第1章CAD/CAM概述第2章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）第3章計(jì)算機(jī)輔助工程分析（CAE）目錄第4章計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP）第5章計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）第6章CAD/CAM技術(shù)的集成與發(fā)展1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/2024計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）第2章2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.1CAD的基本功能12343計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/2024西安文理學(xué)院2.1.1CAD的基本技術(shù)4計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.1.2CAD的關(guān)鍵技術(shù)5計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.1.3CAD技術(shù)帶來的收益6計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2圖形生成技術(shù)12347計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.1平面圖形生成技術(shù)8計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.1平面圖形生成技術(shù)9計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.1平面圖形生成技術(shù)用于任意復(fù)雜的閉合邊界的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行填充。在任意不間斷區(qū)域中只取一個(gè)種子像素進(jìn)行掃描填充。10計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.1平面圖形生成技術(shù)使用二進(jìn)制矩陣進(jìn)行著色來顯示字符。采用直線或Bezier曲線的集合來顯示字符。根據(jù)編碼方式對(duì)應(yīng)的字符庫中的字符樣式顯示。11計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/2024顯式表示隱式表示參數(shù)表示2.2.1平面圖形生成技術(shù)Bezier曲線曲面B樣條曲線曲面NURBS曲線曲面12計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.2二維圖形變換技術(shù)1.圖形的基本要素及表示方法：點(diǎn)二維：三維：2.齊次坐標(biāo)變換（原點(diǎn)集）×變換矩陣=（新點(diǎn)集）齊次坐標(biāo)表示法，就是用n+1維向量表示一個(gè)n維向量。13計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.2二維圖形變換技術(shù)2.二維圖形幾何變換：對(duì)圖形進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱、錯(cuò)切等變換；：對(duì)圖形進(jìn)行平移變換；：對(duì)圖形作投影變換；：對(duì)圖形作伸縮變換。*T=14計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.2二維圖形變換技術(shù)15計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.2二維圖形變換技術(shù)16計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.2二維圖形變換技術(shù)組合變換17計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.3三維圖形變換技術(shù)1.三維圖形幾何變換對(duì)圖形進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、對(duì)稱、錯(cuò)切等變換；對(duì)圖形進(jìn)行平移變換；對(duì)圖形作投影變換；對(duì)圖形作整體比例變換。*T3D=三維圖形典型變換矩陣見表2.2.2.18計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.3三維圖形變換技術(shù)2.投影變換19計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.3三維圖形變換技術(shù)透視投影變換20計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)1.坐標(biāo)系規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系是右手定則直角坐標(biāo)系，用來定義視圖區(qū)，是與具體設(shè)備無關(guān)的規(guī)格化的設(shè)備坐標(biāo)系。用戶在定義一個(gè)圖形時(shí)，用來描述圖形中各元素的位置、形狀和大小的坐標(biāo)系。圖形輸出設(shè)備（如顯示器、繪圖機(jī)等）自身具有的坐標(biāo)設(shè)備坐標(biāo)系。一是用于指定裁剪空間，即確定物體要顯示輸出的部分；二是用于通過在觀察坐標(biāo)系中定義觀察平面，把三維物體的用戶坐標(biāo)系變換為規(guī)格化設(shè)備坐標(biāo)系。21計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)2.圖形輸出窗口是在用戶坐標(biāo)系中定義，用以確定顯示內(nèi)容的一個(gè)矩形區(qū)域。視區(qū)是用戶用設(shè)備坐標(biāo)系在屏幕上定義的一個(gè)小于或等于屏幕的區(qū)域。22計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)窗口和視區(qū)的坐標(biāo)變換23計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)窗口和視區(qū)的變換關(guān)系a.視圖區(qū)大小不變，窗口區(qū)縮小或放大時(shí)，所顯示的圖形會(huì)相反地放大或縮??；b.窗口區(qū)大小不變，視圖區(qū)縮小或放大時(shí)，所顯示的圖形會(huì)相應(yīng)地放大或縮??；c.窗口區(qū)與視圖區(qū)大小相同時(shí)，所顯示圖形大小比例不變；d.視圖區(qū)縱橫比不等于窗口區(qū)縱橫比時(shí)，顯示的圖形會(huì)有X、Y方向的伸縮變化。

改變視圖區(qū)的位置，可使畫面在顯示設(shè)備的不同位置出現(xiàn)；改變視圖區(qū)的大小，可是所顯示畫面成比例地改變尺寸；改變窗口的大小，可產(chǎn)生變焦距（又稱為縮放）效果：窗口變小時(shí)，可以觀察到物體的細(xì)節(jié)；窗口變大時(shí)，物體相對(duì)變小，可觀察到景物的全貌；如果窗口的大小不變只改變其位置，是窗口掃過要觀察的物體，則可產(chǎn)生掃視的效果。24計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪點(diǎn)的裁剪若等式成立說明點(diǎn)P（x,y）,在窗口內(nèi)，否則點(diǎn)在窗口外。25計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪線的裁剪Cohen-Sutherland裁剪算法的基本思想是：對(duì)于線段P1P2分為三種情況處理。a.若P1P2完全在窗口內(nèi)，則顯示線段P1P2,即“取”該線段；b.若P1P2明顯在窗口外，則丟棄該線段；c.若線段P1P2不滿足上述兩條件，則把線段P1P2分為兩部分，其中一段完全在窗口外，丟棄該線段，然后對(duì)另一段重復(fù)上述處理。26計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪四位編碼中每位（按由右向左順序）編碼的意義如下：

第一位，點(diǎn)在窗口上邊界線之上為1，否則為0；第二位，點(diǎn)在窗口下邊界線之下為1，否則為0；第三位，點(diǎn)在窗口右邊界線之右為1，否則為0；第四位，點(diǎn)在窗口左邊界線之左為1，否則為0。上述編碼規(guī)則可知：a.如果兩個(gè)端點(diǎn)的編碼均為0000”，則線段全部位于窗口內(nèi)；b.如果兩個(gè)端點(diǎn)編碼的位邏輯乘不為零，則整條線段必位于窗口外；c.如果不滿足上述兩個(gè)條件，則必須在分割線段計(jì)算出線段與窗口某一邊界的交點(diǎn)，再利用上述兩個(gè)條件判別分割后的兩條線段。27計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪線段P1P2的端點(diǎn)P1的編碼不為零，但codeP1&codeP2=0,因此該直線屬于第三種情況。由codeP1=0001知，P1在窗口左邊。計(jì)算線段與窗口左邊界交點(diǎn)P0，則P1P0必在窗口外，舍棄之。對(duì)線段P0P2重復(fù)上述操作，由于P2的編碼codeP2=0000，說明P2在窗口內(nèi)，則剩下線段P0P2位于窗口內(nèi)。28計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.2.4圖形裁剪技術(shù)3.圖元裁剪多邊形的裁剪Sutherland-Hodgman（S-H）算法的思路是：將多邊形的各邊先相對(duì)于窗口的某一條邊界進(jìn)行裁剪，然后將裁剪結(jié)果再與另一條邊界進(jìn)行裁剪，如此重復(fù)多次，便可得到最終結(jié)果。29計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3三維建模技術(shù)

機(jī)械產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)建模是CAD/CAM系統(tǒng)的核心技術(shù)，也是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新的過程。機(jī)械產(chǎn)品建模流程如下圖：30計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.1CAD/CAM建?；局R(shí)以數(shù)字形式表示的存在于三維空間中要素的位置和形狀，按其幾何特征可以抽象地分為點(diǎn)、線、面、體四種類型。拓?fù)湫畔⑹欠从钞a(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各圖形元素的數(shù)量及其相互間的連接關(guān)系。制圖語言是指除圖形信息和拓?fù)湫畔⑼獾钠渌菐缀涡畔ⅲ◣缀纬叽?、形位公差、表面粗糙度、技術(shù)要求等的物理屬性和工藝屬性。31計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)1.線框建模原理線框模型（WireFrameMode）是利用棱邊和頂點(diǎn)來表示形體結(jié)構(gòu)。由于線框模型僅包含形體的棱邊和頂點(diǎn)信息，因而可用棱邊表和頂點(diǎn)表兩表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型組織和描述。32計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)線框建模模型33計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)2.平面建模原理平面建模是根據(jù)形體表面為平面構(gòu)成特征，可將幾何形體分為平面體以描述平面體結(jié)構(gòu)。三維幾何模型通過表面、棱邊及頂點(diǎn)信息來構(gòu)建形體的三維數(shù)據(jù)模型。34計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)平面建模模型35計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)3.曲面建模曲面建模是由規(guī)則曲線或系列參數(shù)曲面片通過拼接、裁剪、光順處理而構(gòu)建的三維模型。36計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)4.實(shí)體建模

實(shí)體模型（SolidModel）是通過一系列基本體素，如矩形體、圓柱體、球體以及掃描體、旋轉(zhuǎn)體、拉伸體等，經(jīng)布爾運(yùn)算構(gòu)建的任意復(fù)雜形體的幾何模型。實(shí)集模型的構(gòu)建包括兩方面內(nèi)容：一是基本體的定義；二是布爾運(yùn)算。（1）參數(shù)體素法是通過少量幾個(gè)參數(shù)對(duì)一些簡單基本體素進(jìn)行定義。37計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)（2）掃描體法是通過二維封閉平面沿給定的軌跡掃描來生成實(shí)體模型中的基本體。38計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.2幾何建模技術(shù)（3）布爾運(yùn)算是在基本體定義后，將兩個(gè)或多個(gè)基本體經(jīng)并、交、差進(jìn)行運(yùn)算后，便可構(gòu)建各種不同的形體。39計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.3特征建模

特征建模是在實(shí)體幾何模型基礎(chǔ)上，抽取作為結(jié)構(gòu)功能要素的“特征”，以對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行更為豐富的描述和操作，彌補(bǔ)實(shí)體建模不足的一種新建模方法。所謂特征是從工程對(duì)象中高度概括和抽象出來的功能要素，包含了豐富的工程語義，不同的產(chǎn)品生產(chǎn)階段有著不同的特征定義，如產(chǎn)品的功能特征、形狀特征、加工特征、工藝特征、裝配特征等。40計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.3特征建模形狀特征能反映零件的特征功能，能夠提取零件形體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)、邊、面、體等幾何信息和拓?fù)湫畔?。為技術(shù)分析、性能試驗(yàn)、應(yīng)用操作提供相關(guān)信息，包括設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)約束、外觀要求、運(yùn)行工況、作用載荷等。用于描述與零件材料及熱處理要求的相關(guān)信息，包括零件材料牌號(hào)、性能、硬度、熱處理要求、表面處理、檢驗(yàn)方式等。用于描述零件公稱幾何形狀的允許范圍，是檢驗(yàn)零件質(zhì)量的主要依據(jù)，包括尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等。用于描述零件在裝配過程中的相關(guān)信息，包括位置關(guān)系、配合關(guān)系、連接關(guān)系、裝配尺寸、裝配技術(shù)要求等。用于描述與管理有關(guān)的零件信息，包括零件名、零件圖號(hào)、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期、零件材料、件數(shù)量等等。1.特征分類41計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.3特征建模2.特征間的關(guān)系鄰接關(guān)系反映形狀特征的凸臺(tái)和凹槽相互位置關(guān)系，是特征的一種外部約束，主要表現(xiàn)為形狀特征的面貼合。從屬關(guān)系反映形狀特征之間存在的主從關(guān)系，其依賴于主特征而存在。這些輔助特征與軸段主特征之間保持一種從屬關(guān)系。表示某些形狀特征在空間位置上是按照特定形式排列，如孔特征的圓周分布、陣列分布等。反映某特征與另一特征之間作為關(guān)聯(lián)屬性存在著引用的聯(lián)系，這種引用聯(lián)系主要存在于形狀特征對(duì)精度特征、材料特征等特征的引用。42計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.3特征建模3.特征建模的基本步驟43計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.4裝配建模技術(shù)1.裝配模型信息裝配模型是包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成、組件幾何結(jié)構(gòu)以及各組成零件之間相互連接、配合、約束等裝配關(guān)系的產(chǎn)品模型。它全面表達(dá)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成和裝配體的裝配關(guān)系，能完整、準(zhǔn)確地傳遞裝配體的設(shè)計(jì)參數(shù)、裝配層次和裝配配合等信息。一是產(chǎn)品實(shí)體結(jié)構(gòu)信息，即產(chǎn)品所包含的零部件幾何結(jié)構(gòu)信息；二是產(chǎn)品各組成件間的相互關(guān)系信息，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系和裝配關(guān)系等。44計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.4裝配建模技術(shù)2.裝配關(guān)系產(chǎn)品的裝配關(guān)系是反映產(chǎn)品零部件間的相對(duì)位置的連接關(guān)系和相互配合的約束關(guān)系。產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系是裝配建模的重要基礎(chǔ)。45計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.4裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式1）自下而上的建模方式自下而上（BottomUp）的裝配建模是一種傳統(tǒng)裝配設(shè)計(jì)方法。先設(shè)計(jì)產(chǎn)品的零部件，然后再設(shè)計(jì)定義零部件間的裝配關(guān)系，最終創(chuàng)建完成產(chǎn)品的裝配模型。若在裝配過程中發(fā)現(xiàn)事先設(shè)計(jì)的零部件不能滿足裝配要求，則需要修改零部件的設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，如此反復(fù)，直至滿足裝配要求為此。46計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.4裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式設(shè)計(jì)快速高效；更加專注于產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)，而不是獨(dú)立的零件細(xì)節(jié)；減少由于人為的疏忽造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；零件之間具有關(guān)聯(lián)性，參考的實(shí)體變換時(shí)將自動(dòng)完成其他參考零件的修改。由于事先沒有一個(gè)很好的裝配規(guī)劃和全局考慮，在零部件設(shè)計(jì)時(shí)如未能考慮其他零部件的影響，裝配過程極易產(chǎn)生不滿足裝配要求等問題。例如：由于零部件間存在干涉而導(dǎo)致無法裝配，從而需要對(duì)零部件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，然后再裝配。因此，這種建模方法反復(fù)工作多，建模效率較低。47計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.4裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式2）自上而下的建模方式自上而下（TopDown）的裝配建模，首先是設(shè)計(jì)好滿足功能要求的產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)方案，繪制產(chǎn)品裝配草圖，確定產(chǎn)品各組成零件之間的裝配和約束關(guān)系，完成裝配層次的概念設(shè)計(jì)，并根據(jù)裝配關(guān)系把產(chǎn)品分解成若干零部件，然后在總裝配關(guān)系的約束下，完成零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。48計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.3.4裝配建模技術(shù)3.裝配建模方式設(shè)計(jì)快速高效；更加專注于產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)，而不是獨(dú)立的零件細(xì)節(jié)；減少由于人為的疏忽造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；零件之間具有關(guān)聯(lián)性，參考的實(shí)體變換時(shí)將自動(dòng)完成其他參考零件的修改。在大型系統(tǒng)建模時(shí)缺乏對(duì)謝姐的考慮，各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)看法難度較大。49計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4真實(shí)感顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)2.4.1圖形消隱技術(shù)1.消隱概念消隱是在繪制時(shí)消除被遮擋的不可見的線或面，習(xí)慣上稱做消除隱藏線和隱藏面，經(jīng)過消隱得到的投影圖稱為物體的真實(shí)圖形。50計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.1圖形消隱技術(shù)2.消隱的分類51計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.1圖形消隱技術(shù)3.常見的消隱算法52計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.2顏色與紋理1.顏色

要產(chǎn)生具有高度真實(shí)感的圖形，顏色是最重要的部分。顏色是外來的光刺激作用于人的視覺器官而產(chǎn)生的主觀感覺。因面，物體的顏色不僅取決于物體的本身，還與光源、周圍環(huán)境的顏色以及觀察者的視覺系統(tǒng)等有關(guān)。53計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.2顏色與紋理2.紋理紋理一般是指物體表面的花紋或紋理即使物體表面呈現(xiàn)凹凸不平的溝紋，同時(shí)也包括在物體的光滑表面上的花紋或圖案。紋理映射，又稱紋理貼圖，是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程。簡單來說，就是把一幅圖像貼到三維物體的表面上來增強(qiáng)真實(shí)感，可以和光照計(jì)算、圖像混合等技術(shù)結(jié)合起來形成許多非常漂亮的效果54計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.3光照處理當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，光線可能被吸收、反射和透射。被物體吸收的部分轉(zhuǎn)化為熱，被反射、透射的光進(jìn)入人的視覺系統(tǒng)，使人們能看見物體。為模擬這一現(xiàn)象，將建立一些數(shù)學(xué)模型來替代復(fù)雜的物理模型，這些模型稱為明暗效應(yīng)模型或光照模型。三維形體的圖形經(jīng)過消隱后，再進(jìn)行明暗效應(yīng)的處理，可以進(jìn)一步提高圖形的真實(shí)感。55計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.3光照處理1.光照顯示當(dāng)光源來自一個(gè)方向時(shí)，漫反射光均勻向各方向傳播，與視點(diǎn)無關(guān)，它是由表面的粗糙不平引起的，因而漫反射光的空間分布是均勻的。根據(jù)Lambert余弦定律，漫反射光強(qiáng)為：56計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.3光照處理1.光照顯示對(duì)于有些物體（如擦亮的金屬、光滑的塑料等）是不適用的，原因是這些物體還會(huì)產(chǎn)生鏡面反射。對(duì)于理想鏡面，反射光集中在一個(gè)方向，并遵守反射定律。對(duì)一般的光滑表面，反射光集中在一個(gè)范圍內(nèi)，且由反射定律決定的反射方向光強(qiáng)最大。因此，對(duì)于同一點(diǎn)來說，從不同位置所觀察到的鏡面反射光強(qiáng)是不同的。鏡面反射光強(qiáng)可表示為：57計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)5/9/20242.4.3光照處理2.陰影形成

陰影是現(xiàn)實(shí)生活中一個(gè)很常見的光照現(xiàn)象，是由于光源被物體遮擋而在該物體后面產(chǎn)生的較暗的區(qū)域。在真實(shí)感圖形中，通過陰影可以