三维计算机辅助设计教程第一章三维造型技术概述

郑州航院艺术设计系课程名称：计算机辅助三维设计授课专业：工业设计讲授人：宗思生副教授2012年3月《计算机辅助三维设计》课程基本信息（一）课程名称：计算机辅助三维设计（二）学时学分：周4学时，2.5 学分（三）预修课程：无（四）使用教材李启炎主编：《计算机绘图(初级)》（AutoCAD 2000版），同济大学出版社，2001年7月版。

（五）教学参考书（3本以上）1．余强著：《AutoCAD 2005机械制图经典实例教程》，机械工业出版社，2005年3月版。

2．王国业著：《AutoCAD 2008 中文版三维造型实例教程（含1CD）》，机械工业出版社，2008年4月版。

3．刘培晨著：《AutoCAD中文版室内设计图绘制实例教程》，机械工业出版社，2003年1月版。

（六）教学方法：课堂讲授，课堂讨论，提问式教学。

（七）教学手段：多媒体教学，实时操作演示。

（八）考核方式：上机测试。

（九）其它要求：严格考勤，注重学生课堂表现及课堂参与情况，上机练习情况。

2第一章CAD技术概况教学时数：2学时教学目的与要求：通过本章的教学，使学生对计算机辅助设计的基本概念及应用有一个全面概括的了解。

要求学生掌握基本概念。

教学重点：CAD概念，CAD系统的构成。

教学难点：CAD相关概念的比较讲解，使学生透彻理解概念。

教学内容：§1.1 CAD技术的发展史§1.2 CAD系统的构成§1.3 CAD技术的应用§1.4 CAD技术发展展望§1.1 CAD 技术的发展史1．CAD 是什么·20世纪60年代初，美国学者提出CAD（Computer Aided Design）的概念。

以后CAD技术发展与CG（Computer Graphics –计算机图形学）相结合形成一门新学科。

·计算机绘图：由计算机及图形输入/ 输出设备实现图形显示及绘图输出。

是图形学、计算数学、计算机科学结合的结晶，是CAD / CAM 的基础。

《计算机辅助设计（三维）》教学大纲Computer Aided Design （Three Dimensional）学时：36学时学分2理论学时：18学时实验或讨论学时：18学时适用专业：不限课程代码：ZRX019303大纲执笔人：大纲审定人：一、说明（500字左右）1、课程的性质、地位和任务本课程是计算机辅助设计（CAD）的入门课程，面向全校工程类专业学生及非工程类专业中的计算机爱好者，是计算机文化、技术、应用基础教育课程中，对提高就业能力具有重要意义的技能性课程。

通过本课程的学习，使学生了解计算机辅助设计的概念、起源、发展历史和应用现状；熟练操作一种流行的CAD概念设计软件；提供一个表达概念设计的专业工具。

2、课程教学的基本要求本课程是实践性很强的课程，包括课堂讲授和上机实习两个主要环节，这两个环节是相辅相成密不可分的。

课堂讲授分为三个大的部分：介绍计算机辅助设计在本专业上应用的概况，要求覆盖面广、重点突出，对主要的应用方向要做详细介绍；对现有的三维CAD设计软件要介绍其主要功能、特点、主要的优点和不足；讲授CAD概念设计软件的使用方法和操作步骤，演示应用软件的操作使用，讲清操作要领。

上机实习部分指导学生熟悉软件的集成环境，演练操作步骤和要领。

课程设计在教师的指导下，每个学生课下独立完成，能够表达校园中的建筑和环境。

3、课程教学改革本课程在教学过程中将依托精品课程“园林计算机辅助设计”构建的自主学习环境，包括全程教学视频、互动交流论坛等教学资源，尝试学生自主学习与课堂教学的结合，训练学生面对新版软件新增功能时的自学能力。

使学生掌握计算机辅助设计的入门知识、操作步骤和设计技法，提高学生的就业能力。

二、教学大纲内容（一）课程理论教学第一章计算机辅助设计技术概况讲授CAD技术的发展史、系统构成、应用、发展展望。

本章重点、难点：CAD系统的软硬件结构、应用水平。

建议教学方法：在教学方法上力求少而精，重点突出。

第1章UG NX4概述教学提示Unigraphics（UG）是美国EDS公司出品的一套集CAD/CAE/CAM于一体的三维参数化软件系统，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件。

它的功能覆盖了从概念设计到产品生产的整个过程，并且广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等行业领域。

它提供了强大的实体建模技术，提供了高效能的曲面建构能力，能够完成最复杂的造型设计。

除此之外，装配功能、工程图功能、模具加工功能及与PDM之间的紧密结合，使得UG在工业界成为一套无可匹敌的高级CAD/CAM系统。

UG CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。

UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。

该软件不仅具有强大的实体建模、曲面建模、特征建模、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性。

另外，可用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型的数控机床。

如今，UG软件已经发展到了NX系统中的NX4版本，它不仅继承了原有UG版本的强大功能，而且增强了交互性。

本书将以UG NX4版本为基础，详细介绍UG NX4版本的基本模块与操作过程，使读2 UG NX4标准教程者能够快速地掌握UG操作的基本技巧。

下面简单介绍一下UG。

教学重点●UG软件的特点。

●UG NX4的模块。

●UG NX4的产品设计流程。

●UG NX4的基本操作流程。

●UG NX4的系统要求。

●基本界面介绍。

●常用菜单。

●基本操作。

1.1 UG软件的特点UG NX4具有强大的实体造型、曲面设计、虚拟装配和生成工程图等设计功能，在设计的同时可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，从而大大提高了设计可靠性。

第1章了解三维建模人们生活在三维世界中，采用二维图纸来表达几何形体显得不够形象、逼真。

三维建模技术的发展和成熟应用改变了这种现状，使得产品设计实现了从二维到三维的飞跃，且必将越来越多地替代二维图纸，最终成为工程领域的通用语言。

因此三维建模技术也成为工程技术人员所必须具备的基本技能之一。

本章学习目标了解三维建模技术的基本概貌；了解三维建模取代二维制图设计的必然性；了解三维建模技术的发展历程、价值和种类；了解三维建模技术及其与CAD、CAE、CAM等计算机辅助设计技术之间的关系；掌握三维建模的方法。

1.1设计的飞跃——从二维到三维目前我们能够看到的几乎所有印刷资料，包括各种图书、图片、图纸，都是平面的，是二维的。

而现实世界是一个三维的世界，任何物体都具有三个维度，要完整地表述现实世界的物体，需要用X、Y、Z三个量来度量。

所以这些二维资料只能反映三维世界的部分信息，必须通过抽象思维才能在人脑中形成三维映像。

工程界也是如此。

多年来，二维的工程图纸一直作为工程界的通用语言，在设计、加工等所有相关人员之间传递产品的信息。

由于单个平面图形不能完全反映产品的三维信息，人们就约定一些制图规则，如将三维产品向不同方向投影、剖切等，形成若干由二维视图组成的图纸，从而表达完整的产品信息，如图1-1所示。

图中是用四个视图来表达产品的。

图纸上的所有视图，包括反映产品三维形状的轴测图（正等轴测图、斜二测视图或者其他视角形成的轴测图），都是以二维平面图的形式展现从某个视点、方向投影过去的物体的情况。

根据这些视图以及既定的制图规则，借助人类的抽象思维，就可以在人脑中重构物体的三维空间几何结构。

因此，不掌握工程制图规则，就无法制图、读图，也就无法进行产品的设计、制造，从而无法与其他技术人员沟通。

毋庸置疑，二维工程图在人们进行技术交流等方面起到了重要的作用。

但用二维工程图形来表达三维世界中的物体，需要把三维物体按制图规则绘制成二维图形（即制图过程），其他技术人员再根据这些二维图形和制图规则，借助抽象思维在人脑中重构三维模型（即读图过程），这一过程复杂且易出错。

第1章 CAD／CAM技术概论随着CAD／CAM技术的迅猛发展，许多企业已将CAD／CAM技术运用到实际的生产当中，把产品的数字化模型、工程分析、产品设计、数控编程、模拟加工、生产加工等环节融为一体，进行整个生产周期的全方位预测和控制。

本章主要介绍CAD／CAM的基本概念、CAD／CAM 系统的组成和CAD／CAM技术的发展等内容。

1．1 CAD／CAM技术1．1．1 CAD/CAM的基本概念1．CAD(Computer Aided Design——计算机辅助设计)以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、零件装配、装配干涉分析等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。

2．CAE(Computer Aided Engineering——计算机辅助工程分析)以现代计算力学和有限元分析为基础、以计算机仿真为手段，对设计产品进行结构参数、强度、寿命、运动状态及优化性能等方面的工程分析，用于测量与校核产品的可靠性和优化程度。

3．CAPP(Computer Aided Process Planning——计算机辅助工艺过程设计)以计算机为辅助工具，并根据产品的设计信息、要求及产品制造工艺要求，交互地或自动地确定出产品加工方法和方案，例如，进行加工方法选择、工艺路线确定、工序设计等。

4．CAM(Computer Aided Manufacturing——计算机辅助制造)CAM有广义和狭义两种定义。

广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的全过程中的各项活动，包括工艺过程设计(CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、计算机辅助质量检测(CAQ)与分析、产品数据管理(PDM)等。

狭义CAM通常只是指NC程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC 代码生成等。

1．1．2 CAD/ CAM的集成自70年代中期以来，计算机的应用日益广泛，几乎深入到生产过程的所有领域，并形成了很多计算机辅助的分散系统。

浙江大学通识课程计算机三维造型技术基础主讲：蔡娥徐勤雁xqy200812@2009.3.1 了解三维造型1.1 设计的飞跃—从二维到三维1.2 什么是三维造型1.3 三维造型——CAx技术的基础1.4 无处不在的三维造型1.5 三维造型的历史、现在和未来1.6 如何学好三维造型技术2 三维造型技术基础2.1 三维造型相关概念简介2.2 三维造型的种类2.3 曲面造型原理2.4 图形交换标准2.5 三维造型系统组成图形处理基本概念图形对象视图变换与物体变换人机交互线框造型曲面造型实体造型参数化造型特征造型物体的“维”数，就是用来描述物体的自由度数0维物体点线面体1维物体2维物体3维物体图形对象：点、一维的直线和平面曲线二维绘图图形对象：点、线、面、体三维造型“二维绘图”、“三维造型”的“维”不同于物体的“维”：维绘制图形所在的空间的维数原始放大进一步放大旋转软件可以绕任意轴、任意点旋转Freehand 、所有的CAD软件只能在图像平面内旋转MSPaint Photoshop 等1.2.4.3.CAD 软件中涉及的图形对象：点线面体直线：二元一次方程Ax+By+C=0曲线平面曲线空间曲线基本曲线：用方程Ax2+By2+Cxy+Dx+Ey+F=0来表达自由曲线：解析表达；通过给定的控制点控制曲线的形状；Ferguson 曲线、Bazier曲线、B 样条曲线和NUBRS 曲线；相关曲线：通过曲线操作获得与原曲线相关的曲线，如偏置线、投射线、连接线等体的边缘Eage 并不是曲线对象Curve 不能创建、编辑或删除三维造型相关概念——坐标系三维形体透视图生成，坐标原点位于视点位置，某个坐标方向与视线一致。

世界坐标系1显示坐标系2工作坐标系4加工坐标系5视点坐标系3绝对坐标系ABS ，按照产品的结构特点建立，右手图形设备、绘图机、显示器，左手坐标轴的单位：显示器——光栅，绘图机——长度WCS 三维造型过程中为方便工作而定义的坐标系并不影响物体的真实方位和拓扑关系数控加工中机床与工件的坐标系三维造型软件的种类线框造型曲面造型实体造型线架；顶点、边线架上蒙面；几何体的空壳填充材料；点、边、面、体特征造型参数化造型实体造型的方法⏹边界表示法B-rep（Boundary-representations）：通过描述物体的边界来定义和描述几何形体。