計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD設(shè)計(jì)技術(shù)

1、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)cad技術(shù)3.1 cad技術(shù)概論3.1.1 cad技術(shù)的內(nèi)涵 cad (computer aided design) 是一種利用計(jì)算機(jī)硬, 軟件系統(tǒng)輔助人們對產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法和技術(shù),包括設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析及文檔制作等設(shè)計(jì)活動(dòng)。 它是一種新的設(shè)計(jì)方法，也是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用的新技術(shù)，被美國國家工程科學(xué)學(xué)院評為當(dāng)代十項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就之一。 cad技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平已成為衡量一個(gè)國家科技現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。3.1.1 cad技術(shù)的內(nèi)涵 cad技術(shù)涉及的一些基礎(chǔ)技術(shù)：（1）圖形處理技術(shù)：如自動(dòng)繪圖、幾何建模、圖形仿真及其它圖形 輸入、輸出技術(shù)；（2）

2、工程分析技術(shù)：如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)及面向各種專業(yè)的工 程分析；（3）數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)交換技術(shù)：如數(shù)據(jù)庫管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、產(chǎn) 品數(shù)據(jù)交換規(guī)范及接口技術(shù)等；（4）文檔處理技術(shù)：文檔制作、編輯及文字處理等；（5）軟件設(shè)計(jì)技術(shù)：如窗口界面設(shè)計(jì)、軟件工具、軟件工程規(guī)范等；3.1.1 cad技術(shù)的內(nèi)涵 近10年來，由于先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的同步發(fā)展。隨著現(xiàn)代cad技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)過程中越來越多的活動(dòng)都能用cad工具加以實(shí)現(xiàn)，因此cad技術(shù)的覆蓋面越來越寬，以至于整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是cad過程，如圖3.1所示。設(shè)計(jì)過程與cad過程的關(guān)系3.1.2 現(xiàn)代cad系統(tǒng)的主要功能 現(xiàn)代cad系統(tǒng)

3、需要對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造全過程的信息進(jìn)行處理，包括設(shè)計(jì)、制造中的數(shù)值計(jì)算、設(shè)計(jì)分析、繪圖、工程數(shù)據(jù)管理、工藝設(shè)計(jì)、加工仿真等各個(gè)方面。具體包括： 1、幾何造型：是cad系統(tǒng)的核心，它為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造提供基 本數(shù)據(jù)，同時(shí)也為其它模塊提供原始信息。 2、計(jì)算分析功能：能根據(jù)產(chǎn)品幾何形狀計(jì)算出響應(yīng)的體積、表 面積、質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等幾何特征和物理特性； 另一方面還可以在圖形變換中進(jìn)行矩陣運(yùn)算，體素之間的交、 并、差計(jì)算等等。3.1.2 現(xiàn)代cad系統(tǒng)的主要功能 3、工程繪圖：產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)果往往是機(jī)械圖的形式，現(xiàn)代cad具 備從幾何造型的三維圖形直接向二維圖形轉(zhuǎn)換的功能，同時(shí)還 具備處理二維圖形的

4、能力，如基本圖元的生成，尺寸標(biāo)注，圖 形編輯等等。 4、工程分析：采用有限元方法對設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行工程分析，如靜 態(tài)力學(xué)分析、動(dòng)態(tài)模態(tài)分析、熱應(yīng)力分析等，同時(shí)后處理程序 給出直觀的分析結(jié)果、動(dòng)畫顯示等等。3.1.2 現(xiàn)代cad系統(tǒng)的主要功能5、優(yōu)化設(shè)計(jì)：具有優(yōu)化求解的功能，也就是在某些條件的限制下， 使產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)中的預(yù)定指標(biāo)（目標(biāo)函數(shù)如重力、應(yīng)力）達(dá)到 最優(yōu)化。優(yōu)化包括：總體方案優(yōu)化、產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝參 數(shù)優(yōu)化等等，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)中一個(gè)重要組成部分。6、虛擬裝配功能：具有零部件裝配功能，以便檢查各部件及整體結(jié) 構(gòu)的合理性。7、運(yùn)動(dòng)模擬仿真功能：建立一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)模型，通過運(yùn)動(dòng)仿真來代

5、替、模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行，用以預(yù)測產(chǎn)品的性能，產(chǎn)品的制造過 程和產(chǎn)品的可制造性等。 通常有：加工軌跡仿真、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬、機(jī)器人仿真；工件、 工具、機(jī)床的碰撞、干涉檢查等。3.1.2 現(xiàn)代cad系統(tǒng)的主要功能7、nc自動(dòng)編程：根據(jù)模型確定加工方案后，可自動(dòng)生成數(shù)控加工源 程序、計(jì)算刀位、生成特定nc機(jī)床的數(shù)控加工代碼文件。8、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理：cad系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)量巨大，種類繁多，既有幾何圖 形數(shù)據(jù)，又有屬性定義數(shù)據(jù)；既有產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)，又有生產(chǎn)控制 數(shù)據(jù)；既有靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，又有動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)，機(jī)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜， 因此cad系統(tǒng)應(yīng)能提供有效的數(shù)據(jù)管理手段，支持設(shè)計(jì)與制造全過 程的信息流動(dòng)與交換。3.1.3 采用

6、現(xiàn)代cad系統(tǒng)的好處1、使設(shè)計(jì)人員從圖紙上解放出來，并能實(shí)現(xiàn)三維立體繪圖，使設(shè)計(jì) 工作更加生動(dòng)、直觀，大大提高了繪圖效率。2、提供虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠?qū)υO(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真， 大大減少了產(chǎn)品試制成本。3、通過計(jì)算機(jī)輔助工程分析，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大 減少了產(chǎn)品開發(fā)所需的試驗(yàn)成本。4、cam自動(dòng)編程技術(shù)的采用，減小了編程周期和人為失誤。5、仿真加工可以使得生產(chǎn)計(jì)劃制訂更加準(zhǔn)確、合理，能大大提高生 產(chǎn)管理效率。6、cad/cae/cam集成技術(shù)的采用，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)設(shè)計(jì)、可 以大大提高產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。3.1.4 現(xiàn)代cad軟件發(fā)展動(dòng)態(tài) cad技術(shù)開始于50年代，經(jīng)歷

7、了50年代和60年代的形成，70年代和80十年代的興旺。從二維繪圖到三維建模再到cad/cae/cam的集成化，目前已經(jīng)取得了很大進(jìn)步和發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛。 以前的cad軟件只能運(yùn)行在工作站上，現(xiàn)代更多用微機(jī)作為開發(fā)和應(yīng)用平臺，其特點(diǎn)如下： 1、采用windows環(huán)境，并可以與windows平臺上的其它軟件進(jìn)行 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，也可以在不退出cad軟件的前提下嵌入其它 應(yīng)用程序?qū)ο蟆?.1.4 現(xiàn)代cad軟件發(fā)展動(dòng)態(tài)2、采用com組態(tài)技術(shù)：是國際上為提高軟件穩(wěn)定性和開發(fā)效率而引 入的重要技術(shù)。通過使用現(xiàn)成的組件，軟件開發(fā)商可以避免軟件 開發(fā)中許多繁瑣和困難的基礎(chǔ)部分，從而縮短cad軟件的上

8、市周期。 同時(shí)還采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使得微機(jī)版cad軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò) 展性得以增強(qiáng)。3、吸收了unix平臺軟件的優(yōu)點(diǎn)：新一代微機(jī)版cad軟件吸收了unix 工作站軟件的精華，諸如參數(shù)驅(qū)動(dòng)、特征造型、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航、二維 和三維雙向相關(guān)等等。3.1.5 目前國內(nèi)外流行的cad軟件1、unigraphics：是美國unigraphics solutions公司的產(chǎn)品，在ug 中，優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實(shí)體、線框和表面功能 結(jié)合在一起，功能大大加強(qiáng)。其最早應(yīng)用于美國麥道飛機(jī)制造公 司，90年代，美國通用汽車公司選中ug作為公司的主導(dǎo)系統(tǒng)，目 前有ug16、ug17、ug18、ugnx1.0、u

9、gnx2.0等。2、autocad：是autodesk公司的產(chǎn)品，擁有全球用戶最多的產(chǎn)品， 是當(dāng)今最流行的二維繪圖軟件，具有強(qiáng)大的二維功能，如繪圖、 編輯、剖面線和尺寸標(biāo)注及二次開發(fā)功能。3、mdt：是autodesk公司的在pc平臺上開發(fā)的三維cad系統(tǒng)。其特點(diǎn) 是：基于nurbs的曲面造型；可完成幾百甚至上千個(gè)零件的裝配； 提供相關(guān)聯(lián)的繪圖和草圖功能。3.1.5 目前國內(nèi)外流行的cad軟件4、solidworks：是生信國際有限公司推出的基于windows的cad軟件， 是微機(jī)版參數(shù)化特征造型軟件的新秀。集成了結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分 析、工程數(shù)據(jù)管理和數(shù)控加工等等，可以方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維 造型

10、、轉(zhuǎn)配和生成二維工程圖，價(jià)格適中。5、cimatron：是以色列cimatron公司地產(chǎn)品，80年代進(jìn)入市場， 1994年進(jìn)入我國，從8版開始進(jìn)行了漢化，在國內(nèi)已經(jīng)銷售了200 余套。6、pro/engineer：是美國參數(shù)技術(shù)公司的產(chǎn)品，其提出的單一數(shù)據(jù) 庫、參數(shù)化、基于特征及全相關(guān)的概念成為現(xiàn)行軟件的標(biāo)準(zhǔn)。 3.1.5 目前國內(nèi)外流行的cad軟件7、ideas：是美國sdrc公司的產(chǎn)品，是國際著名的cad軟件公司。 國外許多公司如波音、索尼、三星、現(xiàn)代、福特等公司均是sdrc 公司的大客戶。在cad/cae一體化技術(shù)方面一直雄踞榜首，軟件 內(nèi)含有諸如結(jié)構(gòu)分析、熱力分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、耐久性分析

11、等等。8、高華cad：是北京高華計(jì)算機(jī)有限公司的產(chǎn)品，曾獲第二屆全國 自主版權(quán)cad支撐軟件評測第一名。9、caxa電子圖版和cacxme制造工程師：是北航海爾軟件有限公司 的產(chǎn)品，是一套高效，方便、智能化的通用中文設(shè)計(jì)繪圖軟件。10、金銀花系統(tǒng)：是廣州紅地技術(shù)公司的產(chǎn)品。11、開目cad：是華工（華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院）科技開目公司產(chǎn)品。 3.1.5 cad軟件的選擇原則 目前cad軟件種類繁多，選擇cad系統(tǒng)軟件時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾方面的因素： 1、軟件的性能價(jià)格比； 2、與硬件兼容匹配性能； 3、二次開發(fā)環(huán)境； 4、開放性：應(yīng)具有與其它c(diǎn)ad系統(tǒng)的接口； 5、軟件商的綜合實(shí)力。3.2 計(jì)算機(jī)

12、圖形學(xué) 計(jì)算機(jī)繪圖是目前cadcam的重要組成部分。它的發(fā)展有力地推動(dòng)了cadcam的研究和發(fā)展，為cadcam提供了高效的工具和手段。 隨著三維幾何建模系統(tǒng)的應(yīng)用以及cad、cam逐步實(shí)現(xiàn)真正的集成化，用戶可以隨時(shí)形象地觀察三維模型，并通過集成環(huán)境直接控制cam加工設(shè)備完成制造過程。 一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有由圖變“數(shù)”和由“數(shù)”變圖兩種功能。將圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成幾何線條、填充區(qū)域、文本字符，圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成幾何線條、填充區(qū)域、文本字符， 這就是由數(shù)變圖；這就是由數(shù)變圖；要想由繪圖機(jī)自動(dòng)輸出圖樣，就必須使計(jì)算機(jī)首先存有圖形數(shù)據(jù)，這就需要向計(jì)算機(jī)輸入圖形，即由圖變數(shù)。3.2.1 計(jì)算機(jī)繪圖系

13、統(tǒng)的類型計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)的類型 計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)按其工作方式可分為: 1、靜態(tài)自動(dòng)繪圖系統(tǒng):將要繪制的圖形編成繪圖程序的軟件系統(tǒng)，在繪圖過程中不允許人工干預(yù)和修改，只能通過修改繪圖程序來完成修改。多用于設(shè)計(jì)圖形已較成熟，或?qū)D形要求并不嚴(yán)格、不需對圖形修改的情況。 2、動(dòng)態(tài)交互式繪圖系統(tǒng):交互式cad系統(tǒng)，尤其對于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行反復(fù)研討、修改、分析、計(jì)算，這就應(yīng)采用交互式繪圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)編輯。人和計(jì)算機(jī)的通信是雙向的，使用者可以對屏幕輸出不斷修改，直到建立的物體模型滿意為止。 靜態(tài)繪圖 先將圖形按照最基本的幾何元素點(diǎn)劃分，統(tǒng)一編號，再調(diào)用基本繪圖指令(畫點(diǎn)、線、圓弧)

14、一筆一筆編入程序，參見程序示例。 #includegraphicsh #includemathh #include(stdioh main（） int xl10，11，30，33，63，65，11，11，34，34，40，40，10，10，63，63， y199，100，105，105，102，100，100，80，102，78，93，87，99，81，102，78， x210，11，30，33，63，65，29，29，63，63，56，56，11，1l，65，65， y281，80，75，75，78，80，100，80，102，78，93，87，100，80，100，80， n6，gd=de

15、tect，gm，i clrscr()； initgraph(&gd，&gm，” “)；for(i=0;i16;i+) line(x1i，y1i，x2i，y2i); arc(29，10l，270，360，1); arc (29， 79， 0， 90， 1); arc(34，103，180，270，1)； arc(34，77，90，180，1)； arc (40， 90， 90， 270， 1); arc(56，90， 一90，90，1); getch(); return0； 這種程序編寫簡單，適用于繪制各種幾何圖形，但十分繁瑣，尤其是各點(diǎn)坐標(biāo)值的提取與計(jì)算很容易出錯(cuò)對于交互式繪圖

16、系統(tǒng)基本組成 計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件部分由計(jì)算機(jī)主機(jī)、外存貯器(軟盤、硬盤、光盤、磁帶)、輸入設(shè)備(鍵盤、數(shù)字化儀、鼠標(biāo)等)和輸出設(shè)備(圖形顯示器、繪圖機(jī)等)組成。軟件部分由圖形軟件、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫及圖形庫、應(yīng)用程序組成。交互式繪圖系統(tǒng)示意圖 現(xiàn)代cad系統(tǒng)組成cad系統(tǒng)組成1、硬件設(shè)備：計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備（輸入輸出）、生產(chǎn)設(shè)備（nc機(jī)床及加工中心）等。2、軟件系統(tǒng)：1）系統(tǒng)軟件：是使用、管理、控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序集合。微機(jī)ms dos、pcdos、unix、windows、linux等。2）支撐軟件：是cad系統(tǒng)的核心，為用戶提供工具或開發(fā)環(huán)境。包括繪圖軟件、幾何建模軟件、有限元分析

17、軟件、優(yōu)化軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件、模擬仿真軟件。3、應(yīng)用軟件：使用戶為解決實(shí)際問題而自行開發(fā)的程序系統(tǒng)。3.2.2 3.2.2 計(jì)算機(jī)繪圖的方法計(jì)算機(jī)繪圖的方法 計(jì)算機(jī)繪圖的方法決定了它的作用和效率，只有簡便、快捷地繪制圖形，才能使cad系統(tǒng)更加實(shí)用。主要有以下五種: 1輪廓線法 任何一個(gè)二維圖形都由線條組成，所謂輪廓線法，就是將這些線條逐一繪出，它只取決于線條的端點(diǎn)坐標(biāo)，不分先后，沒有約束，因而，比較簡單，適應(yīng)面也廣，但繪圖工作量大、效率低，容易出錯(cuò)，尤其是不能滿足系列化產(chǎn)品圖形的設(shè)計(jì)要求，生成的圖形無法通過尺寸參數(shù)加以修改。 包括形式:一是編制程序，成批繪制圖線;二是利用交互式繪圖軟件系統(tǒng)，

18、把計(jì)算機(jī)屏幕當(dāng)作圖板，通過鼠標(biāo)或鍵盤點(diǎn)取屏幕菜單，按照人機(jī)對話方式生成圖形，autocad繪圖軟件就屬于這種方式。3.2.2 3.2.2 計(jì)算機(jī)繪圖的方法計(jì)算機(jī)繪圖的方法 2參數(shù)化法 輪廓線法繪制的圖形效率低，哪怕只變動(dòng)一個(gè)幾何尺寸，也要重新修改程序或重畫相關(guān)部位。而在實(shí)際cad中，常常面臨系列化的設(shè)計(jì)，即基本幾何拓?fù)潢P(guān)系不變，只變動(dòng)形狀尺寸。于是，人們創(chuàng)造了參數(shù)化法。這種方法是首先建立圖形與尺寸參數(shù)的約束關(guān)系，每個(gè)可變的尺寸參數(shù)用待標(biāo)變量表示，并賦予一個(gè)缺省值。繪圖時(shí)，修改不同的尺寸參數(shù)即可得到不同規(guī)格的圖樣。 通常用于建立已定型系列化產(chǎn)品的圖形庫。3.2.2 3.2.2 計(jì)算機(jī)繪圖的方法計(jì)

19、算機(jī)繪圖的方法 3 3圖元拼合法圖元拼合法 圖元拼合法類似于一種搭積木的方法。將各種常用的、帶有某種特定專業(yè)含義的圖形元素存貯建庫，設(shè)計(jì)繪圖時(shí)，根據(jù)需要調(diào)用合適的圖形元素加以拼合。如圖52所示，調(diào)用不同的圖元，即可組成不同類型的螺栓或螺釘。通常，圖形元素的定義和建庫都是針對本單位產(chǎn)品形狀特征的，要想建立一個(gè)包羅萬象的、通用的圖元庫是很困難的，因此，圖元庫大多適用于一定范圍。 圖元拼合法要以參數(shù)化法為基礎(chǔ)，每一個(gè)圖元實(shí)際上就是一個(gè)小參數(shù)化圖形。3.2.2 3.2.2 計(jì)算機(jī)繪圖的方法計(jì)算機(jī)繪圖的方法 4 4尺寸驅(qū)動(dòng)法尺寸驅(qū)動(dòng)法 這是一種交互式的變量設(shè)計(jì)方法。繪圖開始，按設(shè)計(jì)者的意圖，先將草圖快速

20、勾畫于屏幕之上，然后根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀需要，為草圖建立尺寸和形位約束，草圖就戲法般受到這種約束的驅(qū)動(dòng)而變得橫平豎直起來，尺寸大小也一一對應(yīng)。支持快速的概念設(shè)計(jì)，怎么構(gòu)思就怎么畫，所想即所見，繪圖和設(shè)計(jì)過程形象、直觀。至于那些圖形細(xì)節(jié)，只要約束一經(jīng)建立，就全部由系統(tǒng)代勞了。尺寸驅(qū)動(dòng)法是當(dāng)前圖形處理乃至cad實(shí)體建模的研究熱點(diǎn)之一，它的原理還可應(yīng)用于裝配設(shè)計(jì)，建立好裝配件間的尺寸約束關(guān)系，即可支持產(chǎn)品零部件之間的驅(qū)動(dòng)式一致性修改。3.2.2 3.2.2 計(jì)算機(jī)繪圖的方法計(jì)算機(jī)繪圖的方法 5，三維實(shí)體投影法 回顧設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)過程，首先在思維中建立起來的是一種三維物體模型，只是苦于沒有一個(gè)形象描述、記錄

21、的工具和手段，因而將其投影到不同的平面，繪出二維圖樣，而在讀圖時(shí)，又要在頭腦中還原圖樣表示的三維物體。隨著設(shè)計(jì)的不斷深入、不斷修改，這種投影、還原，投影的過程就要在設(shè)計(jì)師的頭腦中反復(fù)進(jìn)行。如果開始設(shè)計(jì)時(shí)就在計(jì)算機(jī)三維建模環(huán)境下，則不僅能更直觀、全面地反映設(shè)計(jì)對象，還能減輕設(shè)計(jì)師的負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。 三維實(shí)體投影法已逐漸成為計(jì)算機(jī)繪圖的主要方法。 3.3 圖形軟件3.3.1 圖形軟件的類型與功能 1圖形軟件的類型 根據(jù)圖形軟件的功能和使用情況，歸納起來，可分為基本繪圖指令軟件、圖形支撐軟件、專用圖形軟件三類。1)基本繪圖指令軟件: 這類軟件常用匯編語言甚至用機(jī)器語言編寫。 通常是一些最基

22、本的繪圖指令，如畫點(diǎn)、線等。有些高級語言(如 basic)就提供簡單的基本繪圖功能?；纠L圖軟件功能的強(qiáng)弱對 繪圖程序的編寫有很大影響。3.3 圖形軟件3.3.1 圖形軟件的類型與功能 1圖形軟件的類型 2)圖形支撐軟件: 這類軟件可用匯編語言編寫，也可用高級語言編 寫。除提供上述基本繪圖指令外，還可對圖形進(jìn)行各種編輯、修 改、控制等，功能較強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣，不同領(lǐng)域都可使用。一是 子程序軟件包的形式，用戶使用時(shí)是在程序中通過調(diào)用功能子程 序來實(shí)現(xiàn)繪圖及其相關(guān)工作的。二是交互式繪圖軟件，用戶可通 過圖形輸入輸出裝置與計(jì)算機(jī)交流信息，采用人機(jī)對話方式繪制 圖形以及對圖形進(jìn)行任意操作，如變比例、旋轉(zhuǎn)

23、、平移、設(shè)置顏 色等。3.3 圖形軟件3.3.1 圖形軟件的類型與功能 1圖形軟件的類型 3)專用圖形軟件: 專用圖形軟件指的是在某種基本繪圖軟件或支撐 軟件基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)的、針對某種特定領(lǐng)域、特定專業(yè)或特定 用途的圖形軟件。如標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件圖形軟件、機(jī)械裝配圖繪制軟 件、服裝設(shè)計(jì)軟件、建筑圖設(shè)計(jì)生成軟件、電子線路板繪圖軟件 等。這一類軟件專業(yè)性強(qiáng)、效率高，多與用戶直接見面工作，需 求量大，但軟件開發(fā)難度大、軟件維護(hù)任務(wù)重，一般多由用戶自 己組織力量或與科研單位、院校協(xié)作研制。專用圖形軟件的優(yōu)劣 直接影響到設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)結(jié)果。3.3 圖形軟件3.3.1 圖形軟件的類型與功能 1圖形軟件的功能

24、不同的圖形軟件系統(tǒng)，其功能也不盡相同，但作為一個(gè)圖形支撐環(huán)境應(yīng)具有如下基本功能： 1)定義窗口與視見區(qū): 即定義用戶作圖區(qū)域與屏幕顯示區(qū)域或繪 圖機(jī)繪圖區(qū)域，能進(jìn)行二者的坐標(biāo)變換。 2)圖形描述：包括畫點(diǎn)、線、圓、圓弧、矢量、字符文本等最基 本能力以及繪制相應(yīng)的多邊形、橢圓、曲線等功能；能進(jìn)行幾何 計(jì)算，如求交點(diǎn)、切點(diǎn)等，捕捉相應(yīng)位置參量，進(jìn)行尺寸標(biāo)注。3.3 圖形軟件3.3.1 圖形軟件的類型與功能 1圖形軟件的功能 3)圖形編輯與變換: 對已有圖形進(jìn)行刪除、修改、完善；實(shí)現(xiàn)對圖 形的各種幾何變換，如縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、投影、透視等。4)圖形控制：包括顯示控制、圖形的初始化、圖形輸出控制等。5

25、)圖形文件處理：對于一些比較復(fù)雜的圖形的集合，可分別將不同 方位或不同內(nèi)容的圖形定義成文件(或“塊”)的方式進(jìn)行處理。不同 的圖形文件或同一圖形文件中的不同實(shí)體可以接受統(tǒng)一調(diào)度、管 理，從而提高圖形的處理效率。6)交互處理功能：cad的過程常常是一個(gè)反復(fù)試探、修改的過程， 這就要求所用圖形軟件具有交互處理圖形的能力，人機(jī)界面友好。3.4 圖形變換 圖形變換是計(jì)算機(jī)繪圖的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。3.4.1 窗口視口變換 1.窗口：用戶在輸入的圖形上選定一個(gè)觀察區(qū)域，這個(gè)觀察區(qū)域被稱為窗口(window)。 在二維平面，通常定義窗口為一矩形區(qū)域，它的大小和位置在用戶坐標(biāo)上表示，用四個(gè)變量代表窗口左下角和右上

26、角點(diǎn)的坐標(biāo)，即： w1xwmin w2xwmax w3ywmin w4ywmax二維窗口三維窗口2視區(qū)：在圖形輸出設(shè)備上(顯示屏、繪圖儀等)用來復(fù)制窗口內(nèi)容的矩形區(qū)域被稱為視區(qū)，視區(qū)是一個(gè)與設(shè)備密切聯(lián)系的概念，顯示終端的屏面和繪圖儀的幅面都是用來表現(xiàn)圖形的二維平面，而且是有限的平面。通常也用四個(gè)變量指示視區(qū)兩個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)，即： v1xvmin v2xvmax v3yvmin w4yvmax3窗、視變換 為了把選定的窗口內(nèi)容在希望的視區(qū)上表現(xiàn)出來，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。3.4 圖形變換用戶定義的圖形從窗口到視區(qū)的邏輯變換過程如圖所示。窗口視區(qū)二維邏輯變換過程窗口視區(qū)二維邏輯變換過程窗口視區(qū)三維邏輯變

27、換過程窗口視區(qū)三維邏輯變換過程4圖形裁剪 對落在窗口邊框上的圖形進(jìn)行剪裁，僅保留窗口內(nèi)的部分。線段的裁剪線段的裁剪點(diǎn)的位置編碼點(diǎn)的位置編碼 1）點(diǎn)的位置描述：用四位二進(jìn)制編碼描述點(diǎn)的位置。 如果點(diǎn)在窗口內(nèi)，則四位編碼均為0；在窗口左，則編碼的第一位為1；在窗口右，則第二位為1；在窗口下，則第三位為1；在窗口上，則第四位為1。2）裁剪判斷： 用規(guī)則判斷每條線段是否可見，是否需要裁剪。 a兩端點(diǎn)編碼均為0000，則該線段可見； b兩端點(diǎn)編碼不全為0000，則將兩端點(diǎn)編碼邏輯相乘，觀察結(jié) 果，若： (a)結(jié)果不為0000，則該線段不可見； (b)結(jié)果為0000，則為暫不確定線段，有兩種情況： a)該

28、線段至少有一部分可見， b)該線段完全不可見。這種結(jié)果，需進(jìn)一步計(jì)算交點(diǎn)判斷屬 于哪種情況。 3）求交計(jì)算：3.4.2 二維圖形的幾何變換 二維平面中，任何一個(gè)圖形都可以認(rèn)為是點(diǎn)之間的連線構(gòu)成的。對于一個(gè)圖形作幾何變換，實(shí)際上就是對一系列點(diǎn)進(jìn)行變換。設(shè)變換矩陣 點(diǎn)的變換：將點(diǎn)的坐標(biāo)x,y與變換矩陣m相乘，變換后的坐 標(biāo)記為x，y，則：新點(diǎn)的位置取決于變量a、b、c、d的值。3.4.2 二維圖形的幾何變換 位似放大變換位似放大變換不等比例縮小變換不等比例縮小變換1) 對對y軸的對稱變換軸的對稱變換 a1，d1時(shí)時(shí) 2) 對對x軸的對稱變換軸的對稱變換 a1，d=1時(shí)，時(shí)， 3) 對原點(diǎn)的對稱變換

29、對原點(diǎn)的對稱變換 a1，d=1時(shí)，時(shí)，對稱變換（2）對稱變換(反射變換、鏡象變換) ： b=c=0；a，d不全為正時(shí)， 產(chǎn)生對稱變換。 （3）錯(cuò)切變換 ： 當(dāng)ad1，b、c不全為0時(shí)，產(chǎn)生錯(cuò)切變換。1) 沿沿y方向的錯(cuò)切變換方向的錯(cuò)切變換: c0，b 0時(shí)時(shí)2) 沿沿x方向的錯(cuò)切變換方向的錯(cuò)切變換: b0，c 0時(shí)時(shí)3) 沿沿x，y兩個(gè)方向的錯(cuò)切變換兩個(gè)方向的錯(cuò)切變換: b 0，c 0時(shí)時(shí)圖圖512 單向錯(cuò)切變換單向錯(cuò)切變換圖圖513 雙向錯(cuò)切變換雙向錯(cuò)切變換 （4） 旋轉(zhuǎn)變換： sin,sin,coscbda時(shí)，即：cossinsincoscossinsincosyxyxyxyx產(chǎn)生繞原點(diǎn)（

30、產(chǎn)生繞原點(diǎn)（0，0）旋轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn) 角度的變換旋轉(zhuǎn)角角度的變換旋轉(zhuǎn)角逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)（5）平移變換平移變換 ：2x2階變換矩陣不能實(shí)現(xiàn)平移，而 平移變換又是計(jì)算機(jī)繪圖中非常需要的一種變換，為此，引用齊次坐標(biāo)的概念。 齊次坐標(biāo)將一個(gè)n維分向量用n+1維的分向量來表示。如把二維平面一個(gè)點(diǎn)戶的直角坐標(biāo)(x，y)表示成齊次坐標(biāo)時(shí)，則為：(wx，wy，w)，它與普通直角坐標(biāo)的關(guān)系可用下列公式進(jìn)行換算：圖圖514 旋轉(zhuǎn)變換旋轉(zhuǎn)變換圖圖515 平移變換平移變換平移變換的變換矩陣m為3x3階矩陣，形式為：當(dāng)a=d=s1，b=c=p=q=0，m，n 不全為0，即：時(shí)，產(chǎn)生平移變換。其中m

31、 為x方向平移因子；n 為y方向平移因子。二維變換的通式為： 其中：a、b、c、d可使平面圖形產(chǎn)生比例、對稱、錯(cuò)切、旋轉(zhuǎn)變換；m、n可產(chǎn)生平移變換；p、q產(chǎn)生透視變換；而s則產(chǎn)生全比例變換。 （6）復(fù)合變換）復(fù)合變換 上述介紹的諸種變換類型的變換矩陣都是相對于上述介紹的諸種變換類型的變換矩陣都是相對于原點(diǎn)的變換矩陣原點(diǎn)的變換矩陣，而對稱又是相對于，而對稱又是相對于某個(gè)特定某個(gè)特定的軸或原點(diǎn)的對稱變換矩陣的軸或原點(diǎn)的對稱變換矩陣。而實(shí)際圖形變換中常常是相對于任意點(diǎn)或線變換。解決這個(gè)問題的思。而實(shí)際圖形變換中常常是相對于任意點(diǎn)或線變換。解決這個(gè)問題的思路是這樣的：先將任意點(diǎn)移向坐標(biāo)原點(diǎn)路是這樣的：

32、先將任意點(diǎn)移向坐標(biāo)原點(diǎn)(任意線則移向與任意線則移向與x或或y軸重合的位置軸重合的位置)，再用前述變換矩陣，再用前述變換矩陣加以變換，最后反向移回任意點(diǎn)加以變換，最后反向移回任意點(diǎn)(任意線移回原位任意線移回原位)?？梢?，這是經(jīng)過平移、某種變換、再平移的多?？梢?，這是經(jīng)過平移、某種變換、再平移的多次變換過程，而不僅僅是一種獨(dú)立的變換，故而稱為復(fù)合變換。次變換過程，而不僅僅是一種獨(dú)立的變換，故而稱為復(fù)合變換。復(fù)合變換中，多個(gè)變換矩陣之積稱復(fù)合變換中，多個(gè)變換矩陣之積稱為復(fù)合變換矩陣。為復(fù)合變換矩陣。 圖形相對于任一點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)變換，圖形相對于任一點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)變換，用三種變換復(fù)合而成：用三種變換復(fù)合而成： a

33、)將旋轉(zhuǎn)中心移到原點(diǎn)將旋轉(zhuǎn)中心移到原點(diǎn)(平移平移)； b)按要求的角度方向旋轉(zhuǎn)按要求的角度方向旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn))； c)將旋轉(zhuǎn)后的圖形平移到原來的旋轉(zhuǎn)中心將旋轉(zhuǎn)后的圖形平移到原來的旋轉(zhuǎn)中心(平移）。平移）。設(shè)相對于（設(shè)相對于（e，f）點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)變換，復(fù)合變換矩陣為：）點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)變換，復(fù)合變換矩陣為： 繞點(diǎn)（繞點(diǎn)（5，3）旋轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)60o 圖形相對于任一點(diǎn)作比例變換: 同理，用三種變換復(fù)合而成： a)將比例中心移到原點(diǎn)(平移)； b)按要求進(jìn)行縮放(比例)； c)將縮放后的圖形平移回原來的比例中心(平移)。 設(shè)相對于（e，f）點(diǎn)作比例變換，則上述過程由以下三個(gè)矩陣相乘來實(shí)現(xiàn)：對點(diǎn)（對點(diǎn)（1，3）位似變

34、換）位似變換 圖形相對于任一條線 y=ax+b 對稱的變換 用5種變換復(fù)合而成： a) 將直線沿y軸平移b，使其通過坐標(biāo)原點(diǎn)，直線方程變?yōu)閥=ax 變換 矩陣： b）將直線yax旋轉(zhuǎn)（或一）角，使其與y(或x)軸重合，變?yōu)閤(或y)0。 變換矩陣為：c) c) 作對作對y(y(或或x)x)軸對稱軸對稱變換。變換矩陣為：。變換矩陣為： d) 反向旋轉(zhuǎn)，恢復(fù)直線yax。變換矩陣為：e) 反向平移，恢復(fù)直線yax+b，使對稱軸回到原來位置。變換矩陣為:注意:矩陣乘法通常不符合交換律，因此，矩陣相乘的順序不同，其結(jié)果 也不同，故復(fù)合變換矩陣的求解順序不能任意變動(dòng)。 3.4.3 3.4.3 三維圖形的幾

35、何變換三維圖形的幾何變換 二維圖形一樣，用適當(dāng)?shù)淖儞Q矩陣也可以對三維圖形進(jìn)行各種幾何變換。對三維空間的點(diǎn)如(x，y，z)，可用齊次坐標(biāo)表示為(x，y，z，1)，或(x，y，z，h)其變換矩陣： 此方陣44階方陣，其中左上角部分產(chǎn)生比例、對稱、錯(cuò)切和旋轉(zhuǎn)變換；左下角部分產(chǎn)生平移變換：右上角部分產(chǎn)生透視變換；右下角部分產(chǎn)生全比例變換。 1三維比例變換 變換矩陣為： (1) 對對xoy平面的對稱變換矩陣為平面的對稱變換矩陣為： (2) 對對yoz平面的對稱變換矩陣為平面的對稱變換矩陣為：四棱錐對四棱錐對x0z平平 面對稱變換面對稱變換2.三維對稱變換：標(biāo)準(zhǔn)的三維空間對稱變換是相對于坐標(biāo)平面進(jìn)行的。3

36、. 三維平移變換 與二維平移變換類似，三維平移變換矩陣為：其中上l、m、n分別為x、y、z方向的平移量。4三維錯(cuò)切變換 與二維類似，指圖形沿x、y、z三個(gè)方向的錯(cuò)切變換。其變換矩陣為：可見，主對角線各元素均為1，第4行和第4列其它元素均為0。 5三維旋轉(zhuǎn)變換 二維變換中，圖形繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的變換實(shí)際上是xoy平面圖形繞z軸旋轉(zhuǎn)的變換。三維旋轉(zhuǎn)變換應(yīng)按繞不同軸線旋轉(zhuǎn)分別處理。同樣地旋轉(zhuǎn)角逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。 （1） 繞z軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣：（2）繞x軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣：（3）繞y軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣：6三面投影變換 將空間三維實(shí)體通過矩陣變換而獲得三視圖(即主視圖、俯視圖和左視圖)的繪圖信息，這

37、種變換稱之為三面投影變換(或正投影變換)。 （1）主視圖變換矩陣： 取xoy平面上的投影為主視圖，只須將立體的全部z坐標(biāo)變?yōu)榱悖儞Q矩陣為： （2）俯視圖變換矩陣： 取xoz平面上的投影并展開與xoy平面為同一平面。為使俯視圖與主視圖間保持一定距離，還應(yīng)使其下移一個(gè)d值。因此，俯視圖的變換矩陣實(shí)際上是一投影、繞x軸按左手系旋轉(zhuǎn)900、沿y向平移的復(fù)合變換矩陣：（3）左視圖變換矩陣： 取yoz平面上的投影并展開與xoy平面為同一平面。 同樣，為了使左視圖與主視圖間保持一定距離，還應(yīng)使其右移一個(gè)d值。 因此，左視圖的變換矩陣實(shí)際上是一投影、繞y軸按左手系旋轉(zhuǎn)一900、 沿x向平移的復(fù)合變換矩陣：

38、除了可以進(jìn)行上述投影變換之外，可進(jìn)行正軸側(cè)投影、后視圖、底視圖、除了可以進(jìn)行上述投影變換之外，可進(jìn)行正軸側(cè)投影、后視圖、底視圖、右視圖的投影變換。右視圖的投影變換。 7透視變換： 透視圖是一種與人的視覺觀察物體比較一致的三維圖形，它是采用中心投影法繪制的。透視投影從一個(gè)視點(diǎn)透過一個(gè)平面(畫面)觀察物體，其視線(投影線)是從視點(diǎn)(觀察點(diǎn))出發(fā)，視線是不平行的。視線與畫面相截交得到的圖形就是透視圖。任何一束不平行于投影平面的平行線的透視投影將匯聚成一點(diǎn)，稱之為滅點(diǎn)。在坐標(biāo)軸上的滅點(diǎn)稱為主滅點(diǎn)。透視投影按照主滅點(diǎn)的個(gè)數(shù)分為一點(diǎn)透視、二點(diǎn)透視和三點(diǎn)透視。透視圖變換矩陣： 以上變換仍然是由三維空間到三維

39、空間的透視變換。當(dāng)p、q、r三個(gè)元素中有兩個(gè)元素為零時(shí)，可得到一點(diǎn)透視變換；當(dāng)有一個(gè)元素為零時(shí)，可得到二點(diǎn)透視變換；當(dāng)均不為零時(shí)，可得到三點(diǎn)透視變換。還可以用更為復(fù)雜的變換，以提高圖象的立體感。如：還可以用更為復(fù)雜的變換，以提高圖象的立體感。如： 隨著計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的發(fā)展，三維繪圖表現(xiàn)方法更多，給人的立體感和真實(shí)感更強(qiáng)，使物體有一種漸遠(yuǎn)漸小的深度感。再配以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的著色、明暗度、渲染等技術(shù)處理，則可以產(chǎn)生十分漂亮的圖形效果。 通常，一個(gè)圖形的點(diǎn)集乘以透視變換矩陣再投影到xoy面就得到透視投影。但為了在透視投影上也能表現(xiàn)出各面以增加圖形的立體感，即表現(xiàn)出多個(gè)滅點(diǎn)，可將此變形體繞y軸旋轉(zhuǎn)

40、一個(gè)小于90o的角度后再向xoy面投影。將此過程綜合，復(fù)合變換矩陣為：3.5 交互技術(shù) 客觀實(shí)際要求cadcam軟件系統(tǒng)除滿足基本功能之外，還易于被普通技術(shù)人員所接受和掌握。這些都要求有一個(gè)良好的人機(jī)界面和交互手段。事實(shí)證明，用戶界面的優(yōu)劣常常影響軟件的推廣和使用效果，甚至縮短生存周期，為此，軟件行業(yè)越來越重視用戶界面的研究與開發(fā)，不斷推出一些優(yōu)秀的交互式圖形界面系統(tǒng)。cadcam軟件系統(tǒng)的開發(fā)將友好的用戶界面作為基本需求和要達(dá)到的目標(biāo)之一。3.5.1 3.5.1 用戶界面的類型用戶界面的類型 用戶界面不能簡單地被理解成是人操作計(jì)算機(jī)時(shí)所面對的屏幕顯示形式，它隱含著人機(jī)交互的狀態(tài)、表達(dá)形式、操

41、作方法等一系列內(nèi)容。 1用戶界面的類型 (1) 所見即所得型:這是一種熒光屏上的顯示與最終輸出結(jié)果一致的界面 類型。交互式繪圖系統(tǒng)多具有這種界面，交互屏幕作圖的顯示與繪 圖機(jī)輸出的圖形一致。 (2) 直接操作型: 這是一種操作動(dòng)作與操作目的完全吻合的界面類型。 (3) 圖標(biāo)型(icon): 這是一種用圖形代替文字或數(shù)值的界面類型。 (4) 菜單型: 這是一種將功能命令按類組織、列于屏幕之上、供用戶選 擇的界面類型。好處就是用戶記憶負(fù)擔(dān)輕，操作效率高(不必逐一輸入 命令字符)，對于功能命令較多的大型軟件尤為重要。但當(dāng)菜單層次過 多的情況下，命令索取的效率要大大降低。 (5) 問答型: 這是一種按

42、進(jìn)程進(jìn)行人機(jī)對話應(yīng)答的界面類型。 (6) 表格型: 這是一種將多項(xiàng)問答集中為一個(gè)表格，由用戶逐項(xiàng)回答、填寫的 界面類型。 (7) 命令鍵入型：這是一種通過鍵盤鍵入指令控制系統(tǒng)工作的界面類型。 (8) 語音型： 這是一種用自然語音與計(jì)算機(jī)對話的界面類型。3.5.2 3.5.2 交互技術(shù)交互技術(shù) 人機(jī)交互的過程可分解為一系列基本操作，每種操作都是為完成某個(gè)特定的人機(jī)交互的過程可分解為一系列基本操作，每種操作都是為完成某個(gè)特定的交互任務(wù)，歸納起來主要是定位、定量、定向、選擇、拾取、文本六項(xiàng)交互任務(wù)。交互任務(wù)，歸納起來主要是定位、定量、定向、選擇、拾取、文本六項(xiàng)交互任務(wù)。 1定位技術(shù) 定位技術(shù)即移動(dòng)光

43、標(biāo)到滿意位置，指定一個(gè)坐標(biāo)。定位技術(shù)主要有:(a)用數(shù)字化儀或鼠標(biāo)控制光標(biāo)定位；(b)用鍵盤輸入定位坐標(biāo)值；(c)用定向鍵控制光標(biāo)定位。輔助定位方法主要有:(a)網(wǎng)格化，即拉動(dòng)光標(biāo)定位在其按規(guī)律劃分的網(wǎng)格點(diǎn)上；(b)捕捉，使光標(biāo)捕捉定點(diǎn)(如端點(diǎn)、中點(diǎn)、圓心點(diǎn)等)并定位其上，k)輔助線，利用輔助線找到要定位的點(diǎn)；(d)導(dǎo)航，通過與相關(guān)實(shí)體的導(dǎo)航約束確定定位點(diǎn)；(e)牽引，由已知實(shí)體特征點(diǎn)的正交牽引線導(dǎo)出定位點(diǎn)。 2定量技術(shù) :交互過程中，輸入某個(gè)數(shù)值代表某個(gè)特定的量的關(guān)系是司空見慣的，如大小、長度、角度等。最基本的方法就是直接鍵入數(shù)值。還有通過兩次定位轉(zhuǎn)換出所需量的技術(shù)，如尺寸標(biāo)注中，點(diǎn)取兩個(gè)尺

44、寸線端點(diǎn)，可自動(dòng)標(biāo)注出兩點(diǎn)間距離。 3定向技術(shù) :定向即為坐標(biāo)系中圖形確定某個(gè)方向。 4選擇技術(shù): 主要指命令和選項(xiàng)的選擇。有四種方式：(a)鼠標(biāo)移動(dòng)光標(biāo)選取選項(xiàng)；(b)鍵入選項(xiàng)命令全稱或助記符形式執(zhí)行命令；(c)按動(dòng)功能熱鍵執(zhí)行熱鍵驅(qū)動(dòng)的命令程序；(d)語音控制選擇。 5拾取技術(shù)：在二維坐標(biāo)中，拾取的是線條或某個(gè)區(qū)域；而在三維坐標(biāo)中，拾取的是面或體。(1) 拾取判斷： 針對不同的圖形對象有不同的判斷方法。首先定義光標(biāo)位置的靶區(qū)范圍，該靶區(qū)可以顯示也可以不顯示，然后計(jì)算該靶區(qū)范圍是否有線段穿過，有則拾??；如果要拾取的是區(qū)域，則計(jì)算該靶區(qū)是否包容在區(qū)域之內(nèi)，包容則拾取；若要拾取的是字符串，則計(jì)算

45、字符串占用區(qū)域是否覆蓋靶區(qū)，覆蓋則拾取。(2)拾取到的現(xiàn)象：為使用戶在交互操作中隨時(shí)掌握操作狀態(tài)和結(jié)果，應(yīng)及時(shí)反饋信息。當(dāng)拾取到有關(guān)實(shí)體時(shí)，會有該實(shí)體變色或加亮顯示、或選中實(shí)體線型改變等現(xiàn)象。其實(shí)際意義是從存貯用戶圖形的數(shù)據(jù)中找出了該實(shí)體的地址。(3)快速拾取的措施：為協(xié)助用戶方便、快捷地拾取圖形，可設(shè)置光標(biāo)附近圖元預(yù)亮功能，在某個(gè)要選圖元亮了之后確認(rèn)，一定拾取的是這個(gè)圖元，從而避免了選過之后才發(fā)現(xiàn)選錯(cuò)了的現(xiàn)象。6文本技術(shù)：文本交互主要是確定字符串的內(nèi)容和長度。一般采用方法是：(a)鍵入字符，(b)菜單選擇字符；(c)單行或多行文本窗口輸入字符；(d)語音識別或筆畫識別等。7橡皮筋技術(shù)：針對變

46、形類圖形的要求，動(dòng)態(tài)、連續(xù)表現(xiàn)變形過程，象隨意拉動(dòng)橡皮筋一樣，使用戶在這個(gè)交互過程中找到最滿意的變形狀態(tài)。該技術(shù)常用于曲線、曲面設(shè)計(jì)。8. 拖動(dòng)技術(shù)：將形體在空間的移動(dòng)過程動(dòng)態(tài)、連續(xù)地表示出來，使用戶實(shí)時(shí)觀察到形體的位置，便于將其放置到希望的地方。拖動(dòng)技術(shù)常用于演示部件裝配過程、進(jìn)行動(dòng)畫軌跡模擬。9草圖技術(shù)： 支持用戶類似于在圖板上畫草圖那種徒手繪圖方式，可在屏幕上實(shí)現(xiàn)任意畫圖要求。它將等距采樣點(diǎn)用折線或擬合曲線連接起來，生成圖形。草圖技術(shù)又稱為徒手畫技術(shù)、草圖器技術(shù)等。3.6 幾何建模技術(shù) 早期的cad系統(tǒng)基本上是顯示二維圖形，這種系統(tǒng)處理點(diǎn)、線的信息，雖然能夠高速、高效地繪制出高質(zhì)量的圖樣

47、，但是，它將從二維圖樣到三維實(shí)體的轉(zhuǎn)換工作留給用戶。因此，人們迫切需要能夠處理三維實(shí)體的cad系統(tǒng)。 所謂幾何建模就是:以計(jì)算機(jī)能夠理解的方式，對實(shí)體進(jìn)行確切的定義，賦予一定的數(shù)學(xué)描述，再以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式對所定義的幾何實(shí)體加以描述，從而在計(jì)算機(jī)內(nèi)部構(gòu)造一個(gè)實(shí)體的模型。通常，把能夠定義、描述、生成幾何實(shí)體，并能交互編輯的系統(tǒng)稱為幾何建模系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的水平很大程度上取決于三維幾何建模系統(tǒng)的功能，幾何建模技術(shù)是cadcam系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。三維幾何建模系統(tǒng)可劃分為:線框建模、表面建模和實(shí)體建模三種主要類型。最近幾年人們在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，除了對幾何實(shí)體的尺寸、形狀加以描述外，附加上工

48、藝信息，例如尺寸公差、表面粗糙度等，研究開發(fā)了特征建模技術(shù)，以適應(yīng)cadcam集成環(huán)境的需要，這是現(xiàn)今cadcam領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，稱為新一代的建模系統(tǒng)。3.6.1 線框建模 線框建模是線框建模是cadcam發(fā)展過程中應(yīng)用最早、也是最簡單的一種建模方法。發(fā)展過程中應(yīng)用最早、也是最簡單的一種建模方法。 1 1、線框建模的原理、線框建模的原理 線框建模是:利用基本線素來定義設(shè)計(jì)目標(biāo)的棱線部分而構(gòu)成的立體框架圖。用這種方法生成的實(shí)體模型是由一系列的直線、圓弧、點(diǎn)及自由曲線組成，描述的是產(chǎn)品的輪廓外形。圖3-10為一物體的線框圖。線框建模據(jù)結(jié)構(gòu)是表結(jié)構(gòu)。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，存貯的是該物體的頂點(diǎn)及棱線信息

49、，將實(shí)體的幾何信息和拓?fù)湫畔哟吻宄赜涗浽陧旤c(diǎn)表及邊表中。表3-1和表3-2即為圖3-10所示物體的頂點(diǎn)表、邊表。表中完整地記錄了各頂點(diǎn)的編號、頂點(diǎn)坐標(biāo)、 邊的序號、邊上各端點(diǎn)的編號，它們就構(gòu)成了該物體線框模型的全部信息。表表3-1頂點(diǎn)表頂點(diǎn)表圖圖3-1 0物體的線框模型物體的線框模型3.6.1 線框建模 表表6-2 邊邊 表表2 、線框建模的特點(diǎn) 1） 線框建模的優(yōu)點(diǎn)：所需信息最少，數(shù)據(jù)運(yùn)算簡單，所占的存貯空間也比較小，另外，這種建模方法對硬件的要求不高，容易掌握，處理時(shí)間較短。 2）線框建模的局限性：雖然用棱邊能夠比較清楚地反映物體的真實(shí)形狀，但是對于曲面體，僅能表示物體的棱邊就不準(zhǔn)確了

50、。例如表示圓柱的形狀，就必須添加母線等。線框建模所構(gòu)造的實(shí)體模型，只有離散的邊，而沒有邊與邊的關(guān)系，即沒有構(gòu)成面的信息；由于信息表達(dá)不完整，在許多情況下，會對物體形狀的判斷產(chǎn)生多義性。主要用于布局圖，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬，干涉檢查，有限元網(wǎng)格劃分后的圖形實(shí)現(xiàn)等。3.6.2 3.6.2 表面建模表面建模 在cadcam系統(tǒng)中，經(jīng)常需要向計(jì)算機(jī)輸入產(chǎn)品的外形數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)往往通過計(jì)算求得，然而，當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，或當(dāng)表面既不是平面，也無法用數(shù)學(xué)方法或解析方程描述時(shí)，就可以采用表面建模的方法。1 1、表面建模的原理、表面建模的原理 表面建模:是通過對實(shí)體的各個(gè)表面或曲面進(jìn)行描述而構(gòu)造實(shí)體模型

51、的一種建模方法。建模時(shí)，先將復(fù)雜的外表面分解成若干個(gè)組成面，然后定義出一塊塊的基本面素，基本面素可以是平面或二次曲面，例如圓柱面、圓錐面、圓環(huán)面、回轉(zhuǎn)面等。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，表面建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍是表結(jié)構(gòu)，除了給出邊線及頂點(diǎn)的信息之外，還提供了構(gòu)成三維立體各組成面素的信息。表3-3即為圖3-10所示物體的幾何面信息，表中記錄了面號，組成面素的線數(shù)及線號。3.6.2 3.6.2 表面建模表面建模 表表 3-3 面面 表表2、表面建模的特點(diǎn) 1）優(yōu)點(diǎn)：在提供三維實(shí)體信息的完整性、嚴(yán)密性方面，表面建模比線框建模進(jìn)了一步，能夠比較完整地定義三維立體的表面。像汽車車身、飛機(jī)機(jī)翼等難于用簡單的數(shù)學(xué)模型表達(dá)的物體

52、，均可以采用表面建模的方法構(gòu)造其模型。 2）局限性:由于所描述的僅是實(shí)體的外表面，并沒切開物體而展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而，也就無法表示零件的立體屬性。3.6.3 實(shí)體建模 線框建模和表面建模在完整、準(zhǔn)確地表達(dá)實(shí)體形狀方面各有其局限性，要想唯一地構(gòu)造實(shí)體的模型，還需采用實(shí)體建模的方法。1、 實(shí)體建模的原理 實(shí)體建模是通過定義基本體素，利用體素的集合運(yùn)算或基本變形操作實(shí)現(xiàn)的，其特點(diǎn)在于覆蓋三維立體的表面與其實(shí)體同時(shí)生成。由于實(shí)體建模能夠定義三維物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，因此，能完整地描述物體的所有幾何信息，是當(dāng)前普遍采用的建模方法。2、實(shí)體生成的方法 按照物體生成的方法不同，實(shí)體建模的方法可分為體素法、掃描

53、法等幾種。1）體素法體素法 每一基本體素具有完整的幾何信息，是真實(shí)而唯一的三維物體。體素法包含兩部分內(nèi)容：一是基本體素的定義與描述，二是體素之間的集合運(yùn)算。常用的基本體素有長方體、球、圓柱、圓錐、圓環(huán)、錐臺等。描述體素時(shí)，除了定義體素的基本尺寸參數(shù)外，例如長方體的長、寬、高，圓柱的直徑、高等，為了準(zhǔn)確地描述基本體素在空間的位置和方向，還需定義基準(zhǔn)點(diǎn)，以便正確地進(jìn)行集合運(yùn)算。體素間的集合運(yùn)算有交、并、差三種，以兩個(gè)三維體素為例，運(yùn)算結(jié)果如圖312所示。圖圖 3-12 體素拼合的集合運(yùn)算體素拼合的集合運(yùn)算圖圖 3-13 體素法生成實(shí)體的過程體素法生成實(shí)體的過程2）掃描法 有些物體的表面形狀較為復(fù)雜

54、，難于通過定義基本體素加以描述，但可以通過定義基體，利用基本的變形操作實(shí)現(xiàn)物體的建模，這種構(gòu)造實(shí)體的方法稱為掃描法。掃描法又可分為平面輪廓掃描和整體掃描兩種。 平面輪廓掃描：由于任一平面輪廓在空間平移一個(gè)距離或繞一固定的軸旋轉(zhuǎn)都會掃描出一個(gè)實(shí)體，因此，對于具有相同截面的零件實(shí)體來說，可預(yù)先定義一個(gè)封閉的截面輪廓，再定義該輪廓移動(dòng)的軌跡或旋轉(zhuǎn)的中心線、旋轉(zhuǎn)角度，就可得到所需的實(shí)體。 整體掃描：就是首先定義一個(gè)三維實(shí)體作為掃描基體，讓此基體在空間運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)可以是沿某方向的移動(dòng)，也可以是繞某一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，或繞一點(diǎn)的擺動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式不同，生成的實(shí)體形狀也不同。2）掃描法3、三維實(shí)體建模中的計(jì)算機(jī)內(nèi)部表示 與線框建模、表面建模不同，三維實(shí)體建模在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯的信息不是簡單的邊線或頂點(diǎn)的信息，而是比較完整地記錄了生成物體的各個(gè)方面的數(shù)據(jù)。常見的有邊界表示法、構(gòu)造立體幾何法、混合表示法(即邊界表示法與構(gòu)造立體幾何法混合模式)、空間單元表示法等等。1 1）邊界表示法（）邊界表示法（b-rep)b-rep) 基本思想是:一個(gè)形體可以通過包容它的面來表示，而每一個(gè)面又可以用構(gòu)成此面的邊描述，邊通過點(diǎn)，點(diǎn)通過三個(gè)坐標(biāo)值來定義。如圖3-14所示的物體，將其按照實(shí)體、面、邊、頂點(diǎn)描述,在計(jì)算機(jī)內(nèi)部就存貯了這種網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖圖3-14 邊界表示法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)邊界表示法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3、三維實(shí)體建模中