1、第三章第三章 計算機輔助產品設計計算機輔助產品設計教學目的：教學目的：1 了解了解CAD的設計過程、輔助概念設計的設計過程、輔助概念設計2 掌握掌握CAD的參數化設計、模塊化設計的參數化設計、模塊化設計3 掌握可視化技術的圖形變換掌握可視化技術的圖形變換機電系-機械教研室一一 計算機輔助設計過程概述計算機輔助設計過程概述1 設計：設計：根據產品和生活的需要，通過思維、規劃、分析和決策過 程，最終把設想變為現實的技術方案。 設計的本質：設計的本質：創新 設計的目的：設計的目的：尋求滿足用戶需求的最佳方案。2 設計方法學：設計方法學：研究產品設計規律和方法的一門學科。 設計方法：設計方法：理論分析

2、 數值求解 性能仿真 現代設計方法學現代設計方法學：輔助設計、優化設計、有限元分析、可靠性設計。3 計算機輔助設計：計算機輔助設計：利用計算機為主要技術手段，對產品整個過程中 的信息進行分析和處理，生成和運用各種數學信息和圖形信息進行產品的設計。機電系-機械教研室4 產品設計過程產品設計過程任務規劃階段概念設計階段結構設計階段詳細設計階段定型生產階段機電系-機械教研室5 設計任務分類：設計任務分類： 功能設計 布局設計 參數設計 公差設計 設計類型：設計類型：新設計 、適應性設計 、 參數化設計。機電系-機械教研室二二 計算機輔助概念設計計算機輔助概念設計1 內涵內涵 概念產品：概念產品：對設

3、計目標的第一次結構化的、基本的、粗略的但卻是全面的展示。（設計自由度大、最復雜、最重要、最有決定意義） 概念設計完成6070%的產品設計，占2030%的成本和時間。2 概念設計的關鍵技術概念設計的關鍵技術 原理方案設計技術 概念設計建模技術 設計創新技術 并行和協同概念設計技術3 基于知識的產品創新方案基于知識的產品創新方案 知識手冊、技能、經驗、原理、規范等已有知識。 知識工程（KE）機電系-機械教研室 產品設計分類與創新分類： 漸進性產品創新 根本性產品創新 基于功能分解與重組的創新方法 步驟：功能分類、功能分析、功能綜合、功能評價4 產品概念設計中的美學設計產品概念設計中的美學設計 適應

4、使用者的美學感覺美學感覺、人體工程人體工程設計。 方案：考慮產品的造型造型、質感質感、色彩色彩等 色彩渲染、光照處理等技術。機電系-機械教研室三三 參數化和模塊化設計參數化和模塊化設計 探索以繼承為基礎的快速設計方法、原理和規范。1 概念概念 參數化設計：參數化設計：設計圖形拓撲關系不變，尺寸形狀由一組參數進行約束，參數與圖形的控制尺寸顯式對應，即不同參數值驅動產生不同大小的幾何圖形。 變量化設計：變量化設計：設計圖形包括拓撲關系，設計結果受到一組約束方程的控制和驅動，其圖形修改的自由度不僅是尺寸形狀參數。 模塊化設計：模塊化設計：在對產品功能分析的基礎上，劃分并設計一系列相對通用的功能模塊模

5、塊。通過功能模塊的選擇與組合選擇與組合可構成不同功能或相同功能不同性能、不同規格的產品。 文獻：機電系-機械教研室尺寸驅動拓撲排列變化機電系-機械教研室2 參數化設計實現方法參數化設計實現方法 建立模型過程中，直接將參數序列定義其中。 繪制草圖，然后再加約束、定義參數。 對定型、常用的產品圖形，將模型建成參數化圖素。 3 變量化設計實現原理變量化設計實現原理 整體求解法 局部求解法 幾何推理法 輔助線求解法 見參數化繪圖視頻機電系-機械教研室4 模塊化設計方法模塊化設計方法模塊化分類： 新產品的模塊化設計 變型產品的模塊化設計 現有產品的模塊化設計橫系列模塊化設計縱系列模塊化設計跨系列模塊化設

6、計模塊化設計過程：見p56模塊化設計的關鍵： 市場調研與分析 模塊的劃分 模塊標準化 擬定產品系列型譜 模塊的管理機電系-機械教研室四四 可視化技術可視化技術 將產品的結構信息、科學計算、實驗數據等表現為人的視覺可以感受的計算機圖像。 包括：圖形生成技術與算法、圖像變換技術、真實感圖形顯示技術、科學計算的可視化技術、虛擬現實技術等。1 圖形生成技術與算法圖形生成技術與算法 基于圖像設備的基本圖像元素生成。 自由曲線生成。 圖像元素的求交及集合運算。 不同字體（中西文）及矢量字符生成。線條：DDA法、Bresenham算法填充：多邊形填充、種子填充插值法、曲線擬合法（曲線曲面拼接、分解、過度、光

7、順、修改等）交、并、差等集合運算點陣字符、圖形實體字符、輪廓字型法等機電系-機械教研室2 圖形變換技術圖形變換技術1）窗口、視區變換）窗口、視區變換 結論：結論：視區不變，窗口放大或縮小時，顯示的圖形會有伸縮變化。 窗口不變，視區放大或縮小時，顯示的圖形會有伸縮變化。 視區縱橫比不等于窗口縱橫比時，顯示的圖形會有伸縮變化。 窗口與視區大小相同，坐標原點也相同時，顯示的圖形不變。變換公式變換公式334) 34)(3(112) 12)(1(VWWVVWYYVWWVVWXXRERE機電系-機械教研室2）二維圖形的幾何變換）二維圖形的幾何變換 P=P*M M變換矩陣，3*3階smlqdcpbaM=各元

8、素取值不同，實現不同的圖形變換，其中：左上角的4個元素（a、b、c、d）實現比例變換、對稱變換、旋轉變換、錯切變換等;右上角的2個元素（p、q）實現透視變換;左下角的2個元素（l、m）實現平移變換;右下角的1個元索（s）實現全圖的等比例變換。 結論：圖形的主要工作就是求解實現所要求的圖形變換的變換矩陣M。 機電系-機械教研室機電系-機械教研室機電系-機械教研室機電系-機械教研室 復合變換復合變換 例：二維組合變換機電系-機械教研室10100011NMT1000cossin0sincos2aaaaT10100013NMT1cossinsincos0cossin0sincos321NaNaMMaN

9、aMaaaaTTTT1將三角形連平移至坐標原點。是圖形基本變換中的平移變換。變換矩陣為：2按要求將三角形旋轉。顯然此變換是圖形旋轉的基本變換，變換矩陣寫為：3旋轉后的三角形向回平移，使點A回到初始位置。變換矩陣可寫為：三步基本變換的綜合結果是三角形繞點A逆時針旋轉了一個角度，其組合變換矩陣為機電系-機械教研室3）三維圖形的幾何變換）三維圖形的幾何變換 M為為4*4階矩陣階矩陣snmlrihgqfedpcbaT各元素取值不同，實現不同的圖形變換，其中：左上角的9個元素（a、b、c、d、e、f、g、h、i）實現比例變換、對稱變換、旋轉變換、錯切變換和正投影變換等；右3個元素（p、q、r）實現透視變

10、換；左下角的3個元素（l、m、n）實現平移變換；右下角的1個元素（s）實現全圖的等比例變換。 機電系-機械教研室4）三視圖的形成）三視圖的形成機電系-機械教研室主視圖：Y坐標比例因子取零。10000100000000110001000010000110000)90cos()90sin(00)90sin()90cos(000011000010000000001ddTH左視圖：X坐標比例因子取零，繞z軸旋轉90,沿x向平移。1000001001000001000100001000011000090cos090sin0010090sin090cos1000010000100000ddTW俯視圖：Z坐

11、標比例因子取零，繞X軸旋轉90,沿Z向平移。機電系-機械教研室3 真實感圖形顯示技術真實感圖形顯示技術處理技術：軸測圖、透視圖、消隱技術、光照技術、材質處理等。1）軸測圖）軸測圖 物體 繞Y軸轉角 繞X軸轉角 向XOY平面投影一般：正等軸測投影 =45 =35.27 正二等軸測投影 =22 =20. 7 2）透視圖）透視圖 以中心投影法繪制的具有深度感的圖形就是透視圖。 分為：一點透視、兩點透視、三點透視機電系-機械教研室機電系-機械教研室3）消隱技術）消隱技術 關鍵：判斷線、面的遮擋，可見與否的檢驗。 方法：重疊性檢查、包含性檢查、深度檢查、可見性檢查。4）光照處理技術）光照處理技術 光照射到物體表面：一部分被吸收，一部分被反射（折射）。5）陰影）陰影 從視點看上去可見的，但從光源看上去不可見的表面位于陰影內。機電系-機械教研室4 數據可視化技術數據可視化技術 定義：定義：運用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。 發展：發展：計算數據可視化 工程數據、測量數據可視化 信息可視化機電系-機械教研室5 虛擬現實技術虛擬現實技術定義：定義：虛擬現實（Virtual