章 圖形處理 旋 轉(zhuǎn) 變 換（1）繞Z軸平逆時針旋轉(zhuǎn)：（2）繞X軸平逆時針旋轉(zhuǎn)：（3）繞Y軸平逆時針旋轉(zhuǎn)：第四章 圖形處理xyz45abcdP(a, b, 0)P(c, 0, d) 三維組合變換第四章 圖形處理二、 圖形的消隱技術(shù)1、消隱的概念與作用圖形表達(dá)的二義性b）c）a）第四章 圖形處理a）b）c）兩個立方體的相互遮擋關(guān)系第四章 圖形處理說明 要使圖形顯示出較真實(shí)的立體感，避免因二義性而造成錯覺，必須消除物體自身遮擋或物體之間相互遮擋而無法看見的線條。隱藏線： 當(dāng)沿著投影線觀察三維物體時

48、，由于自身 某些表面或其它物體的影響，而被遮擋住 的線。隱藏面： 被遮擋住的面。第四章 圖形處理消隱：將隱藏線和隱藏面消除的過程。消隱技術(shù)： 用適當(dāng)?shù)姆椒ê退惴ǚ直娉瞿男┦强梢姴糠郑?哪些是不可見部分，即找出隱藏線和隱藏面， 并消除隱藏線和隱藏面的技術(shù)。 消除隱藏線和隱藏面的目的： 為了提高物體投影圖的真實(shí)感，使其只有唯一 的一種解釋。第四章 圖形處理2、消隱算法中的基本測試方法1）重疊測試XYOXminXmaxYminYmax兩個多邊形A和B不可能重疊的條件：X Amax X Bmin； X Amin X BmaxY Amax Y Bmin； Y Amin Y Bmax第四章 圖形處理(1)

49、(2)(3)(4)XOY 重疊性測試的幾種典型情況第四章 圖形處理2）包含性測試 測試點(diǎn)與多邊形的包含關(guān)系的方法：（1）射線交點(diǎn)數(shù)算法 方法： 為了判別測試點(diǎn)是否為多邊形所包含，由測試點(diǎn) 向多邊形外引出判別輔助射線，以射線與多邊形 棱邊的交點(diǎn)數(shù)來確定測試點(diǎn)是否包含在多邊形中。第四章 圖形處理EDCAB 判斷方法： 1）交點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)時，測試點(diǎn) 在多邊形內(nèi)部。2）交點(diǎn)數(shù)為偶數(shù)時，測試 點(diǎn)在多邊形之外。3）若射線通過多邊形的頂點(diǎn)， 且形成該頂點(diǎn)的兩條邊在 射線兩側(cè)，則點(diǎn)在內(nèi)。4）若形成該頂點(diǎn)的兩條邊在射線的同側(cè)，則點(diǎn)在多邊形之外。5）若多邊形的一條邊位于射線上，則必須重新引射線。第四章 圖形處理（2

50、）夾角求和算法ABii方法： 首先將多邊形定義為有向 邊，逆時針為正、順時針 為負(fù)。 由被測點(diǎn)A或B與多邊形的 每條邊的兩端點(diǎn)構(gòu)成三角形。 求被測點(diǎn)與多邊形各邊對應(yīng)的中心角i。 若構(gòu)成三角形的邊相對于被測點(diǎn)為逆時針， i為正，否則為負(fù)。判別：當(dāng)i = 2，點(diǎn)在內(nèi)當(dāng)i = 0， 點(diǎn)在外第四章 圖形處理3）深度測試深度測試是用來測定一個物體遮擋另外物體的基本方法。優(yōu)先級測試： 求兩個物體在投影平 面內(nèi)的交點(diǎn)坐標(biāo)，然 后比較其大小。XYZOF1P1F2P2P12第四章 圖形處理設(shè)矩形和三角形的平面方程為：求得：第四章 圖形處理判斷原則：當(dāng)Z1 Z2時，P1為可見點(diǎn)，矩形比三角形 優(yōu)先級高。當(dāng)Z1 Z

51、2時，P2為可見點(diǎn)，三角形比矩形 優(yōu)先級高。如：第四章 圖形處理三、圖形的光照處理采用消隱技術(shù)消除了隱藏線和隱藏面后，圖形就沒有了二義性，同時也使圖形與真實(shí)感接近了一步。但還要考慮另外一系列方法使圖形看上去就像真實(shí)的物體即創(chuàng)造所謂真實(shí)感圖形。光照處理是繪制真實(shí)感圖形所需要的重要技術(shù)之一。光照處理的概念： 光照處理是模擬光線照射在物體上，物體反映出來的感觀效應(yīng)，通過必要的算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)際物體在計(jì)算機(jī)上的虛擬。第四章 圖形處理真實(shí)感圖形繪制是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個重要組成部分。它綜合利用了數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和其它科學(xué)與技術(shù)，在計(jì)算機(jī)圖形設(shè)備上生成像彩色照片那樣的真實(shí)感圖形。一、光照處理的基本原理

52、光照處理的基本出發(fā)點(diǎn)是希望光照射在物體上，能模擬眼睛看物體的效果。光照射到物體表面，一部分被吸收，一部分被反射，如果是透明物體，還會后折射。到達(dá)人的眼睛那部分光使人感覺到物體的明暗或顏色。第四章 圖形處理光的亮度由光的強(qiáng)度決定，光的顏色由波長決定。物體的顏色取決于未被吸收的那部分光的波長。從物體表面反射或折射出來的光的強(qiáng)度取決于很多因素：1）光源的性質(zhì) （點(diǎn)光源、多光源或分布光源、波長光源的位置等）2）物體的表面性質(zhì) （表面形狀、反射率、折射率、光滑度等）3）表面細(xì)節(jié)（紋理、顏色）4）周圍環(huán)境、視點(diǎn)位置第四章 圖形處理1、窗口與視區(qū) （1）窗口區(qū)和視圖區(qū)用戶域（用戶空間）： 用戶用來定義設(shè)計(jì)對

53、象的實(shí)數(shù)域。窗口區(qū)： 用戶可以在用戶域中指定任意的區(qū)域，把感興趣的部分區(qū)域內(nèi)的圖形輸出到屏幕上，通常稱這個區(qū)域?yàn)榇翱趨^(qū)。四、圖形裁剪技術(shù)第四章 圖形處理屏幕域： 圖形設(shè)備上用來輸出圖形的最大區(qū)域。視圖區(qū)： 任何小于或等于屏幕域的區(qū)域。 視圖區(qū)由用戶在屏幕域中用設(shè)備坐標(biāo)定義，一般 也定義成矩形，大多由其左下角點(diǎn)坐標(biāo)和右上角 點(diǎn)坐標(biāo)來定義。第四章 圖形處理（2）窗口區(qū)和視圖區(qū)之間的坐標(biāo)變換 為了全部、如實(shí)地在視圖區(qū)中顯示出窗口區(qū)所定義的物體圖形，就必須求出圖形在窗口區(qū)和視圖區(qū)之間的映象關(guān)系。也就是說，需要根據(jù)用戶所定義的參數(shù)，找到窗口區(qū)和視圖區(qū)之間的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系。第四章 圖形處理圖1 窗口區(qū)與視圖

54、區(qū)的對應(yīng)關(guān)系（xWL，yWB）（xWR，yWT）（xW，yW）OXY窗口（xVR，yVT）（xVL，yVB）XOY視圖（xV，yV）第四章 圖形處理因此，第四章 圖形處理令：則：第四章 圖形處理設(shè)置窗口以后，將窗口內(nèi)的圖形保留下來，而將窗口外的部分舍棄，這就是裁剪所要做的工作。裁剪的基本目的：判斷圖形元素是否在所考慮的 區(qū)域內(nèi)。裁剪處理內(nèi)容：（1）點(diǎn)在裁剪區(qū)域內(nèi)外的判斷；（2）圖形與裁剪區(qū)域邊界交點(diǎn)的計(jì)算。2、二維圖形的裁剪第四章 圖形處理（一）點(diǎn)的裁剪 假設(shè)窗口的兩個頂點(diǎn)坐標(biāo)為（xWL，yWB）和（xWR，yWT），那么點(diǎn)P（x，y）為可見的充分必要條件是滿足以下條件：P（x，y）xWLxW

55、RyWTyWB第四章 圖形處理（二）二維線段的裁剪ABCDEFGHIJLK圖2 線段的裁剪第四章 圖形處理插補(bǔ)原理1、編碼裁剪法 區(qū)域碼 規(guī)定意義 第一位： 線段端點(diǎn)在窗口上方，則該位為“1”，否則為“0” 第二位： 線段端點(diǎn)在窗口下方，則該位為“1”，否則為“0” 第三位： 線段端點(diǎn)在窗口右側(cè)，則該位為“1”，否則為“0” 第四位： 線段端點(diǎn)在窗口左側(cè)，則該位為“1”，否則為“0” 這種算法是用區(qū)域檢查的辦法有效地識別可以直接接受或直接舍棄的線段，只有不屬于這兩種情況的線段才需要計(jì)算交點(diǎn)。算法把平面分成9個區(qū)域，每個區(qū)域用4位二進(jìn)制代碼表示，稱為區(qū)域碼。第四章 圖形處理01010100011

56、0000100100000圖 線段端點(diǎn)的區(qū)域碼及其應(yīng)用實(shí)例000001010窗口0000 A(1001)CDB0000111第四章 圖形處理2、中點(diǎn)分割裁剪法（對分法）中點(diǎn)分割法： 在求交點(diǎn)時，采用折半查找的方法進(jìn) 行，即不斷地將交點(diǎn)所在的線段一分 為二，直到在一定精度下求得交點(diǎn)為 止。第四章 圖形處理Pm1Pm2P3P4方法：用區(qū)域碼判斷1、首先求中點(diǎn)Pm1，將 線段一分為二， 兩半段即 不是完全可見線段，也不是 完全不可見段。2、 考慮Pm1 P4，再對分該線段求出中點(diǎn)Pm2， 此時Pm1 Pm2 完全可見，而Pm2 P4部分可見。 所以Pm1 Pm2可立即畫出。 3、 將Pm2作為當(dāng)前離

57、P3最遠(yuǎn)的可見點(diǎn)保存起來。第四章 圖形處理第 5 章 建 模 技 術(shù) 學(xué)習(xí)目標(biāo): 學(xué)習(xí)重點(diǎn)：各種建模方式（線框、表面、實(shí)體）的基本 原理和特點(diǎn) 學(xué)習(xí)難點(diǎn)：特征建模 掌握幾何建模的基本概念和幾種建模方法的原理、特點(diǎn)及其在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示，比較不同方法的使用場合；學(xué)會根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)形狀，分析建模過程，畫出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖；了解特征建模的基本概念；會使用商品化CAD/CAM軟件中的幾何建模功能。 第五章 建模技術(shù)學(xué)習(xí)內(nèi)容內(nèi) 容知 識 點(diǎn)概述建模的基本概念與基本要求幾何建模與特征建模線框建模線框建模的基本原理二維和三維線框模型線框建模的優(yōu)缺點(diǎn)表面建模表面建模的基本原理表面描述方法的種類自由曲面的建模方法表面建

58、模的特點(diǎn)實(shí)體建模實(shí)體建模的基本原理體素及其布爾運(yùn)算實(shí)體模型的表示方法特征建模特征建模的概念特征建模的功能與特點(diǎn)特征建模的表示及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第五章 建模技術(shù)1、建模技術(shù)： 將物體及其屬性轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)字化表達(dá) 的原理和方法。計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示：決定在計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用什么樣的 數(shù)字化模型來描述、存儲和表達(dá) 物體及其相關(guān)的屬性。模型的組成：數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法三部分組成。一、基本概念2、幾何建模與特征建模： （1）幾何建模 以幾何信息和拓?fù)湫畔⒎从辰Y(jié)構(gòu)體的形狀、位置、 表現(xiàn)形式（如線條類型）等數(shù)據(jù)。幾何信息：指物體在歐氏空間中的形狀、位置和大小， 最基本的幾何元素是點(diǎn)、直線、面。拓?fù)湫畔ⅲ褐竿負(fù)湓兀?/p>

59、點(diǎn)、邊棱線和表面）的數(shù) 量及其相互之間的連接關(guān)系。第五章 建模技術(shù)拓?fù)湓刂g的拓?fù)潢P(guān)系：F：F - 表示由一個面找出該面的所有相鄰面V：F - 表示由一個頂點(diǎn)找出相交于此頂點(diǎn)的所有面E：F - 表示由一個棱邊找出相交于此棱邊的所有面E：FF2F1EV：FF1F3F2VF：FF1F4F3F2F第五章 建模技術(shù)（2）特征建模由于幾何模型只是物體幾何數(shù)據(jù)及拓?fù)潢P(guān)系的描述，無明顯的功能、結(jié)構(gòu)和工程含義，所以若從這些信息中提取、拾取工程信息是相當(dāng)困難， 為此促進(jìn)了特征建模技術(shù)的發(fā)展。特征： 一個零件的形狀或其他屬性的信息集。特征建模： 基于一組予定義特征的建模第五章 建模技術(shù)二、線框建模1、二維建模

60、二維線框建模是以二維平面的基本圖形元素（點(diǎn)、線、園弧等）為基礎(chǔ)表達(dá)二維圖形。V5V1V2V3V4E1E2E3E4E5E6如圖：在計(jì)算機(jī)內(nèi)部通過圖形的5個頂點(diǎn)和6條邊線來表達(dá)線框模型。第五章 建模技術(shù)E1E2E3E4E5E6V1V2V3V4V5（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3）（x4，y4）（x5，y5）圖形的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)圖形第五章 建模技術(shù)2、三維線框模型E2E1E3E5E4E6V1V2V3V4四面體第五章 建模技術(shù)圖形的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)E1E2E3E4E5E6V1V2V3V4（x1，y1 ，z1 ）（x4，y4 ，z4 ）第五章 建模技術(shù)線框模型的缺點(diǎn)：1）線框模型2）凹面、通孔3）凸面