第三章 计算机辅助产品设计

1、第三章第三章 计算机辅助产品设计计算机辅助产品设计教学目的：教学目的：1 了解了解CAD的设计过程、辅助概念设计的设计过程、辅助概念设计2 掌握掌握CAD的参数化设计、模块化设计的参数化设计、模块化设计3 掌握可视化技术的图形变换掌握可视化技术的图形变换机电系-机械教研室一一 计算机辅助设计过程概述计算机辅助设计过程概述1 设计：设计：根据产品和生活的需要，通过思维、规划、分析和决策过 程，最终把设想变为现实的技术方案。 设计的本质：设计的本质：创新 设计的目的：设计的目的：寻求满足用户需求的最佳方案。2 设计方法学：设计方法学：研究产品设计规律和方法的一门学科。 设计方法：设计方法：理论分析

2、 数值求解 性能仿真 现代设计方法学现代设计方法学：辅助设计、优化设计、有限元分析、可靠性设计。3 计算机辅助设计：计算机辅助设计：利用计算机为主要技术手段，对产品整个过程中 的信息进行分析和处理，生成和运用各种数学信息和图形信息进行产品的设计。机电系-机械教研室4 产品设计过程产品设计过程任务规划阶段概念设计阶段结构设计阶段详细设计阶段定型生产阶段机电系-机械教研室5 设计任务分类：设计任务分类： 功能设计 布局设计 参数设计 公差设计 设计类型：设计类型：新设计 、适应性设计 、 参数化设计。机电系-机械教研室二二 计算机辅助概念设计计算机辅助概念设计1 内涵内涵 概念产品：概念产品：对设

3、计目标的第一次结构化的、基本的、粗略的但却是全面的展示。（设计自由度大、最复杂、最重要、最有决定意义） 概念设计完成6070%的产品设计，占2030%的成本和时间。2 概念设计的关键技术概念设计的关键技术 原理方案设计技术 概念设计建模技术 设计创新技术 并行和协同概念设计技术3 基于知识的产品创新方案基于知识的产品创新方案 知识手册、技能、经验、原理、规范等已有知识。 知识工程（KE）机电系-机械教研室 产品设计分类与创新分类： 渐进性产品创新 根本性产品创新 基于功能分解与重组的创新方法 步骤：功能分类、功能分析、功能综合、功能评价4 产品概念设计中的美学设计产品概念设计中的美学设计 适应

4、使用者的美学感觉美学感觉、人体工程人体工程设计。 方案：考虑产品的造型造型、质感质感、色彩色彩等 色彩渲染、光照处理等技术。机电系-机械教研室三三 参数化和模块化设计参数化和模块化设计 探索以继承为基础的快速设计方法、原理和规范。1 概念概念 参数化设计：参数化设计：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显式对应，即不同参数值驱动产生不同大小的几何图形。 变量化设计：变量化设计：设计图形包括拓扑关系，设计结果受到一组约束方程的控制和驱动，其图形修改的自由度不仅是尺寸形状参数。 模块化设计：模块化设计：在对产品功能分析的基础上，划分并设计一系列相对通用的功能模块模

5、块。通过功能模块的选择与组合选择与组合可构成不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品。 文献：机电系-机械教研室尺寸驱动拓扑排列变化机电系-机械教研室2 参数化设计实现方法参数化设计实现方法 建立模型过程中，直接将参数序列定义其中。 绘制草图，然后再加约束、定义参数。 对定型、常用的产品图形，将模型建成参数化图素。 3 变量化设计实现原理变量化设计实现原理 整体求解法 局部求解法 几何推理法 辅助线求解法 见参数化绘图视频机电系-机械教研室4 模块化设计方法模块化设计方法模块化分类： 新产品的模块化设计 变型产品的模块化设计 现有产品的模块化设计横系列模块化设计纵系列模块化设计跨系列模块化设

6、计模块化设计过程：见p56模块化设计的关键： 市场调研与分析 模块的划分 模块标准化 拟定产品系列型谱 模块的管理机电系-机械教研室四四 可视化技术可视化技术 将产品的结构信息、科学计算、实验数据等表现为人的视觉可以感受的计算机图像。 包括：图形生成技术与算法、图像变换技术、真实感图形显示技术、科学计算的可视化技术、虚拟现实技术等。1 图形生成技术与算法图形生成技术与算法 基于图像设备的基本图像元素生成。 自由曲线生成。 图像元素的求交及集合运算。 不同字体（中西文）及矢量字符生成。线条：DDA法、Bresenham算法填充：多边形填充、种子填充插值法、曲线拟合法（曲线曲面拼接、分解、过度、光

7、顺、修改等）交、并、差等集合运算点阵字符、图形实体字符、轮廓字型法等机电系-机械教研室2 图形变换技术图形变换技术1）窗口、视区变换）窗口、视区变换 结论：结论：视区不变，窗口放大或缩小时，显示的图形会有伸缩变化。 窗口不变，视区放大或缩小时，显示的图形会有伸缩变化。 视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩变化。 窗口与视区大小相同，坐标原点也相同时，显示的图形不变。变换公式变换公式334) 34)(3(112) 12)(1(VWWVVWYYVWWVVWXXRERE机电系-机械教研室2）二维图形的几何变换）二维图形的几何变换 P=P*M M变换矩阵，3*3阶smlqdcpbaM=各元

8、素取值不同，实现不同的图形变换，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、错切变换等;右上角的2个元素（p、q）实现透视变换;左下角的2个元素（l、m）实现平移变换;右下角的1个元索（s）实现全图的等比例变换。 结论：图形的主要工作就是求解实现所要求的图形变换的变换矩阵M。 机电系-机械教研室机电系-机械教研室机电系-机械教研室机电系-机械教研室 复合变换复合变换 例：二维组合变换机电系-机械教研室10100011NMT1000cossin0sincos2aaaaT10100013NMT1cossinsincos0cossin0sincos321NaNaMMaN

9、aMaaaaTTTT1将三角形连平移至坐标原点。是图形基本变换中的平移变换。变换矩阵为：2按要求将三角形旋转。显然此变换是图形旋转的基本变换，变换矩阵写为：3旋转后的三角形向回平移，使点A回到初始位置。变换矩阵可写为：三步基本变换的综合结果是三角形绕点A逆时针旋转了一个角度，其组合变换矩阵为机电系-机械教研室3）三维图形的几何变换）三维图形的几何变换 M为为4*4阶矩阵阶矩阵snmlrihgqfedpcbaT各元素取值不同，实现不同的图形变换，其中：左上角的9个元素（a、b、c、d、e、f、g、h、i）实现比例变换、对称变换、旋转变换、错切变换和正投影变换等；右3个元素（p、q、r）实现透视变

10、换；左下角的3个元素（l、m、n）实现平移变换；右下角的1个元素（s）实现全图的等比例变换。 机电系-机械教研室4）三视图的形成）三视图的形成机电系-机械教研室主视图：Y坐标比例因子取零。10000100000000110001000010000110000)90cos()90sin(00)90sin()90cos(000011000010000000001ddTH左视图：X坐标比例因子取零，绕z轴旋转90,沿x向平移。1000001001000001000100001000011000090cos090sin0010090sin090cos1000010000100000ddTW俯视图：Z坐

11、标比例因子取零，绕X轴旋转90,沿Z向平移。机电系-机械教研室3 真实感图形显示技术真实感图形显示技术处理技术：轴测图、透视图、消隐技术、光照技术、材质处理等。1）轴测图）轴测图 物体 绕Y轴转角 绕X轴转角 向XOY平面投影一般：正等轴测投影 =45 =35.27 正二等轴测投影 =22 =20. 7 2）透视图）透视图 以中心投影法绘制的具有深度感的图形就是透视图。 分为：一点透视、两点透视、三点透视机电系-机械教研室机电系-机械教研室3）消隐技术）消隐技术 关键：判断线、面的遮挡，可见与否的检验。 方法：重叠性检查、包含性检查、深度检查、可见性检查。4）光照处理技术）光照处理技术 光照射到物体表面：一部分被吸收，一部分被反射（折射）。5）阴影）阴影 从视点看上去可见的，但从光源看上去不可见的表面位于阴影内。机电系-机械教研室4 数据可视化技术数据可视化技术 定义：定义：运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。 发展：发展：计算数据可视化 工程数据、测量数据可视化 信息可视化机电系-机械教研室5 虚拟现实技术虚拟现实技术定义：定义：虚拟现实（Virtual