案例：英國(guó)的三叉戟飛機(jī)比美國(guó)的波音747飛機(jī)早開工，卻晚一年完成，其原因就是美國(guó)的747采用了CAD技術(shù)。美國(guó)GM公司汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD技術(shù)，使新型汽車的設(shè)計(jì)周期由5年縮短為3年，新產(chǎn)品的可信度由20﹪提高到60﹪。引入案例

CAD的應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第1頁。2.1CAD概述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign，簡(jiǎn)稱CAD)是指將計(jì)算機(jī)作為主要的技術(shù)手段來生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息與圖形信息，用以進(jìn)行工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)。2.1.1CAD技術(shù)的起源、發(fā)展和應(yīng)用概況CAD技術(shù)是從50年代開始1950年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)成功地研制了—種類似示波器的圖形顯示設(shè)備，1962年美國(guó)麻省理上學(xué)院(M1T)的薩瑟蘭德(I.E.Sutherland)發(fā)表了“SKETCPAD——人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)”一文，這是被世界公認(rèn)的第—篇關(guān)于計(jì)算機(jī)圖形設(shè)計(jì)系統(tǒng)的論文，70年代CAD技術(shù)進(jìn)入早期的實(shí)用階段。80年代，形成了分布式工作站系統(tǒng)。目前，CAD技術(shù)的應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第2頁。2.1.2CAD技術(shù)內(nèi)涵

圖2-1就說明了設(shè)計(jì)過程與CAD過程的關(guān)系。圖2-1

設(shè)計(jì)過程與CAD過程的關(guān)系計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第3頁。2.1.3現(xiàn)代CAD技術(shù)的概念與研究?jī)?nèi)容1．現(xiàn)代CAD技術(shù)的概念2．現(xiàn)代CAD技術(shù)的研究?jī)?nèi)容現(xiàn)代CAD技術(shù)是指在復(fù)雜的大系統(tǒng)環(huán)境下，支持產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理論和方法、設(shè)計(jì)環(huán)境、設(shè)計(jì)工具各相關(guān)技術(shù)的總稱，它們能使設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本和縮短設(shè)計(jì)周期的目的。（1）研究現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法學(xué)（2）研究與設(shè)計(jì)環(huán)境相關(guān)的技術(shù)（3）研究與設(shè)計(jì)工具相關(guān)的技術(shù)（4）智能技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第4頁。2.2CAD系統(tǒng)2.2.1CAD系統(tǒng)的硬件

CAD系統(tǒng)的硬件是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的全部可以感觸到的物理裝置，包括各種規(guī)模和結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備以及輸入輸出設(shè)備等幾個(gè)部分。2.2.2CAD系統(tǒng)的軟件

1．系統(tǒng)軟件2．應(yīng)用軟件圖2-2軟件間的層次關(guān)系計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第5頁。2.2.3CAD系統(tǒng)的形式

從國(guó)內(nèi)外CAD硬件技術(shù)的發(fā)展來看，可以將CAD系統(tǒng)歸納為以下四種形式：1．主機(jī)分時(shí)CAD系統(tǒng)2．小型機(jī)成套CAD系統(tǒng)3．工程工作站CAD系統(tǒng)4．微機(jī)CAD系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第6頁。2.2.4CAD系統(tǒng)的功能(1)決速生成二維圖形的功能；(2)人機(jī)交互的功能；(3)二維幾何形體造型的功能；(4)二、三維圖形轉(zhuǎn)換的功能；(5)三維幾何模型顯示處理的功能：(6)工程圖繪制的功能；(7)三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析和仿真的；(8)物體質(zhì)量特性計(jì)算的功能；(9)有限元法網(wǎng)格自動(dòng)生成的功能；(10)優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能；(11)信息處理和信息管理的功能。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第7頁。2.3CAD系統(tǒng)的圖形處理2.3.1圖形處理基礎(chǔ)（一）圖形的圖素及坐標(biāo)系統(tǒng)1.圖形的基本圖素2.坐標(biāo)系統(tǒng)（1）世界坐標(biāo)系（2）設(shè)備坐標(biāo)系（3）規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第8頁。圖2-4WC、NDC、

DC的轉(zhuǎn)換a)世界坐標(biāo)系b)規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系c)設(shè)備坐標(biāo)系計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第9頁。（二）二維及三維圖形變換（1）基本變換

這里介紹的基本變換是指以坐標(biāo)原點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)的變換。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第10頁。1）比例變換

對(duì)圖形以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心進(jìn)行放大或縮小的坐標(biāo)。隨著a和d的取值不同，可使圖形產(chǎn)生不同的比例變換，如圖2-5所示。圖2-5圖形的各種比例變換計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第11頁。2）壓縮變換

將二維圖形壓縮到某坐標(biāo)軸或者坐標(biāo)原點(diǎn)的變換。將圖形壓縮到x坐標(biāo)軸上，變換矩陣為將圖形壓縮到y(tǒng)坐標(biāo)軸上，變換矩陣為將圖形壓縮到坐標(biāo)原點(diǎn)，變換矩陣為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第12頁。3）對(duì)稱變換

圖形以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心對(duì)稱于坐標(biāo)原點(diǎn)或某一條軸線的變換計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第13頁。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第14頁。圖2-7點(diǎn)繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第15頁。例2-1：使圖2-8中的三角形ABC（用虛線表示）繞坐標(biāo)原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)300。圖2-8

圖像繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第16頁。圖2-9圖形的各種錯(cuò)切變換a)沿x方向錯(cuò)切b)沿y方向錯(cuò)切c)沿xy方向錯(cuò)切計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第17頁。6）齊次坐標(biāo)與平移變換齊次坐標(biāo)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第18頁。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第19頁。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第20頁。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第21頁。圖2-11二維圖形變換計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第22頁。3．三維圖形的幾何變換三維圖形變換的組合變換，可以對(duì)立體順序施行多個(gè)基本變換來實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的變換。請(qǐng)參考二維圖形的，這里不再贅述。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第23頁。2.3.2圖形的顯示與輸出處理用戶定義的形體要經(jīng)過一系列的變換才能在屏幕上正確地顯示出來，其顯示流程如圖2-12所示。世界坐標(biāo)系的三維變換投影對(duì)窗口的裁剪窗口至視圖區(qū)變換顯示或繪圖圖2-12圖形的顯示流程1．窗口-視圖區(qū)變換在圖形上指定要進(jìn)行顯示的部分稱為窗口；而將在顯示屏上所限定的進(jìn)行顯示的區(qū)域稱為視區(qū)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第24頁。圖2-13窗口與視圖（1）視圖區(qū)變換計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第25頁。（2）窗口—視圖區(qū)變換在實(shí)際的圖形處理中，往往要求把屏幕定義成不同的區(qū)域，分別顯示不同類別的內(nèi)容，這時(shí)就要采用視圖區(qū)變換。在圖2-14中，把屏幕分成了三個(gè)視圖區(qū)，區(qū)1顯示各類圖形，區(qū)2顯示各種命令菜單，區(qū)3顯示各種臨時(shí)信息。圖2-14同時(shí)定義的三個(gè)視圖區(qū)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第26頁。圖2-15窗口-視圖區(qū)變換計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第27頁。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第28頁。2．圖形的裁剪裁剪實(shí)際上是從數(shù)據(jù)集合中區(qū)分信息的過程。(1)二維線段裁剪從圖2-16可以看出，不同位置的線段被窗口邊界分成一段或幾段，但其中只有一段落在窗口內(nèi)。裁剪算法就是要找出落在窗口內(nèi)線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)。常用的算法有矢量裁剪法、編碼裁剪法和中點(diǎn)分割法等．這里簡(jiǎn)單介紹編碼裁剪法算法。圖2-16窗口-視圖區(qū)變換計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第29頁。編碼裁剪法就是著名的Cohen-Sutherland算法。該算法基于下述考慮：每一線段或者整個(gè)位于窗口的內(nèi)部，或者能夠被窗口分割而使其中的一部分能很快地被舍棄。在具體實(shí)現(xiàn)該算法時(shí)，需把窗口邊界延長(zhǎng)，把平面劃分成9個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)用4位二進(jìn)制代碼表示，如圖2-17所示。線段的兩個(gè)端點(diǎn)按其所在區(qū)域賦予對(duì)應(yīng)的代碼，4位代碼的意義如下（從右到左）：圖2-17分區(qū)代碼計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第30頁。第一位：如果端點(diǎn)在窗口左邊界的左側(cè)則為1，否則為0第二位：如果端點(diǎn)在窗口右邊界的右側(cè)則為1，否則為0第三位：如果端點(diǎn)在窗口下邊界的下側(cè)則為1，否則為0第二位：如果端點(diǎn)在窗口上邊界的上側(cè)則為1，否則為0由上述編碼規(guī)則可知，如果兩個(gè)端點(diǎn)的編碼都為“0000”，則線段全部位于窗口內(nèi)，如果兩個(gè)端點(diǎn)編碼的位邏輯乘不為0，則整線段必位于窗口外。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第31頁。如果線段不能右上述兩種測(cè)試決定，則必須把線段再分割。簡(jiǎn)單的分割方法是計(jì)算出線段與窗口某邊界（或邊界的延長(zhǎng)線）的交點(diǎn)，再用上述兩種條件判別分割后的兩條線段，從而舍棄位于窗口外的一段。如用編碼裁剪算法對(duì)AB線段裁剪，可以再C點(diǎn)分割，對(duì)AC、CB進(jìn)行判別，舍棄AC，再分割CB于D點(diǎn)，對(duì)CD、DB作判別，舍棄CD，而DB全部位于窗口內(nèi)，算法即告結(jié)束。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第32頁。2.3.3真實(shí)感圖形生成原理真實(shí)感圖形生成是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它指的是由計(jì)算機(jī)構(gòu)成物體模型后．在屏幕上產(chǎn)生該物體的圖形，看起來與真實(shí)的物體是一樣的。用計(jì)算機(jī)生成真實(shí)感圖形要解決下列技術(shù)問題：(1)場(chǎng)景造型(2)投影變換(3)消隱(4)光照模型(5)畫面繪制(6)透明、陰影、表面紋理的模擬。(7)圖形反混淆技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第33頁。1．消隱技術(shù)隱藏線、隱藏面的消除就是確定對(duì)指定位置的觀察看來說，景物中哪些形體、面、邊是可見的，或不可見的。為了使計(jì)算機(jī)生成的圖形能真實(shí)反映形體，必須把隱藏的部分從圖中消除。如果不把隱藏的線、面消除，就可能發(fā)生對(duì)圖的錯(cuò)誤理解。例如圖2-18a是末消除隱藏線的，它既可理解成團(tuán)2-18b也可理解為圖2-18c。圖2-18對(duì)未消隱形體的兩種理解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第34頁。(1)消隱處理的實(shí)質(zhì)與算法選擇Roberts消隱算法實(shí)現(xiàn)Roberts算法的基本步驟為：①分別對(duì)每一多面體進(jìn)行分析，消去被多面體自身擋住的棱邊——自隱藏邊；②將上步檢查余下的形體的各條非自隱藏邊分別與其他形體進(jìn)行比較，判別出其被遮擋的部分；③確定互為貫穿形體的相貫線，并判別可見性。(3)隱藏面消除算法計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第35頁。2.4工程數(shù)據(jù)的處理2.4.1數(shù)據(jù)表格的程序處理根據(jù)數(shù)表來源的不同，又可分為兩種情況：(1)數(shù)表本來就有精確的理論計(jì)算公式或經(jīng)驗(yàn)公式，僅僅是為了便于手工計(jì)算，才把這些公式以數(shù)表的形式給出。例如齒輪的齒形系數(shù)、特定條件下單根三角膠帶所能傳遞的功率、軸的應(yīng)力集中系數(shù)等數(shù)表。對(duì)于這類數(shù)表，可以直接采用理論計(jì)算公式或經(jīng)驗(yàn)公式編制檢取有關(guān)數(shù)據(jù)的程序。(2)數(shù)表中的數(shù)據(jù)，彼此之間不存在一定的函數(shù)關(guān)系或是由實(shí)驗(yàn)獲得的。例如各種材料的機(jī)械性能、齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列、三角帶輪計(jì)算直徑系列、各種材料的密度等。這一類數(shù)表可采用數(shù)組形式．結(jié)合插值進(jìn)行查取，也可以求其經(jīng)驗(yàn)公式，然后編入程序。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第36頁。1．一維數(shù)表一維數(shù)表是最簡(jiǎn)單的一種數(shù)表，其數(shù)據(jù)在程序化時(shí)可用一維數(shù)組來存取，例如將三角膠帶傳動(dòng)的彎曲影響系數(shù)kw制成表2-2。變量名OABCDEii012345kwKw（i）0.391.032.657.526.649.8用C語言數(shù)組表示如下：inti;floatkw[6]={0.39e-3,1.03e-3,2.65e-3,7.50e-3,26.6e-3,49.8e-3};計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第37頁。2．二維數(shù)表二維數(shù)表有兩個(gè)變量，在設(shè)計(jì)資料中比較常見。例如齒輪傳動(dòng)的工況系數(shù)、滾動(dòng)軸承的規(guī)格、各種螺釘?shù)囊?guī)格等?，F(xiàn)以齒輪傳動(dòng)的工況系數(shù)為例，如表2-3所示。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第38頁。3．多維數(shù)表變量個(gè)數(shù)大于2的數(shù)表就是多維數(shù)表、工程手冊(cè)中以三維數(shù)表為多。例如漸開線圓柱齒輪公差的查取，取決于齒輪直徑、法向模數(shù)和精度等級(jí)三個(gè)變量，是一個(gè)三維查表問題。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第39頁。2.4.2線圖的程序處理在設(shè)計(jì)資料中，有些參數(shù)之間具有的函數(shù)關(guān)系是用線圖來表示的，如螺旋角系數(shù)Zβ、齒形系數(shù).三角膠帶傳動(dòng)的選型圖等等。根據(jù)來源不同，線圖可以分為三類。（1）線圖所表示的各參數(shù)之間本來就有計(jì)算公式，只是由于計(jì)算公式復(fù)雜，為便于手工計(jì)算將公式繪成線圖，以供設(shè)計(jì)時(shí)查用。（2）線圖所表示的各參數(shù)之間沒有或找不到計(jì)算公式。（3）在實(shí)際的工程問題中，時(shí)常需要用一定的數(shù)學(xué)方法將一系列測(cè)試數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合成近似的經(jīng)驗(yàn)公式。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD全文共43頁，當(dāng)前為第40頁。2.5數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用2.5.1歷史回顧及發(fā)展動(dòng)態(tài)自從IBM公司于20世紀(jì)60年代末開發(fā)出第一個(gè)數(shù)據(jù)庫