第3章 计算机辅助产品设计的方法

第三章计算机辅助产品设计的方法概述计算机辅助设计过程计算机辅助概念设计参数化与模块化设计产品设计的可视化技术第3章计算机辅助图形处理技术3.1概述计算机辅助产品设计：将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验以现代科学方法为指导结合起来，在设计的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成整个设计过程。设计过程需要合理化、科学化、算法化、规律化第3章计算机辅助图形处理技术3.2计算机辅助设计过程分析一、设计过程及阶段划分1.任务规划阶段（需求分析、可行性论证、制订任务书）2.概念设计阶段（构造设计模型、功能划分、确定方案、审查评价）3.结构设计阶段（结构草图设计、分析计算优化、审查评价、确定装配草图）4.详细设计阶段（技术图样绘制、工艺设计、性能试验、用户使用、鉴定）5.定型生产阶段（设计定型、生产规划、生产制造）第3章计算机辅助图形处理技术3.3计算机辅助概念设计一、产品概念设计内涵二、概念设计的过程模型三、计算机辅助概念设计的关键技术四、基于知识的产品创新设计五、产品概念设计中的美学设计第3章计算机辅助图形处理技术一、产品概念设计内涵概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具体、不断进化的过程。产品设计的60%~70%成本和时间占20%以下第3章计算机辅助图形处理技术二、概念设计的过程模型D={I,P,Q,O,Φ}例如：P2为概念设计过程={需求分析，功能求解，寻求子原理解，概念产品评价}Q2={需求说明书，功能解答，原理解答，概念产品解答}概念设计的特点：方案选择自由度大，创新空间大，决策风险大，决定产品最终价值的80%。第3章计算机辅助图形处理技术计算机辅助概念设计定义：以计算机为手段从事符合人类进行产品创新设计的思维过程，支持产品概念设计及设计决策。人机工作分配：计算机：有规律的设计工作，创造性主要体现在依据规则和知识对问题求解的分析综合。人：原创性的设计工作第3章计算机辅助图形处理技术三、计算机辅助概念设计的关键技术原理方案设计技术概念设计建模技术设计创新技术并行和协同概念设计技术第3章计算机辅助图形处理技术四、基于知识的产品创新设计概念设计本质：推理与决策的过程概念设计的基础：应用合理有效的知识处理（表达、获取、推理），进行创新创新设计方法：基于功能分解与重组的设计方法TRIZ理论第3章计算机辅助图形处理技术五、产品概念设计中的美学设计概念车第3章计算机辅助图形处理技术概念车第3章计算机辅助图形处理技术3.4参数化与模块化设计最大限度地利用已有设计成果，修改不合要求的部分.一、参数化与模块化设计概念二、参数化、变量化设计的实现方法三、模块化设计方法第3章计算机辅助图形处理技术一、参数化与模块化设计概念研究目的：将只有几何图素的“死图”变为含设计构思、设计信息的产品几何模型。1.参数化和变量化设计的基本概念参数化设计是指设计图形拓朴关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束，参数与图形的控制尺寸有显式对应，不同的参数值产生不同的图形。适应于规格化、系列化产品设计。变量化设计是指设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数，还有拓朴结构关系，甚至工程计算条件，设计结果受到一组约束方程控制和驱动。适应新产品的开发。相同：在约束的基础上驱动产生新的设计结果不同：约束自由度的范围。参数化设计方法中要严格的逐个连续求解参数；变量化设计中则是方程式的联立求解。第3章计算机辅助图形处理技术2.模块化设计的基本概念概念：对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列相对通用的功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品，以满足市场的不同需求。例如：组合夹具、系列化机床、家具第3章计算机辅助图形处理技术衣橱模块化设计第3章计算机辅助图形处理技术衣橱模块化设计第3章计算机辅助图形处理技术二、参数化、变量化设计的实现方法一般绘图：计算各点坐标值，逐点连线参数化绘图：参数化定义与标注第3章计算机辅助图形处理技术几何和拓扑参数化第3章计算机辅助图形处理技术（一）参数化设计的实现方法1.参数化设计的步骤建立几何拓朴模型进行参数化定义推导参数表达式编制程序第3章计算机辅助图形处理技术2.几何图形的参数化分析与定义注重参数序列的设计含义参数标注与工程图标注一致参数序列与几何图形尺寸序列数据结构具有对应关系工程图中的关键尺寸应作为自变量参数参数定义不能出现过约束第3章计算机辅助图形处理技术3.参数化绘图实现方式建立模型过程中，直接将参数序列定义其中；利用草图器绘制草图，然后再加约束，定义参数；对成熟的、定型的、常用的产品图形，将模型建成参数化图素。第3章计算机辅助图形处理技术4.参数取值方式设置缺省尺寸值预先设计建立系列化变量值表，绘图时从表中取值由用户实时修改输入第3章计算机辅助图形处理技术（二）变量化设计的实现原理本质是在数字化建模时动态地建立、编辑和识别约束，并在此约束下求解各特征点。1.整体求解法将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组的方法2.局部求解法作图过程中同步建立结构图形约束的方法3.几何推理法采用谓词表示几何约束，在专家系统的支持下，求出求和约束，检查约束模型的有效性4.辅助线求解法用辅助线作为隐含约束的方法，所有作图形都建筑在辅助线的基础上。第3章计算机辅助图形处理技术参数化、变量化对比参数化记录建模过程和其中的变量，是顺序化的。速度快。但用户必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定义下一个元素。变量化模型的驱动尺寸用复杂的方程组来表达，通过求解联立方程组来得到结果。允许用户不必关心约束设置的顺序，允许欠约束的几何设计。变量化系统是对逐渐用属性进行约束的自由轮廓进行求解，而不是对造型步骤进行记录。第3章计算机辅助图形处理技术三、模块化设计方法新产品模块化设计变型产品模块化设计现有产品模块化改造设计第3章计算机辅助图形处理技术设计过程1.新产品模块化设计市场调研功能分析模块化产品总体设计模块划分模块划分方案初步评价各模块详细设计模块综合产品性能分析模块设计方案详细评价编写技术文件2.变型产品模块化设计用户需求分析查询模块库模块选择与替换/设计新模块模块组合产品性能分析编写技术文件第3章计算机辅助图形处理技术3.现有产品的模块化改造设计过程市场调研用户需求分析与分类拟定产品系列型谱参数范围及主参数确定已有产品的模块化分析与模块化程度评价确定模块化系列类型（横、纵、跨、全）模块划分各模块详细设计模块综合产品性能分析编写技术文件第3章计算机辅助图形处理技术模块化设计的关键市场调查与分析模块的划分模块标准化拟定产品系列型谱模块的管理第3章计算机辅助图形处理技术3.5产品设计的可视化技术一、图形生成技术与算法二、图形变换技术三、真实感图形显示技术四、数据可视化技术第3章计算机辅助图形处理技术一、图形生成技术与算法1.基本图形元素的生成算法2.自由曲线和曲面的生成3.图形元素的求交以及集合运算4.不同字体中、西文的点阵表示及矢量字符的生成第3章计算机辅助图形处理技术基本图形元素的生成算法直线DDA、Bresenham算法圆弧正负法、多边形逼近法区域填充多边填充种子填充第3章计算机辅助图形处理技术自由曲线和曲面的生成规则曲线、曲面按参数方程画出不规则曲线、曲面离散数据插值曲线拟合（例如贝塞尔曲线）第3章计算机辅助图形处理技术图形元素的求交以及集合运算几何运算：求交运算面面，面线，线线检验几何元素位置的运算点在线，点在面，点在物体几何建模拼合算法几何运算核心基础第3章计算机辅助图形处理技术不同字体中、西文点阵表示及矢量字符生成字符库储存了每个字符的形状信息分类：矢量型点阵型字型压缩技术第3章计算机辅助图形处理技术二、图形变换技术（一）窗、视变换（二）图形几何变换的基本原理（三）二维图形的几何变换（四）三维图形的几何变换第3章计算机辅助图形处理技术（一）窗、视变换窗口定义：用户在输入的图形选定的观察区域属性：坐标二维平面的矩形区域。可见性矩形内可见，外不可见窗口可以嵌套异形窗口第3章计算机辅助图形处理技术视口定义：在图形输出设备上所复制的窗口内容的矩形区域属性：坐标二维平面的矩形区域。视区可以嵌套第3章计算机辅助图形处理技术窗口、视口示意图第3章计算机辅助图形处理技术窗视变换定义：由于窗口和视区大小和单位的不一致，为在视区中表现窗口内容，将窗口图形坐标应变换到视区中。属性：视区和窗口的缩小和放大均可使图形产生变化。视区纵横比不等于窗口纵横比时，显示的图形会有伸缩变化窗口和视区大小相同、坐标相同时，显示的图形不变第3章计算机辅助图形处理技术窗、视变换示意图（XR,YR）（XE,YE）第3章计算机辅助图形处理技术视区不变、窗口缩小，图形放大第3章计算机辅助图形处理技术（二）图形几何变换的基本原理基本思想：任何一个图形都可以认为是点之间的连线构成的。对于一个图形作几何变换，实际上就是对一系列点进行变换。引入齐次坐标，变换算法可用矩阵表达点p的几何变换：(x’,y’,z’,1)=(x,y,z,1)·M图形的几何变换：V’=V·M对于二维图形M是3×3阶矩阵，三维图形M是4×4阶矩阵变换类型比例变换、对称变换、错切变换、旋转变换、平移变换第3章计算机辅助图形处理技术（三）二维图形的几何变换图形的变换完全取决于变换矩阵中各元素的取值。一个二维变换矩阵可分为四个部分，即其中：A、B、C、D：比例、对称、错切、旋转M、N：平移P、Q：透视S：全比例变换第3章计算机辅助图形处理技术比例变换第3章计算机辅助图形处理技术对称变换第3章计算机辅助图形处理技术错切变换第3章计算机辅助图形处理技术旋转变换第3章计算机辅助图形处理技术平移变换2×2阶变换矩阵不能实现平移，需引入齐次坐标。齐次坐标：将一个n维分向量用n+1维的分向量来表示第3章计算机辅助图形处理技术复合变换实际图形变换是相对于任意点或线的变换。复合变换过程平移变换再平移注意：复合变换矩阵的求解顺序不能任意变动第3章计算机辅助图形处理技术（四）三维图形几何变换（1）三维几何变换矩阵M：左上角：比例、对称、错切、旋转左下角：平移右上角：透视右下角：全比例第3章计算机辅助图形处理技术（四）三维图形几何变换（2）三维比例变换三维对称变换对XOY平面的对称变换对YOZ平面的对称变换对XOZ平面的对称变换三维错切变换三维平移变换三维旋转变换绕Z轴旋转的变换矩阵绕X轴旋转的变换矩阵绕Y轴旋转的变换矩阵第3章计算机辅助图形处理技术（四）三维图形几何变换（3）三面投影变换(1)主视图变换矩阵(2)俯视图变换矩阵(3)左视图变换矩阵第3章计算机辅助图形处理技术三、真实感图形显示技术第3章计算机辅助图形处理技术真实感图形技术真实感图形：经过消隐、着色、渲染等效果处理的图形。技术内容：观察空间转换（三维实体的二维表示技术：轴侧图、透视图，增强立体感）消隐（面的可见性、包含性、深度检验）明暗效应（明暗效应数学模型：以数学公式近似表面感光效果）阴影（二次消隐：光源消隐，视点消隐）纹理处理、光线跟踪、辐射度、透明度第3章计算机辅助图形处理技术1.轴测图使物体连同它的三个坐标轴同时倾斜于某一个投影面，然后向该投影面投影就得到了轴测图。轴测投影变换：先绕Y轴旋转θ角在绕X轴旋转φ角最后向XOY平面投影第3章计算机辅助图形处理技术2.透视图表达的物体图形有一种渐远渐小的深度感，是一种与人的视觉观察物体比较一致的三维图形，它是采用中心投影法绘制的