现代设计理论与方法-计算机辅助设计-课件

第2章计算机辅助设计主要内容：

了解计算机辅助设计；

了解工程数据的处理方法；

掌握计算机图形处理与三维造型；

了解CAD系统的二次开发。1ppt课件2.1概述2.1.1计算机辅助设计的发展

计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）技术是电子信息技术和设计技术紧密结合的技术。2ppt课件2.1.1计算机辅助设计的发展CAD其概念和内涵正在不断地发展中。1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：

CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。3ppt课件2.1.1计算机辅助设计的发展

它把计算机所具有的运算快、计算精度高、有记忆、逻辑判断、图形显示以及绘图等特殊功能与人们的经验、智慧和创造力结合起来，从而减轻设计人员的体力劳动，提高设计质量，缩短设计周期。4ppt课件2.1.1计算机辅助设计的发展1.计算机的发展

1642年，法国数学家帕斯卡成功地制造了第一台钟表齿轮式机械计算机，但仅能做加减法运算。在此基础上，德国数学家莱布尼兹于

1678年发明了可做乘除运算的计算机。

5ppt课件2.1.1计算机辅助设计的发展

二次世界大战，随着火炮的发展，弹道计算日益复杂，原有的一些计算机已不能满足使用要求，迫切需要有一种新的快速的计算工具。这样，在一些科学家、工程师的努力下，在当时电子技术已显示出具有记数、计算、传输、存储控制等功能的基础上，1946年美国宾夕法尼亚大学埃克特等人研制成功世界上第一台电子计算机“埃尼阿克”。他的计算速度是手工计算的20万倍。它计算炮弹弹道只需要3秒钟，而在此之前，则需要200人手工计算两个月。6ppt课件2.计算机技术的发展

20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的计算机辅助设计技术。

60年代初期出现了cad的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。

70年代，完整的cad系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了cad技术的发展。2.1.1计算机辅助设计的发展7ppt课件80年代中期以来，cad技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为cad技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；网络技术、多处理机和并行处理技术在cad中的应用，极大地提高了cad系统的性能；人工智能和专家系统技术引入cad。2.1.1计算机辅助设计的发展8ppt课件CAD/CAM技术的发展50年代－萌芽期：图形显示器(50),NC机床(52),绘图仪(58)60年代－成长期:CAD(63),GRAPHI等大型CAD/CAM系统问世70年代－发展期：

CAD/CAM软硬件系统商品化2.1.1计算机辅助设计的发展9ppt课件CAD/CAM技术的发展80年代－普及期：

PC微机和工作站系统广泛使用，从大型企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展90年代－集成期：

CAD/CAM集成，CIMS集成2.1.1计算机辅助设计的发展10ppt课件2.1.2计算机辅助设计的基本功能几何造型工程分析仿真模拟图形处理计算机辅助设计的基本功能11ppt课件2.2CAD系统软件核心人关键硬件基础CAD系统组成人：

有着不可替代主导作用硬件：

是基础，包括主机、计算机外部设备以及网络通讯设备等软件：

是核心，决定系统性能的优劣，包括操作系统、应用软件等；12ppt课件2.2.1CAD系统的硬件CAD系统的硬件一般由计算机主机、常用外围设备、图形输入设备和图形输出设备组成。图形输入和输出设备种类很多，可根据需要进行选配。存贮器计算机主机输入装置输出装置CAD系统硬件组成13ppt课件2.2.1CAD系统的硬件14ppt课件2.2.2CAD系统的软件

应用软件

支撑软件系统软件CAD系统的软件组成15ppt课件2.2.2CAD系统的软件

系统软件：对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统和数据通信系统等。

操作系统：计算机软件核心，有CPU管理、内存管理、I/O管理、文件管理等功能，常用操作系统有DOS、Windows、Unix等。语言编译系统：如Basic、C/C++、LISP等编译系统，将高级语言转换为计算机机器语言。图形接口标准：如GL/OpenGL等图形接口标准，独立于硬件设备和各种不同的计算机语言。16ppt课件2.2.2CAD系统的软件支撑软件：是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具。交互绘图软件：主要完成二维工程图样的绘制，如AutoCAD、CAXA等。三维造型软件：如Solidworks、Solidedge等。

工程分析软件：如ANSYS、ADINA等。

综合集成支撑软件：如UG、PRO/E、CATIA等,具有CAD、CAE、CAM等综合功能。17ppt课件2.2.2CAD系统的软件应用软件：

在系统软件和支撑软件基础上，针对某一具体应用开发的软件，如机床设计、夹具设计、汽车车身设计等CAD或CAE软件系统。18ppt课件2.2.3CAD硬件系统的形式1.主机分时系统这种系统一般以小型机以上的计算机为主机，集中配备某些公司的外部设备，如绘图机、打印机、磁带机等，以分时的方式接出许多用户工作站及字符终端。2.小型机成套系统19ppt课件2.2.3CAD硬件系统的形式3.工作站系统摒弃了多用户分时系统的结构，采用网络技术，由于系统的单用户性质，保证了优良的时间响应，提高了用户的工作效率。工作站本身具有强大的分布式计算功能，能够支持复杂的CAD作业和多任务进程。但由于硬件技术的飞速发展，使工作站与微型机系统的界限变得模糊了。4.微型机系统一个微型机系统的构成，一般每台微型机只配一个图形终端，以保证对操作命令的快速响应。20ppt课件设计数据数表线图常数数表普通线图列表函数程序化（数组）单个编程处理文件化数据库离散为数组插值计算函数拟合直接应用公式折线图带有公式处理方法数据类型2.3工程数据的处理方法及程序编制21ppt课件2.3.1数表的分类及存取

α90100110120130140150160kα0.680.740.790.830.860.890.920.95一维数表例：由带包角α查取修正系数kα二维数表：例：齿轮传动工况系数KA

工况系数KA[j][l]工作平稳

中等冲击

较大冲击

j=0

j=1

j=2工作平稳

I=0

1.00

1.251.75轻度冲击

I=1

1.25

1.503.00中等冲击

I=2

1.50

1.753.2522ppt课件多维数表例：齿形公差2.3.1数表的分类及存取23ppt课件

一维数表例：由带包角α查取修正系数kα用2个一维数组进行程序化。floatalfa[8]={90.0,100.0,110.0,120.0,130.0,140.0,150.0,160.0};floatkalfa[8]={0.68,0.74,0.79,0.83,0.86,0.89,0.92,0.95};α90100110120130140150160kα0.680.740.790.830.860.890.920.952.3.1数表的分类及存取24ppt课件二维数表：例：齿轮传动工况系数KA

工况系数KA[i][j]单班双班三班

j=0

j=1

j=2工作平稳

i=0

1.00

1.251.75轻度冲击

i=1

1.25

1.503.00中等冲击

i=2

1.50

1.753.25用二维数组进行程序化floata[3][3]={{1.0,1.25,1.75},{1.25,1.5,3.0},{1.5,1.75,3.25}};2.3.1数表的分类及存取25ppt课件多维数表例：齿形公差2.3.1数表的分类及存取26ppt课件用三维数组进行程序化floatff[3][6][12]={{{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}}…….};多维数表例：齿形公差2.3.1数表的分类及存取27ppt课件

二维数表：例：齿轮传动工况系数KA

工况系数KA[i][j]单班

双班三班

j=0

j=1

j=2工作平稳

i=0

1.00

1.251.75轻度冲击

i=1

1.25

1.503.00中等冲击

i=2

1.50

1.753.252.3.1数表的分类及存取28ppt课件检索齿轮传动工况系数C语言程序：#include<stdio.h>main(){inti,j;floatka[3][3]={{1.0,1.25,1.50},{1.25,1.5,3.0},{1.5,1.75,3.25}};while(1){printf(“输入载荷特性(0,1,2):”);scanf（“%d”，&i）;if(i>=0&&i<=2)break;}while(1){printf(“输入工作班数(0,1,2):”)；

scanf（“%d”，&j）;if(j>=0&&j<=2)break;}printf(“得到的齿轮工况系数为%f,”,ka[i][j]);}2.3.1数表的分类及存取29ppt课件数表数组化表示存在的不足：

1）使程序膨胀、累赘，仅适合于小型数表；

2）数据的独立性较差数表文件化：可使程序简练；使数表与应用程序分离；一个数表文件可供多个应用程序使用；提高数据系统的可维护性。2.3.1数表的分类及存取30ppt课件平键数表文件化2.3.1数表的分类及存取31ppt课件建立数表文件C语言程序：

#include<stdio.h>#definenum=12structkey_GB{floatd1,d2,b,h,t,t1;}key;voidmain(){inti;FILE*fp;If((fp=fopen(“key.dat”,”w”))==NULL){printf(“Cannotopenthedatafile”);exit();}for(i=0;i<num;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(structkey_GB),1,fp);}fclose(fp);}2.3.1数表的分类及存取32ppt课件给定轴径d尺寸，从“key.dat”文件检索键槽尺寸，

#include<stdio.h>#definenum=12structkey_GB{floatd1,d2,b,h,t,t1;}key;voidmain(){inti;FILE*fp;while(1){printf(“Inputtheshaftdiameterd=”);scanf(“%f”,&d);if(d>8&&d<=130)break;elseprintf(“Thediameterdisnotinrange,inputagain!”);}for(i=0;i<num;i++){fseek(fp,i*sizeof(structkey_GB),0);fread(&key,sizeof(structkey_GB),1,fp);if(d>key.d1&&d<=key.d2){printf(“Thekey:b=%f,h=%f,t=%f,t1=%f”,key.b,key.h,key.t,key.t1);break;}}fclose(fp);}2.3.1数表的分类及存取33ppt课件线图一般处理方法：附有公式的线图：将公式直接编写到程序中；一般线图：先将线图离散为数表，进行程序化处理；复杂线图：分别编程处理。2.3.2线图的分类及处理34ppt课件一般线图的处理

当量齿数Zv

121416182226304050

齿形系数Y

3.483.223.033.913.733.603.523.403.32

x=0时渐开线齿轮当量齿数和齿形系数关系曲线

分割离散原则：各分割点间的函数值与差值相差不大。2.3.2线图的分类及处理35ppt课件复杂线图的处理

V型皮带选型折线图2.3.2线图的分类及处理36ppt课件线性插值

(两点插值）X

x1x2x3……….xn

Y

y1y2y3……….yn

列表函数2.3.3列表函数的插值计算37ppt课件

线性插值C语言函数程序floatinter(floatx,floatx1,floatx2,floaty1,floaty2){floaty;y=y1+(y2-y1)/(x2-x1)*(x-x1);return(y);}2.3.3列表函数的插值计算38ppt课件抛物线插值（三点插值）2.3.3列表函数的插值计算39ppt课件函数插值存在的不足：

①严格通过每个结点，复印了原有的结点误差；

②仍需将各结点数据进行存贮，占用存贮空间。2.3.3列表函数的插值计算40ppt课件：函数拟合:曲线不要求通过已知结点，仅反映数据变化趋势。2.3.3函数拟和41ppt课件数据库系统包括：数据库和数据库管理系统。数据库系统的优点：1.应用程序与数据相互独立。2.数据便于共享。3.提高计算效率。2.4机械工程数据库的创建于应用42ppt课件轴承型号尺寸/mm安装尺寸mm额定动负荷kN额定静负荷kN极限转速r/minDDBD1D32001030915254.702.702600020112321017274.802.702400020215351120306.003.552200020317401222357.504.5020000204204714264110.006.3018000205255215314611.007.1016000206306216365615.2010.2013000207357217426520.1013.9011000208408018477325.6018.1010000209458519527825.6018.109000210509020578327.5020.208500深沟球轴承2.4机械工程数据库的创建于应用43ppt课件数据库结构定义：数据记录输入：

APPEND

或：EDIT

或：BROWSE轴承型号：内径d:外径D：宽度B：轴肩D1：孔径D3：动负荷：2.4机械工程数据库的创建于应用44ppt课件CAD技术在应用上的三种基本形式：直接采用二维软件绘制工程图；软件二次开发；三维参数化设计。2.5计算机图形处理与三维造型45ppt课件计算机绘制工程图的常用方法：参数化绘图；几何参数和定位参数。 缺点：要求高，编程工作量大。2.交互式绘图。优点：直观、灵活.缺点：速度慢，绘图工作量大、效率低。 绘图步骤：设置绘图环境或套用模板；交互式绘图、打印输出。2.5.1计算机绘制工程图的常用方法46ppt课件1.用户坐标系；2.设备坐标系；3.规格化坐标系。2.5.2坐标系47ppt课件

构成图形的基本元素是点，所以可以用点的集合（点集）来表示图形。2.5.3二维图形的几何变换48ppt课件1.齐次坐标与变换矩阵4.5.3二维图形的几何变换

所谓齐次坐标表示法就是由n+1维向量表示一个n维向量。如n维向量(P1,P2,…,Pn)表示为（hP1,hP2,…..hPn,h），其中h称为哑坐标，是一个不为0的数。1）h可以取不同的值，所以同一点的齐次坐标不是唯一的。如普通坐标系下的点（2,3）变换为齐次坐标可以是(1,1.5,0.5)(4,6,2)(6,9,3)等等。2）当h=1时，齐次坐标前n个坐标就是普通坐标系下的n维坐标。49ppt课件1.齐次坐标与变换矩阵2.5.3二维图形的几何变换点P（x,y）经过几何变换后得到新点P(x*,y*)

根据a,b,c,d,e,f的不同，可实现点的比例缩放、旋转、镜像、平移等变换。50ppt课件2.基本几何变换（1）平移变换a=1,b=0,c=Tx；d=0,e=1,f=Ty，2.5.3二维图形的几何变换51ppt课件2.基本几何变换（2）比例变换a=Sx,b=0,c=0；d=0,e=Sy,f=0，2.5.3二维图形的几何变换52ppt课件2.基本几何变换（3）旋转变换2.5.3二维图形的几何变换53ppt课件2.基本几何变换（3）旋转变换2.5.3二维图形的几何变换54ppt课件a=cosθ,b=-sinθ,c=0；d=sinθ,e=cosθ,f=0，2.基本几何变换（3）旋转变换2.5.3二维图形的几何变换55ppt课件a=cosθ,b=-sinθ,c=0；d=sinθ,e=cosθ,f=0，2.基本几何变换（3）旋转变换θ是逆时针旋转角度，即逆时针θ取正，顺时针θ取负。2.5.3二维图形的几何变换56ppt课件a=-1,b=0,c=0；d=0,e=1,f=0，2.基本几何变换（4）对称变换①y轴对称变换2.5.3二维图形的几何变换57ppt课件②x轴对称2.基本几何变换（4）对称变换a=1,b=0,c=0；d=0,e=-1,f=0，2.5.3二维图形的几何变换58ppt课件③对原点对称2.基本几何变换（4）对称变换a=-1,b=0,c=0；d=0,e=-1,f=0，2.5.3二维图形的几何变换59ppt课件2.基本几何变换（5）错切变换①当a=1,x’=x+by,y’=y。y坐标不变,b>0沿+x方向错切；b<0沿-x方向错切。a=1,b=b,c=0；d=0,e=1,f=0，2.5.3二维图形的几何变换60ppt课件2.基本几何变换（5）错切变换②当a=1,x’=x,y’=dx+y。x坐标不变,d>0沿+y方向错切；d<0沿-y方向错切。a=1,b=0,c=0；d=d,e=1,f=0，2.5.3二维图形的几何变换61ppt课件3.组合变换指对图形做一次以上的基本几何变换。1）平移组合变换求点P(x,y)经第一次平移变换（Tx1,Ty1），第二次平移变换（Tx2,Ty2）后的坐标P*（x*,y*）解：设点P(x,y,1)经第一次平移变换后的坐标为P(x

y1)，则2.5.3二维图形的几何变换62ppt课件3.组合变换指对图形做一次以上的基本几何变换。1）平移组合变换经第二次平移变换后的坐标为P*(x*y*1)∴变换矩阵为Tt=Tt1•Tt22.5.3二维图形的几何变换63ppt课件3.组合变换指对图形做一次以上的基本几何变换。1）平移组合变换变换矩阵为Tt=Tt1•Tt22.5.3二维图形的几何变换64ppt课件3.组合变换2）比例组合变换变换矩阵为：2.5.3二维图形的几何变换65ppt课件3.组合变换3）旋转组合变换变换矩阵为：2.5.3二维图形的几何变换66ppt课件3.组合变换4）旋转组合变换变换矩阵为：2.5.3二维图形的几何变换67ppt课件3.组合变换5）一般性组合变换

根据变换要求，将改变换转化为基本几何变换形式，其变换矩阵是根据基本几何变换的顺序，依次将个基本几何变换的矩阵的乘积。

注意：矩阵的乘法不满足交换率，所以组合顺序不能颠倒。2.5.3二维图形的几何变换68ppt课件2.5.4三维造型三维几何建模技术

1、线框建模

2、表面（曲面）建模

3、实体模型

1）构造体素几何表示法

2）边界表示法：

3）扫描表示法

4、特征建模69ppt课件1、线框模型（WireframeModel）原理：通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。数据结构：顶点表、棱边表二表结构。线框建模的数据结构2.5.4三维造型70ppt课件1、线框模型（WireframeModel）原理：通过顶点和棱边来描述形体的几何形状。数据结构：顶点表、棱边表二表结构。

特点：数据结构简单、信息量少、占用内存空间小、操作速度快，可生成三视图、透视图和轴侧图。

不足：缺少面、体信息，易产生多义性，不能消隐、不能剖视、不能进行物性计算和求交计算等.2.5.4三维造型71ppt课件2.表面（曲面）建模

原理：通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。数据结构：顶点表、棱边表、面表三表结构。表面模型数据结构

2.5.4三维造型72ppt课件2.表面（曲面）建模

原理：通过对物体各个面的描述进行三维建模的方法。数据结构：顶点表、棱边表、面表三表结构。特点：可消隐、剖面图生成、渲染、求交、刀轨生成等作业。不足：缺少体信息，不便进行物性计算和分析。2.5.4三维造型73ppt课件曲面建模a)平面:三个点定义；b)线性拉伸面:一条平面曲线沿直线方向移动扫成；c)直纹面一直线两端点在两曲线对应等参数点上移动形成；2.5.4三维造型74ppt课件曲面建模d)回转面平面线框图绕某一轴线旋转产生；e)扫成面

①一剖面线沿一条导线移动构成；

②一剖面线沿导线光滑过渡到另一剖面线；

③一剖面线沿两条给定等参数边界移动形成。2.5.4三维造型75ppt课件曲面建模f)圆角面圆角过渡面；g)等距面沿原始曲面法线方向移动一个固定的距离。2.5.4三维造型76ppt课件3.实体建模实体建模概念：描述了实体全部几何信息，且定义了实体所有点、线、面、体信息。特点：实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，物性计算等操作。2.5.4三维造型77ppt课件3.实体建模实体建模概念：描述了实体全部几何信息，且定义了实体所有点、线、面、体信息。特点：实现消隐、剖切、有限元分析、数控加工，物性计算等操作。实体模型表示方法：构造体素几何表示法（CSG，ConstructiveSolidGeometry）扫描表示法（SweepingRepresentation）边界表示法（B-Rep，BoundaryRepresentation）2