第五章 计算机辅助设计

1、第五章第五章 计算机辅助设计计算机辅助设计 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 设计资料的程序处理设计资料的程序处理 第三节第三节 数据库系统简介数据库系统简介 第四节第四节 参数化绘图和尺寸驱动开发技术参数化绘图和尺寸驱动开发技术 第五节第五节 机械机械CADCAD应用软件的开发方法应用软件的开发方法 第一节第一节 概述概述 1) 明确设计要求和条件 2) 总体设计，主要包括传动方案的确定、电动机 型号的选定、传动比的分配和各传动装置运动 和动力参数的计算 3) 详细设计，主要包括轴系部件、传动零件、减 速器箱体的结构设计，联轴器、轴承等零部 件的选择，轴、轴承、键的校核计算。 4) 装配

2、图和零件图的绘制 5) 编写设计说明书 设计主要步骤：设计主要步骤： 传统机械设计的特点：传统机械设计的特点： 1) 难以实现最优方案的选择 2) 难以进行动态的或精确的设计计算 3) 设计工作效率低、周期长 计算机辅助设计的含义：计算机辅助设计的含义： CAD是一种利用计算机辅助设计者快速方 便、高效高质、低成本地完成整个产品设计 任务的现代化设计技术。其功能模型如图5-1。 一个完备的CAD系统的特点： 1) 产品方案的优化设计 2) 产品结构和强度的设计与分析 3) 产品的性能分析与动态模拟 4) 自动生成产品的设计文档资料 在机械设计过程中，要使用许多工程数据， 如工程手册或设计规范中

3、的表格、线图、经验 公式等等。人在查询数据的时候速度慢、效率 低、容易出错。在计算机辅助设计中，可以将 这些工程数据通过计算机进行高效、快速的处 理。 第二节第二节 设计资料的程序处理设计资料的程序处理 一、设计资料的程序处理一、设计资料的程序处理 从总体上讲，计算机处理工程数据的方法 有以下三种： 1) 程序化处理 2) 文件化处理 3) 数据库处理 1525 40 K0.50.681.14 1) 数表的程序化处理数表的程序化处理 即将数据以一定的形式直接存放于程序中(程序 5-1-1) 。优点是程序和数据结合在一起，处理数度 快。缺点是数据无法共享。 2) 数表的文件化处理数表的文件化处理

4、 即将数据以独立文件的形式存储起来，需要时 由程序打开文件来读取数据。优点是初步实现了数 据与程序的分离，可有条件的进行数据的共享。缺 点是数据和程序之间还存在着一定的依赖关系，数 据文件的安全性和保密性差(程序5-1-2)。 3) 数表的数据库处理数表的数据库处理 即将数据以表的形式存入数据库中，需要时由 程序打开文件来读取数据。这种方法实现了数据与 程序的分离，可进行数据的共享。数据的安全性、 一致性、完整性和保密性由专门的数据库管理系统 (DBMS)来保证(程序5-1-3) 。 4) 数表的插值处理数表的插值处理 插值法的基本思想是：在插值点附近选取几个合 适的节点，过这些点构造一个简单

5、的函数g(x) 这样 在插值点对应的值就是g(x)在插值点的函数值。 主要的插值法有线性差值法和拉格朗日二次差值 法(抛物线差值法)。 线图的处理：线图的处理： 线图的处理方法主要有以下几种： 1 有原始数学公式的线图，将公式编入程序； 2 将线图离散成数表，再按数表的处理方法处 理； 3 有些线图本来就是试验数据、经验公式的图 形化，把这些线图重新拟合成公式编入程序。 1) 最小二乘法的基本原理 2) 最小二乘法的多项式拟合 数据库系统数据库系统是在文件系统的基础上发展起来的数据 管理技术。 数据库数据库(Database)：是一个可满足多个用户、多种 应用的需要、在计算机系统中按一定的数据

6、模型组 织、存储的相互联系的数据集合。 第三节第三节 数据库系统数据库系统 1 1数据的共享性好，冗余度低。数据的共享性好，冗余度低。 数据库的特点：数据库的特点： 2 2数据的独立性数据的独立性 数据可以独立于程序而存在。 3 3数据具有安全性、完整性。数据具有安全性、完整性。 数据库系统提供对数据的保护，防止不合理 的使用，保证数据的完整性。 数据模型（数据模型（Data ModelData Model）：）： 是一种人们对现实世界进行描述的工具，不仅描 述数据本身的内容，也描述数据与数据之间的关系。 数据库的核心问题是研究如何表示和处理数据间的 联系。 1 1）层次模型）层次模型 2 2

7、）网状模型）网状模型 数据库的数据模型数据库的数据模型 3 3）关系模型）关系模型 关系模型就是一张二维表，用二维表来描述实 体间的关系和实体间的联系，如下表。 数据库系统的体系结构数据库系统的体系结构 1 1分类：分类： 数据库的模式结构从逻辑上分为外模式，概念 模式和内模式这三级。 外模式外模式： 又称为用户模式或子模式，面向用户，是用 户能看到并操作的数据视图，它表示了用户所理 解的实体、实体属性和实体间的联系。 概念模式概念模式： 又称逻辑模式，是对数据库的整体逻辑结构和 特征的描述。它表示出数据库的整体数据组织状整体数据组织状 况和逻辑结构况和逻辑结构。同样，在这里也没有数据的实际

8、存储，只有关于整体数据库的“说明”。一个数 据库可以有多种的外部模式，但只有一个概念模 式，处于系统的概念层。 内模式内模式： 也称为存储模式，是对数据库的物理结构和 存储方式的描述，包括多种记录的类型，索引及 物理存储顺序等，该模式就相当于一个数据仓库。 任何一个数据库系统，实际存在的只是物理级 （内模式）的数据库。概念级数据库是数据库系统面 向应用问题的抽象描述，是为了方便人们对数据库逻 辑结构的理解。用户级数据库则是数据库系统面向用 户的接口。 关系型数据库管理系统（关系型数据库管理系统（DBMSDBMS）：）： 是数据库系统的核心，是统一管理整个数据库 系统的应用支撑软件，具有数据库的

9、定义、管理维 护、通信以及设备控制等功能。 DBMS的中心任务把对数据库的各种操作转换到 物理级去执行。 1 1DBMSDBMS的基本功能的基本功能 1 1）数据库定义和存取功能）数据库定义和存取功能 DBMS的最基本功能是有效地执行数据库语言， 包括数据库定义和数据的增、删、改、查等功能。 2 2）数据库控制功能）数据库控制功能 这是DBMS的核心部分，包括控制系统的运行、 用户的并发访问、安全性检查、恢复机制、完整性 约束条件的检查和执行等。 3 3）数据维护功能）数据维护功能 包括数据库更新和再组织、数据的转换转储 和恢复等以及数据库性能监视。 4 4）通信功能）通信功能 和操作系统协作

10、处理库内外数据的传输。 2 2数据库语言数据库语言 数据库语言是用户和数据库的接口。目前应用 最广泛的是SQL语言。 SQL语言（Structured Query Language）是 关系数据库的标准语言。精致、简洁、命令数量不 多，但具有对数据库操作的基本功能。SQL语言是一 种非过程语言，即用户只须用SQL语言说明“做什 么”，而无须指明“怎么做”；可以以交互命令的 方式使用，也可以嵌入主语言在程序中使用。 SQL语言语言按照功能按照功能可以分为四类：可以分为四类： 数据定义语言(Data Definition Language， DDL)， 用于定义、撤销和修改数据模式。 数据查询语言

11、(Query Language)，用于查询数据。 数据操纵语言(Data Manipulate Language DML)，用 于数据的增、删、改等操作。 数据控制语言 (Data Control Language， DCL)用于 保护数据的安全性、完整性、并发控制和恢复。 工程数据库简介工程数据库简介 1. 工程数据库与关系数据库的区别 1) 管理对象 2) 信息种类 3) 数据类型 4) 数据结构 5) 系统结构 2. 工程数据库系统的构成方法 1) 改造现在的一般数据库使之支持工程数据 处理； 2) 研制新的数据模型，开发新的工程数据库 系统。 基本概念 参数化设计是指参数化模型的尺寸用

12、对应 的关系描述，而不需用确定的数值。变化一 个参数值，其设计模型将自动改变与其相关 的尺寸。 5.4 参数化与变量化技术参数化与变量化技术 参数化模型有多种，如几何模型、力学模型 等 ，本节主要介绍几何模型。几何模型描述的 是实体的几何特征，主要包括几何关系和拓扑 关系。几何关系描述了图形的几何信息，拓扑 关系反应了几何元素间的关系。 约束指的是几何元素之间存在的条件关系。 参数化设计的过程可以认为是改变参数值后， 对约束进行求解的过程。 V Y V = Y / 2 参数化设计的几种方法参数化设计的几种方法 1) 变量几何法 变量几何法就是将几何形状定义为一系列 的特征点，将几何元素间的约束

13、关系转换成以 特征点坐标为变量的约束方程组。当约束变化 时，解出方程组，得到一系列新的特征点，从 而生成新的几何模型。 缺点：缺乏检查有效约束的手段；局部修改性 能差；结果几何形状不唯一。 2) 尺寸驱动法 基本思路：在图形绘制过程中，通过尺寸 标注的形式来描述实体的几何信息(如长度、 角度、半径、方位等)，当修改这些标注值时， 实体的形状自动发生变化。 一个实体在绘制完成之后，其图形数据会 被存储起来。这些数据可分为两类：一类是实 体属性数据，包括该实体的线型、颜色、类型、 图层等；另一类是实体的几何特征数据，如直 线起点和终点，圆的圆心和半径等。尺寸驱动 法操作和修改的是几何特征数据。 尺

14、寸驱动中的约束联动尺寸驱动中的约束联动 (1) 特征联动 (2) 参数联动 3) 参数化设计的特点：特点： (1) 基于特征 (2) 形状和尺寸联合 (3) 尺寸驱动设计修改 (4) 全数据相关 变量化技术变量化技术 变量化技术是在参数化的基础上又做了进 一步改进后提出的设计思想。变量化造型的技 术特点是保留了参数化技术基于特征、全数据 相关、尺寸驱动设计修改等优点，但在约束定 义方面做了根本性改变。在参数化技术中，尺 寸约束和形状约束是一体的，通过尺寸约束来 控制形状。而在变量化技术中既有尺寸约束， 又有形状约束。另外，在变量化技术中允许非 全约束的情况存在。 变量化技术和参数化技术的变量化技术和参数化技术的区别区别 参数化技术在设计全过程中，将形状和尺 寸联合起来一并考虑，通过尺寸约束来实现对 几何形状的控制；变量化技术将形状约束和尺 寸约束分开处理。 参数化技术在非全约束时，造型系统不许 可执行后续操作；变量化技术由于可适应各种 约束状况，操作者可以先决定所感兴趣