材料加工CADCAM基础第二章-计算机辅助设计基础

第二章CAD设计基础第一节CAD系统的组成与分类

第二节CAD的三维造型技术

第一页，共86页。第一页，共86页。第一节

计算机辅助设计系统的组成与分类一、计算机辅助系统的基本组成

所谓系统，是指为完成特定任务而由相关部件或要素组成的有机的整体。一个完整的CAD/CAM系统必须具备硬件系统和软件系统。第二页，共86页。第二页，共86页。（一）CAD/CAM的硬件系统

硬件是CAD/CAM系统运行的物质基础。由计算机主机、输入设备、输出设备、存储器、生产设备（CAM加工设备）及计算机网络等几部分组成。

CAD系统的基本硬件构成图形输入设备：键盘鼠标数字化仪扫描仪数码相机…用户计算机主机图形显示终端图形输出设备绘图仪打印机…第三页，共86页。第三页，共86页。计算机辅助系统硬件组成计算机主机

中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU)和主存储设备（内存）组成。

对于CAD系统，需要进行大量计算，有大量中间数据需要存储，对内存要求较高。(2)外存储器

存储需要永久保存或暂时不用的程序、数据库、图形库和其他信息。容量大，存取速度较慢。磁带、磁盘(软盘、硬盘)、光盘第四页，共86页。第四页，共86页。(3)输入设备把外界信息输送到计算机中，供计算机运算和处理。主要输入设备：键盘、鼠标(mouse)、光笔(lightpen)、数字化仪(digitizer)、扫描仪、图形输入板(tablet)等。(4)输出设备

CAD需要进行图像处理，设计的结果需要反映在图纸上。主要输出设备：显示器、绘图仪、打印机等(5)网络局域网和因特网，将多个不同的硬件系统联系起来，实现资源共享及异地网络化设计。第五页，共86页。第五页，共86页。（二）计算机辅助设计系统的硬件要求

(1)性能要求较高的图形输入、输出设备(2)较高的运行速度(3)足够的外部存储空间(4)较好的网络性能第六页，共86页。第六页，共86页。(三)计算机辅助设计的软件组成

CAD／CAM系统的软件根据其功能可分为系统软件(SystemSoftware)、支撑软件(SupportSoftware)、应用软件(ApplicationSoftware)等三个层次。计算机硬件操作系统（Windows，UNIX）CAD/CAM支撑软件应用软件CAD系统的软件组成

第七页，共86页。第七页，共86页。

（1）系统软件1、操作系统(OperatingSystem)UNIX、WindowXP、Windows7等窗口系统。2、编译系统

高级语言如VisualC++、VisualBasic等均有各自的编译系统。第八页，共86页。第八页，共86页。（2）支撑软件(SupportSoftware)是为满足CAD/CAM用户共同需要而开发的通用软件或工具软件，包括目前市场上供应的各种商品化CAD／CAM系统。支撑软件是CAD/CAM系统的核心。

功能：计算机图形处理三维产品建模Pre/EUG、CATIA有限元建模与分析商品化有限元分析软件，如ANSYS,DYNAFORM。Pre/E、UG、CATIA自身集成了有限元分析模块。第九页，共86页。第九页，共86页。以机械行业为例，说明CAD软件技术的发展历程。20世纪60年代，CAD的主要技术特点是交互式二维绘图和三维线框模型。20世纪70年代，CAD的主要技术特征是自由曲线曲面生成算法和表面造型理论，代表软件CATIA。20世纪80年代，CAD的主要技术特征是实体造型理论和几何建模方法，代表软件I-DEAS。20世纪90年代，CAD技术基础理论主要是以PTC的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。第十页，共86页。第十页，共86页。（3）应用软件（ApplicationSofeware）

应用软件是用户解决实际问题而自行开发或委托开发的程序系统。它是在系统软件的基础上，或用高级语言编程，或基于某种支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一个用户使用，也可为多个用户使用的软件。当前，几乎所有的CAD系统软件都提供相应的二次开发工具，使用户能方便地根据自身需求开发专门的应用软件。如：AutoCAD内置的VisualLisp开发语言，UG的应用程序开发工具UG/OpenAPI等。

第十一页，共86页。第十一页，共86页。二、计算机辅助设计系统的分类根据工作方式分为检索型、交互型和智能型。

1.检索型CAD系统

应用范围：用于设计已定型的、标准化、系列化、模块化的工程和产品。如电动机、汽轮机、变压器、泵、鼓风机和减速器。优点：速度快、效率高缺点：使用范围较窄，通用性差，设计者不能根据需要中途介入，对图形修改困难。不适用于新产品的开发设计。

2.交互型CAD系统利用输入、输出设备，人机对话方式工作。特点：人的创造性与计算机特性充分结合的系统，是现在CAD应用系统的主要类型，适合于新产品的设计、开发工作。第十二页，共86页。第十二页，共86页。交互型CAD系统设计任务及设计指标输入初始数据选择标准图样及有关数据确认满意？决定尺寸、绘图参数及辅助参数自动绘图设计者确认？NNYCAD工程数据库标准数据库标准图形库标准程序库绘图程序库修改参数输出设计结果第十三页，共86页。第十三页，共86页。3.智能型CAD系统专家系统：一种使计算机能够在专家级水平上工作的计算机程序，能运用人类专家的专门知识和推理能力，来解决一般人难以妥善解决的问题。解决的主要问题：

设计过程的决策（解决设计路线问题），设计技术决策（设计中遇到的具体技术问题的决策）和结果评价。1.存储了大量的专家知识和经验，形成系统的知识库；2.设置推理机构，能模仿专家决策的思维过程来分析问题和解决问题。第十四页，共86页。第十四页，共86页。

智能型CAD系统工作流程设计任务及设计指标输入初始参数推理机解释机制设计计算设计结果评价资料领域专家知识库数据库程序库图形库第十五页，共86页。第十五页，共86页。第二节计算机辅助设计系统的三维造型技术

三维造型的优越性三维图形比二维图形包含了更多的信息

三维造型比二维绘图更容易更易与CAM连接起来三维造型发展的几个阶段线框模型曲面模型实体造型特征造型参数化变量设计第十六页，共86页。第十六页，共86页。商品化的几何造型系统国外：

AUTOCAD、CATIA、I-DEAS、

Pro/Engineer、UnigraphicsⅡ、ACIS、

Parasolid等。

国内：高华、金银花、管道CAD、制造工程师（ME）、NPU-CAD/CAM系统第十七页，共86页。第十七页，共86页。一、传统的造型方法—几何造型和实体造型传统的几何造型(GeometricModeling)是CAD图形核心系统中的重要内容。一个完整的几何模型，既包括各部分的几何形状及空间的布置，又包括各部分之间的连接关系。线框造型→曲面造型→传统的实体造型

三种类型的三维模型第十八页，共86页。第十八页，共86页。第十九页，共86页。第十九页，共86页。1.线框造型(WireFarmeModeling)（1）定义：线框造型用一系列空间直线、圆弧和点等基本元素组合而成，用来描述产品的轮廓外形，并在计算机内部生成相应的三维映像，从而可以自动的实现视图变换和空间尺寸协调。线框造型是CAD/CAM技术发展过程中早应用的三维模型，开发始于60年代初期，当时，主要是为自动化设计绘图。这种模型表示的是物体的棱边。线框模型由物体上的点、直线和曲线组成，这种模型系统的通过修改点和边来改变形体的形状。描述的是产品的轮廓外形。线框模型有二维和三维线框模型。二维几何建模实质上是二维线框模型，它以二维平面的基本图元（如点、线、圆弧等）为基础表达二维图形。三维线框模型是二维线框模型的直接拓展和延伸。第二十页，共86页。第二十页，共86页。（2）、

数据结构线框模型的数据结构是表结构，在计算机内部存贮的是物体的顶点和棱线信息。下图为一立方体的线框模型，分别为立方体的顶点表和边表，构成该物体的线框模型的全部信息。线框模型顶点表棱线表第二十一页，共86页。第二十一页，共86页。（3）、线框造型的特点特点：线框建模所构造的实体模型，只有离散的边，而没有边与边的关系，与该模型相关的数学表达式是直线或曲线方程、点的坐标及边和点的连接关系。优点:(1)结构简单，易于理解，所需信息量少，所占存贮空间也最少，硬件的要求不高，处理时间短，是曲面造型和实体造型的基础；

(2)利用投影变换，从三维线框模型可方便地生成各种正投影图、轴测图和任意观察方向的透视投影图。

第二十二页，共86页。第二十二页，共86页。缺点：1）几何意义的二义性：一个线框模型可能被解释为若干个有效几何体。2）不能表示表面含有曲面的物体；3）不能明确地定义给定点与物体之间的关系（点在物体内部、外部或表面上），所以线框模型不能处理许多重要问题，如不能生成剖切图、消隐图、明暗色彩图，不能用于数控加工等；很多模型属性无法计算。

第二十三页，共86页。第二十三页，共86页。易出现二义性理解；缺少曲面边缘侧影轮廓线；缺少边与面、面与体之间关系的信息，不能描述产品。中间打孔的长方体第二十四页，共86页。第二十四页，共86页。(4)、应用

线框模型不适应于对物体进行完整信息描述的场合，但在有些情况下，例如评价物体外部形状、位置或绘制图纸，线框模型提供信息是足够的，同时它具有较好的时间响应性，对于适时仿真技术或中间结果的显示是适用的。线框具有模型数据简单，对硬件要求不高易于掌握等特点。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局，管道铺设、运动机构的模拟干涉检查。实体造型系统中的辅助手段。第二十五页，共86页。第二十五页，共86页。第二十六页，共86页。第二十六页，共86页。2.曲面造型(Surfacemodeling)

CAD技术的第一次革命──贵族化的曲面造型系统60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。进入70年代，法国达索飞机制造公司推出了三维曲面造型系统CATIA，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。第二十七页，共86页。第二十七页，共86页。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。此时的CAD技术价格极其昂贵，而且软件商品化程度低，开发者本身就是CAD大用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在70年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。例如：

CADAM由美国洛克希德(Lochheed)公司支持；

CALMA由美国通用电气(GE)公司开发；

CV由美国波音(Boeing)公司支持；

IDEAS由美国国家航空及宇航局(NASA)支持；

UG由美国麦道(MD)公司开发；

CATIA由法国达索(Dassault)公司开发。第二十八页，共86页。第二十八页，共86页。曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型开发速度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6年缩短到只需约3年。CAD技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益。第二十九页，共86页。第二十九页，共86页。(1).定义曲面造型（表面造型）用面的集合来表示物体，而用环（封闭的有向棱边）来定义面的边界。它是在线框模型的基础上，增加了有关面的信息，以及面的连接信息。利用曲面模型，就可以对物体作剖面、消隐、获得数控加工所需的表面信息等。对一些复杂的物体表面，如汽车车身、飞机机身等呈流线型瞬息万变自由曲面都可以表示。第三十页，共86页。第三十页，共86页。(2)、数据结构曲面建模的数据结构是表结构，除给出边线及顶点的信息之外，还提供了构造三维立体各组成面的信息图为一立方体，在计算机内部除提供了顶点表和边表之外，还提供了面表。立方体的表面模型

立方体的面表第三十一页，共86页。第三十一页，共86页。(3)、曲面描述方法的种类曲面建模方法通常用于构造复杂的曲面物体，一般可以用多种不同的曲面表达方式造型，常用的表面描述的方法有如下几种：

1.通过一条或多条曲线构造曲面

线性拉伸面或柱状面

直纹面第三十二页，共86页。第三十二页，共86页。

旋转面

Coons曲面第三十三页，共86页。第三十三页，共86页。(4)、曲面建模的特点优点：1）曲面模型扩大了线框模型的应用范围，能够满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等需要；因此大多CAD/CAM系统中都具备曲面建模功能。2）由于曲面模型比线框模型提供了形体更多的几何信息，因而还可实现消隐、生成明暗图、计算表面积、生成表面数控刀具轨迹及有限元网格等。缺点：无法计算和分析物体的整体性质，如物体的体积、重心等，也不能将它作为一个整体考察它与其它物体相互关联的性质，如是否相交等。第三十四页，共86页。第三十四页，共86页。(5)、应用

曲面建模主要适用于其表面不能用简单数学模型进行描述的物体，如飞机、汽车、船舶等的一些外表面。

曲面模型仅适用于描述物体的外壳。在图形仿真等领域仍然被广泛采用。第三十五页，共86页。第三十五页，共86页。

CAD技术的第二次革命──生不逢时的实体造型技术

有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──IDEAS。可以说，实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。3.实体造型(SolidModeling)第三十六页，共86页。第三十六页，共86页。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。实体造型技术虽然带来了算法的改进和未来发展的希望，但也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。第三十七页，共86页。第三十七页，共86页。(1).定义实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单元元素，通过集合运算（拼合或布尔运算），生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。所以，实体造型包括两部分内容：即体素定义和描述，以及体素之间的布尔运算（并、交、差）。布尔运算是构造复杂实体的有效工具。目前常用的实体造型方法主要有：边界表示法、构造实体几何法和扫描法。

实体造型在表面模型的基础上增加了给定点与形体之间的关系信息。它能完整地表示物体的所有形状信息，具有完整性、清晰性、准确性。在实体造型系统中，可以得到所有与几何实体相关的信息。有了这些信息，应用程序就可以完成各种操作，如物性计算、有限元分析、生成数控加工程序等。第三十八页，共86页。第三十八页，共86页。第三十九页，共86页。第三十九页，共86页。六棱柱实体造型实体造型消隐着色第四十页，共86页。第四十页，共86页。(2).特点优点(1)详细记录了三维形体所有几何元素的几何信息和拓扑信息，这图像生成和模型表面积计算等应用中表现出明显的优点；所表示的实体不存在二义性。

(2)可以提供实体完整的信息；可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能；

(3)能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到数控刀具轨迹的生成。

第四十一页，共86页。第四十一页，共86页。(3)实体建模方法

根据产品模型的生成描述方式不同，实体造型生成物体的方法有体素法、扫描法1)

体素法：利用一些基本的体素（如长方体、圆柱、圆环、圆球等）通过集合运算（布尔运算）组合成产品模型。根据设计需要，对基本几何形体的尺寸参数进行赋值即可得到对应的几何形体。下图为常见的大多数实体造型系统所支持的常见体素。第四十二页，共86页。第四十二页，共86页。用简单实体(称为体素)通过集合运算交、并、差构造复杂实体。第四十三页，共86页。第四十三页，共86页。集合的交、并、差运算第四十四页，共86页。第四十四页，共86页。(a)两布尔运算对象（b）求并运算（c）求差运算(d)求交运算

布尔运算第四十五页，共86页。第四十五页，共86页。简单实体的构造第四十六页，共86页。第四十六页，共86页。第四十七页，共86页。第四十七页，共86页。

2.扫描法（1）平面轮廓扫描法由任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转就会扫描出一个实体。第四十八页，共86页。第四十八页，共86页。（2）整体扫描法三维实体扫描法就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，即一个“运动的物体”，让此基体在空间运动，运动可以是沿某一方向移动，也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动，如图所示。第四十九页，共86页。第四十九页，共86页。三维模型的转化相应的产品信息表达层次不断提高不同模型在需要的情况下可以进行转化实体模型

曲面模型曲面模型

线框模型逆向转化困难包含的产品信息量第五十页，共86页。第五十页，共86页。二、新一代实体造型技术-特征造型随着CAD/CAM/CAE一体化技术的发展，传统的几何造型技术越来越显示出不足。（1）数据库尚不完备。它只存储了物体的几何形状信息，缺乏产品在开发和生产整个生命周期所需的全部信息，如材料、尺寸公差、加工特征信息、表面光洁度和装配要求等，因此不能符合数据交换规范的产品模型，导致CAD/CAPP/CAM集成的先天困难。（2）在表达零件的数据结构的抽象层次上，只能支持低层次的几何信息（如点、边、面等），而没有工程含义（如定位基准、表面粗糙度、公差等信息）。（3）设计环境欠佳。在使用几何建模构造零件时，难以进行创造性的设计，同时几何模型难以修改，不能适应产品开发的动态过程。第五十一页，共86页。第五十一页，共86页。CAD技术经历了二维绘图、三维线框、三维曲面和实体造型几个阶段，70年代末又出现了特征建模技术。为实现CAD/CAM技术的集成化，满足自动化生产要求的实体造型技术必须考虑诸如倒角、圆弧、圆角、孔，以及加工用到各种过渡面形状信息和工程信息。特征造型着眼于更好地表达产品完整的技术和管理信息，使产品的设计及加工的全过程通过计算机并行展开。特征造型又叫基于特征的造型，这种技术不仅限于几何形体形状的描述，还包括规定的公差、表面处理及其他制造信息和类似的几何处理。第五十二页，共86页。第五十二页，共86页。特征(feature)这一术语最早出现在1978年麻省理工学院Gossard教授指导的一篇学士论文“CAD中基于特征的零件表示”中。此后经过几年的酝酿，特征技术的研究便蓬勃展开。1988年末公布的STEP标准草案将形状和公差特征等列为产品定义的基本要素，使它从此获得了国际标准的法定地位。特征的引用直接体现了设计意图及一定的制造意义，特征的出现使设计、分析、工艺准备、加工制造及检验等各个环节有机地联系在一起成为可能。因此，特征技术得到了迅速的发展.第五十三页，共86页。第五十三页，共86页。1.定义特征：指产品描述的信息的集合，并可按一定的规则分类。特征造型是以实体造型为基础的。特征是纯几何的实体与曲面，是十分抽象的，将特征的概念引入几何造型系统的目的在于增加CAD/CAM系统中几何实体的工程意义。基于特征的造型把特征作为产品零件定义的基本单元。如利用孔、槽、凸台等来描述形体的形状，将产品零件描述为特征的集合。特征与加工是相辅相成的，由特征造型系统提供的通用特征通常带有加工特性，如倒圆、倒角、孔、槽、型腔等。这些特征可称为加工特征，因为每一个特征都与一种特定的加工工艺匹配，如孔的创建意味着钻削，而腔体的创建意味着铣削加工。因此，由这些已有的加工特征的尺寸和位置信息可自动生成加工工艺编制。第五十四页，共86页。第五十四页，共86页。2.分类1）形状特征

特征造型的基本特征，描述一定工程意义的功能的几何形状信息。包括立体形状结构（如立方体、圆柱、圆锥等）和辅助结构（如倒角、键槽、中心孔等）。2）精度特征

用于描述零件的形状位置、尺寸和粗糙度等。3）技术特征

零件在性能分析时所使用的信息。描述零件的性能、功能。4）材料特征

描述零件的材料的组成分和条件。如性能（机械、物理、导电等）、规范、热处理方式等。5）装配特征

用于描述零件在装配过程需使用的信息。第五十五页，共86页。第五十五页，共86页。3.优点

(2)有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间的联系。(3)促进产品的集成信息模型的实现，因为特征造型能够很好地表达产品的完整的技术和生产管理信息。(4)有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化。(5)促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。第五十六页，共86页。第五十六页，共86页。Pro/E中形状特征的分类

Pro/E是典型的特征造型系统，其中形状特征的分类面向较宽的应用领域，有一定的通用性，分以下几类特征：1）

实体特征（solidfeature）：指直接构造实体的特征，有20多种。2）

曲面特征：指曲面造型的各种曲面特征，基本曲面特征（圆柱面、球面）以及扫描面；派生曲面特征（偏移曲面、复制曲面、圆角曲面等）；自由曲面特征，可通过曲线定义，边界定义、混合方式定义等。3）

基准特征（datumfeature）:指在造型过程中起辅助作用的非实体的几何体，如点，线，面等基准。4）

修饰特征(cosmetic):

如喷印、螺纹等。5）

用户定义的特征（UDF）：由用户自定义，或来自特征库。第五十七页，共86页。第五十七页，共86页。三、参数化设计--基于特征的参数化设计

第三次CAD技术革命——一鸣惊人的参数化技术如果说在此之前的造型技术属于无约束自由造型的话，进入80年代中期，出现了比无约束自由造型更好的算法──参数化实体造型方法。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数技术公司(ParametricTechnologyCorp.)，研制了命名为Pro/E的参数化软件。由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。第五十八页，共86页。第五十八页，共86页。1.定义参数化设计（Parametricdesign）是一种设计方法，采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型，在求解几何约束模型时，采用顺序求解的方法，一般要求全约束。几何约束指：（1）结构约束（也称拓扑约束），指构成图形各几何元素间的相对位置和连接方式，其属性值在参数化设计过程中保持不变。在工程图中，此类约束往往是隐含的，并不明确给出，如平行，垂直，相切，对称。（2）

尺寸约束，指图中标注的尺寸，如距离、角度。（3）

参数约束，指尺寸参数间的关系，用表达式表示。第五十九页，共86页。第五十九页，共86页。参数化的CAD系统采用约束表达产品的几何模型，用一组尺寸参数及工程设计参数来定义和控制几何模型，这样可以用这些参数来驱动形状的改变，由此可方便地修改设计形状，或进行形状相似的系列化产品设计。这种参数化的CAD系统在设计的各个阶段，以全新的设计