cad、cam复习资料

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD): 指工程技术人员以计算机为工具完成产品设计，达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本这一过程的各项工作，包括设计、工程分析、仿真、绘图、编撰技术文档计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning, CAPP): 指工艺人员借助计算机，根据产品设计结果和产品制造工艺要求，交互或自动地确定产品加工方法和方案的设计，包括毛坯选择、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM) 计算机辅助制造有广义和狭义两种定义: 广义CAM 指借助计算机完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，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、质量检测与分析 狭义CAM 通常指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、后置处理及NC代码生成CAD/CAM集成CAD/CAM集成实质：在CAD、CAPP、CAM各模块之间形成相互信息的自动传递和转化CAD/CAM的基本功能 :交互功能 、图形显示功能 、存储功能 、输入输出功能CAD/CAM的主要任务：几何建模 描述基本几何实体（如大小）及实体间的关系（如几何信息），进行图形图像的技术处理工程绘图 CAD系统的重要环节，产品最终结果的表达方式优化设计 CAD/CAM系统应具有优化求解的功能，也就是在某些条件的限制下，使产品或工程设计中的预定指标达到最优。计算分析 对象包括几何特征（如体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量）和物理特征（如应力、温度、位移）有限元分析 CAD/CAM 系统结构分析中的常用方法是有限元法，这是一种数值近似解方法，用来解决结构形状比较复杂零件的静态、动态特性计算，强度、振动、热变形、磁场、温度场、强度、应力分布状态等计算分析。 计算机辅助工艺规程设计设计的目的是为了加工制造，而工艺设计是为产品的加工制造提供指导性的文件，是CAD与CAM的中间环节、数控编程 分析零件图和制订出零件的数控加工方案后，采用专门的数控加工语言（例如APT语言），提供数控机床各种运动和操作的全部信息数控编程 分析零件图和制订出零件的数控加工方案后，采用专门的数控加工语言（例如APT语言），提供数控机床各种运动和操作的全部信息动态仿真 计算机辅助测试技术 计算机辅助测试技术结合计算机技术、测量技术、信号处理及现代控制理论形成了一门新兴综合性学科工程数据管理 CAD/CAM系统数据量大、种类繁多，因此CAD/CAM系统应提供有效的管理手段，支持工程设计与制造全过程的信息传输与交换，随着并行作业方式的推广应用，还存在着几个设计者或工作小组之间的信息交换问题，因此CAD/CAM 系统应具备良好的信息传输管理功能和信息交换功能CAD/CAM技术的应用1 将设计人员从大量繁琐的重复劳动中解放出来，减少设计、计算、制图、制表所需的时间，缩短了设计周期，提高了产品的质量，有利于发挥设计人员创造性 2 借助计算机辅助分析技术，可从多方案中进行分析、比较、选出最佳方案，实现设计方案的优化 3 有利于实现产品的标准化、通用化和系列化 4 促进先进生产设备的应用， 在较大范围内适应加工对象的变化，提高生产过程自动化水平，有利于企业提高应变能力和市场竞争力 5 CAD/CAM的一体化，可以实现信息集成，使产品的设计、制造过程形成一个有机的整体，在经济上、技术上给企业带来综合效益CAD/CAM系统的组成 CAD/CAM系统运行环境构成：硬件、软件和人 硬件提供CAD/CAM系统潜在的能力 软件是开发、利用其能力的钥匙 CAD/CAM系统的硬件：硬件包括一切可以触摸到的物理设备；硬件系统是实现系统各项功能的物质基础，它由计算机，存储设备，显示设备，人机交互设备和输出设备等组成 CAD/CAM软件CAD/CAM系统的软件 系统软件与计算机硬件直接关联，起着扩充计算机的功能和合理调度与运用计算机的作用 特点： 基础性：各种支撑软件及应用软件都需要在系统软件支撑下运行 通用性：不同领域的用户都可以和需要使用。应用软件要借助于系统软件编制与实现 支撑软件 支撑软件指直接支持用户进行 CAD/CAM工作的通用性功能软件，不同的支持软件依赖一定的操作系统，是各类应用软件的基础。支持软件可从软件市场上购买，用户也可自行开发。功能独立型支撑软件。 分类：交互绘图软件 、几何建模软件 、优化方法软件 、有限元分析软件 、数控编程软件 、数据库系统软件 模拟仿真软件 应用软件 应用软件是在系统软件和支撑软件基础上，针对用户具体要求而开发的程序。在具体的CAD/CAM应用中，必须进行二次开发，根据用户要求开发用户化的应用程序 如：塑料模具设计软件、冷冲模具设计软件、组合机床设计软件、机床夹具设计软件 分类：交互型 、自动型 、检索型 、智能型 CAD/CAM系统选择的原则 实用化原则 CAD/CAM系统是一项实用性、针对性很强的技术，具有高投入、高产出、高风险的特征。设计系统时必须明确应用领域和对象，要达到的目标及需要的关键技术 适度先进性原则 CAD/CAM技术是一项处于不断发展和完善中的技术。设计系统时，要有发展的眼光，对 CAD/CAM技术的未来有一定的预测，选用实用性强、技术先进且成熟的设备与软件，降低投资风险 系统性原则 系统性原则有两方面含义，一是指在系统设计时要充分考虑功能、软硬件配置上的完整性，二是指充分考虑各硬件设备和软件在功能、性能方面的匹配。由此确定系统集成水平，提出对系统硬件、软件、数据库、网络、接口的具体要求 整体设计与分步实施原则 设计时既考虑实用性和企业承受能力，又要考虑先进性和系统性。将近期目标与长远目标相结合设计时充分考虑系统性、完整性和先进性，实施时充分考虑实用性和承受能力，分步实施，逐步建设 硬件选用原则 系统功能 CPU的能力，内、外存容量，输入、输出性能，图形显示和处理能力，多种外部设备的接口，联网能力 系统的升级扩展能力，由于硬件的发展更新很快，为保护用户的投资不受或少受损失，应注意欲购产品的内在结构，是否具有随着应用规模的扩大而升级扩展的能力，能否向下兼容，在扩展系统中继续使用 系统的开放性和可移植性 开放性：独立于制造商，遵循国际标准的应用环境；为各种应用软件提供数据、信息，提供交互操作移植界面；新安装的系统能与原安装的计算机环境进行交互操作可移植性：应用程序从一个平台移植到另一个平台的方便程度 、系统的可靠性、可维护性与服务质量 软件选用原则 软件性价比 选用软件要进行系统调研与比较，选择满足要求、运行稳定可靠、容错性好、人机界面友好、具有良好性能价格比的产品 开放性 选用的软件应与系统中的设备、其他软件和通用数据库具有良好的接口、数据格式转换和集成能力，具备驱动绘图机等设备的接口，具备升级能力，便于系统的应用和扩展 二次开发能力与环境 为高质、高效地充分发挥软件的作用，通常都需进行二次开发，要了解所选软件是否具备二次开发可能性、开放性程度、所提供的二次开发工具、二次开发所需环境和编程语言 与硬件匹配性 不同的软件往往要求不同的硬件环境支持。如软、硬件都需配置应先选软件，它决定着系统功能 软件商的综合能力 信誉、经济能力、培训支持一、某企业产品设计部门有12位技术人员，均从事产品的设计、分析和基础绘图工作，请尝试为该企业进行CAD/CAM软硬件系统的配置：答：硬件配置：1、 为每位技术人员配置一台微机型CAD工作站，以便各自独立工作。 2、 配置一台具有一定存储容量和安全性能的服务器，用于存储设计资料和共享软件。3、 一部共享的图形输出设备和打印设备，图形输出设备规格视所绘图纸最大图幅而定。4、 在该设计部门构造一个局域网，并与外部internet/intranet网连接。 软件配置：1、 系统软件：windows xp/2000. 2、 配置一套网络型具有综合功能的CAD/CAM系统如PROE，作为产品造型、图形绘制、数控编程的支撑软件工具。 3、 一套网络型如ANSYS有限元分析软件，用于产品结构计算与分析。 4、 12套二维绘图软件如AUTOCAD2008，用于工程图样的绘制。 5、 一套大于12节点的产品数据管理软件系统如PDM，用于设计资料的管理，产品配置管理以及产品设计流程的管理，该软件系统特别注意设计资料的安全性和权限的管理。二、某单位从事机械产品设计及新产品开发工作，试为其设计一套适用于中、小型产品开发的CAD/CAM系统，要求如下：1、绘出系统网络图；2、简述各部分在系统中的主要作用；3、为该系统配置系统软件和支撑软件。1、根据要求，可采用局域网络结构，由一服务器通过集线器连接若干PC工作站，如下图所示。 2 各组成部分的主要作用： （1） 服务器：安装CAD/CAM软件系统。（2） 集线器：连接服务器、PC工作站和互连网。（3） 打印机：文档输出。（4） 绘图机：图纸输出。3 系统主要软件： （1） 操作系统：Windows XP（2） 支撑软件：AUTOCAD 2008 ，用于二维绘图；Pro/E wildfire4.0,用于三维建模和数控编程。三、某工程师从事机械产品及新产品开发工作，试为其设计一PC机CAD/CAM系统，并能进行二次开发（1）绘出系统的基本结构图（2）为该系统配置硬件，并说明主要的硬件参数（3）为该系统配置软件，并说明应具备的功能模块。答：1、 操作者输入系统计算机系统 打印机绘图机外存设备显示终端 2、硬件:CPU PIV 2.0G,内存1GB,外存160G，显存256M，显示器17寸液晶显示器3、软件（1）系统WINDOWS2000/XP（2）支撑：PROE WILDFIRE4.0中文版功能模块：二维绘图、三维建模、数控编程、机构运动分析、有限元分析、开发工具包（3）数据库ORACLE（4）编程工具VC+6.0数表的计算机处理技术 设计数据或资料的计算机常用处理方法：数表的数组化 将数表(含线图离散化而成数表)中的数据编入程序，存入一维、二维或多维数组，再根据已知条件自动检索和调用所需数据数表的文件化 数据量很大，用数组不便于处理，可将数表中（含线图离散化而成数表）的数据，存入数据文件或数据库中，数据独立于应用程序 ，使用时通过检索程序查询和调用所需数据数表的公式化 将数表或线图转化为公式编入程序，再根据已知数据计算出所需数据线图的计算机处理技术设计资料中，常用部分由直线、折线或各种曲线构成线图直观地表示出参数间的函数关系；线图不能直接存储，需进行计算机化处理 一般做法： 若能查到线图原有的公式，将公式编写到程序中； 将线图离散为数表，然后将数表进行程序化处理； 用曲线插值或拟合的方法求出线图的近似公式，再将公式编写到程序中。线图的离散化处理 为了将曲线图变换成数表，可将曲线进行分割离散，用这些分割离散点的坐标值列成一张数表 分割离散的原则： 各分割点间的函数值相差不大；分割点的选取随曲线的形状而异，陡峭部分分割密集一些，平坦部分分割稀疏一些线图的公式化处理 由于数据的离散性和离散数量的有限性，相邻两数值点之间的函数值只能选取相近的数据，会给计算带来误差。 数表的存储和使用，会占用较多的计算机资源和存储空间，增加计算机检索时间；函数插值 ：方法 线性插值、抛物线插值和拉格朗日插值 曲线拟合 用插值法对列表函数进行公式化处理是一种比较简便的方法，但存在两方面不足： 插值函数严格通过列表函数中的每个节点，而这些节点数据往往由试验所得，不可避免的带有试验误差，这样得到的插值公式复映了原有的节点误差； 仍需将各节点数据存储在计算机内，占用存储空间。 函数拟合有多种方法，最常用的为最小二乘法 数据库的基本原理数据库技术是在人工管理，文件管理技术上发展起来的数据管理技术 数据库以文件方式存储数据，是数据的一种高级组织形式。在应用程序和数据库之间，由数据库管理软件DBMS 把所有应用程序中使用的相关数据汇集起来，按统一的数据模型，以记录为单位存储在数据库中，为各个应用程序提供方便、快捷的查询、使用 数据的人工管理是计算机发展中最早采用的、也是最直接的数据管理方式。程序中用到的数据，包括数据的存储、操作都必须由程序员自己编程管理数据的文件管理指数据可用统一格式，在计算机存储器中以文件形式长期保存的方式 特 点 说 明 数据模型复杂描述数据的同时，也描述数据之间的联系，即数据结构化 数据共享性好，冗余度低 数据库从整体观点处理数据，面向系统，因而弹性大，使用灵活，实现了数据共享 数据具有独立性 数据可独立于程序存在，应用程序也不必随数据结构的变化而修改 数据具有安全性和完整性 数据库系统提供数据的控制功能，保护数据，防止不合理使用； 保证数据的确定性、有效性和相容性，即数据的完整性 数据库对所有数据实行统一、集中、独立的管理，实现数据的共享，保证数据的完整性和安全性，提高了数据管理效率数据库管理系统 数据库系统由相应的硬件、软件和数据及专职管理人员构成 DBMS（ Data Base Management System）是数据库软件系统的核心功 能 说 明 数据库定义功能 实现全局逻辑结构、局部逻辑结构和物理结构定义，权限定义等。 数据库管理功能 提供对数据进行各种应用操作，例如：检索、排序、统计、输入、输出的功能。 数据库的建立和维护功能 即建立、更新、再组织数据库等结构维护功能。 通信功能 具备与操作系统的联机处理功能分时系统及远程作业输入的相应接口。 其他功能 如应用程序的开发、文件管理、存储变量、设备控制等。 组成部分 功 能 数据描述语言(Data Description Language ,DDL)及其翻译程序 用于描述数据之间的联系，实现数据库之间的定义功能 数据操纵语言(Data Manipulation Language ,DML)及其编译程序 用于存储、检索、编译数据库数据的工具 数据库管理例行程序(Data Base Management Routines ,DMR) 一般包括系统运行控制程序，语言编译程序和DBMS的公用程序 数据库的数据模型数据库系统的一个核心问题就是研究如何表示和处理实体间的联系 ，表示实体及实体间联系的模型被称为数据模型 层次模型 用树性结构表示实体之间连系的模型称为层次模型，它能描述一对多的关系 网状模型 网状型满足两个条件： 可以有两个以上结点无父点 ；至少有一个结点有多于一个父结点层次模型是网状模型的特殊形式，网状模型能描述多对多的关系 按照网状模型建立的数据库系统称为网状模型数据库系统 关系模型 用二维表结构表示实体之间联系的一种模型，能描述多对多的关系 基于关系模型建立的数据库系统称为关系数据库系统PDM （Product Data Management）产品数据管理是一种管理所有与产品相关的信息和过程的技术。PDM是帮助管理人员、工程师以及其它人员管理产品与开发过程的一种软件系统。“PDM是为企业设计和生产构筑一个并行产品开发环境(由供应、工程设计、制造、采购、销售与市场、客户构成)的关键使能技术。一个成熟的PDM系统能够使所有参与创建、交流、维护设计意图的人在整个信息生命周期中自由共享和传递与产品相关的所有异构数据。”PDM是一个电子资料室；是一种管理软件；是一个软件开发平台。图形变换图形变换指对图形的几何信息经过几何变换后产生新的图形，提出的构造或修改图形的方法 除图形的位置变动外，可以将图形放大或缩小，或者对图形作不同方向的拉伸来使其扭曲变形 坐标系统 从定义一个零件的几何外形到图形设备上生成相应图形，需要建立相应的坐标系统来描述，并通过坐标变换来实现图形的表达窗口视区变换 工程设计中，需要突出图形的某一部分而用一个局部视图单独画出来。改变窗口的大小、位置和比例，用户可以方便地观察局部图形，控制图形的大小几何变换基础 图形由图形的顶点坐标、顶点之间的拓扑关系以及组成图形的面和线的表达模型所决定对一个图形作几何变换，实际上就是对一系列点进行变换 二维图形基本几何变换平移变换 ：比例变换 、对称变换 、旋转变换 、错切变换 、归纳 二维图形基本变换小结：从二维图形的基本几何变换可见，各种图形变换完全取决于变换矩阵中各元素的取值 ；按照变换矩阵中各元素的功能，可将二维变换矩阵的一般表达式按如下虚线分为4个子矩阵：二维图形的复合变换 CAD/CAM中的图形变换比较复杂，往往仅用一种基本变换不能实现，需经由两种或多种基本变换的组合才能得所需的最终图形。这种由两个以上基本变换构成的变换称为复合变换（组合变换）或基本变换的级联 （1） 平移 （2） 旋转 （3） 平移三维图形的几何变换 三维图形的几何变换是二维图形几何变换的简单扩展与二维图形一样，用适当的变换矩阵也可以对三维图形进行各种几何变换 建模是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切定义，赋予一定的数学描述，并以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，在计算机内部构造实体的模型；形体的表达建立在几何信息和拓扑信息的处理基础上。几何信息一般是指形体在欧氏空间中的形状、位置和大小 拓扑信息表达形体各分量间的联接关系几何建模基础知识： 几何信息 拓扑信息 非几何信息 形体的表示 正则集合运算 欧拉检验公式 几何信息是指物体在空间的形状、尺寸及位置的描述 ，几何信息包括点、线、面、体的信息拓扑信息反映三维形体中各几何元素的数量及其相互之间连接关系非几何信息指产品除描述实体几何、拓扑信息以外的信息，包括零件的物理属性和工艺属性等，如零件的质量、性能参数、公差、加工粗糙度和技术要求线框建模线框建模是利用基本线素来定义设计目标的棱线部分而构成的立体框架图 线框建模的特点线框建模的优点 只有离散的空间线段，处理起来比较容易，构造模型操作简便 所需信息最少，数据结构简单, 硬件的要求不高 系统的使用如同人工绘图的自然延伸，对用户的使用水平要求低，用户容易掌线框建模的缺点 线框建模构造的实体模型只有离散的边，没有边与边的关系。信息表达不完整，会使物体形状的判断产生多义性 复杂物体的线框模型生成需要输入大量初始数据，数据的统一性和有效性难以保证，加重输入负担 。表面建模表面建模是将物体分解成组成物体的表面、边线和顶点，用顶点、边线和表面的有限集合表示和建立物体的计算机内部模型。 表面建模分为平面建模和曲面建模平面建模是将形体表面划分成一系列多边形网格，每一个网格构成一个小的平面，用一系列的小平面逼近形体的实际表面曲面建模是把需要建模的曲面划分为一系列曲面片，用连接条件拼接来生成整个曲面 CAD领域最活跃、应用最广泛的几何建模技术之一表面建模的数据结构是表结构，除给出边线及顶点的信息之外，还提供了构成三维立体各组成面素的信息 。参数曲面：参数曲面建模在拓扑矩形的边界网格上利用混合函数在纵向和横向两对边界曲线间构造光滑过渡的曲线构造曲面 计算机图形学中应用最多表面建模的特点优点：三维实体信息描述较线框建模严密、完整，能够构造出复杂的曲面，如汽车车身、飞机表面、模具外型可以对实体表面进行消隐、着色显示 可以计算表面积，利用建模中的基本数据，进行有限元划分 可以利用表面造型生成的实体数据产生数控加工刀具轨迹缺点：曲面建模理论严谨复杂，所以建模系统使用较复杂，并需一定的曲面建模的数学理论及应用方面的知识 此种建模虽然有了面的信息，但缺乏实体内部信息，所以有时产生对实体二义性的理解。如一个圆柱曲面，就无法区别它是一个实体轴的面或是一个空心孔的面实体建模采用基本体素组合，通过集合运算和基本变形操作建立三维立体的过程称为实体建模 实体建模是实现三维几何实体完整信息表示的理论、技术和系统的总称实体建模能够定义三维物体的内部结构形状，完整地描述物体的所有几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息 实体建模技术是CAD/CAM中的主流建模方法 实体建模技术是利用实体生成方法产生实体初始模型，通过几何的逻辑运算，形成复杂实体模型的一种建模技术实体模型特点： 由具有一定拓扑关系的形体表面定义形体，表面之间通过环、边、点建立联系，表面的方向由围绕表面的环的绕向决定，表面法向矢量指向形体之外； 覆盖一个三维立体的表面与实体可同时生成 常见的实体建模表示方法 边界表示法边界表示法（B-rep）通过面、环、边、顶点的几何和拓扑 参数来表示实体。边界表示法（B-rep）通过面、环、边、顶点的几何和拓扑 参数来表示实体。结构实体表示法结构实体表示法简称 CSG 法，用布尔运算将简单的基本体素拼合成复杂实体的描述方法，通过有序的二叉树记录。CSG 表示法只说明了形体怎样构造，没有指出新实体的顶点坐标、边、面的任何具体信息，故形体的CSG表示只是一种过程性表示，或称为非计算模型。CSG 法简洁，生成速度快，处理方便，无冗余信息。 信息简单，数据结构无法存贮物体最终详细信息，如边界、顶点的信息 混合表示法 混合表示法是建立B-Rep和CSG法基础上，在同一CAD系统中将两者结合起来形成的实体定义描述法,即在CSG二叉树的基础上，在每个节点上加入边界法的数据结构混合模式是CSG基础上的逻辑扩展，起主导作用的是CSG结构，B-Rep可减少中间环节的数学计算量，以完整的表达物体的几何、拓扑信息，便于构造产品模型 空间单元表示法 空间单元表示法也叫分割法 基本思想：通过一系列空间单元构成的图形表示物体 单元为具有一定大小的平面或立方体，计算机内部通过定义各单元的位置是否被实体占有来表达物体 。算法比较简单，便于进行几何运算及做出局部修改，常用来描述比较复杂，尤其是内部有孔，或具有凸凹等不规则表面的实体 。要求有大量的存储空间，没有关于点、线、面的概念，不能表达一个物体两部分之间的关系 扫描变换法 扫描变换以沿着某种轨迹移动点、曲线或曲面的概念为基础，它要求定义移动的形体和轨迹 形体可以是曲线、曲面或实体 。轨迹应是可分析、可定义的. 特征建模 实体模型不足：仅含实体几何信息，缺少功能、工艺、管理等信息。 特征：从工程对象概括和抽象出来的具有工程语义的功能要素。 特征建模：通过特征及其集合来定义、描述零件模型的过程。 特征建模对设计对象具有更高的定义层次，易于理解和使用， 能为设计和制造过程各环节提供充分的工程和工艺信息。 特征建模是实现CAD/CAM集成化和智能化的关键技术。特征引用直接体现设计意图，产品设计工作在更高的层次上展开,使产品在设计时就考虑加工、制造要求，有利于降低产品的成本 u 产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间具有了共同语言，产品的设计意图贯彻到各环节 u 针对专业应用领域的需要建立特征库，快速生成需要的形体 u 特征建模技术着眼于更好、更完整地表达产品全