1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造教案講課：范青81目 錄第一章 概述1第一節(jié) cad/cam的基本概念2第二節(jié) cad/cam的發(fā)展歷史3第三節(jié) cad/cam的發(fā)展趨勢(shì)4第四節(jié) 我國(guó)cad/cam的發(fā)展?fàn)顩r6思考題7第二章 cad/cam系統(tǒng)8第一節(jié) cad/cam系統(tǒng)的基本組成與分類9第二節(jié) cad/cam系統(tǒng)的典型硬件11第二節(jié) cad/cam系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)12思考題13第三章 計(jì)算機(jī)輔助圖形處理14第一節(jié) 圖形的幾何變換15第二節(jié) 圖形的消隱技術(shù)17第三節(jié) 圖形的裁剪技術(shù)19第四節(jié) 圖形的生成方法21思考題23第四章 cad/cam建模技術(shù)24第一節(jié) 建模的基本概念與要求24第二節(jié) 線框建模25第

2、三節(jié) 曲面建模28第四節(jié) 實(shí)體建模30第五節(jié) 特征建模31思考題34第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析35第一節(jié) 概述36第二節(jié) 有限元法37第三節(jié) 優(yōu)化設(shè)計(jì)38第四節(jié) 仿真技術(shù)39思考題41第六章 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)42第一節(jié) capp概述43第二節(jié) capp中零件信息的描述和輸入46第三節(jié) capp的類型47思考題49第七章 數(shù)控編程和仿真50第一節(jié) 概述51第二節(jié) atp語(yǔ)言編程技術(shù)54第三節(jié) 圖形交互式自動(dòng)編程技術(shù)57第四節(jié) mastercam數(shù)控加工編程59第五節(jié) 數(shù)控加工仿真61思考題63第八章 計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)技術(shù)64第一節(jié) 概述65第二節(jié) 計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)66第九章 計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)

3、管理與運(yùn)行控制67第一節(jié) 概述68第二節(jié) 物料需求計(jì)劃管理70第三節(jié) 企業(yè)資源計(jì)劃簡(jiǎn)介73第十章 cad/cam技術(shù)的新發(fā)展74第一節(jié) cad/cam集成系統(tǒng)75第二節(jié) 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（cims）簡(jiǎn)介77第三節(jié) 并行工程、智能化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)78第一章 概述學(xué)習(xí)目標(biāo)： 概括了解cad/cam技術(shù)的產(chǎn)生發(fā)展；通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程的分析，理解cad/cam系統(tǒng)的基本功能和工作過(guò)程；掌握cad/cam的基本概念；了解cad/cam技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展前景。學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：cad/cam的概念 學(xué)習(xí)建議: 復(fù)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)課程中有關(guān)設(shè)計(jì)制造分析內(nèi)容； 廣泛查閱有關(guān)cad/cam技術(shù)的文獻(xiàn)資

4、料； 調(diào)研一個(gè)企業(yè)應(yīng)用cad/cam技術(shù)的基本情況。 第一節(jié) cad/cam的基本概念計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了將人類從腦力勞動(dòng)解放出來(lái)的愿望。早在三四十年前，計(jì)算機(jī)就已作為重要的工具，輔助人類承擔(dān)一些單調(diào)、重復(fù)的勞動(dòng)，如輔助數(shù)控編程、工程圖樣繪制等。在此基礎(chǔ)上逐漸出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad）、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（capp）及計(jì)算機(jī)輔助制造（cam）等概念。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，cad) 指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為輔助工具來(lái)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的各項(xiàng)工作，如草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程分析等，并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的

5、目的。計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（computer aided process planning, capp) 指在工藝人員借助于計(jì)算機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段給出的信息和產(chǎn)品制造工藝要求，交互地或自動(dòng)地確定產(chǎn)品加工方法和方案，如加工方法選擇、工藝路線確定、工序設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing，cam) 計(jì)算機(jī)輔助制造有廣義和狹義兩種定義。廣義cam是指借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造出來(lái)的過(guò)程中的各項(xiàng)活動(dòng)，包括工藝過(guò)程設(shè)計(jì)（capp)、工裝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、制造過(guò)程控制、質(zhì)量檢測(cè)與分析等。狹義cam通常是指nc程序編制，包括

6、刀具路徑規(guī)劃、刀位文件生成、刀具軌跡仿真及nc代碼生成等。第二節(jié) cad/cam的發(fā)展歷史 cad/cam技術(shù)從產(chǎn)生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了形成、發(fā)展、提高和集成等階段。cad的發(fā)展 準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期（20世紀(jì)5060年代初） 蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)6070年代） 突飛猛進(jìn)的時(shí)期(20世紀(jì)80年代) 開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的發(fā)展時(shí)期(21世紀(jì)初) cam技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)70年代后期，幾何造型技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和數(shù)控編程后置處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了交互式圖形編程系統(tǒng)，為cad/cam集成奠定了基礎(chǔ)。capp技術(shù)的發(fā)展目前，capp系統(tǒng)主要應(yīng)用于零件的機(jī)械加工方面，但已逐漸向其它工藝領(lǐng)

7、域擴(kuò)展，如熱處理、鍛造、沖壓和裝配等，應(yīng)用前景是廣闊的。第三節(jié) cad/cam的發(fā)展趨勢(shì)一、設(shè)計(jì)制造過(guò)程分析深入研究各個(gè)階段的主要任務(wù)，可將設(shè)計(jì)劃分為： 功能設(shè)計(jì)： 確定產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 布局設(shè)計(jì)： 完成技術(shù)實(shí)體部分（零部件）的排列組合。 參數(shù)設(shè)計(jì)： 定義零部件的幾何形狀及尺寸參數(shù)。 公差設(shè)計(jì)： 制定形狀、位置及尺寸精度。二、cad/cam系統(tǒng)的工作過(guò)程三、cad/cam系統(tǒng)的基本功能 圖形顯示功能 輸入輸出功能 存儲(chǔ)功能 交互功能（即人機(jī)接口）四、cad/cam系統(tǒng)的主要任務(wù) 幾何造型 計(jì)算分析 工程繪圖 結(jié)構(gòu)分析 優(yōu)化設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（capp） nc自動(dòng)編程 模

8、擬仿真 工程數(shù)據(jù)管理與信息傳輸與交換 第四節(jié) 我國(guó)cad/cam的發(fā)展?fàn)顩r隨時(shí)間的推移和科技的迅猛發(fā)展。這里主要講解有關(guān)cad/cam技術(shù)應(yīng)用的可能性、必要性和迫切性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作有56%屬于適應(yīng)性設(shè)計(jì)，20%屬于參數(shù)化設(shè)計(jì)，只有24%屬于創(chuàng)新設(shè)計(jì)。某些標(biāo)準(zhǔn)化程度高的領(lǐng)域，參數(shù)化設(shè)計(jì)達(dá)到50%左右。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明，工程技術(shù)人員的大部分時(shí)間和精力是消耗在重復(fù)性工作或局部小修小改之中了，不可能有充沛精力去從事創(chuàng)造性勞動(dòng)，也不會(huì)有足夠的時(shí)間去學(xué)習(xí)掌握新知識(shí)和新技能，久而久之，人的創(chuàng)造性思維能力也會(huì)隨著日復(fù)一日、年復(fù)一年的重復(fù)、繁瑣的勞動(dòng)而萎縮。尤其在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)劇烈的條件下，很難適應(yīng)發(fā)展

9、的需要。因此，使設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)手段科學(xué)化、系統(tǒng)化、現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)cad是非常必要的。 編制工藝規(guī)程是設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作的重要環(huán)節(jié)，過(guò)去一直是工藝人員手工完成，不僅效率低，而且依附于人的技能和經(jīng)驗(yàn)，很難獲得最佳方案。同時(shí)，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)一樣，也存在著繁瑣而重復(fù)的密集型勞動(dòng)束縛工藝人員、難以從事創(chuàng)造性開(kāi)拓工作的問(wèn)題。因此，迫切需要capp技術(shù)。 再考察制造階段的生產(chǎn)狀況。從機(jī)械制造行業(yè)來(lái)看，50件以下的小批量生產(chǎn)約占75%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)零件在車間的平均停留時(shí)間中，只有5%的時(shí)間是在機(jī)床上，而在這個(gè)5%的時(shí)間中，又只有30%的時(shí)間用于切削加工。由此可見(jiàn)，零件在機(jī)床上的切削時(shí)間只占零件在車間停

10、留時(shí)間的1.5%。要提高零件的加工效率、改善經(jīng)濟(jì)性，就要減少零件在車間的流通時(shí)間和在機(jī)床上裝卸、調(diào)整、測(cè)量、等待切削的時(shí)間。而做到這一點(diǎn)必須綜合考慮生產(chǎn)的管理、調(diào)度、零件的傳送和裝卸方法等多方面因素。這需要通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助人們作全面安排，控制加工過(guò)程。 上述設(shè)計(jì)、制造過(guò)程分析說(shuō)明了cad/cam技術(shù)應(yīng)用的可能性、必要性和迫切性。思考題1. 簡(jiǎn)述cad/cam的基本概念。 2. 簡(jiǎn)述cad/cam發(fā)展經(jīng)歷的階段。 3. 簡(jiǎn)述cad/cam系統(tǒng)的基本功能。 4. 簡(jiǎn)述cad/cam系統(tǒng)的工作過(guò)程。 5. 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造方法相比，說(shuō)明cad/cam的工作特點(diǎn)。 6. 試分析采用cad/cam技術(shù)的優(yōu)越

11、性。 7. 簡(jiǎn)述制造環(huán)境變化的新特點(diǎn)。 第二章 cad/cam系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo): 在了解了cad/cam系統(tǒng)工作過(guò)程之后，學(xué)習(xí)系統(tǒng)的基本組成；了解硬件的類型、配置形式和軟件種類、功能；掌握cad/cam系統(tǒng)的選用原則。通過(guò)本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，能夠?yàn)橐粋€(gè)具體部門（企業(yè)或公司），根據(jù)工作性質(zhì)配置一個(gè)相對(duì)完整的cad/cam 系統(tǒng)。學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：cad/cam系統(tǒng)的組成與分類；cad/cam系統(tǒng)選用原則。學(xué)習(xí)建議: 參閱流行的電腦類報(bào)紙或雜志，了解市面軟、硬件行情和相關(guān)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)； 積極參觀各種計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面的展覽，開(kāi)闊眼界。第一節(jié) cad/cam系統(tǒng)的基本組成與分類cad/cam系統(tǒng)的基本組成基本

12、組成 所謂系統(tǒng),是指為完成特定任務(wù)而由相關(guān)部件或要素組成的有機(jī)的整體。一個(gè)完整的cad/cam系統(tǒng)必須具備硬件系統(tǒng), 軟件系統(tǒng)。 一個(gè)cad/cam系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備及附加生產(chǎn)設(shè)備等硬件和控制這些硬件運(yùn)行的指令、程序及文檔即軟件組成,通常包含若干功能模塊。功能 存儲(chǔ)大量程序、信息及快速檢索的能力； 人機(jī)交互通信的操作功能； 輸入、輸出圖形及信息的能力。cad/cam系統(tǒng)的分類獨(dú)立式cad/cam系統(tǒng) 按照所用計(jì)算機(jī)的不同又可劃分為以下四種類型：網(wǎng)絡(luò)分布式第二節(jié) cad/cam系統(tǒng)的典型硬件硬 件定義 硬件是一切可以觸摸到的物理設(shè)備。硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，它由計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)設(shè)

13、備，顯示設(shè)備，人機(jī)交互設(shè)備和輸出設(shè)備等組成。1、 主機(jī)2、 輸入設(shè)備3、 輸出設(shè)備4、 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備服務(wù)器、工作站、電纜、網(wǎng)卡、網(wǎng)關(guān)、集線器、中繼器、網(wǎng)橋、路由器等。第二節(jié) cad/cam系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)定義 支撐軟件是在系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的滿足cad用戶一些需要的通用軟件或工具軟件，是cad/cam系統(tǒng)的核心。主要內(nèi)容 幾何建模軟件: 提供一個(gè)完整，準(zhǔn)確地描述和顯示三維幾何造型的方法和工具。具有消隱、著色、濃淡處理、實(shí)體參數(shù)計(jì)算、質(zhì)量特性計(jì)算等功能。舉例： pro-e, ug等。 計(jì)算機(jī)輔助工程軟件: 集幾何建模，三維繪圖，有限元分析，產(chǎn)品裝配，公差分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)，nc自動(dòng)編程等功能分析系統(tǒng)

14、為一體的集成軟件系統(tǒng)。由數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，使各分系統(tǒng)全關(guān)聯(lián)，支持并行工程并提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理功能，信息描述完整，協(xié)助用戶完成大部分工作。繪圖軟件: 具有基本圖形元素（點(diǎn)、線、圖）繪制等，圖形變換（縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等），編輯（增、刪、改等），存貯，顯示控制以及人機(jī)交互，輸入/輸出設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)等功能。舉例:autocad軟件。 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)軟件: 能夠支持各子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳遞與共享,其中工程數(shù)據(jù)庫(kù)是cad/cam 系統(tǒng)和cims系統(tǒng)中的重要組成部分。舉例:ingres, pb,oracle, sybase,foxpro等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。 有限元分析軟件：可以進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、熱特性分析，通常包

15、括前置處理、計(jì)算分析及后置處理三部分。舉例:sap,ansys等有限元分析軟件。 優(yōu)化方法軟件：將優(yōu)化技術(shù)用于工程設(shè)計(jì)，綜合多種優(yōu)化計(jì)算方法，為選擇最優(yōu)方案、取得最優(yōu)解、求解數(shù)學(xué)模型提供強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具軟件。 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)模擬仿真軟件：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)時(shí)、并行地模擬產(chǎn)品生產(chǎn)或各部分進(jìn)行的全過(guò)程，以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、產(chǎn)品的制造過(guò)程和產(chǎn)品的可制造性。舉例：adams機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件。思考題1. 簡(jiǎn)要說(shuō)明cad/cam系統(tǒng)的基本組成。 2. 計(jì)算機(jī)在cad/cam系統(tǒng)中的作用是什么？選擇計(jì)算機(jī)主要考慮哪些性能指標(biāo)？ 3. cad/cam系統(tǒng)中常用的存儲(chǔ)設(shè)備有哪些？各有什么特點(diǎn)？ 4.

16、cad/cam系統(tǒng)中常用的輸入設(shè)備有哪些？各有什么特點(diǎn)？ 5. cad/cam系統(tǒng)中常用的輸出設(shè)備有哪些？簡(jiǎn)要說(shuō)明其工作原理和特點(diǎn)。 第三章 計(jì)算機(jī)輔助圖形處理學(xué)習(xí)目標(biāo)： 圖形處理是cad/cam中的關(guān)鍵技術(shù)，要求學(xué)習(xí)者全面掌握?qǐng)D形處理技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括圖形生成、編輯和圖形變換；學(xué)會(huì)使用典型的矢量繪圖軟件；學(xué)會(huì)編寫(xiě)簡(jiǎn)單的繪圖程序。 學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：圖形的幾何變換。 學(xué)習(xí)難點(diǎn)：消隱算法。 學(xué)習(xí)建議： 在學(xué)習(xí)過(guò)程中，結(jié)合繪圖軟件，如：autocad2004的使用，加深對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的理解； 注意利用課件中的功能，通過(guò)學(xué)習(xí)時(shí)的交互操作（例如圖形生成）理解知識(shí)內(nèi)容。第一節(jié) 圖形的幾何變換一、二維圖形

17、變換在二維空間中，圖形變換矩陣可表示為： 其中a、b、c、d是對(duì)圖形進(jìn)行縮放、對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切等變換；c、f是對(duì)圖形進(jìn)行平移變換；p、q對(duì)圖形進(jìn)行透視變換；s是對(duì)圖形進(jìn)行整體伸縮變換。當(dāng)s1時(shí)，圖形縮?。划?dāng)s=1時(shí)，圖形大小不變。即變換后的 坐標(biāo)均為原坐標(biāo)x，y的1/s倍 。 二維圖形的基本變換包括以下幾種：平移變換、比例變換、對(duì)稱變換、錯(cuò)切變換。實(shí)際上，圖形變換中常常是相對(duì)于任意點(diǎn)或線變換。解決這個(gè)問(wèn)題的思路是這樣的：先將任意點(diǎn)移向坐標(biāo)原點(diǎn)（任意線則移向與x或y軸重合的位置），再用前述變換矩陣加以變換，最后反向移回任意點(diǎn)（任意線移回原位）。可見(jiàn)，這是經(jīng)過(guò)平移、某種變換、再平移的多次變換構(gòu)成，

18、而不僅僅是一種獨(dú)立的變換，故而稱為組合變換。組合變換中，多個(gè)變換矩陣之積稱為組合變換矩陣。二、三維圖形變換和二維圖形一樣，用適當(dāng)?shù)淖儞Q矩陣也可以對(duì)三維圖形進(jìn)行各種幾何變換。對(duì)三維空間的點(diǎn)如（x，y，z），可用齊次坐標(biāo)表示為（x，y，z，1），或（x，y，z，h），因此，三維空間里的點(diǎn)的變換可寫(xiě)為 其中m是4x4階變換矩陣，即：此方陣可分為四部分，其中左上角部分產(chǎn)生比例、對(duì)稱、錯(cuò)切和旋轉(zhuǎn)變換；左下角部分產(chǎn)生平移變換；右上角部分產(chǎn)生透視變換；右下角部分產(chǎn)生全比例變換。 三維圖形的基本變換有：三維比例變換、三維對(duì)稱變換、三維錯(cuò)切變換、三維評(píng)議變換、三維旋轉(zhuǎn)變換。第二節(jié) 圖形的消隱技術(shù)一、消隱的概念與

19、作用在使用顯示設(shè)備描繪物體的圖形時(shí)，必須把三維信息經(jīng)過(guò)某種投影變換，在二維的顯示表面上繪制出來(lái)。例如，軸測(cè)圖和透視圖，就是通過(guò)軸測(cè)變換或透視變換，求出所有頂點(diǎn)的投影點(diǎn)，再把各點(diǎn)連結(jié)起來(lái)。下圖中第一個(gè)圖形代表的是后邊哪一個(gè)呢?由于投影變換失去了深度信息，往往導(dǎo)致圖形的二義性。要消除二義性，就必須在繪制時(shí)消除實(shí)際不可見(jiàn)的線和面，習(xí)慣上稱作消除隱藏線和隱藏面，或簡(jiǎn)稱為消隱。二、消隱算法的測(cè)試方法針對(duì)不同的顯示對(duì)象和顯示要求，會(huì)有不同消隱算法與之相適應(yīng)。 重疊測(cè)試 許多物體的投影是由若干個(gè)多邊形構(gòu)成的，將這些多邊形兩兩判別，看它們是否有重疊部分，如果不重疊，說(shuō)明它們肯定不互相遮擋。這種方法就叫重疊測(cè)試

20、。包含性測(cè)試 測(cè)試點(diǎn)與多邊形的包含關(guān)系有兩種方法: 1.射線交點(diǎn)數(shù)算法 2.夾角求和算法 深度測(cè)試 深度測(cè)試是用來(lái)測(cè)試一個(gè)物體遮擋另一個(gè)物體的基本方法。常用的有優(yōu)先級(jí)測(cè)試和物體空間測(cè)試。 可見(jiàn)性測(cè)試 可見(jiàn)性測(cè)試主要用來(lái)判別物體自身各部分哪些部分沒(méi)有被其自身其它部分遮擋即可見(jiàn)的，那些部分被其自身其它部分遮擋即不可見(jiàn)的。三、常用消隱算法根據(jù)消隱對(duì)象不同，消隱算法可分為兩類：若消除的是物體上不可見(jiàn)的線段，稱為線消隱；若消除的是物體上不可見(jiàn)的面，稱為面消隱。根據(jù)消隱空間的不同，消隱算法又可分為兩類： 物體空間的消隱算法這類算法是將物體表面上的k個(gè)多邊形中的每一面與其余的k-1個(gè)面進(jìn)行比較，精確地求出物

21、體上每條棱邊或每個(gè)面的遮擋關(guān)系。 圖形空間的消隱算法在消隱算法中，圖像空間就是上述的屏幕坐標(biāo)空間。這類算法對(duì)屏幕的每一像素進(jìn)行判斷，以決定物體上哪個(gè)多邊形在該像素點(diǎn)上是可見(jiàn)的。若屏幕上有m*n個(gè)像素點(diǎn)，物體表面上有k個(gè)多邊形，則該類消隱算法的計(jì)算量將正比于m*n*k。 消隱的基本思想很簡(jiǎn)單，但要真正實(shí)現(xiàn)卻要耗費(fèi)很長(zhǎng)的判別和運(yùn)算時(shí)間。消隱算法的處理效率將是決定能否被有效采用的關(guān)鍵。第三節(jié) 圖形的裁剪技術(shù) 窗口在計(jì)算機(jī)繪圖中，常常遇到這樣的情況：不同時(shí)刻、針對(duì)不同目的、只關(guān)心整幅圖形的不同部位，而對(duì)其它部分暫時(shí)不感興趣，此時(shí)，希望關(guān)心的這部分圖形能夠盡量清晰地顯示出來(lái)。于是，大多數(shù)的圖形軟件都提供

22、了這樣一個(gè)功能：即用戶可以在輸入的圖形上選定一個(gè)觀察區(qū)域。這個(gè)觀察區(qū)域被稱為窗口。下面圖中的左側(cè)方框就是窗口的一個(gè)例子。在二維平面，通常定義窗口為一矩形區(qū)域，它的大小和位置在用戶坐標(biāo)上表示，用四個(gè)變量代表窗口左下角和右上角點(diǎn)的坐標(biāo)，即： 視區(qū) 在顯示窗口內(nèi)圖形時(shí)，可能占用整個(gè)屏幕，也可能設(shè)想屏上有一個(gè)方框，要顯示的圖形只出現(xiàn)在這個(gè)方框內(nèi)。那么，在圖形輸出設(shè)備上用來(lái)復(fù)制窗口內(nèi)容的矩形區(qū)域被稱為視區(qū)。上面的動(dòng)畫(huà)右邊的顯示器是一個(gè)占整屏的視區(qū)的例子，它把左邊窗口里的選擇的圖案按1:1的比例復(fù)制到了視區(qū)里。 視區(qū)是一個(gè)與設(shè)備密切聯(lián)系的概念，顯示終端的平面和繪圖儀的幅面都是用來(lái)表現(xiàn)圖形的二維平面，而且是

23、個(gè)有限的平面。通常也用四個(gè)變量指示視區(qū)兩個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)，即： 視區(qū)也可以嵌套，還可以在同一物理設(shè)備上定義多個(gè)視區(qū)，分別作不同的應(yīng)用或分別顯示不同角度、不同對(duì)象的圖形。 窗口、視區(qū)變換 只有當(dāng)定義的視區(qū)大小與窗口大小相同，而且設(shè)備坐標(biāo)的度量單位與用戶坐標(biāo)的度量單位也相同時(shí)，二者之間才是1：1的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而在絕大多數(shù)情況下，窗口與視區(qū)無(wú)論是大小還是單位都不相同。為了把選定的窗口內(nèi)容在希望的視區(qū)上表現(xiàn)出來(lái)，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。 視區(qū)與窗口的關(guān)系如下： （a） 視區(qū)不變，窗口縮小或放大時(shí)，顯示的圖形會(huì)相應(yīng)放大或縮小。（b） 窗口不變，視區(qū)縮小或放大時(shí)，顯示的圖形會(huì)相應(yīng)縮小或放大。（c） 視區(qū)縱橫比不等于窗

24、口縱橫比時(shí)，顯示的圖形會(huì)有伸縮變化。（d） 窗口與視區(qū)大小相同、坐標(biāo)原點(diǎn)也相同時(shí)，顯示的圖形不變。窗口和視區(qū)的適當(dāng)選用，可以較方便地觀察用戶的整圖或局部圖形，便于對(duì)圖形進(jìn)行局部修改和圖形質(zhì)量評(píng)價(jià)，還可以對(duì)圖形進(jìn)行放大或縮小，顯示用戶感興趣的部分圖形。第四節(jié) 圖形的生成方法一、圖形的生成簡(jiǎn)介一幅圖最簡(jiǎn)單的幾何成份是點(diǎn)和直線，此外還有曲線、多邊形以及字符串等等。為在輸出設(shè)備上輸出一個(gè)點(diǎn)，就要把應(yīng)用程序中的坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成所用輸出設(shè)備的響應(yīng)指令。在圖形設(shè)備上輸出一條直線，是通過(guò)在應(yīng)用程序中對(duì)這條直線端點(diǎn)坐標(biāo)的描述，在輸出設(shè)備上將一對(duì)端點(diǎn)間的路徑加以描述來(lái)實(shí)現(xiàn)的。二、圖形的生成方法1、輪廓線法任何一個(gè)二

25、維圖形都是由線條組成，所謂輪廓線法，就是將這些線條逐一繪出，它只取決于線條的端點(diǎn)坐標(biāo)，不分先后，沒(méi)有約束，因而，比較簡(jiǎn)單,適應(yīng)面也廣，但繪圖工作量大、效率低，容易出錯(cuò)，生成的圖形無(wú)法通過(guò)尺寸參數(shù)加以修改。 右側(cè)為一用輪廓線法生成圖形的示意小程序。 按住鼠標(biāo)在畫(huà)板上拖動(dòng)，就可以畫(huà)出直線，它強(qiáng)調(diào)的僅僅是端點(diǎn)的坐標(biāo)，直線之間沒(méi)有約束關(guān)系。（程序見(jiàn)電子課件）2、參數(shù)化法在實(shí)際應(yīng)用中，人們常常面臨系列化的設(shè)計(jì)，即基本幾何拓?fù)潢P(guān)系不變，只變動(dòng)形狀尺寸，于是，人們創(chuàng)造了參數(shù)化法。這種方法首先建立圖形與尺寸參數(shù)的約束關(guān)系，每個(gè)可變的尺寸參數(shù)用待標(biāo)變量表示，并賦予一個(gè)缺省值。繪圖時(shí)，修改不同的尺寸參數(shù)即可得到不

26、同規(guī)格的圖形。如右側(cè)示意小程序，輸入不同尺寸參數(shù)，按回車鍵即可。（程序見(jiàn)電子課件）3、圖形元素拼合法圖形元素拼合法類似于一種搭積木的方法。將各種常用的、帶有某種特定專業(yè)含義的圖形元素存儲(chǔ)建庫(kù)，設(shè)計(jì)繪圖時(shí)，根據(jù)需要調(diào)用合適的圖形元素加以拼合。圖形元素拼合法要以參數(shù)化法為基礎(chǔ)，每個(gè)圖形元素實(shí)際上就是一個(gè)小參數(shù)化圖形。固定尺寸參數(shù)的圖形元素在應(yīng)用中沒(méi)有使用價(jià)值。 4、尺寸驅(qū)動(dòng)法這是一種交互式的變量設(shè)計(jì)方法。按設(shè)計(jì)者的意圖，先將草圖快速勾畫(huà)于屏幕之上，然后根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要，為草圖建立尺寸和形位約束，草圖就戲法般地受到這種約束的驅(qū)動(dòng)而變得橫平豎直起來(lái)，尺寸大小也一一對(duì)應(yīng)。 5、三維實(shí)體投影法工程師在進(jìn)行

27、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先在思維中建立起來(lái)的是一種三維物體模型，苦于沒(méi)有一個(gè)形象描述、記錄的工具和手段，因而只能將其畫(huà)成二維圖形；而在讀圖時(shí)，又要在頭腦中還原圖紙表示的三維物體。如果開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)就在計(jì)算機(jī)三維環(huán)境下，則不僅能更直觀、全面地反映設(shè)計(jì)對(duì)象，還能減輕設(shè)計(jì)時(shí)的負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。這時(shí)，若要將三維設(shè)計(jì)結(jié)果以二維圖紙形式輸出，則只需利用三維幾何建模軟件系統(tǒng)提供的二維圖投影功能就可方便地實(shí)現(xiàn)了。思考題1. 簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的種類。2. 簡(jiǎn)述二維圖形變換的基本原理、方法、種類。3. 什么是窗口？什么是視區(qū)？在cad/cam中為什么要進(jìn)行窗口視區(qū)變換？4. 為什么要進(jìn)行圖形裁剪？第四章 ca

28、d/cam建模技術(shù)第一節(jié) 建模的基本概念與要求基本概念 建模就是以計(jì)算機(jī)能夠理解的方式，對(duì)實(shí)體進(jìn)行確切的定義，賦予一定的數(shù)學(xué)描述，再以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)所定義的幾何實(shí)體加以描述，從而在計(jì)算機(jī)內(nèi)部構(gòu)造一個(gè)實(shí)體的模型。 在cad/cam中，產(chǎn)品或零部件的設(shè)計(jì)思想和工程信息是以具有一定結(jié)構(gòu)的數(shù)字化模型方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換提供給生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。模型一般由數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法三部分組成。 基本要求 建模技術(shù)是系統(tǒng)的核心，建模的過(guò)程依賴于計(jì)算機(jī)的軟硬件環(huán)境、面向產(chǎn)品的創(chuàng)造性過(guò)程。建模技術(shù)應(yīng)滿足以下要求： 1.建模系統(tǒng)應(yīng)具備信息描述的完整性 2.建模技術(shù)應(yīng)貫

29、穿產(chǎn)品生命周期的整個(gè)過(guò)程 3.建模技術(shù)應(yīng)為企業(yè)信息集成創(chuàng)造條件 第二節(jié) 線框建模一、線框建模的基本原理 定義線框建模是利用基本線素來(lái)定義設(shè)計(jì)目標(biāo)的棱線部分而構(gòu)成的立體框架圖。線框建模生成的實(shí)體模型是由一系列的直線、圓弧、點(diǎn)及自由曲線組成，描述的是產(chǎn)品的輪廓外形。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部生成三維映像，還可實(shí)現(xiàn)視圖變換及空間尺寸的協(xié)調(diào)。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線框建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是表結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯的是物體的頂點(diǎn)和棱線信息。下圖為一立方體的線框模型。表分別為立方體的頂點(diǎn)表和邊表，構(gòu)成該物體的線框模型的全部信息。 二、二維和三維線框模型二維建模實(shí)質(zhì)上是二維線框模型，它以二維平面的基本圖形元素（如點(diǎn)、直線、圓弧等）為基礎(chǔ)表

30、達(dá)二維圖形。二維幾何建模系統(tǒng)主要研究平面輪廓處理問(wèn)題，它可以分為邊式和面式兩類系統(tǒng)。 所謂邊式系統(tǒng)意味著只描述輪廓邊，然后通過(guò)不同類型輪廓邊的相互順序?qū)崿F(xiàn)繪圖目的；所謂面式系統(tǒng)，是將封閉輪廓邊包圍的范圍定義成一個(gè)平面，并作為一個(gè)整體來(lái)處理。 二維幾何建模系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)大部分提供了方便的人機(jī)交互功能，所以如果任務(wù)僅局限于計(jì)算機(jī)輔助繪圖或?qū)剞D(zhuǎn)體零件進(jìn)行數(shù)控編程，則可采用二維建模系統(tǒng)。但在二維系統(tǒng)中，由于各視圖及剖面圖是獨(dú)立產(chǎn)生的，因此不可能將描述同一個(gè)零件的不同信息構(gòu)成一個(gè)整體模型。所以當(dāng)一個(gè)視圖改變時(shí)，其他視圖不可能自動(dòng)改變，這是它的一個(gè)很大弱點(diǎn)。 三維線框模型是二維線框模型的直接拓展

31、和延伸。由于圖形幾何變換理論的發(fā)展，認(rèn)識(shí)到加上第三維信息再投影變換成平面視圖是很容易的。三維線框模型用三維的基本圖形元素來(lái)描述和表達(dá)物體，同時(shí)僅限于點(diǎn)、線和曲線的組成。三、線框模型的優(yōu)缺點(diǎn)線框建模所構(gòu)造的實(shí)體模型，只有離散的邊，而沒(méi)有邊與邊的關(guān)系，由于信息表達(dá)不完整，會(huì)對(duì)物體形狀的判斷產(chǎn)生多義性。 下圖表示同一線框模型可能產(chǎn)生的幾種不同理解。線框建模的優(yōu)點(diǎn) 所需信息最少，數(shù)據(jù)運(yùn)算簡(jiǎn)單，所占存貯空間較小，硬件的要求不高，容易掌握，處理時(shí)間短。 線框建模的局限性幾何意義的二義性：一個(gè)線框模型可能被解釋為若干個(gè)有效幾何體。 1. 結(jié)構(gòu)體的空間定義缺乏嚴(yán)密性 2. 拓?fù)潢P(guān)系缺乏有效性 3. 描述的結(jié)構(gòu)

32、體無(wú)法進(jìn)行消隱、干涉檢查、物性計(jì)算 第三節(jié) 曲面建模一、曲面建模的基本原理定義曲面建模是將物體分解成組成物體的表面、邊線和頂點(diǎn)，用頂點(diǎn)、邊線和表面的有限集合來(lái)表示和建立物體的計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型。建模方法 下圖描述的是表面建模的過(guò)程。二、曲面建模的特點(diǎn)表達(dá)了零件表面和邊界定義的數(shù)據(jù)信息，有助于對(duì)零件進(jìn)行渲染等處理，有助于系統(tǒng)直接提取有關(guān)面的信息生成數(shù)控加工指令，因此，大多數(shù)cad/cam系統(tǒng)中都具備曲面建模的功能。 在物體性能計(jì)算方面，表面建模中面信息的存在有助于對(duì)物性方面與面積有關(guān)的特征計(jì)算，同時(shí)對(duì)于封閉的零件來(lái)說(shuō)，采用掃描等方法也可實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行與體積等物理性能有關(guān)的特征計(jì)算。 一般來(lái)說(shuō)，表面建

33、模方式生成的零部件及產(chǎn)品可分割成板、殼單元形式的有限元網(wǎng)格。 曲面建模事實(shí)上是以蒙面的方式構(gòu)造零件形體，因此容易在零件建模中漏掉某個(gè)甚至某些面的處理，這就是常說(shuō)的“丟面”。同時(shí)依靠蒙面的方法把零件的各個(gè)面貼上去，往往會(huì)在兩個(gè)面相交處出現(xiàn)缺陷，如重疊或間隙，不能保證零件的建模精度。 所以曲線建模并不宜用于表示機(jī)械零件的一般方法。第四節(jié) 實(shí)體建模一、實(shí)體建模的基本原理定義 實(shí)體建模是定義一些基本體素，通過(guò)基本體素的集合運(yùn)算或變形操作生成復(fù)雜形體的一種建模技術(shù)，其特點(diǎn)在于三維立體的表面與其實(shí)體同時(shí)生成。 由于實(shí)體建模能夠定義三維物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀，因此能完整地描述物體的所有幾何信息和拓?fù)湫畔?，包括?/p>

34、體的體、面、邊和頂點(diǎn)的信息。 實(shí)體建模的優(yōu)點(diǎn) 1. 可以提供實(shí)體完整的信息； 2. 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)邊的判斷，具有消隱的功能； 3. 能順利實(shí)現(xiàn)剖切、有限元網(wǎng)格劃分、直到nc刀具軌跡的生成。 實(shí)體建模的方法 按照物體生成的方法不同可分為 ：體素法和掃描法二、實(shí)體建模的表示方法 與表面建模不同，三維實(shí)體建模在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存貯的信息不是簡(jiǎn)單的邊線或頂點(diǎn)的信息，而是準(zhǔn)確、完整、統(tǒng)一地記錄了生成物體的各個(gè)方面的數(shù)據(jù)。 常見(jiàn)的實(shí)體建模表示方法 邊界表示法構(gòu)造立體幾何法混合表示法空間單元表示法第五節(jié) 特征建模一、特征建模的概念特征定義 特征是一種綜合概念，它作為“產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各種信息的載體”，除了包含零件的

35、幾何拓?fù)湫畔⑼猓€包含了設(shè)計(jì)制造等過(guò)程所需要的一些非幾何信息。 特征建模定義 特征建模是一種建立在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，利用特征的概念面向整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模方法，它不僅包含與生產(chǎn)有關(guān)的信息，而且還能描述這些信息之間的關(guān)系。 特征的圖例 特征建模的實(shí)施與發(fā)展 特征建模是cad建模方法的一個(gè)里程碑，它是在技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用達(dá)到一定水平，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、管理過(guò)程的集成化和自動(dòng)化要求不斷提高的歷史進(jìn)程中逐漸發(fā)展完善起來(lái)的。 特征概念包含豐富的工程語(yǔ)義，所以利用特征及概念進(jìn)行設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造集成的一種有效的方法。利用特征的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法經(jīng)歷了特征識(shí)別及基于特征的設(shè)計(jì)兩階段。特征

36、識(shí)別是首先進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)，然后在建立的幾何模型上，通過(guò)人工交互或自動(dòng)識(shí)別算法進(jìn)行特征的搜索、匹配。為此提出了基于特征設(shè)計(jì)的思想，直接采用特征建立產(chǎn)品模型，而不是事后再識(shí)別，即特征建模。 二、特征建模的系統(tǒng)特征建模通常由特征模型、精度特征模型、材料特征模型組成，而形狀特征模型是特征建模的核心和基礎(chǔ)。 特征建模系統(tǒng)的框架如下圖所示：形狀特征模型 形狀特征模型主要包括幾何信息、拓?fù)湫畔ⅰＰ螤钐卣魍ㄟ^(guò)參數(shù)描述，都在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)各自的功能，并對(duì)應(yīng)各自的加工方法、加工設(shè)備和刀具、量具、輔具。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以實(shí)體建模中b-rep法為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)包括特征類型、序號(hào)、尺寸及公差等。通常它包含兩個(gè)層次，一個(gè)是低層次的

37、點(diǎn)、線、面、環(huán)組成的b-rep法結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是高層次的由特征信息組成的結(jié)構(gòu)。 精度和材料特征模型 精度模型用來(lái)表達(dá)零件的精度信息，包括尺寸公差、形狀公差、位置公差、表面粗糙度。材料特征包括材料的種類、性能、熱處理要求等。 特征建模除了實(shí)體建模中已有的幾何、拓?fù)湫畔⒅?，還要包含特征信息、精度信息、材料信息、技術(shù)要求和其它有關(guān)信息。除靜態(tài)信息之外，還應(yīng)當(dāng)支持設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息。 二、特征建模的功能與特點(diǎn)功能 1. 預(yù)定義特征，建立特征庫(kù)； 2. 特征庫(kù)的智能化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于特征的零件設(shè)計(jì)； 3. 為特征附加注釋，并為用戶例舉參考特征； 4. 支持用戶定義特征以及管理、操作特征庫(kù)； 5.

38、特征消隱、移動(dòng)； 6. 零件設(shè)計(jì)中，跟蹤和提取有關(guān)幾何屬性。 特點(diǎn) 特征建模技術(shù)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作不停留在底層的幾何信息基礎(chǔ)上，而是依據(jù)產(chǎn)品的功能要素，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在更高的層次上展開(kāi)，特征的引用直接體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。 特征建模技術(shù)可以建立在二維或三維平臺(tái)上，同時(shí)針對(duì)某些專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的需要，建立特征庫(kù)就可實(shí)現(xiàn)特征建模技術(shù)，快速生成需要的形體。 特征建模技術(shù)有利于推動(dòng)行業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方法的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、規(guī)范化，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮加工、制造要求，有利于降低產(chǎn)品的成本。 特征建模技術(shù)提供了基于產(chǎn)品、制造環(huán)境、開(kāi)發(fā)者意志等諸方面的綜合信息，是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、工藝準(zhǔn)備、加工、檢驗(yàn)各部門之間具有了共

39、同語(yǔ)言，可更好將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖貫徹到各后續(xù)環(huán)節(jié)，促進(jìn)智能cad系統(tǒng)和智能制造系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，特征建模技術(shù)也是基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型的cad/cam/capp集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。 特征建模技術(shù)著眼于更好、更完整地表達(dá)產(chǎn)品全生命周期的技術(shù)和生產(chǎn)組織、計(jì)劃管理等多階段的信息，著眼于建立cad系統(tǒng)與cax系統(tǒng)、mrp系統(tǒng)與erp系統(tǒng)的集成化產(chǎn)品信息平臺(tái)。 思考題1. 舉例說(shuō)明cad/cam中建模的概念及其過(guò)程。2. 試分析三維幾何建模的類型及其應(yīng)用范圍。3. 實(shí)體建模中是如何表示實(shí)體的？4. 什么是體素？體素的交、并、差運(yùn)算是何含義？5. 試以回轉(zhuǎn)體為例，說(shuō)明特征建模的基本思想。第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析學(xué)

40、習(xí)目標(biāo)： 了解工程分析在設(shè)計(jì)/制造中的重要性；學(xué)習(xí)和理解有限元法的基本概念和步驟；學(xué)習(xí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念和常用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；學(xué)習(xí)仿真的概念，了解計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程。為使用計(jì)算機(jī)輔助工程分析（cae）軟件進(jìn)行工程分析奠定基礎(chǔ)。 學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：有限元法。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。學(xué)習(xí)建議： 復(fù)習(xí)前序課程學(xué)過(guò)的力學(xué)知識(shí)，掌握有限元分析的理論基礎(chǔ)。第一節(jié) 概述概述 近三十年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用及測(cè)試手段的不斷完善，機(jī)械設(shè)計(jì)已由靜態(tài)、線性分析向動(dòng)態(tài)非線性過(guò)渡；由經(jīng)驗(yàn)類比向最優(yōu)設(shè)計(jì)過(guò)渡；由人工計(jì)算向自動(dòng)計(jì)算，由近似計(jì)算向精確計(jì)算過(guò)渡。正是在這種情況下，將計(jì)算機(jī)引入工程分析領(lǐng)域，是機(jī)械設(shè)計(jì)中的一場(chǎng)巨大變革

41、。 計(jì)算機(jī)輔助工程分析的關(guān)鍵 是在三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，按實(shí)際條件進(jìn)行仿真和結(jié)構(gòu)分析；按性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和綜合評(píng)價(jià)，以便從多個(gè)方案中選擇最佳方案。計(jì)算機(jī)輔助工程分析通常包括: 有限元法、有話設(shè)計(jì)、仿真技術(shù)。第二節(jié) 有限元法有限元法不僅是結(jié)構(gòu)分析中必不可少的工具，而且廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)強(qiáng)度，熱傳導(dǎo)，非線性材料的塑性蠕變分析等領(lǐng)域。有限元法的基本思想：概念 先把一個(gè)原來(lái)是連續(xù)的物體剖分成有限個(gè)單元，且它們相互連接在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上，承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)平衡條件來(lái)進(jìn)行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合起來(lái)，成為一個(gè)組合體，再綜合求解。由于單元的個(gè)數(shù)有限，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也有限

42、，所以這種方法稱為有限元法。 有限元法解決問(wèn)題的途徑 力學(xué)分析方法可分為解析法和數(shù)值法，前者只能應(yīng)用于求解簡(jiǎn)單問(wèn)題，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題只能應(yīng)用數(shù)值法求出問(wèn)題的近似解。 有限元法解決問(wèn)題是物理模型的近似，而數(shù)學(xué)上不做近似處理。其概念清晰，通用性與靈活性兼?zhèn)?，能靈活妥善處理各種復(fù)雜情況。單元類型 采用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，依據(jù)分析對(duì)象不同，采用的單元類型也不同。 第三節(jié) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)，以求在給定技術(shù)條件下獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，保證產(chǎn)品具有優(yōu)良性能。 原則 其原則是尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)；其手段是計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件；其理論依據(jù)是數(shù)學(xué)規(guī)劃法。 應(yīng)用 如飛行器和

43、宇航結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足性能的要求下使重量最輕；使空間運(yùn)載工具的軌跡最優(yōu)；土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證質(zhì)量的前提下使成本最低；連桿、凸輪、齒輪、機(jī)床等機(jī)械零部件設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上使結(jié)構(gòu)最佳；機(jī)械加工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，在限定的設(shè)備條件下使生產(chǎn)率最高，等等。 主要內(nèi)容 引例基本概念和術(shù)語(yǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型常用有話設(shè)計(jì)方法有話設(shè)計(jì)的一般過(guò)程第四節(jié) 仿真技術(shù)模仿真實(shí)的系統(tǒng)，意指通過(guò)對(duì)模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。仿真（simulation）的關(guān)鍵是建立從實(shí)際系統(tǒng)抽象出來(lái)的仿真模型。 發(fā)展背景 一種新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)總要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、修改的反復(fù)過(guò)程。通常還需制造樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)等。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

44、，則要修改設(shè)計(jì)方案或參數(shù)，重新制造樣機(jī)，重新試驗(yàn)，致使新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)耗資大、周期長(zhǎng)。有的產(chǎn)品的性能試驗(yàn)是十分危險(xiǎn)的；還有的產(chǎn)品根本無(wú)法實(shí)施樣機(jī)試驗(yàn)，如航天飛機(jī)、人造地球衛(wèi)星。因此，迫切需要有一種方法和技術(shù)改變上述狀況。仿真理論和技術(shù)正是為此應(yīng)運(yùn)而生的。 仿真的基本概念計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程仿真在cad/cam系統(tǒng)中的應(yīng)用產(chǎn)品形態(tài)仿真 例如產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、外觀、色彩等形象化屬性。 汽車車身仿真 裝配關(guān)系仿真 例如零部件之間裝配關(guān)系與干涉檢查，車間布局與設(shè)備、管道安裝、電力、供暖、供氣、冷卻系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備布局規(guī)劃等方面。 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，包括自由度約束狀況、運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度變化等

45、。如加工中心機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、規(guī)律，機(jī)器人各部結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。動(dòng)力學(xué)仿真 分析計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)在質(zhì)量特性和力學(xué)特性作用下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和力的動(dòng)態(tài)特性。例如模擬機(jī)床工作過(guò)程中的振動(dòng)和穩(wěn)定性情況，機(jī)械產(chǎn)品在受到?jīng)_擊載荷后的動(dòng)態(tài)性能。思考題1. 計(jì)算機(jī)輔助工程分析的作用有哪些？2. 試述有限元法的基本原理。3. 歸納優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。4. 何謂仿真？它在工程中起什么作用？5. 舉例說(shuō)明計(jì)算機(jī)仿真的意義。6. 分析計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程。7. 舉例說(shuō)明仿真在cad/cam系統(tǒng)中的應(yīng)用。第六章 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)： 充分認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用的重要性，了解capp在cad/cam中的地位和作用；

46、掌握capp的基本工作原理和工作過(guò)程；學(xué)習(xí)和理解capp 中零件信息描述方法；掌握不同類型capp系統(tǒng)的研制過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù)；能夠設(shè)計(jì)和應(yīng)用簡(jiǎn)單的capp系統(tǒng)。 學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)建議： 對(duì)比傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程，理解其功能和意義； 注意瀏覽參考書(shū)和期刊雜志中關(guān)于企業(yè)使用capp的示例，加深對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的理解。第一節(jié) capp概述計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)，即 computer aided process planning，簡(jiǎn)稱capp，是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助工藝設(shè)計(jì)人員，以系統(tǒng)、科學(xué)的方法確定零件從毛坯到成品的整個(gè)技術(shù)過(guò)程，即工藝規(guī)程。一、capp的基本組成capp系統(tǒng)的工作過(guò)程與步驟：

47、capp的組成與基本結(jié)構(gòu)：二、capp的類型及其工作原理 1、檢索式capp2、派生式capp3、創(chuàng)成式capp 總結(jié)目前用派生法原理生成工藝規(guī)程的方法已經(jīng)比較成熟，創(chuàng)成法原理目前還不完善，現(xiàn)在號(hào)稱創(chuàng)成法系統(tǒng)的只是在部分功能上應(yīng)用創(chuàng)成原理，所以只能稱為半創(chuàng)成式的capp系統(tǒng)。三、capp的作用及意義克服傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的不足，促進(jìn)工藝技術(shù)的發(fā)展 大大提高工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量 將工藝設(shè)計(jì)人員從大量繁瑣、重復(fù)性的手工勞動(dòng)中解放出來(lái) 提高企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，促進(jìn)工藝設(shè)計(jì)水平的提高 能有效的積累和繼承工藝設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，提高企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的繼承性 為現(xiàn)代制造系統(tǒng)集成提供技術(shù)橋梁 與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)

48、計(jì)（cad）系統(tǒng)之間的信息交流 與計(jì)算機(jī)輔助制造（cam）系統(tǒng)之間的信息交流 與生產(chǎn)管理系統(tǒng)（mis）之間的信息交流 與制造自動(dòng)化系統(tǒng)（mas）之間的信息交流 與質(zhì)量保證（caq）系統(tǒng)之間的信息交流 第二節(jié) capp中零件信息的描述和輸入一、成組技術(shù)成組技術(shù)，是挖掘和利用生產(chǎn)活動(dòng)中的相似性的技術(shù)，通過(guò)分類成組，以便最大限度地獲取生產(chǎn)活動(dòng)中的批量效益，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、加工制造及生產(chǎn)管理等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。二、型面特征描述型面特征類型 幾何形狀特征：一般是組成零件型面特征的幾何單元。 拓?fù)涮卣骰蚍轿惶卣鳎河糜诒硎靖鲙缀涡螤畹捻樞蜿P(guān)系。 精度特征：用于描述幾何形狀的尺寸公差、形狀公差、

49、位置公差以及表面粗糙度等信息。 材料特征：描述型面的材料及熱處理信息。 其它技術(shù)特征：描述上述四大類特征尚沒(méi)有包括的技術(shù)特征參數(shù)。 型面特征描述的局限性 零件型面特征描述的信息量很大，需要人工逐個(gè)型面進(jìn)行分析后把信息逐條手工輸入，因此信息輸入的效率很低，過(guò)程十分繁瑣，而且容易發(fā)生錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響capp系統(tǒng)的效率。三、從cad系統(tǒng)直接輸入零件信息直接從cad的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中提取用于capp所需要的零件信息，是實(shí)現(xiàn)cad和capp信息集成的理想方法。它可以省去人機(jī)交互信息輸入的工作，大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，減少人工信息轉(zhuǎn)換與輸入可能出現(xiàn)的差錯(cuò)，有助于保證數(shù)據(jù)的一致性。在這方面已進(jìn)行過(guò)多方面嘗試，目前

50、仍在進(jìn)行研究和探索之中。 特征識(shí)別法 基于三維特征造型的零件信息描述與輸入方法 基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換規(guī)范（step）的產(chǎn)品建模與信息輸入方法第三節(jié) capp的類型從工藝生成的基本原理來(lái)分析，系統(tǒng)可分為三大類型 派生式（variant)研制過(guò)程：創(chuàng)成式（generative)主要內(nèi)容：零件描述方法、工藝決策邏輯、工藝決策過(guò)程、工序設(shè)計(jì)創(chuàng)成式capp系統(tǒng)主要解決兩方面的問(wèn)題： 工藝路線的確定 工序設(shè)計(jì)內(nèi)容 生成工藝規(guī)程主干，即指明零件加工順序（包括工步與工序的確定）以及各工序的定位與裝夾表面。 工序尺寸的計(jì)算、設(shè)備與工裝的選擇、切削用量的確定、工時(shí)定額的計(jì)算以及工序圖的生成等。 關(guān)系 前者是后者的基礎(chǔ)

51、，后者是對(duì)前者的補(bǔ)充。 創(chuàng)成式capp系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段 準(zhǔn)備階段 1. 了解所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)象； 2. 對(duì)本類零件進(jìn)行工藝分析； 3. 收集和整理各種加工方法的加工能力范圍和經(jīng)濟(jì)加工精度等數(shù)據(jù) 4. 收集、整理和歸納各種工藝設(shè)計(jì)決策邏輯或決策法則。 軟件編程階段 建立創(chuàng)成式capp系統(tǒng)的工作步驟 1. 零件的建模； 2. 確定capp系統(tǒng)獲取零件信息的方式；3. 工藝分析和工藝知識(shí)總結(jié)；4. 確定和建立工藝決策模型； 5. 建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)；6. 系統(tǒng)主控模塊設(shè)計(jì)；7. 人機(jī)接口設(shè)計(jì)；8. 文件管理和輸出模塊設(shè)計(jì)。專家系統(tǒng)(kb-knowledge based capp system） 定義

52、capp專家系統(tǒng)是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于capp系統(tǒng)中所形成的專家系統(tǒng)。以“推理+知識(shí)”為特征，包括知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)。其中，知識(shí)庫(kù)是由零件設(shè)計(jì)信息和表達(dá)工藝決策的規(guī)劃集組成，而推理機(jī)是根據(jù)當(dāng)前事實(shí)，通過(guò)激活知識(shí)庫(kù)的規(guī)則集，而得到工藝設(shè)計(jì)結(jié)果。 capp專家系統(tǒng)的工作原理 capp專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與一般capp系統(tǒng)是不同的，如下圖所示：思考題1. 簡(jiǎn)要分析capp系統(tǒng)的基本組成和功能。2. 簡(jiǎn)要說(shuō)明capp的作用與意義。 第七章 數(shù)控編程和仿真學(xué)習(xí)目標(biāo)： 掌握數(shù)控加工編程的概念和計(jì)算機(jī)輔助編程的一般原理，了解數(shù)控編程的方法和步驟；學(xué)習(xí)apt語(yǔ)言編程技術(shù)；學(xué)習(xí)圖形交互式自動(dòng)編程方法；了解數(shù)控程序的檢驗(yàn)方

53、法和仿真形式。 學(xué)習(xí)內(nèi)容：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程的概念、原理、步驟。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：圖形交互自動(dòng)編程技術(shù)。學(xué)習(xí)建議： 復(fù)習(xí)機(jī)床數(shù)控技術(shù)等相關(guān)知識(shí)，結(jié)合已學(xué)習(xí)的數(shù)控的基本概念去理解計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程的原理和方法； 如果有條件，學(xué)習(xí)使用cam軟件的nc編程與仿真功能。 第一節(jié) 概述一、數(shù)控加工編程的概念在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，要預(yù)先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過(guò)程、工藝參數(shù)和走刀運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，然后編制加工程序，傳輸給數(shù)控系統(tǒng)，在事先存入數(shù)控裝置內(nèi)部的控制軟件支持下，經(jīng)處理與計(jì)算，發(fā)出相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)，通過(guò)伺服系統(tǒng)使機(jī)床按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行零件的加工。二、數(shù)控編程的方法數(shù)控編程方法可以分為兩類：一類是手工編程，另一類是自動(dòng)編程。手工編程 手工編程是指編制零件數(shù)控加工程序的各個(gè)步驟，即從零件圖紙分析、工藝決策、確定加工路線和工藝參數(shù)、計(jì)算刀位軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)、編寫(xiě)零件的數(shù)控加工程序單直至程序的檢驗(yàn)，均由人工來(lái)完成。自動(dòng)編程 自動(dòng)編程是采用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)