计算机辅助设计与制造技术 计算机辅助设计与制造技术-图书信息1

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -图书信息1

书 名: 计算机辅助设计与制造技术

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -内容简介

CAD/CAM是一项能使机械产品设计、制造模式发生深刻变化的高新应用技术，是实施制造业信息化工程的基础和关键。《计算机辅助设计与制造技术》围绕机械产品设计制造的实际需要，全面系统地论述了CAD/CAM技术基本概念、产品数字化造型技术、产品数字化分析与仿真技术、CAD应用系统开发方法、数字化工艺设计技术、CAM技术、PDM技术、现代产品快速开发技术、网络化协同开发技术以及数字化企业等方面的基础理论与技术方法。

《计算机辅助设计与制造技术》内容新颖，注重技术原理、应用方法和应用实例的结合，反映了当今CAD/CAM技术的新进展，融入了作者多年的教学科研成果。《计算机辅助设计与制造技术》可作为机械工程学科专业研究生和高年级本科生的课程教材，亦可作为CAD/CAM系统研究、开发与应用人员的参考书。

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -目录

第1章CAD/CAM技术基础

1.1CAD/CAM技术概述

1.2CAD/CAM技术的基本概念

1.3CAD、CAE、CAPP、CAM及其集成技术

1.4CAD/CAM系统的工作过程与主要任务

1.5CAD/CAM系统的硬件与软件

1.6CAD/CAM技术应用成效

1.7CAD/CAM技术的发展趋势

习题

第2章产品数字化造型技术

2.1产品模型与建模技术的基本概念

2.2三维几何造型的理论基础

2.3产品几何造型方法

2.4三维CAD系统的几何核心

2.5实体造型方法

2.6参数化造型

2.7参数化特征造型技术

2.8产品数据交换标准与接口技术

习题

第3章产品数字化分析、优化与仿真技术

3.1CAE技术构成、现状与发展趋势

3.2有限元分析原理与方法

3.3CAE的应用――铸件凝固过程温度场数值模拟

3.4产品系统仿真技术

3.5产品优化设计技术

3.6数字样机技术

3.7数字化仿真实例――汽车多学科协同优化与仿真

习题

第4章现代产品设计技术殛其CAD应用软件开发方法

4.1现代产品设计

4.2基于知识的工程

4.3基于知识的CAD系统关键技术

4.4基于知识的CAD系统的开发

4.5专业CAD软件开发方法

4.6基于通用平台的CAD专业软件开发方法

4.7基于SolidWorks的三维CAD软件开发方法

4.8CAD软件开发流程与文档资料要求

习题

第5章计算机辅助工艺设计技术

5.1计算机辅助工艺设计技术概况

5.2CAPP系统中的工艺决策与工序设计

5.3网络化CAPP系统的体系结构

5.4CAPP的工艺数据库技术

5.5基于知识的CAPP系统实现技术

5.6CAPP系统的流程管理与安全模型

5.7CAPP系统开发与应用实例

5.8面向远程协同工艺设计的CAPP系统

5.9CAPP技术研究的发展趋势

习题

第6章计算机辅助制造技术与应用

6.1CAM技术概述

6.2数控编程技术

6.3几种常见的NC系统

6.4数控加工过程仿真

6.5FANUC的数控系统简介

6.6SIEMENS数控系统简介

6.7EdgeCAM智能数控编程系统

习题

第7章产品数据管理技术与应用

7.1PDM技术概述

7.2PDM系统的主要功能

7.3产品数据管理系统的实现技术

7.4实施PDM的几项关键技术

7.5PDM技术的主流产品

7.6机械工程图档管理(M-EDM)系统

7.7PDM技术的发展趋势

习题

第8章现代产品快速开发技术

8.1快速响应工程与快速设计

8.2虚拟产品开发与虚拟环境技术

8.3产品虚拟原型技术

8.4反求工程

8.5快速原型制造技术习题

第9章网络化产品协同开发技术

9.1网络化产品协同开发技术及其发展概况

9.2网络化产品协同开发策略与技术支撑平台设计

9.3基于Web服务的远程CAE应用技术

9.4网络化产品协同制造系统共享管理技术

习题

第10章企业信息化系统技术的发展与应用

10.1数字化企业的特点

10.2数字化企业的组成

10.3CIM的概念与现代集成制造系统

10.4CIMS工程的设计与实施

10.5制造业信息工程技术与系统

习题

参考文献

……

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -图书信息2

书名：计算机辅助设计与制造技术

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -内容简介

CAD/CAM是一项知识密集、多学科交叉、综合性强、应用范围广泛的高新技术，是制造业信息化工程的核心内容之一。本书结合数字化设计制造技术的最新发展和应用需要，论述了CAD/CAM技术概况、CAD/CAM系统软硬件组成、图形处理、数字化实体建模、3D装配建模技术、CAE/CAPP/CAM技术以及CAD/CAM集成等方面的理论、技术与方法，分析论述了CAD/CAM应用软件二次开发技术以及CAD/CAM系统规划与实施方法等内容。本书注重技术原理、应用方法和常用CAD/CAM软件系统（SolidWorks、Nastran、开目CAPP和MasterCAM）的结合，突出教学内容的实用性。本书不同章节的组合可满足机械工程学科专业本科教学不同学时的需要，亦可供从事CAD/CAM系统研究、开发与应用的工程技术人员参考。

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -前言

计算机辅助设计与制造（computer aided design and manufacturing, CAD/CAM）是一种以计算机为核心的数字信息处理系统与工程技术人员协同作业进行产品设计和制造的先进技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM技术的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，对制造业的生产模式和人才知识结构产生重大的影响，并由此奠定了制造业信息化工程的基础。经过几十年的应用发展，不仅CAD/CAM系统本身已形成规模庞大的产业集群，而且显著促进了制造业产品设计制造迈向了数字化、网络化、智能化和全球化的新时代，也为制造业带来了巨大的经济社会效益。目前CAD/CAM技术广泛应用于机械、电子、汽车、模具、航空航天、交通运输、工程建筑、军工等各个领域，它的研究与应用水平已成为衡量一个国家技术发展和工业现代化水平的重要标志之一。

毫无疑问，CAD/CAM技术已经成为产品设计制造工作中不可缺少的工具，是机械工程学科领域的一门重要的专业必修课程。对于21世纪的工程技术人员来说，学习并掌握CAD/CAM技术原理及其相应软件系统的应用方法是十分重要的。因此，及时系统地反映CAD/CAM技术原理与典型软件系统的应用方法，满足当前CAD/CAM技术研究、教学和推广应用的需要，是编写本书的基本出发点。

我们认为，CAD/CAM课程教学的主要任务有三个方面：一是使学生学习CAD/CAM技术的基本原理和主要技术方法；二是学习和掌握CAD/CAM的各单元技术、集成技术等关键技术；三是通过典型CAD/CAM软件系统的学习和初步应用，培养学生的CAD/CAM系统工程化应用意识。为此，本书编写的指导思想是：以CAD/CAM技术的共性理论为基础，以机械工程应用为背景，注意突出内容的新颖性和实用性，在论述CAD/CAM的基本原理、关键技术和应用方法的基础上，结合常用CAD/CAM软件系统的应用介绍，方便学生学习从图像处理、三维建模、装配建模、性能分析仿真到数控加工编程所涉及的CAD/CAM技术和软件系统，并通过应用CAD/CAM软件系统来理解和掌握CAD/CAM技术。

本书体系结构与内容安排是：

第1章概述CAD/CAM的基本概念与作用、CAD/CAM技术的产生与发展、用CAD/CAM软件系统实现特定产品的设计和制造的过程。

第2章论述CAD/CAM系统组成与软硬件环境等方面的内容，使学生从整体上了解CAD/CAM的系统组成、CAD/CAM软件环境、硬件配置等。

第3章介绍计算机图形处理技术及其应用，重点是计算机图形学的基本概念、图形标准、图形变换的原理以及常用自由曲线的生成方法。

第4章论述产品数字化造型技术，主要内容是几何模型的基本概念、三维几何造型的理论基础、几何造型方法、三维实体的计算机内部表示、参数化特征造型等技术，介绍运用SolidWorks软件系统进行三维实体造型、产品装配设计、工程图制作的方法。

第5章介绍CAD/CAM系统中装配建模的基本原理、装配建模中的约束技术以及装配建模方法，使学生初步掌握SolidWorks的装配建模技术。

第6章介绍计算机辅助分析技术与应用，重点是有限元分析的基本原理和分析步骤，结合实例介绍了MSC.Patran与MSC.Nastran两种CAE软件平台的使用方法。

第7章论述计算机辅助工艺设计技术，包括CAPP系统组成、工艺决策与工序设计、工艺数据库技术等内容，并以开目CAPP为例介绍CAPP的各功能模块与应用。

第8章介绍数控编程的原理与方法、加工过程仿真以及CAM软件应用技术，以实例讨论了Mastercam数控编程软件系统的实验方法。

第9章论述CAD/CAM集成技术，介绍CAD/CAM集成系统的逻辑结构、产品数据交换标准、产品信息的描述与集成数据模型等内容，重点讨论基于PDM的CAD/CAM集成系统与实例。

第10章讨论CAD/CAM应用软件开发技术，着重介绍基于通用平台的CAD专业软件的开发方法，并以SolidWorks三维软件平台为例讨论专业软件的二次开发技术。

第11章从CAD/CAM系统的需求分析、系统规划、实施步骤、管理体制、应用培训等方面介绍CAD/CAM系统规划与实施方法以及CAD/CAM系统建立案例。

本书由四川大学殷国富教授、广东工业大学袁清珂教授和四川大学徐雷副教授担任主编。其中第1、9章由袁清珂教授编写，第2、3、10章由徐雷副教授编写，第4、5章由井冈山大学胡茶根老师编写，第6章由五邑大学杨铁牛教授编写，第7章由广东工业大学习小英副教授编写，第8章由殷国富教授编写，第11章由四川大学方辉老师编写，全书由殷国富、袁清珂、徐雷统稿。在编写过程中我们参考了许多学者专家的论著和文献资料，谨此致谢。

本书内容新颖，体系合理，注重技术原理、应用方法和常用CAD/CAM软件系统（SolidWorks、Nastran、开目CAPP和MasterCAM）的结合，方便学生通过软件系统的应用来理解和掌握CAD/CAM技术，突出了教材的教学适用性。本书不同章节的组合可满足相关学科本科教学不同学时的需要，亦可供从事计算机辅助设计制造技术研究、开发与应用的工程技术人员参考。由于CAD/CAM技术内容十分丰富，技术发展日新月异，因此书中内容难以全面反映这一领域的全部技术成果，不妥之处在所难免，诚请批评指正。

计算机辅助设计与制造技术

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -目录

目 录CONTENTS第1章 CAD/CAM技术概论1

1.1 CAD/CAM的基本概念与作用1

1.2 CAD/CAM技术的产生与发展2

1.3 CAD/CAM集成系统的应用过程与实例5

习题7

第2章 CAD/CAM系统硬件和软件8

2.1 CAD/CAM系统组成8

2.2 CAD/CAM工作站的硬件设备9

2.3 CAD/CAM系统的软件体系结构11

2.4 常用CAD/CAM软件系统14

2.5 CAD/CAM系统的硬件选型17

2.6 CAD/CAM系统设计原则20

2.7 网络化CAD/CAM系统22

习题22

第3章 计算机图形处理技术及其应用23

3.1 计算机绘图概述23

3.2 图形的概念24

3.3图形系统与图形标准25

3.4 图形变换与处理27

3.5曲线描述的基本原理和方法31

3.6 曲线设计33

3.6.1Bezier曲线33

3.6.2 B样条曲线36

3.7 曲面设计38

习题42

第4章 产品数字化造型技术43

4.1 几何模型的基本概念43

4.1.1 几何模型的信息组成434.1.2 几何造型方法45

4.2 三维几何造型的理论基础48

4.3 三维几何实体造型方法50

4.4 参数化与变量化设计技术55

4.5 特征造型技术58

4.6 基于SolidWorks的参数化特征造型技术60

4.6.1 SolidWorks工作界面及特征管理树61

4.6.2 SolidWorks实体造型62

4.6.3 SolidWorks曲面造型67

4.6.4 特征修改及编辑69

4.6.5 参数化特征造型的应用69

习题71

计算机辅助设计与制造技术目 录第5章 CAD/CAM装配建模技术72

5.1 装配建模概述72

5.2 装配模型73

5.2.1 装配模型的特点与结构73

5.2.2 装配模型的信息组成75

5.2.3 装配树76

5.2.4 装配模型的管理77

5.2.5 装配模型的分析78

5.3 装配约束技术79

5.3.1 装配约束分析79

5.3.2 装配约束规划81

5.4 装配设计的两种方法82

5.4.1 自底向上的装配设计83

5.4.2 自顶向下的装配设计83

5.5 装配建模技术的应用84

5.5.1 SolidWorks装配功能简介85

5.5.2 基于SolidWorks的自底向上的装配设计86

5.5.3 基于SolidWorks的自顶向下的装配设计88

习题91

第6章 计算机辅助分析技术与应用93

6.1 CAE技术构成、现状与发展趋势93

6.2 有限元分析原理96

6.3 CAE的应用97

6.3.1 CAE的主要应用领域97

6.3.2 CAE求解的两类问题98

6.3.3 CAE中的有限元方法98

6.3.4 有限元法的解题流程99

6.3.5 有限元分析的前处理 100

6.3.6 有限元分析的后处理 101

6.3.7 有限元分析软件101

6.3.8 CAE的应用实例102

习题113

第7章 计算机辅助工艺设计技术114

7.1 计算机辅助工艺设计技术概况114

7.1.1 工艺设计的任务与内容114

7.1.2 CAPP概念及发展概况116

7.1.3 CAPP系统组成118

7.2 CAPP系统中的工艺决策与工序设计119

7.2.1 工艺决策内容119

7.2.2 工艺决策技术122

7.2.3派生式CAPP系统124

7.2.4创成式CAPP系统128

7.2.5CAPP专家系统129

7.3 CAPP的工艺数据库技术132

7.3.1 工艺数据库在CAPP中的作用132

7.3.2 工艺数据类型及特点132

7.3.3 工艺数据库设计134

7.4 CAPP系统开发与应用136

7.4.1 CAPP系统开发目标136

7.4.2 CAPP系统开发原则136

7.4.3 开发环境及工具的选择137

7.4.4 CAPP系统开发过程137

7.4.5 CAPP系统功能模块139

7.4.6 开目CAPP简介与应用139

7.5 CAPP的发展趋势145

习题145

第8章 计算机辅助制造技术与应用147

8.1 CAM技术概述147

8.2 CAM系统功能与体系结构150

8.3 数控机床及其编程技术151

8.4 数控语言及数控加工程序的编制155

8.4.1 数控加工程序的结构与格式156

8.4.2 数控加工程序的指令代码157

8.5 数控加工过程仿真技术163

8.6 常用CAM软件系统的功能简介165

8.7 MasterCAM数控编程实例167

8.7.1 MasterCAM的基本功能167

8.7.2 MasterCAM的工作界面167

8.7.3 MasterCAM数控编程的一般工作流程168

8.7.4 MasterCAM数控编程实例168

习题174

第9章 CAD/CAM集成技术176

9.1 CAD/CAM集成技术与方法176

9.1.1 CAD/CAM集成系统的逻辑结构176

9.1.2 CAD/CAM集成系统的总体结构177

9.1.3 CAD/CAM集成的关键技术178

9.1.4 CAD/CAM系统集成的方法179

9.2 产品数据交换标准183

9.2.1 产品数据交换标准的产生与发展183

9.2.2 IGES标准184

9.2.3 STEP标准187

9.3 产品信息的描述与集成数据模型190

9.3.1 集成产品数据模型191

9.3.2 零件信息模型192

9.3.3产品信息模型195

9.4 基于PDM的CAD/CAM集成系统与实例199

9.4.1 PDM的体系结构与功能199

9.4.2 基于PDM集成CAD/CAM系统202

9.4.3 基于PDM集成CAD/CAM系统的开发实例205

习题208

第10章 CAD/CAM应用软件开发技术209

10.1 应用软件开发技术概述209

10.1.1 二次开发的概念、目的和一般原则209

10.1.2 机械CAD软件的二次开发210

10.2 CAD软件开发流程与文档资料要求211

10.3 CAD/CAM应用软件编程基础213

10.3.1 OpenGL标准214

10.3.2 微机平台OpenGL的开发环境215

10.3.3 OpenGL中基本图形的生成216

10.3.4 VC 6.0中OpenGL开发环境配置220

10.4 专业CAD软件开发方法221

10.5 基于通用平台的CAD专业软件开发方法221

10.5.1 CAD 软件二次开发平台的体系结构221

10.5.2 CAD 软件二次开发技术222

10.6 基于SolidWorks的三维CAD软件开发方法224

10.6.1 SolidWorks的对象层次结构224

10.6.2 SolidWorks二次开发的工具225

10.6.3 SolidWorks二次开发的一般过程227

习题233

第11章 CAD/CAM系统规划与实施方法234

11.1 CAD/CAM系统的规划和实施步骤234

11.2 需求分析236

11.3 系统规划和实施步骤239

11.4 CAD/CAM系统的管理体制239

11.5 CAD/CAM系统和应用培训241

11.6 CAD/CAM系统建立案例243

习题248

主要参考文献249

计算机辅助设计与制造_计算机辅助设计与制造技术 -部分章节

第3章 计算机图形处理技术及其应用计算机图形学（computer graphics, CG）在CAD/CAM技术中起着举足轻重的作用。本章介绍有关计算机图形学的基本概念和基础知识，包括图形的概念、图形系统、标准和图形变换(二维图形和三维图形的几何变换)等内容，以及工程上自由曲线的计算机描述、分析、生成的数学原理和处理方法。要求学生了解计算机图形学的基础知识，图形系统与图形标准；掌握图形变换(比例、对称、错切、平移、旋转、复合变换等)的原理和方法；了解常用自由曲线的生成方法及优缺点。 3.1 计算机绘图概述在CAD/CAM工作站中，对象的几何表示是以计算机图形学为基础的。计算机图形学可以定义对象以及不同视图的生成、表示以及处理。对象及不同视图的表示可借助计算机软、硬件以及图形处理设备来实现。计算机绘图技术起源于20世纪50年代，以后随着计算机软、硬件技术的不断进步以及图形处理技术的出现，计算机绘图技术得到迅速发展。1950年，世界上第一台图形显示器“旋风一号”在美国问世，解决了图形处理的问题。1958年美国CALCOMP公司制成滚筒式绘图仪，GERBER公司制成平板式绘图仪，解决了图形输出问题。1963年I.E.Sutherland提出并实现了一个人机交互图形系统(SKETCHPAD系统)，首次使用了Computer Graphics(计算机图形学)这个专用名词，全面揭开了计算机绘图研究的序幕。进入20世纪90年代，计算机绘图技术进入开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期。光栅扫描式大屏幕彩色图像终端、工程扫描仪、静电绘图机等设备的功能已很完善；计算机图形处理发展到三维实体设计；大量有实用价值的图形系统及功能良好的输入、输出设备相继普及、投入使用并获得效益；以微机为基础的计算机绘图系统得到普及应用。计算机图形学的工程应用领域很广。利用计算机图形学，可以增强用户与计算机之间的交互能力。计算机图形学是简化了的可视化输出与复杂数据以及科学计算之间的连接桥梁。一幅简单的图形可以代替大量的数据表格，能够使用户快速解释数量与特性等信息。例如人们能够在计算机上模拟并预测汽车的碰撞问题，模拟减速器在不同速度、载荷和不同工程环境下的性能等。计算机辅助设计与制造技术第3章 计算机图形处理技术及其应用3.2 图形的概念从图形的实际形成来看，可称为图形的有： 人类眼睛所看到的景物；用摄影机、录像机等装置获得的照片；用绘图仪器绘制的工程图；各种人工美术绘图和雕塑品；用数学方法描述的图形（包括几何图形、代数方程或分析表达式所确定的图形）。狭义地说，只有最后一类才被称为图形，而前面一些则分别称为景象、图像、图画和形象等。因计算机图形处理的范围早已超出用数学方法描述的图形，故若要用一个统一的名称来表达各类景物、图片、图画、形象等所表示的含义，则“图形”比较合适，它既包含图像的含义，又包括几何形状的含义。从构成图形的要素来看，图形是由点、线、面、体等几何要素和明暗、灰度、色彩等非几何要素构成的。例如，一张黑白照片上的图像是由不同灰度的点构成的，几何方程x?2+y?2=R?2确定的图形则是用一定灰度、色彩且满足这个方程的点所构成的。因此，计算机图形学研究的图形不但有形状，而且还有明暗、灰度和色彩，这是与数学中研究的图形的不同之处，它比数学中描述的图形更为具体。但它又仍是一种抽象，因为一只玻璃杯与一只塑料杯只要形状一样，透明度一样，从计算机图形学的观点来看，它们的图形是一样的。因此，计算机图形学中所研究的图形是从客观世界物体中抽象出来的带有灰度或色彩、具有特定形状的图或形。在计算机中表示一个图形常用的方法有点阵法和参数法两种。点阵法是用具有灰度或色彩的点阵来表示图形的一种方法，它强调图形由哪些点组成，并具有什么灰度或色彩。例如，通常的二维灰度图像就可用矩阵??P?n×m (3-1) ??表示，其中P?ij (i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, m）表示图像在（x?i, y?j）处的灰度。参数法是以计算机中所记录图形的形状参数与属性参数来表示图形的一种方法。形状参数可以是描述图形形状的方程的系数、线段的起点和终点等；属性参数则包括灰度、色彩、线型等非几何属性。人们通常把参数法描述的图形叫做参数图形，简称为图形；而把点阵法描述的图形叫做像素图形，简称图像。习惯上也把图形叫做矢量图形（vector graphics) ，把图像叫做光栅图形（raster graphics) . CAD系统从发展到现在都保留了以矢量图形的形式存储图形信息的特色，其他的图像软件如Paint和Photoshop, 都以光栅图形的形式存储图形信息。光栅图形与矢量图形的区别可图3.1 矢量图形与光栅图形的对比由图3.1看出。图3.1 (a) 和图3.1 (b）分别是用Word绘制的矢量图形和用Paint绘制的光栅图形，从中看不出它们有多大的区别。但是将图形放大5倍后，如图3.1 (c）和3.1 (d) , 光栅图形变得模糊，而矢量图形可以任意缩放不会影响图形的输出质量。计算机图形学的研究任务就是利用计算机来处理图形的输入、生成、显示、输出、变换以及图形的组合、分解和运算。 3.3 图形系统与图形标准计算机图形系统是CAD/CAM软件或其他图形应用软件系统的重要组成部分。计算机图形系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分包括图形的输入、输出设备和图形控制器等，软件部分主要包括图形的显示、交互技术、模型管理和数据存取交换等方面。对于一个图形应用程序的用户而言，面对的是在特定图形系统环境上开发的一个具体的应用系统。对于一个图形应用程序开发人员而言，一般面对的是三种不同的界面，有三种不同的任务： 一种是设备相关界面，需要开发一个与设备无关的图形服务软件；二是设备无关的系统环境，需要开发一个应用系统支持工具包；三是应用环境，应据此开发一个实用的图形应用系统。 1. 图形系统的基本功能与层次结构一个计算机图形应用系统应该具有的最基本功能有： (1) 运算功能。它包括定义图形的各种元素属性，各种坐标系及进行几何变换等。 (2) 数据交换功能。它包括图形数据的存储与恢复、图形数据的编辑以及不同系统之间的图形数据交换等。 (3) 交互功能。它提供人机对话的手段，使图形能够实时地、动态地交互生成。 (4) 输入功能。它接收图形数据的输入，而且输入方式应该是多种多样的。 (5) 输出功能。它实现在图形输出设备上产生逼真的图形。不同的计算机图形系统根据应用要求的不同，在结构和配置上有一定的差别。早期的图形系统没有层次形式，应用程序人员开发图形软件受系统的配置影响很大，从而导致图形系统的开发周期长，而且不便于移植。计算机图形的标准化进程使得图形系统逐步具有层次概念，并且各层具有标准的接口形式，从而提高了图形应用系统的研制速度和使用效益。图3.2是基于图形标准化的形式而得出的一个图形系统的层次图。API (application programming interface）是一个与设备无关的图形软件工具，它提供丰富的图形操作，包括图形的输出元素及元素属性，图形的数据结构以及编辑图形的各种变换，图形的输入和输出等操作。API通常是用诸如C, Pascal, Fortran等高级编程语言编写的子程序包。语言连接（language binding）是一个十分有用的接口，它使得用单一语言编写的API子程序包能被其他语言所调用。CGI (computer graphics interface）是设备相关图形服务与设备无关图形操作之间的接口，它提供一系列与标准设备无关的图形操作命令。CGI通常直接制作在图形卡上，它的实现一般是与设备相关的。CGM (computer graphicsMetafile）定义了一个标准的图元文件（metafile）格式，用CGM格式存储的图形数据可以在不同的图形系统之间进行交换。基于图3.2所示的标准化应用图形系统的层次结构，CAD应用系统开发人员就可以在对系统环境不甚了解的情况下高效地开发应用系统，同时也便于人们移植已经开发的应用系统，甚至API系统也可以进行移植。同样，只要图形硬件的驱动程序是标准的，CGI系统也可以进行移植。图3.2 图形系统的层次结构 2. 图形系统标准图形系统标准化一直是计算机图形学的重要研究课题。由于图形是一种范围很广而又很复杂的数据，因而对它的描述和处理也是复杂的。图形系统的作用是简化应用程序的设计。由于图形系统较难独立于I/O设备、主机、工作语言和应用领域，因此图形系统研制成本高、可移植性差成为一个严重问题。为使图形系统可移植，必须解决以下几个问题： (1) 独立于设备。交互式图形系统中有多种输入、输出设备，作为标准的通用图形系统，在应用程序设计这一级应具有对图形设备的相对无关性。 (2) 独立于机器。图形系统应能在不同类型的计算机主机上运行。 (3) 独立于语言。程序员在编写应用程序来表达算法和数据结构时，通常采用高级语言，通用图形系统应是具有图形功能的子程序组，以便供不同的高级语言调用。 (4) 独立于不同的应用领域。图形系统的应用范围十分宽广，若所开发系统只适用于某一领域的应用，在其他场合下使用就要作很大的修改，需要付出巨大的代价，为此要求通用图形系统标准应独立于不同的应用领域，即提供一个不同层次的图形功能组。实现绝对的程序可移植性（使一个图形系统不作任何修改即可在任意设备上运行）是很困难的，但只作少量修改即可运行是能够做到的，标准化的图形系统为解决上述几个问题打下了良好的基础。国际上已从20世纪70年代中期开始着手了图形系统的标准化工作。制定图形系统标准的目的在于： (1) 解决图形系统的可移植性问题，使涉及图形的应用程序易于在不同的系统环境间移植，便于图形数据的变换和传送，降低图形软件研制的成本，缩短研制周期。 (2) 有助于应用程序员理解和使用图形学方法，给用户带来极大的方便。 (3) 为厂家设计制造智能工作站提供指南，使其可依据此标准决定将哪些图形功能组合到智能工作站中，可以避免软件开发工作者的重复劳动。图形标准化工作历经十余年，主要收获是确定了为进行图形标准化而必须遵循的若干准则，并在图形学的各个领域（如图形应用程序的用户接口、图形数据的传输、图形设备接口等）进行了标准化的研究。从目前来看，计算机图形标准化主要包括以下几个方面的内容： (1) 应用程序员接口API标准化。ISO提供三个标准，它们是GKS, GKS 3D和PHIGS. (2) 语言连接规范，诸如Fortran, C, Ada, Pascal与GKS, GKS 3D, PHIGS的连接标准。 (3) 计算机图形接口的标准化，包括CGI, CGI-3D. (4) 图形数据交换标准。在这方面引入了元文件概念，定义了CGM, CGM-3D标准。在不久的将来，操作员接口（operater interface）和硬件接口（harder interface）的标准化将成为图形标准化研究的目标。同时，图形数据交换的标准将演变为集文字、图像、语言和图形为一体的多媒体信息交换标准。 3.4 图形变换与处理图形变换是计算机图形学的基础内容之一，指将图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形。例如，图形投影到计算机上，通常人们希望改变图形的比例，以便更清晰地看到某些细节；也许需要将图形旋转一定角度，得到对象的更佳视图；或者需要将一个图形平移到另一位置，以便在不同环境中显示。对于装配体的动态运动而言，在每一运动中需要不同的平移和转动。通过图形变换也可由简单图形生成复杂图形，可用二维图形表示三维形体。图形变换既可以看做是图形不动而坐标系变动，变动后该图形在新的坐标系下具有新的坐标值；也可以看做是坐标系不动而图形变动，变动后的图形在坐标系中的坐标值发生变化。而这两种情况本质是一样的，两种变换矩阵互为逆矩阵。本节所讨论的几何变换属于后一种情况。对于线框图形的变换，通常是以点变换为基础，把图形的一系列顶点作几何变换后，连接新的顶点序列即可产生新的变换后的图形。连接这些点时，必须保持原来的拓扑关系。对于用参数方程描述的图形，可以通过参数方程几何变换，实现对图形的变换。 1. 变换矩阵一个对象或几何体可以用位于若干平面上的一系列点来表示。设矩阵C?old表示一组数据，现在定义一个操作数T，使其与矩阵C?old相乘而得到一个新矩阵C?new即??C?new=TC?old (3-2) ??其中，T称为变换矩阵。该矩阵可以是绕一点或轴的旋转、移动至指定的目的地、缩放、投影，或者是这些变换的组合。变换的基本原则是矩阵相乘，但是只有当第一个矩阵的列数与第二个矩阵的行数相等时，这两个矩阵才能进行相乘。 2. 齐次坐标在图形学中，在实现图形变换时通常采用齐次坐标系来表示坐标值，这样可方便地用变换矩阵实现对图形的变换。所谓齐次坐标表示法就是由n+1维矢量表示一个n维空间的点。即n维空间的一个点通常采用位置矢量的形式表示为P (P?1 P?2… P?n) ，它唯一地对应了n维空间的一个点。此时点P的齐次坐标表示法为P (hP?1 hP?2 … hP?n h) ，其中h≠0。这时h的取值不同，一个n维空间位置的点在n+1维齐次空间内将对应无穷多个位置矢量。从n维空间映射到n+1维空间是一对多的变换。在图形学中，如&#91;12 8 4&#93;, &#91;6 4 2&#93;, &#91;3 2 1&#93;均表示&#91;3,2&#93;这一点的齐次坐标。当取h=1时，空间位置矢量称为齐次坐标的规格化形式。图3.3 规格化三维齐次坐标系的几何意义例如对二维空间直角坐标系内点的位置矢量&#91;x y&#93;用三维齐次空间直角坐标系内对应点的位置矢量&#91;x y 1&#93;表示。在图形变换中一般都选取这种齐次坐标的规格化形式，使正常坐标和齐次坐标表示的点一一对应，其几何意义是将二维平面上的点(x, y)移到三维齐次空间h=1 的平面上。从图3.3可以看出规格化三维齐次坐标的几何意义。在图形变换中引入齐次坐标表示的好处： (1) 使各种变换具有统一的变换矩阵格式；并可以将这些变换结合在一起进行组合变换，同时也便于计算。例如二维、三维的变换矩阵分别为??二维： T?2?D?=adg beh cfi 三维: T?3?D? =a?11a?12a?13a?14 a?21a?22a?23a?24 a?31a?32a?33a?34 a?41a?42a?43a?44?? (2) 齐次坐标可以表示无穷远点。例如n+1维中，h=0的齐次坐标实际上表示了一个n维的无穷远点。对二维的齐次坐标&#91;a b h&#93;，当h→0，表示了直线ax+by=0上的连续点&#91;x y&#93;逐渐趋近于无穷远的点。在三维情况下，利用齐次坐标可以表示视点在世界坐标系原点时的投影变换，其几何意义会更加清晰。 3. 坐标系从定义零件的几何形状到在图形设备生成相应图形，一般都需要建立相应的坐标系来描述图形，并通过坐标变换来实现图形的表达（见图3.4) 。按形体结构特点建立的坐标系统称为世界坐标，多用右手直角坐标系。图形设备、绘图仪、显示器等有自己相对独立的坐标系，用来绘制或显示图形，通常使用左手直角坐标系。坐标轴的单位与图形设备本身有关，例如图形显示器使用光栅单位，绘图仪使用长度单位。在三维形体透视图的生成过程中，还需要使用视点坐标系，它也是一个左手直角坐标系，坐标原点位于视点位置，该坐标的一个坐标方向与视线方向一致。图3.4 常见的三种坐标系 4. 二维图形变换假设二维图形变换前点的坐标为&#91;x y 1&#93;，变换后为&#91;x?* y?* 1&#93;；同理，三维图形变换前点的坐标为&#91;x y z 1&#93;，变换后为&#91;x?* y?* z?* 1&#93;. 二维图形几何变换矩阵可用下式表示： ??&#91;x?* y?* 1&#93;=&#91;x y 1&#93;T?2D (3-3) ??其中，T?2?D?=adg beh cfi, ad be对图形产生缩放、旋转、对称、错切等变换；cf对图形进行平移变换；g h对图形进行投影变换: X轴在l/g处产生一个灭点，Y轴在l/h处产生一个灭点；&#91;i&#93;对整个图形作伸缩变换。常用的几种变换矩阵如表3.1所示。表3.1 典型二维图形变换矩 阵说 明变换名称示 意 图100 010 001定义二维空间的直角坐标系；&#91;1 0 0&#93;表示X轴的无穷远点；&#91;0 1 0&#93;表示Y轴的无穷远点；&#91;0 0 1&#93;表示坐标原点恒等变换100 010 T?xT?y1沿X轴平移T?x，沿Y轴平移T?y平移变换S?x00 0S?y0 001S?x=S?y=1时,为恒等变换； S?x=S?y>1时,为X,Y方向等比例放大； S?x=S?y<1时缩小； S?x≠S?y时，各方向不等比例缩放比例变换ad0 be0 001b=d=0,a=-1,e=1Y轴对移变换b=d=0,a=1,e=-1X轴对称变换b=d=0,a=e=-1原点对称变换b=d=1, a=e=0Y=X对称变换b=d=-1,a=e=0Y=-X对称变换 ?cos??θ?sin??θ0 -?sin??θ?cos??θ0 001θ为XOY平面中逆时针为正计数的角度旋转变换1d0 b10 001d=0, b≠0,沿X方向错切； d≠0,b=0,沿Y方向错切； d≠0,b≠0,沿X,Y两方向同时错切错切变换5. 组合变换在许多CAD处理中，要通过组合变换对某些几何体实施一系列的变换。这样做的优点是通过完成一定数量的矩阵相乘来得到所希望的图形。例如，除了需要绕原点旋转?θ?角度外，有时需要将指定的几何体绕空间任意一点旋转。如果分析只限制在二维空间，旋转首先移动几何体，使其中心与原点重合（应用表3.1中的平移矩阵），然后将对象绕原点进行相应的旋转（应用表3.1中的旋转矩阵）。完成旋转后，再将几何体（对象）平移回原位置。实际上，绕一点旋转只是假象情况，在数学上行不通，这是因为不可能将一个对象绕一点旋转，在二维中，旋转点实际上表示的是压缩后的Z轴。因此，绕一点旋转实际上是绕Z轴旋转，只是在XY平面上观察几何体。 6. 三维图形变换三维图形几何变换矩阵可用下式表示： ??&#91;X?* Y?* Z?* 1&#93;=&#91;X Y Z 1&#93;T?3D (3-4) ??其中，T?3?D?=a?11a?12a?13a?14 a?21a?22a?23a?24 a?31a?32a?33a?34 a?41a?42a?43a?44; a?11a?12a?13 a?21a?22a?23 a?31a?32a?33产生比例、旋转、错切变换；&#91;a?41 a?42 a?43&#93;产生平移变换；a?14 a?24 a?34产生投影变换；&#91;a?44&#93;产生整体比例变换。常用的几种三维图形变换矩阵列于表3.2，其中省略了变换的示意图，可参见二维变换。在三维变换中也列出了三维形体的投影变换矩阵。所谓投影变换就是把三维物体转变为二维图形的过程。表3.2 常用的三维图形变换矩 阵说 明变 换 名 称1000 0100 0010 T?xT?yT?z1沿X轴移动T?x；沿Y轴移动T?y；沿Z轴平移T?z. T?x=T?y=T?Z时，为恒等变换矩阵，代表三维空间坐标系，意义同二维平移变换S?x000 0S?y00 00S?z0 0001沿X轴方向缩放S?x倍；沿Y方向缩放S?y倍；沿Z轴方向缩放S?z倍比例变换1 000 0 ?cos??θ?sin??θ0 0-?sin??θ?cos??θ0 0 001绕X轴旋转角度θ，以右手螺旋方向为正X轴旋转变换续表矩 阵说 明变 换 名 称?cos??θ0-?sin??θ0 0100 ?sin??θ0?cos??θ0 0001绕Y轴旋转角度θ，以右手螺旋方向为正Y轴旋转变换?cos??θ?sin??θ00 -?sin??θ?cos??θ00 0010 0001绕Z轴旋转角度θ，以右手螺旋方向为正Z轴旋转变换-1000 0000 0100 a-t?xb-t?z01正投影到XZ平面中，并且沿X和Z方向移动t?x, t?z以便观察，中心在（a, b）处主视图-1000 0-100 0000 a+t?xb+t?y01正投影到XY平面中，并且沿X和Y方向移动t?x, t?y以便观察，中心在（a, b）处俯视图0000 1000 0100 a+t?yb+t?z01正投影到YZ平面中，并且沿Y和Z方向移动t?y, t?z以便观察,中心在（a, b）处侧视图 ?cos??θ0-?sin??θ?sin??φ0 -?sin??θ0-?cos??θ?sin??φ0 00?cos??φ0 0001θ是立体绕Z轴正转角度；φ是立体绕X轴逆转角度。θ=45?. ?, φ=35?. ?15′时为正等测变换；θ=45?. ?, φ=19?. ?28′时为正二测变换正轴测投影变换 10 00 -0.35350-0.35350 00 10 00 01沿Y轴缩短0.5，轴测轴Y与水平线夹45. 斜二测投影变换1000 0100 -x??c?z??c?-y??c?z??c?0-1z??c? 0001视点为P??c? (X??c?,Y??c?,Z??c?) ，投影平面为XOY，形体上一点P (X,Y,Z）投影为（X??s?,Y??s?) 一点透视投影变换3.5 曲线描述的基本原理和方法工程上常用的曲线有两种类型： 一种是规则曲线，另一种是自由曲线。常用的规则曲线有圆锥曲线、摆线和渐开线等，这些曲线都可以用函数或参数方程来表示。有了这些函数方程，很容易应用计算机来显示和画出它们。自由曲线通常是指不能用直线、圆弧和二次圆锥曲线描述，而只能用一定数量的离散点来描述的任意形状的曲线。在实际应用中往往是已知型值点列及其走向和连接条件，利用数学方法构造出能完全通过或者比较接近给定型值点的曲线(曲线拟合)，再计算出拟合曲线上位于给定型值点之间的若干点(插值点)，从而生成相应的参数曲线。本节将讨论自由曲线的计算机描述、分析、生成的数学原理和处理方法。 1. 造型空间与参数空间坐标系统造型空间是指曲面、曲线等几何实体存在的三维空间。我们可通过坐标系由数学模型来精确地描述几何实体。如图3.5所示，对于曲线上每一位置点图3.5 曲线的造型空间和参数空间的 (x, y, z）坐标都可由一个单变量u的方程来定义。对于曲面上任意位置点的（x, y, z）坐标都可由一个双变量u和v的方程来定义。参数域上的一对值（u, v）产生曲面上的一个三维点。 2. 曲线的数学描述方法 1) 参数曲线和参数曲面曲线和曲面可以用隐函数、显函数或参数方程来表示。用隐函数表示曲线和曲面不直观、作图也不方便，而用显函数表示又存在多值性和斜率无穷大等问题。因此，隐函数和显函数只适合表达简单、规则的曲线和曲面（如二次圆锥曲线）。自由曲线和自由曲面多用参数方程（parametric representation）表示，相应地被称为参数曲线（parametric curve）或参数曲面。空间的一条曲线可以表示成随参数u变化的运动点的轨迹（见图3.5) ，其矢量函数为??P(u)=P (x (u) , y (u) , z (u) ) u∈&#91;0, 1&#93; (3-5) ??其中，&#91;0, 1&#93;为参数域，在参数域中的每一个参数点都可以通过曲线方程计算出一个曲线空间点。 2) 曲线次数样条曲线中的每一段曲线都由一个多项式来定义，它们都有相同的次数，即样条曲线的次数。曲线的次数决定了曲线的柔韧性。次数为1的样条曲线是连接所有控制顶点的直线段，它至少需要2个控制顶点。2次样条曲线至少需要3个控制顶点，3次样条曲线至少需要4个控制顶点，以此类推。但高于3次的样条曲线有可能出现难以控制的振荡。对于各系统中，B样条曲线的默认次数为3次，这能够满足绝大多数情况的需求。 3. 几何设计的基本概念在自由曲线和曲面描述中常用三种类型的点，它们是： (1) 控制点，用来确定曲线或曲面的形状位置，但曲线或曲面不一定经过该点； (2) 型值点，用于确定曲线或曲面的位置与形状，并且经过该点； (3) 插值点，为提高曲线或曲面的输出精度，在型值点之间插入的一系列点。设计中通常是用一组离散的型值点或控制点来定义和构造几何形状，且所构造的曲线和曲面应满足光顺的要求。这种定义曲线和曲面的方法有插值、拟合、逼近、光滑、光顺等。

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