計(jì)算機(jī)輔助制造03課件

1、計(jì)算機(jī)輔助制造03計(jì)算機(jī)輔助制造033.1 概述計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)：將計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)以及人的智慧和經(jīng)驗(yàn)以現(xiàn)代科學(xué)方法為指導(dǎo)結(jié)合起來，在設(shè)計(jì)的全過程中各盡所長，盡可能地利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成那些重復(fù)性高、勞動(dòng)量大、計(jì)算復(fù)雜以及單純靠人工難以完成的工作，輔助而非代替工程技術(shù)人員完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)過程需要合理化、科學(xué)化、算法化、規(guī)律化3.1 概述計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)：3.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程分析一、設(shè)計(jì)過程及階段劃分1.任務(wù)規(guī)劃階段2.概念設(shè)計(jì)階段3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段4.詳細(xì)設(shè)計(jì)階段5.定型生產(chǎn)階段3.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程分析一、設(shè)計(jì)過程及階段劃分3.3 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)一、產(chǎn)品概

2、念設(shè)計(jì)內(nèi)涵二、概念設(shè)計(jì)的過程模型三、計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)四、基于知識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)五、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的美學(xué)設(shè)計(jì)3.3 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)一、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)內(nèi)涵一、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)內(nèi)涵概念設(shè)計(jì)是由分析用戶需求到生成概念產(chǎn)品的一系列有序的、可組織的、有目標(biāo)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，它表現(xiàn)為一個(gè)由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具體、不斷進(jìn)化的過程。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的60%70%成本和時(shí)間占20%以下一、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)內(nèi)涵概念設(shè)計(jì)二、概念設(shè)計(jì)的過程模型D=I,P,Q,O,例如：P2為概念設(shè)計(jì)過程=需求分析，功能求解，尋求子原理解，概念產(chǎn)品評價(jià)Q2=需求說明書，功能解答，原理解答，概念產(chǎn)品解答概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：方案選擇自由度

3、大，創(chuàng)新空間大，決策風(fēng)險(xiǎn)大，決定產(chǎn)品最終價(jià)值的80%。二、概念設(shè)計(jì)的過程模型D=I,P,Q,O,計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)定義：以計(jì)算機(jī)為手段從事符合人類進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思維過程，支持產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)決策。人機(jī)工作分配：計(jì)算機(jī)：有規(guī)律的設(shè)計(jì)工作，創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在依據(jù)規(guī)則和知識(shí)對問題求解的分析綜合。人：原創(chuàng)性的設(shè)計(jì)工作計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)定義：三、計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)原理方案設(shè)計(jì)技術(shù)概念設(shè)計(jì)建模技術(shù)設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù)并行和協(xié)同概念設(shè)計(jì)技術(shù)三、計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)原理方案設(shè)計(jì)技術(shù)四、基于知識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)本質(zhì)：推理與決策的過程概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：應(yīng)用合理有效的知識(shí)處理（表達(dá)、獲取、推理），

4、進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法：基于功能分解與重組的設(shè)計(jì)方法TRIZ理論四、基于知識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)本質(zhì)：推理與決策的過程五、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的美學(xué)設(shè)計(jì)概念車五、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的美學(xué)設(shè)計(jì)概念車概念車概念車3.4 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)一、 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)概念二、 參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法三、模塊化設(shè)計(jì)方法3.4 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)一、 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)概念一、 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)概念研究目的：將只有幾何圖素的“死圖”變?yōu)楹O(shè)計(jì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)信息的產(chǎn)品幾何模型。1.參數(shù)化和變量化設(shè)計(jì)的基本概念參數(shù)化設(shè)計(jì) 是指設(shè)計(jì)圖形拓樸關(guān)系不變，尺寸形狀由一組參數(shù)進(jìn)行約束，參數(shù)與圖形的控制尺寸有顯式對應(yīng)，不同的參數(shù)

5、值產(chǎn)生不同的圖形。適應(yīng)于規(guī)格化、系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。變量化設(shè)計(jì) 是指設(shè)計(jì)圖形的修改自由度不僅是尺寸形狀參數(shù)，還有拓樸結(jié)構(gòu)關(guān)系，甚至工程計(jì)算條件，設(shè)計(jì)結(jié)果受到一組約束方程控制和驅(qū)動(dòng)。適應(yīng)新產(chǎn)品的開發(fā)。相同：在約束的基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)結(jié)果不同：約束自由度的范圍。參數(shù)化設(shè)計(jì)方法中要嚴(yán)格的逐個(gè)連續(xù)求解參數(shù)；變量化設(shè)計(jì)中則是方程式的聯(lián)立求解。一、 參數(shù)化與模塊化設(shè)計(jì)概念研究目的：2.模塊化設(shè)計(jì)的基本概念概念：對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列相對通用的功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求。例如：組合夾具、系列化機(jī)床、家具2.模

6、塊化設(shè)計(jì)的基本概念概念：衣櫥模塊化設(shè)計(jì)衣櫥模塊化設(shè)計(jì)衣櫥模塊化設(shè)計(jì)衣櫥模塊化設(shè)計(jì)二、 參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法（一）參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法1.參數(shù)化設(shè)計(jì)的步驟2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義3.參數(shù)化繪圖實(shí)現(xiàn)方式4.參數(shù)取值方式（二）變量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理1.整體求解法2.局部求解法3.幾何推理法4.輔助線求解法二、 參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法（一）參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法1.參數(shù)化設(shè)計(jì)的步驟建立幾何拓樸模型進(jìn)行參數(shù)化定義推導(dǎo)參數(shù)表達(dá)式編制程序1.參數(shù)化設(shè)計(jì)的步驟建立幾何拓樸模型2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義注重參數(shù)序列的設(shè)計(jì)含義參數(shù)標(biāo)標(biāo)注與工程圖標(biāo)注一致參數(shù)序列與幾何圖形尺寸序列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)

7、關(guān)系工程圖中的關(guān)鍵尺寸應(yīng)作為自變量參數(shù)參數(shù)定義不能出現(xiàn)過約束2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義注重參數(shù)序列的設(shè)計(jì)含義例 參數(shù)化繪圖一般繪圖：計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)值，逐點(diǎn)連線參數(shù)化繪圖：參數(shù)化定義與標(biāo)注例 參數(shù)化繪圖一般繪圖：計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)值，逐點(diǎn)連線參數(shù)化繪計(jì)算機(jī)輔助制造033.參數(shù)化繪圖實(shí)現(xiàn)方式建立模型過程中，直接將參數(shù)序列定義其中；利用草圖器繪制草圖，然后再加約束，定義參數(shù)；對成熟的、定型的、常用的產(chǎn)品圖形，將模型建成參數(shù)化圖素。3.參數(shù)化繪圖實(shí)現(xiàn)方式建立模型過程中，直接將參數(shù)序列定義其中4.參數(shù)取值方式設(shè)置缺省尺寸值預(yù)先設(shè)計(jì)建立系列化變量值表，繪圖時(shí)從表中取值由用戶實(shí)時(shí)修改輸入4.參數(shù)取值方式設(shè)置缺省

8、尺寸值（二）變量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理本質(zhì) 是在數(shù)字化建模時(shí)動(dòng)態(tài)地建立、編輯和識(shí)別約束，并在此約束下求解各特征點(diǎn)。整體求解法 將幾何約束轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c(diǎn)為變元的非線性方程組的方法局部求解法 作圖過程中同步建立結(jié)構(gòu)圖形約束的方法幾何推理法 采用謂詞表示幾何約束，在專家系統(tǒng)的支持下，求出求和約束，檢查約束模型的有效性輔助線求解法 用輔助線作為隱含約束的方法，所有作圖形都建筑在輔助線的基礎(chǔ)上。（二）變量化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理本質(zhì) 是在數(shù)字化建模時(shí)動(dòng)態(tài)地建立參數(shù)化、變量化對比參數(shù)化記錄建模過程和其中的變量，是順序化的。速度快。但用戶必須提供幾何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定義下一個(gè)元素。變量化模型的驅(qū)動(dòng)

9、尺寸用復(fù)雜的方程組來表達(dá)，通過求解聯(lián)立方程組來得到結(jié)果。允許用戶不必關(guān)心約束設(shè)置的順序，允許欠約束的幾何設(shè)計(jì)。變量化系統(tǒng)是對逐漸用屬性進(jìn)行約束的自由輪廓進(jìn)行求解，而不是對造型步驟進(jìn)行記錄。參數(shù)化、變量化對比參數(shù)化三、模塊化設(shè)計(jì)方法新產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)變型產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)現(xiàn)有產(chǎn)品模塊化改造設(shè)計(jì)三、模塊化設(shè)計(jì)方法新產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程1.新產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)市場調(diào)研功能分析模塊化產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)模塊劃分模塊劃分方案初步評價(jià)各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)模塊綜合產(chǎn)品性能分析模塊設(shè)計(jì)方案詳細(xì)評價(jià)編寫技術(shù)文件2.變型產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)用戶需求分析查詢模塊庫模塊選擇與替換/設(shè)計(jì)新模塊模塊組合產(chǎn)品性能分析編寫技術(shù)文件設(shè)計(jì)過程1.新產(chǎn)品模塊

10、化設(shè)計(jì)2.變型產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)3.現(xiàn)有產(chǎn)品的模塊化改造設(shè)計(jì)過程市場調(diào)研用戶需求分析與分類擬定產(chǎn)品系列型譜參數(shù)范圍及主參數(shù)確定已有產(chǎn)品的模塊化分析與模塊化程度評價(jià)確定模塊化系列類型（橫、縱、跨、全）模塊劃分各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)模塊綜合產(chǎn)品性能分析編寫技術(shù)文件3.現(xiàn)有產(chǎn)品的模塊化改造設(shè)計(jì)過程模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵市場調(diào)查與分析模塊的劃分模塊標(biāo)準(zhǔn)化擬定產(chǎn)品系列型譜模塊的管理模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵市場調(diào)查與分析3.5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可視化技術(shù)一、圖形生成技術(shù)與算法二、圖形變換技術(shù)三、真實(shí)感圖形顯示技術(shù)四、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)3.5 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可視化技術(shù)一、圖形生成技術(shù)與算法一、圖形生成技術(shù)與算法1. 基本圖形元素的生成算法2.自由

11、曲線和曲面的生成3.圖形元素的求交以及集合運(yùn)算4.不同字體中、西文的點(diǎn)陣表示及矢量字符的生成一、圖形生成技術(shù)與算法1. 基本圖形元素的生成算法基本圖形元素的生成算法直線DDA、Bresenham算法圓弧正負(fù)法、多邊形逼近法區(qū)域填充多邊填充種子填充基本圖形元素的生成算法直線自由曲線和曲面的生成規(guī)則曲線、曲面按參數(shù)方程畫出不規(guī)則曲線、曲面離散數(shù)據(jù)插值曲線擬合（例如貝塞爾曲線）自由曲線和曲面的生成規(guī)則曲線、曲面圖形元素的求交以及集合運(yùn)算幾何運(yùn)算：求交運(yùn)算 面面，面線，線線檢驗(yàn)幾何元素位置的運(yùn)算點(diǎn)在線，點(diǎn)在面，點(diǎn)在物體幾何建模拼合算法幾何運(yùn)算核心基礎(chǔ)圖形元素的求交以及集合運(yùn)算幾何建模拼合算法幾何運(yùn)算核

12、心基礎(chǔ)不同字體中、西文點(diǎn)陣表示及矢量字符生成字符庫儲(chǔ)存了每個(gè)字符的形狀信息分類：矢量型點(diǎn)陣型字型壓縮技術(shù)不同字體中、西文點(diǎn)陣表示及矢量字符生成字符庫二、圖形變換技術(shù)（一）窗、視變換（二）圖形幾何變換的基本原理（三）二維圖形的幾何變換（四）三維圖形的幾何變換二、圖形變換技術(shù)（一）窗、視變換（一）窗、視變換窗口定義：用戶在輸入的圖形選定的觀察區(qū)域?qū)傩裕鹤鴺?biāo) 二維平面的矩形區(qū)域?？梢娦?矩形內(nèi)可見，外不可見窗口可以嵌套異形窗口（一）窗、視變換窗口視口定義：在圖形輸出設(shè)備上所復(fù)制的窗口內(nèi)容的矩形區(qū)域?qū)傩裕鹤鴺?biāo) 二維平面的矩形區(qū)域。視區(qū)可以嵌套視口窗口、視口示意圖窗口、視口示意圖窗視變換定義：由于窗口和

13、視區(qū)大小和單位的不一致，為在視區(qū)中表現(xiàn)窗口內(nèi)容，將窗口圖形坐標(biāo)應(yīng)變換到視區(qū)中。屬性：視區(qū)和窗口的縮小和放大均可使圖形產(chǎn)生變化。視區(qū)縱橫比不等于窗口縱橫比時(shí)，顯示的圖形會(huì)有伸縮變化窗口和視區(qū)大小相同、坐標(biāo)相同時(shí)，顯示的圖形不變窗視變換窗、視變換示意圖（XR,YR）（XE,YE）窗、視變換示意圖（XR,YR）（XE,YE）視區(qū)不變、窗口縮小，圖形放大視區(qū)不變、窗口縮小，圖形放大（二）圖形幾何變換的基本原理基本思想：任何一個(gè)圖形都可以認(rèn)為是點(diǎn)之間的連線構(gòu)成的。對于一個(gè)圖形作幾何變換，實(shí)際上就是對一系列點(diǎn)進(jìn)行變換。引入齊次坐標(biāo)，變換算法可用矩陣表達(dá)點(diǎn)p的幾何變換：(x, y, z, 1)=(x, y,

14、 z, 1)M圖形的幾何變換：V = V M對于二維圖形M是33階矩陣，三維圖形M是44階矩陣變換類型比例變換、對稱變換、錯(cuò)切變換、旋轉(zhuǎn)變換、平移變換（二）圖形幾何變換的基本原理基本思想：（三）二維圖形的幾何變換圖形的變換完全取決于變換矩陣中各元素的取值。一個(gè)二維變換矩陣可分為四個(gè)部分，即其中：A、B、C、D：比例、對稱、錯(cuò)切、旋轉(zhuǎn)M、N：平移P、Q：透視S：全比例變換（三）二維圖形的幾何變換圖形的變換完全取決于變換矩陣中各元素比例變換比例變換對稱變換對稱變換錯(cuò)切變換錯(cuò)切變換旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換平移變換22階變換矩陣不能實(shí)現(xiàn)平移，需引入齊次坐標(biāo)。齊次坐標(biāo)：將一個(gè)n維分向量用n+1維的分向量來表示平

15、移變換22階變換矩陣不能實(shí)現(xiàn)平移，需引入齊次坐標(biāo)。復(fù)合變換實(shí)際圖形變換是相對于任意點(diǎn)或線的變換。復(fù)合變換過程平移變換再平移注意： 復(fù)合變換矩陣的求解順序不能任意變動(dòng)復(fù)合變換實(shí)際圖形變換是相對于任意點(diǎn)或線的變換。（四）三維圖形幾何變換（1）三維幾何變換矩陣M：左上角：比例、對稱、錯(cuò)切、旋轉(zhuǎn)左下角：平移右上角：透視右下角：全比例（四）三維圖形幾何變換（1）三維幾何變換矩陣M：（四）三維圖形幾何變換（2）三維比例變換三維對稱變換對XOY平面的對稱變換對YOZ平面的對稱變換對XOZ平面的對稱變換三維錯(cuò)切變換三維平移變換三維旋轉(zhuǎn)變換繞Z軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣?yán)@X軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣?yán)@Y軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣（四）三維圖

16、形幾何變換（2）三維比例變換（四）三維圖形幾何變換（3）三面投影變換(1) 主視圖變換矩陣(2) 俯視圖變換矩陣(3) 左視圖變換矩陣（四）三維圖形幾何變換（3）三面投影變換三、真實(shí)感圖形顯示技術(shù)三、真實(shí)感圖形顯示技術(shù)真實(shí)感圖形技術(shù)真實(shí)感圖形：經(jīng)過消隱、著色、渲染等效果處理的圖形。技術(shù)內(nèi)容：觀察空間轉(zhuǎn)換（三維實(shí)體的二維表示技術(shù)：軸側(cè)圖、透視圖，增強(qiáng)立體感）消隱（面的可見性、包含性、深度檢驗(yàn)）明暗效應(yīng)（明暗效應(yīng)數(shù)學(xué)模型：以數(shù)學(xué)公式近似表面感光效果）陰影（二次消隱：光源消隱，視點(diǎn)消隱）紋理處理、光線跟蹤、輻射度、透明度真實(shí)感圖形技術(shù)真實(shí)感圖形：1.軸測圖使物體連同它的三個(gè)坐標(biāo)軸同時(shí)傾斜于某一個(gè)投影

17、面，然后向該投影面投影就得到了軸測圖。軸測投影變換：先繞Y軸旋轉(zhuǎn)角在繞X軸旋轉(zhuǎn)角最后向XOY平面投影1.軸測圖使物體連同它的三個(gè)坐標(biāo)軸同時(shí)傾斜于某一個(gè)投影面，然2.透視圖表達(dá)的物體圖形有一種漸遠(yuǎn)漸小的深度感，是一種與人的視覺觀察物體比較一致的三維圖形，它是采用中心投影法繪制的。滅點(diǎn)： 任何一束不平行于投影面的平行線的透視投影將匯聚成的一點(diǎn)主滅點(diǎn)：坐標(biāo)軸上的滅點(diǎn)，數(shù)量是與投影平面切割坐標(biāo)軸的數(shù)量相對應(yīng)。2.透視圖表達(dá)的物體圖形有一種漸遠(yuǎn)漸小的深度感，是一種與人的分類：一點(diǎn)透視、二點(diǎn)透視、三點(diǎn)透視透視投影：一個(gè)圖形的點(diǎn)集以透視變換矩陣投影到XOY面就得透視投影。分類：3.線框圖和消隱圖3.線框圖和消隱圖4.移動(dòng)光源效果4.移動(dòng)光源效果5.陰影5.陰影四、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)Data Visualization含義：運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。包括：科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化、工程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的可視化、信息可視化核心：三維空間數(shù)據(jù)場的顯示算法中間幾何圖素法體繪制技