机电一体化毕业设计(论文)《机械制图与AUTOCAD》课程三维图形库的建设.doc
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1、论文 毕 业 设 计(论 文)题目机械制图与AUTOCAD课程三维图形库的建设系别 机电系 专业 机电一体化 班级 姓名 学号 指导教师 日期 2006年 月 日 目 录摘 要3前 言41 什么是CAD52 CAD主要分类,及各自的主要特色63 CAD技术的发展趋势84 三维CAD模型的几种表达方法1141 构造型立体几何表达法(constructive solid geometry,简称csg法)1142 边界表达法(boundaryrepresentation)1143 参数表达法(parameter representation)1144 单元表达法(cell representatio
2、n)125 三维CAD的几大优点136 如何在制图教学中引入三维CAD1461 三维CAD软件的选择146.2 从二维到三维,培养学生的空间想象和构思能力146.3 从三维到二维,提高学生的绘图和识图能力156.4 从实物到二维图纸的生成,培养学生工程制图综合能力157 本人完成的工作178结 论37致 谢38参考文献39摘 要现代化教学已充分认识到多媒体教学的优势。设计手段的现代化,设计范畴的扩大化,设计过程的并行化和智能化,设计和生产的一体化,促使教育及教学模式的改进和创新,将三维实体造型及由三维实体造型生成三视图的技术应用到教学中,能够充分激发学生的空间想象能力, 能在一定程度上减缓了教
3、学仪器的更新频率,节省了一定的办学经费和老师们的备课时间,大大提高课堂授课的效果!关键词:现代化教学 创新 现代设计技术 三维实体造型 生成三视图 空间Abstract Modernization teaching has fully realized to themultimedia teaching superiority. Design method modernization, designcategory magnification, design process parallel andintellectualization, design and production integ
4、ration, urges theeducation and the educational model improvement and the innovation,produces the three dimensional entity modelling and from the threedimensional entity modelling three views the technologies to apply inthe teaching, can fully stimulate students spatial imaginationability, could slow
5、 down the teaching instrument renewal frequency inthe certain degree, has saved the certain school funds and teachersprepared a lesson the time, greatly enhanced the effect which theclassroom taught!Key word: The modernized teaching innovation modern design technologythree dimensional entity modelli
6、ng produces three views spaces前 言 现代化教学和技术创新是21世纪学校和企业竞争的焦点之所在,,而产品创新既是技术创新的主要组成部分,也是技术创新的物化成果和集中体现,同时现代设计技术是实现产品创新的关键。 教学中存在的另一个问题是传统的教学模型更新换代的速度慢,而几十年不变的教学模型已不能满足教学和科技时代不断进步的需要,传统教学模型基本上不能够修改,更换时的问题是新模型或实物成本高,旧模型基本没有再利用的价值。 三维CAD技术在教学中的应用完全可以避免传统教具的缺点,它在具有实物教具直观,容易理解的优点的同时,克服了传统教具的不足,避免了携带困难,模型修改方
7、便,添加新模型的成本低(计算机建模),学生根据自己的理解也可自己和建立新模型,达到降低教学成本,提高教学质量的目的。另一方面,使学生在学习阶段就能不断了解新技术,也为之将来走向社会打下良好的基础。 现代化教学已充分认识到多媒体教学的优势,并使之广泛应用,而三维CAD技术对教学也有很大的帮助!正是因为如此,我做为一个毕业生想要为即将离开的学校做点工作,同时也是为了方便同学们在学习当中三维造型意识的提高,方便老师们在教学当中能够更好的讲授三维方面的知识,我们征得有关老师的同意,参与了了这个精品课程的建设。1 什么是CADCAD即计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD),
8、其概念和内涵正在不断地发展中。1972年10月,国际信息处理联合会(IFIP)在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义:CAD是一种技术,其中人与计算机结合为一个问题求解组,紧密配合,发挥各自所长,从而使其工作优于每一方,并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。CAD是工程技术人员以计算机为工具,对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。人们根据系统功能的要求,用有限的特征来描述设计问题,通过形式化用计算机的数据结构来表达特征,并将用数据结构描述的特征数据存放在数据库之中。这样,设计过程变成了对数据库的处理。这一过程可以看作是建模过程,模型被用来表示实际的
9、或抽象的对象,是对被处理对象进行计算、分析、模拟和研究的基础。因此,模型是实际结构在CAD系统中的具体体现,是计算机认知产品的基础。我们知道,产品和工程结构本身能表现出来的属性(特征)是无限的,但可用的计算机资源、人们的认识知识是有限的,我们只能认知实际结构的部分属性,只能处理产品和工程结构设计的某些方面。2 CAD主要分类,及各自的主要特色 根据模型的不同,CAD系统一般分为二维CAD和三维CAD系统。二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本”等几何元素的集合,系统内表达的任何设计都变成了几何图形,所依赖的数学模型是几何模型,系统记录了这些图素的几何特征。二维CAD
10、系统一般由图形的输入与编辑、硬件接口、数据接口和二次开发工具等几部分组成。 三维CAD系统的核心是产品的三维模型。三维模型是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型,模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信息。计算机三维模型的描述经历了从线框模型、表面模型到实体模型的发展,所表达的几何体信息越来越完整和准确,能解决“设计”的范围越广。其中,线框模型只是用几何体的棱线表示几何体的外形,就如同用线架搭出的形状一样,模型中没有表面、体积等信息。表面模型是利用几何形状的外表面构造模型,就如同在线框模型上蒙了一层外皮,使几何形状具有了一定的轮廓,可以产生诸如阴影、消隐等效果,但模型中缺乏
11、几何形状体积的概念,如同一个几何体的空壳。几何模型发展到实体模型阶段,封闭的几何表面构成了一定的体积,形成了几何形状的体的概念,如同在几何体的中间填充了一定的物质,使之具有了如重量、密度等特性,且可以检查两个几何体的碰撞和干涉等。由于三维CAD系统的模型包含了更多的实际结构特征,使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时,更能反映实际产品的构造或加工制造过程。随着CAD技术的发展和人们需求的不断提高,人工智能等各类技术逐渐融入到CAD系统中,形成了各种基于知识的CAD系统(或智能CAD系统)。知识的应用使CAD系统的“设计”功能和设计自动化水平大大提高,对产品设计全过程的支持程度大大加强
12、,促进了产品和工程的创新开发。单机CAD系统是安装在一台计算机中,进行独立工作的CAD系统。在经济全球化和网络技术高速发展的今天,基于因特网/企业内部网的网络化CAD系统得到高速发展。网络化CAD系统可以在网络环境中由多人、异地进行产品的定义与建模、产品的分析与设计、产品的数据管理和数据交换等,是实现协同设计的重要手段,可为企业利用全球资源进行产品的快速开发提供支持。 专业化CAD应用系统是各专业根据各自的设计需要,利用通用CAD系统提供的二次开发工具或数据接口功能,将各类专业设计技术研制成CAD系统的各类设计工具和知识,从而使设计能直接按照专业设计的方法进行,大大提高了CAD系统的“设计”能
13、力和效率。但这类CAD系统针对具体的专业进行开发,在专业设计方面不具备通用性。3 CAD技术的发展趋势CAD技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用,并已成为企业的现实生产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及,CAD技术的发展趋势主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。一标准化除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外,面向应用的标准构件(零部件库)、标准化方法也已成为CAD系统中的必备内容,且向着合理化工程设计的应用方向发展。传统形式的手画工程图已经有了成熟的国际标准,相互都能理解。而存储在磁盘、光盘上的形形色色的CAD二进制数字记录,要想实现标准化就复杂、困难得
14、多。从80年代中期起,ISO国际标准化组织着手酝酿制订这类标准,称作ISO10303产品数据表达与交换标准,简称STEP。它要涵盖所有人工设计的产品,采用统一的数字化定义方法。由于STEP标准涉及的面非常宽,众口难调,标准的制定过程十分缓慢,存在问题很多。而在我国,CAD应用工程的实施具有更加严密的组织领导体系,而且实际从事CAD应用软件开发的单位相对比较集中,起步比国外晚,不存在要与过去开发的老系统保持兼容问题。如果我国采取主动贯彻STEP积极思想的方针,不纠缠于过分繁琐的技术细节,针对我国的现实需要和技术发展前景,及早统一协调自主开发软件的数据模型,这将有助于推动国内CAD界的学术研究风气
15、,促进CAD软件开发水平的大幅度提高。回顾历史,CAD和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。CAD产品更新频繁。谁家产品的技术思想领先,性能最好,用户最多,主导了市场,谁就是事实上的工业标准。CAD技术的发展不是一种纯学术行为,它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进,永无止境。CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上,为了支持异构跨平台的环境,就要求它应是一个开放的系统,这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。目前标准有两大类:一是公用标准,主要来自国家或国际标准制定单位;另一是市场标准,或行业标准,属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性,而后者以
16、市场为导向,注重考虑有效性和经济利益。后者容易导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验,不少标准化专家已认识到存在的问题,这已经成为进一步制定标准的障碍。因此提出应对传统的标准化工作进行革新。有专家建议标准革新的目标是公用标准应变成工业标准,也就是说革新后仍应以公用标准为基础,不过要从工业标准中吸收其注重经济利益和效率的优点。另外,也有人提出现在制定标准的单位很多,但是标准制定过程却没有标准,这也是标准革新过程中值得考虑的问题。这些观点对我国制定CAD标准也许有所启迪。二开放性CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口9598NT和UNIX平台上,在JavaLINUX平台
17、上也有CAD产品,此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境,甚至这类环境可开发其内核源码,使用户可定制自已的CAD系统。三集成化CAD技术的集成化体现在三个层次上:其一是广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案,推动企业信息化进程。 国际CAD商品系统开发的另一个趋势是在全球范围内优选最成功的功能构件,进行集成。至今最成熟的几何造型平台有两家:Parasolid和ACIS;几何约束求解构件有一家,它的主要产品是2D和3DDCM。我国开发的机械CAD应用系统已经部分采用ACIS和Parasolid平台,这是合理的。但是国际上近
18、来又有一种思潮,要求软件开发自由化,以免受制于一、二家公司垄断性产品的束缚。这就是选用Linux操作系统以及在它基础上开发各种共享软件,开放源程序。我国也在酝酿自主开发因特网、操作系统、以及各种办公的国产化系统。这时,自研制几何造型通用平台和各种功能构件也将提上议事日程,我们要及早做好准备。四智能化设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域,智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看,现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动(包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式)往往是束手无策的。因此,智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合,更要深入研究人类设计的思
19、维模型,并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统,而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势,将对信息科学的发展产生深刻的影响。4 三维CAD模型的几种表达方法 随着CAD技术的发展,出现了许多种三维模型的表达方法,其中常见的有以下几种: 41 构造型立体几何表达法(constructive solid geometry,简称csg法)它采用布尔运算法则(并、交、减),将一些简单的三维几何基元(如立方体、圆柱体、环、锥体)加以组合、变化成复杂的三维模型实体,这种方法的优点是,易于控制存储的信息量,所得到的实体真实有效,并且能方便地修改它的形状。此方法的缺点
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