计算机辅助设计课程讲稿.doc

第1章计算机辅助设计概论11机械设计概述 所谓机械设计就是根据使用要求确定产品应该具备的功能，构想出产品的工作原理、运动方式、力和能量的传递、结构形状、以及所用材料等事项，并转化为具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。 机械设计是产品从设计、制造、装配、销售和使用整个生命周期中的第个环节，也是最重要的环节，因为它对产品性能的影响通常占80。 机械设计过程如图1-1所示。设计一般经历以下几个阶段： 概念设计:通过调查研究，资料收集，仔细分析用户需求，在此基础上确定产品功能，进而构思方案，进行分析与论证，最后获得一组可行的原理性方案(见图11中的第2，3框)。 初步设计：从前一阶段一组可行性原理方案中选一优化方案，绘制总布置草图，确定各部件基本结构和形状，建立相应数学模型，进行主要设计参数的分析计算与优化。 详细设计：确定设计对象的细部结构，最终完成总布置图和零、部件图，并编写技术文件。详细设计的终结并不意味着最终获得了一个好的设计。机械产品在经历了制造加工、样机测试、批量生产、以及销售使用后，将返回大量信息，并对产品进行不断修改。由此可见，机械设计是一个“设计一评价一再设计”的反复迭代、不断优化的过程。在人工设计情况下，设计周期长，因此实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切要求，正是在这样的背景下产生了计算机辅助设计(CAD)图1-1 机械设计过程12 机械CAD方法概述 计算机辅助设计是用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计、修改及显示输出的一种设计方法。同时它也是一门多学科的综合性应用新技术。 从方法学角度看，在CAD中人与计算机密切合作，在决定设计策略、信息处理、修改设计及分析计算等方面充分发挥各自的特长。例如计算机在信息存储与检索、分析与计算、图形作图与文字处理以及代替人作大量重复枯燥工作等方面有特殊优点；但在设计策略、逻辑控制、信息组织及发挥经验和创造性方面，人将起主导作用。因此二者的有机结合必然能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计费用。 从技术角度看，60年代初出现的CAD技术主要解决自动绘图问题，随着计算机硬、软件技术及其它相关技术的发展，现在的CAD已成为一门综合性应用新技术，它涉及到以下基础技术。 (1)图形处理技术。如二维交互图形技术、三维几何造型及其它图形输入输出技术。 (2)工程分析技术。如有限元分析、优化设计方法、物理特性计算(如面积、体积、惯性矩等)、模拟仿真以及各行各业中的工程分析等。 (3)数据管理与数据交换技术。如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口等。(4)文档处理技术。如文档制作、编辑及文字处理等。(5)软件设计技术。如窗口界面、软件工程规范及其工具系统的使用等。 必须指出，CAD不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非常困难的，为此曾经走过弯路。CAD是将人的主导性与创造性放在首要地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信息交流及交互工作方式是CAD系统最显著的特点。图1-2表示了CAD系统的工作过程。 该图表示了整个设计过程中的一个子过程，此时假设概念设计已经完成，于是首先定义产品的几何模型，并将其转换成具体的数据，然后根据后续工作抽取模型中有关数据进行处理，例如变成有限元网格数据，接着进行工程分析及计算，根据计算结果决定是否要对设计进行修改，修改满意后进行详细设计，接着编制全部设计文档，输出工程图。图1-2 机械CAD过程现在的CAD过程往往与计算机辅助工艺规程设计(CAPP：Computer Aided Process planning)及数控自动编程连在一起，形成集成的CADCAM系统。图13给出了这种系统的工作流程图。图中一开始先根据市场需求确定产品的性能要求，然后用专家系统进行产品方案设计，由此再进行几何建模、工程分析、直到产生详细的工程图。CAPP的功能是进行零件加工工艺路线及工序的编制，它的作用除为生产调度及控制提供信息外，也为NC自动编程提供所需信息。NC自动编程部分生成刀具加工轨迹并在屏幕上进行加工仿真，检查无误后，经后置处理生成加工代码，控制机床进行加工。该图左边是工程数据库，构成了信息交换与集成的基础，右边列出了所需软件的种类。图1-3 CAD/CAM系统工作流程图13 CAD技术的发展简史 在过去五十多年中，CAD技术经历了四个主要发展时期。 120世纪50年代。美国麻省理工学院(MIT)于1950年在它研制的名为旋风的计算机上采用了阴极射线管(CRT)做成的图形终端，并能被动地显示图形。50年代后半期出现了光笔，由此开始了交互式计算图形学的研究。 220世纪60年代。这是交互式计算机图形学发展的最重要时期。1962年美国学者Ivan Sutherland研究出了名为sketchpad的系统，这是一个交互式图形系统。能在屏幕上进行图形设计与修改。从此掀起了大规模研究计算机图形学的热潮，并开始出现CAD这一术语。其后，1964年美国通用汽车公司宣布了它们的DACl系统，1965年洛克希德飞机公司推出了CADAM系统、贝尔电话公司宣布了GRAPHICl系统等。但由于当时刷新式图形显示器价格十分昂贵，因此CAD系统很难普及与推广。20世纪60年代后期存储管式显示器以其低廉的价格进入市场，使CAD系统的成本一下子下降了许多，变得能为许多企业所接受。于是出现了一批厂商，他们将硬、软件放在一起成套出售给用户，即所谓Turnkey系统(译为交钥匙系统)，并很快形成了CADCAM产业。 320世纪70年代。计算机交互图形技术日渐成熟，并在工业界中日益得到应用。此时各种论文、文献、教程及学术会议大量涌现。整个20世纪70年代是计算机图形学及计算机绘图获得广泛应用的时代。但此时它们大多数还是16位机上的三维线框系统及二维绘图系统。还只能解决一些简单的产品设计问题。 420世纪80年代。进入20世纪80年代，工业界认识到了CADCAM新技术对生产的巨大促进作用，于是在设计与制造方面对CADCAM销售商提出了各种各样的要求，导致了新理论、新算法的大量涌现。在软件方面做到了将设计与制造的各种单个软件集成起来，使之不仅能绘制工程图形，而且能进行三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析与仿真、注塑模设计等各种工程应用。其中尤为重要的是实体造型(Solid Modeling)理论与系统的发展与应用系统的发展与应用。此时出现了许多实体造型系统，如GMsolid(通用汽车公司)、Romuu s(ShapeData公司)、PADL-2(Rochester大学)、Synthevision-based(Applicon公司)、及solidesign(Computer Vision公司)等等。与此同时，计算机硬件及输入输出设备也有很大发展。32位字长的工程工作站及微机达到了过去小型机、甚至中型机的性能；价格低廉的彩色光栅图形显示器占据了统治地位；计算机网络获得了广泛的应用。所有这些形成了工作站和网络环境下的高性能的CAD/CAM集成系统。 在我国，从1985年到1990年，进行了大规模的CAD技术的开发与研究。在国家统规划下，选择了24种机械产品作为开发对象，包括汽车、拖拉机、农机具、装载机、减速器、内燃机、电动机、变压器、汽轮机、轴承、发电设备、组合机床、数控机床等等。参加技术攻关的单位达250多个，研究入人员1达2600人左右。除了开发上述产品的CAD应用系统外，还进行了CAD支撑系统的研制。按照CADCAM一体化的思想，将它们逐步发展为国产化商品软件。在微机CAD方面，也推出了许多系统，其中有个系统共有15个模块，包括机械零部件设计、冷冲模设计、传动系统设计、有限元分析、优化设计方法、数控加工、系统开发工具、结构形状优化、运动学动力学分析、三维实体及曲面造型、数据库、有限元前后置处理等。进入90年代，继续鼓励与强调CAD技术的研究与应用，正在进一步开发与完善一批CAD应用系统。计划在中、小型企业中推广，使设计工作中CAD工作的比重能达到20-50。为此还在全国建立了CAD技术的培训网，对在职人员分期分批进行新技术的继续教育。可以预见，到本世纪末，在我国各种科研、设计部门及企业中，必将普及CAD技术，实现设计的现代化。14 CAD技术在机械工业中的应用 根据美国的一项统计资料(Frost and Sullivan Report 1564)，CADCAM在美国各经济部门的销售额如表1-1所示。图l-4则是1986及1992年CADCAM的销售额在各经济部门中所占的比重。图1-4 CAD/CAM市场情况表1-1 CAD/CAM软件市场销售额CAD技术在机械工业中的主要应用有以下几方面： (1)二维绘图。这是最普遍最广泛的一种应用，用来代替传统的手工绘图。 (2)图形及符号库。将复杂图形分解成许多简单图形及符号，先存入库中，需要时调出，经编辑修改后插入到另一图形中去，从而使图形设计工作更加方便。 (3)参数化设计。标准化或系列化的零部件具有相似结构，但尺寸需经常改变，采用参数化设计的方法建立图形程序库，调出后赋以一组新的尺寸参数就能生成一个新的图形。 (4)三维造型。采用实体造型设计零部件结构，经消隐及着色等处理后显示物体的真实形状，还可作装配及运动仿真以便观察有无干涉等。 (5)工程分析。常见的有有限元分析、优化设计、运动学及动力学分析等。此外针对某个具体设计对象还有它们自己的工程分所问题如注塑模设计中要进行塑流分析、冷却分忻、变形分析等。 (6)设计文档或生成报表。许多设计属性需要制成文档说明或输出报表，有些设计参数需要用直方图、饼图、或曲线图等来表达。上述这些工作常由一些专门的软件来完成，如文档制作软件及数据库软件等。 从以上所述的应用情况来看，采用CAD技术会带来以下好处： (1)减少手工绘图时间。提高绘图效率。 (2)提高分析计算速度，解决复杂计算问题。 (3)便于修改设计。 (4)促进设计工作的规范化、系列化和标准化。 总之，采用CAD技术确实能够提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本，从而加快了产品更新换代的速度，使企业保持良好的竞争能力。但也要看到采用CAD技术会给企业带来一定的风险与问题，它们是： (1)投资较大。需要一笔较大资金购买硬、软件、支付培训及开发费用，并且这种投资一般不能期望在很短时期内产生效益，需有一段滞后期，因此有些企业往往望而却步。 (2)需要一支掌握CAD技术的、有良好素质的工程技术队伍，对原有队伍要进行技术上的培训。这也是影响企业能否有效采用CAD技术的一个重要因素。15 机械CAD技术的发展趋势本节主要介绍该技术在软件方面的发展趋势 1集成化 为适应设计与制造自动化的要求，特别是近年来出现的计算机集成制造系统(CIMS：Computer Integated Manufacturing System)的要求，进一步提高集成水平是CADCAM系统发展的一个重要方向。为此，必须在以下几方面提高水平。 (1)在几何造型方面必须实现从传统的实体造型到参数化待征造型的转变，以便建立包括几何信息在内的完整的产品信息模型(包括几何、工艺、加工、管理等信息)，创造CAD、CAPP、数控编程集成的必要条件。这个问题将在第10章中有详细介绍。 (2)CADCAM系统必须有自己统一的数据库及其管理系统。该数据库的结构要以产品信息模型为基础，使CADCAM系统内的各模块都从这个统一数据库进行信息存取。 (3)解决好不同CAD系统间产品模型数据的转换问题。目前大多数商用系统采用的是初始图形交换规范IGES(Initial，Graphics Exchange Speciation)，应该逐步向国际标准STEP(Standard for The Exchange of Product Model Data)靠拢。此外还应具备各种外部专用接口，以便与其它系统联接起来，例如与印刷排版系统等。 (4)集成系统内部应该包括种类更多、功能更为完善的设计与制造应用软件，例如CAPP软件、面向对象的各种应用软件、文字处理软件等等，使整个系统功能更为完善。 (5)解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用户能够协同工作。2智能化 现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而在设计活动中存在另一类符号推理型工作。包括方案构思与拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策、以及参数选择等等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。因此将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展的必然趋势。以下几个问题还给以更多的注意。 (1)发展新的设计理论与方法、特别是并行工程的设计理论以及概念设计的理论、它们都是当今CAD理论研究的热点。只有在新的理论指导下才有可能建立新一代智能CAD系统。才能解决目前还不能有效解决的诸如并行设计、方案设计、创新设计等问题。 (2)继续深入研究机械设计型专家系统中的一些基本理论及技术问题，如知识表达、知识获取、推理机制、工具系统的研制等。 3标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显出它的重要性。迄今已制定了不少标准，例如面向图形设备的标准CGI，面向用户的图形标准GKSs，PHICS、面向不同CAD系统的数据交换标准IGES和STEP，此外还有窗口标准等。随着技术进步，新标准还会出现，基于这些标准推出的有关软件是一批宝贵的资源，用户的应用开发常常离不开它们。更为重要的是有些标准还指明了CAD技术进一步发展的道路，例如STEP既是标准、又是方法学，由此构成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模、数据管理及外部接口等。习 题1、联系一项具体的机械设计问题阐明在手工设计时的设计过程。2、你认为应该怎样定义CAD?在CAD中人与计算机的作用是什么?3、举出一件你从事的CAD工作。画出解决这个问题的CAD过程。4、举出CAD发展史中若干重要事件。当今发展中有哪些重要事件?5、有些设计问题比其它设计来说更适合用CAD，为什么？这些设计有什么特点。6、企业采用CAD的好处与风险有哪些?为什么短期内效果不显著?7、怎样理解CAD/CAM集成?如何提高集成水平?8、CAD技术在智能化方面有哪些发展?9、你认为CAD的发展方向有哪些?第2章 计算机辅助设计系统CAD系统的特点是它的快速响应及图形的交互设计与显示输出的能力。人们常常问，CAD系统与一般计算机系统有何区别，区别表现在硬件与软件两方面。硬件方面的区别是CAD系统有专门的输入及输出设备来处理图形的交互输入与显示问题，例如采用图形终端，而不采用一般计算机系统中所用的字符终端。软件方面的区别表现在集成与界面上。CAD系统提供给用户所需的全部功能模块，并通过一个中央数据库集成起来。在界面方式上也往往不同于一般软件常用的数据文件或会话方式，而是采用了一套完善的交互操作方式。考虑到CAD系统本身的特点，本章将详细讨论系统的构成与分类、系统的硬件与软件、以及如何设计与选择CAD系统等问题。21 CAD系统的构成与分类211 系统的基本构成 图2-1表示了一个CAD系统的基本构成。它由三部分组成：(1)计算机，指图中的中央处理器(CPU)、键盘与图形显示终端；(2)图形输入设备；(3)绘图输出设备。输入、输出设备种类很多，可根据需要进行不同的选配。现代CAD系统均为交互系统，交互是靠用户操作图形输入设备来实现的。图2-1 CAD系统的基本构成212 系统的分类 本节从硬件角度将CAD系统划分为四类。 1主机系统(Mainframe-based system) 这种系统一般以大型机为主机，集中配备某些公用的外部设备，如绘图机、打印机、磁带机等。同时接出许多用户工作站及字符终端，如图2-2(a)所示。每个用户工作站的结构如图(b)所示，一般有一个图形终端，并配有图形输入设备，如鼠标或图形输入板等，键盘用来作文本或命令输入，屏幕图形则用点阵或激光打印机等硬拷贝机输出。 这种系统的优点是主机功能强，能进行大信息量的作业，如大型分析计算、复杂模拟和管理等。缺点是当终端用户过多时，会使系统过载，响应速度变慢，而且一旦主机发生故障，整个系统就不能工作。此外价格昂贵。这种系统在20世纪70年代较为流行，目前一般不再采用。 2小型机系统(Minicomputer-based system) 这种系统与图2-2的主机系统在形式上非常类似，只不过用小型机或超小型机代替图中的主机，用户工作站数量较少，一般在4到6个。这种小型机大都具有32位字长，操作系统采用虚拟存储技术，成本低，体积小，便于操作使用。后来的超小型机在速度、精度、存储、计算能力等方面完全满足了复杂CADCAM的要求。这种系统经常与软件配在一起销售给用户，这就是20世纪80年代盛极一时的Turnkey system，系统可以根据用户的需要及投资强度进行硬软件灵活的配置。销售商还提供良好的售后服务，如维修、培训及咨询等，一度席卷CADCAM市场。这种系统大多采用符合工业标准的各种硬件平台(如sun，HP，DEC及IBM公司等提供的计算机)，使用流行的操作系统，使用性能取决于软件水平，系统具有专用性。它的缺点是系统比较封闭，也即开放性较差。图2-2 主机系统3微型机系统(Microcomputcr-based system) 图2-3为一个微型机系统的构成，一般每台微机只配一个图形终端，以保证对操作命令的快速响应。近年来微机系统发展非常迅速，首先是因为32位字长的微机在速度、精度、内外存容量等方面已能满足CAD应用的要求，且价格越来越便宜；其次微机上的各种软件，从图形软件、下程分析软件及各种应用软件，满足了用户的大部分要求；再有现代网络技术能将许多微机及公共外设连在一起，做到厂网内资源共享。因此微机系统在中小型企业中得到了广泛应用。但也要看到由于目前微机在速度及内外存方面的限制，使一些大型工程分析，复杂三维造型等CAD作业在微机上运行还有定的困难。图2-3 微机系统 4工程工作站系统(Workstation-based system) 这种系统的结构与图2-3的微机系统非常相似。系统设计遵循这样一种思想：一个工程师使用一台计算机；而且还能使用所有的计算机。前半句话意味着放弃了多用户分时系统的结构，后半句话意味着采用网络技术。由于系统的单用户性质，保证了优良的时间响应，提高了用户的工作效率。 系统的另一个特色是工作站本身具有强大的分布式计算功能，能够支持复杂的CAD作业。能支持多任务进程。因此不能简单地将一个图形终端加在小型机或微型机上算作工程工作站。1981年国外曾经对什么是工程工作站规定了一些标准，当时认为它们必须是32位机，具有UNIX操作系统，并采用以太网。但由于硬件技术的飞速发展，目前许多微机也达到了上述标准，使工程工作站与微型机系统的界限变得模糊了。但由于工作站自身也在不断发展，所以从总体上看，其性能还是优于微机系统，它为各种功能强大的CAD/CAM软件及复杂应用提供了坚实的平台，装机容量正在逐年增加。这种系统目前所需的软硬件投资仍然较大。 CAD及CAM作业时常分散在不同部门或不同单位之间，各自独立的工作站及其孤岛式的工作方式无法进行设计信息的交流，也无法使各种作业协调一致地工作。此外，单个工作站的单用户性质及其站上资源的局限性使得系统资源的整体优势得不到充分的利用。鉴于以上原因，在CAD系统中采用网络技术就显得十分迫切与重要。 CAD系统的网络时常采用局域网(LAN：Local Area Network)，网上设备通过传输媒介(管线)相互传送信息。常见形式有三种，如图2-4所示。 1星网，见图2-4a)。网的中心是一台计算机，也称服务器，一般采用大中型机或超级小型机，周围是若干无外存的工作站，也称无盘结点。星网的优点是所有网上用户均能使用中心计算机上的数据库；缺点是一旦中心计算机出故障，则整个系统不能工作。 2.环网，见图2-4(b)。适用于工程工作站或微机连网。它的优点是网内用户能共享任一结点上的数据库或文件；此外，当某结点发生故障时，其余结点可照常工作。 3.总线网，见图2-4(c)。适用于将差别较大的设备连入网中。公共总线可长达2.5km，可接1024个设备，不够时，用中继器再接一条，形成分叉的树形结构。以太网(Ethernet)就是一种有名的总线网、在以太网上可以连接各种不同类型的工程工作站、微机、外设及终端等。还可将不同类型的局域网组合成复杂的网络，例如将环网接到总线网上，如图2-5所网络性能的好坏要看它的传输速度，它所支持的操作系统，以及用什么样的网络协议。所谓网络协议就是网上传输信息时所用的格式，必须采用标准的网络协议，最常用的就是TCPIP协议，它能支持各种操作系统，如UNIX、VMS及MSDOS。在TCP/IP基础上制定的网络文件系统(NFS)协议可使网络内用户具有透明的文件共享功能，可使不同结构、不同操作系统的计算机共同工作。22 CAD系统的硬件221 主机及外围设备 1.主机 主机由中央处理机(CPU：Central Prcessing Unit)和主存储器(也称内存)两部分组成，见图2-6。CPU包括控制器和运算器。控制器指挥和协调整个计算机的工作，具体功能是提取主存储器内的指令，分析指令的操作类型，然后接通各有关电路，实现各种动作，控制数据在各部分之间的传送。运算器执行指令要求的计算和逻辑操作，输出计算的结果及逻辑操作的结果。在控制器和运算器中都有寄存器作为暂时的信息写入与取出的地方，存取速度均比从主存储器中存取要快。主存储器用来存放指令、数据及运算结果(也包括中间结果)，制成存储器芯片。主存储器一般包括：随机读写存储器(RAM：Random Access Memory)，存放各种输入、输出数据及中间结果，与外存储器交换信息，RAM中信息既可读出，也可写入；只读存储器(ROM：Read Only Memory)，信息只能读出，不可写入，故信息是不变的，断电后不会丢失，一般用来存放固定程序，如管理、监控、汇编、诊断程序等。图2-4 三种局域网形式图2-5 环形网与总线网的组合图2-6 主机结构 2外存储器用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。当使用这些信息时，由操作系统根据命令调入内存。外存储器的特点是容量大但存取速度慢。常见种类有：(1)磁带机；(2)磁盘；(3)光盘。3输入输出设备 (1)键盘 (2)字符终端 (3)打印机222图形输入设备 图形输入设备有三种类型。第一类是定位设备，操作方式是控制屏幕上的光标并确定它的位置。在窗口及图标菜单环境下，定位设备除了定位功能外，还兼有拾取目标、选择对象、跟踪录入图形、及徒手画草图等功能。具体的物理设备有图形输入板及其触笔、光笔、鼠标器、操纵杆(Joystick)及跟踪球(Trackball)等。第二类是数字化仪，能将放在上面的图形用游标器指点摘取大量的点，进行数字化后存储起来.第三类是图象输入设备如摄象机、录象机、扫描仪(scanner)等，图形经图象数字化及图象处理后输出，这类输入将成为CAD系统非常重要的输入方式。223 绘图输出设备 CAD系统设计的结果在大部分情况下仍然要画在纸上，以便在生产中使用及交流。这类输出设备统称为硬拷贝机，常见的有打印机与绘图机。224图形显示设备 图形显示器是CAD系统中最为重要的设备，它不仅能随时显示所设计的图形，而且还能让用户对这些图形进行增、删、改、移动等交互操作，因此它不单纯是被动地显示图形，而是一种交互式的图形显示。 23 CAD系统的软件231系统软件 就软件配置而言，CAD系统应具备两类软件，即系统软件和应用软件。应用软件的范围很广，为更清楚起见、可分为CAD支撑软件及用户开发的应用软件两种，前一种一般在市场上可以买到，后一种则需经用户开发而成，图2-7表示了这些软件间的层次关系。系统软件指操作系统及语言等，它们不是用户的具体应用程序，而是着眼于计算机资源的有效管理，用户任务的有效完成，以及操作的方便，目的是要构成一个良好的软件工作环境，供应用程序的开发使用，包括以下软件。 1操作系统(OS：Operating System) 具有五方面的管理功能，即内存分配管理、文件管理、外部设备管理、作业管理及中断管理。目前最常用的是多用户、多任务操作系统UNIX，已成为事实上的工业标准，从工作站到微机均有使用，它在微机上的变种有XENIX，ONIX及VENIX等。微机上使用最多的要数磁盘操作系统Windows。图2-7 CAD软件层次 2计算机语言汇编语言是一种与计算机硬件相关的符号指令，如Intel8088的汇编指令中有MOVAX100，意思是将常数100送到寄存器AX中。汇编语言属低级语言，执行速度快，能充分发挥硬件功能，常用来编制最底层的绘图功能，如画点、画线等。此外当涉及到硬件设备时，如编制驱动程序时，也往往用它。 另一类称高级语言，与自然语言比较接近，所编程序与具体计算机无关，经编译及与有关库连接后即可执行。目前有许多语言，而且还在发展，用得较广的有BASIC，FORTRAN，PASCAL, C,C+等。在人工智能方面用得较多的语言有门LISP，Prolog等。3窗口系统 从直观来看，窗口系统是由窗口、菜单、按钮等图形对象组成的一个图形用户界面，用户的操作就是对这些图形对象的操作。有人将窗口系统称为第二操作系统，它构成了多任务多窗口的工作环境，具体说有以下持点。 (1)采用位图形成图标、窗口、菜单、按钮等界面组成都分。 (2)用鼠标移动光标，直接指点图形对象完成各种操作。 (3)用户可根据个人喜爱对界面进行裁剪和定制。 (4)出错保护与强有力的学习指示功能(Help功能)。 (5)提供强有力开发工具使用户的应用纳入它的环境中。 窗口系统的结构层次如图2-8所示，在显示模型与窗口模型层一般采用工业标准X11。用户模型层目前有两种规范，OPEN LOOK及MOTIF，但尚未成为工业标准。最上层的桌面管理系统是供用户实际使用的界面环境。当前窗口系统的软件产品很多，在UNIX操作系统环境下有SUN公司的Open Windows，OSF(Open SoftWare Foundation)的Motif,DEC公司的DEC window，IBM公司的Office Vision等，在微机上有APPlE公司的Macintosh，Microsoft公司的windows，IBM公司在OS2操作系统上的Presentation Manager等。图2-8 窗口系统的结构层次 4网络通信及管理软件 现在CAD系统都是联网系统，用户能共享网内全部软硬件资源，可以使工作小组共同进行某个产品的辅助设计或开发同一软件系统。为了使网络中信息交换能正常有效地进行，一般都分层次规定了双方通信的约定，称为协议。目前这种层次型网络协议已逐步达到了标准化，国际标准的网络协议方案为“开放系统网络标准模式”(OSI)，它分为七层，即应用层、表达层、会话层、传送层、网络层、链路层和物理层。以太网(Ethernet)是国际著名的局域网络之一，它的结构功能分层完全和0SI模式相对应，工作可靠，易于扩充，所以被广泛采用。以太网属总线型，一般结构如前面图2-4(c)所示。 5数据库及数据库管理软件 数据库(DB：Data Base)可定义为以一定的组织方式存储在计算机中相互有关数据的集合。它能以最佳方式、最少重复、最大的独立性为多种应用服务。支持人们建立、使用和修改数据库中数据的软件称为数据库管理系统(DBMS：Data Base Management System)。而数据库系统则由数据库和数据库管理系统所组成。 在计算机网络环境下，为了支持从CADCAM、生产管理、制造系统等集成的需要常常采用分布式数据库管理系统(DDBMS)，以支持各种任务对复杂工程数据的管理需要。图2-9给出了分布式数据库管理系统的一般结构，图中DBl、DB2等是在不同结点上的数据库。图2-9 分布式数据库系统结构目前市场上有大量商品化的数据库系统，如DBASE，FoxBASE ORACLE等，它们都属于商业用数据库系统。CADCAM需要工程数据库的支持，但这类软件目前还不太成熟现在实际上常常借用商业用数据库，进行必要的开发，以解决工程数据的管理问题。232 机械CAD支撑软件 支撑软件从功能上划分可分成三类：第一类解决几何图形设计问题；第二类解决工程分析与计算问题；第三类解决文档写作与生成问题。 1基本图形资源软件 这是一些根据各种图形标准或规范实现的软件包。大多是供应用程序调用的图形子程序包或函数库。由于是根据标准研制而成的，因此与计算机硬件无关，利用它们所编写的应用程序原则上可以在具有这些图形资源的任何计算机上运行，因此有优良的可移植性。事实上许多著名的商品化的二、三维交互图形系统，其底层图形功能就依靠它们。用户在应用开发时不应忽视利用这部分图形资源，尤其在从事某些深入的应用开发时更是如此。 这些图形资源比较流行的有面向设备驱动的CGI(Computer Graphics Interface)，面向应用的图形程序包GKS(Graphics Kernal Syslem)及PHIGS(Programmers Hierarchical interactive Graphics System)。 2二、三维绘图软件 这类软件主要解决零件图的详细设计问题，输出符合工程要求的零件图或装配图。它们分为交互式绘图与程序调用两类，目前主要采用交互式图形系统，在这些系统中也常常提供程序调用的接口。 商品化的交互式绘图系统种类很多，在微机上有AutocAD，CADKey，PD(Personal Design)及众多的国产软件，在工作站上大多属于CADCAM系统中的一个模块，如美国美国SDRC公司的IDES系统中的Drafting模块，HP公司的ME10模块等等。程序调用的绘图系统过去比较著名的有PLOT10，GINO-F等，目前已很少使用。 3几何造型软件 这类软件主要解决零部件的结构设计问题，存储它们的三维几何数据及相关信息。目前大多采用实体造型系统(Solid Modeling System)解决一般零部件的造型；采用曲面造型系统解决复杂曲面的造型。正在大力发展参数化特征造型系统，以满足CAD/CAM集成的要求。几何造型软件同样可在微机及工作站上找到，如AutoCAD、I-DEAS、Pro-E、UG、Solidwork、Solidedge等。 4工程分析及计算软件 针对机械领域的需要，时常配置以下商品化软件。 (1)计算方法库。解决各种数学计算问题。 (2)优化方法库及常用零部件优化模型库。 (3)通用或专用的有限元分析及其前后置处理程序，如SAP、ADINA、ANSYS，NASTRAN等。 (4)机构分析及机构综合的软件。机构分析是要确定机构的位置、轨迹、速度、加速度，计算节点力及弹簧力，校验干涉，显示机构静态、动态图及各种分析结果的曲线等。机构综合是根据产品要求自动设计出一种机构。 (5)机械系统动态分析软件。广泛采用模态分析法，分析系统的噪音、振动等问题。 (6)注塑模具分析软件。可以进行塑流的流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析及结构应力分析等。 5文档制作软件这类软件可以快速生成设计结果的各种报告、表格、文件、说明书等，可以方便地对文本及插图进行各种编辑，还应支持汉字处理。目前许多CADCAM系统中均有这样的模块，有的称为智能文档制作模。24 CAD系统的设计与选择241 CAD系统设计应考虑的问题 CAD系统设计的任务就是要决定硬软件的配置，此时需考虑以下三个重要问题: 1明确系统的需求 首要的是要确定领域对象，即设计哪类产品；然后根据实际需要，确定解决问题的深度、要达到的具体目标及存在的关键技术。 2确定近期目标与长远目标 要根据人力、资金、现有技术水平等约束条件来确定近期目标也要考虑到将来的发展以确定长远目标。因此要解决好几对矛盾，即现在与未来、系统的专用性与通用性、实用性与先进性等关系。 3确定系统的集成水平 这在头两点分析清楚以后便可基本明确，由此提出对数据库、网络、数据交换、各种接口等的具体要求。242 选择CAD系统的准则 在具体选购及配置系统时，以下准则可作参考： 1硬件系统要有良好的开放性且符合工业标准 可以用是否采用UNIX相windows等操作系统、以太网、流行的CPU芯片来衡量，这样就有利于系统进一步扩充、联网及支持更多种类的外围设备。 2软件系统要满足以下三点要求 (1)用标准操作系统。 (2)良好的用户界面。对新手与熟练使用者能够分别提供菜单驱动与简单命令的操作方式，要允许用户加入自己定义的菜单。 (3)齐全的技术文档，优良的可读性，还应具备屏幕在线使用说明(即HELP功能)。 3优良的几何造型及绘图功能 几何造型是CAD的心脏，应能提供丰富的图形实体种类，能用用户工作坐标系进行造型，有强大的图形编辑功能，能支持标准的图形数据交换规范，具有内部统一的数据库以支持系统内外的集成等。在绘图功能方面能快速、方便地完成零件图的详细设计。 4功能丰富 能支持各种应用，例如装配体生成及装配图绘制；在设计方面能进行物体物理特性计算、公差分析、有限元分析、机构分析等工作；在制造方面能进行数控自动编程、刀具轨迹仿真、数控后置处理、辅助工艺规程设计(CAPP)、机器人仿真等工作。而且它们是能够集成在一起的。 5整个软硬件系统运行可靠，维护简单，性能价格比优良 6良好的售后服务厂商有良好信誉，能提供培训、故障排除及其它技术服务习 题1CAD硬件系统有哪些类型，分析它们的优缺点。你见过哪几类?试分析它们的发展前景。2你见过哪几种绘图机，说出它们的优缺点。3叙述各类显示器的工作原理、优缺点和适用范围。4CAD软件应如何配置？试结合某一实际情况列出软件配置的清单。5你使用过哪些CADCAM商品化软件，它们有哪些模块，功能如何?6你认为设计与选购CAD系统时应考虑哪些问题?第3章 工程手册的数据处理 在机械设计过程中、往往需要从有关的工程手册或设计规范中查找各种系数或数据，如何将这种人工查找转变成在CAD进程中的高效、快速处理，这就是本章要讨论的中心问题。 从总体上说，设计资料的处理方法有以下三种。 (1)程序化。即在应用程序内部对这些数表及线图进行查表、处理或计算。具体处理方法不外乎有两种，第一种将数表中的数据或线图经离散化后存入一维、二维或三维数组，用查表、插值等方法检索所需数据；第二种将数表或线图拟合成公式，编入程序计算出所需数据。 (2)文件存储。即将数表或线图中的数据存在数据文件中，使用时由应用程序读取并处理后，供应用程序使用。 (3)数据库存储。将数表及线图(经离散化)中的数据按数据库的规定进行文件结构化，如确定文件名、字段名、字段类型、字段宽度等，存放在数据库中，数据独立于应用程序，但又能为所有应用程序提供服务。 本章只讨论程序化问题。31数表的程序化 在设计手册或规范中，有各种形式的数表，从函数角度看，有单变量表，也有双变量及多变量表。其中有些数表本来有精确的计算公式，因为要方便手工设计，才制成表格供设计中查用，对这类数表要力求找到原来的理论计算公式或经验公式，编入应用程序，这是最简单的处理办法。但对大多数数表而言，或本来就无表达公式，或一时难于找到原来公式，就只能进行程序化处理。311 六个实例 1标准三角胶带型号及断面尺寸(见表3-1)此表查表时，只有一个自变量，即型号，且为非数值型；查得的函数值即为胶带的顶宽、断面高等。均为离散型实型数。程序化时可定义4个维数组，并将表中数值填写在程序中，使数组初始化，再定义个整型变量i代表型号，当i=0时代表O型，i=1时代表A，依次类推。 2平键尺寸及键槽尺寸(见表3-2) 查表时，根据设计中计算出来的直径dgiven，决定它位于表3-2轴径D的哪个范围内，由此查出b，h，t，t1的值。轴径D是一个数值范围，编程时可将它的上限或下限记入一维数组内，表中其余列的值也放入自己的一维数组内。以下是变量及数组的定义，以及查表程序的流程图。图3-2 平键、键槽尺寸的查表流程图3包角影响系数K2(见表3-3)表3-3包角影响系数查表时根据查K2值, 与K2均为数值型，可设计二个一维数组来实现。但因计算所得的实际包角可能不会正好是表3-3中所列的值，自然相应的K2值也不会正好是表中之值，因此要用一元函数插值求解。4齿轮传动工况系数度i(见表3-4)表3-4齿轮传动工况系数 决定工况系数值时有两个自变量，即原动机的载荷持性和工作机的载荷特性，它们原本无数值概念，现分别定义整型变量i=02及j=02代表不同工况，用一个二维数组KK33记录表中系数值。因为表中自变量及函数的值均为离散因此查表时无须插值，查表的流程图如下：图3-3 齿轮传动工况系数查表流程图5轴肩圆角处理论应力集中系数(见表3-5)表3-5 轴肩圆角处的理论应力集中系数决定系数时，有两个自变量，即rd和Dd，因此这是一个二维查表问题。将表中系数值记录在一个二维数组AA610中。这个查表问题的特殊之处是二个自变量及系数均有可能是连续量，这是因为由设计所得的D，d及r值在一定范围内是随机的，因此必须采用二元函数插值。 6单根三角胶带所传递的功率N0。(见表3-6) 此表中为了要查得单根胶带所传递的功率值N0，必须取决于三个自变量，即型号、小带轮计算直径及皮带速度，因此是一个三维查表问题。可将表中N0值记录在一个三维数组中。例如NN7425，这时如果还在程序中对此数组初始化会很不方便，因为数据太多了。可将表中所有N0值放在一个数据文件中，当程序开始运行时打开文件，将数据读入三维数组中。值得指出的是这类问题可以降为连续的二个低维查表问题，本例可先由型号及小带轮计算直径查出表中一行数据，再根据皮带速度进行一维查表，在后一个查表中要用一元函数插值。前面4、5中的二维查表问题也可化为两个连续的一维查表问题。总之，在实际程序化时可灵活掌握。312一元函数的插值设有一用数据表格给出的列表函数,如表3-7所示。表3-7 列表函数 由于列表函数只能给出结点处的函数值，当自变量为结点的中间值时，就要用插值法求取其函数值。 插值法的基本思想是在插值点附近选取几个合适的结点，过这些选取的点构造一个简单函数g(x)，在此小段上用g(x)代替原来函数f(x)，这样插值点的函数值就用g(x)的值来代替。因此插值的实质问题是如何构造一个既简单又具有足够精度的函数g(x)。图3-4 线性插值示意图 1线性插值 条件是给定x，求其函数值y。由图3-4可知，步骤如下： (1)选取两个相邻自变量与，满足条件:； (2)过及两点连直线g(x)代替原来的函数f(x)，则y为: (3-1)为了与后面抛物线插值的公式在形式上取得一致，可将公式(3-1)改写成 g (3-2) 从图3-4可以看出，这种插值存在一定误差，但当表格中自变量值间隔较小时，而插值精度又不要求很高时，是可以满足使用要求的。线性插值程序的流程图见图3-5。图3-5 线性插值程序流程图 图3-6 抛物线插值示意图2抛物线插值在f(x)上取三点，过三点作抛物线g(x)，以g(x)替代f(x),显然可以获得比线性插值精度高的结果，图解示意图如图3-6所示。 如已知插入值x，则: (3-3)在抛物线插值中，关键是根据插值点x选取合适的三个点，选取方法归纳如下：设插值点为x，且有，(i3，4，n一1) (1)若，即靠近点，则选 这三个点，这时式(3-3)中的。 (2)若，即靠近点，则选这三个点，这时式(3-3)中的。 (3)若，即靠近表头，则选这三个点，这时式(3-3)中的。 (4)若，“即靠近表尾，则