第4讲 二维CAD系统及开发技术简介

2、简要了解二维CAD系统开发方法及过程
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4.1、二维CAD系统功能需求分析
想一想：从机械工程专业学生的角度考虑，
二维机械设计CAD软件需要什么功能才能最好的满足 工程设计人员的需求。
对二维机械CAD系统的功能基本要求：
集设计、计算与绘图于一体，实用化程度高； 符合国家有关机械设计的标准；
约束技术 Constraint
约束技术是指交互输入过程中施加特定约束限制条件进
行图形交互，如绘制水平线、垂直线、平行线、相切线， 给定长度、距离等。 CAD中的参数化技术是最常见的约束交互技术。
网格技术 Grid
网格是另一类约束技术，它强迫输入点落在屏幕的坐
标网格交点上。坐标网通常以线网或点阵网显示在屏
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2）图形交互技术
交互技术的出现使得图形系统能提供各种不同的交互功能，使用户能方便、 高效地完成传统方法做起来较为困难的工作。
常用的交互技术有：对话框、橡皮筋技术、约束技术、网格技术、引力场技
术、拖动技术、操作柄技术、菜单技术等。
对话框技术 Dialogue Box
用户常常需要从一个选择集中选择多个元素。 菜单技术不适合多选，如弹出式菜单在选择 后就消失。 对话框可以解决上述问题。对话框在确认关 闭前一直可见。此外，对话框允许用户从多 个选择集中作选择，可以提供输入文本和数 值的区域，在用户确认之前都可以修改，并 经用户确认后才消失。
曲线拾取：曲线在显示输出时，己离散成小直线段集，故曲 线拾取的算法与某一直线段拾取的算法类似。
封闭区域拾取：依次判别多边形边界上每条线段的显示域是 否包含拾取点，如果该图案的某一条边界线段满足拾取条件， 则对该区域的拾取成功。 华中科技大学CAD中心
3）菜单技术 Menu
菜单是程序提供用户进行命令和操作选择的可选操作表，其技术的特点是：
幕上，该技术既可用于画线，也可用于定位。 网格可取同等间隔并且覆盖整个屏幕，也可以使用部 分网格以及在不同屏幕区域有不同大小的网格。 华中科技大学CAD中心
拖动技术Drag 拖动就是将形体在空间移动。选择拖动功能 后，先在作图区用定位设备拾取某个要拖动 的物体，再按住键移动光标，则这个被拾取
的物体将随着光标的移动而移动。



直线、圆弧、曲线、字符及其它组合图形的建模、生成与显 示算法等 图形基本算法：如填充算法、裁剪算法、曲线离散、求交计 算等 关键在于：效率和稳定性
2）基础算法库

基本数学运算：如矢量计算、矩阵运算、方程求解、插值计 算、优化方法等 度量、物性计算：如长度、角度、距离、面积、质量等 几何验证算法：如是否平行、垂直、相交、干涉及包容性等 判断检验等
4）内存管理技术
内存的分配、访问、碎片收集整理 关键在于访问效率，大内存的管理，避免内存泄露 开发工具的选择
内存管理对系统影响巨大，直接运行影响效率 例如：部分软件运行多次后，速度明显变慢，必须重新启 动计算机 目前，unix操作系统仍然比windows稳定，其内存管理和 系统资源管理更稳定（当然windows历史更短一些）。
差标注，国标符号标注。
专业符号工具：常用机械设计符号、焊接符号、液压符号、电器符号、设
备符号、飞机设计专业符号、汽车设计专业符号等。
协同管理工具：网络连接通信服务，设计提交、发布、交流讨论、图形浏 览、远程访问PDM数据库。 华中科技大学CAD中心
4.4、CAD系统图形交互技术（选）
CAD系统图形交互技术必要性： 在现代设计过程中，工程师们经常使用CAD/CG系统，把自己的设计构思通 过交互设备输入到计算机中，计算机经计算、处理、显示等过程把工程师 输入的设计方案反馈给工程师，如此反复输入、反馈、修改，直到满意为 止。在这个过程中，工程师和计算机之间不断交换信息，完成交互任务， 称为人机交互。交互技术也是CG&CAD的一个重要组成部分。 人机交互技术的发展 人机交互使用的设备主要有键盘、显示器、鼠标、各种模式识别设备等。早 期的人机交互通过键盘输入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通
鼠标（Mouse） 跟踪球（Trackball） 操纵杆（Joystick） 数字化仪（Digitizer） 触摸板（Touch Panel） 光笔（Light Pen） 数据手套（Data Glove） 扫描仪（Image Scanner） 数码相机（Digital Camera） 华中科技大学CAD中心
（1） 可清楚地在屏幕上显示出可供用户选择的全部选项，就像餐厅点菜的
菜单一样，一目了然。 （2） 可以防止用户选择在范围以外的项目，解决了错误命令问题。 （3） 菜单很灵活，可以改变内容。 大多数图形系统都采用了菜单结构，菜单可是字符串，也可是图标（如工具 条），由用户通过选择设备进行选择利用鼠标、光笔、触摸屏等输入设备可以 实现菜单选择功能。
全汉化界面、多级弹出式菜单、图标菜单及对话框等接口形式；
提示醒目，操作简单，容错能力强，适合从事机械设计的人员使用。
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二维CAD系统具体功能需求如下：
各种辅助工程绘图 零件计算与分析 汉字标注 装配图自动消隐和明细表自动生成 基于尺寸驱动的参数化设计 交互式参数化零件建库工具 智能尺寸标注与符号标注 参数化标准件、常用件、夹具零件库 简图符号库 多种信息查询 图号编码与管理 ……
对话框图示
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橡皮筋技术 Rubber Band 橡皮筋技术画直线就是在起点确定后，光标移动定终点时，在屏幕上始终显 示一条连接起点和光标的直线，该直线随光标位臵移动而变动，就像在起点 和光标间紧紧地拉着一根橡皮筋。该方法也可画圆弧、矩形等。
想一想：橡皮条技术如何通过画线方式实现的。
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参数化管理工具
（ 1）约束定义工具：如共点、共线、共面、平行、垂直、距离、角度等 （ 2）约束求解算法：约束分解、求解序列规划、数值求解、推理求解等 （ 3）变量驱动管理（变量表） 目前参数化求解技术大致可分为如下三种方法： （1）基于几何约束的数学方法，又分为初等方法（Primary Approach）和 代数方法（Algebraic Approach） ； （2）基于几何原理的人工智能方法； （3）基于特征模型的造型方法。 华中科技大二次开发接口技术
提供通用的调用接口函数，便于模块化，节省代码量，便于维护和扩充 关键在于平台的无关性、兼容性、可移植性 外部接口的稳定性更难以控制
6）通用图形库技术
提供通用的图形库定义机制（多用模板机制），便于构建标准件库、常
用零件库、用户自定义库等工具
关键在于：图形库定义、添加、修改、删除等维护机制，通常采用数据

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4.2、二维CAD系统体系结构
专业化应用CAD软件
尺寸 标注 工具 专业 符号 工具 标准 件库 工具 查询 管理 工具 协同 管理 工具 设计 计算 工具 工艺 设计 工具
专用层
专业应用开发工具
基 本 图 形 定 义 基 础 算 法 库 参 数 化 管 理 交 互 界 面 工 具 图 形 库 管 理 图 形 编 辑 管 理 图 形 显 示 管 理 文 件 输 入 输 出 内 存 数 据 管 理 二 次 开 发 接 口
Undo、Redo操作
图形拾取操作
图形拾取是交互技术的重要内容之一。在交互式图形系统中，图形的增、删、 改等操作都是以拾取图形或拾取图形的某一位臵点为基础。拾取图形的速度 和精度又极大地影响着交互系统的质量。 点拾取：点的显示域是以该点为圆心，r为半径的圆形域，r 是 系统捕捉精度。鼠标位臵落在此区域即拾取成功。 直线拾取：判断鼠标位臵是否落在直线段的包容盒之内，且 到直线段的距离是否小于等于系统设定精度。
通用层 支撑层 数据层
Windows、TCP/IP协议、DBMS
数据库
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4.3、二维CAD系统关键技术
1）基本图形生成（图形学）
2）基础算法库（数学算法库）
3）参数化技术 4）内存管理技术
5）二次开发技术
6）通用图形库技术 7）数据交换接口技术
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1）基本图形生成（图形学）
第 4讲
二维CAD系统及开发技术简介
4.1、二维CAD系统功能需求分析 4.2、二维CAD系统体系结构 4.3、二维CAD系统关键技术 4.4、CAD系统图形交互技术（选） 4.5、二维CAD系统开发简介 4.6、 AutoCAD二次开发简介
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本章目的
1、了解二维CAD系统组成及体系结构
2）逻辑输入设备
图形系统使用逻辑输入设备的概念来减少系统对物理设备的依赖性，提高
系统的独立性和灵活性。
虽然每种逻辑输入设备的功能都可以用多种图形输入设备来实现，但是有 些输入设备却比其它设备更加方便地完成特定的逻辑输入功能。比如说， 鼠标和数字化仪擅长于定位，键盘可以方便地输入字符串，光笔适合在屏 幕上拾取图形。 定位设备（Locator Device） 定位设备用来输入位置坐标，如鼠标等 笔划设备（Stroke Device） 输入一系列坐标，是定位设备的连续调用
字符串设备（String Device） 用来输入一串字符。键盘、手写体识别 等 定值设备（Valuator Device） 用于输入数值。如标尺、刻度盘等
选择设备（Choice Device） 拾取设备（Pick Device） 从选择集中挑选出一个元素，如功能键 用来拾取屏幕上的一些对象，如鼠标等
关键在于：效率和稳定性
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3）参数化技术
参数化（Parametric）设计也叫尺寸驱动 （ Dimension-Driven），为用户提供方便的尺寸 定义及图形的参数驱动技术，用户可高效绘制、 修改图形。它不仅可使CAD系统具有交互式绘图 功能，还具有自动绘图的功能。