現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法第2章-CAD

第二章計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)2.1概述CAD是采用計(jì)算機(jī)硬件與軟件系統(tǒng)輔助人們對(duì)產(chǎn)品或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析、文檔制作等設(shè)計(jì)活動(dòng)，是一種新的設(shè)計(jì)方法，也是一門多學(xué)科綜合應(yīng)用技術(shù)。一般把應(yīng)用于CAD作業(yè)的計(jì)算機(jī)〔中、小型或微型計(jì)算機(jī)等〕、軟件〔計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)、圖形支撐軟件和專業(yè)應(yīng)用軟件等〕及外圍設(shè)備〔打印機(jī)和繪圖儀等〕，總稱為CAD系統(tǒng)。當(dāng)前，CAD的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：工程設(shè)計(jì)與分析、幾何造型、繪圖、工程數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)文檔。1.工程計(jì)算與分析在產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)中，往往包含著大量而復(fù)雜的分析計(jì)算工作。如產(chǎn)品性能分析、強(qiáng)度及剛度計(jì)算、機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算等。CAD系統(tǒng)往往包含或者連接某些功能強(qiáng)大的工程分析軟件，如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析等軟件，利用這些軟件可以對(duì)機(jī)械零件以及整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場以及流體內(nèi)部的壓力場、速度場等的分析計(jì)算，從而大大提高設(shè)計(jì)精度。2.幾何造型把物體的形狀及其屬性轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的內(nèi)部表示。對(duì)于機(jī)械CAD系統(tǒng)，幾何造型是其核心功能。幾何造型分為線框幾何造型、外表幾何造型、實(shí)體幾何造型和特征造型。3.繪圖繪圖工作量占設(shè)計(jì)工作的50-60﹪，用計(jì)算機(jī)繪圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖可提高速度和質(zhì)量，是CAD技術(shù)的重要應(yīng)用。4.工程數(shù)據(jù)庫在產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)中的信息量很大，信息的形式、屬性、關(guān)系復(fù)雜多樣。CAD中利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立各種數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一管理工程數(shù)據(jù)和圖形，為設(shè)計(jì)過程提供各種根本數(shù)據(jù)及保存結(jié)果。5.設(shè)計(jì)文檔許多設(shè)計(jì)屬性需制成文檔說明或輸出報(bào)表，有些設(shè)計(jì)參數(shù)需用文檔直方圖、餅圖或線圖等表示，由專門軟件完成。CAD技術(shù)的主要特點(diǎn)1〕制圖速度快，減少手工繪圖時(shí)間，提高了工作效率；2〕圖形格式統(tǒng)一，質(zhì)量高，促進(jìn)設(shè)計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化；3〕提高分析計(jì)算速度，能解決復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算問題；4〕易于技術(shù)資料的保存及查找，修改設(shè)計(jì)快，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期；5〕設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)估產(chǎn)品性能。采用CAD技術(shù)確實(shí)能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)本錢，從而加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，使企業(yè)保持良好的競爭能力。但也要看到，采用CAD技術(shù)會(huì)給企業(yè)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)和問題，如投資大，需要投入一大筆資金購置軟、硬件及支付培訓(xùn)和開發(fā)費(fèi)用；一般不能在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生效益，因此有些企業(yè)望而卻步；還有需要一批掌握CAD技術(shù)的、具有良好素質(zhì)的工程技術(shù)人員隊(duì)伍，對(duì)原有的技術(shù)人員需要培訓(xùn)，這也是影響企業(yè)能否有效使用CAD技術(shù)的一個(gè)重要因素。CAD的工作過程CAD不是完全的設(shè)計(jì)自動(dòng)化。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，完全設(shè)計(jì)自動(dòng)化是非常困難的。CAD是將人的主導(dǎo)型與創(chuàng)造性放在首位，同時(shí)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的長處，使二者有機(jī)地結(jié)合起來，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)費(fèi)用。因此，人-機(jī)信息交流以及交互工作方式是CAD系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)。假定概念設(shè)計(jì)已經(jīng)完成過，于是首先定義產(chǎn)品的幾何模型，進(jìn)行零件的外形設(shè)計(jì)，一般用實(shí)體造型的方法建立零件的立體圖形，從各個(gè)方向觀察它的外觀造型、大小比例和色彩等是否符合要求，感到滿意后，將其轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)據(jù)；然后根據(jù)后續(xù)工作抽取模型中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如變成有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)，接著進(jìn)行工程分析及計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果斷定是否要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，修改滿意后進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，接著編制全部設(shè)計(jì)文檔，輸出工程圖。現(xiàn)代CAD過程往往與計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)〔CAPP〕與數(shù)控〔NC〕自動(dòng)編程連在一起，形成自動(dòng)的CAD/CAM系統(tǒng)。CAPP的功能是進(jìn)行零件加工工藝路線及工序的編制，它的作用除為生產(chǎn)調(diào)度及控制提供信息外，也為NC自動(dòng)編程提供所需信息。NC自動(dòng)編程局部生成刀具加工軌跡并在屏幕上進(jìn)行加工仿真，檢查無誤后，經(jīng)后置處理生成加工代碼，控制機(jī)床進(jìn)行加工。CAD系統(tǒng)的分類〔1〕集中式主機(jī)系統(tǒng)：該系統(tǒng)由一臺(tái)集中式的大型機(jī)〔或中型、小型機(jī)〕與假設(shè)干圖形終端連接而成。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：有一個(gè)集中的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理所有的數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是由于所有軟件都存在主機(jī)里，一旦主機(jī)失誤，將影響用戶工作?！?〕分布式工程工作站系統(tǒng)：以一臺(tái)主效勞器為中心將假設(shè)干臺(tái)工程工作站或微機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。這種CAD系統(tǒng)的圖形功能強(qiáng)，速度快，內(nèi)存、外存容量大，是從事CAD課題的首選設(shè)備。〔3〕微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：個(gè)人計(jì)算機(jī)〔PC〕CAD系統(tǒng)的硬件和軟件硬件：主機(jī)、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備等組成。軟件：系統(tǒng)軟件、支撐軟件和專業(yè)應(yīng)用軟件等組成。硬件是實(shí)現(xiàn)CAD各項(xiàng)功能的物質(zhì)根底。但是，使硬件各個(gè)元件能進(jìn)行正確的協(xié)同工作，卻是由軟件程序的控制、指揮來實(shí)現(xiàn)的。軟件是實(shí)現(xiàn)CAD各項(xiàng)功能技術(shù)的核心。硬件1、主機(jī)：CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器。是控制和指揮整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行并執(zhí)行實(shí)際運(yùn)算、邏輯分析的裝置，是系統(tǒng)的核心。2、輸入設(shè)備：主要作用是將字符、平面上或空間中點(diǎn)的坐標(biāo)輸入計(jì)算機(jī)，其根本功能是“定位〞和“拾取〞。定位是確定和控制光標(biāo)在屏幕圖形上的位置，拾取是選取屏幕圖形上的某一內(nèi)容。3、輸出設(shè)備：將計(jì)算結(jié)果輸出到屏幕上或紙面上，一般分為兩類：一類是與圖形輸入設(shè)備相結(jié)合，構(gòu)成具有交互功能的可以快速生成和修改圖形的顯示設(shè)備；另一類是在紙或其它介質(zhì)上輸出的可以永久保存圖形的繪圖設(shè)備。4、存儲(chǔ)設(shè)備：主要是指外存儲(chǔ)器，是用來存放大量的暫時(shí)不用而等待調(diào)用的程序和數(shù)據(jù)的裝置。軟件1、系統(tǒng)軟件：是直接配合硬件工作，并對(duì)其它軟件起著支撐作用的軟件，主要包括操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)語言、網(wǎng)絡(luò)通信及管理軟件、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理軟件。2、支撐軟件：是指支撐用戶進(jìn)行CAD工作的通用性功能軟件，主要包括根本圖形資源軟件、二維三維繪圖軟件、幾何造型軟件、工程分析及計(jì)算軟件、文檔制作軟件。3、專用應(yīng)用軟件：是專門為適應(yīng)用戶特定使用條件需要而開發(fā)的軟件。軟件工程簡介軟件工程就是采用工程化的方法進(jìn)行軟件開發(fā)。一套軟件系統(tǒng)從研制開始到最后放棄，整個(gè)生存周期大致可以劃分為以下幾個(gè)階段：1、需求分析和可行性研究階段2、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段3、程序設(shè)計(jì)及編寫階段4、軟件測試階段5、使用與維護(hù)階段此模式的特點(diǎn)是按照軟件生存周期各階段的流程、逐步按照軟件工程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)開發(fā)。另一種開發(fā)模式：“原型系統(tǒng)〞法。2.2工程數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，需將設(shè)計(jì)中要引用的工程數(shù)據(jù)〔實(shí)驗(yàn)曲線、圖表、各種標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、零部件模型數(shù)據(jù)和加工工藝數(shù)據(jù)等〕存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存、數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)庫中去，以便在設(shè)計(jì)時(shí)由計(jì)算機(jī)按設(shè)計(jì)要求自動(dòng)檢索，結(jié)合程序進(jìn)行運(yùn)算、加工處理和輸出。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，往往需要從有關(guān)的工程手冊或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中查找各種系數(shù)或數(shù)據(jù)，以獲得各種設(shè)計(jì)資料。一般來說，設(shè)計(jì)資料的處理方法有兩種：〔1〕程序化：即在應(yīng)用程序內(nèi)部對(duì)這些表及線圖進(jìn)行查表、處理或計(jì)算。具體的方法有兩種：第一種是將數(shù)表中的數(shù)據(jù)或線圖經(jīng)離散化后存入一維、二維或三維數(shù)組。用查表、插值等方法檢索所需數(shù)據(jù)；第二種是將數(shù)表或線圖擬合成公式，編入程序計(jì)算出所需數(shù)據(jù)。〔2〕數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)：將數(shù)表及線圖〔經(jīng)離散化〕中的數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)庫的規(guī)定進(jìn)行文件結(jié)構(gòu)化，如確定文件名、字段名、字段類型、字段寬度等，存放在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)獨(dú)立于應(yīng)用程序，但又能為所有應(yīng)用程序提供效勞。一、數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)是與現(xiàn)實(shí)世界中的某些客觀實(shí)體相關(guān)。實(shí)體可以是某些具體的東西，也可以是可觸及的抽象概念。我們把實(shí)體的特征稱之為屬性，標(biāo)識(shí)屬性的名稱稱之為屬性名。每個(gè)屬性所能測量或記錄的值稱之為屬性值。數(shù)據(jù)是描述客觀實(shí)體的數(shù)值、字符及其它符號(hào)的集合。如齒輪是個(gè)實(shí)體，由編號(hào)、模數(shù)、齒數(shù)、外徑、材料牌號(hào)等幾個(gè)屬性描述。零件號(hào)材料牌號(hào)模數(shù)mm齒數(shù)外徑mm孔徑mm齒寬mm106845324782530.0.....................304540Cr4281203035.0如P13平鍵是個(gè)實(shí)體，由軸徑、鍵寬、鍵高、軸、輪轂等幾個(gè)屬性描述：軸徑d鍵寬b鍵高h(yuǎn)軸t輪轂t1

>6~8221.21.0>8~10331.81.4>10~12442.51.8>12~17553.02.3>17~22663.52.8>22~30874.03.3>30~381085.03.3>38~441285.03.3>44~501495.53.8>50~5816106.04.3從復(fù)雜性或?qū)哟渭?jí)別來看，我們可將數(shù)據(jù)分為以下幾種形式：1).字段 字段是數(shù)據(jù)中最根本的用來描述實(shí)體某個(gè)屬性的數(shù)據(jù)元素，也稱數(shù)據(jù)項(xiàng)，如一個(gè)零件名稱或材料牌號(hào)(如40Cr)。2).記錄 描述某個(gè)實(shí)體各個(gè)屬性字段的集合，上表中每行各個(gè)字段的集合就構(gòu)成了一條記錄。3).文件(記錄的集合) 相同性質(zhì)記錄的集合就是文件。如一臺(tái)機(jī)器中各個(gè)齒輪的記錄集合就組成了這臺(tái)機(jī)器的齒輪文件。

4).數(shù)據(jù)庫 一個(gè)組織內(nèi)的數(shù)據(jù)庫就是指其全部文件的集合，一般還包括對(duì)這些文件的組合管理，以便減少某些文件中的重復(fù)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)文件間的聯(lián)系。二、數(shù)據(jù)公式化在實(shí)際工程應(yīng)用問題中，常將通過實(shí)驗(yàn)得到的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后再根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)公式。這樣的過程稱為數(shù)據(jù)公式化，或稱曲線擬合。最小二乘曲線擬合最小二乘原理：在給出的觀測數(shù)據(jù)(xk,yk)(k=0,1,2,…,m)作擬合曲線時(shí)，使各觀測數(shù)據(jù)與擬合曲線的偏差的平方和最小。用最小二乘原理作為衡量“曲線擬合優(yōu)劣〞的準(zhǔn)那么，稱為曲線擬合的最小二乘法。m個(gè)觀測數(shù)據(jù)(xk,yk)(k=0,1,2,…,m)，用一個(gè)n+1次多項(xiàng)式Pn(x)擬合(n<<m)。設(shè)方程式的形式為：那么函數(shù)值與觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的偏差為： Dk=Pn(xk)–yk采用最小二乘原理，偏差的平方和為：多項(xiàng)式擬合線擬合問題可歸納為多元函數(shù)極值問題，令

得siti

解出n+1個(gè)獨(dú)立方程，可求得多項(xiàng)式Pn(x)中的各個(gè)系數(shù)ai，得到擬合曲線：

Pn(x)=a0+a1x+a2x2+…+anxn舉例說明最小二乘法的用法設(shè)多項(xiàng)式形式為：

經(jīng)實(shí)際測量，某發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速N與軸上轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系如表所示：轉(zhuǎn)速N(r/min)800120016002000240028003200轉(zhuǎn)矩T(N.m)12.513.113.514.114.214.414.1轉(zhuǎn)速N(r/min)36004000440048005200轉(zhuǎn)矩T(N.m)13.813.012.211.39.8T=10.761+0.0024N-3×10-7N2-4×10-11N3

三、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)，是對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象及元素之間相互關(guān)系的描述?！策壿嫿Y(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)〕1、數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)如車床的分級(jí)結(jié)構(gòu)圖，反映了一種邏輯上的結(jié)構(gòu)關(guān)系。將數(shù)據(jù)元素之間可以抽象出的這種獨(dú)立于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)的邏輯關(guān)系稱為邏輯結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)的兩種表示方法1〕圖形表示。把數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系用符號(hào)組成的圖表示，記錄歸結(jié)為圖上的結(jié)點(diǎn)，用圓或方框表示，兩記錄之間關(guān)系用連線表示。2〕關(guān)系表示。用關(guān)系代數(shù)的方法描述數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)間的關(guān)系。數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系的分類〔數(shù)據(jù)模型〕1〕層次型結(jié)構(gòu)表示層次的邏輯關(guān)系，常稱之為樹結(jié)構(gòu)，如機(jī)床組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是一種樹結(jié)構(gòu)。樹結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：下一層中的結(jié)點(diǎn)只能有一邊與它上一層的一個(gè)結(jié)點(diǎn)相連，上一層中的結(jié)點(diǎn)那么可與它下一層的幾個(gè)結(jié)點(diǎn)相連，最高一層的結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，稱為樹根。它表達(dá)了記錄間“一對(duì)多〞的關(guān)系。層次型結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，清晰的特點(diǎn)，適用于記錄之間本身就存在一種自然的層次關(guān)系，但它難以處理記錄之間復(fù)雜的關(guān)系。2)網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是比樹狀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的一類結(jié)構(gòu)。與樹狀結(jié)構(gòu)相比，下一層結(jié)點(diǎn)與上一層幾個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)相連。結(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系是任意的。它表達(dá)了事物間的“多對(duì)多〞的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)能處理事物之間非常復(fù)雜的聯(lián)系，但其模型結(jié)構(gòu)也是極其復(fù)雜的，層次結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種特例。3〕關(guān)系型結(jié)構(gòu)它是以集合論中的“關(guān)系〞的概念為理論根底，指把信息集合定義為一張二維的組織結(jié)構(gòu)，每一張二維表稱為一個(gè)關(guān)系，表中的每一行為一個(gè)記錄，每一列為數(shù)據(jù)項(xiàng)。關(guān)系型的模型結(jié)構(gòu)比較簡單，但能處理復(fù)雜的事物之間的聯(lián)系，因此關(guān)系型數(shù)據(jù)庫越來越受到人們的普遍重視。名稱圖號(hào)數(shù)量材料固定鉗身021011HT150螺桿02302145鋼活動(dòng)鉗體021031HT1502.數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)都要以一定的形式存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶根據(jù)數(shù)據(jù)間的邏輯結(jié)構(gòu)以一定的語言進(jìn)行構(gòu)造，把數(shù)據(jù)及其關(guān)系按一定的形式存入存儲(chǔ)器，構(gòu)成這些數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)即存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。把邏輯結(jié)構(gòu)表示為物理結(jié)構(gòu)的過程叫“映象〞。在物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)考慮存儲(chǔ)資源的充分利用，減少存取時(shí)間，便于數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和可靠性等問題。四、工程數(shù)據(jù)及其管理系統(tǒng)在現(xiàn)代CAD系統(tǒng)中，為了適應(yīng)CAD作業(yè)的需要，需把各類工程數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文件組織方式建立起數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)。定義：數(shù)據(jù)庫是在文件系統(tǒng)的根底上開展起來的，是一個(gè)通用的、綜合性的、減少冗余度的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有組織的、動(dòng)態(tài)的存儲(chǔ)大量的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問計(jì)算機(jī)軟、硬件資源的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)：

(1)數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)獨(dú)立于應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)擴(kuò)充修改并不需要相應(yīng)地修改應(yīng)用程序。

(2)同一個(gè)物理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可根據(jù)不同的需要用不同的路徑來存取，因此可根據(jù)實(shí)體對(duì)象的某些屬性來組織數(shù)據(jù)。

(3)同一數(shù)據(jù)可組織在不同文件中，因此每個(gè)數(shù)據(jù)在物理上只需存儲(chǔ)一次，減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ)，充分利用了存儲(chǔ)資源。

(4)數(shù)據(jù)可在記錄或數(shù)據(jù)項(xiàng)的級(jí)別上定地址，使用時(shí)可按地址取得有關(guān)的記錄和數(shù)據(jù)項(xiàng)，不必把整個(gè)文件調(diào)入內(nèi)存，減少了解題時(shí)內(nèi)存的需用量。2.工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(EDBMS)的功能CAD過程中所涉及的數(shù)據(jù)量大，有非圖形數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)，形式多樣，結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，不僅數(shù)據(jù)變化頻繁，而且數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)也會(huì)有所改變。動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，為了有效的存取數(shù)據(jù)，需用EDBMS來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫中工程數(shù)據(jù)的建立，運(yùn)用管理、維護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)。

〔一〕工程數(shù)據(jù)分析

1、管理型數(shù)據(jù)

它主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中所用到的數(shù)據(jù)資料。

2、設(shè)計(jì)型數(shù)據(jù)

它指在工業(yè)設(shè)計(jì)與制造中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

3、圖形數(shù)據(jù)

它包括各種工程圖表、二維工程圖、三維幾何造型等數(shù)據(jù)。

4、各種軟件包

它指一些能夠獨(dú)立處理局部設(shè)計(jì)的工程計(jì)算或圖形處理?！捕持饕攸c(diǎn)1、對(duì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫更新，再組織結(jié)構(gòu)維護(hù)以及性能監(jiān)視等。2、能被多個(gè)工程應(yīng)用程序同時(shí)訪問，而且還為新的應(yīng)用程序的開發(fā)提供環(huán)境。3、模式靈活，能被修改和擴(kuò)充，有較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性。4、提供與高級(jí)語言的接口，支持工程應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問。5、存儲(chǔ)和管理圖形相關(guān)信息，為CAD系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)提供各種視圖。6、復(fù)雜的設(shè)計(jì)任務(wù)按樹形結(jié)構(gòu)分解，劃分成簡單的設(shè)計(jì)步驟處理，再組合完成。2.3圖形的生成與變換

CAD工作中的人機(jī)交換信息主要是通過圖形功能實(shí)現(xiàn)：設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何形狀必須采用圖形進(jìn)行描述；圖形是表達(dá)和傳遞信息的直觀有效形式。

計(jì)算機(jī)繪圖的主要任務(wù)是研究如何利用計(jì)算機(jī)來處理和繪制工程圖紙，具體內(nèi)容包括：

1)

圖形輸入；2)圖形的生成、顯示和輸出；

3)

圖形處理所需要的數(shù)學(xué)處理方法及算法；

4)

解決工程實(shí)際應(yīng)用中的圖形處理問題；

5)

應(yīng)用軟件工程的方法設(shè)計(jì)繪圖軟件和管理系統(tǒng)。一、坐標(biāo)系，窗口與視區(qū)，圖形與剪裁(1)坐標(biāo)系圖形的描述和輸入、輸出都是在一定的坐標(biāo)系中進(jìn)行的，應(yīng)根據(jù)不同的需要，建立不同的坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終使圖形顯示于屏幕上。組成圖形的根本元素是點(diǎn)，而點(diǎn)的位置通常是在一個(gè)坐標(biāo)系中來定義。圖形系統(tǒng)中使用的坐標(biāo)系是人們廣為熟悉的直角坐標(biāo)系，也稱卡迪爾坐標(biāo)系。用戶坐標(biāo)系；設(shè)備坐標(biāo)系；規(guī)格化坐標(biāo)系；1)用戶坐標(biāo)系

也稱世界坐標(biāo)系由用戶定義的應(yīng)用坐標(biāo)系，是一個(gè)二維或三維的直角坐標(biāo)系，取值范圍無限，與任何物理設(shè)備無關(guān)。用戶的圖形定義均在這個(gè)坐標(biāo)系中完成。

圖形顯示器(屏幕坐標(biāo)系)或繪圖機(jī)等設(shè)備自身所具有的坐標(biāo)系。圖形輸出在該坐標(biāo)系下完成，常為二維的。以屏幕的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平右方向?yàn)閤軸正向，垂直上為y軸正向。坐標(biāo)刻度為屏幕的分辨率刻度值。由于實(shí)際設(shè)備不同，其有效工作范圍的最大值不同。2)設(shè)備坐標(biāo)系3)規(guī)格化坐標(biāo)系規(guī)格化坐標(biāo)系是人為規(guī)定的假想與設(shè)備無關(guān)的坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸方向及原點(diǎn)與設(shè)備坐標(biāo)系相同，但其最大工作范圍的坐標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化為1。對(duì)于既定的圖形輸出設(shè)備，其標(biāo)準(zhǔn)化坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)相差一個(gè)固定的倍數(shù)，設(shè)備的分辨率。當(dāng)開發(fā)應(yīng)用于不同分辨率設(shè)備的圖形軟件時(shí)，首先輸出圖形統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到規(guī)格化坐標(biāo)系，以控制圖形在設(shè)備顯示范圍內(nèi)的相對(duì)位置；然后再乘以相應(yīng)的設(shè)備分辨率就可轉(zhuǎn)換到具體的輸出設(shè)備上。(2)窗口與視區(qū)窗口是用戶在世界坐標(biāo)系中確定顯示內(nèi)容的矩形區(qū)域，只有在這個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)的圖形才能在設(shè)備坐標(biāo)下輸出，而窗口外的局部那么被裁掉。改變窗口大小和位置，可方便地觀察局部圖形，控制圖形的大小。視區(qū)是用戶在屏幕上定義的一個(gè)矩形區(qū)域，用于顯示窗口中的圖形，它規(guī)定了窗口中的內(nèi)容要顯示于屏幕上的位置、范圍。視區(qū)是一個(gè)有限的整數(shù)域，它應(yīng)小于等于屏幕區(qū)域，而定義小于屏幕的視區(qū)是非常有用的，因?yàn)檫@樣可以在同一屏幕上定義多個(gè)視區(qū)，用來同時(shí)顯示不同的圖形信息。(3)二維圖形裁剪1〕概念通過定義窗口和視區(qū)，可以把圖形的某一局部顯示于屏幕上的指定位置，這不僅要進(jìn)行窗口-視區(qū)變換，更重要的是必須正確認(rèn)識(shí)圖形在窗口內(nèi)局部〔可見局部〕和窗口外局部〔不可見局部〕，以便把窗口內(nèi)的圖形信息輸出，而窗口外的局部那么不輸出。裁剪問題是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的根本問題之一。裁剪的邊界〔窗口〕可以是任意多邊形，但常用的是矩形。被裁減的對(duì)象可以是線段、字符、多邊形等。主要有點(diǎn)的裁剪和直線段裁剪。2〕COHEN—SUTHERLAND算法〔編碼裁剪法〕a.確定矩形裁剪區(qū)域的邊界延長線，將邊界劃分為九個(gè)區(qū)域。b.給每個(gè)區(qū)域以一個(gè)四位二進(jìn)制代碼表示〔從右到左意義如下〕c.按上述算法確定各直線端點(diǎn)所在區(qū)域代碼。d.判斷直線可見性：〈1〉直線兩端點(diǎn)代碼全為零，那么線段全位于窗口內(nèi)，不剪裁；〈2〉直線兩端點(diǎn)代碼按位邏輯乘不為0，整條直線裁剪；〈3〉否那么，轉(zhuǎn)e。e.求直線與剪裁區(qū)域邊界線的交點(diǎn)，去掉區(qū)域外的線段局部，對(duì)留下局部線段重新進(jìn)行d)以下處理?！矊?duì)線段進(jìn)行再分割〕第一位：如果端點(diǎn)在窗口左邊界的左側(cè)那么為1，否那么為0；第二位：如果端點(diǎn)在窗口右邊界的右側(cè)那么為1，否那么為0；第三位：如果端點(diǎn)在窗口下邊界的下側(cè)那么為1，否那么為0；第四位：如果端點(diǎn)在窗口上邊界的上側(cè)那么為1，否那么為0；二、實(shí)體造型〔一〕幾何模型及其分類在進(jìn)行CAD作業(yè)過程中必須建立產(chǎn)品的模型，它是由與產(chǎn)品對(duì)象有關(guān)的各種信息有機(jī)聯(lián)系構(gòu)成的，其中幾何形體的數(shù)據(jù)信息是最為根本的。只有幾何信息組成的模型稱為幾何模型。在CAD系統(tǒng)中，幾何模型按描述和儲(chǔ)存內(nèi)容的特征分為：(1)線框幾何模型物體各外外表之間的交線組成了物體外輪廓的框架，線框造型只在計(jì)算機(jī)內(nèi)儲(chǔ)存這些框架線段信息。信息少，運(yùn)算簡單迅速，幾何定義不確定。(2)外表幾何模型除存儲(chǔ)線框線段外，還存儲(chǔ)各個(gè)外外表的幾何信息。雖然具有比較全面的外外表幾何信息，對(duì)物體仍沒有構(gòu)建起完整的三維幾何關(guān)系。(3)實(shí)體幾何模型儲(chǔ)存物體完整的三維幾何信息。根本體素由外表定義，并說明了外表的哪一側(cè)存在實(shí)體，它可區(qū)分內(nèi)部和外部，可提取幾何位置和相互的信息。〔二〕三維實(shí)體模型的實(shí)現(xiàn)幾何造型是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述物體形狀的技術(shù)。三維實(shí)體模型的實(shí)現(xiàn)有許多種方法，常用的有：1、CSG方法〔ConstruviveSolidGeometry〕體素構(gòu)造法。它的根本思想是：各種各樣形狀的幾何形體都可以由假設(shè)干個(gè)根本單元形體，經(jīng)過有限次形狀集合運(yùn)算構(gòu)建得到。2、B-rep方法〔BoundaryRepresentationModel〕邊界外表表示法。它的根本思想是：幾何實(shí)體都是由假設(shè)干邊界外外表包容的，可以通過定義和全面存儲(chǔ)這些邊界外外表信息的方法建立實(shí)體幾何模型。三、特征造型所謂特征指的是反映零件特點(diǎn)的、可按一定原那么分類的、具有相對(duì)獨(dú)立意義的典型結(jié)構(gòu)形狀?；谔卣鞯脑煨头Q為特征造型?；谔卣鞯脑煨桶烟卣髯鳛楫a(chǎn)品零件定義的根本單元，從而為工藝設(shè)計(jì)和制造過程中的各環(huán)節(jié)提供充分的信息。目前國內(nèi)外特征技術(shù)研究都是在實(shí)體模型的根底上開展的，因?yàn)楫?dāng)代的CAD系統(tǒng)以實(shí)體造型的幾何和拓?fù)涔δ茏钔晟?，它可以自?dòng)計(jì)算形體的體積和重心，為有限元分析提供了良好的網(wǎng)格局部和應(yīng)力應(yīng)變場顯示，產(chǎn)生逼真的彩色明暗圖〔云圖〕。而特征識(shí)別和CAD/CAPP/CAM集成的研究對(duì)象又都是軸類和箱體類零件，這類零件很容易用現(xiàn)有的實(shí)體造型系統(tǒng)建模，操作過程方便。四、二維圖形變換圖形變換是用一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)變化圖形的過程。它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中應(yīng)用的根本內(nèi)容之一。利用圖形變換可以用一些簡單的圖形組合成比較復(fù)雜的圖形。在計(jì)算機(jī)繪圖和圖形顯示中，可以對(duì)圖形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放和投影變換〔多面正投影、軸測投影、透視投影〕。無論哪種變換，只要保持圖形上各特征點(diǎn)之間的連接關(guān)系不變而按一定的規(guī)律改變圖形上各點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，就可以得到經(jīng)變換后的新的圖形。

在二維、三維空間中可以用一個(gè)行矢量{xy}、{xyz}或一個(gè)列矢量{xy}、{xyz}表示一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。圖形是由特征點(diǎn)組成的，因此可以用特征點(diǎn)的集合來表示一個(gè)二維或三維圖形，可寫成矩陣的形式。矩陣中的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)。這樣便建立起矩陣和圖形上各特征點(diǎn)的幾何坐標(biāo)之間的關(guān)系。因此，對(duì)圖形的變換就可以通過上述矩陣施行某種運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。通常將其乘以一個(gè)相應(yīng)的變換矩陣，從而得到變換后圖形上各特征點(diǎn)的坐標(biāo)。因此，采用矩陣方法對(duì)圖形進(jìn)行各種變換，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一個(gè)很重要的數(shù)學(xué)根底。本節(jié)就二維圖形的根本變化做一些簡要介紹。點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)設(shè)P點(diǎn)繞原點(diǎn)o逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角，得到P'lmT為變換矩陣正?；?1)齊次坐標(biāo)用一個(gè)n+1維矢量表示一個(gè)n維矢量的方法，稱之為齊次坐標(biāo)法。點(diǎn)P(x,y)在齊次坐標(biāo)系中表示為P(hx,hy,h)，h是任一不為零的實(shí)數(shù)。當(dāng)給定一個(gè)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)P(u,v,w)，就能求得這個(gè)點(diǎn)的二維直角坐標(biāo)。同時(shí)，假設(shè)(u,v,w)是一個(gè)點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，那么坐標(biāo)(lu,lv,lw)(l≠0)也是該點(diǎn)的齊次坐標(biāo)。