第2章计算机辅助设计--现代设计方法教学课件.ppt

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1、第一节 CAD概述1.计算机辅助设计的定义计算机辅助设计（CAD）是指将计算机作为主要的技术手段来生成和运用各种信息与图形，由此进行工程或产品设计的设计方法。也是先进制造技术群的一项主体关键技术。CAD技术是信息技术和设计技术密切结合而产生的一门高新技术。计算机技术网络通信技术数据管理技术工业设计产品设计生产过程设计第一节 CAD概述2.CAD技术的起源计算机及其外围设备和相关软件的迅速发展在航空工业和汽车工业形成了跨学科的CAD技术。主要事件1950年MIT的“旋风号”图形显示器。1958年美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪，Gerber公司的平板绘图仪。1962年MIT萨瑟兰德发表“

2、SKETC-PAD人机对话系统”论文。1964年IBM公司推出商品化的绘图设备。第一节 CAD概述3.CAD技术的发展20世纪60年代，CAD技术处于实验室研究阶段，使计算机图形学得以发展。20世纪70年代，CAD技术进入早期实用阶段，随机存储器、光栅扫描显示器、光笔、图形输入板、小型计算机、微型计算机等出现形成交钥匙系统。20世纪80年代，CAD技术步入突飞猛进阶段，形成了分布式工作站系统。4.CAD技术的应用CAD技术应用于机械、航空、航天、汽车、造船、电子、轻工、纺织、建筑等行业的大中小型企业。CAD技术的应用水平成为衡量国家工业生产技术现代化水平和企业技术水平的重要标志。第一节 CAD

3、概述5.CAD技术的内涵（1）图形处理技术，包括自动绘图、几何建模、图形仿真、图形输入输出。（2）工程分析技术，包括有限元分析、优化设计、各种专业的工程分析。（3）数据管理与数据交换技术，包括数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术。（4）文档处理，包括文档制作、编辑及文字处理。（5）软件设计技术，包括接口界面设计、软件工具、软件工程规范。CAD技术包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动，是多学科综合应用的新技术。第一节 CAD概述7.现代CAD技术的概念与研究内容（1）现代CAD技术的概念 在复杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具等各相关

4、技术的总称，它能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，以达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。（2）现代CAD技术的研究内容 现代设计理论与方法学：并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、分形设计。与设计环境相关的技术：协同设计环境的技术设计、协同设计的管理技术。与设计工具相关的技术：产品数字化定义与建模技术、基于PDM的产品数据管理与工作流程管理技术、发展集成的CAX和DFX工具。智能技术第二节 CAD系统1.CAD系统的硬件 CAD系统硬件是指计算机系统中的全部可以感触到的物理装置，包括各种规模和结构的计算机、存储设备及输入输出设备等。主机图形显示设备绘图仪扫描仪硬

5、盘光盘磁带机打印机鼠标键盘坐标测量仪第二节 CAD系统2.CAD系统的软件CAD系统的软件系统软件应用软件操作软件程序设计语言及编译系统、数据管理系统、数据通信软件支撑软件：基本图形资源软件、图形处理软件、几何造型软件、设计计算及工程分析软件、文档制作软件用户开发软件第二节 CAD系统4.CAD系统的功能 完整的CAD系统由产品设计制造的数值计算和数据处理程序包、图形信息交换（图形的输入和输出）和处理的交互式图形显示程序包、存储和管理设计制造信息的工程数据库三部分构成。（1）快速生成二维图形的功能。（2）人机交互的功能。（3）二维几何形体造型的功能。（4）二三维图形的转换功能。（5）三维几何模

6、型显示处理的功能。（6）工程图形绘制的功能。（7）三维运动机构的分析和仿真功能。（8）物体质量特性计算的功能。（9）有限元网格自动生成功能。（10）优化设计功能。（11）信息处理和信息管理的功能。第三节 CAD系统的图形处理1.图形处理基础基本图素：直线线段（矢量）和点（像素）坐标系统：世界坐标系统、设备坐标系统（显示器、绘图仪等物理坐标）、规格化设备坐标系二维图形的变换（几何变换和投影变换）（1）比例变换：图形以坐标原点为中心进行发达或缩小原点新点变换矩阵第三节 CAD系统的图形处理（3）对称变换：将图形以坐标原点为中心对称于坐标原点或某轴线关于x轴对称关于y轴对称关于原点对称关于x=y对称

7、关于x=-y对称第三节 CAD系统的图形处理（6）其次坐标与平移变换一点的坐标（x y）可表示成（X/H Y/H），对于同一点当H值不同时会有不同的坐标，有序的三组数（X Y H）称为点的齐次坐标。当H=1时，（X Y 1）为点的规格化齐次坐标，也就是点的直角坐标。平移变换矩阵第三节 CAD系统的图形处理二维图形变换矩阵基本变换透视变换平移变换全比例变换采用齐次坐标：扩大了变换矩阵的功能；简单合理的表示了无穷点（x y 0）。第三节 CAD系统的图形处理2.图形的显示与输出处理 图形显示前需解决两个问题：全部显示还是部分显示？在整个显示区域内显示还是仅在指定位置或某一范围内显示？引入窗口和视图

8、区及窗口和视图区的坐标变换可处理上述问题。世界坐标系的三维变换投影对窗口的裁剪窗口至视图区变换显示或绘图第三节 CAD系统的图形处理视图变换与窗口-视图变换 在图形上指定要进行显示的部分称为窗口，是用户定义域的一个子域，可以定义为矩形，也可以为多边形，并且可以嵌套。在显示屏上所限定的进行显示的区域称为视图区，一般用设备坐标系来定义，可以定义为矩形，也可以为多边形，并且可以嵌套。将窗口中的任一点p变换到显示屏上的任一点p称为视图区变换。第三节 CAD系统的图形处理（1）视图区变换采用窗口及时可以在图形显示中更灵活、更精确地观察图形的各个部分并为各种图形处理技术创造条件。窗口内的点在屏幕上输出时在

9、x和y方向的比例系数：窗口内的点在屏幕上输出时的关系式为：第三节 CAD系统的图形处理（2）窗口-视图区变换 将屏幕定义为不同的区域，分别显示不同类别的内容，就需要采用窗口-视图变换。窗口视图区第三节 CAD系统的图形处理 窗口内的点w变换到视图区中的点S时的关系为：矩阵形式表示为：采用窗口可以有选择地显示图形，窗口也就将图形分为内外两部分，即以窗口为裁剪区，对图形进行裁剪，将窗外的剪掉，留下内部图形。第三节 CAD系统的图形处理3.真实感图形的生成原理 计算机生成真实感图形需要解决的问题：（1）场景造型（2）投影变换（3）消隐处理（4）光照模型（5）画面绘制（6）画面处理（7）图形反混淆处理

10、第四节 工程数据的处理 采用计算机辅助设计时，常用的国家标准、工程设计规范等资料中的设计数据需要通过程序调用或检索查询，具体的做法为：（1）程序化：采用编程的方法对数表及线图进行处理。包括数组插值方式和数据拟合两种方式。（2）数据库管理：将鼠标中的数据或线图经离散后按规定的格式存放于数据库中，由数据库自身进行管理，独立于应用程序。第四节 工程数据的处理1.数表的程序处理 对于数据来源为精确的理论计算公式或经验公式的可直接编制检索有关数据的程序，对于不存在函数关系的实验所得数据可采用数组形式结合插值进行查取，也可求其经验公式，然后编入程序。当数据和数表较多时可将数据单独建立数据文件，存放于外存中

11、，当应用程序用到有关数据时，可通过读数语句和相应的控制语句把所需的文件读入内存，以供应用程序使用。第五节 数据库系统及其应用 数据库系统是在文件系统的基础上发展起来的一门新型数据管理技术，是为满足某一组织中多个用户的多种需要，在计算机系统上按照一定的数据模型组织、存储和使用的相互关联的数据集合，由一系列各种组织形式的数据文件组成。数据库技术的产生解决了数据共享，数据的独立性、安全性、保密性、完整性等问题，已成为目前进行信息管理及数据处理的主要工具和手段。为了适应工程领域的特殊需要，人们又发展了将数据库技术应用于管理生产和管理工程数据的新型数据库，即所谓工程数据库，也称CAD数据库。第五节 数据

12、库系统及其应用1.数据库的发展历史及动态 数据库管理系统（DBMS）是数据库技术的核心，其发展历史反映了数据库技术的发展概况：第一代：以层次及网状数据模型为基础的系统。第二代：以关系数据模型为基础的系统。第三代：可扩充的数据管理系统。以商业管理和一般信息处理为应用背景，属于静态模型。FoxBASE FoxPro尚处于发展阶段面向对象的数据库OODBS可扩充数据库EDBS发展现状第五节 数据库系统及其应用1.数据库的发展历史及动态 材料数据库的开发及应用：美国金属学会建立的选材数据库包括材料的牌号、技术条件、成分、材料等级、各种力学特性，在不同状态的性能及对其的评价等信息，用户通过系统咨询实现材

13、料的优选。德国化工协会组织开发的材料腐蚀专家系统DECOR，包括金属材料在饮用水，工业用水及酸、碱、盐溶液中的腐蚀情况的各种数据，用户输入材料、介质和工作条件，系统可给出是否可用的结果和详细的实验数据。国外工程数据库技术应用第五节 数据库系统及其应用1.数据库的发展历史及动态标准件及产品数据库的开发及应用 瑞典SKF公司开发的CADalog系统是计算机辅助轴承选择系统包括轴承数据库和轴承选择两部分，涵盖了公司生产的12大类2万多个品种的轴承产品的有关数据。国外工程数据库技术应用国内工程数据库技术应用第五节 数据库系统及其应用1.数据库的发展历史及动态机械强度数据库 郑州机械研究所开发的机械强度

14、数据库是国家科技攻关课题的产物，是建成面向全国的机械工程结构设计数据中心。数据库按工程材料、静强度分析、结构疲劳、断裂、振动四个方面选录数据。国内工程数据库技术应用新型材料数据库 由国家“863”新材料专家委员会批准建立的新型材料数据库，包含金属、陶瓷、高分子复合材料及非晶态材料四个字数据库。第五节 数据库系统及其应用2.数据库技术再CAD中的应用 数据库系统是CAD的重要基础，负责数据的存储及处理，其再CAD中的应用方式有：（1）以数据库系统为整个CAD系统的核心 CAD系统的运行都是在数据库系统的管理与控制之下，数据部不仅用于数据的存储及处理，而且用于设计方法、判别规则等的存储。系统将人工智能技术与数据库技术结合在一起。（2）在CAD系统中访问已有的数据库 主要利用一定的技术访问存储在传统数据库中的数据，并将所得结果写入一个文本格式的数据接口文件中，然后CAD系统那个利用嵌入式接口程序将文件传递到CAD系统内部的操作。