第三章 計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1、第三章第三章 計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)教學(xué)目的：教學(xué)目的：1 了解了解CAD的設(shè)計(jì)過(guò)程、輔助概念設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程、輔助概念設(shè)計(jì)2 掌握掌握CAD的參數(shù)化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)3 掌握可視化技術(shù)的圖形變換掌握可視化技術(shù)的圖形變換機(jī)電系-機(jī)械教研室一一 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程概述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程概述1 設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)：根據(jù)產(chǎn)品和生活的需要，通過(guò)思維、規(guī)劃、分析和決策過(guò) 程，最終把設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的技術(shù)方案。 設(shè)計(jì)的本質(zhì)：設(shè)計(jì)的本質(zhì)：創(chuàng)新 設(shè)計(jì)的目的：設(shè)計(jì)的目的：尋求滿足用戶需求的最佳方案。2 設(shè)計(jì)方法學(xué)：設(shè)計(jì)方法學(xué)：研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)律和方法的一門學(xué)科。 設(shè)計(jì)方法：設(shè)計(jì)方法：理論分析

2、 數(shù)值求解 性能仿真 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)：輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、可靠性設(shè)計(jì)。3 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：利用計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段，對(duì)產(chǎn)品整個(gè)過(guò)程中 的信息進(jìn)行分析和處理，生成和運(yùn)用各種數(shù)學(xué)信息和圖形信息進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。機(jī)電系-機(jī)械教研室4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程任務(wù)規(guī)劃階段概念設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段詳細(xì)設(shè)計(jì)階段定型生產(chǎn)階段機(jī)電系-機(jī)械教研室5 設(shè)計(jì)任務(wù)分類：設(shè)計(jì)任務(wù)分類： 功能設(shè)計(jì) 布局設(shè)計(jì) 參數(shù)設(shè)計(jì) 公差設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)類型：設(shè)計(jì)類型：新設(shè)計(jì) 、適應(yīng)性設(shè)計(jì) 、 參數(shù)化設(shè)計(jì)。機(jī)電系-機(jī)械教研室二二 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)1 內(nèi)涵內(nèi)涵 概念產(chǎn)品：概念產(chǎn)品：對(duì)設(shè)

3、計(jì)目標(biāo)的第一次結(jié)構(gòu)化的、基本的、粗略的但卻是全面的展示。（設(shè)計(jì)自由度大、最復(fù)雜、最重要、最有決定意義） 概念設(shè)計(jì)完成6070%的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，占2030%的成本和時(shí)間。2 概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) 原理方案設(shè)計(jì)技術(shù) 概念設(shè)計(jì)建模技術(shù) 設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù) 并行和協(xié)同概念設(shè)計(jì)技術(shù)3 基于知識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新方案基于知識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新方案 知識(shí)手冊(cè)、技能、經(jīng)驗(yàn)、原理、規(guī)范等已有知識(shí)。 知識(shí)工程（KE）機(jī)電系-機(jī)械教研室 產(chǎn)品設(shè)計(jì)分類與創(chuàng)新分類： 漸進(jìn)性產(chǎn)品創(chuàng)新 根本性產(chǎn)品創(chuàng)新 基于功能分解與重組的創(chuàng)新方法 步驟：功能分類、功能分析、功能綜合、功能評(píng)價(jià)4 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的美學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的美學(xué)設(shè)計(jì) 適應(yīng)

4、使用者的美學(xué)感覺(jué)美學(xué)感覺(jué)、人體工程人體工程設(shè)計(jì)。 方案：考慮產(chǎn)品的造型造型、質(zhì)感質(zhì)感、色彩色彩等 色彩渲染、光照處理等技術(shù)。機(jī)電系-機(jī)械教研室三三 參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì) 探索以繼承為基礎(chǔ)的快速設(shè)計(jì)方法、原理和規(guī)范。1 概念概念 參數(shù)化設(shè)計(jì)：參數(shù)化設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)圖形拓?fù)潢P(guān)系不變，尺寸形狀由一組參數(shù)進(jìn)行約束，參數(shù)與圖形的控制尺寸顯式對(duì)應(yīng)，即不同參數(shù)值驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生不同大小的幾何圖形。 變量化設(shè)計(jì)：變量化設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)圖形包括拓?fù)潢P(guān)系，設(shè)計(jì)結(jié)果受到一組約束方程的控制和驅(qū)動(dòng)，其圖形修改的自由度不僅是尺寸形狀參數(shù)。 模塊化設(shè)計(jì)：模塊化設(shè)計(jì)：在對(duì)產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)一系列相對(duì)通用的功能模塊模

5、塊。通過(guò)功能模塊的選擇與組合選擇與組合可構(gòu)成不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品。 文獻(xiàn)：機(jī)電系-機(jī)械教研室尺寸驅(qū)動(dòng)拓?fù)渑帕凶兓瘷C(jī)電系-機(jī)械教研室2 參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法 建立模型過(guò)程中，直接將參數(shù)序列定義其中。 繪制草圖，然后再加約束、定義參數(shù)。 對(duì)定型、常用的產(chǎn)品圖形，將模型建成參數(shù)化圖素。 3 變量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理變量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理 整體求解法 局部求解法 幾何推理法 輔助線求解法 見(jiàn)參數(shù)化繪圖視頻機(jī)電系-機(jī)械教研室4 模塊化設(shè)計(jì)方法模塊化設(shè)計(jì)方法模塊化分類： 新產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì) 變型產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì) 現(xiàn)有產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)橫系列模塊化設(shè)計(jì)縱系列模塊化設(shè)計(jì)跨系列模塊化設(shè)

6、計(jì)模塊化設(shè)計(jì)過(guò)程：見(jiàn)p56模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵： 市場(chǎng)調(diào)研與分析 模塊的劃分 模塊標(biāo)準(zhǔn)化 擬定產(chǎn)品系列型譜 模塊的管理機(jī)電系-機(jī)械教研室四四 可視化技術(shù)可視化技術(shù) 將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息、科學(xué)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等表現(xiàn)為人的視覺(jué)可以感受的計(jì)算機(jī)圖像。 包括：圖形生成技術(shù)與算法、圖像變換技術(shù)、真實(shí)感圖形顯示技術(shù)、科學(xué)計(jì)算的可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。1 圖形生成技術(shù)與算法圖形生成技術(shù)與算法 基于圖像設(shè)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(yùn)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(guò)度、光

7、順、修改等）交、并、差等集合運(yùn)算點(diǎn)陣字符、圖形實(shí)體字符、輪廓字型法等機(jī)電系-機(jī)械教研室2 圖形變換技術(shù)圖形變換技術(shù)1）窗口、視區(qū)變換）窗口、視區(qū)變換 結(jié)論：結(jié)論：視區(qū)不變，窗口放大或縮小時(shí)，顯示的圖形會(huì)有伸縮變化。 窗口不變，視區(qū)放大或縮小時(shí)，顯示的圖形會(huì)有伸縮變化。 視區(qū)縱橫比不等于窗口縱橫比時(shí)，顯示的圖形會(huì)有伸縮變化。 窗口與視區(qū)大小相同，坐標(biāo)原點(diǎn)也相同時(shí)，顯示的圖形不變。變換公式變換公式334) 34)(3(112) 12)(1(VWWVVWYYVWWVVWXXRERE機(jī)電系-機(jī)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(shí)現(xiàn)不同的圖形變換，其中：左上角的4個(gè)元素（a、b、c、d）實(shí)現(xiàn)比例變換、對(duì)稱變換、旋轉(zhuǎn)變換、錯(cuò)切變換等;右上角的2個(gè)元素（p、q）實(shí)現(xiàn)透視變換;左下角的2個(gè)元素（l、m）實(shí)現(xiàn)平移變換;右下角的1個(gè)元索（s）實(shí)現(xiàn)全圖的等比例變換。 結(jié)論：圖形的主要工作就是求解實(shí)現(xiàn)所要求的圖形變換的變換矩陣M。 機(jī)電系-機(jī)械教研室機(jī)電系-機(jī)械教研室機(jī)電系-機(jī)械教研室機(jī)電系-機(jī)械教研室 復(fù)合變換復(fù)合變換 例：二維組合變換機(jī)電系-機(jī)械教研室10100011NMT1000cossin0sincos2aaaaT10100013NMT1cossinsincos0cossin0sincos321NaNaMMaN

9、aMaaaaTTTT1將三角形連平移至坐標(biāo)原點(diǎn)。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(zhuǎn)。顯然此變換是圖形旋轉(zhuǎn)的基本變換，變換矩陣寫為：3旋轉(zhuǎn)后的三角形向回平移，使點(diǎn)A回到初始位置。變換矩陣可寫為：三步基本變換的綜合結(jié)果是三角形繞點(diǎn)A逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，其組合變換矩陣為機(jī)電系-機(jī)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(shí)現(xiàn)不同的圖形變換，其中：左上角的9個(gè)元素（a、b、c、d、e、f、g、h、i）實(shí)現(xiàn)比例變換、對(duì)稱變換、旋轉(zhuǎn)變換、錯(cuò)切變換和正投影變換等；右3個(gè)元素（p、q、r）實(shí)現(xiàn)透視變

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

11、標(biāo)比例因子取零，繞X軸旋轉(zhuǎn)90,沿Z向平移。機(jī)電系-機(jī)械教研室3 真實(shí)感圖形顯示技術(shù)真實(shí)感圖形顯示技術(shù)處理技術(shù)：軸測(cè)圖、透視圖、消隱技術(shù)、光照技術(shù)、材質(zhì)處理等。1）軸測(cè)圖）軸測(cè)圖 物體 繞Y軸轉(zhuǎn)角 繞X軸轉(zhuǎn)角 向XOY平面投影一般：正等軸測(cè)投影 =45 =35.27 正二等軸測(cè)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(diǎn)透視、兩點(diǎn)透視、三點(diǎn)透視機(jī)電系-機(jī)械教研室機(jī)電系-機(jī)械教研室3）消隱技術(shù)）消隱技術(shù) 關(guān)鍵：判斷線、面的遮擋，可見(jiàn)與否的檢驗(yàn)。 方法：重疊性檢查、包含性檢查、深度檢查、可見(jiàn)性檢查。4）光照處理技術(shù)）光照處理技術(shù) 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(diǎn)看上去可見(jiàn)的，但從光源看上去不可見(jiàn)的表面位于陰影內(nèi)。機(jī)電系-機(jī)械教研室4 數(shù)據(jù)可視化技術(shù)數(shù)據(jù)可視化技術(shù) 定義：定義：運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。 發(fā)展：發(fā)展：計(jì)算數(shù)據(jù)可視化 工程數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)可視化 信息可視化機(jī)電系-機(jī)械教研室5 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義：定義：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual