第一章-汽车CAD‘CAM--课件全套教学教程整套课件全书电子教案.ppt

汽车汽车汽车汽车CAD/CAMCAD/CAM2汽车汽车CADCAM课程介绍课程介绍v 课程意义课程意义应用技能和工具应用技能和工具v 课程内容课程内容学会使用教材学会使用教材v 学习目标学习目标掌握工程应用技能的学习方法掌握工程应用技能的学习方法v 考核方式考核方式笔试笔试+上机操作考核上机操作考核v 职业技能训练职业技能训练参加相关竞赛参加相关竞赛 展示成果展示成果3第一章第一章 CADCAMCADCAM技术概述技术概述知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识CAD/CAM基本概念基本概念了解CAD、CAE、CAPP、CAM产品设计制造过程产品设计制造过程了解CADCAM系统工作过程汽车工业中的汽车工业中的CAD/CAM应用应用知道汽车设计制造中的CADCAMCATIA软件应用基础软件应用基础掌握CATIA文件操作，环境设置教学要点：教学要点：了解CADCAM系统的基本原理、功能和工作过程知道汽车设计制造过程中CADCAM技术的应用掌握汽车设计用CATIA软件的构架和工作台功能学会CATIA中数字模型的存储与读取和数据交换教学目标：教学目标：4何为何为CAD/CAM技术？技术？产品开发过程概念设计详细设计制造物理样机物理样机测试物理样机测试发现问题，修改设计重新制造样机传统机械产品的开发过程1-1 引言引言5何为何为CAD/CAM技术？技术？v知识知识技术技术产品产品 通过计算机软件呈现，缩短开发周期通过计算机软件呈现，缩短开发周期v航空、汽车、船舶和机床制造领域规模生产的需要航空、汽车、船舶和机床制造领域规模生产的需要v制造业信息化与先进制造技术发展的必然趋势制造业信息化与先进制造技术发展的必然趋势v一种工程师语言一种工程师语言1-1 引言引言6降低维修成本降低维修成本降低销售成本降低销售成本减少装配制造时间减少装配制造时间缩短生产时间时间缩短生产时间时间减少设计工时减少设计工时 减少库存减少库存降低废品率降低废品率0%40%20%60%80%100%30%33%45%48%70%85%46%v缩短产品开发周期缩短产品开发周期 v 提高产品设计质量提高产品设计质量 v 降低生产成本降低生产成本 v提高管理水平提高管理水平 CAD/CAM的应用意义的应用意义1-1 引言引言71-2 CAD/CAM的概念的概念1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵v计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）v计算机辅助工程分析（Computer Aided Engineering，简称CAE）v计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，简称CAPP）v计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture，简称CAM）vCAD/CAM技术集成v虚拟制造（Virtual Manufacturing，简称VM）8CADCAD技术技术v计算机辅助设计的定义计算机辅助设计的定义 计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称简称CAD）是指工程技术人员以计算机为）是指工程技术人员以计算机为辅助工具辅助工具，完成产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设完成产品设计构思和论证，产品总体设计，技术设计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、计，零部件设计，有关零件的强度、刚度、热、电、磁的分析计算和产品图绘制等工作。磁的分析计算和产品图绘制等工作。vCADCAD系统的主要功能系统的主要功能 草图设计草图设计 零件设计零件设计 工程分析工程分析 装配设计装配设计 产品数据交换等。产品数据交换等。1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵9CAD新产品开发计划新产品开发计划产品要求产品要求性能规格性能规格零件图、装配图零件图、装配图产品设计文件产品设计文件零件信息文件零件信息文件设设计计知知识识数数据据库库CAD软软件件计计算算机机硬硬件件系系统统CADCAD技术技术1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵10CAE技术1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵11 CAPP的功能模型的功能模型 1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵12狭义狭义CAM系统功能模型系统功能模型 CAM工艺路线文件工艺路线文件工艺内容文件工艺内容文件零件信息零件信息NC加工程序加工程序NC监测程序监测程序加加工工设设备备数数据据库库CAM软软件件计计算算机机硬硬件件系系统统1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵13产品设计制造过程与产品设计制造过程与CAD/CAM集成集成产品设计产品设计工艺设计工艺设计生产管理生产管理产品制造产品制造方方案案设设计计概概念念设设计计工工程程分分析析计计算算零零件件设设计计图图纸纸绘绘制制数数控控编编程程及及仿仿真真数数控控加加工工常常规规加加工工质质量量控控制制产产品品装装配配产产品品调调试试工工艺艺过过程程设设计计毛毛坯坯设设计计工工装装设设计计作作业业计计划划编编制制物物料料管管理理制制造造资资源源管管理理1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵14VM系统系统1-2-1 CADCAM技术的原理及内涵151-2-2 CAD/CAM系统构成及配置系统构成及配置161-2-2 CAD/CAM系统构成及配置系统构成及配置功能功能应用领域应用领域软件名称软件名称绘图绘图二维绘图CADAM，AutoCAD，MicroCAD，VersaCAD等实体建模实体建模造型、制造Solid Edge，Solidworks，SolidDesigner，Mechanical Desktop等数控编制数控编制数控加工、制造BravoNCG，Vericut，DUCT，Comand，Mastercam，PowerMILL，RoboCAD，Delmia有限元计算有限元计算工程分析ANSYS，MSC系列(Nastran、Marc、Dytran、Patran、Fatigue等)，LS_Dyna(大变形),Abaqus（耦合）等模拟仿真模拟仿真运动学、动力学分析ADAMS，DADS，SIMPACK，RecurDyn等数字计算数字计算仿真控制MATLAB，EASY5等虚拟现实虚拟现实虚拟制造，视景仿真VRML，OPENGL，Vege，3DMAX，Creator等集成系统集成系统多领域应用Pro/Engineer，Unigraphics，CATIA，I-DEAS，I/EMS等171-2-2 CAD/CAM系统构成及配置系统构成及配置v应用软件v硬件与软件系统的选择和配置181-2-3 CAD/CAM系统集成技术系统集成技术系统集成方法基于数据交换接口的方法基于特征的方法面向并行工程的方法系统集成的关键技术参数化建模技术特征建模技术产品数据管理技术191-2-4 CAD/CAM系统工作过程系统工作过程产品设计市场需求设计构想初步设计详细设计装配加工过程工艺设计数控编程施工计划检验产品工艺设计加工制造CAD、CAECAPP、CAECAM产品生命周期过程中CAD/CAM技术应用201-2-4 CAD/CAM系统工作过程系统工作过程产品周期211-2-4 CAD/CAM系统工作过程系统工作过程CAD/CAM系统的分级结构22选择设计方案选择设计方案输入设计要求输入设计要求三维几何造型及产品模型三维几何造型及产品模型满足产品要求满足产品要求?输出图样及文件输出图样及文件CAPPNC自动编程自动编程加工模拟加工模拟满足设计要求满足设计要求?加工制造加工制造最优化最优化设计设计应力应变等应力应变等工程分析工程分析装配仿真装配仿真运动仿真运动仿真物性物性分析分析修改修改设计设计图形库图形库设计参数设计参数数据库数据库NC代码库代码库工艺库工艺库YYNNCADCAMi ac程序库程序库刀具切削刀具切削用量库用量库M1-2-4 CAD/CAM系统工作过程系统工作过程23一、一、CAD/CAM系统的功能系统的功能v图形显示功能v输入输出功能v存储功能v交互功能（人机接口）1-2-4 CAD/CAM系统工作过程系统工作过程24二二CAD/CAM系统的主要任务系统的主要任务 v零件造型 v装配造型 v标准件库 v工程绘图 v工程分析 v优化设计 v计算机辅助工艺规程设计 v计算机辅助NC编程 v模拟仿真 v工程数据管理 v应用软件二次开发1-2-4 CAD/CAM系统工作过程系统工作过程25零件造型零件造型 v零件造型是指在计算机中建立零件的三维实体模型。v零件造型应能够准确表达零件的形状、尺寸、色泽、体积、重心、表面信息、材料信息等。v设计人员在三维CAD软件的支持下可以根据自己的设想将零件从计算机中逐步“制作”出来。v在制作过程中，设计人员可以从各个角度观察具有真实感的零件造型。如果对模型不满意，可以立即修改零件造型。v常用的零件可以存储在零件库中，供需要时调用。v先进的CAD系统都提供参数化的基于特征的实体造型方法。26零件造型实例球阀阀体三维造型 v对于复杂表面的造型，系对于复杂表面的造型，系统可采用曲面造型或雕塑统可采用曲面造型或雕塑曲面造型的方法，根据给曲面造型的方法，根据给定的离散数据或有关具体定的离散数据或有关具体工程问题的边界条件来定工程问题的边界条件来定义、生成、控制和处理过义、生成、控制和处理过渡曲面，或用扫描的方法渡曲面，或用扫描的方法得到扫描体、建立曲面的得到扫描体、建立曲面的模型。模型。v 例如：汽车车身、飞机机例如：汽车车身、飞机机翼、船舶等设计制造，均翼、船舶等设计制造，均采用此种方法采用此种方法。27曲面造型实例叶轮曲面造型 28装配造型装配造型 v零件造型是指在计算机中建立产品的三维装配模型。零件造型是指在计算机中建立产品的三维装配模型。v装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配图。装配造型能够模仿实际的装配过程，生成产品的装配图。v通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出通过装配造型可以发现由于设计不当在实际装配时可能出现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。现的问题，如间隙过小或过大、零件之间的干涉等。v装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的装配造型还能够提供产品的外观效果图和反映装配关系的零件散开分布的爆炸图。零件散开分布的爆炸图。29装配造型示例:立体装配图及其剖视图球阀阀体装配造型球阀阀体装配造型 30装配造型示例:装配分解图 31标准件库标准件库 v大大多多数数CADCAD系系统统均均提提供供通通用用标标准准零零件件和和特特征征的的扩扩展展库库。用用户户可可以以很很方方便便地地选选取取标标准准特特征征或或零零件件，并并将将它它们们组组合合进进零零件或部件的设计中。件或部件的设计中。v常常用用的的标标准准零零件件有有方方形形和和六六角角形形螺螺母母、螺螺栓栓、普普通通垫垫圈圈、弹簧垫圈、半月销、内六角螺钉、铆钉、开口销等等。弹簧垫圈、半月销、内六角螺钉、铆钉、开口销等等。v标准特征包括孔、槽、轴、颈、法兰、加强筋、壳、耳、标准特征包括孔、槽、轴、颈、法兰、加强筋、壳、耳、螺纹、通风格栅、管状特征等等。螺纹、通风格栅、管状特征等等。32工程绘图工程绘图 v产品设计的结果往往是工程图的形式，产品设计的结果往往是工程图的形式，CADCAM中的中的某些中间结果也是通过图形表达的。某些中间结果也是通过图形表达的。v一般的一般的CAD软件都具有人机交互输入和处理二维图形的软件都具有人机交互输入和处理二维图形的能力，包括基本图元的生成，标注尺寸，图形的编辑（比能力，包括基本图元的生成，标注尺寸，图形的编辑（比例变换、平移、图形拷贝、图形删除等）以及显示控制、例变换、平移、图形拷贝、图形删除等）以及显示控制、附加技术条件等功能，保证生成符合生产实际要求，也符附加技术条件等功能，保证生成符合生产实际要求，也符合国家标准的工程图。合国家标准的工程图。v先进的先进的CAD软件已具备根据零件的三维零件图和装配造软件已具备根据零件的三维零件图和装配造型自动生成投影图、辅助图、剖面图和局部视图的功能，型自动生成投影图、辅助图、剖面图和局部视图的功能，并能自动标注尺寸，其工程图样与零件造型密切相关。并能自动标注尺寸，其工程图样与零件造型密切相关。v如果改变了图纸中的尺寸，相关零件的造型尺寸也将随之如果改变了图纸中的尺寸，相关零件的造型尺寸也将随之改变，图纸中的线条长度和位置也将反映这种变化，从而改变，图纸中的线条长度和位置也将反映这种变化，从而保证能够对设计进行快速、一致的修改。保证能够对设计进行快速、一致的修改。33工程分析工程分析 vCADCAM中的结构分析中需进行大量的应力、温度、位移等中的结构分析中需进行大量的应力、温度、位移等分析计算。因此，要求分析计算。因此，要求CADCAM系统完成各类分析计算的算系统完成各类分析计算的算法正确、全面，能处理大量的数据，还要有较高的计算精度。法正确、全面，能处理大量的数据，还要有较高的计算精度。vCAD/CAM系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几系统构造了产品的形状模型之后，能够根据产品几何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯何形状，计算出相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物理特性、为系统进行工程分析和数值计算提供量等几何特性和物理特性、为系统进行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。必要的基本参数。vCADCAM系统中结构分析常用的方法是有限元法，这是一种系统中结构分析常用的方法是有限元法，这是一种数值近似解方法，用来求解结构形状比较复杂工程构件的静态和数值近似解方法，用来求解结构形状比较复杂工程构件的静态和动态特性，以及构件的强度、振动、热变形、磁场、温度、应力动态特性，以及构件的强度、振动、热变形、磁场、温度、应力分布状态等的计算分析。分布状态等的计算分析。v在进行静、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点，划在进行静、动态特性分析计算之前，系统根据产品结构特点，划分网格、标出单元号、节点号、并将划分的结果显示在屏幕上；分网格、标出单元号、节点号、并将划分的结果显示在屏幕上；进行分析计算之后，将计算结果以图形、文件的形式输出，例如进行分析计算之后，将计算结果以图形、文件的形式输出，例如应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方便、直应力分布图、温度场分布图、位移变形曲线等，使用户方便、直观地看到分析的结果。观地看到分析的结果。34有限元分析实例 实体模型(1)在三维软件中进行的零件造型 有限元分析实例 网格划分(2)有限元网格划分 35有限元分析实例应力分布图(3)用Ansys生成的应力分布云图36 优化设计优化设计 vCADCAM系统根据需要还可配置优化设计功系统根据需要还可配置优化设计功能，也就是在某些条件的限制下，使产品或工程能，也就是在某些条件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。设计中的预定指标达到最优。v优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、优化包括总体方案的优化、产品零件结构的优化、工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学工艺参数的优化等。优化设计是现代设计方法学中的一个重要的组成部分。中的一个重要的组成部分。371-2-5 CAD/CAM技术发展趋势技术发展趋势v集成化集成化v网络化网络化v智能化智能化v标准化标准化v虚拟化虚拟化v绿色化绿色化381-3 CAD/CAM在汽车制造中的应用在汽车制造中的应用1-3-1 汽车设计制造过程汽车设计制造过程产品支持生产设计与验证产品定义产品策划l定义用户/市场/环境/竞争对手l根据用户需求，确定产品特征、功能l根据用户需求，确定产品特征、功能l主要竞争产品的对比分析l产品系列构成及通用化原则的确定l确定车型的主要参数、驱动形式、主要性能目标、总成配置方案等l确定产品的质量、成本及收益目标l通过造型设计l整车方案设计l确定最终的产品开发目标l机械性能模型车及性能开发l详细的工程设计（3D）及CAE分析、DFMEAl确定二次开发技术要求、签订技术协议l成本及项目投资收益分析l详细工程设计（2D工程图纸）l第二轮工程样车试制试验（EP1）l第二轮工程样车试制试验（EP2）l电控系统标定l生产准备图样发布l第一轮试验样车试制试验（VP1）l第二轮试验样车试制试验（VP2）l申报公告l批量生产确认l试生产lSOPl生产配合与持续改善l项目总结39汽车设计制造过程汽车设计制造过程1-3 CAD/CAM在汽车制造中的应用在汽车制造中的应用401-3 CAD/CAM在汽车设计制造中的应用在汽车设计制造中的应用1-3-2 汽车设计制造过程中的理论和方法汽车设计制造过程中的理论和方法几何建模理论优化设计理论可靠性设计理论数值分析仿真知识工程理论并行工程逆向工程协同制造网格4142431-3 CAD/CAM在汽车设计制造中的应用在汽车设计制造中的应用1-3-3 CAD/CAM工程应用工程应用参数化建模技术产品数据库管理技术数值仿真分析技术逆向工程应用技术数控加工制造技术数字化工厂技术441-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践vCATIA发展发展v应用及特点应用及特点v行业应用背景行业应用背景1-4-1 CATIA软件发展及应用软件发展及应用451-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-2 CATIA软件构架软件构架461-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-2 CATIA软件构架软件构架471-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础481-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础CATIA菜单栏菜菜 单单功功 能能Start（S）调用工作台，实现工作台之间的转换调用工作台，实现工作台之间的转换ENOVIA V5连接到并行数据库服务器连接到并行数据库服务器File（F）实现文件管理，包括实现文件管理，包括New、Open、Save等常用操作等常用操作Edit（E）对文件进行复制、删除等常规操作对文件进行复制、删除等常规操作View（V）控制特征树、指南针、模型的显示等操作控制特征树、指南针、模型的显示等操作Insert（I）主要的工作菜单，大部分绘图工具都包含在该菜单子项主要的工作菜单，大部分绘图工具都包含在该菜单子项Tools（T）用户自定义工具栏、修改环境变量等高级操作用户自定义工具栏、修改环境变量等高级操作Windows（W）管理多个窗口管理多个窗口Help（H）实现在线帮助实现在线帮助491-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础501-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础511-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础521-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础531-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础541-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础551-4 CATIA软件系统基础实践软件系统基础实践1-4-3 CATIA用户操作基础用户操作基础56思考题 v1.1.简述简述CAD/CAMCAD/CAM中中CADCAD、CAECAE、CAPPCAPP、CAMCAM的定义和概念。的定义和概念。v2.2.简述简述CAD/CAMCAD/CAM发展的历程及各阶段的特点。发展的历程及各阶段的特点。v3.3.简述简述CAD/CAMCAD/CAM系统的功能、任务和工作过程。系统的功能、任务和工作过程。v4.4.简简述述CAD/CAMCAD/CAM系系统统集集成成技技术术，结结合合汽汽车车产产品品设设计计制制造造的的过过程程说说明明CAD/CAMCAD/CAM技术的应用。技术的应用。v5.5.简简述述CAD/CAMCAD/CAM软软硬硬件件组组成成和和选选择择原原则则，结结合合CATIACATIA软软件件构构架架说说明明CATIACATIA满足满足CAD/CAMCAD/CAM系统的哪些要求？系统的哪些要求？v6.6.通过市场调研，分析目前企业应用通过市场调研，分析目前企业应用CAD/CAMCAD/CAM技术的状况。技术的状况。v7.7.通过搜集整理资料，分析总计通过搜集整理资料，分析总计CAD/CAMCAD/CAM技术发展的趋势。技术发展的趋势。v8.8.通通过过对对CATIACATIA应应用用现现状状的的调调研研，对对比比其其他他CAD/CAMCAD/CAM软软件件的的应应用用情情况况和和特点，写出简明报告。特点，写出简明报告。v9.9.练习设置练习设置CATIACATIA多工作台切换的快捷模式，设置多工作台切换的快捷模式，设置CATIACATIA建模环境。建模环境。v10.10.练练习习用用CATIACATIA新新建建、打打开开和和保保存存零零部部件件、产产品品装装配配的的文文件件，尝尝试试使使用保存管理功能。用保存管理功能。v11.11.设计设计CATIACATIA中显示中显示/隐藏快捷键，熟悉鼠标与键盘的操作。隐藏快捷键，熟悉鼠标与键盘的操作。汽车汽车汽车汽车CAD/CAMCAD/CAM58第二章第二章 图形编程基础与应用图形编程基础与应用教学要点：教学要点：了解图形编程的基本原理、概念和应用掌握二维图形建模系统的基本概念、方法学会CATIA软件的草图工作台操作掌握CATIA中草图设计的基本思路教学目标：教学目标：知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识图形编程原理、概念图形编程原理、概念了解图形库、坐标系，图形控制二维图形建模基本概念二维图形建模基本概念理解图形约束，输入CATIA草图工作台草图工作台掌握草图绘制工具草图绘制实例草图绘制实例掌握二维草图绘制基本思路592-1-1 图形库理论图形库理论直接利用设备的图形编程2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念利用图形库的图形编程602-1-2 坐标系坐标系设备坐标系2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念两种不同类型的投影a）透视投影 b）平行投影612-1-2 坐标系坐标系坐标系之间关系2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念622-1-3 窗口与视区窗口与视区显示屏幕与视区2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念632-1-4 基本输出实体与图形输入基本输出实体与图形输入一、基本输出实体2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念直线多折线标记符号文本二、图形输入文字和文本像素点、直线和多边形取样、请求和拾取光标移动642-1-5 X窗口系统窗口系统2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念用X编写的应用程序有以下优点。首先，运行于一个工作站上的应用程序可以通过网络中不同工作站上的一个窗口进行交互式的图形输入输出。第二，一台工作站上可以开多个窗口，通过每一个窗口可以同时使用多个计算资源。最后，用X编写的应用程序通常能独立于操作系统或工作站的类型。652-1-6 CATIA草图设计工作台草图设计工作台2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念【Start】【Mechanical Design】【Sketch】662-1-6 CATIA草图设计工作台草图设计工作台2-1 图形编程基本概念图形编程基本概念草图绘制界面672-2 图形绘制系统图形绘制系统2-2-1 绘图设置绘图设置二、图层一、设置单位682-2 图形绘制系统图形绘制系统2-2-1 绘图设置绘图设置四、轮廓线型三、格栅与捕捉692-2 图形绘制系统图形绘制系统2-2-2 基本绘图工具基本绘图工具702-2 图形绘制系统图形绘制系统2-2-3 图形元素的约束图形元素的约束712-3 图形编程运算图形编程运算2-3-1 图形变换图形变换基本模型基本模型722-3 图形编程运算图形编程运算2-3-1 图形变换图形变换平移平移变比例变比例732-3 图形编程运算图形编程运算2-3-1 图形变换图形变换旋转旋转绕空间任意轴旋转绕空间任意轴旋转 742-3 图形编程运算图形编程运算2-3-1 图形变换图形变换建模工具建模工具缩放变换绕空间的轴旋转752-3 图形编程运算图形编程运算2-3-1 图形变换图形变换建模工具建模工具投影变化762-3 图形编程运算图形编程运算2-3-2 图形裁剪运算图形裁剪运算772-3 图形编程运算图形编程运算2-3-3 图形参数化方法图形参数化方法二、测量功能一、复制三、参数化工具782-4 CATIA草图设计应用实例草图设计应用实例实例一实例一 绘制垫片草图绘制垫片草图792-4 CATIA草图设计应用实例草图设计应用实例实例二实例二 动态约束动态约束80思考题 v1.1.用设备驱动命令直接编写图形程序的缺点有哪些？用设备驱动命令直接编写图形程序的缺点有哪些？v2.2.为什么基于图形库的图形程序只能运行在有限类型的图形设备上？为什么基于图形库的图形程序只能运行在有限类型的图形设备上？v3.3.解释用于计算机图形学的窗口（解释用于计算机图形学的窗口（windowwindow）的含义。）的含义。v4.4.解释视区（解释视区（ViewportViewport）的含义。）的含义。v5.5.说明说明CATIACATIA的用户界面是基于那种窗口系统。的用户界面是基于那种窗口系统。v6.6.运用运用CATIACATIA草图绘制工作台，完成下列草图绘制。草图绘制工作台，完成下列草图绘制。汽车汽车汽车汽车CAD/CAMCAD/CAM82第三章第三章 图形编程基础与应用图形编程基础与应用教学要点：教学要点：了解几何建模系统的基本原理和类型掌握实体建模系统的建模方法学会CATIA软件的零部件和装配工作台掌握CATIA中产品设计的基本思路和操作方法教学目标：教学目标：知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识几何建模系统概念理解线框、表面、实体、表面模型CATIA零部件工作台掌握零部件建模方法CATIA装配工作台掌握CATIA装配工作台工具CATIA产品设计案例理解汽车产品自顶向下设计方法833-1-1 几何建模基础理论几何建模基础理论几何信息几何信息3-1 几何建模技术几何建模技术拓扑关系拓扑关系（1）三维空间中的点用坐标P（x，y，z）表示，点是几何信息中的基本元素；（2）直线用直线方程定义；（3）平面用Ax+By+Cz+D=0的等式定义；（4）自由曲面用Coons曲面、样条 曲面、Bezier曲面和NURNS曲面等参数方程表示。立方体的几何元素(点、边、面)间可能存在的几何元素点（V）、边（E）、面（F）之间的9种拓扑关系843-1-1 几何建模基础理论几何建模基础理论非几何信息非几何信息3-1 几何建模技术几何建模技术形体的表示形体的表示非几何信息是指产品除实体几何信息、拓扑信息以外的信息，包括零件的物理属性和工艺属性等，如零件的质量、性能参数、公差、加工粗糙度和技术要求等信息。为了满足CAD/CAM集成的要求，非几何信息的描述和表示显得越来越重要，是目前特征建模中特征分类的基础。几何元素间的拓扑关系：点、壳、面、环、边、顶点体素、点853-1-1 几何建模基础理论几何建模基础理论建模的关键问题建模的关键问题3-1 几何建模技术几何建模技术几何建模方法的种类形体的表示几何建模方法的种类形体的表示1.确定合适的形体描述方法，实现对几何实体准确、完整和惟一的定义，建立起形体的信息模型。2.选择合适的数据结构描述有关数据，使存取方便自如，确定计算机内部的数据结构与存储结构u线框模型(Wire Frame Model)u实体模型(Solid Model)u表面模型(Surface Model)u特征模型（Feature Model）u参数化及混合建模863-1-2 线框建模系统线框建模系统线框建模线框建模3-1 几何建模技术几何建模技术线框建模特点线框建模特点线框建模采用线框模型描述三维形体，是CAD/CAM发展过程中应用最早、也是最简单的一种建模方法。（1）线框建模的描述方法所需信息最少，数据运算简单，数据结构简单，所占的存储空间也比较小，对硬件的要求不高，容易掌握，处理时间较短；（2）容易生成三视图，绘图处理容易，速度快；（3）线框建模的数据模型规定了各条边的两个顶点以及各个顶点的坐标，这对于由平面构成的形体来说，轮廓线与棱线一致，能够比较清楚地反映形体的真实形状，但是对于曲面体，用边并不能准确表达形体。（4）当零件形状复杂时容易产生多义性。这种模型没有构成面的信息，因此不存在内外表面的区别，由于信息表达不完整，在许多情况下，会对形体形状的判断产生多义性。同时，没有面的信息无法识别可见边与不可见边，也就不能进行可见性校验及自动消隐处理。（5）不能进行物性分析和形体几何特性计算(如重量、重心、惯性矩等)。873-1-3 表面建模系统表面建模系统表面建模表面建模3-1 几何建模技术几何建模技术表面建模特点表面建模特点表面建模采用表面模型，表面模型通过物体各表面(或曲面)的定义来描述三维物体。(1)表面建模以面的信息为基础，能够比较完整地定义三维物体的表面，在提供三维物体信息的完整性、严密性方面，表面建模比线框建模进了一步。(2)表面建模可以为CAD/CAM中的其他场合提供数据，如有限元分析中的网格的划分，就可以直接利用表面建模构造的模型。(3)表面建模所描述的仅是实体的外表面，并没切开物体面展示其内部结构，因而，也就无法表示零件的立体属性。883-1-4 实体建模系统实体建模系统实体建模实体建模3-1 几何建模技术几何建模技术实体建模特点实体建模特点实体建模系统是用来创建具有封闭空间的形体，也叫实体。由于实体建模系统所创建的形状的数学描述除了包含表面建模系统所提供的信息外，还包含了确定的任意点是否在实体内部、外部或表面的信息。从而对实体操作的程序实现的是实体级而不是表面级的操作。893-1-4 实体建模系统实体建模系统CATIA实体建模实体建模3-1 几何建模技术几何建模技术l基于草图的特征：由于草图经过各种变换得到的基本实体特征。l修饰特征：对基本实体进行倒圆、倒角等修饰操作而形成的特征。l变换特征：由已有的实体特征，经过平移、镜像等操作而形成的特征。l曲面特征：对于复杂几何形状的零件，根据曲面造型得到的零件外形生成实体特征。CATIA的【Pad】工作台中的建模工具903-1-4 实体建模系统实体建模系统CATIA实体建模方法与工具实体建模方法与工具3-1 几何建模技术几何建模技术l平面轮廓扫描法（基于草图的特征）基于草图的特征工具Pad建模对话框913-1-4 实体建模系统实体建模系统CATIA实体建模方法与工具实体建模方法与工具3-1 几何建模技术几何建模技术l平面轮廓扫描法（基于草图的特征）Shaft（旋转成型）Rib特征923-1-4 实体建模系统实体建模系统CATIA实体建模方法与工具实体建模方法与工具3-1 几何建模技术几何建模技术l平面轮廓扫描法（基于草图的特征）Multi-sections Solid（多截面）特征Stiffener（加强筋）特征933-1-4 实体建模系统实体建模系统CATIA实体建模方法与工具实体建模方法与工具3-1 几何建模技术几何建模技术l体素建模方法CATIA的体素工具943-1-5 几何特征建模系统几何特征建模系统基于特征的建模方法能够使设计者使用熟悉的形状单元来建立实体。所建实体除了包含基础形状实体信息(顶点、边和面等)之外，还包含形状单元的信息。例如，设计者可以生用诸如“在特定位置钻一定尺寸的孔”和“在特定的位置做一定尺寸的斜面”的命令，让已有的实体携带孔和斜面的位置、尺寸方面的信息。这些形状单元也被称为特征，用这些特征进行建模称之为基于特征的建模(简称为特征建模)。3-1 几何建模技术几何建模技术基于草图的特征建模基于草图的特征建模基于特征的建模基于特征的建模1.Pocket（减轻槽）2.Groove（旋转槽）3.Hole（孔）4.Slot（开槽）和Remove Multi-sections Solid（移除多截面）1.Edge Fillet（圆角）2.chamfer（倒角）3.Draft Angle（拔模角）4.Shell（抽壳）5.Thickness（厚度）6.Thread/Tap（内外螺纹）7.Remove Face（面移除）953-1-6 边界建模系统边界建模系统边界建模方法用于对一个实体的低层对象的操作，如顶点、边和面进行边界建模方法用于对一个实体的低层对象的操作，如顶点、边和面进行增加、删除或修改等直接操作。增加、删除或修改等直接操作。3-1 几何建模技术几何建模技术l基于曲面的实体建模工具Split（分割）特征Thick Surface（厚曲面）特征 Close Surface（闭合曲面）Sew Surface（缝合面）特征963-2-1 模型存储的数据结构模型存储的数据结构零部件模型也称为实体模型的建模不仅是几何形体，而是存储的零部件零部件模型也称为实体模型的建模不仅是几何形体，而是存储的零部件实体，这些实体还带有零部件的特征、曲面、材料甚至加工工艺等信息。实体，这些实体还带有零部件的特征、曲面、材料甚至加工工艺等信息。3-2 零件建模技术零件建模技术1.边界表示法（Boundary Representation，B-Rep），它的数据结构被称为B-Rep数据结构。根据对象在链接处所提供的信息不同，有多种B-Rep数据结构。2.将体素的布尔运算过程存储在一个树形结构中，这个过程被称为构造实体几何（Constructive solid Geometry，CSG）描述，也被称为CSG树。3.结构存储的对象是像立方体这样简单对象的集合。用这种方式表示的实体模型被称为分解模型（Decomposition Model，DM），也成为空间单元表示法。973-2-1 模型存储的数据结构模型存储的数据结构B-rep（Boundary-representation）是以物体边界为基础，定义和描述）是以物体边界为基础，定义和描述几何形体的方法。这种方法能给出物体完整、显式的边界描述。几何形体的方法。这种方法能给出物体完整、显式的边界描述。3-2 零件建模技术零件建模技术边界表示法在计算机内的存储结构用体表、面表、环表、边表、顶点表5个层次的表来描述。边界表示法中允许绝大多数有关几何体结构的运算直接用面、边、点定义的数据实现。这有利于生成和绘制线框图、投影图、有限元网格的划分和几何特性计算，容易与二维绘图软件衔接。但边界表示法模型的内部结构和关系与物体的生成描述无关，因而无法提供物体的生成信息。一、边界表示一、边界表示983-2-1 模型存储的数据结构模型存储的数据结构构造几何实体（CSG）表示法是将复杂的几何实体分解成许多简单体素，通过布尔运算将这个简单体素组合起来构造实体模型的办法。3-2 零件建模技术零件建模技术CSG表示法的主要问题是这种数据结构无法存储物体最终的详细信息，如物体的面、边、顶点等信息。在CSG树形结构中必须通过大量的计算才能得到边界面、边界线以及这些边界对象间的链接信息，而偏偏许多应用都需要这些边界信息，如实体的显示。无论是显示实体的色彩浓淡图像，还是显示实体的线框图，这些边、面信息都必不可少，CSG树在表示交互式显示和操作实体时就不是很适合。此外，当用磨床加工一个实体表面的数控加工刀具轨迹的计算时，被加工的表面和它的边界边信息是必需的。此外，在钻孔时也需要用到邻接表面的信息。从CSG树结构中得到一个实体的所有边界信息并不是一项简单的工作二、构造几何模型二、构造几何模型D（AB）C的CSG树是一个有序二叉树993-2-1 模型存储的数据结构模型存储的数据结构CSG与B-rep表示法各有所长，许多系统采用两者综合的表示方法进行实体造型。现在许多CAD/CAM系统均已采用CSG模型系统为外部模型，而用B-rep模型作为系统的内部数据模型。为了发挥CSG和B-rep的长处，同时保留CSG和B-rep模型的数据十分必要。