第4讲-二维CAD系统及开发技术简介

华中科技大学CAD中心4.1、二维CAD系统功能需求分析4.2、二维CAD系统体系结构4.3、二维CAD系统关键技术4.4、CAD系统图形交互技术（选）4.5、二维CAD系统开发简介4.6、AutoCAD二次开发简介第4讲二维CAD系统及开发技术简介华中科技大学CAD中心1、了解二维CAD系统组成及体系结构2、简要了解二维CAD系统开发方法及过程本章目的华中科技大学CAD中心4.1、二维CAD系统功能需求分析对二维机械CAD系统的功能基本要求：集设计、计算与绘图于一体，实用化程度高；符合国家有关机械设计的标准；全汉化界面、多级弹出式菜单、图标菜单及对话框等接口形式；提示醒目，操作简单，容错能力强，适合从事机械设计的人员使用。想一想：从机械工程专业学生的角度考虑，二维机械设计CAD软件需要什么功能才能最好的满足工程设计人员的需求。华中科技大学CAD中心各种辅助工程绘图零件计算与分析汉字标注装配图自动消隐和明细表自动生成基于尺寸驱动的参数化设计交互式参数化零件建库工具智能尺寸标注与符号标注参数化标准件、常用件、夹具零件库简图符号库多种信息查询图号编码与管理……二维CAD系统具体功能需求如下：华中科技大学CAD中心Windows、TCP/IP协议、DBMS基本图形定义基础算法库交互界面工具图形库管理图形编辑管理图形显示管理文件输入输出内存数据管理二次开发接口数据库专业应用开发工具尺寸标注工具设计计算工具标准件库工具专业符号工具查询管理工具协同管理工具工艺设计工具4.2、二维CAD系统体系结构参数化管理通用层专用层数据层支撑层专业化应用CAD软件华中科技大学CAD中心4.3、二维CAD系统关键技术1）基本图形生成（图形学）2）基础算法库（数学算法库）3）参数化技术4）内存管理技术5）二次开发技术6）通用图形库技术7）数据交换接口技术华中科技大学CAD中心1）基本图形生成（图形学）直线、圆弧、曲线、字符及其它组合图形的建模、生成与显示算法等图形基本算法：如填充算法、裁剪算法、曲线离散、求交计算等关键在于：效率和稳定性2）基础算法库基本数学运算：如矢量计算、矩阵运算、方程求解、插值计算、优化方法等度量、物性计算：如长度、角度、距离、面积、质量等几何验证算法：如是否平行、垂直、相交、干涉及包容性等判断检验等关键在于：效率和稳定性华中科技大学CAD中心3）参数化技术参数化（Parametric）设计也叫尺寸驱动（Dimension-Driven），为用户提供方便的尺寸定义及图形的参数驱动技术，用户可高效绘制、修改图形。它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前参数化求解技术大致可分为如下三种方法：（1）基于几何约束的数学方法，又分为初等方法（PrimaryApproach）和代数方法（AlgebraicApproach）；（2）基于几何原理的人工智能方法；（3）基于特征模型的造型方法。abdce参数化管理工具（1）约束定义工具：如共点、共线、共面、平行、垂直、距离、角度等（2）约束求解算法：约束分解、求解序列规划、数值求解、推理求解等（3）变量驱动管理（变量表）华中科技大学CAD中心4）内存管理技术内存的分配、访问、碎片收集整理关键在于访问效率，大内存的管理，避免内存泄露开发工具的选择内存管理对系统影响巨大，直接运行影响效率例如：部分软件运行多次后，速度明显变慢，必须重新启动计算机目前，unix操作系统仍然比windows稳定，其内存管理和系统资源管理更稳定（当然windows历史更短一些）。华中科技大学CAD中心5）二次开发接口技术提供通用的调用接口函数，便于模块化，节省代码量，便于维护和扩充关键在于平台的无关性、兼容性、可移植性外部接口的稳定性更难以控制6）通用图形库技术提供通用的图形库定义机制（多用模板机制），便于构建标准件库、常用零件库、用户自定义库等工具关键在于：图形库定义、添加、修改、删除等维护机制，通常采用数据库管理技术。标准件库管理工具：1）各种标准件库（常用国标库：螺栓联接、轴承、齿轮等，汽车标准件库，飞机标准件库等）；2）标准件库管理（添加、修改、删除、查询等）；3）用户专用零件库管理（添加、修改、查询等）。华中科技大学CAD中心图形显示管理：图形显示状态，如显示、隐藏；图形显示模式，如图层、线型、颜色；字符显示，如字体、颜色；图形显示流程，从模型定义到设备无关的接口，再到显示设备。文件输入输出管理：文件的输入与输出，其它文件格式转换，打印、绘图等硬件设备的输出，文件的加密与解密（包括软件狗）等。尺寸标注工具：尺寸字体、引线、箭头，直线标注，圆弧标注，形位公差标注，国标符号标注。专业符号工具：常用机械设计符号、焊接符号、液压符号、电器符号、设备符号、飞机设计专业符号、汽车设计专业符号等。协同管理工具：网络连接通信服务，设计提交、发布、交流讨论、图形浏览、远程访问PDM数据库。7）CAD系统的其它功能图形编辑管理：各种图形的参数修改，曲线编辑，图形的切角、过渡、拼合连接、复制、阵列，图形的回退（Undo）、重作（Redo）等。华中科技大学CAD中心4.4、CAD系统图形交互技术（选）在现代设计过程中，工程师们经常使用CAD/CG系统，把自己的设计构思通过交互设备输入到计算机中，计算机经计算、处理、显示等过程把工程师输入的设计方案反馈给工程师，如此反复输入、反馈、修改，直到满意为止。在这个过程中，工程师和计算机之间不断交换信息，完成交互任务，称为人机交互。交互技术也是CG&CAD的一个重要组成部分。人机交互使用的设备主要有键盘、显示器、鼠标、各种模式识别设备等。早期的人机交互通过键盘输入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示。随着计算机技术的发展，操作命令越来越多，功能越来越强。随着图形软件及硬件技术、模式识别技术（如语音识别、汉字识别）等输入设备的发展，采用类似于自然语言进行交互成为可能。这些人机交互可称为智能化的人机交互。CAD系统图形交互技术必要性：人机交互技术的发展华中科技大学CAD中心1）图形交互设备1）物理输入设备（硬件设备）键盘(Keyboard)鼠标（Mouse）跟踪球（Trackball）操纵杆（Joystick）数字化仪（Digitizer）触摸板（TouchPanel）光笔（LightPen）数据手套（DataGlove）扫描仪（ImageScanner）数码相机（DigitalCamera）华中科技大学CAD中心2）逻辑输入设备定位设备（LocatorDevice）笔划设备（StrokeDevice）字符串设备（StringDevice）定值设备（ValuatorDevice）选择设备（ChoiceDevice）拾取设备（PickDevice）图形系统使用逻辑输入设备的概念来减少系统对物理设备的依赖性，提高系统的独立性和灵活性。虽然每种逻辑输入设备的功能都可以用多种图形输入设备来实现，但是有些输入设备却比其它设备更加方便地完成特定的逻辑输入功能。比如说，鼠标和数字化仪擅长于定位，键盘可以方便地输入字符串，光笔适合在屏幕上拾取图形。定位设备用来输入位置坐标，如鼠标等输入一系列坐标，是定位设备的连续调用用来输入一串字符。键盘、手写体识别等用于输入数值。如标尺、刻度盘等从选择集中挑选出一个元素，如功能键用来拾取屏幕上的一些对象，如鼠标等华中科技大学CAD中心2）图形交互技术交互技术的出现使得图形系统能提供各种不同的交互功能，使用户能方便、高效地完成传统方法做起来较为困难的工作。常用的交互技术有：对话框、橡皮筋技术、约束技术、网格技术、引力场技术、拖动技术、操作柄技术、菜单技术等。对话框技术DialogueBox用户常常需要从一个选择集中选择多个元素。菜单技术不适合多选，如弹出式菜单在选择后就消失。对话框可以解决上述问题。对话框在确认关闭前一直可见。此外，对话框允许用户从多个选择集中作选择，可以提供输入文本和数值的区域，在用户确认之前都可以修改，并经用户确认后才消失。对话框图示华中科技大学CAD中心橡皮筋技术RubberBand橡皮筋技术画直线就是在起点确定后，光标移动定终点时，在屏幕上始终显示一条连接起点和光标的直线，该直线随光标位置移动而变动，就像在起点和光标间紧紧地拉着一根橡皮筋。该方法也可画圆弧、矩形等。橡皮筋技术画直线实际上是不断地进行“画－擦（与或模式重画）－画”简易动画过程。即：（1）从起点到光标中心点（x，y）处画图；（2）擦除起点到光标中心点（x，y）处图形；（3）光标移动到新的位置：x=x+△x，y=y+△y（4）转第（1）步，重复这个过程，直到按下确认键为止。想一想：橡皮条技术如何通过画线方式实现的。华中科技大学CAD中心网格技术Grid网格是另一类约束技术，它强迫输入点落在屏幕的坐标网格交点上。坐标网通常以线网或点阵网显示在屏幕上，该技术既可用于画线，也可用于定位。网格可取同等间隔并且覆盖整个屏幕，也可以使用部分网格以及在不同屏幕区域有不同大小的网格。约束技术是指交互输入过程中施加特定约束限制条件进行图形交互，如绘制水平线、垂直线、平行线、相切线，给定长度、距离等。CAD中的参数化技术是最常见的约束交互技术。约束技术Constraint华中科技大学CAD中心拖动就是将形体在空间移动。选择拖动功能后，先在作图区用定位设备拾取某个要拖动的物体，再按住键移动光标，则这个被拾取的物体将随着光标的移动而移动。拖动过程是不断地进行画、擦、画的过程。拖动技术Drag操作柄技术Handle操作柄技术可以用来对图形对象进行缩放、旋转等几何变换。先选择要处理的图形对象，该对象的周围会出现多个操作柄，移动或旋转操作柄就可以实现相应的变换。Undo/Redo技术在大型CAD应用软件中均提供了一些无限级的UNDO和REDO功能，使用户编辑修改图形更加方便。Undo、Redo操作华中科技大学CAD中心图形拾取是交互技术的重要内容之一。在交互式图形系统中，图形的增、删、改等操作都是以拾取图形或拾取图形的某一位置点为基础。拾取图形的速度和精度又极大地影响着交互系统的质量。点拾取：点的显示域是以该点为圆心，r为半径的圆形域，r是系统捕捉精度。鼠标位置落在此区域即拾取成功。直线拾取：判断鼠标位置是否落在直线段的包容盒之内，且到直线段的距离是否小于等于系统设定精度。曲线拾取：曲线在显示输出时，己离散成小直线段集，故曲线拾取的算法与某一直线段拾取的算法类似。封闭区域拾取：依次判别多边形边界上每条线段的显示域是否包含拾取点，如果该图案的某一条边界线段满足拾取条件，则对该区域的拾取成功。图形拾取操作华中科技大学CAD中心3）菜单技术Menu菜单是程序提供用户进行命令和操作选择的可选操作表，其技术的特点是：（1）可清楚地在屏幕上显示出可供用户选择的全部选项，就像餐厅点菜的菜单一样，一目了然。（2）可以防止用户选择在范围以外的项目，解决了错误命令问题。（3）菜单很灵活，可以改变内容。大多数图形系统都采用了菜单结构，菜单可是字符串，也可是图标（如工具条），由用户通过选择设备进行选择利用鼠标、光笔、触摸屏等输入设备可以实现菜单选择功能。菜单设计原则菜单主要分为三种方式：主菜单、下拉式菜单、弹出式菜单。主菜单始终固定显示在屏幕某区域上；下拉式菜单是当选择某些项才呈现到屏幕上；弹出式菜单用鼠标右键单击某个热区后才呈现到屏幕上，二者都在需要时出现，不需要时立即消失，不会遮挡原显示图形。华中科技大学CAD中心主菜单（固定菜单）子菜单（下拉式菜单）浮动菜单（弹出式菜单）一般来说，选择项较少的菜单效率较高。通常菜单位于屏幕一侧，使其不影响图形显示，如果菜单内容太多，可把菜单分层，由主菜单引出第二级菜单，由第二级引出下一级菜单，菜单层数不宜超过三层。除了固定菜单外，另一种布局方式是“可移式”菜单，如“弹出式”菜单，它可以在任意屏幕光标处出现。华中科技大学CAD中心A）界面整体设计4）图形界面设计人机操作界面是计算机与人交互的窗口。良好的用户界面是