現(xiàn)代設(shè)計理論與方法計算機(jī)輔助設(shè)計

1、第4章 計算機(jī)輔助設(shè)計主要內(nèi)容： 了解計算機(jī)輔助設(shè)計； 了解工程數(shù)據(jù)的處理方法； 掌握計算機(jī)圖形處理與三維造型； 了解CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)。14.1 概述4.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展 計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，簡稱CAD）技術(shù)是電子信息技術(shù)和設(shè)計技術(shù)緊密結(jié)合的技術(shù)。 24.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展 CAD其概念和內(nèi)涵正在不斷地發(fā)展中。1972年10月，國際信息處理聯(lián)合會（IFIP）在荷蘭召開 “關(guān)于CAD原理的工作會議”上給出如下定義： CAD是一種技術(shù)，其中人與計算機(jī)結(jié)合為一個問題求解組，緊密配合，發(fā)揮各自所長，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應(yīng)用多學(xué)科

2、方法的綜合性協(xié)作提供了可能。CAD是工程技術(shù)人員以計算機(jī)為工具，對產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱 。34.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展 它把計算機(jī)所具有的運(yùn)算快、計算精度高、有記憶、邏輯判斷、圖形顯示以及繪圖等特殊功能與人們的經(jīng)驗、智慧和創(chuàng)造力結(jié)合起來，從而減輕設(shè)計人員的體力勞動，提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期 。44.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展1.計算機(jī)的發(fā)展 1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡成功地制造了第一臺鐘表齒輪式機(jī)械計算機(jī)，但僅能做加減法運(yùn)算。在此基礎(chǔ)上，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲于1678年發(fā)明了可做乘除運(yùn)算的計算機(jī)。 54.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展 二次世界大

3、戰(zhàn)，隨著火炮的發(fā)展，彈道計算日益復(fù)雜，原有的一些計算機(jī)已不能滿足使用要求，迫切需要有一種新的快速的計算工具。這樣，在一些科學(xué)家、工程師的努力下，在當(dāng)時電子技術(shù)已顯示出具有記數(shù)、計算、傳輸、存儲控制等功能的基礎(chǔ)上， 1946年美國賓夕法尼亞大學(xué)?？颂氐热搜兄瞥晒κ澜缟系谝慌_電子計算機(jī)“埃尼阿克”。他的計算速度是手工計算的20萬倍。它計算炮彈彈道只需要3秒鐘，而在此之前，則需要200人手工計算兩個月。64.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展2.計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 20世紀(jì)50年代在美國誕生第一臺計算機(jī)繪圖系統(tǒng)，開始出現(xiàn)具有簡單繪圖輸出功能的計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)。 60年代初期出現(xiàn)了cad 的曲面片技術(shù)，中期

4、推出商品化的計算機(jī)繪圖設(shè)備。 70年代，完整的cad 系統(tǒng)開始形成，后期出現(xiàn)了能產(chǎn)生逼真圖形的光柵掃描顯示器 ，推出了手動游標(biāo)、圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設(shè)備，促進(jìn)了cad技術(shù)的發(fā)展。74.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展 80 年代中期以來，cad 技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化方向發(fā)展。一些標(biāo)準(zhǔn)的圖形接口軟件和圖形功能相繼推出，為cad 技術(shù)的推廣、軟件的移植和數(shù)據(jù)共享起了重要的促進(jìn)作用；系統(tǒng)構(gòu)造由過去的單一功能變成綜合功能，出現(xiàn)了計算機(jī)輔助設(shè)計與輔助制造聯(lián)成一體的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多處理機(jī)和并行處理技術(shù)在cad中的應(yīng)用，極大地提高了cad系統(tǒng)的性能；人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)引入c

5、ad。84.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展50年代萌芽期： 圖形顯示器(50),NC機(jī)床(52),繪圖儀(58)60年代成長期: CAD(63),GRAPHI等大型CAD/CAM系統(tǒng)問世70年代發(fā)展期： CAD/CAM軟硬件系統(tǒng)商品化94.1.1 計算機(jī)輔助設(shè)計的發(fā)展CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展80年代普及期： PC微機(jī)和工作站系統(tǒng)廣泛使用，從大型企業(yè)向中小企業(yè)擴(kuò)展，從發(fā)達(dá)國家向發(fā)展中國家擴(kuò)展90年代集成期： CAD/CAM集成，CIMS集成104.1.2 計算機(jī)輔助設(shè)計的基本功能幾何造型工程分析仿真模擬圖形處理計算機(jī)輔助設(shè)計的基本功能114.2 CAD 系統(tǒng)軟件核心人關(guān)鍵硬

6、件基礎(chǔ)CAD系統(tǒng)組成人： 有著不可替代主導(dǎo)作用硬件： 是基礎(chǔ)，包括主機(jī)、計算機(jī)外部設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等軟件： 是核心，決定系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等；124.2.1 CAD 系統(tǒng)的硬件 CAD系統(tǒng)的硬件一般由計算機(jī)主機(jī)、常用外圍設(shè)備、圖形輸入設(shè)備和圖形輸出設(shè)備組成。圖形輸入和輸出設(shè)備種類很多，可根據(jù)需要進(jìn)行選配 。存貯器計算機(jī)主機(jī)輸入裝置輸出裝置CAD系統(tǒng)硬件組成134.2.1 CAD 系統(tǒng)的硬件144.2.2 CAD 系統(tǒng)的軟件 應(yīng)用軟件 支撐軟件系統(tǒng)軟件CAD系統(tǒng)的軟件組成154.2.2 CAD 系統(tǒng)的軟件 系統(tǒng)軟件：對計算機(jī)資源進(jìn)行自動管理和控制，它處于整個軟件的核心內(nèi)層

7、，主要包括操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等。 操作系統(tǒng)：計算機(jī)軟件核心，有CPU管理、內(nèi)存 管理、I/O管理、文件管理等功能，常用 操作系統(tǒng)有DOS、Windows、Unix等。 語言編譯系統(tǒng)：如Basic、C/C+、LISP等編 譯系統(tǒng)，將高級語言轉(zhuǎn)換為計算機(jī)機(jī)器語言。 圖形接口標(biāo)準(zhǔn)：如 GL/OpenGL等圖形接口標(biāo)準(zhǔn)， 獨(dú)立于硬件設(shè)備和各種不同的計算機(jī)語言。164.2.2 CAD 系統(tǒng)的軟件支撐軟件：是幫助人們高效率開發(fā)應(yīng)用軟件的軟件工具系統(tǒng)，亦稱為軟件開發(fā)工具。 交互繪圖軟件：主要完成二維工程圖樣的繪制， 如AutoCAD、CAXA等。 三維造型軟件：如 Solidworks、Solidedg

8、e等。 工程分析軟件：如 ANSYS、ADINA等。 綜合集成支撐軟件：如 UG、PRO/E、CATIA等,具 有CAD、CAE、CAM等綜合功能。174.2.2 CAD 系統(tǒng)的軟件應(yīng)用軟件： 在系統(tǒng)軟件和支撐軟件基礎(chǔ)上，針對某一具體應(yīng)用開發(fā)的軟件，如機(jī)床設(shè)計、夾具設(shè)計、汽車車身設(shè)計等CAD或CAE軟件系統(tǒng)。184.2.3 CAD 硬件系統(tǒng)的形式1.主機(jī)分時系統(tǒng) 這種系統(tǒng)一般以小型機(jī)以上的計算機(jī)為主機(jī)，集中配備某些公司的外部設(shè)備，如繪圖機(jī)、打印機(jī)、磁帶機(jī)等，以分時的方式接出許多用戶工作站及字符終端。 2.小型機(jī)成套系統(tǒng)194.2.3 CAD 硬件系統(tǒng)的形式3. 工作站系統(tǒng) 摒棄了多用戶分時系統(tǒng)

9、的結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于系統(tǒng)的單用戶性質(zhì)，保證了優(yōu)良的時間響應(yīng)，提高了用戶的工作效率。 工作站本身具有強(qiáng)大的分布式計算功能，能夠支持復(fù)雜的CAD作業(yè)和多任務(wù)進(jìn)程。但由于硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，使工作站與微型機(jī)系統(tǒng)的界限變得模糊了。4.微型機(jī)系統(tǒng) 一個微型機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成，一般每臺微型機(jī)只配一個圖形終端，以保證對操作命令的快速響應(yīng)。20設(shè)計數(shù)據(jù)數(shù)表線圖常數(shù)數(shù)表普通線圖列表函數(shù)程序化（數(shù)組）單個編程處理文件化數(shù)據(jù)庫離散為數(shù)組插值計算函數(shù)擬合直接應(yīng)用公式折線圖帶有公式處理方法數(shù)據(jù)類型4.3 工程數(shù)據(jù)的處理方法及程序編制214.3.1 數(shù)表的分類及存取 90 100 110 120 130 140 150

10、160 k0.68 0.74 0.79 0.83 0.86 0.89 0.92 0.95一維數(shù)表例：由帶包角查取修正系數(shù)k二維數(shù)表：例：齒輪傳動工況系數(shù)KA 工況系數(shù) KAjl工作平穩(wěn) 中等沖擊 較大沖擊 j=0 j=1 j=2工作平穩(wěn) I=0 1.00 1.25 1.75輕度沖擊 I=1 1.25 1.50 3.00中等沖擊 I=2 1.50 1.753.25224.3.1 數(shù)表的分類及存取多維數(shù)表例：齒 形 公 差23一維數(shù)表例：由帶包角查取修正系數(shù)k用2個一維數(shù)組進(jìn)行程序化 。float alfa8=90.0,100.0,110.0,120.0,130.0,140.0,150.0,160

11、.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 k0.68 0.74 0.79 0.83 0.86 0.89 0.92 0.954.3.1 數(shù)表的分類及存取244.3.1 數(shù)表的分類及存取二維數(shù)表：例：齒輪傳動工況系數(shù)KA 工況系數(shù) KAij單班 雙班 三班 j=0 j=1 j=2工作平穩(wěn) i=0 1.00 1.25 1.75輕度沖擊 i=1 1.25 1.50 3.00中等沖擊 i=2 1.50 1.753.25用二維數(shù)組進(jìn)行程序化 float a33=1.0,1.

12、25,1.75,1.25,1.5,3.0, 1.5,1.75,3.25;254.3.1 數(shù)表的分類及存取多維數(shù)表例：齒 形 公 差26用三維數(shù)組進(jìn)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 數(shù)表的分類及存取多維數(shù)表例：齒 形 公 差274.3.1 數(shù)表的分類及存取二維數(shù)表：例：齒輪傳動工況系數(shù)KA 工況系數(shù) KAij

13、單班 雙班三班 j=0 j=1 j=2工作平穩(wěn) i=0 1.00 1.25 1.75輕度沖擊 i=1 1.25 1.50 3.00中等沖擊 i=2 1.50 1.753.2528檢索齒輪傳動工況系數(shù)C語言程序：#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(“輸入載荷特性(0,1,2): ”); scanf（“%d”，&i）; if(i=0&i=0&j=2) break; printf(“得到的齒輪工況系數(shù)為%f,”,kaij); 4.3.1 數(shù)表的分類及

14、存取29數(shù)表數(shù)組化表示存在的不足： 1）使程序膨脹、累贅，僅適合于小型數(shù)表； 2）數(shù)據(jù)的獨(dú)立性較差數(shù)表文件化：可使程序簡練；使數(shù)表與應(yīng)用程序分離；一個數(shù)表文件可供多個應(yīng)用程序使用；提高數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可維護(hù)性。4.3.1 數(shù)表的分類及存取30平鍵數(shù)表文件化4.3.1 數(shù)表的分類及存取31建立數(shù)表文件C語言程序： #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

15、 the data file”); exit(); for(i=0;inum;i+) printf(“record%d: d1,d2,b,h,t,t1=”,i; scanf(“%f,%f,%f,%f,%f,%f”,&key.d1,&key.d2,&key.b,&key.h, &key.t, &key.t1); fwrite(&key,sizeof(struct key_GB),1,fp); fclose(fp); 4.3.1 數(shù)表的分類及存取32給定軸徑d尺寸，從 “key.dat”文件檢索鍵槽尺寸， #include #define num=12 struct key_GB float d1

16、,d2,b,h,t,t1; key; void main() int i; FILE *fp; while(1) printf(“Input the shaft diameter d=”); scanf(“%f”,&d); if(d8&d=130) break; else printf(“The diameter d is not in range, input again!”); for(i=0;ikey.d1&d0沿+x方向錯切； b0沿+y方向錯切； d0沿-y方向錯切。a=1,b=0,c=0；d=d,e=1,f=0，613.組合變換4.5.3 二維圖形的幾何變換指對圖形做一次以上的基本

17、幾何變換。1）平移組合變換求點(diǎn)P(x,y)經(jīng)第一次平移變換（Tx1,Ty1），第二次平移變換（Tx2,Ty2）后的坐標(biāo)P*（x*, y*）解：設(shè)點(diǎn)P(x,y,1)經(jīng)第一次平移變換后的坐標(biāo)為P(x y 1)，則623.組合變換4.5.3 二維圖形的幾何變換指對圖形做一次以上的基本幾何變換。1）平移組合變換經(jīng)第二次平移變換后的坐標(biāo)為P*(x* y* 1)變換矩陣為Tt=Tt1Tt2633.組合變換4.5.3 二維圖形的幾何變換指對圖形做一次以上的基本幾何變換。1）平移組合變換變換矩陣為Tt=Tt1Tt2643.組合變換4.5.3 二維圖形的幾何變換2）比例組合變換變換矩陣為：653.組合變換4.5

18、.3 二維圖形的幾何變換3）旋轉(zhuǎn)組合變換變換矩陣為：663.組合變換4.5.3 二維圖形的幾何變換4）旋轉(zhuǎn)組合變換變換矩陣為：673.組合變換4.5.3 二維圖形的幾何變換5）一般性組合變換 根據(jù)變換要求，將改變換轉(zhuǎn)化為基本幾何變換形式，其變換矩陣是根據(jù)基本幾何變換的順序，依次將個基本幾何變換的矩陣的乘積。 注意：矩陣的乘法不滿足交換率，所以組合順序不能顛倒。684.5.4 三維造型三維幾何建模技術(shù) 1、線框建模 2、表面（曲面）建模 3、實體模型 1）構(gòu)造體素幾何表示法 2）邊界表示法： 3）掃描表示法 4、特征建模691、線框模型（Wireframe Model）原理：通過頂點(diǎn)和棱邊來描述

19、形體的幾何形狀。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表二表結(jié)構(gòu)。 線框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4.5.4 三維造型701、線框模型（Wireframe Model）原理：通過頂點(diǎn)和棱邊來描述形體的幾何形狀。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表二表結(jié)構(gòu)。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、信息量少、占用內(nèi)存空間小、操作速度快，可生成三視圖、透視圖和軸側(cè)圖。 不足：缺少面、體信息，易產(chǎn)生多義性，不能消隱、不能剖視、不能進(jìn)行物性計算和求交計算等.4.5.4 三維造型712.表面（曲面）建模 原理：通過對物體各個面的描述進(jìn)行三維建模的方法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。表面模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4.5.4 三維造型722.表面（曲面）建模 原理：

20、通過對物體各個面的描述進(jìn)行三維建模的方法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：頂點(diǎn)表、棱邊表、面表三表結(jié)構(gòu)。4.5.4 三維造型特點(diǎn)：可消隱、剖面圖生成、渲染、求交、刀軌生成等作業(yè)。不足：缺少體信息，不便進(jìn)行物性計算和分析。73曲面建模a)平面: 三個點(diǎn)定義；b)線性拉伸面:一條平面曲線沿直線方向移動掃成；c)直紋面 一直線兩端點(diǎn)在兩曲線對應(yīng)等參數(shù)點(diǎn) 上移動形成；4.5.4 三維造型74曲面建模d)回轉(zhuǎn)面 平面線框圖繞某一軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生；e)掃成面 一剖面線沿一條導(dǎo)線移動構(gòu)成； 一剖面線沿導(dǎo)線光滑過渡到另一剖面線； 一剖面線沿兩條給定等參數(shù)邊界移動形成。4.5.4 三維造型75曲面建模f)圓角面 圓角過渡面；g)等距面

21、沿原始曲面法線方向移動一個 固定的距離。4.5.4 三維造型763.實體建模實體建模概念：描述了實體全部幾何信息，且定義了實體所有點(diǎn)、線、面、體信息。特點(diǎn)：實現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工，物性計算等操作。 4.5.4 三維造型773.實體建模實體建模概念：描述了實體全部幾何信息，且定義了實體所有點(diǎn)、線、面、體信息。特點(diǎn)：實現(xiàn)消隱、剖切、有限元分析、數(shù)控加工，物性計算等操作。 實體模型表示方法：構(gòu)造體素幾何表示法（CSG，Constructive Solid Geometry） 掃描表示法（Sweeping Representation） 邊界表示法（B-Rep，Boundary Repr

22、esentation）4.5.4 三維造型78 1、構(gòu)造體素幾何表示法（CSG） 通過基本體素交、并、差正則集合運(yùn)算構(gòu)造各種復(fù)雜實體。 基本體素： 矩形塊、圓柱、圓錐、球、鍥、環(huán)等。 4.5.4 三維造型79 1、構(gòu)造體素幾何表示法（CSG） 通過基本體素交、并、差正則集合運(yùn)算構(gòu)造各種復(fù)雜實體。 4.5.4 三維造型80 特點(diǎn)：無二義性，最終實體與基本體素先后拼合順序無關(guān)，造型簡單，易于實現(xiàn)，可方便轉(zhuǎn)換成其它表示方法。 缺點(diǎn)：沒有詳細(xì)幾何信息，必須轉(zhuǎn)化為其它形式才能對點(diǎn)、邊、面等信息進(jìn)行查詢和編輯。 1、構(gòu)造體素幾何表示法（CSG） 通過基本體素交、并、差正則集合運(yùn)算構(gòu)造各種復(fù)雜實體。 4.5.4 三維造型812、邊界表示法（B-rep）通過面、環(huán)、邊、頂點(diǎn)的幾何和拓?fù)鋮?shù)來表示實體。4.5.4 三維造型82