CADCAM技术_第03章计算机辅助产品设计方法

1、课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇2/43 在计算机辅助下实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺设计， 课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇3/43一、设计过程及阶段划分（5个阶段）1任务规划阶段 进行需求分析、市场预测、可行性分析，制定产品设计任务书。2概念设计阶段 产品功能原理的设计。3结构设计阶段 功能原理方案具体化为产品结构草图。4详细设计阶段 进行部件、零件的分解设计、优化计算，编制工艺规程文件等。5 定型生产阶段 通过用户试用、设计定型生产规划，投人生产制造。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇4/43课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇5/43二

2、、设计类型及计算机应用 确定产品功能和结构之间的对应关系。 完成技术实体部分(零部件)的排列组合。 定义零部件的几何形状及尺寸参数。 制定形状、位置、尺寸精度及表面粗糙度。 从无到有的创新性设计 保持总体布局不变，修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的附加要求。 功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数，产生系列化的设计结果。 上述每种设计都可以应用计算机辅助课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇6/43一、产品概念设计内涵 “概念设计”这一名词是Palh和Beitz于1984年在其撰写的EngneeringDesign一书中首次提出的。 概念设计内涵 在确定任

3、务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇7/43二、概念设计的过程模型 课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇8/43课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇9/43子状态元素特征变量粒度大，约束少，因而在产品的概念设计过程中，方案选择的自由度大，创薪的空间大；同时，由于不确定因素较多，也是设计决策风险最大的阶段，它决定着产品最终价值的80。设计自由度与开发成本的关系曲线如图3-4所示。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇10/43 原理方案设计是概念设计过程的第一步，原理方案的创新

4、是实现产品创新的关键。当前，计算机辅助原理方案设计的研究，主要体现在基于设计目标的原理方案求解和墓于知识的原理方案设计专家系统等方法与技术。 主要是从概念设计的方法性和过程性出发，研究面向概念设计的产品模型和过程模型的建立方法，研究面向产品级和全生命周期的概念设计建模技术。 基于知识的创新设计智能模型、基于多层推理机制的创新概念设计模型以及概念设计过程中的智能支持技术。 是现代设计的发展趋势之一。 课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇11/43 最早提出知识工程(Knowledge Engineer, KE)的是美国斯坦福大学的Feigenbaum，知识工程概念的提出使人工智能技术从科学

5、研究走向实际应用。三个方面： 知识表达最公共的形式是框架、规则、事例和元模型，近年来的研究热点是神经网络、基于剧本的知识、基于模糊的知识表示以及多层知识表达模式。 知识获取包括自动获取和人工获取。目前知识获取领域的研究热点是数据挖掘技术(KDD)，用数据库管理系统存储数据，用机器学习的方法来分析数据，挖掘大量数据背后的知识。该知识可应用于信息管理、过程控制、决策支持和工程设计等领域。 推理机制是与知识表示方式相对应的，因此相应的有产生式规则推理机、框架推理机、面向对象的推理机、方法推理机和元推理机等。在基于知识的产品创新设计中，常用的推理方法集中在框架一规则方法、基于实例推理(CBR)方法和神

6、经网络方法三种。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇12/43：图3-5 车床功能分解图3-6 车床功能部件课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇13/43产品的造型、质感、色彩等满足人们的心理需求。增强市场生命力。江淮汽车概念车(美学和人机工程学结合)课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇14/43一、参数化与模块化设计概念1参数化和变量化设计的基本概念一般是指设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。参数与图形的控制尺寸有显式的对应，不同的参数值驱动产生不同大小的几何图形。可见，参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计方法。是指设计图形的修改自由

7、度不仅是尺寸形状参数，而且包括拓扑结构关系，甚至工程计算条件，修改余地大，可变元素多，设计结果受到一组约束方程的控制和驱动。这种方法为设计者提供了更加灵活的修改空间。2模块化设计的基本概念在对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列相对通用的功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品，以满足市场的不同需求。图39 加工中心的模块化设计实例(见下页)课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇15/43课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇16/43 (一)参数化设计的实现方法1参数化模型的设计步骤 (1) 建立几何拓扑模型 (2)进行参数化定义 (3

8、)推导参数表达式 (4)编制程序2几何图形的参数化分析与定义 图形的参数化定义一般应遵循以下原则： (1)注重参数序列的设计含义。 (2)参数标注与工程图样标注一致。 (3)参数序列与几何图形尺寸序列数据结构具有映射关系。 (4)工程图样中的关键尺寸应作为自变量参数。 (5)参数定义不能出现干涉、过约束。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇17/43一般绘图时，需计算出各点的坐标值，然后逐点连线。参数化绘图则要进行参数化定义与标注。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇18/431)在建立模型过程中，直接将参数序列定义其中。2)利用CAD软件中的草图器绘制草图，然后再加约束，定义参数

9、。3)对于成熟定型的、常用的产品图形，将模型建成参数化图素课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇19/431)设置默认尺寸值。2)预先设计建立系列化变量值表,绘图时从表中取值。3)由用户实时修改输入。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇20/43变量化本质：在数字化建模时动态地建立、编辑和识别约束，并在此约束下求解各特征点。1整体求解法：将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组的方法。优点：概念清楚，适应能力强；缺点：产生欠约束或过约束，导致方程组无解。2局部求解法3几何推理法：在专家系统基础上采用谓词表示几何约束的方法。4辅助线求解法：用辅助线作为隐含约束的方法课程名称：

10、CAD/CAM技术 主讲：王成勇21/43 (一)模块化设计方法的分类 1根据设计类型划分 (1)新产品的模块化设计课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇22/43 (一)模块化设计方法的分类 1根据设计类型划分 (2) 变型产品的模块化设计课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇23/43 (一)模块化设计方法的分类 1根据设计类型划分 (3)现有产品的模块化改造课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇24/43(二)模块化设计过程，零部件物理结构及功能界定上都要相对独立，又互相关联，符合模块化设计要求。难度更大，根据用户的具体要求对模块进行选择、组合或局部设计，并加以必要的设计计算

11、和校核计算，本质上是选择及组合过程。，实质上是在已有产品的基础上进行系列化模块产品研制的过程。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇25/43(三)模块化设计的关键 1市场调查与分析 2模块的划分： 在模块划分时要考虑如下因素： 1)模块的独立性和完整性。 2)模块的几何相关性和物理相关性。 3)模块的互换性。 4)模块的可组合性。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇26/43一、图形生成技术与算法1基于图形设备的基本图形元素的生成算法生成直线或圆弧的算法：1) DDA(Digital Differential Analyzer)法，即根据直线的微分方程来画直线。2) Bresenh

12、am 算法，即根据直线的斜率。(yi+1=yi+ (xi+1-xi)和相邻两列(行)像素的坐标差1的事实得出区域填充两种算法：(1)多边形填充(2)种子填充课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇27/43 对于规则的曲线曲面，按其参数方程画出。 对于不规则曲线曲面、采用插值法或曲线拟合法。 通过如交、并、差等集合运算可拼合任意复杂物体。拼合运算的基础是集合运算。 流行的TrueType字型技术使用二次Bezier曲线描述字符轮廓。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇28/43(一)窗、视变换将窗口内某一点(Xr,Yr)显示在视区的指定位置时，必须进行坐标变换课程名称：CAD/CAM技

13、术 主讲：王成勇29/43一个图形作几何变换，实际上就是对一系列点进行变换，这种变换不会改变它们之间的拓扑关系。引入齐次坐标的概念，将一个n维分向量用n+1维的分矢量来表示，则坐标为(x,y,x)的某点经变换后的点P的坐标为 :其中M称为变换矩阵。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇30/431基本变换三角形abc，经变换为三角形abc，变换前后的矩阵分别为P和PP=P*M其中M是33阶变换矩阵二维变换矩阵M含义：可分为四个部分，其中，左上角的4个元素(A，B，C，D)实现比例变换、对称变换、旋转变换、错切变换；左下角的2个元素(M，N)实现平移变换；右上角的2个元素(P，Q)实现透视变

14、换；右下角的1个元素(S)实现全图的等比例变换。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇31/43课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇32/43课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇33/43实际图形变换中是相对于任意点或线变换。解决这个问题的思路是这样的： 1)先将任意点移向坐标原点(任意线则移向与X或Y轴重合的位置)。 2)再用表中所列基本变换矩阵加以变换。 3)最后反向移回任意点(任意线移回原位)。课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇34/43课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇35/43APCB+ + += =x xy y例3-2 三角形三角形ABC的顶点坐标为

15、：的顶点坐标为：A(6，4)，B(9，4)，C(6，6)。绕。绕P(5，3)点逆时针旋转点逆时针旋转90o，求出变换矩阵和变换后的各点坐标。，求出变换矩阵和变换后的各点坐标。平移变换平移变换旋转变换旋转变换平移变换平移变换P课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇36/431、平移变换 将三角形连同P(5,3)点一起平移与坐标原点重合，变换矩阵为：2、旋转变换将三角形逆时针旋转90度。APCB+ + += =x xy yP课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇37/433、平移变换 将旋转后的三角形连同旋转中心一起平移，使P(5,3)点回到初始位置。变换矩阵为：4、组合变换矩阵 T=T1

16、T2T3APCB+ + += =x xy yP128001010T课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇38/435、计算变换后的三角形的坐标把三角形的三个点写成齐坐标形式： A(6，4)，B(9，4)， C(6，6)。即：根据：M=mT变换后的坐标：a(4，4)，b(4，7)，c(2，4)。166149146m课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇39/431. 三维图形和二维图形一样，用适当的变换矩阵也可以对三维图形进行各种几何变换。变换矩阵为44。比例比例透视透视 SNMLRJIHQFEDPCBAMMzyxzyx11v齐坐标形式齐坐标形式比例、对称、比例、对称、错切、旋转错切、旋转平移平移课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇40/432三视图的生成将空间三维实体通过投影等复合变换即可实现三视图的生成课程名称：CAD/CAM技术 主讲：王成勇41/431基本变换同理，对三维空间的点(x，y，z)，亦可用类似二维平