1、第三章 计算机辅助产品设计,教学目的：1 了解CAD的设计过程、辅助概念设计2 掌握CAD的参数化设计、模块化设计3 掌握可视化技术的图形变换,机电系-机械教研室,一 计算机辅助设计过程概述,1 设计：根据产品和生活的需要，通过思维、规划、分析和决策过 程，最终把设想变为现实的技术方案。 设计的本质：创新 设计的目的：寻求满足用户需求的最佳方案。2 设计方法学：研究产品设计规律和方法的一门学科。 设计方法：理论分析 数值求解 性能仿真 现代设计方法学：辅助设计、优化设计、有限元分析、可靠性设计。3 计算机辅助设计：利用计算机为主要技术手段，对产品整个过程中 的信息进行分析和处理，生成和运用各种
2、数学信息和图形信息进行产品的设计。,机电系-机械教研室,4 产品设计过程,任务规划阶段,概念设计阶段,结构设计阶段,详细设计阶段,定型生产阶段,机电系-机械教研室,5 设计任务分类： 功能设计 布局设计 参数设计 公差设计,设计类型：新设计 、适应性设计 、 参数化设计。,机电系-机械教研室,二 计算机辅助概念设计,1 内涵 概念产品：对设计目标的第一次结构化的、基本的、粗略的但却是全面的展示。（设计自由度大、最复杂、最重要、最有决定意义） 概念设计完成6070%的产品设计，占2030%的成本和时间。2 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
3、术3 基于知识的产品创新方案 知识手册、技能、经验、原理、规范等已有知识。 知识工程（KE）,机电系-机械教研室,产品设计分类与创新分类： 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方法 步骤：功能分类、功能分析、功能综合、功能评价4 产品概念设计中的美学设计 适应使用者的美学感觉、人体工程设计。 方案：考虑产品的造型、质感、色彩等 色彩渲染、光照处理等技术。,机电系-机械教研室,三 参数化和模块化设计,探索以继承为基础的快速设计方法、原理和规范。1 概念 参数化设计：设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束，参数与图形的控制尺寸显式对应，即不同参数值驱动产生不同大小的几
4、何图形。 变量化设计：设计图形包括拓扑关系，设计结果受到一组约束方程的控制和驱动，其图形修改的自由度不仅是尺寸形状参数。 模块化设计：在对产品功能分析的基础上，划分并设计一系列相对通用的功能模块。通过功能模块的选择与组合可构成不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品。,文献：目前参数化设计分为两种形式：尺寸驱动与变量化设计。,机电系-机械教研室,尺寸驱动,拓扑排列变化,机电系-机械教研室,2 参数化设计实现方法 建立模型过程中，直接将参数序列定义其中。 绘制草图，然后再加约束、定义参数。 对定型、常用的产品图形，将模型建成参数化图素。,3 变量化设计实现原理 整体求解法 局部求解法 几何推理
5、法 辅助线求解法,见参数化绘图视频,机电系-机械教研室,4 模块化设计方法模块化分类： 新产品的模块化设计 变型产品的模块化设计 现有产品的模块化设计,横系列模块化设计纵系列模块化设计跨系列模块化设计,模块化设计过程：见p56模块化设计的关键： 市场调研与分析 模块的划分 模块标准化 拟定产品系列型谱 模块的管理,机电系-机械教研室,四 可视化技术,将产品的结构信息、科学计算、实验数据等表现为人的视觉可以感受的计算机图像。 包括：图形生成技术与算法、图像变换技术、真实感图形显示技术、科学计算的可视化技术、虚拟现实技术等。,1 图形生成技术与算法 基于图像设备的基本图像元素生成。 自由曲线生成。
6、 图像元素的求交及集合运算。 不同字体（中西文）及矢量字符生成。,线条：DDA法、Bresenham算法填充：多边形填充、种子填充,插值法、曲线拟合法（曲线曲面拼接、分解、过度、光顺、修改等）,交、并、差等集合运算,点阵字符、图形实体字符、轮廓字型法等,机电系-机械教研室,2 图形变换技术1）窗口、视区变换,结论：视区不变，窗口放大或缩小时，显示的图形会有伸缩变化。 窗口不变，视区放大或缩小时，显示的图形会有伸缩变化。 视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩变化。 窗口与视区大小相同，坐标原点也相同时，显示的图形不变。,变换公式,机电系-机械教研室,2）二维图形的几何变换 P=P*M
7、 M变换矩阵，3*3阶,M=,各元素取值不同，实现不同的图形变换，其中：左上角的4个元素（a、b、c、d）实现比例变换、对称变换、旋转变换、错切变换等;右上角的2个元素（p、q）实现透视变换;左下角的2个元素（l、m）实现平移变换;右下角的1个元索（s）实现全图的等比例变换。,结论：图形的主要工作就是求解实现所要求的图形变换的变换矩阵M。,机电系-机械教研室,机电系-机械教研室,机电系-机械教研室,机电系-机械教研室,复合变换 例：,二维组合变换,机电系-机械教研室,1将三角形连平移至坐标原点。是图形基本变换中的平移变换。变换矩阵为：,2按要求将三角形旋转。显然此变换是图形旋转的基本变换，变换
8、矩阵写为：,3旋转后的三角形向回平移，使点A回到初始位置。变换矩阵可写为：,三步基本变换的综合结果是三角形绕点A逆时针旋转了一个角度，其组合变换矩阵为,机电系-机械教研室,3）三维图形的几何变换 M为4*4阶矩阵,各元素取值不同，实现不同的图形变换，其中：左上角的9个元素（a、b、c、d、e、f、g、h、i）实现比例变换、对称变换、旋转变换、错切变换和正投影变换等；右3个元素（p、q、r）实现透视变换；左下角的3个元素（l、m、n）实现平移变换；右下角的1个元素（s）实现全图的等比例变换。,机电系-机械教研室,4）三视图的形成,机电系-机械教研室,主视图：Y坐标比例因子取零。,左视图：X坐标比
9、例因子取零，绕z轴旋转90,沿x向平移。,俯视图：Z坐标比例因子取零，绕X轴旋转90,沿Z向平移。,机电系-机械教研室,3 真实感图形显示技术处理技术：轴测图、透视图、消隐技术、光照技术、材质处理等。1）轴测图 物体 绕Y轴转角 绕X轴转角 向XOY平面投影,一般：正等轴测投影 =45 =35.27 正二等轴测投影 =22 =20. 7,2）透视图 以中心投影法绘制的具有深度感的图形就是透视图。 分为：一点透视、两点透视、三点透视,机电系-机械教研室,机电系-机械教研室,3）消隐技术 关键：判断线、面的遮挡，可见与否的检验。 方法：重叠性检查、包含性检查、深度检查、可见性检查。4）光照处理技术
10、 光照射到物体表面：一部分被吸收，一部分被反射（折射）。5）阴影 从视点看上去可见的，但从光源看上去不可见的表面位于阴影内。,机电系-机械教研室,4 数据可视化技术 定义：运用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。 发展：计算数据可视化 工程数据、测量数据可视化 信息可视化,机电系-机械教研室,5 虚拟现实技术定义：虚拟现实（Virtual Reality, VR）指利用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟环境，并在环境中结合不同的输入、输出设备与虚拟物体进行交互操作。虚拟现实技术的特征：沉浸感、多感知性、交互性、自主性。虚拟现实系统的关键技术：环境建模技术、跟踪技术、虚拟实化感知技术、高性能计算处理技术、应用系统开发工具技术。虚拟现实的应用：多领域。,
