现代设计理论第2章计算机辅助设计

现代设计理论第2章计算机辅助设计第一页，共51页。现代设计理论与方法第2章计算机辅助设计第二页，共51页。在人类社会生产发展的历史长河中，蒸汽机和电机的应用延伸了人的体力劳动,催生了工业革命，而以计算机技术为核心的信息技术的应用则延伸了人的脑力劳动，导致了一次新的工业革命，使人类社会迈进了信息时代。计算机辅助设计（Computer-AidedDesign，简称CAD）技术是计算机科学和数字化信息技术在工程设计、机械制造等领域中最具影响的一项高新技术。第三页，共51页。

CAD技术的发展和应用使传统的产品设计理论与方法、以及生产模式发生了深刻的变化，同时对人才知识结构等产生了重大的影响。学习和掌握CAD技术原理及其相应软件系统的应用方法，并与专业知识结合以解决所面临的工程技术问题，对于21世纪的工程技术人员来说十分重要。在CAD技术发展初期，CAD的含义仅仅是绘图板的替代品，以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期。第四页，共51页。80年代，由于PC机的应用，CAD技术得以迅速发展，并催生了以AutoCAD、Solidworks

为代表的一批被市场广泛接受的产品，这些产品对CAD技术的推广普及发挥了关键性的作用。纵观CAD技术的其发展历程，可以归纳为以下几个技术阶段：

1.CAD技术的诞生:

的主要技术特点是交互式二维绘图;2.曲面造型理论的发展与CAD初步应用,又叫表面建模(SurfaceModeling)，是通过描述物体表面来进行三维形状设计的建模方法。3.实体造型技术的发展。4.特征参数化造型推动CAD技术走向成熟应用。第五页，共51页。曲面造型是研究曲面的计算机表示、求交、光顺和显示的技术，是计算机辅助设计的重要研究内容。常用的曲面造型方法1）线性拉伸曲面（Extrudedsurface），如图4.3(a)所示，是将一条平面曲线或空间曲线（称之为母线）沿一个线性方向拉伸一段距离所扫成的曲面。（2）旋转曲面（Revolvedsurface），如图4.3(b)所示，是将一条平面曲线绕一轴线旋转所生成的曲面，常用于构造具有中心轴的回转形零件。第六页，共51页。3）扫掠曲面（Sweptsurface）如图4.3(c)所示，扫掠曲面是以若干线条为截面线（Crosssectionprofiles），以另外一条脊线（Spinecurve）或若干条导引线（Railcurves）为引导，截面线沿着脊线或导引线移动形成的自由曲面。（4）直纹曲面（Ruledsurface），如图4.3(d)所示，是将一条直线的两端沿着两条曲线沿同一方向均匀移动所生成的曲面。平面是最简单的直纹面，圆柱面、圆锥面、飞机的机翼和尾翼翼面等都直纹曲面。直纹面造型的关键是要确定两条曲线之间的参数对齐方式，对齐方式决定了直纹面的具体形状。第七页，共51页。（5）放样曲面（Loftsurface）也称为蒙皮曲面（Skinsurface），其造型过程可形象地看做给一组截面曲线构成的骨架上蒙上一张光滑的皮。放样曲面造型可以沿一个参数方向，也可以沿U,V两个参数方向设定截面曲线，在设计中具有广泛的应用。放样曲面与扫掠曲面中的扫掠功能有一些类似，都是通过截面线并且沿着导引线进行扫掠，从而形成一张曲面。所不同之处是，扫掠曲面造型所能选择的截面线和导引线数量很少，如图4.3（c）所示，选择一条截面线及两条导引线进行扫掠；而放样曲面功能可以选择更多的截面线和导引线。第八页，共51页。（6）Coons曲面，如图4.3(f)所示，是由美国麻省理工学院的孔斯（Coons）与1964年提出来的独特的由四条封闭边界曲线构造曲面的方法。Coons曲面的独特之处就在于构造组成复杂组合曲面的曲面片时，直接采用可以是任意类型参数曲线的四条边界来构造曲面。（7）裁剪曲面（Trimmedsurface），通过裁剪曲面的内外边界环以得到所需要的曲面部分。在CAD曲面造型中，实现曲面裁剪的方式很多。如图4.3(g)所示，是通过将一组平面轮廓线向下投影，沿投影方向裁剪曲面。（8）曲面过渡是产品外形设计中用于解决一般外形曲面的光顺连接问题的方法。过渡曲面一般分为圆角过渡曲面（Filletsurface）、自由过渡曲面（Blendsurface）和填角过渡曲面（Fillsurface）。其中，圆角过渡在产品形设计中最为常见，在小部件外形的光顺处理中经常采用。第九页，共51页。（a）线性拉伸曲面（b）旋转曲面第十页，共51页。（c）扫掠曲面（d）直纹曲面第十一页，共51页。（e）放样曲面第十二页，共51页。（f）Coons曲面（g）曲面裁剪第十三页，共51页。（h）等半径过渡曲面（i）变半径过渡曲面图4.3常用的曲面造型定义方式第十四页，共51页。实体模型的核心问题是采用什么方法来表示实体，其与线框模型和表面模型的根本区别在于：实体模型不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体的信息。目前被CAD造型系统广泛采用的两种实体表示方法，体素拼合法（CSG法）和边界表示法（B-Rep法)。2.3.1体素拼合（CSG）法

CSG法是用简单实体（称为基本体素，PrimitiveGeometry）通过布尔运算的交、并、差构造复杂实体的方法。常用的体素有长方体、圆柱体、球体、圆锥体等（如图4.4所示）。图4.5表示了长方体与球体两个体素经过交、并、差布尔运算后的效果。第十五页，共51页。长方体圆柱体球体圆锥体楔形体圆环体图4.4

CSG法中常用的基本体素第十六页，共51页。基本体素并交差图4.5基本体素（长方体与球体）布尔运算的结果第十七页，共51页。图4.6实体构造与CSG树第十八页，共51页。2.3.2边界表示（B-Rep）法1）B-Rep表示法的概念B-rep法是用物体封闭的边界表面描述实体的方法，这一封闭的边界表面由一组面的并集构成，其中面可以是平面也可以是曲面，而每个面可由边界的边集表示。

实体造型与曲面造型的区别在于实体造型的表面必须封闭、有向，各张表面之间有严格的拓扑关系，形成一个整体；而曲面模型的面可以不封闭。第十九页，共51页。2.4.1特征的概念实体建模方法在表示物体形状和几何特性方面是完整有效的，能够满足对物体的描述和工程的需要，但从工程应用和系统集成的角度来看，还存在一些问题。例如，实体建模中的操作是面向几何的（几何元素的位置、形状等），而非工程描述（如槽、孔、凸台的构造特征），信息集成困难。因而需要有一个既适用于计算机辅助产品设计又适用于计算机辅助产品制造的统一的产品信息模型，满足产品设计与制造周期中各环节对产品数据的需求。特征造型方法的出现弥补了纯几何的实体造型的不足。

关于特征造型，我们首先需要了解“特征”的概念。然而，目前对于特征本身还没有形成一个统一且明确的定义。从造型理论层面上看，它是一个综合的概念，是几何特征和工程特征的集成，即几何信息、工程信息及其依赖关系（特征的生成信息）的集成。第二十页，共51页。从应用层面看，特征可以被认为是“产品开发过程中各种信息的载体”，它除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息，如材料信息、尺寸形状、公差信息、热处理及表面粗糙度信息和刀具信息等。产品特征可以表达为如下形式：

产品特征=形状特征（形状设计语义信息）+工程语义信息

特征造型的本质还是实体造型，但为模型的生成增加了工程语义，即实体的几何形状是基于工程语义的计算结果。第二十一页，共51页。

基于特征的实体造型则是在更高的层次上对产品进行数字化描述，通过修改特征的参数和特征的约束来调整产品的形状。设计人员操作的对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如螺纹孔、键槽、倒角等。基于特征的CAD造型更好地体现了设计意图，使产品的数字化模型更容易理解，所设计的产品更容易修改，也有利于组织生产，从而使设计人员可以有更多精力进行创造性构思。目前大多数三维造型系统都具有特征造型功能。第二十二页，共51页。用于记录组成零件的所有特征的类型及其相互关系。

在造型过程中，用户可以通过特征树窗口进行特征操作，使造型过程一目了然。

特征树中存在两种基本关系：父子关系和邻接关系。图4.15特征树与特征模型第二十三页，共51页。特征创建往往是从绘制参数化草图开始。参数化草图是指带有约束关系与驱动尺寸的二维图形，利用草图可以创建参数化的二维轮廓，通过对该轮廓进行旋转、拉深、扫掠等操作即可得到相应的三维参数化模型。在草图轮廓上每增加一个有效尺寸，将减少轮廓的一个自由度，标注尺寸时要注意工程上的习惯，一定要有尺寸基准的思想。第二十四页，共51页。参数化草图中通过定义“约束”来限定草图中各几何元素之间的特殊关系。常用的约束包括：平行（Parallel）垂直（Perpendicular）水平（Horizontal）竖直（Vertical）相切（Tangent）共线（Collinear）同心（Concentric）固定（Fix）等。约束保证了图形元素尺寸改变后能大致保持原来的形状，也保证了尺寸链的完整性，约束是重要的参数类型之一。“尺寸”用来注明轮廓中元素的长度、距离、半径、直径、角度等。第二十五页，共51页。图4.16参数化草图中的约束定义第二十六页，共51页。在实体建模中，特征按其功能特点可以分为四类：1．基础特征基础特征用于完成最基本的三维几何体造型任务，其通常依赖于参数化草图，通过特征操作生成三维实体。常用的基础特征包括：拉伸（Extrude）、旋转（Revolve）、扫描（Sweep）、放样（Loft）等，这些特征又可以通过布尔运算组合在同一模型中。第二十七页，共51页。1）“拉伸特征”是将一草图沿与草图垂直的方向移动一定距离生成特征的方法。例如，圆柱体可以认为是以圆形草图拉伸一定高度而形成。2）“旋转特征”是将一个草图绕中心线旋转一定角度来生成特征的方法，它既可以生成实体特征，也可以旋转切除实体或生成旋转曲面特征。3）“扫描特征”是将一个轮廓（截面）沿着一条路经移动而生成实体的方法。例如，弹簧可以被认为是圆形草图轮廓沿螺旋线移动形成的实体。4）“放样特征”是以两个或多个轮廓为基础，通过在轮廓之间的过渡生成的特征。第二十八页，共51页。附加特征是在基础特征之上的特征修饰。例如，抽壳（Shell）、拔模（FaceDraft）、钻孔（Hole）、倒圆（Fillet）、倒角（Chamfer）和加强筋（Rib）等。1）“钻孔”是机械零件中的常见特征。CAD软件提供的“钻孔”特征用来在模型上生成各种类型的孔。钻孔特征又可以分为“简单直孔”和“异型孔”两类。第二十九页，共51页。2）“圆角”和“倒角”是机械零件设计中的常用结构。如图4.17（f），“圆角”是在零件上生成一个内圆角或外圆角面。3）“抽壳特征”常用于铸件和模具。如图4.17（i），是去除零件内部的材料，使所选择的面敞开，只保留一个空腔，并在剩余面上生成薄壁特征。4）“拔模斜度特征”以指定的角度切削实体模型中所选定的面，使得零件可以从模具中取出，或者使零件可以有一个或多个倾斜的面。如图4.17（j），可以使用“拔模斜度”特征。5）“加强筋和腹板”常用于模具和铸件设计，是从开环的草图轮廓生成的特殊类型的拉伸特征。如图4.17（g）第三十页，共51页。特征操作是针对基础特征以及附加特征的整体操作工具，对其进行整体的阵列（矩形阵列：RectangularPattern，圆形阵列：CircularPattern）、镜像（Mirror）、特征复制以及特征移动等操作。1）“镜像特征”是以一个或多个已有特征为基础，以某一基准面为对称面，在基准面的另一侧生成上述特征的复制。2）“线性阵列”是沿一条或两条直线路径生成原始特征的多个实例；而“圆形阵列”是以绕一轴心沿圆周排列的方式，生成原始特征的多个实例。采用阵列生成的特征，一旦原始特征被修改，阵列中所有实例也将被随之更新。第三十一页，共51页。辅助特征辅助而不参与实体模型的生成。作为建立某些特征的参考，如拉伸操作的草图平面，镜向操作的中心面等。参考特征包括工作面（WorkPlane）、工作轴（WorkAxis）、工作点（WorkPoint）或者基准坐标系等。第三十二页，共51页。(a)拉伸特征(b)旋转特征(c)扫略特征(d)放样特征第三十三页，共51页。(e)钻孔特征(f)过渡圆角特征与倒角特征(g)加强筋特征(h)镜像特征第三十四页，共51页。(i)抽壳特征(j)拔模斜度特征(k)矩形阵列特征(l)圆周阵列特征图4.17常用的实体造型特征第三十五页，共51页。随着CAD基础理论和应用技术的不断发展，对CAD系统的功能要求也越来越高。设计人员不再仅仅满足于借助CAD系统来达到“甩图版”的目的。而是希望它能从本质上减轻大量简单烦琐的工作量，以便集中精力于那些富有创造性的高层次的设计活动中。由于基于特征的实体造型具有可视化好、设计效率高、以及能为产品生命周期各应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，使其具备了二维CAD设计无法比拟的技术优势。第三十六页，共51页。但是，由于经济实力、技术水平、标准和习惯定势等的影响，二维工程图仍然广泛应用于设计和生产中，用于表达设计意图和制造要求，工程图样也被称为“工程界的语言”。

三维实体造型不可能完全取代二维的工程图纸。另外，在一些如尺寸、公差、工艺标注、布局设计等的表达上，二维工程图仍有着较大的优势。二维工程图纸不仅不会消亡，反而还会作为工程语言的载体长期存在并不断发展。见《现代船舶》2014-9AP93

第三十七页，共51页。第三十八页，共51页。第三十九页，共51页。第四十页，共51页。二维工程图的主要内容包括：视图：零件图、装配图等。

视图：根据有关标准和规定，用正投影法所绘制的物体图形称为视图。视图又分为基本视图、向视图、局部视图和斜视图四种。1)基本视图：基本视图是机件向基本投影面投影所得的图形。包括主、俯、左、右、前、后六个基本视图类型。2)向视图：是未按投影关系配置的视图。当某视图不能按投影关系配置时，可按向视图绘制。3)局部视图：将物体的某一部分向基本投影面投射所得的视图称为局部视图。4)斜视图：将机件向不平行于任何基本投影面的平面投影所得的视图称为斜视图。第四十一页，共51页。2．零件图

零件图是零件制造、检验和制定工艺规程的基本技术文件。因此零件图应包括制造和检验零件所需的全部内容，如图形、尺寸及其公差、表面粗糙度、形位公差、对材料及热处理的说明及其他技术要求、标题栏等。3．装配图装配图是表达机器或部件装配、检验、安装、维修服务的重要技术文件。它是设计零件结构和零件装配的基本依据。装配图通常包括组装零件所需的全部技术内容，如各零件的主要结构形状、装配关系、总体尺寸、技术要求、零件编号、标题栏、明细表等。第四十二页，共51页。目前，国内外主要CAD开发商在大力发展特征造型技术的同时，仍然对二维CAD给予足够的支持，并相继推出了支持二、三维一体化的系统解决方案，可以为三维实体零件和装配体自动创建二维工程图。当用户使用二、三维一体化CAD系统进行机械产品设计时，首先（绘制二维草图、底图、方案图详图）。在三维环境下开始设计工作，在特征造型技术的支持下，三维零件的设计变得既直观又快捷。伴随着零件的设计过程，三维统一模型数据源（也称之为“主模型”）也就同时生成。利用这一数据源可进行装配件设计和许多后续的仿真工作，如进行干涉检查、物理性能计算、机构分析、运动学和动力学分析、真实感显示等等。该数据源也是生成二维工程图的唯一数据来源。第四十三页，共51页。基于特征造型技术建立的三维统一模型数据源不仅包括模型的几何与拓扑信息，还包括特征、尺寸、公差、属性、关系等信息。由于采用了统一模型数据源，为维护模型数据的一致性，三维模型的更改必须保证二维视图和标注的及时更新；反之，对二维投影几何和尺寸的改变也必须更新三维模型，即实现二维图纸与三维模型之间的联动，这也正是二三维一体化CAD系统的本质所在。一般只需要在二维或三维环境下简单地修改某些尺寸参数，系统就可以自动更新所有相关零部件或图纸。尽管操作很简单，但重新生成的算法实现是很复杂的。第四十四页，共51页。图4.18基于参数化特征模型的工程视图自动生成第四十五页，共51页。绘