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1、第二章第二章 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)2.1 概述概述CAD是采用计算机硬件与软件系统辅助人们对产品或工程是采用计算机硬件与软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析、文进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析、文档制作等设计活动，是一种新的设计方法，也是一门多学档制作等设计活动，是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用技术。科综合应用技术。一般把应用于一般把应用于CAD作业的计算机（中、小型或微型计算机作业的计算机（中、小型或微型计算机等）、软件（计算机的操作系统、图形支撑软件和专业应等）、软件（计算机的操作系统、图形支撑软件和专业应用软
2、件等）及外围设备（打印机和绘图仪等），总称为用软件等）及外围设备（打印机和绘图仪等），总称为CAD系统系统。当前，当前，CAD的应用主要有以下几个方面：的应用主要有以下几个方面：工程设计与分析、工程设计与分析、几何造型、绘图、工程数据库和设计文档。几何造型、绘图、工程数据库和设计文档。1.工程计算与分析工程计算与分析在产品或工程设计中，往往包含着大量而复杂的在产品或工程设计中，往往包含着大量而复杂的 分析计算工作。如产品性能分析、强度及刚度计算、分析计算工作。如产品性能分析、强度及刚度计算、机构参数计算等。机构参数计算等。CAD系统往往包含或者连接某些系统往往包含或者连接某些功能强大的工程分析
3、软件，如有限元分析、优化设功能强大的工程分析软件，如有限元分析、优化设计、动力学分析等软件，利用这些软件可以对机械计、动力学分析等软件，利用这些软件可以对机械零件以及整机进行结构应力应变场、温度场以及流零件以及整机进行结构应力应变场、温度场以及流体内部的压力场、速度场等的分析计算，从而大大体内部的压力场、速度场等的分析计算，从而大大提高设计精度。提高设计精度。2.几何造型几何造型 把物体的形状及其属性转变为计算机的内部表示。把物体的形状及其属性转变为计算机的内部表示。对于机械对于机械CAD系统，几何造型是其核心功能。系统，几何造型是其核心功能。几何造型分为几何造型分为线框几何造型线框几何造型、
4、表面几何造型表面几何造型、实实体几何造型体几何造型和和特征造型。特征造型。3.3.绘图绘图绘图绘图绘图工作量占设计工作的绘图工作量占设计工作的50-60，用计算机绘，用计算机绘图代替传统的手工绘图可提高速度和质量，是图代替传统的手工绘图可提高速度和质量，是CAD技术的重要应用。技术的重要应用。4.工程数据库工程数据库在产品或工程设计中的信息量很大，信息的形式、在产品或工程设计中的信息量很大，信息的形式、属性、关系复杂多样。属性、关系复杂多样。CAD中利用数据库技术建立中利用数据库技术建立各种数据库，统一管理工程数据和图形，为设计过各种数据库，统一管理工程数据和图形，为设计过程提供各种基本数据及
5、保存结果。程提供各种基本数据及保存结果。5.5.设计文档设计文档设计文档设计文档许多设计属性需制成文档说明或输出报表，有许多设计属性需制成文档说明或输出报表，有些设计参数需用文档直方图、饼图或线图等表示，些设计参数需用文档直方图、饼图或线图等表示，由专门软件完成。由专门软件完成。CAD技术的主要特点技术的主要特点1）制图速度快，减少手工绘图时间，提高了工作效率；）制图速度快，减少手工绘图时间，提高了工作效率；2）图形格式统一，质量高，促进设计工作规范化、系列化和标准化；）图形格式统一，质量高，促进设计工作规范化、系列化和标准化；3）提高分析计算速度，能解决复杂的设计计算问题；）提高分析计算速度
6、，能解决复杂的设计计算问题；4）易于技术资料的保存及查找，修改设计快，缩短了产品的设计周期；）易于技术资料的保存及查找，修改设计快，缩短了产品的设计周期；5）设计时可预估产品性能。）设计时可预估产品性能。采用采用CAD技术确实能够提高设计质量，缩短设计周期，降低设计成本，从而技术确实能够提高设计质量，缩短设计周期，降低设计成本，从而加快产品更新换代的速度，使企业保持良好的竞争能力。但也要看到，采用加快产品更新换代的速度，使企业保持良好的竞争能力。但也要看到，采用CAD技术会给企业带来一定的风险和问题，如投资大，需要投入一大笔资金购买软、技术会给企业带来一定的风险和问题，如投资大，需要投入一大笔
7、资金购买软、硬件及支付培训和开发费用；一般不能在很短时间内产生效益，因此有些企业望硬件及支付培训和开发费用；一般不能在很短时间内产生效益，因此有些企业望而却步；还有需要一批掌握而却步；还有需要一批掌握CAD技术的、具有良好素质的工程技术人员队伍，对技术的、具有良好素质的工程技术人员队伍，对原有的技术人员需要培训，这也是影响企业能否有效使用原有的技术人员需要培训，这也是影响企业能否有效使用CAD技术的一个重要因技术的一个重要因素。素。CADCAD的工作过程的工作过程CAD不是完全的设计自动化。实践经验证明，完全设计自动化是非常不是完全的设计自动化。实践经验证明，完全设计自动化是非常困难的。困难的
8、。CAD是将人的主导型与创造性放在首位，同时充分发挥计算是将人的主导型与创造性放在首位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，从而机的长处，使二者有机地结合起来，从而提高设计质量、缩短设计周期、提高设计质量、缩短设计周期、降低设计费用降低设计费用。因此，。因此，人人-机信息交流以及交互工作方式机信息交流以及交互工作方式是是CAD系统最系统最显著的特点。显著的特点。假定假定概念设计概念设计已经完成过，于是首先定义产品的已经完成过，于是首先定义产品的几何模型几何模型，进行零件的，进行零件的外形设计，一般用外形设计，一般用实体造型的方法实体造型的方法建立零件的立体图形，从各个方向观建立零件
9、的立体图形，从各个方向观察它的外观造型、大小比例和色彩等是否符合要求，感到满意后，将其察它的外观造型、大小比例和色彩等是否符合要求，感到满意后，将其转换成具体的数据；然后根据后续工作转换成具体的数据；然后根据后续工作抽取模型中的数据进行处理抽取模型中的数据进行处理，例，例如变成有限元网格数据，接着进行如变成有限元网格数据，接着进行工程分析及计算工程分析及计算，根据计算结果决定，根据计算结果决定是否要对设计进行修改，修改满意后进行详细设计，接着是否要对设计进行修改，修改满意后进行详细设计，接着编制全部设计编制全部设计文档文档，输出工程图。，输出工程图。现代现代CAD过程往往与计算机辅助工艺规程设
10、计（过程往往与计算机辅助工艺规程设计（CAPP）与数控（与数控（NC）自动编程连在一起，）自动编程连在一起，形成自动的形成自动的CAD/CAM系统系统。CAPP的功能是进行零件加工工艺路线及工序的编制，它的功能是进行零件加工工艺路线及工序的编制，它的作用除为生产调度及控制提供信息外，也为的作用除为生产调度及控制提供信息外，也为NC自动编程自动编程提供所需信息。提供所需信息。NC自动编程部分生成刀具加工轨迹并在屏自动编程部分生成刀具加工轨迹并在屏幕上进行加工仿真，检查无误后，经后置处理生成加工代幕上进行加工仿真，检查无误后，经后置处理生成加工代码，控制机床进行加工。码，控制机床进行加工。CADC
11、AD系统的分类系统的分类（1）集中式主机系统：）集中式主机系统：该系统由一台集中式的大型机（或该系统由一台集中式的大型机（或中型、小型机）与若干图形终端连接而成。这种系统的优中型、小型机）与若干图形终端连接而成。这种系统的优点是：有一个集中的数据库统一管理所有的数据，缺点是点是：有一个集中的数据库统一管理所有的数据，缺点是由于所有软件都存在主机里，一旦主机失误，将影响用户由于所有软件都存在主机里，一旦主机失误，将影响用户工作。工作。（2）分布式工程工作站系统：）分布式工程工作站系统：以一台主服务器为中心将若以一台主服务器为中心将若干台工程工作站或微机联成网络。这种干台工程工作站或微机联成网络。
12、这种CAD系统的图形功系统的图形功能强，速度快，内存、外存容量大，是从事能强，速度快，内存、外存容量大，是从事CAD课题的首课题的首选设备。选设备。（3）微型计算机系统：）微型计算机系统：个人计算机（个人计算机（PC）CADCAD系统的硬件和软件系统的硬件和软件硬件：硬件：主机、输入设备、输出设备和存储设备等主机、输入设备、输出设备和存储设备等组成。组成。软件：软件：系统软件、支撑软件和专业应用软件等组系统软件、支撑软件和专业应用软件等组成。成。硬件硬件是实现是实现CAD各项功能的物质基础。但是，使各项功能的物质基础。但是，使硬件各个元件能进行正确的协同工作，却是由软硬件各个元件能进行正确的协
13、同工作，却是由软件程序的控制、指挥来实现的。件程序的控制、指挥来实现的。软件软件是实现是实现CAD各项功能技术的核心。各项功能技术的核心。硬件硬件1、主机、主机：CPU和内存储器。是控制和指挥整个系统运行并执行实际运和内存储器。是控制和指挥整个系统运行并执行实际运算、逻辑分析的装置，是系统的核心。算、逻辑分析的装置，是系统的核心。2、输入设备、输入设备：主要作用是将字符、平面上或空间中点的坐标输入计算：主要作用是将字符、平面上或空间中点的坐标输入计算机，其基本功能是机，其基本功能是“定位定位”和和“拾取拾取”。定位是确定和控制光标在屏幕图。定位是确定和控制光标在屏幕图形上的位置，拾取是选取屏幕
14、图形上的某一内容。形上的位置，拾取是选取屏幕图形上的某一内容。3、输出设备、输出设备：将计算结果输出到屏幕上或纸面上，一般分为两类：一：将计算结果输出到屏幕上或纸面上，一般分为两类：一类是与图形输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速生成和修类是与图形输入设备相结合，构成具有交互功能的可以快速生成和修改图形的显示设备；另一类是在纸或其它介质上输出的可以永久保存改图形的显示设备；另一类是在纸或其它介质上输出的可以永久保存图形的绘图设备。图形的绘图设备。4、存储设备、存储设备：主要是指外存储器，是用来存放大量的暂时不用而等待：主要是指外存储器，是用来存放大量的暂时不用而等待调用的程序和数据的装置
15、。调用的程序和数据的装置。软件软件1、系统软件、系统软件：是直接配合硬件工作，并对其它软件起着支撑作用的软件，：是直接配合硬件工作，并对其它软件起着支撑作用的软件，主要包括操作系统、计算机语言、网络通信及管理软件、数据库及数据主要包括操作系统、计算机语言、网络通信及管理软件、数据库及数据库管理软件。库管理软件。2、支撑软件、支撑软件：是指支撑用户进行：是指支撑用户进行CAD工作的通用性功能软件，主要包括工作的通用性功能软件，主要包括基本图形资源软件、二维三维绘图软件、几何造型软件、工程分析及计基本图形资源软件、二维三维绘图软件、几何造型软件、工程分析及计算软件、文档制作软件。算软件、文档制作软
16、件。3、专用应用软件、专用应用软件：是专门为适应用户特定使用条件需要而开发的软件。：是专门为适应用户特定使用条件需要而开发的软件。软件工程简介软件工程简介软件工程就是采用工程化的方法进行软件开发。一套软件系统从研制软件工程就是采用工程化的方法进行软件开发。一套软件系统从研制开始到最后放弃，整个生存周期大致可以划分为以下几个阶段：开始到最后放弃，整个生存周期大致可以划分为以下几个阶段：1、需求分析和可行性研究阶段、需求分析和可行性研究阶段2、系统功能和系统结构设计阶段、系统功能和系统结构设计阶段3、程序设计及编写阶段、程序设计及编写阶段4、软件测试阶段、软件测试阶段5、使用与维护阶段、使用与维护
17、阶段此模式的特点是按照软件生存周期各阶段的流程、逐步按照软件工程规此模式的特点是按照软件生存周期各阶段的流程、逐步按照软件工程规范实现开发。范实现开发。另一种开发模式另一种开发模式：“原型系统原型系统”法。法。2.2 工程数据的计算机处理工程数据的计算机处理在计算机辅助设计时，需将设计中要引用的工程在计算机辅助设计时，需将设计中要引用的工程数据（实验曲线、图表、各种标准规范、零部件模数据（实验曲线、图表、各种标准规范、零部件模型数据和加工工艺数据等）存入计算机内存、数据型数据和加工工艺数据等）存入计算机内存、数据文件或数据库中去，以便在设计时由计算机按设计文件或数据库中去，以便在设计时由计算机
18、按设计要求自动检索，结合程序进行运算、加工处理和输要求自动检索，结合程序进行运算、加工处理和输出。出。在机械设计过程中，往往需要从有关的工程手册或设计规范中在机械设计过程中，往往需要从有关的工程手册或设计规范中查找各种系数或数据，以获得各种设计资料。一般来说，设计查找各种系数或数据，以获得各种设计资料。一般来说，设计资料的处理方法有两种：资料的处理方法有两种：（1）程序化：）程序化：即在应用程序内部对这些表及线图进行查表、处理或计算。即在应用程序内部对这些表及线图进行查表、处理或计算。具体的方法有两种：第一种是将数表中的数据或线图经离散化后存入一维、具体的方法有两种：第一种是将数表中的数据或线
19、图经离散化后存入一维、二维或三维数组。用查表、插值等方法检索所需数据；第二种是将数表或线二维或三维数组。用查表、插值等方法检索所需数据；第二种是将数表或线图拟合成公式，编入程序计算出所需数据。图拟合成公式，编入程序计算出所需数据。（2）数据库存储：）数据库存储：将数表及线图（经离散化）中的数据按数据库的规定进将数表及线图（经离散化）中的数据按数据库的规定进行文件结构化，如确定文件名、字段名、字段类型、字段宽度等，存放在数行文件结构化，如确定文件名、字段名、字段类型、字段宽度等，存放在数据库中，数据独立于应用程序，但又能为所有应用程序提供服务。据库中，数据独立于应用程序，但又能为所有应用程序提供
20、服务。一、数据组成一、数据组成数据是与现实世界中的某些客观实体相关。实体可数据是与现实世界中的某些客观实体相关。实体可以是某些具体的东西，也可以是可触及的抽象概念。以是某些具体的东西，也可以是可触及的抽象概念。我们把实体的特征称之为我们把实体的特征称之为属性属性，标识属性的名称称之，标识属性的名称称之为为属性名属性名。每个属性所能测量或记录的值称之为。每个属性所能测量或记录的值称之为属性属性值值。数据是描述客观实体的数值、字符及其它符号的数据是描述客观实体的数值、字符及其它符号的集合集合。如齿轮是个实体，由编号、模数、齿数、外如齿轮是个实体，由编号、模数、齿数、外径、材料牌号等几个属性描述。径
21、、材料牌号等几个属性描述。零件号零件号 材料牌号材料牌号 模数模数mm 齿数齿数 外径外径mm 孔径孔径mm 齿宽齿宽mm 106845324782530.0.304540Cr4281203035.0如如P13平键是个实体，由轴径、键宽、键高、轴、轮毂平键是个实体，由轴径、键宽、键高、轴、轮毂等几个属性描述：等几个属性描述：轴径轴径d 键宽键宽b 键高键高h 轴轴t 轮毂轮毂t1 68 221.21.0810 331.81.41012 442.51.81217 553.02.31722 663.52.82230 874.03.33038 1085.03.33844 1285.03.34450
22、1495.53.85058 16106.04.3 从复杂性或层次级别来看，我们可将数据分为以下从复杂性或层次级别来看，我们可将数据分为以下几种形式：几种形式：1).字段字段字段是数据中最基本的用来描述实体某个属字段是数据中最基本的用来描述实体某个属性的数据元素，也称数据项，如一个零件名称或性的数据元素，也称数据项，如一个零件名称或材料牌号材料牌号(如如40Cr)。2).记录记录描述某个实体各个属性字段的集合，上表中描述某个实体各个属性字段的集合，上表中每行各个字段的集合就构成了一条记录。每行各个字段的集合就构成了一条记录。3).文件文件(记录的集合记录的集合)相同性质记录的集合就是文件。如一台
23、机器中相同性质记录的集合就是文件。如一台机器中各个齿轮的记录集合就组成了这台机器的齿轮文各个齿轮的记录集合就组成了这台机器的齿轮文件。件。4).数据库数据库一个组织内的数据库就是指其全部文件的集合，一个组织内的数据库就是指其全部文件的集合，一般还包括对这些文件的组合管理，以便减少某一般还包括对这些文件的组合管理，以便减少某些文件中的重复数据，增强文件间的联系。些文件中的重复数据，增强文件间的联系。二、数据公式化二、数据公式化 在实际工程应用问题中，常将通过实验得到的一系列在实际工程应用问题中，常将通过实验得到的一系列数据进行分析，然后再根据这些数据建立经验公式。这样数据进行分析，然后再根据这些
24、数据建立经验公式。这样的过程称为数据公式化，或称曲线拟合。的过程称为数据公式化，或称曲线拟合。最小二乘曲线拟合最小二乘曲线拟合最小二乘原理：最小二乘原理：在给出的观测数据在给出的观测数据(xk,yk)(k=0,1,2,m)作拟合曲线时，作拟合曲线时，使各观测数据与拟合曲线的偏差的平方和最小。使各观测数据与拟合曲线的偏差的平方和最小。用最小二乘原理作为衡量用最小二乘原理作为衡量“曲线拟合优劣曲线拟合优劣”的准则，称的准则，称为曲线拟合的为曲线拟合的最小二乘法最小二乘法。已知已知m个观测数据个观测数据(xk,yk)(k=0,1,2,m)，用一个，用一个n+1次多项式次多项式Pn(x)拟合拟合(nm
25、)。设方程式的形式为：。设方程式的形式为：则函数值与观测数据点之间的偏差为：则函数值与观测数据点之间的偏差为：Dk=Pn(xk)yk采用最小二乘原理，偏差的平方和为：采用最小二乘原理，偏差的平方和为：多项式拟合多项式拟合多项式拟合多项式拟合线拟合问题可归纳为多元函数极值问题，令线拟合问题可归纳为多元函数极值问题，令 得得siti解出解出n+1个独立方程，可求得多项式个独立方程，可求得多项式Pn(x)中的各中的各个系数个系数ai，得到拟合曲线：，得到拟合曲线：Pn(x)=a0+a1x+a2 x2+an xn举例说明最小二乘法的用法举例说明最小二乘法的用法设多项式形式为：设多项式形式为：经实际测量
26、，某发动机转速经实际测量，某发动机转速N与轴上转矩与轴上转矩T 的关系如表所示：的关系如表所示：转速转速N(r/min)800120016002000240028003200转矩转矩T(N.m)12.513.113.514.114.214.414.1转速转速N(r/min)36004000440048005200转矩转矩T(N.m)13.813.012.211.39.8T=10.761+0.0024N-310-7N2-410-11N3 三、数据结构三、数据结构 数据结构是数据，是对数据对象及元素之间相互关数据结构是数据，是对数据对象及元素之间相互关系的描述。（系的描述。（逻辑结构逻辑结构与与物
27、理结构物理结构）1、数据的逻辑结构、数据的逻辑结构 如车床的分级结构图，反映了一种逻辑上的结构关如车床的分级结构图，反映了一种逻辑上的结构关系。将数据元素之间可以抽象出的这种独立于数据的系。将数据元素之间可以抽象出的这种独立于数据的存储介质的逻辑关系称为逻辑结构。存储介质的逻辑关系称为逻辑结构。逻辑结构的两种表示方法逻辑结构的两种表示方法1）图形表示。把数据间的逻辑关系用符号组）图形表示。把数据间的逻辑关系用符号组成的图表示，记录归结为图上的结点，用圆或方成的图表示，记录归结为图上的结点，用圆或方框表示，两记录之间关系用连线表示。框表示，两记录之间关系用连线表示。2）关系表示。用关系代数的方法
28、描述数据以）关系表示。用关系代数的方法描述数据以及数据间的关系。及数据间的关系。数据逻辑关系的分类（数据模型）数据逻辑关系的分类（数据模型）1）层次型结构）层次型结构 表示层次的逻辑关系，常称之为树结构，如机床组成的数据表示层次的逻辑关系，常称之为树结构，如机床组成的数据结构就是一种树结构。结构就是一种树结构。树结构的特点：树结构的特点：下一层中的结点只能有一边与它上一层的一下一层中的结点只能有一边与它上一层的一个结点相连，上一层中的结点则可与它下一层的几个结点相连，个结点相连，上一层中的结点则可与它下一层的几个结点相连，最高一层的结点只有一个，称为树根。它体现了记录间最高一层的结点只有一个，
29、称为树根。它体现了记录间“一对多一对多”的关系。层次型结构具有结构简单，清晰的特点，适用于记录之的关系。层次型结构具有结构简单，清晰的特点，适用于记录之间本身就存在一种自然的层次关系，但它难以处理记录之间复杂间本身就存在一种自然的层次关系，但它难以处理记录之间复杂的关系。的关系。2)网络型结构网络型结构 网状关系的数据结构是比树状网状关系的数据结构是比树状结构更为复杂的一类结构。与树状结构更为复杂的一类结构。与树状结构相比，下一层结点与上一层几结构相比，下一层结点与上一层几个结点同时相连。结点间的联系是个结点同时相连。结点间的联系是任意的。任意的。它体现了事物间的它体现了事物间的“多对多对多多
30、”的关系。网络型结构能处理事的关系。网络型结构能处理事物之间非常复杂的联系，但其模型物之间非常复杂的联系，但其模型结构也是极其复杂的，层次结构是结构也是极其复杂的，层次结构是网络结构的一种特例。网络结构的一种特例。3）关系型结构关系型结构它是以集合论中的它是以集合论中的“关系关系”的概念为理论基础，指把信息集合定义为的概念为理论基础，指把信息集合定义为一张二维的组织结构，每一张二维表称为一个关系，表中的每一行一张二维的组织结构，每一张二维表称为一个关系，表中的每一行为一个记录，每一列为数据项。关系型的模型结构比较简单，但能为一个记录，每一列为数据项。关系型的模型结构比较简单，但能处理复杂的事物
31、之间的联系，因此关系型数据库越来越受到人们的处理复杂的事物之间的联系，因此关系型数据库越来越受到人们的普遍重视。普遍重视。名称名称图号图号数量数量材料材料固定钳身固定钳身021011HT150螺杆螺杆02302145钢钢活动钳体活动钳体021031HT1502.数据的物理结构数据的物理结构数据都要以一定的形式存入计算机系统。用户根数据都要以一定的形式存入计算机系统。用户根据数据间的逻辑结构以一定的语言进行构造，把数据数据间的逻辑结构以一定的语言进行构造，把数据及其关系按一定的形式存入存储器，构成这些数据及其关系按一定的形式存入存储器，构成这些数据的物理结构即存储结构。把逻辑结构表示为物理据的物
32、理结构即存储结构。把逻辑结构表示为物理结构的过程叫结构的过程叫“映象映象”。在物理结构设计时，除考虑数据的逻辑结构外，在物理结构设计时，除考虑数据的逻辑结构外，还应考虑存储资源的充分利用，减少存取时间，便还应考虑存储资源的充分利用，减少存取时间，便于数据的增加、删除、修改和可靠性等问题。于数据的增加、删除、修改和可靠性等问题。四、工程数据及其管理系统四、工程数据及其管理系统 在现代在现代CAD系统中，为了适应系统中，为了适应CAD作业的需要，作业的需要，需把各类工程数据按照数据结构和文件组织方式建需把各类工程数据按照数据结构和文件组织方式建立起数据库及其管理系统立起数据库及其管理系统。定义：定
33、义：数据库是在文件系统的基础上发展起来的，数据库是在文件系统的基础上发展起来的，是一个通用的、综合性的、减少冗余度的数据集合。是一个通用的、综合性的、减少冗余度的数据集合。数据库系统是实现有组织的、动态的存储大量的关数据库系统是实现有组织的、动态的存储大量的关联数据，方便多用户访问计算机软、硬件资源的系联数据，方便多用户访问计算机软、硬件资源的系统统。数据库的特点：数据库的特点：(1)数据的物理存储独立于应用程序，数据扩充修改并数据的物理存储独立于应用程序，数据扩充修改并不需要相应地修改应用程序。不需要相应地修改应用程序。(2)同一个物理存储数据可根据不同的需要用不同的路径同一个物理存储数据可
34、根据不同的需要用不同的路径来存取，因此可根据实体对象的某些属性来组织数据。来存取，因此可根据实体对象的某些属性来组织数据。(3)同一数据可组织在不同文件中，因此每个数据在物理同一数据可组织在不同文件中，因此每个数据在物理上只需存储一次，减少了数据的重复存储，充分利用了存上只需存储一次，减少了数据的重复存储，充分利用了存储资源。储资源。(4)数据可在记录或数据项的级别上定地址，使用时可按数据可在记录或数据项的级别上定地址，使用时可按地址取得有关的记录和数据项，不必把整个文件调入内存，地址取得有关的记录和数据项，不必把整个文件调入内存，减少了解题时内存的需用量。减少了解题时内存的需用量。2.工程数
35、据库管理系统工程数据库管理系统(EDBMS)的功能的功能CAD过程中所涉及的数据量大，有非图形数据和图形数据，过程中所涉及的数据量大，有非图形数据和图形数据，形式多样，结构关系复杂，不仅数据变化频繁，而且数据的结形式多样，结构关系复杂，不仅数据变化频繁，而且数据的结构也会有所改变。动态性强，为了有效的存取数据，需用构也会有所改变。动态性强，为了有效的存取数据，需用EDBMS来负责数据库中工程数据的建立，运用管理、维护等来负责数据库中工程数据的建立，运用管理、维护等功能的实现。功能的实现。（一）工程数据分析（一）工程数据分析1、管理型数据、管理型数据它主要包括产品设计与制造中所用到的数据资料。它
36、主要包括产品设计与制造中所用到的数据资料。2、设计型数据、设计型数据它指在工业设计与制造中产生的数据。它指在工业设计与制造中产生的数据。3、图形数据、图形数据它包括各种工程图表、二维工程图、三维几何造型等数据。它包括各种工程图表、二维工程图、三维几何造型等数据。4、各种软件包、各种软件包它指一些能够独立处理局部设计的工程计算或图形处理。它指一些能够独立处理局部设计的工程计算或图形处理。（二）主要特点（二）主要特点1、对数据库结构进行定义，进行数据库更新，再组织结构维、对数据库结构进行定义，进行数据库更新，再组织结构维护以及性能监视等。护以及性能监视等。2、能被多个工程应用程序同时访问，而且还为
37、新的应用程序、能被多个工程应用程序同时访问，而且还为新的应用程序的开发提供环境。的开发提供环境。3、模式灵活，能被修改和扩充，有较高的数据独立性。、模式灵活，能被修改和扩充，有较高的数据独立性。4、提供与高级语言的接口，支持工程应用程序对数据库的访、提供与高级语言的接口，支持工程应用程序对数据库的访问。问。5、存储和管理图形相关信息，为存储和管理图形相关信息，为CAD系统访问数据提供各种系统访问数据提供各种视图。视图。6、复杂的设计任务按树形结构分解，划分成简单的设计步骤、复杂的设计任务按树形结构分解，划分成简单的设计步骤处理，再组合完成。处理，再组合完成。2.3 图形的生成与变换图形的生成与
38、变换 CAD工作中的人机交换信息主要是通过图形功能实现：工作中的人机交换信息主要是通过图形功能实现：设计对象的几何形状必须采用图形进行描述；设计对象的几何形状必须采用图形进行描述；图形是表达和传递信息的直观有效形式。图形是表达和传递信息的直观有效形式。计算机绘图的主要任务是研究如何利用计算机来处理和绘计算机绘图的主要任务是研究如何利用计算机来处理和绘制工程图纸，具体内容包括：制工程图纸，具体内容包括：1)图形输入；图形输入；2)图形的生成、显示和输出；图形的生成、显示和输出；3)图形处理所需要的数学处理方法及算法；图形处理所需要的数学处理方法及算法；4)解决工程实际应用中的图形处理问题；解决工
39、程实际应用中的图形处理问题；5)应用软件工程的方法设计绘图软件和管理系统。应用软件工程的方法设计绘图软件和管理系统。一、一、坐标系，窗口与视区，图形与剪裁坐标系，窗口与视区，图形与剪裁(1)坐标系坐标系 图形的描述和输入、输出都是在一定的坐标系中进行的，图形的描述和输入、输出都是在一定的坐标系中进行的，应根据不同的需要，建立不同的坐标系及其转换关系，最终应根据不同的需要，建立不同的坐标系及其转换关系，最终使图形显示于屏幕上。使图形显示于屏幕上。组成图形的基本元素是点，而点的位置通常是在一个坐组成图形的基本元素是点，而点的位置通常是在一个坐标系中来定义。图形系统中使用的坐标系是人们广为熟悉的标系
40、中来定义。图形系统中使用的坐标系是人们广为熟悉的直角坐标系，也称卡迪尔坐标系。直角坐标系，也称卡迪尔坐标系。用户坐标系；用户坐标系；设备坐标系；设备坐标系；规格化坐标系；规格化坐标系；1)1)用户坐标系用户坐标系 也称也称世界坐标系世界坐标系 由用户定义的应用坐标系，是一个二由用户定义的应用坐标系，是一个二维或三维的直角坐标系，取值范围无限，与任何物理设备维或三维的直角坐标系，取值范围无限，与任何物理设备无关。用户的图形定义均在这个坐标系中完成。无关。用户的图形定义均在这个坐标系中完成。图形显示器图形显示器(屏幕坐标系屏幕坐标系)或绘图机等设备自身所具有的或绘图机等设备自身所具有的坐标系。图形
41、输出在该坐标系下完成，常为二维的。以坐标系。图形输出在该坐标系下完成，常为二维的。以屏幕的左下角为坐标原点，水平右方向为屏幕的左下角为坐标原点，水平右方向为x轴正向，垂直轴正向，垂直上为上为y轴正向。坐标刻度为屏幕的分辨率刻度值。由于实轴正向。坐标刻度为屏幕的分辨率刻度值。由于实际设备不同，其有效工作范围的最大值不同。际设备不同，其有效工作范围的最大值不同。2)2)设备坐标系设备坐标系3)3)规格化坐标系规格化坐标系 规格化坐标系是人为规定的假想与设备无关的坐标系，规格化坐标系是人为规定的假想与设备无关的坐标系，其坐标轴方向及原点与设备坐标系相同，但其最大工作范围其坐标轴方向及原点与设备坐标系
42、相同，但其最大工作范围的坐标值规范化为的坐标值规范化为1 1。对于既定的图形输出设备，其规范化。对于既定的图形输出设备，其规范化坐标与实际坐标相差一个固定的倍数，设备的分辨率。坐标与实际坐标相差一个固定的倍数，设备的分辨率。当开发应用于不同分辨率设备的图形软件时，首先输出当开发应用于不同分辨率设备的图形软件时，首先输出图形统一转换到规格化坐标系，以控制图形在设备显示范围图形统一转换到规格化坐标系，以控制图形在设备显示范围内的相对位置；然后再乘以相应的设备分辨率就可转换到具内的相对位置；然后再乘以相应的设备分辨率就可转换到具体的输出设备上。体的输出设备上。(2)窗口与视区窗口与视区 窗口窗口是用
43、户在世界坐标系中确定显示内容的矩形区域，是用户在世界坐标系中确定显示内容的矩形区域，只有在这个矩形区域内的图形才能在设备坐标下输出，而窗只有在这个矩形区域内的图形才能在设备坐标下输出，而窗口外的部分则被裁掉。改变窗口大小和位置，可方便地观察口外的部分则被裁掉。改变窗口大小和位置，可方便地观察局部图形，控制图形的大小。局部图形，控制图形的大小。视区视区是用户在屏幕上定义的一个矩形区域，用于显示窗是用户在屏幕上定义的一个矩形区域，用于显示窗口中的图形，它规定了窗口中的内容要显示于屏幕上的位置、口中的图形，它规定了窗口中的内容要显示于屏幕上的位置、范围。视区是一个有限的整数域，它应小于等于屏幕区域，
44、范围。视区是一个有限的整数域，它应小于等于屏幕区域，而定义小于屏幕的视区是非常有用的，因为这样可以在同一而定义小于屏幕的视区是非常有用的，因为这样可以在同一屏幕上定义多个视区，用来同时显示不同的图形信息。屏幕上定义多个视区，用来同时显示不同的图形信息。(3)二维图形裁剪二维图形裁剪 1）概念）概念 通过定义窗口和视区，可以把图形的某一部分显示于屏幕通过定义窗口和视区，可以把图形的某一部分显示于屏幕上的指定位置，这不仅要进行窗口上的指定位置，这不仅要进行窗口-视区变换，更重要的是必视区变换，更重要的是必须正确认识图形在窗口内部分（可见部分）和窗口外部分须正确认识图形在窗口内部分（可见部分）和窗口
45、外部分（不可见部分），以便把窗口内的图形信息输出，而窗口外（不可见部分），以便把窗口内的图形信息输出，而窗口外的部分则不输出。的部分则不输出。裁剪问题是计算机图形学的基本问题之一。裁剪的边界裁剪问题是计算机图形学的基本问题之一。裁剪的边界（窗口）可以是任意多边形，但常用的是矩形。被裁减的对（窗口）可以是任意多边形，但常用的是矩形。被裁减的对象可以是线段、字符、多边形等。象可以是线段、字符、多边形等。主要主要有点的裁剪有点的裁剪和和直线段裁剪直线段裁剪。2）COHENSUTHER LAND 算法（编码裁剪法）算法（编码裁剪法）a.确定确定矩形裁剪矩形裁剪区域的边区域的边界延长线，界延长线，将边界
46、划将边界划分为九个分为九个区域。区域。b.给每个区域以一个四位二进制代码表示（从右到左意义如下）给每个区域以一个四位二进制代码表示（从右到左意义如下）c.按上述算法确定各直线端点所在区域代码。按上述算法确定各直线端点所在区域代码。d.判断直线可见性：判断直线可见性：1直线两端点代码全为零，则线段全位于窗口内，不剪裁；直线两端点代码全为零，则线段全位于窗口内，不剪裁；2直线两端点代码按位逻辑乘不为直线两端点代码按位逻辑乘不为0，整条直线裁剪；，整条直线裁剪；3否则，转否则，转e。e.求直线与剪裁区域边界线的交点，去掉区域外的线段部分，求直线与剪裁区域边界线的交点，去掉区域外的线段部分，对留下部分
47、线段重新进行对留下部分线段重新进行d)以下处理。（对线段进行再分割）以下处理。（对线段进行再分割）第一位：如果端点在窗口左边界的左侧则为第一位：如果端点在窗口左边界的左侧则为1，否则为，否则为0；第二位：如果端点在窗口右边界的右侧则为第二位：如果端点在窗口右边界的右侧则为1，否则为，否则为0；第三位：如果端点在窗口下边界的下侧则为第三位：如果端点在窗口下边界的下侧则为1，否则为，否则为0；第四位：如果端点在窗口上边界的上侧则为第四位：如果端点在窗口上边界的上侧则为1，否则为，否则为0；二、实体造型二、实体造型 （一）几何模型及其分类（一）几何模型及其分类 在进行在进行CAD作业过程中必须建立产
48、品的模型，它是由与产品对象有关的各作业过程中必须建立产品的模型，它是由与产品对象有关的各种信息有机联系构成的，其中几何形体的数据信息是最为基本的。只有几何种信息有机联系构成的，其中几何形体的数据信息是最为基本的。只有几何信息组成的模型称为几何模型。在信息组成的模型称为几何模型。在CAD系统中，几何模型按描述和储存内容系统中，几何模型按描述和储存内容的特征分为：的特征分为：(1)线框几何模型线框几何模型 物体各外表面之间的交线组成了物体外轮廓的框架，线框造型只在计算机物体各外表面之间的交线组成了物体外轮廓的框架，线框造型只在计算机内储存这些框架线段信息。信息少，运算简单迅速，几何定义不确定。内储
49、存这些框架线段信息。信息少，运算简单迅速，几何定义不确定。(2)表面几何模型表面几何模型 除存储线框线段外，还存储各个外表面的几何信息。虽然具有比较全面的除存储线框线段外，还存储各个外表面的几何信息。虽然具有比较全面的外表面几何信息，对物体仍没有构建起完整的三维几何关系。外表面几何信息，对物体仍没有构建起完整的三维几何关系。(3)实体几何模型实体几何模型 储存物体完整的三维几何信息。基本体素由表面定义，并说明了表面的哪储存物体完整的三维几何信息。基本体素由表面定义，并说明了表面的哪一侧存在实体，它可区分内部和外部，可提取几何位置和相互的信息。一侧存在实体，它可区分内部和外部，可提取几何位置和相
50、互的信息。（二）三维实体模型的实现（二）三维实体模型的实现几何造型是利用计算机系统描述物体形状的技术。三维实体模几何造型是利用计算机系统描述物体形状的技术。三维实体模型的实现有许多种方法，常用的有：型的实现有许多种方法，常用的有：1、CSG方法（方法（Construvive Solid Geometry）体素构造法。）体素构造法。它的它的基本思想是：各种各样形状的几何形体都可以由若干个基本基本思想是：各种各样形状的几何形体都可以由若干个基本单元形体，经过有限次形状集合运算构建得到。单元形体，经过有限次形状集合运算构建得到。2、B-rep方法（方法（Boundary Representation