教学课件-计算机辅助设计基础及应用

第10章工程数据的计算机处理工程数据的计算机处理是CAD的一项重要内容，了解和掌握工程数据的处理方法具有重要的意义。本章概述工程设计过程中，经常需要引用一系列的数据资料，如图表、各种标准与规范、实验曲线等。在传统的设计过程中，这些资料的获得通常由人工查询手册或标准来实现，而在CAD过程中，这些数据则可以由计算机处理。设计数据表格、线图及标准规范算法设计处理设计资料10.1概

述10.2数表的计算机处理设计手册或设计规范中有各种形式的数表，其中，有些数表有精确的计算公式，当用计算机进行处理时，应力求找到原来的公式，将其编写成计算程序。但对于大多数数表而言，它们并不存在表达公式，或有些数表的公式难以找到。对于这样的数表，就需要对其进行程序化处理。数表程序化一元函数插值二元函数插值10.2.1数表程序化数表的程序化一般是通过数组的方法实现的。可以用一维、二维或多维数组分别表示一维、二维或多维数表，且自变量各值与因变量数组的下标一一对应。在计算机处理过程中，一般是将输入的各自变量值转换成对应的因变量数组下标，根据下标即可查到因变量的值。10.2.2一元函数插值线性插值抛物线插值10.2.3二元函数插值直线—直线插值抛物线—直线插值抛物线—抛物线插值直线—直线插值抛物线—直线与抛物线—抛物线插值工程设计过程中，经常要通过一些线图来查找某些参数或系数。由于线图不能直接存储在计算机中，所以，在编制程序时必须将线图程序化。

建立拟合公式的方法最小二乘法拟合的基本思想最小二乘法多项式拟合最小二乘法其他函数拟合10.3线图的程序化10.3.1建立拟合公式的方法工程实际设计中，时常需要用一定的数学方法将实验测得的一系列数据或统计数据拟合为近似的经验公式，这种建立经验公式的过程称为曲线拟合。在实际曲线拟合时，常用的方法之一是最小二乘法。10.3.2最小二乘法拟合的基本思想对拟合公式的最基本的要求是由对应系数确定的拟合曲线与各结点的偏差的平方和为最小，这就是最小二乘法拟合的基本思想。10.3.3最小二乘法多项式拟合采用最小二乘法多项式拟合，得到以下拟合公式：10.3.4最小二乘法其他函数拟合幂函数，其拟合函数为

。指数函数，其拟合函数为

。对数函数，其拟合函数为

。由MathWorks公司开发的MATLAB是较为流行的通用数据处理软件之一，是具有强大的计算机辅助工程计算功能的应用软件。MATLAB是一种交互式、面向对象的程序设计语言，广泛应用于工业界与学术界，主要用于矩阵运算，同时，在数值分析、自动控制模拟、仿真分析、数字信号处理、动态分析和绘图等方面也具有强大的功能。多项式的表示多项式插值多项式拟合10.4通用数据处理软件介绍数据独立地存放在计算机的外存上(软盘、硬盘等)就形成了数据文件。用户可通过应用程序读取数据文件中的数据并进行各种操作。数据文件按组织形式和管理方式可分为顺序文件、随机文件等类型。顺序文件中的数据按其输入的先后次序存放。处理顺序文件时必须从头至尾一个接一个地读写，效率较低。随机文件又称为记录文件，它以记录的方式存储数据。对于随机文件，用户可以随机读写记录数据，因此，存取速度要比顺序文件快得多。。10.5工程数据文件处理数据库技术已成为计算机领域中最重要的技术之一，它的应用范围不断扩大，不仅应用于事务处理，并且进一步应用到人工智能、专家系统、计算机辅助设计等，涉及到非数值计算各方面的应用。数据库系统概述数据库在CAD中的应用10.6数据库管理系统在CAD中的应用10.6.1数据库系统概述数据库系统是在文件管理系统的基础上发展起来的一种数据管理技术。数据库是存储在一起并相互关联的数据集合，这种数据集合以最小的冗余为多种应用服务。数据库中的数据存储独立于应用程序，应用程序能够共享数据库中的数据资源。10.6.2数据库在CAD中的应用数据库在CAD中的应用之一是CAD系统与数据库的联接。目前，常用的方法有两种：利用开放式数据库互连(OpenDataBaseConnectivity，ODBC)实现互连；自编对数据库文件直接进行操作的环境，以实现在CAD系统中直接操作数据库数据。Access在CAD中的应用Excel在CAD中的应用利用ARX应用程序实现AutoCAD与FoxPro数据库连接利用VBA编程实现数据库与CAD的连接由于工程数据种类多，且对事务处理能力的要求高，传统的商用数据库系统不能很好地满足工程设计的需要，因此，作为支持工程应用的工程数据库管理系统应运而生了。工程数据库系统的概念工程数据库系统的特点工程数据库系统的构成方法10.7工程数据库系统简介10.7.1工程数据库系统的概念工程数据库系统是满足工程设计、制造、生产管理和经营决策支持环境的数据库系统。工程数据库系统应包括工程数据库、工程数据库管理系统和工程数据库的终端用户。10.7.2工程数据库系统的特点数据模型方面的特点长事务管理的功能友好的用户接口工程数据库相容性的支持10.7.3工程数据库系统的构成方法在现有商用事务DBMS的外层增加一层软件，弥补商用事务DBMS用于工程环境的不足。增加现有DBMS的功能，满足工程数据管理的要求。建立专用的文件管理器，把现有的DBMS作为一项应用。研究新的数据模型，开发新的工程数据库管理系统，使它具有新的功能和性能，满足工程数据管理的要求。产品数据管理(ProductDataManagement，PDM)是一项新的管理思想和技术，它的核心思想是设计数据的有序、设计过程的优化和资源的共享。PDM的产生PDM基本概念PDM的发展PDM的功能分析PDM技术分析10.8产品数据管理技术及其发展10.8.1PDM的产生20世纪60、70年代，企业在其设计和生产过程中开始使用CAD、CAM等新技术。新技术的应用在促进生产力发展的同时也带来了新的挑战。产品数据管理正是在这一背景下产生的一项新的管理思想和技术。PDM可以定义为以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。经过近年来的发展，PDM技术已经取得了长足的进步，在机械、电子、航空航天等领域获得了普遍的应用。10.8.2PDM基本概念主要从事PDM技术和计算机集成制造技术研究开发的国际著名咨询公司CIMdata公司对PDM所下的定义是：PDM是一门管理所有与产品相关的信息和产品相关过程的技术。PDM应该是在企业范围内，由供应、工程设计、制造、采购、市场、销售、客户等共同组成的一种软件管理系统。一个成熟的PDM系统应该能够使所有参与创建、交流、维护设计意图的人们在整个信息生命周期中安全、有序、高效地共享与产品相关的各种不同数据，其中包括图纸、数字化文档、CAD文件、产品结构等内容。10.8.3PDM的发展配合CAD工具的PDM系统专业PDM产品PDM的标准化阶段。10.8.4PDM的功能分析电子资料库和文档管理产品结构与配置管理生命周期(工作流)管理集成开发接口查看和圈阅扫描与成像设计检索和零件库项目管理电子协作10.8.5PDM技术分析PDM的系统构造方法PDM系统的基本特征第11章计算机辅助制造技术本章将介绍与CAD技术密切相关的计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)技术，其中包括数控编程、计算机辅助工艺规程设计(ComputerAidedProcessPlanning，CAPP)，以及先进制造技术中的计算机集成制造、并行工程和虚拟制造技术。本章概述计算机辅助制造是利用计算机来代替人去完成制造以及与制造过程有关的工作。概述CAM系统的典型体系结构数控编程11.1计算机辅助制造11.1.1概述CAM有狭义和广义之分。狭义的CAM通常仅指数控(NC)程序的编制；广义上的CAM指利用计算机辅助从毛坯到产品制造过程中的各直接和间接活动，包括计算机辅助生产计划、计算机辅助工艺规程设计等内容。11.1.2CAM系统的典型体系结构CAM子系统与CAD和CAE等子系统在系统底层一级集成式开发以现有侧重产品造型的系统为平台的插件式CAM系统支持简单曲面造型的专用NC计算系统11.1.3数控编程手工编程自动编程数控编程语言11.2计算机辅助工艺规程设计CAPP概述CAPP的系统原理和系统结构派生式CAPP系统创成式CAPP系统11.2.1CAPP概述CAPP的提出CAPP发展简史及分类CAPP系统分类11.2.2CAPP的系统原理和系统结构CAPP的系统原理CAPP系统的组成11.2.3派生式CAPP系统派生式CAPP系统的工作原理派生式CAPP系统的研制过程派生式CAPP系统举例TOJICAP系统原理图11.2.4创成式CAPP系统创成式CAPP系统的工作原理零件信息描述创成式CAPP系统的工艺决策逻辑创成式CAPP系统中的逆向编程原理创成式CAPP系统中的工序设计创成式CAPP系统实例STCAPP系统原理图CAD/CAM系统的集成是把CAD、CAPP、CAE、CAM(包括数控编程和生产计划与控制)等各种功能通过软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，以保证系统内信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。

系统集成的必要性CAD/CAM系统集成的程度CAD/CAM系统集成的关键技术11.3CAD/CAM系统集成11.3.1系统集成的必要性目前制造业中许多研究工作都与如何减少闲置时间有关，以期提高设备的生产效率和利用率，减少在制品库存，加快流动资金的周转等。要达到这个目的，必须在生产中广泛地采用计算机辅助技术。11.3.2CAD/CAM系统集成的程度未经集成的CAD/CAM系统低集成度的CAD/CAM系统中等集成度的CAD/CAM系统高集成度的CAD/CAM系统11.3.3CAD/CAM系统集成的关键技术CAD/CAM系统的集成就是按照产品设计——制造的实际进程，在计算机里实现各应用程序所需要信息的处理和交换，形成连续、协调和科学的信息流。因此，产生公用信息的产品建模技术、存储和处理公用信息的工程数据库技术、进行数据交换的接口技术和对系统资源进行统一管理以及对系统的运行统一组织的执行控制程序就构成了集成过程中必须研究和解决的4项关键技术。计算机集成制造系统并行工程虚拟制造技术11.4先进制造技术概述11.4.1计算机集成制造系统计算机集成制造系统(ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS)是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。计算机集成制造(CIM)与计算机集成制造系统(CIMS)的内涵计算机集成制造系统的构成CIMS集成的3个阶段11.4.2并行工程并行工程是对产品及其相关过程(包括制造过程及其支持过程)进行并行一体化设计的一种系统化工作模式。并行工程的提出和内涵并行工程的关键技术基于并行工程的CAD系统框架介绍11.4.3虚拟制造技术虚拟制造是CAD/CAM/CAE集成化发展的最高层次。虚拟制造基本概念虚拟制造的类型虚拟制造技术在制造业中的主要应用第12章Mastercam软件包Mastercam是由美国CNCSoftwareNC公司开发的基于PC平台的CAD/CAM一体化软件，它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等多种功能于一身，是经济有效的全方位的软件系统。Mastercam自问世以来，经过多次的升级改进，其功能不断得到加强和完善，在业界赢得了越来越多的用户，并被广泛应用于机械、船舶、军工、汽车和航空等领域，特别是在模具制造业中应用最广。本章概述Mastercam的发展历史、主要功能、MastercamX6的工作界面，以及文件管理。Mastercam的基本情况

Mastercam的主要功能MastercamX6工作界面文件管理12.1概

述12.1.1Mastercam的基本情况1984年美国CNCSoftwareInc.公司推出第一代Mastercam产品，这一软件就以其强大的加工功能闻名于世。多年来该软件在功能上不断更新与完善，已被工业界及学校广泛采用。12.1.2Mastercam的主要功能Design——CAD设计模块Mill、Lathe、Wire和Router——CAM模块12.1.3MastercamX6工作界面MastercamX6的工作界面12.1.4文件管理文件管理功能除了提供文件的建立、打开、保存和打印等常规功能外，还提供了文件合并、格式转化等功能，以及项目管理、文件对比和文件追踪功能，以便于用户管理和掌握设计工作。文件合并文件转换及更新文件对比和文件追踪项目管理12.2系统设置和基本操作在使用Mastercam绘图前，用户需要对与绘图有关的属性、颜色、文件管理、打印、屏幕显示等进行必要的设置。配置Mastercam绘图环境并了解相应的绘图概念与操作，可以使用户提高绘图效率与绘图准确性。系统配置基本概念与操作12.2.1系统配置CAD设置颜色设置文件管理设置打印设置屏幕显示设置渲染设置公差设置“系统配置”对话框12.2.2基本概念与操作图素图素串连图层管理坐标系选择图形对象观察对象分析屏幕环境设置二维造型三维曲面设计三维实体设计12.3CAD零件设计12.3.1二维造型二维图形绘制是任何CAD软件的基本功能，本节将介绍Mastercam二维设计中的各种基本图素的绘制方法，二维图形的编辑操作，以及二维图形的标注方法。二维图形的绘制二维图形的编辑图形标注“绘图”菜单12.3.2三维曲面设计三维曲面设计功能一直是Mastercam的强项。Mastercam除了提供丰富的自由曲面创建功能外，还内嵌了一些标准曲面，如球面、圆柱面等。曲面创建曲面编辑创建曲面曲线三维曲面设计子菜单和工具栏12.3.3三维实体设计Mastercam的三维实体设计的基本操作集中在“实体”菜单中，以及工具栏o中。拉伸创建实体旋转创建实体扫掠创建实体举升创建实体创建基本实体由曲面创建实体实体编辑“实体”菜单Mastercam具有强大的CAM功能。CAM主要是根据工件的几何外形，通过设置相关的切削参数来生成刀具路径。刀具路径被保存为NCI(工艺数据文件)，它包含了一系列刀具运动轨迹以及加工信息，如刀具、机床、进刀量、主轴转速、冷却液控制等。数控编程的基本过程参数设置操作管理刀具路径编辑12.4数控加工基础12.4.1数控编程的基本过程数控编程是从零件设计得到合格的数控加工程序的全过程，其最主要的任务是获得刀具运动的路径。零件几何建模技术加工参数合理设置刀具路径仿真后处理技术数控加工程序编制数控编程的基本过程12.4.2参数设置在Mastercam中，用户可以进行刀具、材料、机床和毛坯等工作环境的参数设置。刀具设置材料设置工作设置外形铣削设置对话框12.4.3操作管理Mastercam的CAM模块提供了非常便捷的操作方式，在“刀具路径”树状图中，用户可以方便地对刀具路径的相关内容进行操作管理。按钮功能树状图功能操作管理零件实例12.4.4刀具路径编辑Mastercam允许用户像操作图素一样对刀具路径进行编辑。刀具路径修剪刀具路径变换Mastercam的CAM刀具路径设计功能主要包括二维加工、三维加工和多轴加工。二维加工三维加工多轴加工12.5CAM刀具路径设计12.5.1二维加工二维加工是生产实践中使用得最多的一种加工方式。二维加工所产生的刀具路径在切削深度方向上是不变的。外形铣削挖槽加工平面铣削钻孔加工12.5.2三维加工三维加工又称曲面加工，主要是指加工曲面或实体表面等复杂型面。公用加工参数设置曲面粗加工曲面精加工曲面粗加工方法子菜单曲面精加工方法子菜单12.5.3多轴加工MastercamX6系统为用户提供了功能强大的多轴加工功能，主要包括6组多轴加工方法，分别为“经典”、“显示线架构”、“表面/固体”、“钻/圆密尔”、“转换为5倍”和“自定义应用程序”。“多轴刀具路径”对话框本节综合有关Mastercam的CAD零件设计和CAM刀具路径设计的功能，设计一个简单的吹风机模型，并设计相应的刀具路径。零件模型设计零件刀具路径设计12.6Mastercam综合实例吹风机实例第13章平面连杆机构CAD平面连杆机构CAD包括连杆机构运动分析和机构设计两部分内容。机构运动分析的目的是对给定形式和结构尺寸的机构，按照主动件的位置、速度或加速度求解机构中其余构件或构件上某些特定点的位置、速度或加速度。运动分析是机械设计中不可缺少的环节。许多机械的工作质量与它的运动特性密切相关，而且，运动分析又是动力分析、动载荷计算的基础。本章概述矢量三角形法是对整个机构进行矢量分析，以矢量三角形为最小基本单元建立方程组进行位置求解，而后再进行速度和加速度分析。四杆机构的位置分析简单平面连杆机构的运动分析复杂平面连杆机构运动分析13.1矢量三角形法运动分析的数学模型13.1.1四杆机构的位置分析四杆机构是最基本的杆机构。四杆机构位置分析的任务一般是根据主动件的输入角度和各杆的长度来确定各杆的位置。四杆机构位置分析13.1.2简单平面连杆机构的运动分析任何闭式链杆机构在其封闭的机构中都可以将之划分为若干个封闭三角形回路，每个封闭三角形回路对应一个矢量回路方程，该方程称为矢量三角形方程。如果在闭式链杆机构中划分的每个闭合三角形回路中只包括两个未知数，则称该杆机构为简单平面连杆机构。简单平面连杆机构分析简单平面连杆机构位置的三角形解法简单平面连杆机构的速度、加速度分析13.1.3复杂平面连杆机构运动分析由闭式链杆机构划分的闭合三角形中，可能有些闭合三角形回路的未知数超过两个，而另一些回路中的未知数少于两个。当求解这种杆机构时，必须将几个矢量三角形联立求解。如果连杆机构中有一个或几个闭合三角形回路中包含的未知数(边长或辐角)超过了两个，则称这样的杆机构为复杂平面连杆机构。急回机构13.2杆组法运动分析的数学模型杆组法是根据机构组成原理(1级机构+基本杆组)，从给定运动规律的1级机构开始，顺序确定机构中各基本杆组的运动，从而实现机构分析和模拟。基本杆组的划分方法同一构件上点的运动分析RRR杆组的运动分析RRP杆组的运动分析RPR杆组的运动分析13.2.1基本杆组的划分方法基本杆组的概念平面连杆机构的分解Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级杆组结构类型13.2.2同一构件上点的运动分析同一构件上点的运动分析是指已知该构件上一点的运动参数(位置、速度和加速度)和构件的角位置、角速度和角加速度，求出同一构件上任意给定点的位置、速度和加速度。位置分析速度和加速度分析单杆的运动分析13.2.3RRR杆组的运动分析位置分析速度分析加速度分析RRR杆组13.2.4RRP杆组的运动分析杆组由两个构件、两个回转副和一个外移动副组成。位置分析速度分析加速度分析RRP杆组13.2.5RPR杆组的运动分析杆组由两个构件与两个外回转副和一个内移动副组成。位置分析速度分析加速度分析RPR杆组杆机构的运动分析和模拟过程就是利用计算机计算并以图形形式动态显示机构位置的过程，其中，计算机的分析计算过程是通过计算机构各构件的运动参数实现的。杆组法矢量三角形法13.3杆机构运动分析与模拟六杆偏心轮滑块机构四杆机构的设计一般可以分为3类：函数变换机构设计、轨迹发生机构设计、刚体导引机构设计。函数变换机构设计轨迹发生机构设计刚体导引机构设计13.4平面连杆机构设计的类型本节以四杆机构为例，讨论机构运动综合中尺寸综合的数学建模方法。连杆机构的综合方法刚体导引机构设计函数变换机构的设计轨迹发生机构设计13.5连杆机构的综合13.5.1连杆机构的综合方法所谓连杆机构综合主要是研究能近似实现所要求运动变换的连杆机构设计方法，简称近似设计方法。13.5.2刚体导引机构设计导引机构设计就是设计一个四杆机构，使它能导引其连杆顺序通过某些给定的位置，即根据给定的连杆位置设计四杆机构。刚体旋转矩阵和位移矩阵刚体导引机构设计13.5.3函数变换机构的设计铰链四杆机构13.5.4轨迹发生机构设计轨迹发生机构第1章概

论CAD技术是现代产品设计中广泛采用的现代设计方法和手段。本章结合现代产品设计的主要设计环节和基本设计要求，介绍了CAD技术的发展历史及发展趋势，以及CAD技术的特点与应用。本章概述产品设计是将创新构思转化为有竞争力的产品的一个创新过程。因此，设计是产品的生命，也是产品制造的前提和基础。现代产品设计强调采用先进的设计方法和手段。作为一门多学科综合性应用技术，CAD技术是现代设计方法及手段的综合体现。现代产品设计概述CAD技术与现代产品设计1.1现代产品设计与CAD技术

现代产品设计是一个多学科相交融的综合性学科。所谓设计，是指根据使用要求确定产品应具备的功能，构思产品的工作原理、总体布局、运动方式、力和能量的传递、结构形式、产品形状，以及色彩、材质、工艺、人机工程等事项，并转化为工程描述(图纸、设计文件等)，以此作为制造的依据。1.1.1现代产品设计概述产品设计是一个创造性思维和反复迭代的寻优过程。作为现代产品设计方法及手段的综合体现，计算机辅助设计技术在产品设计中发挥了重要的作用。1.1.2CAD技术与现代产品设计CAD技术的发展历程CAD技术在我国的发展和应用CAD技术的发展趋势1.2

CAD技术的发展历程及发展趋势产品设计是将创新构思转化为有竞争力的产品的一个创新过程。因此，设计是产品的生命，也是产品制造的前提和基础。现代产品设计强调采用先进的设计方法和手段。作为一门多学科综合性应用技术，CAD技术是现代设计方法及手段的综合体现。1.2.1

CAD技术的发展历程CAD技术的核心和基础是计算机图形处理技术，因此，CAD技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并伴随计算机及其外围设备的发展而发展。经过十几年的努力，我国已初步建立起具有一定市场规模的拥有自主版权的CAD软件产业；在全国范围内建立了CAD应用培训网络和咨询服务体系；制订了一批我国的CAD技术标准；结合CAD应用工程的需要，富有成效地开展了科学研究；创建了一套CAD应用工程管理工作体系、措施和办法。目前，我国在涉及产品及工程设计的各领域已广泛采用CAD技术，并发挥着重要的作用。1.2.2

CAD技术在我国的发展和应用CAD技术的未来发展集中体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现上。集成化、网络化、智能化和标准化是现代CAD技术所追求的功能目标。1.2.3

CAD技术的发展趋势CAD技术具有与传统设计方法和手段不同的特点，其应用领域涵盖了产品的主要设计活动。采用CAD技术对企业提高市场竞争能力和经济效益有重要的意义。CAD技术的特点CAD技术的应用采用CAD技术的优点和风险1.3

CAD技术的特点与应用CAD技术是多学科综合性应用技术CAD技术是现代设计方法和手段的综合体现CAD技术是人的创造性思维活动同基于计算机系统的有机融合1.3.1

CAD技术的特点1.3.2

CAD技术的应用绘制二维、三维工程图建立图形及符号库参数化设计三维造型工程分析生成设计文档或报表1.3.3采用CAD技术的优点和风险提高设计效率、缩短设计周期提高设计质量便于产品标准化、系列化在设计阶段可预估产品的特性易于实现网络化设计为实现CAM提供了基础使产品快速进入市场一次性资金投入较大对工程技术人员的素质和技能要求较高第2章CAD系统的组成CAD系统是基于计算机的系统，由软件(又称为程序系统)和硬件设备组成。其中，软件是CAD系统的核心，而相应的系统硬件设备则为软件的正常运行提供了基础保障和运行环境。另外，任何功能强大的CAD系统均只是一个辅助设计工具，系统的运行离不开系统使用人员的创造性思维活动。因此，使用CAD系统的技术人员也属于系统组成的一部分，将软件、硬件以及人这三者有效地融合在一起，是发挥CAD系统强大功能的前提。本章概述CAD系统有着具有自身特点的系统分类方式。同时，随着计算机及其相关技术的发展，CAD系统的配置形式也在不断进化。CAD系统的分类CAD系统的构建模式2.1CAD系统的类型和构建模式

按硬件组成分类:CAD系统按其硬件组成并结合计算机技术的发展历程一般可分为5类：主机系统、小型机系统、工作站系统、微机系统和基于网络的微机-工作站系统。按工作方法及功能分类:CAD系统按工作方法及功能大致分为4类：检索型、自动型、交互型和智能型。2.1.1CAD系统的分类客户机/服务器结构基于Web的浏览器/服务器结构2.1.2CAD系统的构建模式CAD系统的硬件工作站和微机2.2CAD系统的硬件组成通常，将用户可进行CAD作业的独立硬件环境称作CAD硬件系统。CAD系统的硬件主要由主机、输入设备(键盘、鼠标、扫描仪等)、输出设备(显示器、绘图仪、打印机等)、信息存储设备(主要指外存，如硬盘、软盘、光盘、各种移动存储设备等)及网络设备、多媒体设备等组成。2.2.1CAD系统的硬件CAD系统的硬件主要由计算机主机、外存储设备、输入设备、输出设备等组成。工作站和微机是目前CAD系统计算机配置的主流。CAD系统对硬件的要求一般都比较高，CAD硬件系统主要以工作站和微机为主。对于运行CAD软件的微机而言，则应选择运算和图形处理能力较强的机型。2.2.2工作站和微机计算机软件是指控制计算机运行，并使计算机发挥最大功效的各种程序、数据及文档的集合。系统软件CAD支撑软件CAD应用软件商品化CAD支撑软件介绍2.3CAD系统的软件组成操作系统编译系统2.3.1系统软件2.3.2CAD支撑软件图形处理软件工程分析与计算软件模拟仿真软件数据库管理系统计算机网络工程软件文档制作软件2.3.3CAD应用软件应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域而开发的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作的需要自行研究开发或委托开发商进行开发，此项工作又称为“二次开发”。如模具设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件、机床设计软件，以及汽车、船舶、飞机设计制造行业的专用软件均属应用软件。2.3.4商品化CAD支撑软件介绍高端产品低端产品中端产品CAD系统的构建是一项复杂的系统工程，其构建得是否合理，直接影响到使用单位CAD技术的应用效果，而其中的系统选型工作尤为重要。CAD系统选型工作的重要意义CAD系统选型的基本要素选择CAD系统的原则2.4CAD系统的选型原则2.4.1CAD系统选型工作的重要意义在CAD技术发展日新月异的今天，无论对企业还是对研究部门来说，都需要建立适合自己需要的计算机系统。尤其对于产品和工程设计行业，对于那些设计、制造工作相对复杂、繁重的单位则更应该在客观、科学、务实的需求分析及应用规划的指导下，进行科学、合理的CAD系统的选型，为CAD技术的成功运用打下良好的基础，推动CAD技术的应用沿着良性循环的轨道健康地发展。2.4.2CAD系统选型的基本要素软件选型运行环境选型技术支持价格策略2.4.3选择CAD系统的原则(1)软件系统的选择应优于硬件且应具有优越的性能。(2)硬件系统应该符合国际工业标准、具有良好的开放性。(3)整个软硬件系统运行可靠，维护简单、性能价格比优越。(4)具有良好的售后服务体系。(5)供应商应该有良好的信誉，可以提供培训、故障排除及其他增值服务。第3章CAD接口技术及图形标准接口技术是CAD技术的重要组成部分，它是系统信息交流的桥梁。所谓接口，通常意义上是指两个功能部件之间的一种共享界面。在一定的条件下，应根据功能特性、公共的物理连接特性、信号特性以及其他特性来定义。在CAD系统中，接口可以认为是系统内部之间或系统内外之间信息交流的一种共享逻辑界面，即信息交流的一种约定或一种标准。本章概述一个CAD系统必须允许用户根据设计需要指定选择功能、拾取操作对象、输入设计参数，并能够动态地输入几何形体的位置坐标。这些常见的人机交互操作需要一个用户接口，即系统使用者与应用系统核心功能模块之间的交互操作界面。交互任务与交互技术输入控制方式交互系统的构造3.1交互技术与用户接口

在以交互形式处理问题的过程中，其交互过程可以分解为一系列的基本任务，且每一种交互任务都有一些应用上的要求。交互技术则是完成交互任务的手段，它的实现在很大程度上依赖于设备及其支撑环境。3.1.1交互任务与交互技术在利用CAD系统进行产品设计的过程中，设计人员需要通过输入设备与应用程序进行交互操作。交互输入过程中的输入控制方式多种多样，这些方式主要取决于程序与输入设备之间如何相互作用，常用的控制方式有请求、取样、事件3种方式。3.1.2输入控制方式交互式用户接口的表现形式交互式用户接口的工作方式用户命令集的描述人-机对话序列的设计交互式用户接口的实现方式3.1.3交互系统的构造计算机图形接口(CGI)计算机图形元文件(CGM)3.2计算机图形接口及计算机图形元文件计算机图形接口(CGI)和计算机图形元文件(CGM)是面向图形设备的接口标准，这两个标准的制订使图形软件与图形设备的无关性得以实现。3.2.1计算机图形接口(CGI)计算机图形接口(ComputerGraphicsInterface，CGI)是ISOTC97组提出的图形设备接口标准，它的目的是提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，可使有经验的用户能够最大限度地、灵活地直接控制图形设备。CGI也是一个程序接口，通常称为“虚拟图形设备接口”。实际上，也可以将CGI看作是图形设备驱动程序的一种标准。CGI在用户程序和虚拟设备之间，以一种独立于设备的方式提供图形信息的描述和通信，它提供的功能集有：控制功能集、独立于设备的图形对象输出功能集、图段功能集、输入和应答功能集、光栅功能集。计算机图形元文件(ComputerGraphicsMetafile，CGM)是ANSI于1986年公布的标准，1987年它成为ISO标准。CGM是一套与设备无关的语义词法定义的图形文件格式，该标准使程序与程序之间或系统与系统之间相互交换图形数据成为可能。CGM标准主要由两部分组成：一是功能规格说明，以抽象的词法描述了相应的文件格式；二是描述了文件词法的3种形式的编码。3.2.2计算机图形元文件(CGM)计算机图形软件标准是面向图形应用软件的标准，它提供了应用程序与图形软件的应用接口。图形软件(也可称为图形程序库或图形程序包)是一组常用的有关图形处理的子程序的集合，它隔离了应用程序与物理设备的联系。图形软件的标准化保证了图形处理应用程序的与设备无关性和应用程序在源程序级的可移植性。图形核心系统(GKS和GKS-3D)程序员层次交互式图形系统(PHIGS)图形程序库(OpenGL)3.3计算机图形软件标准GKS(GraphicsKernelSystem，图形核心系统)是一个二维图形标准，1977年由前联邦德国提出，1985年成为ISO标准。3.3.1图形核心系统(GKS和GKS-3D)GKS的体系结构3.3.2程序员层次交互式图形系统(PHIGS)PHIGS(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem，程序员层次交互式图形系统)是由ANSI提出、并于1986年被ISO批准的一个三维图形标准。工程分析与计算软件PHIGS的程序功能模块结构3.3.3图形程序库(OpenGL)CAD应用软件OpenGL是开放的图形程序库(OpenGraphicsLibrary)的简称，是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准。OpenGL注重于快速绘制二维、三维对象。它最初由SGI公司提出，随后得到了包括微软、IBM、DEC、HP、SUN等大公司的支持。目前，OpenGL是高性能图形处理和交互式视景处理的工业标准，各种专业图形加速卡均以硬件加速OpenGL作为衡量其性能的主要依据。目前，实现数据交换的方式主要有：专用数据格式交换方式(点对点交换)、采用标准数据格式的中性文件交换方式(星式交换)和统一的产品数据模型交换方式。基于DXF文件的图形数据交换基本图形交换规范(IGES)产品模型数据转换标准(STEP)3.4产品数据交换标准3.4.1基于DXF文件的图形数据交换DXF(DrawingeXchangeFile，图形交换文件)是美国Autodesk公司开发并首先应用于AutoCAD的图形数据交换的图形文件格式，主要用于外部程序与图形系统或不同的图形系统之间交换图形信息。DXF文件结构简单、可读性好，因而很容易被其他程序处理。由于AutoCAD在全世界二维绘图领域的广泛应用和巨大的影响，故大多数CAD系统均支持DXF文件格式，用以完成与AutoCAD软件的图形信息交换，或与其他系统以该文件格式进行图形信息交换。因此，DXF已成为事实上的工业标准。3.4.2基本图形交换规范(IGES)基本图形交换规范(InitialGraphicsExchangeSpecification，IGES)1980年由美国国家标准局主持开发，1982年成为ANSI标准。IGES虽然不是ISO标准，且在1992年以后其版本不再发展，但作为事实上的工业标准，现有大多数CAD商用软件仍支持IGES图形文件格式。利用IGES文件，用户可以从中提取所需数据进行用户应用程序的开发。3.4.3产品模型数据转换标准(STEP)产品模型数据转换标准(StandardfortheExchangeofProductmodeldata，STEP)，由ISO工业自动化系统技术委员会(TC184)第四分委员会(SC4)制定，并于1988年公布为ISO标准。STEP标准的组成3.4.3产品模型数据转换标准(STEP)STEP标准的3层组织结构第4章CAD软件工程技术在CAD应用领域，更多的用户和技术人员要在基于某个应用系统(如CATIA、UGNX、Creo\ProE、SOLIDEWORKS和AutoCAD等)的基础上，针对企业或行业的特殊需要进行二次开发，以满足本企业或某行业在产品设计、制造上的特殊要求，或者针对CAD的某个应用领域进行专用CAD软件开发，以完成特殊的造型、计算、分析等专业应用要求。采用软件工程的方法可以高效、高质量地保证软件开发的顺利进行。本章概述软件工程技术是软件开发的关键技术之一。自1968年提出软件工程这一概念以来，软件工程已有30多年的历史，在此期间出现了大量的研究成果，并进行了大量的技术实践。由于学术界和产业界的共同努力，软件工程已发展成为一门成熟的专业学科，它以提高软件开发的质量和效果为宗旨，在软件产业的发展中起到了重要的技术保障和促进作用。软件与软件工程软件工程过程模型4.1软件工程的基本概念

软件是基于计算机的系统的核心。随着CAD技术的发展和其他领域对软件需求的日益增长，软件在计算机系统乃至整个国民经济中扮演着越来越重要的角色。由于软件开发需要大量人的创造性思维活动和手工编程劳动，因此，采用先进的软件开发方法和手段显得尤为重要。4.1.1软件与软件工程线性顺序模型(瀑布模型)原型模型增量模型螺旋模型4.1.2软件工程过程模型CAD软件工程的特点CAD软件工程的开发流程4.2CAD应用软件开发CAD技术作为一个综合应用领域，涉及众多的学科和专业。CAD应用软件在软件规模、复杂程度、专业性和跨学科性等方面是其他软件所无法相比的。4.2.1CAD软件工程的特点文档的完善性专用的工具与方法较强的专业性1.可行性研究与项目开发计划2.软件需求分析3.软件设计4.代码实现5.软件测试6.运行与维护4.2.2CAD软件工程的开发流程文档在软件开发的各个阶段发挥着重要的作用。本节介绍在CAD应用软件开发中，一些常用文档的编制规范。可行性研究报告项目开发计划软件需求说明书数据要求说明书概要设计说明书详细设计说明书4.3CAD软件的文档编制规范测试计划测试分析报告项目开发总结报告可行性研究报告的编写目的是说明该软件开发项目的实现在技术、经济和社会条件等方面的可行性；详述为合理地达到开发目标而可能选择的各种方案；说明并论证所选定的方案。4.3.1可行性研究报告4.3.2项目开发计划编制项目开发计划的目的是用文档的形式把对开发过程中各项工作的负责人员、开发进度、所需经费预算、所需软硬件条件等所做出的安排记载下来，以便根据本计划开展和检查本项目的开发工作。4.3.3软件需求说明书软件需求说明书的编制是为了确定一个反映用户和软件开发单位双方共同理解的该软件系统的具体开发目标，使之作为整个开发工作的基础。4.3.4数据要求说明书数据要求说明书的编写目的是为了向整个开发过程提供关于被处理数据的描述和数据采集要求的技术信息。4.3.5概要设计说明书编制概要设计说明书的目的是说明对一个软件系统的设计考虑，包括该软件系统的基本处理流程、系统的组织结构、模块划分、功能分配、接口设计、运行设计、数据结构设计和出错处理设计等，为程序的详细设计提供基础。4.3.6详细设计说明书详细设计说明书的编制目的是说明一个软件系统各个层次中的每一个模块(或子模块)的设计考虑。如果一个软件系统比较简单，层次很少，本文档可以不单独编写，有关的内容可并入概要设计说明书。4.3.7测试计划这里所说的测试，主要是指整个程序系统的组装测试和确认测试。本文档的编制是为了提供一个对该软件的测试计划，包括对每项测试活动的内容、进度安排、设计考虑、测试数据的整理方法及评价准则。4.3.8测试分析报告测试分析报告的编写是为了把组装测试和确认测试的结果、发现及分析写成文档加以记载。4.3.9项目开发总结报告项目开发总结报告的编制是为了总结本项目开发工作的经验，说明实际取得的开发结果以及对整个开发工作的各个方面的评价。第5章计算机图形处理技术基础计算机图形处理技术是指利用计算机通过算法和程序在显示设备上构造出图形的一种技术。图形处理技术在CAD技术中发挥着重要的作用，因此，了解和掌握计算机图形处理技术的一些基础知识和相关的基本概念与术语，对掌握CAD技术和熟练使用CAD应用软件是非常有益的。本章概述计算机图形处理技术的核心是数学算法问题的解决。本节简要介绍一些与图形处理相关的数学基础知识。向量运算矩阵运算齐次坐标5.1图形处理的数学基础点和向量向量运算5.1.1向量运算二维坐标系下的向量表示矩阵的加法运算数乘矩阵矩阵的乘法运算零矩阵的运算单位矩阵逆矩阵转置矩阵矩阵运算的基本性质5.1.2矩阵运算所谓齐次坐标表示法是指用一个

维向量表示一个

维向量。

维空间中点的位置向量用非齐次坐标表示时，具有

个坐标分量

，且是惟一的。若用齐次坐标表示时，此向量有

坐标分量

，且不惟一。非齐次坐标与齐次坐标是一对多的关系，但不影响图形的形状。5.1.3齐次坐标设备驱动程序图形程序库5.2图形程序库图形处理是CAD系统所具有的基本功能。通用图形处理软件一般由设备驱动程序和图形程序库两部分组成。采用各种高级语言开发的CAD应用程序，通过直接使用设备驱动程序或使用构建在设备驱动程序之上的图形程序库来控制图形的显示处理。5.2.1设备驱动程序设备驱动程序是一系列与设备相关的代码，它直接控制图形设备的显示处理单元(图形适配卡或显卡)。设备驱动程序是与设备相关的，由各个图形设备厂家用低级语言(或专用语言)编写并固化于显示处理单元中。因此，一台图形设备的显示处理单元由一个特定的设备驱动程序驱动。直接用设备驱动程序命令编写图形处理程序的结构框图图形程序库(GraphicLibrary)可以认为是“一种到图形硬件的软件接口”，是一种过程性的图形API(ApplicationProgrammingInterface，应用程序接口)。图形程序库实际上是一系列图形处理子程序，且每个子程序都具有特定的用途，如某个子程序可以绘直线，另一个子程序可以绘圆等。5.2.2图形程序库利用图形程序库进行图形处理的结构框图计算机在处理图形信息时，几何图形的定义和图形的输入/输出都是在一定的坐标系下进行的。图形在输入/输出的不同阶段需要采用不同的坐标系，以方便设计人员的理解和操作，提高图形处理效率。设备坐标系虚拟设备坐标系(规格化的设备坐标系)世界坐标系、造型坐标系和观察坐标系坐标变换5.3坐

标

系设备坐标系(DeviceCoordinateSystem，DCS)用于在图形显示设备上定义图形或窗口的位置。设备坐标系通常由沿水平方向的

轴和沿垂直方向的

轴组成，其坐标原点可以任意选择。5.3.1设备坐标系设备坐标系5.3.2虚拟设备坐标系(规格化的设备坐标系)为了避免由于设备坐标系与设备的相关性影响应用程序的可移植性，在编写图形程序时，应采用虚拟设备坐标系(VirtualDeviceCoordinateSystem，VDCS)。虚拟设备坐标系的原点通常位于显示器的左下角，其

、

轴的正方向分别指向右方和上方，且取值范围均为0～1。5.3.3世界坐标系、造型坐标系和观察坐标系设备坐标系和虚拟设备坐标系提供了在二维显示屏幕上定义几何图形的坐标系。在三维空间中定义几何形体时可采用3种坐标系：世界坐标系造型坐标系观察坐标系5.3.4坐标变换不同的坐标系之间通过变换矩阵建立联系，每个造型坐标系的位置和方位可通过变换矩阵由世界坐标系确定。坐标系间的坐标变换过程“窗口”和“视区”是计算机图形处理中常用的图形处理技术，通过窗口操作可将窗口中选定的图形输出到视区中，供用户观察和进行各种操作。窗口视区窗口-视区变换5.4窗口与视区5.4.1窗口在工程设计中，有时为了详细表达图形的某一部分，而将该部分单独放大画出，即所谓的局部视图。在计算机图形学中，采用窗口技术可将指定的局部图形从整体中分离出来，并显示于视区之中，即通过窗口操作观察感兴趣的图形部分。窗口技术应用的典型示例是在各种CAD系统中经常用到的框选放大操作。5.4.2视区视区是在设备坐标系(通常为显示器的显示屏幕)中定义的一个用于输出窗口中的图形的矩形区域，它决定了窗口中的图形要显示于屏幕上的位置和大小。5.4.3窗口-视区变换窗口和视区是在不同的坐标系下定义的。因此，如果将窗口中的图形信息传送到视区来输出显示，必须把世界坐标系中定义的坐标值转化为设备坐标系下的坐标值，这样的变换称之为窗口-视区变换。窗口-视区变换图形的裁剪和消隐是计算机图形处理技术中的两个重要问题，前者是为了得到所需要的局部图形，后者则用于实现三维图形的真实感显示以及消除图形显示的二义性。图形的裁剪图形的消隐5.5图形的裁剪与消隐5.5.1图形的裁剪利用窗口技术，通过定义窗口和视区，可以将整体视图中的局部图形显示于屏幕的指定位置并对其进行处理。为了准确地将局部图形从整体图形中分离并显示出来，需要对图形进行裁剪，即通过正确地识别图形在窗口的内外部分，裁剪掉位于窗口外的图形部分，仅保留位于窗口内的图形部分。这种选择可见图形信息的方法称为裁剪。当然，为适应某种特殊需要也可剪裁掉位于窗口内的图形，而留出窗口的空白区域，以用于文字说明或其他用途，我们称这种处理方法为“覆盖”。5.5.2图形的消隐消隐指消除隐藏线和隐藏面，其目的是消除物体显示的二义性。(a)消隐前(b)消隐后图形消隐在计算机图形处理中，经常需要对已生成的图形进行旋转、平移、放大或缩小等几何变换操作，以生成新的图形信息。由于点是构成几何形体的最基本元素，因此，通过对构成几何图形的特征点集的几何变换即可实现整个图形的几何变换。二维图形几何变换的一般表示平移变换与点的齐次坐标表示二维组合变换5.6二维图形几何变换5.6.1二维图形几何变换的一般表示比例变换对称变换错切变换旋转变换5.6.2平移变换与点的齐次坐标表示为了能够用一个通用的变换矩阵覆盖所有的图形变换问题，以方便用计算机进行统一处理，在图形的几何变换中引入了空间点的齐次坐标表示。可以用一个统一的3×3矩阵来描述包括平移在内的全部二维图形变换，即：5.6.3二维组合变换在图形的几何变换中，图形的实际变换往往不是单独采用前述的各种基本变换就可以完成，通常需要将各种基本变换组合使用，以完成最终的图形变换。这种由多种基本变换组合而成的变换称为组合变换，相应的变换矩阵叫做组合变换矩阵。三维图形几何变换是二维图形几何变换的简单拓展。在三维空间中，用四维齐次坐标表示三维点，即

。三维基本变换三维组合变换与投影变换5.7三维图形几何变换5.7.1三维基本变换与二维图形几何变换类似，三维图形的基本几何变换也包括:比例变换对称变换平移变换旋转变换5.7.2三维组合变换与投影变换与二维组合变换类似，三维物体的复杂变换同样可通过对三维基本变换矩阵的组合来实现。例如，求解绕过原点的任意轴旋转

角的三维几何变换矩阵。第6章几何造型系统几何造型技术是CAD技术的核心与基础，是利用计算机以及图形处理技术来构造物体的几何形状，模拟物体静、动态处理过程的技术。通常，把能够定义、描述、生成几何模型，并能够进行交互编辑处理的系统称为几何造型系统。按其发展历史，几何造型可分为线框造型、曲面造型和实体造型。随着几何造型技术的发展，又产生了非流形形体造型。本章概述在几何造型中，任何复杂形体都是由基本几何元素构造而成的。几何造型通过对几何元素的各种变换处理和集合运算产生所需要的几何模型。6.1空间几何元素的定义6.2线框造型线框造型(wireframemodeling)用顶点和边表示形体，通过对点和边的修改来改变构造形体的形状，即构造模型是一个简单的线框图。与该模型相关的数学表达是直线或曲线方程、点的坐标以及边和点的连接信息，该连接信息决定哪些点分别是哪条边的端点，以及哪条边在哪个点上与其他边相邻。用线框造型构造的模型称为线框模型(wireframemodel)。线框模型曲面造型(SurfaceModeling)是用有向棱边围成的部分定义形体表面，由面的集合来定义形体。曲面造型可以满足求交、消隐、渲染处理和数控加工等要求。由曲面造型构造的模型称为表面模型(surfacemodel)。6.3曲面造型汽车车身造型(达索公司，CATIA软件)实体造型(solidmodeling)用于构造具有封闭空间、称为实体的几何形体。由实体造型构造的模型称为实体模型(solidmodel)。基本造型功能实体造型的数据结构基于特征的造型参数化造型6.4实体造型6.4.1基本造型功能基本几何形体的创建形体的集合运算扫掠构造蒙皮构造倒圆拉伸边界造型6.4.2实体造型的数据结构在实体造型系统中，三维形体是通过各种造型功能构造的。随着实体的创建，与实体相关的数学描述也存储于计算机中。为了明确地表达和构造一个三维形体，描述实体的数据结构通常分3类：CSG树型结构边界表示数据结构空间分割模型结构6.4.3基于特征的造型基于特征的造型(Feature-basedModeling)，又称为特征造型，是以实体造型为基础，使设计者采用一些常见的、具有一定设计或加工功能的特征作为造型的基本单元来构造几何模型，我们称这些基本单元为特征。一般来说，特征可分为形状特征、材料特征、精度特征、工艺特征等。特征造型实例6.4.4参数化造型参数化造型(parametricmodeling)，可以只通过修改其造型参数就可以方便地改变形体的形状和尺寸。参数化造型利用几何约束和几何元素上的尺寸数据来定义和构造几何形体。几何约束指几何元素间的关系，如两表面平行、两边共面、一条曲线边与相邻直线边相切等。尺寸数据不仅包括定义形状的尺寸，而且还包括这些尺寸间的关系，这些关系由设计者以数学方程的形式给出。常规实体造型系统仅允许用户创建具有封闭空间和统一边界维数的几何形体，即数学意义上的流形形体。系统不允许非流形形体存在，如两个表面在一个点处相接，两个截然不同的几何形体共享一个面、边或点为其共同边界，形体具有悬边或悬面，或完全由面构成的一个网格结构等。具有这些特征的几何形体称为非流形形体。6.5非流形形体造型非流形形体模型装配造型(即装配设计)精确地保存了零件的设计过程和零件间的关系，设计人员可以按照零件间的配合顺序关系构造零件的几何形状。装配造型的功能装配浏览并行设计功能装配模型的使用装配简化6.6装配造型6.6.1装配造型的功能CAD系统的装配模块为零件分类、装配以及子装配的构成提供了一种逻辑结构，该结构可使设计人员识别单个零件、保留(保存)相关零件的过程数据、保存零件在装配体中的相互关系。利用装配体中有关配合、位置以及方位等数据，装配造型可以精确地识别零件是如何连接的。装配造型系统可使设计人员创建和处理零件间的所有装配约束、定义相关零件的位置和运动。6.6.2装配浏览所有装配设计系统均提供某种类型的浏览器，以允许用户在零件定位、关系定义以及访问CAD模型、图纸和相关的零件数据方面与系统进行交互。装配树型结构6.6.3并行设计功能装配造型的并行设计功能支持由多个部门组成的产品研发小组对装配的协调与修改，支持在同一时间内处理多个用户对同一个装配体的访问。在某些CAD系统中，由检入、检出(checkin/checkout)处理来控制谁在某个零件上工作(他不离开该零件，别人不得进入)，并可防止两个设计人员在同一时间修改相同的零件设计。支持并行工程的装配造型系统也具有构成一个统一装配体的能力，以完成运动分析、有限元分析以及其他工程分析等。6.6.4装配模型的使用由装配造型系统创建的装配模型可以以多种方式应用于产品设计。多数装配模型模块允许用户在一个装配体的零件间进行测量或由装配模型生成爆炸视图。爆炸图清晰地显示了一个装配体中所有零件的物理关系，这些视图在描述装配结构时特别有用。装配爆炸视图(IBM公司，CATIA软件)6.6.5装配简化为提高装配体的可处理性，许多系统提供了简化装配的方法。一种解决方法是使用例证，如构造像紧固件这样的通用零件，以用于重复使用，减少信息记录量。另一种方法是将整个装配或子装配组合成一个单独模型，称之为“团聚”或“簇集”

(agglomeration)。此外，可以通过临时忽略那些当时不需要的细节特征来降低模型的复杂程度，而那些被临时忽略的细节特征作为零件的几何模型仍予以保存。第7章自由曲线和自由曲面现代产品设计中，对于诸如飞机、汽车、船舶等具有复杂曲面外形的产品，需要使用自由曲线和自由曲面来描述其几何形状，以满足产品在流体动力性能和造型方面的要求。对一般工业和民用产品而言，由于市场竞争的加剧，在满足功能需要的前提下，以产品的造型为代表的非功能性因素，对消费者购买趋向的影响越来越大。因此，产品设计比以往更注重造型设计，也使自由曲线和自由曲面的应用领域更加广泛。本章概述在自由曲线和曲面的构造中会涉及到曲线、曲面的数学表示以及相关基本术语，了解这些基本概念将有助于深入学习和理解自由曲线和曲面的构造原理与方法。曲线和曲面的数学表示基本术语7.1基本概念7.1.1曲线和曲面的数学表示数学上通常用3种方式表示曲线和曲面：显式表示、隐式表示和参数表示。在对自由曲线和自由曲面的描述中主要采用参数表示。7.1.2基本术语数学上通常用3种方式表示曲线和曲面：显式表示、隐式表示和参数表示。在对自由曲线和自由曲面的描述中主要采用参数表示。点插值逼近光顺拟合7.2自由曲线在曲面造型系统中，曲线构造是曲面构造的基础，它构成了曲面的基本单元——曲面片的边界。工程上把形状比较复杂、不能用二次方程描述的曲线和曲面称为自由曲线和自由曲面。Hermite曲线Bezier曲线B样条曲线7.2.1Hermite曲线大多数CAD系统用三次参数曲线描述自由曲线，这是因为三次参数曲线已足以保证相连曲线的二阶连续。另外，由于高于三次的参数曲线的计算费时，且曲线上任何一点几何信息的变化都可能导致曲线形状发生复杂的变化，因此，工程上一般采用不高于三次的参数曲线。Hermite曲线用给定曲线段的两个端点的位置矢量以及两端点处的切线来描述一条曲线。7.2.2Bezier曲线法国雷诺汽车公司的工程师P.Bezier在20世纪60年代提出了一种在逼近的基础上构造曲线的方法——Bezier曲线，并在此基础上建立了一种自由曲线与曲面的设计系统——UNISURF。Bezier曲线的定义Bezier曲线的数学表达Bezier曲线的性质Bezier曲线的缺点Bezier曲线的合成Bezier曲线的计算实例7.2.3B样条曲线为克服Bezier曲线存在的缺点，1972年Gordon、Rie-senfeld等人用B样条基函数取代Bernstein基函数构造出等距节点的B样条曲线。B样条曲线的数学表达三次B样条曲线三次B样条曲线的性质三次B样条曲线的边界条件和反算拟合三次B样条曲线的特殊处理非均匀有理B样条曲线(NURBS)对于具有复杂外形的产品设计，其曲面造型中需要解决的关键问题是用数学方法来描述所需构造的外形曲面。双线性参数曲面Coons曲面片与双三次参数曲面片Bezier曲面B样条曲面曲面片的连续7.3自由曲面7.3.1双线性参数曲面双线性参数曲面空间双线性参数曲面7.3.2Coons曲面片与双三次参数曲面片S.A.Coons于1964年提出了一种适合于计算机辅助几何设计所用的构造曲面的方法。该方法的基本思想是将曲面分片，然后拼合造型，即把所要描绘的曲面看作由若干个曲面片光滑拼接而成，每个曲面片由4条边界定义，通过叠加修正曲面片产生满足用户需要的曲面。Coons曲面片双三次参数曲面片7.3.3Bezier曲面Bezier曲面是Bezier曲线的拓广。一条Bezier曲线由其特征多边形的顶点控制，而一个Bezier曲面则由其特征多面体的顶点来定义。双三次Bezier曲面7.3.4B样条曲面与Bezier曲面类似，B样条曲面是B样条曲线的拓广。双三次B样条曲面片7.3.5曲面片的连续在对诸如汽车、摩托车、飞机、船舶以及一些造型独特的日常用品进行外形设计时，整个复杂外形一般情况下无法给出全部数据并一次造型完成，通常采用分片构造，最后通过拼接形成一个复杂的外形曲面。因此，分片构造完成的曲面间的连接，在曲面造型中是需要解决的一个重要问题。第8章AutoCAD绘图软件包AutoCAD是由美国Autodesk公司开发的通用计算机辅助绘图与设计软件包，具有易于掌握、使用方便、体系结构开放等特点，深受广大工程技术人员的欢迎。AutoCAD自1982年问世以来，已经进行了十余次升级，从而使其功能逐渐强大，且日趋完善。如今，AutoCAD已广泛应用于机械、建筑、电子、航天、造船、石油化工、土木工程、冶金、农业、气象、纺织、轻工业等领域。在中国，AutoCAD已成为工程设计领域中应用最为广泛的计算机辅助设计软件之一。本章概述本节重点介绍AutoCAD的发展历史、主要功能、AutoCAD2018的工作界面，以及图形文件管理。8.1.1AutoCAD发展历史8.1.2AutoCAD2018的主要功能8.1.3AutoCAD2018工作空间及工作界面8.1.4图形文件管理8.1概

述8.1.1AutoCAD发展历史从1982年发布的第一代版本到今天2018新版，AutoCAD已然走过整整35个年头。8.1.2AutoCAD2018的主要功能二维绘图与编辑功能文字与表格功能尺寸标注功能块与外部参照功能三维绘图与编辑功能观察与渲染三维图形绘图实用工具数据库管理功能

Internet功能图形的输入、输出功能允许用户二次开发8.1.3AutoCAD2018工作空间及工作界面AutoCAD2018的工作空间(又称为工作界面)有草图与注释、三维建模和三维基础3种形式。AutoCAD2018工作界面8.1.3AutoCAD2018工作空间及工作界面AutoCAD2018工作界面由标题栏、菜单栏、多个工具栏、绘图窗口、光标、坐标系图标、模型/布局选项卡、命令窗口(又称为命令行窗口)、状态栏、滚动条和菜单浏览器等组成。8.1.4图形文件管理创建新图形文件打开图形文件保存图形文件关闭图形文件8.2绘图设置及绘图实用工具利用绘图设置和有关的绘图实用工具，可以使AutoCAD用户提高绘图效率与绘图准确性。图层、线型、线宽及颜色样板文件绘图实用工具配置AutoCAD2018绘图环境8.2.1图层、线型、线宽及颜色图层的基本概念管理图层“图层特性管理器”选项板8.2.2样板文件样板文件是扩展名为.dwt的AutoCAD文件。样板文件上通常有与图形绘制有关的一些标准或通用设置，如图层、线型、文字样式、尺寸标注样式等方面的设置。此外，还可以包括一些通用图形对象，如标题栏、图幅框等。利用样板文件创建新图形，可以避免每当绘制新图形时要进行的绘图设置、绘制相同图形对象这样的重复操作，不仅提高了绘图效率，而且还保证了图形的一致性。8.2.3绘图实用工具AutoCAD提供了众多实用工具，利用这些工具可以提高绘图效率与准确性。对象捕捉草图设置正交模式8.2.4配置AutoCAD2018绘图环境设置参数选项设置图形单位设置图形界限设置工作空间“选项”对话框二维绘图二维编辑图案填充、面域与图形信息使用文字与表格标注图形尺寸图形显示控制8.3二维绘图与编辑8.3.1二维绘图任何复杂图形都可以分解成简单的点、线、面等基本图形。为了能够熟练地用AutoCAD绘制各种复杂工程图，必须熟练掌握其基本图形的绘制方法。绘圆弧子菜单8.3.2二维编辑AutoCAD2018的图形编辑功能包括删除、复制、镜像、偏移、阵列、移动、旋转、拉伸、修剪、延伸、打断、倒直角、添加圆角，以及编辑多段线、编辑样条曲线、编辑多线等。“阵列”子菜单8.3.3图案填充、面域与图形信息在绘制和编辑图形时，执行图案填充和面域操作都是为了表达当前图形部分或全部的结构特征。另外，查询图形信息是间接表达图形组成结构及细节的一种方式，用户可以对图形中各点、各线段之间的距离和交角等特性进行详细的查询。图案填充面域信息查询8.3.4使用文字与表格文字对象是AutoCAD图形中很重要的图形元素，是机械制图和工程制图中不可缺少的组成部分。文字样式创建文字对象创建表格对象“文字样式”对话框8.3.5标注图形尺寸尺寸标注是绘图设计中的一项重要内容。因为图形主要用来反映对象的形状，而各部分对象的真实大小和相互之间的位置只有在标注尺寸后才能确定下来。尺寸标注样式标注尺寸8.3.6图形显示控制在AutoCAD2018中，可以使用多种方法来观察绘图窗口中绘制的图形，以便灵活观察图形的整体效果或局部细节。缩放和平移视图使用命名视图使用平铺视口使用ShowMotion利用AutoCAD2018，用户可以创建线框模型、网格模型、曲面模型和实体模型；可以对三维模型进行各种编辑操作，如对实体模型进行