計算機輔助制造03課件

1、計算機輔助制造03計算機輔助制造033.1 概述計算機輔助產(chǎn)品設計：將計算機科學與工程領域的專業(yè)技術以及人的智慧和經(jīng)驗以現(xiàn)代科學方法為指導結合起來，在設計的全過程中各盡所長，盡可能地利用計算機系統(tǒng)來完成那些重復性高、勞動量大、計算復雜以及單純靠人工難以完成的工作，輔助而非代替工程技術人員完成整個設計過程。設計過程需要合理化、科學化、算法化、規(guī)律化3.1 概述計算機輔助產(chǎn)品設計：3.2 計算機輔助設計過程分析一、設計過程及階段劃分1.任務規(guī)劃階段2.概念設計階段3.結構設計階段4.詳細設計階段5.定型生產(chǎn)階段3.2 計算機輔助設計過程分析一、設計過程及階段劃分3.3 計算機輔助概念設計一、產(chǎn)品概

2、念設計內(nèi)涵二、概念設計的過程模型三、計算機輔助概念設計的關鍵技術四、基于知識的產(chǎn)品創(chuàng)新設計五、產(chǎn)品概念設計中的美學設計3.3 計算機輔助概念設計一、產(chǎn)品概念設計內(nèi)涵一、產(chǎn)品概念設計內(nèi)涵概念設計是由分析用戶需求到生成概念產(chǎn)品的一系列有序的、可組織的、有目標的設計活動，它表現(xiàn)為一個由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具體、不斷進化的過程。 產(chǎn)品設計的60%70%成本和時間占20%以下一、產(chǎn)品概念設計內(nèi)涵概念設計二、概念設計的過程模型D=I,P,Q,O,例如：P2為概念設計過程=需求分析，功能求解，尋求子原理解，概念產(chǎn)品評價Q2=需求說明書，功能解答，原理解答，概念產(chǎn)品解答概念設計的特點：方案選擇自由度

3、大，創(chuàng)新空間大，決策風險大，決定產(chǎn)品最終價值的80%。二、概念設計的過程模型D=I,P,Q,O,計算機輔助概念設計定義：以計算機為手段從事符合人類進行產(chǎn)品創(chuàng)新設計的思維過程，支持產(chǎn)品概念設計及設計決策。人機工作分配：計算機：有規(guī)律的設計工作，創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在依據(jù)規(guī)則和知識對問題求解的分析綜合。人：原創(chuàng)性的設計工作計算機輔助概念設計定義：三、計算機輔助概念設計的關鍵技術原理方案設計技術概念設計建模技術設計創(chuàng)新技術并行和協(xié)同概念設計技術三、計算機輔助概念設計的關鍵技術原理方案設計技術四、基于知識的產(chǎn)品創(chuàng)新設計概念設計本質：推理與決策的過程概念設計的基礎：應用合理有效的知識處理（表達、獲取、推理），

4、進行創(chuàng)新創(chuàng)新設計方法：基于功能分解與重組的設計方法TRIZ理論四、基于知識的產(chǎn)品創(chuàng)新設計概念設計本質：推理與決策的過程五、產(chǎn)品概念設計中的美學設計概念車五、產(chǎn)品概念設計中的美學設計概念車概念車概念車3.4 參數(shù)化與模塊化設計一、 參數(shù)化與模塊化設計概念二、 參數(shù)化、變量化設計的實現(xiàn)方法三、模塊化設計方法3.4 參數(shù)化與模塊化設計一、 參數(shù)化與模塊化設計概念一、 參數(shù)化與模塊化設計概念研究目的：將只有幾何圖素的“死圖”變?yōu)楹O計構思、設計信息的產(chǎn)品幾何模型。1.參數(shù)化和變量化設計的基本概念參數(shù)化設計 是指設計圖形拓樸關系不變，尺寸形狀由一組參數(shù)進行約束，參數(shù)與圖形的控制尺寸有顯式對應，不同的參數(shù)

5、值產(chǎn)生不同的圖形。適應于規(guī)格化、系列化產(chǎn)品設計。變量化設計 是指設計圖形的修改自由度不僅是尺寸形狀參數(shù)，還有拓樸結構關系，甚至工程計算條件，設計結果受到一組約束方程控制和驅動。適應新產(chǎn)品的開發(fā)。相同：在約束的基礎上驅動產(chǎn)生新的設計結果不同：約束自由度的范圍。參數(shù)化設計方法中要嚴格的逐個連續(xù)求解參數(shù)；變量化設計中則是方程式的聯(lián)立求解。一、 參數(shù)化與模塊化設計概念研究目的：2.模塊化設計的基本概念概念：對產(chǎn)品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列相對通用的功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求。例如：組合夾具、系列化機床、家具2.模

6、塊化設計的基本概念概念：衣櫥模塊化設計衣櫥模塊化設計衣櫥模塊化設計衣櫥模塊化設計二、 參數(shù)化、變量化設計的實現(xiàn)方法（一）參數(shù)化設計的實現(xiàn)方法1.參數(shù)化設計的步驟2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義3.參數(shù)化繪圖實現(xiàn)方式4.參數(shù)取值方式（二）變量化設計的實現(xiàn)原理1.整體求解法2.局部求解法3.幾何推理法4.輔助線求解法二、 參數(shù)化、變量化設計的實現(xiàn)方法（一）參數(shù)化設計的實現(xiàn)方法1.參數(shù)化設計的步驟建立幾何拓樸模型進行參數(shù)化定義推導參數(shù)表達式編制程序1.參數(shù)化設計的步驟建立幾何拓樸模型2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義注重參數(shù)序列的設計含義參數(shù)標標注與工程圖標注一致參數(shù)序列與幾何圖形尺寸序列數(shù)據(jù)結構具有對應

7、關系工程圖中的關鍵尺寸應作為自變量參數(shù)參數(shù)定義不能出現(xiàn)過約束2.幾何圖形的參數(shù)化分析與定義注重參數(shù)序列的設計含義例 參數(shù)化繪圖一般繪圖：計算各點坐標值，逐點連線參數(shù)化繪圖：參數(shù)化定義與標注例 參數(shù)化繪圖一般繪圖：計算各點坐標值，逐點連線參數(shù)化繪計算機輔助制造033.參數(shù)化繪圖實現(xiàn)方式建立模型過程中，直接將參數(shù)序列定義其中；利用草圖器繪制草圖，然后再加約束，定義參數(shù)；對成熟的、定型的、常用的產(chǎn)品圖形，將模型建成參數(shù)化圖素。3.參數(shù)化繪圖實現(xiàn)方式建立模型過程中，直接將參數(shù)序列定義其中4.參數(shù)取值方式設置缺省尺寸值預先設計建立系列化變量值表，繪圖時從表中取值由用戶實時修改輸入4.參數(shù)取值方式設置缺省

8、尺寸值（二）變量化設計的實現(xiàn)原理本質 是在數(shù)字化建模時動態(tài)地建立、編輯和識別約束，并在此約束下求解各特征點。整體求解法 將幾何約束轉變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c為變元的非線性方程組的方法局部求解法 作圖過程中同步建立結構圖形約束的方法幾何推理法 采用謂詞表示幾何約束，在專家系統(tǒng)的支持下，求出求和約束，檢查約束模型的有效性輔助線求解法 用輔助線作為隱含約束的方法，所有作圖形都建筑在輔助線的基礎上。（二）變量化設計的實現(xiàn)原理本質 是在數(shù)字化建模時動態(tài)地建立參數(shù)化、變量化對比參數(shù)化記錄建模過程和其中的變量，是順序化的。速度快。但用戶必須提供幾何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定義下一個元素。變量化模型的驅動

9、尺寸用復雜的方程組來表達，通過求解聯(lián)立方程組來得到結果。允許用戶不必關心約束設置的順序，允許欠約束的幾何設計。變量化系統(tǒng)是對逐漸用屬性進行約束的自由輪廓進行求解，而不是對造型步驟進行記錄。參數(shù)化、變量化對比參數(shù)化三、模塊化設計方法新產(chǎn)品模塊化設計變型產(chǎn)品模塊化設計現(xiàn)有產(chǎn)品模塊化改造設計三、模塊化設計方法新產(chǎn)品模塊化設計設計過程1.新產(chǎn)品模塊化設計市場調研功能分析模塊化產(chǎn)品總體設計模塊劃分模塊劃分方案初步評價各模塊詳細設計模塊綜合產(chǎn)品性能分析模塊設計方案詳細評價編寫技術文件2.變型產(chǎn)品模塊化設計用戶需求分析查詢模塊庫模塊選擇與替換/設計新模塊模塊組合產(chǎn)品性能分析編寫技術文件設計過程1.新產(chǎn)品模塊

10、化設計2.變型產(chǎn)品模塊化設計3.現(xiàn)有產(chǎn)品的模塊化改造設計過程市場調研用戶需求分析與分類擬定產(chǎn)品系列型譜參數(shù)范圍及主參數(shù)確定已有產(chǎn)品的模塊化分析與模塊化程度評價確定模塊化系列類型（橫、縱、跨、全）模塊劃分各模塊詳細設計模塊綜合產(chǎn)品性能分析編寫技術文件3.現(xiàn)有產(chǎn)品的模塊化改造設計過程模塊化設計的關鍵市場調查與分析模塊的劃分模塊標準化擬定產(chǎn)品系列型譜模塊的管理模塊化設計的關鍵市場調查與分析3.5 產(chǎn)品設計的可視化技術一、圖形生成技術與算法二、圖形變換技術三、真實感圖形顯示技術四、數(shù)據(jù)可視化技術3.5 產(chǎn)品設計的可視化技術一、圖形生成技術與算法一、圖形生成技術與算法1. 基本圖形元素的生成算法2.自由

11、曲線和曲面的生成3.圖形元素的求交以及集合運算4.不同字體中、西文的點陣表示及矢量字符的生成一、圖形生成技術與算法1. 基本圖形元素的生成算法基本圖形元素的生成算法直線DDA、Bresenham算法圓弧正負法、多邊形逼近法區(qū)域填充多邊填充種子填充基本圖形元素的生成算法直線自由曲線和曲面的生成規(guī)則曲線、曲面按參數(shù)方程畫出不規(guī)則曲線、曲面離散數(shù)據(jù)插值曲線擬合（例如貝塞爾曲線）自由曲線和曲面的生成規(guī)則曲線、曲面圖形元素的求交以及集合運算幾何運算：求交運算 面面，面線，線線檢驗幾何元素位置的運算點在線，點在面，點在物體幾何建模拼合算法幾何運算核心基礎圖形元素的求交以及集合運算幾何建模拼合算法幾何運算核

12、心基礎不同字體中、西文點陣表示及矢量字符生成字符庫儲存了每個字符的形狀信息分類：矢量型點陣型字型壓縮技術不同字體中、西文點陣表示及矢量字符生成字符庫二、圖形變換技術（一）窗、視變換（二）圖形幾何變換的基本原理（三）二維圖形的幾何變換（四）三維圖形的幾何變換二、圖形變換技術（一）窗、視變換（一）窗、視變換窗口定義：用戶在輸入的圖形選定的觀察區(qū)域屬性：坐標 二維平面的矩形區(qū)域?？梢娦?矩形內(nèi)可見，外不可見窗口可以嵌套異形窗口（一）窗、視變換窗口視口定義：在圖形輸出設備上所復制的窗口內(nèi)容的矩形區(qū)域屬性：坐標 二維平面的矩形區(qū)域。視區(qū)可以嵌套視口窗口、視口示意圖窗口、視口示意圖窗視變換定義：由于窗口和

13、視區(qū)大小和單位的不一致，為在視區(qū)中表現(xiàn)窗口內(nèi)容，將窗口圖形坐標應變換到視區(qū)中。屬性：視區(qū)和窗口的縮小和放大均可使圖形產(chǎn)生變化。視區(qū)縱橫比不等于窗口縱橫比時，顯示的圖形會有伸縮變化窗口和視區(qū)大小相同、坐標相同時，顯示的圖形不變窗視變換窗、視變換示意圖（XR,YR）（XE,YE）窗、視變換示意圖（XR,YR）（XE,YE）視區(qū)不變、窗口縮小，圖形放大視區(qū)不變、窗口縮小，圖形放大（二）圖形幾何變換的基本原理基本思想：任何一個圖形都可以認為是點之間的連線構成的。對于一個圖形作幾何變換，實際上就是對一系列點進行變換。引入齊次坐標，變換算法可用矩陣表達點p的幾何變換：(x, y, z, 1)=(x, y,

14、 z, 1)M圖形的幾何變換：V = V M對于二維圖形M是33階矩陣，三維圖形M是44階矩陣變換類型比例變換、對稱變換、錯切變換、旋轉變換、平移變換（二）圖形幾何變換的基本原理基本思想：（三）二維圖形的幾何變換圖形的變換完全取決于變換矩陣中各元素的取值。一個二維變換矩陣可分為四個部分，即其中：A、B、C、D：比例、對稱、錯切、旋轉M、N：平移P、Q：透視S：全比例變換（三）二維圖形的幾何變換圖形的變換完全取決于變換矩陣中各元素比例變換比例變換對稱變換對稱變換錯切變換錯切變換旋轉變換旋轉變換平移變換22階變換矩陣不能實現(xiàn)平移，需引入齊次坐標。齊次坐標：將一個n維分向量用n+1維的分向量來表示平

15、移變換22階變換矩陣不能實現(xiàn)平移，需引入齊次坐標。復合變換實際圖形變換是相對于任意點或線的變換。復合變換過程平移變換再平移注意： 復合變換矩陣的求解順序不能任意變動復合變換實際圖形變換是相對于任意點或線的變換。（四）三維圖形幾何變換（1）三維幾何變換矩陣M：左上角：比例、對稱、錯切、旋轉左下角：平移右上角：透視右下角：全比例（四）三維圖形幾何變換（1）三維幾何變換矩陣M：（四）三維圖形幾何變換（2）三維比例變換三維對稱變換對XOY平面的對稱變換對YOZ平面的對稱變換對XOZ平面的對稱變換三維錯切變換三維平移變換三維旋轉變換繞Z軸旋轉的變換矩陣繞X軸旋轉的變換矩陣繞Y軸旋轉的變換矩陣（四）三維圖

16、形幾何變換（2）三維比例變換（四）三維圖形幾何變換（3）三面投影變換(1) 主視圖變換矩陣(2) 俯視圖變換矩陣(3) 左視圖變換矩陣（四）三維圖形幾何變換（3）三面投影變換三、真實感圖形顯示技術三、真實感圖形顯示技術真實感圖形技術真實感圖形：經(jīng)過消隱、著色、渲染等效果處理的圖形。技術內(nèi)容：觀察空間轉換（三維實體的二維表示技術：軸側圖、透視圖，增強立體感）消隱（面的可見性、包含性、深度檢驗）明暗效應（明暗效應數(shù)學模型：以數(shù)學公式近似表面感光效果）陰影（二次消隱：光源消隱，視點消隱）紋理處理、光線跟蹤、輻射度、透明度真實感圖形技術真實感圖形：1.軸測圖使物體連同它的三個坐標軸同時傾斜于某一個投影

17、面，然后向該投影面投影就得到了軸測圖。軸測投影變換：先繞Y軸旋轉角在繞X軸旋轉角最后向XOY平面投影1.軸測圖使物體連同它的三個坐標軸同時傾斜于某一個投影面，然2.透視圖表達的物體圖形有一種漸遠漸小的深度感，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。滅點： 任何一束不平行于投影面的平行線的透視投影將匯聚成的一點主滅點：坐標軸上的滅點，數(shù)量是與投影平面切割坐標軸的數(shù)量相對應。2.透視圖表達的物體圖形有一種漸遠漸小的深度感，是一種與人的分類：一點透視、二點透視、三點透視透視投影：一個圖形的點集以透視變換矩陣投影到XOY面就得透視投影。分類：3.線框圖和消隱圖3.線框圖和消隱圖4.移動光源效果4.移動光源效果5.陰影5.陰影四、數(shù)據(jù)可視化技術Data Visualization含義：運用計算機圖形學和圖像處理技術，將數(shù)據(jù)轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。包括：科學計算數(shù)據(jù)的可視化、工程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的可視化、信息可視化核心：三維空間數(shù)據(jù)場的顯示算法中間幾何圖素法體繪制技