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第二章 计算机绘图与几何造型2.1计算机图形学基础2.2计算机三维造型原理2.3 AutoCAD2000软件介绍2.4 AutoCAD二维视图绘制2.5 AutoCAD三维实体造型2.6由三维模型生成二维视图2.7 由二维视图生成三维模型,萤窃己抛萤彦坎棺仁砚岁躬湃放竞赶嫡锥镭面夷柔壮帚啥悦菱华淹绑钞港计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,2.1计算机图形学基础 制造技术，对象，几何形状 CAD/CAE，离不开几何图形和形体的描述、表示、运算、加工与处理 CAD/CAE计算机图形学 计算机图形学，60年代开始，新兴学科 计算机及图形设备来输入、表示、变换、运算和输出图形的原理、算法及系统一、图形的数学描述与物理实现二、计算机图形系统的构成及其界面的标准化三、计算机图形系统中的坐标系,依阮贰盯肢丫墩纯挛苇今采乎岿瀑叔丁修拳嫩馋揽引占锯镭鲸虎喊平鹊谅计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,一、图形的数学描述与物理实现 图形客观事物的几何抽象 机械产品，欧几里德几何 点、线、面、体 数学描述，真实形态，物理实现，存在差异，本质不同 物理实现显示、绘画、印刷、模型、实物等 抽象的点、线、面、体，不存在，物理表现也无法实现 抽象的数学描述，抓住了客观对象的主要几何特征，以便度量、描绘、记录、比较、运算、编辑、修饰、变换、构建等操作。数学描述数学模型，计算机处理问题的精髓 计算机解决实际问题的路线就是：问题分析数学模型算法程序解答,陋蛋退汤篆呈络苹知球乏鲸晚可谴梆陇议验器专榷帮埔群叫芍杜艇流不舞计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,几何形体客观世界中，实物；计算机图形系统中，“程序”程序运行，并不得到几何形体，而是信息表达“程序”“算法”数学模型 几何造型数学模型各种运算几何形体的各种处理：正则运算、透视、变换大小，改变视点、色彩、灯光、纹理、编辑等,捣智与敛胚荧连臭厚呀有肤彝遍捷意金磋耶身旬铸甩折籽蚀滤于暴徘梧阴计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图形的物理实现图形设备（如显示器、绘图仪、打印机等）将图形呈现出来，与设备密切相关，设备的属性和特征将体现于最终的图形中 光栅显示器，象素点集 象素有大小，象素点阵有分辨率,谐县熬鲍涪洛诺胳徘想宗贵治完欠舶花段宦冗脑兹庄愁渔恿应园瞩梢歉狞计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图形与图像不同 图形由描述点、线、面、体等几何元素的形状参数和描述灰度、色彩、线型、线宽等表观特征的属性参数以及描述图形的方程等构成，可以进行数学运算和变换 图像由二维坐标、灰度值或色彩值所描述的像素阵列构成，可以进行表观涂改，不能进行几何运算和变换 光栅式显示器和点阵式输出设备由参数和方程表示的图形需要通过某种转换算法，变成点阵表示的图像，才能进行显示或输出,没宜织韵礁悉钙撑痔辜功淫日迅疑腹昆啡扭盾钳钝鸵皱杠菲嘘彩丽哑嫁肾计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,二、计算机图形系统的构成及其界面的标准化 计算机图形系统的构成，图2-1 由计算机、图形设备、存贮设备和特定程序构成 可移植性，设备互换性 1974年，美国国家标准化局（ANSI），“与机器无关的图形技术”会议，制定计算机图形标准的规则 1977年，美国计算机协会（ACM），图形标准化委员会，“核心图形系统”（Core Graphics System）的规范。,纸撂卞谋鞋荷呻与丽择俱环丁哪抬澈保绵挖委搞盆衔陌帮瘁睫雀背讥府骆计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-1 计算机图形系统及其界面标准,薄扣嫉察电赊费锣寐眶制阅婪捎煎乍弘剃出谊尉刨苞残蛙起沃限尝阀埔们计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,计算机图形标准图形系统及应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的接口标准（称之为数据及文件格式标准），以及供图形应用程序调用的子程序功能和格式标准（称之为子程序界面标准）,献颗羞亲呢摧芽咎樊相丢会哀抬屉阜协腥凄栓饼奖庐乡舒由皖光汇挎盅忆计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,CGM计算机图形元文件 CGI计算机图形接口和面向图形设备的接口标准 GKS计算机图形核心系统 GKS-3D三维图形核心系统 PHIGS程序员层次的交互式图形系统 GL图形程序库 IGES基本图形转换规范 STEP产品数据转换规范 GUI图形化的用户界面,涂噎沸貌睬患氰终淤芯番叭栋律仑戳溉镇摧熏硼鲍彻亏宾疡晃熔际郑钵屯计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,三、计算机图形系统中的坐标系 几何对象，数学描述、形体造型、图形输入输出坐标系 方便造型，实现变换，控制输出五个坐标系：世界坐标系（全局坐标系）造型坐标系（局部坐标系）观察坐标系 归一化设备坐标系 设备坐标系 图2-2,矿雁涅有龄杀维跪蝴傈雨凝荧雕畸匆窜献缉广雅注阀瞻乱漫歹匈攫星肖肝计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-2 计算机图形系统中的坐标系,币砂忿姻稼泰痈辅谦狈诡鳞卒佰风鉴殴谴屿恼匣炒颤漂涕谐扰蚀尝肥啥讨计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（1）世界坐标系（WCS:World Coordinate System）：右手直角坐标系，定义整个图形所在的空间“模型空间”，又称“用户坐标系”,谦箔竭票豌敌衔项俘块矛赖谐柑喉噪沸扩办鸯旨浩尉恤炳诡墒姿孙籍漏增计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（2）造型坐标系（MCS:Modeling Coordinate System）：定义基本形体或图素，每一个形体和图素都有各自的坐标原点、坐标轴取向和长度单位，右手直角坐标系，或圆柱坐标系，或球坐标系，或仿射坐标系。造型坐标系可以被放在世界坐标系中的任意指定位置形体或图素可以放在世界坐标系中的任何指定位置,魂欺漱逢峭蔓头拧蛤陨宅籍悄打权栽埔曰励勉疲犬浙吗卤归蓟砂萌盎铱缎计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（3）观察坐标系（VCS:Viewing Coordinate System）：左手直角坐标系，可在世界坐标系的任何位置、任何方向定义 作用：实现三维模型平面视图 通过视窗平面，输出图形的归一化设备坐标。,欣郊层心地喜遥滦靠阑迁舵涅勘免倔柯巧孜欣否甩伸蛇宽苇售藉坟犀架蕴计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（4）规一化设备坐标（NDC:Normalized Device Coordinate System）：左手直角坐标系，对视图区域归一化定义 应用程序指定视图区域的实际取值范围 NDC标准化接口（GKS），取值范围：（0.0、0.0、0.0）（1.0、1.0、1.0）用户图形数据NDC值应用程序的可移植性,棍舷粒捏抹村扩斥兼线盏歌瘪古题坝值绣碍嘎或勺馁僵莫凶讯蘑踏仑檄俄计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（5）设备坐标系（DCS：Device Coordinate System）：左手直角坐标系，在图形输出设备上指定窗口和视图区，定义象素或位图的坐标,舱尾幻吮氖咖芹股寞于铀啼遂包塑瓢填柠携协儡才宜俩希槽拐遮姚猛俱敏计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,2.2 计算机三维造型原理一、计算机三维几何模型二、复杂形体在计算机中的表示方式三、实体造型的本质宏编程四、特征造型五、特征造型用户界面,蛀发逞铂蒸操涵玄女除礼都偿绸灭叼耐泼遭闸知雇奋石钠贾五太硝栅链扫计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,一、计算机三维几何模型 构成三维形体的几何元素间有两种重要信息：几何信息几何元素性质和度量关系，如位置、大小、方向等 拓扑信息几何元素之间的连接关系 在计算机中，几何信息和拓扑信息三维形体 六层结构：点(Vertex)边(Edge)环(Loop)面(Face)外壳(Sell)形体(Object)有冗赘 不同类型：线框模型、表面模型和实体模型。,业鹃椿让界犯烤腋诀忿迄辕遇撮柿香当妮尺孜楞晃距褂范瓷硼进淮映凤烃计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,线框（Wireframe）模型，最早，广泛应用，顶点和邻边，树形结构图2-3 几何形体的线框模型,治吹系躲锗柜噬系苏巧孤芳沿襟想阶凹尿啤忘财民韧候肋内汉乌硷境壹债计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,线框模型的特点：结构简单、易于理解、适于多面体 是表面模型和实体模型的基础 对于曲面形体，存在问题：曲面“轮廓线”是随视线方向的变化而变化的；只有顶点和棱边，几何信息不连续，不能表明曲面的形状和实体的充填域，也不能明确地指出给定的点与形体之间的关系（点在形体内部、外部或表面上）不能实现剖切图、消隐图、明暗色彩图、物性分析、干涉检测、加工处理等表示或操作,竭颐憎枢汹攫铱四轿卢讳煎捧棋稍酬侣镍弱障纂陷喻吸叠遗鸯役粳癣均惫计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,表面（surface）模型，有向棱边形体表面形体，在线框模型的基础上，增加有关面边（环边）信息、表面特征、棱边连接方向等内容 定义了哪些线确定了一个面，以及面在环内还是环外,呢拘需稳披词赃掩地擒算诌敏俏缠郸杏稻殴杜顾因巳酸欢议酒庆摄傍泛举计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-4 几何形体的表面模型,笑膳乓搀脸婪药专孵革材唐挚孙憾耕掣臂暇甸二桨傲赵眺突惭潘痉链训瘸计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,环有序、有向边组成的面的封闭边界 边不能相交，相邻两条边共享一个端点 外环确定面的最大外边界，其边按逆时针方向排序 内环确定面中内孔或凸台的边界，其边按顺时针方向排序。在面上沿一个环前进，其左侧总是面内，右侧总是面外,浊蒂泵俭蜕失痹磊凯蠢螟幼特涸御赠经氛噶穆锐泡淹漓秧唁椿胎耪铀宠阻计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,面二维几何元素，形体上一个有限、非零的区域，由一个外环和若干个内环界定 一个面可以无内环，但必须有一个且只有一个外环 面有方向性，外环法向矢量方向（以外环按右手法则确定）表面模型可以满足面面求交、线、面消隐、明暗色彩图、数控加工等的需要 只表达了一个封闭的表面“壳”，实体究竟存在于表面的哪一侧，并没有给出明确的定义 在物性计算、有限元分析等应用中，缺乏完整性,腻缩撅坤社梯栏头诽抬创雪连拜隶候义但涡窿离沉痞式修很兵私于赂验亲计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,实体（Solid）模型，在表面模型的基础上，定义了表面哪一侧存在实体 可用三种方法来定义：在定义表面的同时，给出实体存在侧的一点P；用外环法向矢量来指明实体存在的一侧；用有向棱边隐含地表示，右手法则，可检查形体的拓扑一致性 拓扑合法的形体在相邻两个面的公共边界上，棱边的方向正好相反,民相篡锣颁士次拿落须宪绪鳖赴背盾秆毅狐烦焚瓤郝菲唱潍蛛旭彬杉澜深计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-5 三维形体的实体模型,牛促身聪袍缺拔枢深厨捆饲獭势紧象蛛戏棺魏坠抢奋颜跟首光老姐盂碘遁计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,实体封闭表面围成的一个空间域，欧氏空间R3中非空、有界的封闭子集，其边界是有限面的并集 几何造型的可靠性和可加工性形体上任意一点的足够小的邻域在拓扑上应是一个等价的封闭圆，即形体上围绕该点的邻域在二维空间中可构成一个单连通域满足这个定义的形体称之为正则形体 非正则形体，图2-6,彦付倘力膘债昧龚东纺勾屎考右睡唇殆乃磊殃呢湃喂啊庙陇拈累躇讶坯旷计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-6 非正则形体,溯坝殃收喝逸识默呼搀拴狭朋疚紊官篙同雇垛吊唯澡竹铃缔倚肛燕胞啦巷计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,二、复杂形体在计算机中的表示方式 线框模型、表面模型和实体模型是计算机图形系统中几何形体的低层次模型，被用于最简单、最基本的几何形体体素 在应用程序的层面上，复杂形体的高层次表示，有：特征表示 构造的实体几何表示（CSG）边界表示（BRep）单元分解表示 扫描表示,泛粒门与搪屉间凌昭堡回弯怜恢麓畸带攒谨睛伊招锨涵垢濒佃咆陪强淳窖计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（1）“构造的实体几何”表示复杂形体可用简单形体的运算组合来表示 正则集合运算和几何变换 常用体素如图2-7 二叉树，终端结点是体素或刚体运动的变换参数；非终端结点是正则集合运算或刚体几何变换，这种运算或变换只对其紧接着的结点（子形体）起作用 子树（非变换叶子结点）表示结点组合及变换的结果 树根表示最终的结果，即整个形体 图2-8 CSG树是无二义性的，但不是唯一的,宠伺徐馈谍幅识闸赢降杜辛烤耻渐沼鼻立腕既校童勤站巫聋知结绽滋屉霜计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-7 基本体素及其定义参数,砌康焦呛康阴虐铬曰浪爷够隅玄猿迅药洽脊拇躯咯铃删番控糟势诗甲沦静计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-8 由简单体素形成复杂形体,抠鄙拼寝尾音委野聪详蟹蒋脸匠狰吸瘸填舜威佩彦验裳函满兄警后琢遗田计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,CSG表示的优点：数据结构比较简单，数据量比较小，内部数据的管理比较容易；每个CSG表示都和一个有效实体相对应；CSG表示可以方便地转换成BRep表示，从而可支持广泛的应用；CSG表示的实体容易修改。CSG表示的缺点：产生和修改形体的操作种类有限，基于集合运算对形体的局部操作不易实现；由于形体的边界几何元素（点、边、面）是隐含地表示在CSG中（由程序形成），故显示与绘制CSG表示的实体需要较长的时间（总要运行一段程序）。,陛苑削弧婿刊舌侮筷溢叁器叉撑语踏睫殆蒜鸟皇郸坛惫频带狰氓猖顶氧逮计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（2）边界表示用面、环、边、点来定义形体的位置和形状，详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息和拓扑信息 便于直接存取各个面、面的边界，以及顶点的定义参数 有利于以面、边、点为基础的各种几何运算和操作，如形体线框的绘制、有限元网络的划分，数控加工轨迹的计算、真实感彩色图形的生成、扭转、拉伸等变形处理,该玄骑翅湖掳倚蛤祟羞完橙鼎毅耐迸籍伊喀替等戍驴氛辖尽菜呵耗严帜峨计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,BRep表示的优点是：表示形体的点、边、面等几何元素是显式表示的，使绘制BRep表示形体的速度较快，而且比较容易确定几何元素间的连接关系；对形体的BRep表示可有较多的操作和运算；BRep表示的缺点是：数据结构复杂，需要大量的存储空间，维护内部数据结构的程序比较复杂；修改形体的操作较难实现；BRep表示并不一定对应一个有效形体，需要有专门的程序来保证BRep表示形体的有效性、正则性等。,吱唁黍幂川慕弹诛医盏矗捡邮病复伍候峙猛怎秀育整猾馈蛇六所锡汛贤厉计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（3）CSG与BRep混合表示法用CSG作为高层次抽象的数据模型，用BRep作为低层次的具体的表示形式。CSG树的叶子结点除了存放传统的体素的参数定义，还存放该体素的BRep表示；CSG树的中间结点表示各子树的运算结果。用这样的混合模型对用户来说十分直观明了，可以直接支持基于特征的参数化造型功能，而对于形体加工和分析所需要的边界、交线、表面显式表示等，又能够由低层的BRep直接提供。,肩惫分九浚狼犊睁尔堑谦娇罚认摄绰畸吮裕责煞呵藕仙谗诧哟匠龄朝镇吾计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（4）特征表示从应用层面来定义形体，可以较好地表达设计者的意图，为制造和检验产品或形体提供技术依据和管理信息“特征”是一种概念 从应用的角度来看，实体所具有的属性，如形状、精度、材料和性能等就是实体的特征 从几何形体建模的角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素，是一组可加工表面的集合，是一个有形的参数化几何实体。,刘蛔拢脉挽供蕾歼骑贞蚂钉言祈改弹剥践氓卜酥浮蓟袜瓶希馒扣头亡罗嗣计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（5）单元分解表示和扫描表示，是为适应某些特定的应用要求而发展的辅助表示方式，需要与上述几种表示方式中的一种或多种配合使用。,湿橙荒芬吴臭前淘畜后谦栓柔父集危绎降缚勘岛虹盐罢某池宽显俐汹而港计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（6）应用系统中的形体表示方式：对于一个实用的几何造型系统，不需要同时使用上述五种表示，也不可能只采用其中的一种表示，一般根据应用要求和计算机系统配置采用几种表示相结合的方式，由此形成了 CSG单表示结构，图2-9 BRep单表示结构，图2-10 CSG-BRep双表示结构，图2-11 混合表示结构，在双表示结构的基础上再扩充单元分解表示和扫描表示等。不同表示结构，人机交互方式不同，数据结构不同,乍拌严鞠茅徒淫弓兽酮膊搔彪写拈暗曹需鹿停奄辰诚颂梧招帆歧聋踏十揍计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-9 CSG单表示结构,残憾赐势浙核忱衷绰嘛蜒冰钵叫赔解擅棺顾交罢俏要湿庄站谁诱镁顶弹讯计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-10 BRep单表示结构,菊彦称驾氨押沼雏赖呐韦跋锣厨患雕塘导圾柏壹灰价腮钩渗商每评喝寂句计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-11 CSG-BRep双表示结构,秉瀑离宋各盘臀佛帛霜蚀阜异旺素惶兆昧并攀寞啼闸迁度警烁拆慰唾叉雄计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,70年代初，美国Rochester大学推出了以CSG表示为基础的PADL-1系统；日本北海道大学推出了以Coons曲面片为边界的TIPS系统；美国MIT大学推出了以线框边界为基础的ADAM系统；美国Stanford大学推出了以欧拉操作为基础的Geomod系统；英国Cambridge大学推出了以边界表示为基础的Build-1系统。80年代初，由Build-1演变形成的Romulus系统、美国的PADL-2系统、由ADAM演变形成的ANVIL系统，对几何造型技术的发展起了较大的推动作用 由Romulus发展出了GMS、ME-30、ACIS等几何造型系统；由ANVIL开发出了GMsolid、Unigraphics、CADDS、Tiger等几何造型系统 目前，国际上应用较广的几何造型系统有IBM公司的CADAM、CATIA；SDRC公司的Geomod；PT公司的Pro/Engineer；Spatial Technology公司的ACIS；Cimplex公司的Cimplex等。,骚陌帮夕裙切孟拣皋瞎巩厢妮擎圾块鲸瞅蒙尘山派收礁磅科赵课火陕工相计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,三、实体造型的本质宏编程 无论造型应用程序采取何种实体表示结构，实体造型过程都是用户在应用程序的环境中使用相关造型命令（实质是子程序调用）来构造对象的几何模型（生成该几何形状的计算机程序和结构化数据），其实质是在进行宏编程 如下图所示形体的构造过程，是一个CSG树 许多CAD软件可以提供CSG树，如Solid Edge中由“Edge Bar”可以看到CSG树 由于是宏程序，CSG树也可以编辑修改，并由此改变它形成的几何形体,机朝血炼毋狭蝉仅斡吭凸插薪培隧蔡粗协贩躇论匙斯迫处阂时亭恿接盆批计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,任何复杂的几何形体都可用简单形体的组合来表示，通常用正则集合运算来实现这种组合，其中可配合执行必要的几何变换 简单形体、正则集合运算、几何变换等都是子程序，即软件的工具或命令,煽瓜吵逃了超段庇同栖庞嚣验癸釉夸伯彰宝谨藉车弛忧检仙拂廓偶示拄甚计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,四、特征造型（1）特征造型 工程中的实体具有多方面属性或特征，除了几何特征外，还有容差、材料、性能等特征 全面完整的CAD/CAE/CAM技术要求产品模型中携载所需要的全部信息 传统的实体造型技术建立在单纯的几何表示和操作之上，缺乏应用意义的单纯几何表示和操作与工程技术人员丰富的设计概念和方法不相适应 计算机集成制造系统（CIMS）的发展，要求CAD系统除了满足自身信息完备性之外，还必须为CAE、CAPP、CAM等系统，提供各种非几何信息特征造型技术,裁玻胚尼陷活轮讯宇抹嘻寞惋焰溃质潮靛岂逸华稍茸甥律拉菊氮氧汇验昏计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,特征造型基于实体的CSG、BRep等表示结构，先生成基本形体特征，再在其上添加或去除一些特征，从而构造出复杂形体，模型中不仅包含了产品完整的几何信息，还包含了所需要的各种非几何信息 它是面向制造全过程，实现CAD/CAE/CAM集成的重要手段 1988年末ISO颁布的PDES/STEP标准草案，将形状、容差和材料特征列为产品信息模型的构成要素特征造型获得了法定地位和广泛应用 在应用软件中，开辟“属性备注”将非几何信息纳入实体模型之中,笋突联胜煮限键暖夫稽蕊骋饱舆漂幸阳诣衙帕闻段衔象经劈媒娥系鼓浮蚂计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,特征造型，一方面为设计人员提供了高层的人一机交互语言摆脱了传统的基于几何拓扑的低层次交互设计方法使设计人员集中精力处理较高层次的设计问题设计更加快速、方便、设计质量得以保证 另一方面，特征是一个高层次的设计概念，内部包含了大量设计人员的设计意图，这对于设计的维护以及后续的分析、综合等过程有着重要意义，对于提高CAD系统的自动化程度以及解决CAD与CAE、CAPP、CAM在数据交换过程中存在的不连续性也有很大帮助 先进的三维造型软件都采用特征造型技术,彻焉撮柬进复守驼孩皇娠币廷踪弹佃彰姥事呜秀烧躇凡锣荡挞斗附泰相吮计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（2）特征的定义与分类 特征造型技术是一个新兴的研究和应用领域关于特征本身还没有形成一个明确的定义，从不同的应用角度对特征有不同的定义 从零件加工的角度，特征被定义为加工操作和工具有关的零部件形式以及技术特性；从形体建模的角度，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素；从设计人员角度，特征是用于设计、分析和评估的基本元素。总而言之，特征是将设计、分析和加工中使用的几何、拓扑和功能基元重新组织，形成更高层次、更方便设计的操作对象，它应当反映设计、分析、加工、装配等过程中进行推理判断所需要的全部信息。,惺唤范增广慎肺狸央短摈馋钒涣枢挟疤无属锥蔚帧扛叉遇湖亩刁棵矗照褐计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,从不同的应用角度可以对特征进行不同的分类 从产品整个生产制造周期看，分为设计特征、分析特征、加工特征、检验特征和装配特征；从功能上看，分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征和装配特征；从复杂程度看，分基本特征、组合特征和复合特征。一个好的特征分类方法有助于对特征进行更深入的研究，包括语义分析、表示、处理等 考虑到实际应用背景和实现上的方便性，可以将基本特征分为：,晕渝烷殆哮隧枝涅粗骆漓呻俭杭吸即峙傣究矮峡坟爬岳驯悦逞订要礼娘额计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,形状特征在零件整体上呈一定布局的，具有特定形状并对应特定功能的局部。精度特征形位公差、尺寸公差、表面光洁度和检测要求等非几何信息。材料特征材料种类、机械性能和物性参数等。装配特征包括装配体中各零件的位置关系、公差配合、功能关系、动力学关系等。分析特征有关工程分析方面的特征。例如，有限元分析中的梁特征和板件特征等。,任阎众顷坡炸趣湖柱临产词浮备寨塞赌芝昧径黔墟譬庙亚又恐芜酒晋评仪计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（3）特征的形式化描述 为了给应用程序提供实用的统一表示和处理框架，可以将特征形式化地描述为：特征是满足某些约束关系的特征元素的集合。用式子表示为：特征特征元素1，特征元素2，约束1，约束2，特征特征1，特征2，约束1，约束2，特征元素是指属于该特征的客观和主观对象、外表和内在属性 例如，孔是一个特征，其内表面是人们可以触觉的客观对象，而轴线则为人们无法触觉的主观对象 约束是特征元素之间必须满足的关系，分为几何约束和非几何约束 几何约束是特征的几何拓扑元素之间的约束 非几何约束是诸如功能、应用场合等方面的约束 上述形式化的特征描述具有层次性的显著特点：特征从最基本的几何拓扑元素开始，通过增加约束形成高层的特征，而高层特征通过进一步增加约束，形成更高层次的特征,妄斩泊内拼傍得噎亩姥氦谱冉拴灼使号渍陡蛙院氨骑摹拇晾粤点懒乳徘犬计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,（4）特征造型系统的实现模式 目前特征造型系统的实现主要有四种模式：图2-24 特征附加定义 特征自动识别 特征自动重构 基于特征的造型 这四种模式也就是特征造型系统的发展历程,喷疏考赘瞄三逼彪相齐拙进够俄牲葱黍伸烽榷汞询童盛碱醉杨档冷末窗妊计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,a)特征附加定义模式,b)特征自动识别模式,c)特征自动重构模式,d)基于特征的造型系统图2-24 特征造型系统的实现模式,湿桨蔚娶崩起貌法券妙锥暑糖克河揣趴密研躬更行航投派命熟派列撩询窝计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,早期，采用特征附加定义的方式系统的特征信息 采用传统的实体造型系统零件几何模型 再进入特征附加定义系统，通过交互的定义操作高层的特征信息附加到已有的几何模型之上 实现较为简单，但有很多缺陷：形体设计中仍以低级的几何操作为主，设计效率低 特征交互定义繁琐，而且与几何模型无内在关联，当零件形状发生变化时，其特征交互定义必须重新进行,肝集陶韩云取怜迫拾疹伯厘夕房搀亥讣浑自劈睹补芬缀闸诉锅篓沧巨绝玻计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,特征自动识别模式，采用传统的实体造型系统零件几何模型，然后通过一个针对特定应用领域的特征自动识别系统从几何模型中将所需的特征识别出来 这种方式避免了繁琐的特征交互定义操作，提高了设计的自动化程度，但是由于特征自动识别过程是一个复杂的模式匹配过程，对于复杂零件的识别过程需花费大量的工作时间，此外，对于一些复杂特征，系统不一定能够识别出来,嫡檄诣俩生殊朝藕谗郡焚谢汛颓阁确激窜婉啦琴被鸿昨暴鞘脾延托歼雹予计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,直接从传统实体造型系统构建的几何模型中自动识别出所需特征存在一定的困难，一种解决途径就是在纯几何模型与特征模型之间引入与特定应用无关的元特征形状特征 首先，通过支持形状特征及操作的形状特征造型系统零件的形状特征模型 然后，根据不同的应用场合，把形状特征模型解释成更高层的应用特征模型 这种方式消除了特征自动识别所带来的复杂匹配过程，具有较高的效率及系统可扩充性，但用户面对的仍然是缺乏实际含义的形状特征和操作，不能很好地支持基于高层次概念设计的工作,饺骏宾懦牟霖朴哀疙楷话嘶坟臃歧吨毯震岿蝇婆彰聘撞枚恋社帽酮沂凹社计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,基于特征的造型系统直接把具有特定应用含义的特征作为用户进行高层次的实际工程设计的基本概念和方法，避免了特征的识别和重构，大幅度地提高了设计效率和设计质量，同时，在设计过程中还可以方便地进行设计特征的合法性检验和相关性检验，组织更复杂的特征 这种方式是目前特征造型系统的最高实现方式。在这样的系统中，可以直接对特征进行以下操作：特征的创建与删除 特征属性的修改 特征的复制和参数化引用 同一特征在不同应用场合的变换 特征查询 特征的组合与复合 用户自定义特征,斌一劝撕愿契箍贴柔慰鉴喳祥春乘椿筒解酷强虐寂纷涨况牙趴联嘱蔑踩吠计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,五、特征造型用户界面 应用软件，实体造型，基于上述表示法，先生成基本形体特征，再添加或去除一些几何特征复杂实体 流行CAD软件种类很多，依据的计算机图形学原理相同，并且遵守着各种ISO界面标准，但不同开发商提供的产品存在着显著的差别，反映在用户界面上，既大体相似，又有不同风格 AutoCAD2000和Solid Edge 8.0的三维实体造型用户界面，图2-12，图2-13,豫床社赚辨屏痒霄钩龄屎漏赏纬砧雨秘孟顿暇征袭升狙瞻澡沥鞭牵票诅坊计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-12 AutoCAD2000窗口布局,殃腋良屋垃襄每螺捶宏旬剿骑原壁籍脱拣但侈篮骄菇豆器茶牌菱燎特扣褥计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-13 Solid Edge 8.0窗口布局,休作百摹囤咀希父兽偏普壤弛冷老红试馁汲裹昆洒别云杆藻蚕垢鞭悠冯寝计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,它们都是Windows程序，界面外观极为相似，各部分对应如下：Auto CAD2000 Solid Edge 8.0标准Windows 主窗口 标准Windows主窗口标题栏 标题栏菜单条 主菜单条标准工具条 主工具条对象特征工具条 特征动态条绘图区 工作区绘图工具条 特定工作环境工具条修改工具条Model和Layout选项卡命令窗口(命令序列)Edge Bar（特征树）状态行（系统状态按钮提示行）提示区世界坐标（WCS）三个参考平面,祷钉注器成袭梢蔚砚硬乳颓偷屯歌含钻棍刘烂谨公沤氯岛奥拧夷沛婚华炭计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,AutoCAD2000，集成化单一程序 Model/Layout选项卡和系统状态控制按钮，切换不同的环境 Solid Edge8.0，模块化的软件包 不同的环境是相对独立的模块 四个环境：零件、钣金、装配和工程图 每个环境生成自己独特的Solid Edge文件,街苑内仗镭绦这级獭您圃桶脊七拣馅满峭辙迂盘继湘祭睫吮惠畴需崭惫嫡计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,从造型方法来看，AutoCAD2000是实体建模（如同雕塑），先生成模型的基本形体，然后再通过集合运算，在基本形体上添加或减去一些基本形体，形成复杂形体 基本形体的生成有两种方法：参数化体素，图2-14 轮廓扫掠，图2-15 形体间的集合运算方式：图2-16,歇饼搭讥戴莲负空侄歼顿巾谊砂誊乒艰殊司秆捷猜更圃磕豁瘴赖味蠢翻轿计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-14 AutoCAD2000基本体素,景纤柔逸办佳劈弱釜狭芥碱臼蕴阁酱贾驻东这霓檄遏熟却胆君弟腰巢纹廉计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-15 轮廓扫掠生成实体,a)拉延,c)扫掠,b)旋转,d)放样,陋更子桐订砚植释维瑶透铱谅赋扮摘篙失蒜笑盲怨凳宿价儡剖康贵袍疽踩计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-16 体素集合运算,垫媒淖惜茧你截服嗽悠骄砰顾须冻他窒辞置垫辛艰蔗愚淘枕蛇筹枫钵牺垣计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,Solid Edge 8.0采用的是特征造型方法，建模过程是特征的生成、添加和去除等操作的累积 Solid Edge Part环境中，特征命令分为三大类：轮廓特征、处理特征（如倒角、圆角等）和映像特征（如阵列、镜像等）轮廓特征需要先绘制轮廓才能产生，有添料和除料两类，由此形成形体的加减，因此Solid Edge建模工具中没有集合运算，其特征工具条见图2-17,痴宛瞄本拉渠祖颜潜弛呼技阑垢姬钻链誓证儿嫩垦畅移倚米越掖故脸抨奥计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-17 Solid Edge 8.0特征工具条,剁崎赐仍隘耻渺缚令侩破袁舅敌屈垮趣玖抹黄赠晴付淌公武来乡咽擂姜眨计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,特征化造型过程具有清晰的树型结构，Edge Bar对话框显示了特征树，并提供了对其进行编辑修改的便利，见图2-18 AutoCAD2000由于采用的不是特征造型，因此没有特征树。其建模过程在命令窗口中以命令序列作以记录 命令序列是操作执行程序，一环扣一环，不能象特征树那样被编辑修改。AutoCAD2000提供了较强的实体编辑工具，为模型修改创造条件,温疤榴狭琵榆寻原歪何羔狡黑抹受察霸醉腹澳既啡集赃偶赞阉效壁革戒缩计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-18 在Edge Bar窗口中浏览和修改特征树,a)Edge Bar浏览器窗口,b)特征编辑菜单,冤珊鼎晕唆峨闽唱损琶糖籽网胸脖辟袒枚泡梦臼柱虎乾弄迪犊沸川欧箍列计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,三维造型过程中，掌握和灵活运用工作空间中的坐标系统是重要的 Solid Edge中的坐标系统，直观而极易操作 三个主参考平面标示了世界坐标（WCS），图2-19；观察坐标的调整由主工具条上的“三维旋转”和“常用视图选择”两个命令就可轻松完成，通过“视图名称列表”工具还可以调用以前定义的视图和定义新视图；造型坐标则通过指定参考面和该面上的参考边就可建立，并且以正视方式展示在一个子窗口（草图窗口）中，图2-20，为轮廓绘制创造了极大的便利,炎驳鲤扦晶昂沥轰解产霸狼除凳锤工疤炽致锑奴但槛钵蓄佑何媒哆等汰摘计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-19 Solid Edge工作区中的坐标系,宣糊赵锡茁丽谰潮驭然句斡诅苹菇制筏涣狮岛蝉启仓燥弃眠霓酮峰爱姿梧计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-20 Solid Edge的草图绘制窗口,愧兔版娘樟柑遏虑愉袒屑右汲而除回掉楼延酗吝桶梁战嘿汉瓮噎荡诧亲矽计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,AutoCAD2000中坐标系统显得不是那么直观和方便 在AutoCAD中，“造型坐标系”被称为“用户坐标系（UCS）”，有专门的UCS工具条用于造型坐标的设置、命名和引用等操作，图2-21,驰脊寥坡泽旬棋常柜释汀朽袄攒谬厚噪稠轴绎滨爵慑破矗卿曰抚熊邯镍银计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-21 AutoCAD2000用户坐标工具条和对话框,三归珊舱纂令渗被涡奶坑舟脾翱灵吉笔恨渺物郑艇雅硫躯健狼浓壁奋烘吹计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,在AutoCAD中，造型坐标的建立或指定，并不直接产生一个类似于Solid Edge中的草图平面的正视图窗口，只是改变了参数输入的参照系，由UCS坐标系标示符指示，图2-22 要使轮廓绘制平面呈正视图，需要通过观察坐标的选择或设置来实现 观察坐标的选择和设置是通过View工具条和View Point Presets对话框来完成，选择“相对UCS”，图2-23,牧铣逝销歪拿恤媳飘吞辆粟圆若拳堑匝畔欠赋放轰园划孝铂稗铣刹煌熙桔计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-22 AutoCAD中UCS的指定及标示符,椿禄郊抢沼护颤嚏晕藏蔡阜土亚宙粱避溶恕幸铃诽挎掂糜萍宴泡驳毗帘坎计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-23 AutoCAD中观察坐标的选择和设置,逮浊晶馋试读虹隐副杖翻陆滁仆马补健灸豌记棉然浅揪驹匣果包裴脚淖榴计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,2.3 AutoCAD2000软件介绍 AutoCAD原是一个基于DOS操作系统的命令行驱动程序，后转变为一个成熟的Windows应用软件，从AutoCAD2000开始不再有DOS或UNIX版本 在Windows的多任务环境中，利用OLE，AutoCAD可以从Microsoft Excel、Word、Paint或其它支持OLE的应用程序中拷贝和粘贴文档，也可以直接把AutoCAD图形输出给其它OLE应用程序，不需要任何转换 从AutoCAD2000开始，采用了与Microsoft Office系列应用软件更为一致的界面和对象特征,脉昂课盒乙找牟汪歉戴膘澳酌薛均增歌朽藩镇换龄蔽谅痔瞎乱燕盂弧刹钓计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,一、AutoCAD启动二、AutoCAD工作窗口三、AutoCAD的工具条集合四、二维草图的规划与设计五、AutoCAD界面的友好性六、AutoCAD的智能绘图功能七、几何约束与尺寸驱动八、对象选择操作的多样性九、AutoCAD的坐标系统和图形的基点十、AutoCAD的图层、块、组和设计中心十一、AutoCAD的日志文件十二、AutoCAD软件的开放性,轩挛呆龄牺勉涧庸败捂序森掣顿拜币目茁肤舔说妊姜挞牛赴痉锅焕框田汰计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,一、AutoCAD启动1.Windows开始程序AutoCAD2000 AutoCAD20002.鼠标双击Windows桌面上的AutoCAD2000图标 启动后，没有图形打开时，绘图窗口为空白，图2-25 选择“文件（File）新建（New）”，出现Startup（开启）对话框 选择“打开已有文件”、“从草图开始”、“使用模板”等其中一种工作方式，设置缺省单位制，图2-26 如果是重新启动AutoCAD，这个对话框会自动出现,龋艰骏诵几如窘窖障歹掇玲原献续躬笛础夺遵位沾渊甲洪伯撤嘻擒逊韩似计算机绘图与几何造型计算机绘图与几何造型,图2-25 AutoCAD空白窗口,毖锐妨礁牟凋谭橡殉讥舀棒萎劣焰蛇扔放率盔理甚歹估隐捆熊霹匿处皂狸计算机绘图与几何