第三章-计算机辅助产品设计的方法

第三章计算机辅助产品设计的方法概述计算机辅助设计过程计算机辅助概念设计参数化与模块化设计产品设计的可视化技术3.1概述设计过程需要合理化、科学化、算法化、规律化关于产品信息的产生、处理、交换和管理的过程。（计算机科学的角度）将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代科学方法为指导结合起来，在设计的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个设计过程。3.1概述设计过程探索必要性和可行性设计本质创新，概念设计市场需求参数化设计，模块化设计设计结果表达可视化技术3.2计算机辅助设计过程分析需求分析可行性论证制定任务书任务规划阶段实质：功能原理设计确定设计方案概念设计阶段结构草图设计确定装配草图结构设计阶段零部件设计实验、改进绘制技术图样详细设计阶段用户试用设计定型投入生产定型生产阶段1、设计过程及阶段划分计算机应用的可行性设计过程符合计算机系统化、程式化工作性质

设计分类1功能设计布局设计参数设计公差设计新设计适应性设计参数化设计

设计分类2任务所占比重2、设计类型3.2计算机辅助设计过程分析

产品结构功能设计阶段

产品工艺过程设计阶段

产品加工制造阶段新设计比重很小人工效率低、工作繁琐时间花费在不要的环节计算机应用的必要性3.2计算机辅助设计过程分析CAD/CAM技术的可能性、必要性和迫切性3.3计算机辅助概念设计1、产品概念设计内涵2、概念设计的过程模型3、计算机辅助概念设计的关键技术4、基于知识的产品创新设计5、产品概念设计中的美学设计1、产品概念设计内涵概念设计概念设计一词首先是由德国的Palh和Beitz提出定义：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合，确定出基本求解途径，得出求解方案。1、产品概念设计内涵

产品创新的核心是构思创新产品概念，产品的概念设计在产品创新中具有决定作用。

产品设计的60％～70％是由概念设计决定的，而概念设计的花费成本和时间只占总设计周期的20％。设计自由度与开发成本的关系设计自用度开发成本设计自用度开发成本概念设计详细设计设计过程时间

产品设计的早期重视概念设计至关重要，将计算机技术用于概念设计阶段，可快速、高效地响应市场需求。

产品的概念设计过程中，方案选择的自由度大，创新的空间大，决策风险也大，它决定着产品最终价值的80%。2、概念设计的过程模型计算机辅助概念设计定义：以计算机为手段从事符合人类进行产品创新设计的思维过程，支持产品概念设计及设计决策。人机工作分配：计算机：有规律的设计工作，创造性主要体现在依据规则和知识对问题求解的分析综合。人：原创性的设计工作3、计算机辅助概念设计的关键技术计算机辅助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基于设计目标和知识的原理方案求解产品模型和过程模型的建立方法4、基于知识的产品创新设计

基于知识的产品创新设计是知识过程与产品设计相结合的产物，它依赖于知识系统的推广和知识的重用，解决基于知识的产品设计等问题。知识：手册、技能、经验、原理和规范。计算机辅助产品概念设计本质：推理与决策的过程知识表达知识获取推理机制

知识处理

产品创新设计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设计方法步骤：功能分类功能分析功能综合功能评价

基于知识的辅助创新理论——TRIZTRIZ(TheTheoryofInventionProblemSolving)是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500年/人的时间，在分析研究世界各国近250万件高水平发明专利的分析研究，总结出人类进行发明创造解决技术问题过程所遵循的40个原理和法则。建立一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，简称TRIZ。

基于知识的辅助创新理论——TRIZ

Altshuler经过分析250万件世界专利发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。发现并确认了技术从结构上进化的趋势，即技术进化模式与进化路线；而且还发现，在一个工程领域中总结出的进化模式与进化路线可在另一工程领域实现，即技术进化模式与进化路线具有可传递性。TRIZ中的技术进化模式1：技术系统的生命周期分为出生、成长、成熟、退出四个阶段，用来确定各不同子系统的相对成熟度。2：增加理想化水平。3：子系统的不均衡发展导致冲突的出现。4：增加动态性及可控性。5：通过集成增加系统功能。6：部件的匹配与不匹配交替出现。7：由宏观系统向微观系统进化。8：增加自动化程度，减少人的介入。

Pro/Innovator软件具备了完善的分析综合工具和的源于专利的创新方案库，方案库包含了不同学科领域解决各类问题时采用的有效创新方案。设计人员可以有效地利用世界发明专利系统的分析研究成果，还能参考不同学科领域的同一问题的解决方法。Pro/Innovator还能对所生成的多个方案进行优劣性的综合评价，为最终方案的确定提供客观依据。

Pro/Innovator案例：齿轮箱防水结构研究5、

产品概念设计中的美学设计

商品化的CAD软件现大多提供较强的全面造型及色彩渲染、光照等可视化技术，可使产品的结构设计与美学设计有机地结合起来。体现一种设计思想和设计理念。产品造型设计材质色彩形态机械类产品的色彩主调往往是蓝色医疗器械产品的色彩主调是白色或纯度比较低的蓝色、紫色和灰色调矿山机械则是以黄色调为主等餐叉概念设计产品

表面上看完全就是一个木块，实际上它确实由一张张便签纸组成。当你撕下一张写起来很有质感的便签纸后，它仍然还能够保持一块木头的感觉。

这款路由器被做成花瓶的样子，不仅提供有普通路由器的全部功能（一排接线口就在花瓶上），而且造型美观还可以当作花瓶来使用，插上喜欢的花瞬间给书房平添一抹亮色，既实用又不失情趣。

这张桌子横竖造型不同，功能也不一样：站起来是一个笔记本专用的电脑桌，卧倒了又是一个迷你茶几，还可以放一些书籍杂志。对单身一族而言，这种一物多用的家具堪称极品。

把公车上的拉手做成手表的样子，保证安全的同时还可以“试戴”一下。这样充满创意的广告一定会令你印象更加深刻。

这款名为Cocoon（蚕茧）的新型帐篷就借鉴了蚕茧的设计，由于悬挂在树上，可以避免与地面接触，同时配合保温材料的设计，可以在一些特殊情况下不方便使用帐篷时应急之用。保温材料的设计也可以保证使用者不受恶劣天气的影响。

把自行车的前轮换成超市的购物车。骑着这样一部怪异的自行车去购物一定会引来不少的侧目。转指发电概念手机

在转动手指的过程中给手机充电，变废为宝啊！3.4参数化与模块化设计最大限度地利用已有设计成果，修改不合要求的部分.1、参数化与变量化设计概念2、参数化、变量化设计的实现方法3、模块化设计方法拓扑约束：指构成图形各几何元素间的相对位置和连接方式，属性值在参数化设计过程中保持不变。在工程图中，此类约束往往是隐含的，并不明确给出，如平行、垂直、相切、对称等。尺寸约束:指图中标注的尺寸，如距离，角度等。1.参数化与变量化设计概念

设计图形的拓扑关系不变，图形的尺寸形状由一组程序化的参数进行约束，绘图时，修改不同的尺寸参数即可得到不同规格的图形。

参数化设计：

参数化设计是规格化、系列化产品设计的简单、高效、优质的设计方法。参数化设计代表性软件:SolidworksPro/E1.参数化与变量化设计概念优势：

利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算，速度快。缺点：

必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定义下一个元素。

参数化设计：1.参数化与变量化设计概念

设计图形的驱动尺寸用复杂的几何图形约束和工程方程耦合方程组来表达，变量化造型通过求解联立方程组来得到结果。设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数，包括拓扑结构关系，甚至工程计算条件。

变量化设计：

变量化技术代表性软件：I—DEAS。1.参数化与变量化设计概念1.参数化与变量化设计概念

优点：

它允许欠约束的几何设计—不必将模型进行完全约束。允许用户不必关心约束设置的顺序，这符合用户的设计习惯，为设计者提供了更加灵活的修改空间。变量化技术实际上是参数化技术的“超集”。

变量化设计：1.参数化与变量化设计概念参数化与变量化的异同点：相同点：

在约束的基础上驱动产生新的设计结果。不同点：

约束自由度不同。变量化约束自由度：尺寸形状参数、拓扑结构关系

参数化约束自由度：尺寸形状参数参数化设计变量化设计可更改尺寸约束可更改尺寸约束和拓扑关系2.参数化、变量化设计的实现方法

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）推导参数表达式4）编制程序2.参数化、变量化设计的实现方法

参数化设计应遵循的原则

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库结构具有映射关系；

4）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。

六角螺母主要尺寸特征有D、s、m，可将这三个尺寸作为主要参数驱动螺母图形。偏置倒角，偏置值＝(e/2-s/2），角度为30度。

参数化模型的设计步骤

通过改变D、s、m三个尺寸参数，可驱动生成系列螺母图形。

参数化模型的设计步骤参数化设计实例2.参数化、变量化设计的实现方法

利用参数化建模功能，能够方便编辑修改，加速设计进程。在相关参数化模型基础上，可以快速准确地创建标准件、通用零件及产品系列化设计的三维模型库。2.参数化、变量化设计的实现方法

变量化设计的实现原则

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。

2）局部求解法；作图过程中同步建立结构图形约束的方法。

3）几何推理法；

4）辅助线求解法。草图几何约束尺寸约束过约束2.参数化、变量化设计的实现方法

实现技术说明

虽然大多数CAD/CAM系统都综合应用了参数化设计和变量化设计，两者之间还是存在技术差异。

参数化设计方法定义的几何元素之间的关系可以用一种定向图来表示。该方法用一种过程性的方式来表达几何元素的尺寸和位置。（通过捕捉模型中的参数化关系记录了设计过程。这种记录过程与次序有关，是顺序化的)。同时，它利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算。2.参数化、变量化设计的实现方法

实现技术说明

变量化设计则通过逐步求解联立非线性方程组来得到几何元素的尺寸和位置。该方程组明确表达了模型中的约束关系。这些约束可分成：尺寸约束、几何约束。

模块化概念：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。例如：组合夹具、系列化机床、家具3.模块化设计方法衣橱模块化设计3.模块化设计方法

模块化设计方法产生的条件1）市场对不同功能或相同功能不同性能的某类产品的持续不断的社会需求。2）该类产品已拥有设计制造技术基础。3）模块化设计在技术、经济、社会效益方面具有明显优势。3.模块化设计方法

模块化设计方法的分类根据设计类型分：1）新产品的模块化设计通常要从最基础的产品功能分析入手，综合考虑产品生命周期中各个阶段的问题，把产品划分为若干模块；然后定义各个模块的整体要求和接口情况；最后对各个模块进行详细设计。3.模块化设计方法

模块化设计方法的分类根据设计类型分：2）变型产品的模块化设计

在已有基型模块化产品的基础上开发同类产品。3）现有产品的模块化设计

对已有设计制造基础的产品进行模块化改造或按新的零部件组织结构形式重新进行模块化设计。3.模块化设计方法模块化设计的关键1）市场调查与分析

模块化设计的前提，包括市场对同类产品的需求量、分析来自用户的要求，分析模块化设计的可行性等。模块化设计的关键2）模块的划分

模块化设计的原则：

力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应尽量简单、规范，模块间的联系尽可能简单。

模块的划分不能影响系统的主要功能，划分时要考虑如下要素：

l）模块的几何相关性和物理相关性。

2）模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性。

3）模块的互换性。

4）模块的可组合性。3.模块化设计方法模块化设计的关键3）模块标准化

通常指模块结构标准化，尤其是模块接口标准化。模块化设计所依赖的是模块的组合，即联接或啮合，又称为接口。为了保证不同功能模块的组合和相同功能模块的互换，模块应具有可组合性和可互换性两个特征，而这两个特征主要体现在接口上，必须提高其标准化、通用化、规格化的程度。3模块化设计方法模块化设计的关键4）拟定产品系列型谱5）模块的管理

合理制定模块化设计所覆盖的产品种类和规格。

设计管理

生产管理：按模块组织生产3模块化设计方法

模块化产品设计周期短，产品质量提高，有助于提高劳动生产率，降低产品成本。模块化设计遵循一般技术系统的设计步骤，但要更复杂，成本更高，要求每个零部件都能实现更多的功能。3.5产品设计的可视化技术CAD/CAM系统概念设计详细设计工程分析数据、信息管理加工控制管理……概念图形显示结构、装配关系图形描述网格模型显示应力应变图形等模拟仿真动画数控轨迹输出加工模拟过程数据显示产品设计的可视化技术一、图形生成技术与算法二、图形变换技术三、真实感图形显示技术四、数据可视化技术一、图形生成技术与算法1.基本图形元素的生成算法2.自由曲线和曲面的生成3.图形元素的求交以及集合运算4.不同字体中、西文的点阵表示及矢量字符的生成基本图形元素的生成算法3)圆弧正负法、多边形逼近法1）DDA（DigitalDifferentialAnalyzer）根据直线的微分方程画直线2）Bresenham算法根据直线的斜率和相邻两列（行）像素的坐标差1得到直线方程。基本图形元素的生成算法3）区域填充

多边形填充

用要求的颜色或图案显示扫描线与多边形的相交区间。

种子填充

根据边界颜色先填充种子点所在的像素，再将相邻的像素坐标作为新种子，如此循环往复填充完成。自由曲线和曲面的生成1）规则曲线

2）不规则曲线

按其参数方程画出；数据离散化处理（插值法或曲线拟合）。自由曲线和曲面的生成图形元素的求交以及集合运算

通过基本体素的集合运算（并、交、差）生成任意复杂形体的几何建模技术。

求交运算

面面相交、面线相交、线与线相交

检验集合元素的位置

交点是否在给定的线段上、平面上或物体上？

不同字体中、西文点阵表示及矢量字符生成字符库储存了每个字符的形状信息分类

矢量型字符

用矢量代码序列表示字符的各个笔画；点阵型字符

为每个字符定义了一个字符掩码来表示该字符的像素图案的一个点阵。

二、图形变换技术（一）窗、视变换（二）图形几何变换的基本原理（三）二维图形的几何变换（四）三维图形的几何变换（一）窗、视变换窗口在工程设计中，有时为了突出图形的某一部分，而将该部分单独的画出来，就是所谓的局部视图

如何将指定的局部视图从整体中分离出来：计算机图形学中提出了窗口这一概念窗口是在世界坐标系中定义的确定显示内容的一个矩形区域，只有在这个区域内的图形才能在设备坐标系中输出，而窗口之外的部分则被裁掉（即窗口是用户在输入的图形上选定一个观察区域视区视区是在设备坐标系（通常是屏幕）中定义的一个矩形区域，用于输出窗口中的图形。视区决定了窗口中的图形要显示于屏幕上的位置和大小，即视区是在图形输出设备上用来复制窗口（全部或部分）内容的矩形区域。视区是一个有限的整数域，它应小于等于屏幕区域，而定义小于屏幕的视区是非常有用的，这样可以在同一屏幕上定义多个视区，用来同时显示不同的图形的信息视区的定义1.主菜单区3.图形显示区4.提示信息区2.子菜单区窗口为一矩形区域，用四个变量代表窗口左下角和右上角点的坐标，即：视区是一个与设备密切联系的概念，通常也用四个变量指示视区两个角点的坐标，即：窗、视变换示意图（XR,YR）（XE,YE）视区不变，窗口缩小或放大时：视区里面显示的图形会相应放大或缩小窗口不变，视区缩小或放大时：视区里面显示的图形会相应缩小或放大原照片：窗口，1707×1925像素19251707把这张照片作为电脑的桌面，而电脑的分辨率为1280×800像素，选择“平铺”操作之后，发生失真。8001280为了不失真，按照电脑分辨率的比例选择了原照片的一部分。窗口一视区失真窗口二视区yx（二）图形几何变换的基本原理基本思想：任何一个图形都可以认为是点之间的连线构成的。对于一个图形作几何变换，实际上就是对一系列点进行变换。引入齐次坐标，变换算法可用矩阵表达点p的几何变换：(x’,y’,z’,1)=(x,y,z,1)·M图形的几何变换：V’=V·M对于二维图形M是3×3阶矩阵，三维图形M是4×4阶矩阵变换类型比例变换、对称变换、错切变换、旋转变换、平移变换（三）二维图形的几何变换图形的变换完全取决于变换矩阵中各元素的取值。一个二维变换矩阵可分为四个部分，即1）对图形进行比例、对称、旋转、错切等变换；2）对图形进行平移变换；m、n分别为x、y方向的平移量；（三）二维图形的几何变换4）对图形进行投影变换；3）对图形进行全比例缩放变换；当s=1时为恒等变换；5.2图形变换技术（二）比例变换

恒等变换、位似变换、放大变换、缩小变换、不等比变换。

由点的变换公式知：

x’=ax+cy+my’=bx+dy+n

令b=c=m=n=0;a>0，d>0

则x’=ax;y’=dy，即可实现比例变换。

5.2图形变换技术（二）比例变换

1.若a=d=1，为恒等变换；2.若a=d≠1，为等比例（放大或缩小）变换；3.若a≠d，则图形在x、y两个坐标方向以不同的比例变换X’Y’1=a000d0001=xy1axdy15.2图形变换技术（三）对称变换（镜像变换）1.对y轴对称变换

当b=c=0，a=-1，d=1时，坐标变换为X’Y’1=-100010001=xy15.2图形变换技术（三）对称变换（镜像变换）2.对x轴对称

当b=c=0，a=1，d=-1时，坐标变换为X’Y’1=-100010001=xy15.2图形变换技术（三）对称变换5.2图形变换技术（三）对称变换（镜像变换）3.对原点对称

当b=c=0，a=d=-1时，坐标变换为X’Y’1=-1000-10001=xy15.2图形变换技术（三）对称变换（镜像变换）4.对45º线对称

当b=c=1，a=d=0时，坐标变换为X’Y’1=010100001=xy15.2图形变换技术（三）对称变换（镜像变换）5.对-45º线对称

当b=c=-1，a=d=0时，坐标变换为X’Y’1=0-10-100001=xy15.2图形变换技术（四）错切变换

若a=d=1，b，c不全为零,则会出现图形的错切。其中，c，b分别为x，y坐标的错切系数。X’Y’1=1b0c10001=xy15.2图形变换技术（四）错切变换5.2图形变换技术（四）错切变换

1.当b=0时，x’=x，y’=cx+y此时图形x

坐标不变；图形沿y方向作错切位移。

2.当c=0时，x’=x+by，y’=y此时图形y

坐标不变；图形沿x方向作错切位移。5.2图形变换技术（五）旋转变换

图形的每一个点绕一个固定点按相同的方向、相同的旋转角度所得到的变换。

二维图形绕原点旋转α角变换矩阵：α—旋转角度，逆时针时为正，顺时针时为负。5.2图形变换技术（五）旋转变换5.2图形变换技术（六）平移变换图形上的每一个点在给定方向上移动相同距离所得的变换。

其中m>0,n>0，分别为x，y方向的平移距离。二维图形平移变换矩阵：5.2图形变换技术（六）平移变换复合变换实际图形变换是相对于任意点或线的变换。复合变换过程平移变换再平移注意：复合变换矩阵的求解顺序不能任意变动cos

-sin

0sin

cos

000110-xp01-yp001T=T-平T转T平=10xp

01yp

00

1（四）三维图形几何变换（1）三维几何变换矩阵M：左上角：比例、对称、错切、旋转左下角：平移右上角：透视右下角：全比例三视图的生成(1)主视图变换矩阵(2)俯视图变换矩阵(3)左视图变换矩阵5.2图形变换技术（九）

三视图的生成－主视图zxy1000000000100001Mv＝zxyV5.2图形变换技术（九）

三视图的生成－左视图0000010000100001MW＝zxyzxyW5.2图形变换技术（九）

三视图的生成－俯视图1000010000000001MH＝zxyzxyH

三视图的生成VzxyWHxzVWHzxVWH展开平移三、真实感图形显示技术三、真实感图形显示技术真实感图形：经过消隐、着色、渲染等效果处理的图形。技术内容：观察空间转换（三维实体的二维表示技术：轴侧图、透视图，增强立体感）消隐（面的可见性、包含性、深度检验）明暗效应（明暗效应数学模型：以数学公式近似表面感光效果）阴影（二次消隐：光源消隐，视点消隐）纹理处理、光线跟踪、辐射度、透明度1.轴测图使物体连同它的三个坐标轴同时倾斜于某一个投影面，然后向该投影面投影就得到了轴测图。轴测投影变换：先绕Y轴旋转θ角在绕X轴旋转φ角最后向XOY平面投影1.轴测图

轴测图正二等轴测图θ＝22°Φ＝20.7°正等轴测图θ＝45°Φ＝35.27°2.透视图表达的物体图形有一种渐远渐小的深度感，是一种与人的视觉观察物体比较一致的三维图形，它是采用中心投影法绘制的。透视投影：一个图形的点集以透视变换矩阵投影到XOY面就得透视投影。中心投影法3.消隐技术图形消隐技术：人不能一眼看到一个三维物体的全部表面。从一个视点去观察一个三维物体，必然只能看到该物体表面上的部分点、线、面，而其余部分则被这些