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机械工程CAD基础 机械工程CAD基础 第3章 机械工程CAD图形学基础 计算机图形学是研究在计算机上对图形图像进行生成(creating)、构造(constructing)、变换(transform)、显示(display)、修改(modify)、编辑(edit)、更新(update)和管理(manage)的科学。 无论实际二维(2D)、三维(3D)图形多么复杂，从构成层次来讲，可归纳为点、线、面、体四个层次。二维图形无论多么复杂，其基本构成要素为线段、圆、圆弧、样条曲线和文本。 三维图形（实体零件和装配体)从构筑方法来讲，分两种：一种是“从顶向下”的方法，实体由基本体素(标准体素primitive)经过布尔运算(交、并、差)生成，即构造实体几何法(CSG)，另一种是“从底到顶”的方法，按点(point)——线架(wireframe)——截面(section profile)——实体和曲面(solid surface)顺序构成，即边界表达方法(Brep)。 3.1 图形分类与图形标准 对人类而言，“一幅图胜过万语千言”，人擅长的是形象的直观的思维(识别、判断、选择)，而计算机则本质上是一个0、1二进制机器，长处在于数值运算快、存贮量大、表达精确，便利检索，因此作为人机结合的交互式工程CAD软件，在计算机内进行的是0、1数值运算与存贮操作，而对外则必须化为图形方式输入与输出、显示。扫描仪的输入，显示器、打印机的输出是光栅点阵图形(image)、绘图机输出的是线画矢量图形(vector)。 点阵图生成处理简单容易，但不便检索修改，存贮量大，矢量图则便于修改检索和参数化，数据库存贮量少，但处理复杂。计算机图形学研究的就是点阵图、矢量图与数值的相互关系和变换。对于工程设计师和工程分析师而言，重点是矢量图形，点阵图形主要应用于数字图像处理和艺术动画仿真制作。 1. 矢量图分类 2. 点阵图分类: 3. 图形标准及软件中的分类 由于设计工程师们从事的领域不同，如机械、结构、建筑、艺术、电气、液压、土木等，以及图形设备种类不同，对图形分类就千差万别，尤其在子类图形分类上。为此提出了图形分类与表达的标准化问题。 20世纪80年代以来，国际标准化ISO组织先后宣布了GKS、GKS3D、PHIGS、CGI、IGES、STEP图形标准。另外Autodesk公司的DXF亦成为事实上的工业图形交换标准。 1) GKS图形标准把图形分为六个类别。 多点折线polyline 多点记号polymarker 文本text 填充区fillarea 像元阵列cellarray 广义图形元素GDP 2) AutoCAD把图形分成以下几类来绘制: 点Point，可绘记号marker，可以是3D点。 线段Line，可以是3D线。 圆Circle，提供6种画圆方式。 圆弧Arc，提供11种画圆弧方式。 多义线Pline，画线、圆弧、样条及其组合。 文本Text 轨迹Trace 实心面Solid 块Block 属性Attribute 尺寸Dimension 阴影线图案Hatch 形shape 三维面3DFace 三维网3DMesh 规则曲面 3) I-DEAS Drafting把图形分成以下几类绘制: 点point 线段line 圆circle 圆弧arc 椭圆ellipse 矩形rectangle 样条spline 文本annotation 尺寸dimension 符号symbol 3.2 工程问题的图形建模 三维数字几何CAD模型是现代工程CAD软件的基石之一。有了三维数字几何CAD模型，不仅可以通过投影变换、截面操作生成各种工程视图，大大提高工程视图的生成质量和生成效率，减少设计错误；而且可以实现零件虚拟装配仿真、爆炸图生成和干涉检验。 而且在三维数字几何CAD模型基础上若增加附带的材料、网格、节点、载荷、约束、求解器等物理信息，就成为CAE模型，为有限元分析前、后处理奠定基础；若增加刀具、夹具、机床、加工轨迹等加工环境信息，就构成CAM模型，为虚拟加工、快速成型制造提供条件。 三维CAD模型也是空间场分析、结果可视化、CV模型的基础。各种物理场的分析结果（温度、压力、速度、位移、应力、应变等）可视为附着在三维场几何模型上的一种外观属性，希望显示成便利肉眼判读的诸如颜色、箭头、流线、流锥等图形化信息。 三维CAD模型还是虚拟现实技术VR模型的基础，三维对象与场景建模的核心在于以三维几何CAD模型为基础，增加立体视觉、纹理、分形、光照、材质贴图等技巧，增加声音等多媒体素材以加强三维临场感。 现实的世界和物体（零件、机器）是三维的，采用工程图纸绘制、画法几何和制图理论表达是因为过去一直缺乏缺少强有力的表达工具。计算机二维绘图把工程设计技术人员从重复烦琐