机械CAD技术基础知识(ppt 103页).ppt

1、韩小平，山西农业大学工程技术学院，2011年3月，机械CAD技术基础，1.1CAD技术发展，1.1.1CAD硬件技术发展，1。在20世纪50年代(交互式计算图形的研究开始)，美国麻省理工学院在1950年开发了旋风1号。计算机使用由阴极射线管制成的图形终端，它可以被动地显示图形。绘图仪和光笔出现在20世纪50年代末。图形输出设备的出现标志着计算机辅助设计发展的开始。20世纪60年代(计算机图形学发展的一个重要时期)，麻省理工学院的萨瑟兰发表了他的博士论文SKETCHPAD人机对话系统，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为计算机辅助设计技术的发展奠定了理论基础。

2、1966年，计算机图形学和计算机辅助设计方面的科学组织和工作得到了认可。1964年，美国通用汽车公司开发了数模转换器-1系统，1965年，洛克希德飞机公司引进了计算机辅助数据管理系统和贝尔电话公司的图形-1系统。这时，大量的论文、文件、教程和学术会议出现了，整个70年代是计算机图形学和计算机图形学被广泛使用的时代。但它们大多是16位计算机上的3D线框系统和2D绘图系统，只能解决一些简单的产品设计问题。基于小型计算机的计算机辅助设计工作站出现了。3，70年代：4，80年代(CAD的迅速发展):出现了大量新的理论和算法。AutoCAD出现于1982年，出现了许多实体造型系统，如通用汽车、计算机视觉

3、等。80年代中期以后，随着硬件的发展，出现了工作站和网络环境下的高性能计算机辅助设计/计算机辅助制造系统。5.90年代。计算机辅助设计技术正朝着集成化、网络化、智能化和标准化的方向发展。1 . 1 . 2计算机辅助设计软件1的发展历史。曲面造型技术是计算机辅助几何设计和计算机图形学的重要内容，主要研究计算机图像系统环境下的曲面表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的放样技术。库恩斯、贝兹尔等大师在20世纪60年代奠定了它的理论基础。经过30多年的发展，曲面造型已经形成了以有理B样条曲面和隐式代数曲面表示的参数化特征设计为主体，以插值、拟合和逼近为骨架的几何理论体系。2.第二次

4、技术创新实体造型技术20世纪60年代末，计算机辅助设计研究界提出了用计算机来表示机械零件的三维形状的思想，从而实现零件的质量计算、有限元分析、数控加工编程以及在一个完整的几何模型上生成冲裁立体图。经过十多年的艰苦探索和各种技术方法的技术验证，这一思想终于成熟，并形成了一个功能强大、使用方便的软件，代表了当代CAD技术的主流发展方向。(1)参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应关系来描述，不需要确定的值。如果更改参数值，其设计模型将自动更改其相关尺寸。(2)参数化设计的主要功能是通过改变参数化模型的约束条件来自动导出精确的几何模型。对于系列零件，可以通过修改局部参数来生成新零件。在第三次技术创新参

5、数化建模中，几何模型经常被用于参数化模型的设计。几何模型描述几何实体的几何关系和拓扑关系。一些图形具有相同的几何关系但不同的拓扑关系，而一些图形具有不同的几何信息但具有相同的拓扑关系。参数模型是一个带有参数名称的草图。当用户修改参数名称时，零件几何模型的拓扑信息不会改变，但尺寸会自动改变。c约束是对几何元素的大小、位置和方向的限制。它可以简单地理解为图形的设置尺寸和定位尺寸。(3)参数模型，a)可变几何方法1)可变几何方法：将几何形状定义为一系列特征点，并将几何元素之间的约束关系转化为以特征点坐标为变量的非线性约束方程。当约束条件改变时，方程被求解并获得一系列新的特征点，从而生成新的几何模型。

6、2)特征该方法要求用户输入足够且一致的尺寸约束来求解约束方程的解。当模型越复杂，约束越多，求解线性方程的规模越大，构造方程唯一解的约束就越困难，求解方程就越困难。因此，该方法适用于更简单的平面模型。(4)参数设计的几种方法中，变几何法是一种整体求解方法，具有很好的通用性，但局部修改性能差，影响整体，效率低。例：就像一个二维三角形，三个顶点是它的特征点，三个边长的值作为参数。采用参数化设计时，首先建立数学模型，每个约束关系用一系列方程表示。当参数变量改变时，几何模型的拓扑结构应该保持不变。几何模型的方程如下：B、尺寸驱动法1)基本思想：在工程图中，图元的形状和位置由尺寸标注决定，通过改变标注的尺

7、寸可以自动得到几何图形的相应变化。2)方法：修改图形时，图形实体的特征点(如直线段的起点和终点)的坐标不直接修改，而是修改图形实体的尺寸(参数)。尺寸线可以看作一个矢量，如下图所示。上面标注的内容是参数的现值，反映了图形的大小，其方向反映了几何数据的变化趋势。终点坐标是要修改的几何数据，其终点称为尺寸线的驱动点。对应于被驱动实体的点是被动点。当参数值发生变化时，可以根据尺寸线矢量计算新的端点坐标，从而修改数据库中被动点的几何数据，使其得到新的坐标值。如图5-13所示，尺寸线d可以看作是从(0，0)到(1，0)的向量。长度是参数a的当前值，方向是0，表示b点将沿水平方向变化。端点d(与点b重合)

8、是驱动点。线段l的端点b是被动点。如果A为2，尺寸线矢量可以计算出端点(2，0)的新坐标，并替换原始数据中驱动点和被动点的坐标。当线段L延伸到L时，尺寸线D也变成了D，达到了尺寸驱动图形变化的目的。参数化建模是由程序员预先设置一些几何约束，然后由设计者在建模中使用。与一个几何图形相关的所有尺寸参数都可以用来生成其他几何图形。其主要技术特征是：基于特征、全尺寸约束、尺寸驱动的设计修改和全数据关联。5.基于特征的参数化建模技术的主要特点是：将一些有代表性的平面几何形状定义为特征，并将它们的所有尺寸保存为可调参数，然后形成实体，在此基础上构造更复杂的几何特征；全尺寸约束：形状和尺寸一起考虑，几何形状

9、由尺寸约束控制。建模必须基于完整的尺寸参数(完全约束)，没有遗漏尺寸(欠约束)或超尺寸(过约束)；尺寸驱动的设计修改：通过编辑尺寸值来驱动几何形状的改变；全数据关联：维度参数的修改导致其他相关模块中相关维度的整体更新。采用这种技术的原因是它完全克服了自由造型的无约束状态，几何形状牢牢控制在尺寸的形式上。如果你p工程关系，如重量、载荷、力、可靠性等关键设计参数，不能作为约束直接与参数系统中的几何方程建立联系，这需要其他处理手段。变量技术是在参数化的基础上进一步改进后提出的设计思想。变量建模的技术特点是它保留了基于特征的参数化技术、完全数据关联和尺寸驱动的设计修改的优点，但它对约束的定义进行了根本

10、性的改变。可变技术进一步将需要在参数化技术中定义的尺寸“参数”分为形状约束和尺寸约束，而不是像参数化技术那样仅使用尺寸来约束所有几何形状。除了考虑几何约束之外，变量设计还可以将工程关系作为约束，同时求解几何方程，而无需建立另一个模型。(1)变量建模技术的主要特点；4)第四技术创新变量建模，均属于基于约束的实体建模系统，强调基于特征的设计和全数据关联，可实现尺寸驱动的设计修改，为解决设计中必须考虑的几何约束和工程关系提供方法和手段。(2)两种建模技术的共同点是，在整个设计过程中，参数化技术将形状和尺寸结合在一起，通过尺寸约束实现几何形状的控制；可变技术分别处理形状约束和尺寸约束。当参数化技术未被

11、完全约束时，建模系统不允许执行后续操作；可变技术可以适应各种约束条件，因此操作者可以先决定感兴趣的形状，然后给出一些必要的尺寸。尺寸是否填满不影响后续操作。参数化技术的工程关系不直接参与约束管理，而是由一个独立的处理器在外部处理；在变量技术中，工程关系可以直接与作为约束的几何方程耦合，最后由约束求解器求解。(3)两种建模技术的基本区别。约束的处理，因为参数化技术要求完全的约束，每个方程必须是一个显式的函数，也就是说，所用的变量必须已经在前面的方程中定义并分配给某个大小的参数，并且其几何方程的解只能按顺序求解；为了适应各种约束，变量技术采用了联立求解的数学手段，求解方程的顺序无关紧要。参数化技术

12、解决特定条件(全约束)下的几何图形问题，其表达是尺寸驱动的几何形状修改；可变技术解决了任意约束条件下的产品设计问题，既可以是尺寸驱动的，也可以是约束驱动的，即工程关系可以驱动几何形状的变化，这对于产品结构优化非常有意义。可变技术既保留了参数化技术的原有优势，又克服了许多缺点。它的成功应用为计算机辅助设计技术的发展提供了更多的空间和机遇。毫无疑问，可变技术推动了计算机辅助设计发展的第四次技术革命。计算机辅助设计技术基础理论的每一次重大进步都促进了计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程整体技术的提高和制造手段的更新。事实上，“参数化/变型设计”并不是CAD软件带给我们的一种新的设计模式，而

13、仅仅是对传统设计过程的提炼和抽象，以便在计算机软件中处理我们的设计过程。从应用的角度来看，参数化系统特别适用于技术相当稳定和成熟的备件行业。在这个行业中，零件的形状变化很小，通常只需要采用模拟设计，即形状基本固定，只有改变一些关键尺寸才能获得新的系列设计结果。此外，从二维到三维复制模式设计，图纸总是绝对符合所有约束。除了一般的系列零件设计之外，可变系统在概念设计中特别方便，更适合于创新设计，如新产品开发和旧产品修改设计。(4)不同的技术导致不同的应用。计算机辅助设计定义：计算机辅助设计是计算机辅助设计的缩写。计算机辅助设计是指使用计算机及其图形设备来帮助设计师进行设计工作。在工程和产品设计中，

14、计算机可以帮助设计者承担诸如计算、信息存储和绘图等任务。1.2机械计算机辅助设计技术的应用美国国家工程学院评估了从1964年到1989年的过去25年中人类的工程成就。结果表明，计算机辅助设计/计算机辅助制造技术的开发和应用是十大成果之一。机械计算机辅助设计约占计算机辅助设计/计算机辅助制造市场的35-40%。1.计算机辅助设计技术在机械工业中的应用：1) 2D制图：取代传统的手工制图；2)图形和符号库：将复杂的图形分解成许多简单的图形和符号，并使之成为一个调用库。3)参数化设计(针对标准化或系列化零件)，4)三维实体建模：三维实体建模用于设计零件的结构，显示下料和着色后物体的真实形状，可用于装

15、配和运动仿真，以观察是否有干涉。5)工程分析：如有限元分析、优化设计、运动学和动力学分析等。6)设计文件或生成报告；1)减少人工绘图时间，提高绘图效率。2)提高分析计算速度，解决复杂的计算问题。3)便于修改设计。4)推进设计工作的标准化、系列化和标准化。总之：采用计算机辅助设计技术后，设计质量、设备利用率、周期时间(30%-60%)、成本(15%-30%)和竞争力都提高了2-3倍。2.采用计算机辅助设计技术的优势：3 .机械CAD产品的开发过程：1 .概念设计在这个阶段，设计师根据顾客和市场需求确定新产品的功能和市场定位，并给出产品的概念模型或草图。2.在初步设计中，对概念设计中的内容进行了分

16、析和比较，并对概念模型进行了修改，使其更加符合客户的要求。利用计算机辅助设计图形技术修改设计方便快捷，提高了设计速度。3.详细设计详细设计是产品的真正设计阶段，必须确定产品的所有结构和尺寸。在这一阶段，需要进行有限元分析、仿真和模拟。4.文件设计从概念设计到制造，根据不同的管理需求生成相应的文件，将产品开发的全过程有机地结合起来。5.工艺计划设计工艺计划设计通常由经验丰富的工匠和计算机完成。由于零件结构的不确定性，工艺设计不能由计算机独立完成，还需要技术人员的参与。6.加工制造根据计算机辅助设计图纸和工艺流程要求，生成数控代码，完成零件加工、零部件和产品装配，推出新产品并投放市场，从而完成产品

17、开发。其中，计算机辅助设计绘图是机械加工的重要基础。计算机辅助设计技术要求计算机自动检索产品设计过程中使用的一些设计规范和标准，并查阅大量的图表、手册和标准。因此，这些设计数据必须以计算机可操作的方式进行处理，以便计算机能够自动搜索和检索所需的数据。设计中常用的规范和设计标准大多以数字表格、线图、公式等形式给出。因此只有这些表单需要由程序处理。1。设计数据的程序处理，1.3工程数据处理。数据表中的数据可以数组(一维、二维或三维)或拟合公式的形式编程。根据数据之间是否存在函数关系，表可以分为非函数表和函数表。1.待检数据与非功能表中的相应数据之间没有功能关系，如渐开线齿轮的标准模数、滚动轴承的内径和外