1、1现代设计理论与方法第2章 计算机辅助设计2概况1您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。概况2您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。概况3您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。+整体概况32.1 概述 在人类社会生产发展的历史长河中，蒸汽机和电机的应用延伸了人的体力劳动, 催生了工业革命，而以计算机技术为核心的信息技术的应用则延伸了人的脑力劳动，导致了一次新的工业革命，使人类社会迈进了信息时代。 计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简称CAD）技术是计算机科学和数字化信息技术在工程设计、机械制造等领域中最具影响的一项高新技术。4 CAD技术的发展和应用使传统
2、的产品设计理论与方法、以及生产模式发生了深刻的变化，同时对人才知识结构等产生了重大的影响。 学习和掌握CAD技术原理及其相应软件系统的应用方法，并与专业知识结合以解决所面临的工程技术问题，对于21 世纪的工程技术人员来说十分重要。 在CAD技术发展初期，CAD的含义仅仅是绘图板的替代品，以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期。5 80年代，由于PC机的应用，CAD技术得以迅速发展，并催生了以AutoCAD、Solidworks 为代表的一批被市场广泛接受的产品，这些产品对CAD技术的推广普及发挥了关键性的作用。 纵观CAD技术的其发展历程，可以归纳为以下几个技术阶段： 1. CAD技
3、术的诞生: 的主要技术特点是交互式二维绘图; 2.曲面造型理论的发展与CAD初步应用,又叫表面建模(Surface Modeling)，是通过描述物体表面来进行三维形状设计的建模方法。 3.实体造型技术的发展。 4.特征参数化造型推动CAD技术走向成熟应用。62.2曲面表示与曲面造型 曲面造型是研究曲面的计算机表示、求交、光顺和显示的技术，是计算机辅助设计的重要研究内容。 常用的曲面造型方法 1） 线性拉伸曲面 （Extruded surface），如图4.3(a)所示，是将一条平面曲线或空间曲线（称之为母线）沿一个线性方向拉伸一段距离所扫成的曲面。 （2）旋转曲面 （Revolved sur
4、face），如图4.3(b)所示，是将一条平面曲线绕一轴线旋转所生成的曲面，常用于构造具有中心轴的回转形零件。7 3）扫掠曲面（Swept surface）如图4.3(c) 所示，扫掠曲面是以若干线条为截面线（Cross section profiles），以另外一条脊线（Spine curve）或若干条导引线（Rail curves）为引导，截面线沿着脊线或导引线移动形成的自由曲面。 （4）直纹曲面（Ruled surface），如图4.3(d)所示，是将一条直线的两端沿着两条曲线沿同一方向均匀移动所生成的曲面。平面是最简单的直纹面， 圆柱面、圆锥面、飞机的机翼和尾翼翼面等都直纹曲面。直纹面
5、造型的关键是要确定两条曲线之间的参数对齐方式，对齐方式决定了直纹面的具体形状。8 （5）放样曲面（Loft surface）也称为蒙皮曲面（Skin surface），其造型过程可形象地看做给一组截面曲线构成的骨架上蒙上一张光滑的皮。放样曲面造型可以沿一个参数方向，也可以沿U,V两个参数方向设定截面曲线，在设计中具有广泛的应用。 放样曲面与扫掠曲面中的扫掠功能有一些类似，都是通过截面线并且沿着导引线进行扫掠，从而形成一张曲面。 所不同之处是，扫掠曲面造型所能选择的截面线和导引线数量很少，如图4.3（c）所示，选择一条截面线及两条导引线进行扫掠；而放样曲面功能可以选择更多的截面线和导引线。9 （
6、6）Coons曲面，如图4.3(f)所示，是由美国麻省理工学院的孔斯（Coons）与1964年提出来的独特的由四条封闭边界曲线构造曲面的方法。Coons曲面的独特之处就在于构造组成复杂组合曲面的曲面片时，直接采用可以是任意类型参数曲线的四条边界来构造曲面。（7）裁剪曲面（Trimmed surface），通过裁剪曲面的内外边界环以得到所需要的曲面部分。在CAD曲面造型中，实现曲面裁剪的方式很多。如图4.3(g)所示，是通过将一组平面轮廓线向下投影，沿投影方向裁剪曲面。 （8）曲面过渡是产品外形设计中用于解决一般外形曲面的光顺连接问题的方法。过渡曲面一般分为圆角过渡曲面（Fillet surfa
7、ce）、自由过渡曲面（Blend surface）和填角过渡曲面（Fill surface）。其中，圆角过渡在产品形设计中最为常见，在小部件外形的光顺处理中经常采用。10（a）线性拉伸曲面（b）旋转曲面11（c）扫掠曲面（d）直纹曲面12（e）放样曲面13（f）Coons曲面（g）曲面裁剪14（h）等半径过渡曲面（i）变半径过渡曲面图4.3 常用的曲面造型定义方式152.3 实体造型方法 实体模型的核心问题是采用什么方法来表示实体，其与线框模型和表面模型的根本区别在于：实体模型不仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体的信息。 目前被CAD造型系统广泛采用的两种实体表示方法，体素拼合
8、法（CSG 法）和边界表示法（B-Rep 法)。 2.3.1 体素拼合（CSG）法 CSG法是用简单实体（称为基本体素，Primitive Geometry）通过布尔运算的交、并、差构造复杂实体的方法。常用的体素有长方体、圆柱体、球体、圆锥体等（如图4.4所示）。图4.5表示了长方体与球体两个体素经过交、并、差布尔运算后的效果。16长方体 圆柱体 球体圆锥体 楔形体 圆环体图4.4CSG法中常用的基本体素17基本体素 并 交 差图4.5基本体素（长方体与球体）布尔运算的结果18图4.6 实体构造与CSG树192.3.2边界表示（B-Rep）法1）B-Rep表示法的概念 B-rep法是用物体封闭
9、的边界表面描述实体的方法，这一封闭的边界表面由一组面的并集构成，其中面可以是平面也可以是曲面，而每个面可由边界的边集表示。 实体造型与曲面造型的区别在于实体造型的表面必须封闭、有向，各张表面之间有严格的拓扑关系，形成一个整体；而曲面模型的面可以不封闭。202.4 参数化特征造型技术 2.4.1 特征的概念 实体建模方法在表示物体形状和几何特性方面是完整有效的，能够满足对物体的描述和工程的需要，但从工程应用和系统集成的角度来看，还存在一些问题。 例如，实体建模中的操作是面向几何的（几何元素的位置、形状等），而非工程描述（如槽、孔、凸台的构造特征），信息集成困难。 因而需要有一个既适用于计算机辅助
10、产品设计又适用于计算机辅助产品制造的统一的产品信息模型，满足产品设计与制造周期中各环节对产品数据的需求。特征造型方法的出现弥补了纯几何的实体造型的不足。 关于特征造型，我们首先需要了解“特征”的概念。然而，目前对于特征本身还没有形成一个统一且明确的定义。从造型理论层面上看，它是一个综合的概念，是几何特征和工程特征的集成，即几何信息、工程信息及其依赖关系（特征的生成信息）的集成。21 从应用层面看，特征可以被认为是“产品开发过程中各种信息的载体”，它除了包含零件的几何拓扑信息外，还包含了设计制造等过程所需要的一些非几何信息，如材料信息、尺寸形状、公差信息、热处理及表面粗糙度信息和刀具信息等。 产
11、品特征可以表达为如下形式： 产品特征 = 形状特征（形状设计语义信息）+ 工程语义信息 特征造型的本质还是实体造型，但为模型的生成增加了工程语义，即实体的几何形状是基于工程语义的计算结果。22 基于特征的实体造型则是在更高的层次上对产品进行数字化描述，通过修改特征的参数和特征的约束来调整产品的形状。 设计人员操作的对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如螺纹孔、键槽、倒角等。 基于特征的CAD造型更好地体现了设计意图，使产品的数字化模型更容易理解，所设计的产品更容易修改，也有利于组织生产，从而使设计人员可以有更多精力进行创造性构思。 目前大多数三维造型系统都具有特征造型功能。232.
12、4.2 特征树与特征管理 用于记录组成零件的所有特征的类型及其相互关系。 在造型过程中，用户可以通过特征树窗口进行特征操作，使造型过程一目了然。 特征树中存在两种基本关系：父子关系和邻接关系。图4.15 特征树与特征模型242.4.3 特征的参数化草图 特征创建往往是从绘制参数化草图开始。参数化草图是指带有约束关系与驱动尺寸的二维图形，利用草图可以创建参数化的二维轮廓，通过对该轮廓进行旋转、拉深、扫掠等操作即可得到相应的三维参数化模型。 在草图轮廓上每增加一个有效尺寸，将减少轮廓的一个自由度，标注尺寸时要注意工程上的习惯，一定要有尺寸基准的思想。25 参数化草图中通过定义“约束”来限定草图中各
13、几何元素之间的特殊关系。 常用的约束包括： 平行（Parallel） 垂直（Perpendicular） 水平（Horizontal） 竖直（Vertical） 相切（Tangent） 共线（Collinear） 同心（Concentric） 固定（Fix）等。 约束保证了图形元素尺寸改变后能大致保持原来的形状，也保证了尺寸链的完整性，约束是重要的参数类型之一。 “尺寸”用来注明轮廓中元素的长度、距离、半径、直径、角度等。26图4.16 参数化草图中的约束定义272.4.4 常用的实体建模特征 在实体建模中，特征按其功能特点可以分为四类： 1基础特征 基础特征用于完成最基本的三维几何体造型任务
14、，其通常依赖于参数化草图，通过特征操作生成三维实体。 常用的基础特征包括：拉伸（Extrude）、旋转（Revolve）、扫描（Sweep）、放样（Loft）等，这些特征又可以通过布尔运算组合在同一模型中。281）“拉伸特征”是将一草图沿与草图垂直的方向移动一定距离生成特征的方法。例如，圆柱体可以认为是以圆形草图拉伸一定高度而形成。2）“旋转特征”是将一个草图绕中心线旋转一定角度来生成特征的方法，它既可以生成实体特征，也可以旋转切除实体或生成旋转曲面特征。3）“扫描特征”是将一个轮廓（截面）沿着一条路经移动而生成实体的方法。例如，弹簧 可以被认为是圆形草图轮廓沿螺旋线 移动形成的实体。4）“放
15、样特征”是以两个或多个 轮廓为基础，通过 在轮廓之间的过渡 生成的特征。292附加特征 附加特征是在基础特征之上的特征修饰。 例如，抽壳（Shell）、拔模（Face Draft）、钻孔（Hole）、倒圆（Fillet）、倒角（Chamfer）和加强筋（Rib）等。 1）“钻孔”是机械零件中的常见特征。CAD软件提供的“钻孔”特征用来在模型上生成各种类型的孔。 钻孔特征又可以分为“简单直孔”和“异型孔”两类。30 2）“圆角”和“倒角”是机械零件设计中的常用结构。如图4.17（f），“圆角”是在零件上生成一个内圆角或外圆角面。 3）“抽壳特征” 常用于铸件和模具。如图4.17（i），是去除零件
16、内部的材料，使所选择的面敞开，只保留一个空腔，并在剩余面上生成薄壁特征。 4）“拔模斜度特征”以指定的角度切削实体模型中所选定的面，使得零件可以从模具中取出，或者使零件可以有一个或多个倾斜的面。如图4.17（j），可以使用“拔模斜度”特征。 5）“加强筋和腹板”常用于模具和铸件设计，是从开环的草图轮廓生成的特殊类型的拉伸特征。如图4.17（g）313特征操作 特征操作是针对基础特征以及附加特征的整体操作工具， 对其进行整体的阵列（矩形阵列：Rectangular Pattern，圆形阵列：Circular Pattern）、镜像（Mirror）、特征复制以及特征移动等操作。 1）“镜像特征”是
17、以一个或多个已有特征为基础，以某一基准面为对称面，在基准面的另一侧生成上述特征的复制。2）“线性阵列”是沿一条或两条直线路径生成原始特征的多个实例；而“圆形阵列”是以绕一轴心沿圆周排列的方式，生成原始特征的多个实例。采用阵列生成的特征，一旦原始特征被修改，阵列中所有实例也将被随之更新。324辅助特征 辅助特征辅助而不参与实体模型的生成。 作为建立某些特征的参考，如拉伸操作的草图平面，镜向操作的中心面等。 参考特征包括工作面（Work Plane）、工作轴（Work Axis）、工作点（Work Point）或者基准坐标系等。33(a) 拉伸特征 (b) 旋转特征(c) 扫略特征 (d) 放样特
18、征34(e) 钻孔特征 (f) 过渡圆角特征与倒角特征(g) 加强筋特征 (h) 镜像特征 35(i) 抽壳特征 (j) 拔模斜度特征(k) 矩形阵列特征 (l) 圆周阵列特征图4.17 常用的实体造型特征362.5 工程图纸的自动生成 随着CAD 基础理论和应用技术的不断发展，对CAD系统的功能要求也越来越高。设计人员不再仅仅满足于借助CAD系统来达到“甩图版”的目的。而是希望它能从本质上减轻大量简单烦琐的工作量，以便集中精力于那些富有创造性的高层次的设计活动中。 由于基于特征的实体造型具有可视化好、设计效率高、以及能为产品生命周期各应用环节提供完整的设计、工艺、制造信息等优势，使其具备了二
19、维CAD设计无法比拟的技术优势。37 但是，由于经济实力、技术水平、标准和习惯定势等的影响，二维工程图仍然广泛应用于设计和生产中，用于表达设计意图和制造要求，工程图样也被称为“工程界的语言”。 三维实体造型不可能完全取代二维的工程图纸。另外，在一些如尺寸、公差、工艺标注、布局设计等的表达上，二维工程图仍有着较大的优势。 二维工程图纸不仅不会消亡，反而还会作为工程语言的载体长期存在并不断发展。 见现代船舶2014-9A P93 38394041 二维工程图的主要内容包括：视图：零件图、装配图等。 视图 ：根据有关标准和规定，用正投影法所绘制的物体图形称为视图。视图又分为基本视图、向视图、局部视图
20、和斜视图四种。 1) 基本视图：基本视图是机件向基本投影面投影所得的图形。包括主、俯、左、右、前、后六个基本视图类型。 2) 向视图：是未按投影关系配置的视图。当某视图不能按投影关系配置时，可按向视图绘制。 3) 局部视图：将物体的某一部分向基本投影面投射所得的视图称为局部视图。 4) 斜视图：将机件向不平行于任何基本投影面的平面投影所得的视图称为斜视图。422零件图 零件图是零件制造、检验和制定工艺规程的基本技术文件。因此零件图应包括制造和检验零件所需的全部内容，如图形、尺寸及其公差、表面粗糙度、形位公差、对材料及热处理的说明及其他技术要求、标题栏等。3装配图装配图是表达机器或部件装配、检验
21、、安装、维修服务的重要技术文件。它是设计零件结构和零件装配的基本依据。装配图通常包括组装零件所需的全部技术内容，如各零件的主要结构形状、装配关系、总体尺寸、技术要求、零件编号、标题栏、明细表等。43 目前，国内外主要CAD开发商在大力发展特征造型技术的同时，仍然对二维CAD给予足够的支持，并相继推出了支持二、三维一体化的系统解决方案，可以为三维实体零件和装配体自动创建二维工程图。 当用户使用二、三维一体化CAD系统进行机械产品设计时，首先（绘制二维草图、底图、方案图详图）。 在三维环境下开始设计工作，在特征造型技术的支持下，三维零件的设计变得既直观又快捷。伴随着零件的设计过程，三维统一模型数据
22、源（也称之为“主模型”）也就同时生成。 利用这一数据源可进行装配件设计和许多后续的仿真工作，如进行干涉检查、物理性能计算、机构分析、运动学和动力学分析、真实感显示等等。该数据源也是生成二维工程图的唯一数据来源。44 基于特征造型技术建立的三维统一模型数据源不仅包括模型的几何与拓扑信息，还包括特征、尺寸、公差、属性、关系等信息。 由于采用了统一模型数据源，为维护模型数据的一致性，三维模型的更改必须保证二维视图和标注的及时更新；反之，对二维投影几何和尺寸的改变也必须更新三维模型，即实现二维图纸与三维模型之间的联动，这也正是二三维一体化CAD 系统的本质所在。 一般只需要在二维或三维环境下简单地修改
23、某些尺寸参数，系统就可以自动更新所有相关零部件或图纸。尽管操作很简单，但重新生成的算法实现是很复杂的。45图4.18 基于参数化特征模型的工程视图自动生成46复杂 二维+三维图解决方案建议（供参考） 绘制二维装配草图（底图、方案图详图）； 在三维环境下设计零件； 由三维零件进行三维装配体设计； 基于参数化特征模型的工程视图自动生成，由三维装配图和三维零件图，生成二维装配图和二维零件图； 保存在DWG格式下，再粘贴在二维CAXA电子图板中，进行修改完善。 目前二维CAXA电子图板较三维设计软件自带的二维工程图，在机械设计方面更符合国家设计标准。4748提问与解答环节Questions and answers49结束语 CONCLUSION感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边，来自于您的声音是对我们最大的鼓励和帮助，大家在填写评估表的同时，也预祝各位步步高升，真心期待着再次相会！ 50感谢观看The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film
