1、12 三维CAD系统及关键技术1. 系统功能需求2. 系统体系结构3. 部分关键技术4. 系统开发简介Solid Edge CATIAUG NXPro/EInventor目前最流行的三维CAD系统 美、法等国的CAD技术一直走在世界的前沿，它们拥有许多世界闻名的CAD/CAM系统，这些系统具备十分强大的功能。 国内:清华大学、北航、新舟、浙大、华工 1 1、系统功能需求、系统功能需求 以国家以国家863三维三维CAD系统评测要求为例系统评测要求为例系统综合功能二维图形功能 三维造型及零件设计功能 装配功能 三维模型与二维图形的关联功能数据接口功能 系统性能需求l 文字或图符菜单、下拉式菜单、动
2、态弹出式菜单、对话框、命令语言、数字化仪、鼠标器、功能键、快捷键、提示信息、出错信息、动态导航功能等。系统综合功能系统综合功能 l 视像定义与修改、多视口显示、动态显示、视图的管理、透明命令、图形缩放（Z00M）、图形曳移；l 曲面和线框图显示及轮廓图显示；l 实体及特征的真实图与简图显示（简图用于二维及三维布置）；l 正投影图、轴测图、透视图、剖切图、 消隐图；l 渲染图（真实感图）；l 图像文件输出（GIF等光栅文件格式）。图形显示功能图形显示功能用户界面用户界面l 驱动绘图机、打印设备等。 l 视图投影设置、二维视图布局、标准视图和自定义视图输出、剖视；l 图层控制功能。l 按比例输出图
3、形及自动按图纸设定输出比例；l 输出图形预览及终止预览；l 对多张图纸进行编辑打印；l 绘图输出控制线型及粗细；绘图输出功能绘图输出功能设备驱动功能设备驱动功能图形管理功能图形管理功能二维图形功能二维图形功能 基本绘图功能基本绘图功能 l 建立坐标系统（直角坐标系、极坐标系）；l 点、中心标记（点的绝对坐标、点的相对坐标、点的绝对极坐标、点的相对极坐标）；l 绘制线段、直线、折线（多段连线、两点连直线、水平线及垂直线、向已知直线作垂直线、作已知直线的平行线、作圆弧切线、作已知直线的垂直平分线、作曲线切线）；l 绘制圆弧、圆（给定圆心和半径作圆、圆弧、作同心圆、作圆与直线相切、作圆与已知圆相切等
4、）；l 绘制椭圆弧、二次曲线、样条曲线、组合曲线、等距线等；l 绘制剖面线。图形编辑和操作功能图形编辑和操作功能 l图形元素求交与打断 （直线、圆弧、曲线两两求交）；l相邻两图形元素之间作倒圆与倒角；l多个闭合图形之间的布尔操作（并、差、交运算）；l等分已知直线、分已知圆（弧）；l多义线编辑；l修改图形元素的几何与属性（颜色，所属层，线型，可见性）数据；l图形平移复制、旋转复制、镜象复制、阵列复制；l图形的平移、旋转、拉伸、图形缩放；l图块之间消隐；l图形的捕捉与选取；l图形元素的剪裁。 标注功能标注功能 l 各种尺寸标注、粗糙度标注、形位公差标注、各种字符、字体标注、工程符号标注。图纸幅面定
5、义功能图纸幅面定义功能 l 定义图幅格式类型、图纸标题栏、明细表栏、其它表栏 绘图辅助功能绘图辅助功能 l 初始化功能（图形屏幕范围的设定、光标捕捉精度、栅格显示精度）l 用户坐标系统、图形定位、线型、颜色设定； l 提示信息、回退（UNDO）、重作（REDO）操作 、公制与英制的换算等。三维造型及零件设计功能三维造型及零件设计功能 线框造型功能线框造型功能 l 基本几何元素定义；l 曲线插值和逼近；l NURBS曲线；l 线组合、曲线拆散、曲线光顺、曲线延伸、曲线修整、曲线拼接、曲线求交；l 过渡曲线、等距曲线和线性变距曲线；l 线变换（平移、旋转、镜像、阵列等）；l 曲线分析与计算（切矢、
6、曲率、坐标值反求参数值等） 曲面造型功能曲面造型功能 l 曲面求交、延伸；l 直纹面、旋转面；l 扫成曲面、点阵曲面、由给定边界定义曲面、NURBS曲面；l 曲面等距和曲面变距；l 曲面过渡、拼接、光顺、剪裁、修型；l 曲面分析与计算（切矢、法矢、各种曲率、坐标值反求U，V参数值）；l 取子曲面片、曲面的轮廓线、曲线在曲面上的投影线；l 测量造型（散乱点插值、数据预处理、特征点提取及光顺）。 实体造型功能实体造型功能 l 基本体素、用户定义体素、体素库（体素库的建立、查询、删除和维护）；l 实体生成方法（平扫、旋转扫、广义扫等生成方法，非均匀有理B样条法（NURBS）及其它生成方法）；l 几何
7、体间的并交差布尔运算；l 局部操作（剖切、圆角、倒角、局部拉伸）；l 实体的编辑（拷贝、镜像、阵列、删除、回退（Undo）与重作（Redo）、平移、旋转、缩放、几何元素查询、几何信息的修改）；l 实体抽壳、曲面转实体；l 三维实体向二维的转换（生成轮廓图及消隐）。 特征造型功能特征造型功能 基准特征，拉伸、旋转、扫成、放样特征，增料、减料特征，过渡、倒角、拔模、抽壳特征 零件库功能零件库功能 常用标准件库、零件库的建立与维护 布尔运算功能布尔运算功能 实体间的交、并、差运算 参数化草图功能参数化草图功能 图形生成、图形编辑、约束、图形绘制约束导航 物性分析功能物性分析功能 体积、重量、重心、惯
8、性矩等计算 装配功能装配功能 l 基本规模装配（零部件数量100以上）；l 装配约束（装配约束定义、装配约束求解）；l 干涉检查；l 爆炸图；l 装配结构树；l 生成零件BOM表 三维模型与二维图形的关联功能三维模型与二维图形的关联功能 数据接口功能数据接口功能 l三维模型生成二维图形；l三维模型的变化则二维图形自动变化；l二维图形参数变化则三维模型自动变化；l装配、零件、工程图的全关联。l具有某种国际标准接口（如IGES、STEP等）；l具有某种工业标准接口（如DXF、X_T、SAT、STL、VRML等）。性能需求性能需求 软件的可靠性软件的可靠性 l可以屏蔽用户操作错误；l运行操作错误不会
9、导致系统异常退出；l软件应提供数据、图形备份和恢复手段；l软件能进行有效性检查；l无损坏数据、图形和软件的现象；l具有容错性，当CAD软件发生故障或规定界面被破坏时，仍能保持规定性能；l易恢复，在失效情况下，可重建恢复数据；l安装运行后对其它程序不产生破环性的影响。 软件的易用性软件的易用性 l 易安装维护；l 界面友好、布局合理、风格一致；l 界面所用术语规范、准确；l 操作提示易于理解，引导准确；l 有联机帮助。 软件可扩展性软件可扩展性 l 用户可进行系统的功能扩充，例如：用户定义的图形库、线型库、符号库；l 对话框开发；l 二次开发接口。 12 三维CAD系统及关键技术1. 系统功能需
10、求2. 系统体系结构3. 部分关键技术4. 系统开发简介以天喻公司等六家单位联合申请项目为例以天喻公司等六家单位联合申请项目为例 系统支持大型集团企业系统支持大型集团企业产品协同创新设计，包括：产品协同创新设计，包括：基础核心层：基础核心层：提供共性基础提供共性基础构件，几何与拓扑核心数据构件，几何与拓扑核心数据结构，内存管理机制、基础结构，内存管理机制、基础算法引擎及方法；算法引擎及方法；通用平台层：通用平台层：提供通用设计、提供通用设计、分析工具构件分析工具构件, 支撑用户进支撑用户进行产品结构设计、装配设计、行产品结构设计、装配设计、工程绘图、工艺设计、数控工程绘图、工艺设计、数控代码生
11、成；代码生成；专业应用层：专业应用层：提供面向航空提供面向航空制造应用设计分析工具，支制造应用设计分析工具，支持快速产品开发；持快速产品开发；接口工具集：接口工具集：提供系统内部提供系统内部各层间访问接口、外部数据各层间访问接口、外部数据交换接口、系统集成接口、交换接口、系统集成接口、用户二次开发接口。用户二次开发接口。核心层核心层 l几何引擎：几何引擎：支持零件造型、装配造型、高级曲面造型等三维数字化设计功能，应具有接口兼容、功能齐全、计算稳定、几何覆盖域宽、多种造型统一表示、可扩展性等特点l2D尺寸约束管理：尺寸约束管理：即变量化草图设计，能够支持2D设计、工程图和2D轮廓草图，2D轮廓草
12、图能够有效地支持3D参数化实体模型；支持欠约束和过约束设计。l3D尺寸约束管理：尺寸约束管理：即装配件和机构件的约束管理，能够支持3D草图、零件设计和装配设计。并提供冲突检测管理，支持实时动态装配和机构运动仿真。l通用函数库：通用函数库：提高共享的常用数学运算方法。l图形管理：图形管理：该模块包括线框显示、隐藏线消除、快速真实感图形显示和高度真实感图形显示等三种不同层次的子模块，以满足多种形式的用户需求。通用平台层通用平台层 l特征设计工具：特征设计工具：是基于参数化的实体造型。特征包含产品的特定几何拓扑关系技术公差要求，使产品设计工作在更高层次上。包括：草图设计、特征生成两个方面。l曲面造型
13、：曲面造型：是复杂形体型面造型的最有力的工具。包括： 基本曲面直纹面、旋转面、扫描面、裁剪平面等； 功能曲面等距面、椭球面、双曲面、抛物面等； 曲面编辑裁剪面、过渡面、曲面拼接、曲面缝合、 曲面延伸、曲面求交等。l零件设计：零件设计：提供以特征为基础的零件设计和管理工具，与装配和工程图设计共同构成一个设计平台。l装配设计：装配设计：支持复杂产品装配设计、干涉检查。提供面向设计群体的装配设计环境，支持参数化自动装配功能，能容易地完成大型结构、复杂零件的装配和子装配。l工程图设计：工程图设计：主要包括图纸生成、图纸设计、图纸管理及打印输出等。三维零件或装配模型能自动生成各种视图，例如主视图、左视图
14、、俯视图、向视图、剖面图，系统自动填充剖面线等；实现自动国标尺寸标注和工程标注，生成符合国标的标题栏，创建各种表格和明细表等。l逆向工程工具：逆向工程工具：包括数据获取、噪声点过滤、残缺数据恢复、区域分割、特征提取、三角网格化、参数曲面拟合重建等功能，实现产品的快速原型设计。l钣金设计工具：钣金设计工具：针对钣金零件的特点专门设计供处理钣金零件造型用的模块，它根据钣金零件的几何特征进行钣金零件设计，钣金零件自动展开、自动排样计算。l动画与仿真：动画与仿真：提供机构运动仿真、运动协调关系、运动范围设计、运动干涉检查；机械产品可装配性检查；提供产品真实效果显示，机器内部的漫游。l其它设计工具集：其
15、它设计工具集：包括标准件库工具，材料库工具，设计图表工具，计算工具，协同管理工具，知识管理工具等。应用层应用层 l 专业设计库：专业设计库：结合企业实际需求构建。如飞机、家电、汽车、工程机械，。接口层接口层 l 同一类软件不同系统间的数据交换：同一类软件不同系统间的数据交换：如UG、CATIA、PRO/E，点对点交换，标准：IGES，STEP等；l 不同软件系统间的数据接口不同软件系统间的数据接口：如CAD、CAPP、CAM、CAE等；l 开放式二次开发接口：开放式二次开发接口：提供可供用户开发的API接口。12 三维CAD系统及关键技术1. 系统功能需求2. 系统体系结构3. 部分关键技术4
16、. 系统开发简介几何引擎几何引擎 技术（技术（CAD的基石，本课程重点）的基石，本课程重点） 三维形体的表达三维形体的表达曲线、曲面的数学基础曲线、曲面的数学基础 NURBS数据的组织及内存管理数据的组织及内存管理 CSGBREP高精度的曲面求交计算高精度的曲面求交计算 跟踪迭代跟踪迭代布尔运算与局部操作布尔运算与局部操作 上述内容是本课程的重点和核心，在此不再展开上述内容是本课程的重点和核心，在此不再展开几何约束求解技术几何约束求解技术 为草图设计、零件设计、为草图设计、零件设计、装配设计、标准件库等应用装配设计、标准件库等应用提供算法支持，整体实现参提供算法支持，整体实现参数化设计。数化设
17、计。 在几何约束研究中，首先要解决冗余约束分量的表在几何约束研究中，首先要解决冗余约束分量的表达、判定和管理，其次利用结构分解方法实现大规模几达、判定和管理，其次利用结构分解方法实现大规模几何约束系统的有效分解，实现快速稳定的求解。何约束系统的有效分解，实现快速稳定的求解。 奇异性分析奇异性分析求解求解方程映射方程映射子结构划分子结构划分二维几何约束二维几何约束三维几何约三维几何约束束二维、三维约束求解流程二维、三维约束求解流程 提供完备的、多层次的提供完备的、多层次的统一产品信息模型，包括几统一产品信息模型，包括几何、精度、技术特征和管理何、精度、技术特征和管理信息等，是信息等，是CADCA
18、D、CAPPCAPP、CAMCAM、PDMPDM系统集成的前提。系统集成的前提。特征建模技术特征建模技术 形状特征包括：形状特征包括：基本体素特征、基于草图的特征、成型特征、过渡特征和用户自定义特征。 基本体素特征：基本体素特征：包括长方体、圆柱体、球体、圆环体、圆台体等特征。 基于草图的特征：基于草图的特征：由草图或一般曲线通过平移、旋转或者多截面路径扫描而形成的形体。 成型特征包括：成型特征包括：孔、凸台、槽、台阶、筋、抽壳、特征阵列等。 过渡特征：过渡特征：包括圆角、倒角等。 过渡策略采用当前多数造型系统中采用滚动球策略。其基本思想是利用沿两相邻面的等距面交线滚动的球面包络面作为过渡面，
19、以严格保证过渡的连续性要求。 用户自定义特征：用户自定义特征：可以是基于草图的特征，也可以是成型特征与草图特征的复合。 为了提高过渡的速度，系统中尽量利用二次面作为过渡曲面，否则，利用基于NURBS的蒙皮过渡算法。另外，过渡时进行有效的合法性检查。 此外还包括此外还包括：特征拷贝、镜象、联动、组合、重定义、隐藏、重排序、插入、修改、删除等操作，特征管理，支持与设计历史无关的并行设计等。 当前特征建模需要解决的问题：当前特征建模需要解决的问题： 缺乏产品制造信息定义的有效手段，目前制造特征的识别与提取仍需依赖人的交互来完成。 因此，从CAD到CAPP再到CAM的集成有待进一步研究。二维、三维模型
20、的全关联技术二维、三维模型的全关联技术 所谓全关联技术是指装配设计、零件结构设计、工所谓全关联技术是指装配设计、零件结构设计、工程图设计过程中所有参数共用，如果在某种设计环境下程图设计过程中所有参数共用，如果在某种设计环境下（例如零件设计）修改其设计参数，则其它设计环境（例如零件设计）修改其设计参数，则其它设计环境（如装配设计、工程绘图）下的设计参数及设计状态也（如装配设计、工程绘图）下的设计参数及设计状态也应自适应变化：应自适应变化： 装配设计装配设计零件设计零件设计工程图设计工程图设计 目前三维目前三维CAD系统均采用特征造型方法，三维装配系统均采用特征造型方法，三维装配环境与零件设计环境
21、实现了关联设计（自适应设计），环境与零件设计环境实现了关联设计（自适应设计），但对二维工程图的生成不尽完善。但对二维工程图的生成不尽完善。 主要原因是：工程图主要原因是：工程图的国标化表达要求。的国标化表达要求。Dd1d2例：零件与装配的关联设计（自适应设计）大规模装配技术大规模装配技术 解决复杂工程产品设计中大规模数据显示、快速装解决复杂工程产品设计中大规模数据显示、快速装配规划与求解的技术瓶颈问题，是实现数字化设计与预配规划与求解的技术瓶颈问题，是实现数字化设计与预装配评估的前提。装配评估的前提。 汽车含数万个零部件，飞机则达到几十万个，这样汽车含数万个零部件，飞机则达到几十万个，这样大型
22、规模的装配对计算机的软硬件性能要求都很高。大型规模的装配对计算机的软硬件性能要求都很高。 机械零部件的原始模型数据经过三角化引擎而生成机械零部件的原始模型数据经过三角化引擎而生成用于显示大量的三角片数据，即显示数据。用于显示大量的三角片数据，即显示数据。 最直接显示机械零部件模型的方法是逐一对这些三角片进行渲染，算法简单、显示精细。然而显示数据庞大，尤其汽车或飞机类大型模型，巨大的数据量图形工作站也难堪重负。 此外网络传输也是障碍，造成协同设计困难。此外网络传输也是障碍，造成协同设计困难。 因此，需要一种优化算法来减小显示数据量的规模，因此，需要一种优化算法来减小显示数据量的规模，同时又要尽量
23、保证图形不会失真。同时又要尽量保证图形不会失真。 这种优化算法基于一种称为多细节层次（Level of Detail， 简称LOD）技术。LOD技术是基于这样一个思想：人眼对于各个模型或模型的各个部分有着不同程度的敏感度，敏感度较大的部分采用较精细的渲染方式，即用较多的三角形去渲染，而敏感度较小的地方则采用较粗糙的渲染方式。 LOD算法思想算法思想产品知识处理技术产品知识处理技术 解决设计中工程知识的处理技术（知识获取、表解决设计中工程知识的处理技术（知识获取、表达、推理、管理），采用知识处理工具将设计知识与达、推理、管理），采用知识处理工具将设计知识与产品设计造型融合，实现知识驱动的产品创新
24、设计产品设计造型融合，实现知识驱动的产品创新设计CAD工具平台。工具平台。 提供一种知识架构让设计人员把设计知识作用于产品造型过程； 提供创建参数约束、设计规则等知识的能力，并对知识进行有效管理； 提供方便的知识重用工具，最终形成嵌入到CAD系统中的知识管理引擎。 将知识编译、知识工具以及知识库推理机封装为知识管理构件，供外部产品设计工具系统调用。 （a）（b）（c）例如：多方案选择1）输入轴径与输出轴径不等，用法兰联轴器(a)；2）如果扭矩100，用无键压缩联轴器（c）；3）其它情况下用有键夹紧联轴器（b）。CAD数据交换技术数据交换技术CAD接口技术与二次开发接口技术与二次开发CAD、CA
25、E、CAPP、CAM、PLM的集成技术的集成技术不同CAD系统的几何不兼容、拓扑不兼容、容差不兼容、语义语法不兼容，格式不兼容。函数抽象归类，接口对象封装，组件（中间件）机制，满足不同的程序语言与不同的应用开发。共享的集成产品信息模型是关键，也是难点12 三维CAD系统及关键技术1. 系统功能需求2. 系统体系结构3. 部分关键技术4. 系统开发简介目前的三条思路：1）从底层平台开始开发2）购买几何引擎，进行通用平台和专业应用开发3）基于成熟商用系统进行专业化二次开发1 1、从底层平台开始，所有版权自主、从底层平台开始，所有版权自主代表：CATIAUGPro/EGEMS部分模块和算法也需购买，降低风险和成本。2、购买几何引擎，进行通用平台和专业应用开发目前几何引擎：ACIS、Parasolid提供几何造型功能： 曲线、曲面表达 基本几何形体定义 曲面求交、裁剪 形体布尔运算 数据结构管理及内存管理 显示算法及管理（外购）其它通用模块和专业应用自己开发： 特征造型、交互输入、约束求解、开发接口、数据交换、专业设计等3、基于成熟商用系统进行专业化二次开发商用系统一般提供C，C等二次开发Api函数，供用户进行专业化的二次开发；对于较低层次的开发用户提供建库工具、界面定制工具等手段
