第章CADCAM软件开发基础计算机辅助设计与制造

1、第第3章章 CAD/CAMCAD/CAM软件开发基础软件开发基础 软件开发与软件工程软件开发与软件工程 数据结构数据结构 数据资料的程序化处理数据资料的程序化处理 数据库的基本原理与应用数据库的基本原理与应用第一节第一节 软件开发与软件工程软件开发与软件工程 一、软件开发的演化过程软件开发的演化过程 个人编程时代个人编程时代 （1946年年50年代末）年代末） 软件作坊时代（软件作坊时代（60年代初年代初 60年代末）年代末） 软件工程时代（软件工程时代（70年代以后）年代以后）软件开发的演化过程软件开发的演化过程 这一阶段的程序设计是一种个体化的行为，且由于硬件容量小，速度低，机时昂贵，使得

2、程序设计的目标确定在节省资源和缩短机时上，根本谈不上系统化的软件开发方法，编制出的程序也不作为商品出售。 软件开发成为一种新型的社会职业。但由于软件作坊的开发方式没有改变，依然是个体的或小组的思维方式，使得软件的任务延误，质量不可靠，甚至无法维护，软件的发展远远落后于硬件的发展，极大地限制了计算机的功能发挥和实际应用，“软件危机”产生了。 为了摆脱软件生产的落后的“手工方式”，大幅度改进软件产品质量，提高软件生产率，软件行业又在80年代明确提出“软件工程支撑环境”的基本思想，力图把软件工程领域的各种方法技术都形成支撑系统和工具，即程序设计不再要求程序员从头到尾，逐字逐句的编写，而是可以直接从支

3、撑环境中调用各个所需的“组件”。软件工程软件工程 指借鉴从事工程项目所积累的行之有效的原理、概念、技指借鉴从事工程项目所积累的行之有效的原理、概念、技术和方法来开发和维护软件，把正确的管理和科学的技术结术和方法来开发和维护软件，把正确的管理和科学的技术结合起来。这是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科。合起来。这是一门指导计算机软件开发和维护的工程学科。软件的生存周期软件的生存周期 软件从形成概念开始，经过开发、使用和不断补增修正，软件从形成概念开始，经过开发、使用和不断补增修正，直到最终被淘汰的整个过程。直到最终被淘汰的整个过程。 软件工程强调使用生存周期方法学，即将生存周期分为若软件工程

4、强调使用生存周期方法学，即将生存周期分为若干个既相互区别又相互联系的阶段：干个既相互区别又相互联系的阶段： 二、软件工程软件工程 可行性研究与计划阶段可行性研究与计划阶段要做什么 需求分析阶段需求分析阶段必须做什么-5% 设计阶段设计阶段确定设计方案（概要设计、详细设计）-10% 实现阶段实现阶段 完成源程序编码、编译和无语法错误的程序 测试阶段测试阶段总装测试和确认测试，检查审阅文档，成果评价10% 运行与维护阶段运行与维护阶段扩充、修改（改正性。适应性、完善性、预防性）67% 三、软件工程规范国家标准三、软件工程规范国家标准 规范规范说明说明计算机软件开发规范（GB8566-88） 详细规

5、定软件开发过程的各个阶段即每一阶段的任务、实施步骤、实施要求、完成指标及交付文档。计算机软件产品开发文件编制指南（GB8567-88） 详细规定软件开发过程中应该产生的文档种类、数目和文档的编制形式、编制内容。计算机软件需求说明编制指南（GB9385-88） 详细规定软件需求说明的内容和质量。编写所需的背景和表达方式，列出编制大纲。计算机软件测试文件编制规范（GB9386-88） 详细规定一组测试文件的种类、数目、书写格式、内容及各自作用。计算机软件质量保证计划规范（GB/T 12504-90） 详细规定在制定软件质量保证计划时应遵循的基本要求，列出了编制大纲。计算机软件配置管理计划规范（GB

6、/T 12505-90） 详细规定软件配置管理计划的目次、章节内容等统一要求。软件工程术语（GB/T 11457） 详细列举了软件工程中的常用术语定义、说明、英文译名等信息。软件文档软件文档 按照计算机软件产品开发文件编制指南（GB8567-88）规定，整个软件生存周期应该提供十四种标准文档。 软件生存周期各阶段中的文档编制如下： 可行性研究与计划开发阶段需求分析阶段设计阶段实现阶段测试阶段运行与维护阶段可行性研究报告- 项目开发计划- 软件需求说明书 - 数据要求说明书 - 测试计划 - 概要设计说明书 - 详细设计说明书 - 数据库设计说明书 - 模块开发卷宗 - 用户手册 - 操作手册

7、- 测试分析报告 - 开发进度月报- 项目开发总结 - 小型软件所需的五种文档小型软件所需的五种文档 软件需求与开发计划 /软件设计说明书 /使用说明书 /测试分析报告 /项目开发总结 四、软件开发方法四、软件开发方法 对软件的基本要求对软件的基本要求要要 求求说说 明明正确性满足用户提出的应用需求，实现规划的全部功能，性能优越，结果正确。可靠性出错概率小于预定指标，运行正常，容错性好。完整性提供完整的有效运行程序和文档资料以及必要的培训服务。实用性具有良好的人机界面，操作简便，有适用范围，能解决实际问题。可维护性便于纠正软件错误，扩充系统功能，实现各类维护活动。 瀑布型瀑布型 这是一种按软件

8、生存阶段而顺序工作的单项、单链的开发方法。 快速原型及螺旋型快速原型及螺旋型 尽快向用户提供原型系统，试通原理和路子，让用户使用，得到反馈信息，再按实用性、经济性、可靠性要求进一步修改设计，解决原型系统暴露出来的问题。 平行进程型平行进程型 该方法认为软件开发是三个进程组相互平行，相辅相成，齐头并进的团队行为。 第二节第二节 数据结构数据结构 一、基本概念与术语基本概念与术语 在数据处理中，首先应将现实世界转化为信息在数据处理中，首先应将现实世界转化为信息世界，然后将信息世界转化为数据世界。这就包世界，然后将信息世界转化为数据世界。这就包含几个层次概念：含几个层次概念： 二、数据结构二、数据结

9、构 数据结构指的是数据之间的结构关系。数据元素不是孤立的。数据结构理论研究数据元素之间的抽象化关系，并不涉及数据元素的具体内容。以车床为例： 数据结构包括数据的逻辑结构和数据的物理结构1、数据的逻辑结构线性结构线性结构 在这种结构中，每一个数据元素仅与它前面的一个和后面的一个数据元素相联系，因而只能表达数据间的简单顺序关系。下图就表示了一个线性结构 包括树状结构树状结构和网状结构网状结构等。如下面的工艺路线方案图即是一种网状结构： 非线性结构非线性结构 三、常见的数据结构三、常见的数据结构 （自学）线性表栈与队列数组串树与二叉树2、数据的物理结构顺序存贮结构链接存贮结构 单向链结构 双向链结构

10、 多向链结构四、文件四、文件 （自学） 文件是数据管理的一种形式，文件常常作为管理数据、交换数据而广泛应用。1、常见的文件组织方法顺序文件索引文件直接存取文件2、文件的操作查找顺序查找法、折半查找法和分块查找法排序选择排序、冒泡排序、插入排序第三节第三节 数据资料的程序化处理数据资料的程序化处理 在CAD/CAM中，需要将相关资料先期以数据库或文件的形式加以管理，以便在设计时由计算机按要求自动检索和调用；或在程序编制过程中融于其中，将其程序化，随着程序的运行自动选择，加工处理。一、数值程序化一、数值程序化 数值程序化是将要使用的各个参数及其函数关系，用一种合理编制的程序存入计算机，以便运行使用

11、。 1 1 用数组形式存贮数据用数组形式存贮数据 当要使用的数据是单一、严格、无规律可循的数列，通常的方法是用数组形式存储数据，程序运行时，直接检索使用。例:将表中的齿轮标准模数值编入程序。要求程序运行时，输入模数计算值后，能输出适合的标准模数值。 2 2、用数学公式计算数据、用数学公式计算数据 当使用的数据是一组单一、严格、但能找到某种规律的数列，则不必定义数组逐项赋值，将反映这种规律的数学公式编入程序，通过计算即可快速、准确地达到目的。 例：将60，70，80，90，100，110，120这一标准直径系列编入程序。 解题分析：解题分析：这组数值是按10递增的，导出数学公式，问题就迎刃而解了

12、。 公式：D=INT（Dc/10.02）*10+10 其中Dc为计算所得直径；D为所选标准直径 二、数表程序化二、数表程序化 数表程序化是用程序完整准确地描述不同函数关系的数表，以便在运行过程中迅速有效地检索和使用数表中的数据。 1 1、屏幕直观输出法、屏幕直观输出法 例: 将齿轮传动强度计算中的使用系数KA数表程序化。要求根据原动机工作特性和工作载荷特性确定适宜的使用系数KA。解题分析解题分析 纵观表格，虽然幅面不大、数据有限，但因KA是经验值，实际应用允许根据情况综合考虑，选取中间数值，仅凭程序中的简单的条件判断难以正确选取。此时，可采用屏幕直观显示整个数表的方法，让用户凭经验自行选取KA

13、。 2 2、数组存储法：、数组存储法： 例：将平键和键槽与轴径的尺寸关系表程序化。要求输入轴径后，能输出相应的键和键槽的剖面尺寸。 注：在满足传递所需转矩条件下，允许用较小剖面的键，但应使键侧与轴槽及轮槽接触高度各为h/2。解题分析：解题分析：表中数据有如下特点： 项目多、确定而无规律。 每组键槽尺寸要适应一定范围尺寸的轴径使用。 标准附注功能应在程序中予以体现。为此，编程前需推导出键的剖面尺寸b、h与轴径d的几何关系式，从中算出t和t1。 3 3、公式计算法、公式计算法（1）插值法 设法构造某个简单的函数Y=P(x)作为列表函数f(x)的近似表达式，然后，计算P(x)值以得到f(x)的近似值

14、。并且使f(x)=P(xi) i=1，2，3.，n成立。P(xi)就称为f(x)的插值函数，点x1,x2,x3.,xn称为插值节点。线性插值线性插值 即两点插值。已知插值点即两点插值。已知插值点P的相邻两点：的相邻两点：y1=f(x1)，y2=f(x2)，如图所示。近似认为在此区域，函数呈线性，如图所示。近似认为在此区域，函数呈线性变化，根据几何关系可求的插值点变化，根据几何关系可求的插值点P对应于对应于x的函数值。的函数值。 线性插值举例线性插值举例 拉格朗日插值拉格朗日插值 从几何示意图显示，线性插值的误差比较大，需要的情况下，可采用多次插值公式，提高插值精度。 原理：将线性插值公式整理得

15、 工程手册中的线图可能来源于某已知的复杂理论公式，也可以根据经验数据制作出来，对于前者，查阅其原始公式编程即可。对于后者，可采用经验公式处理，建立这种经验公式的过程称为曲线拟合。 曲线拟合的方法 常用的典型方法是最小二乘法。 线性方程拟合 对数方程拟合 指数方程拟合 对数指数方程拟合 多项式拟合 三、线图程序化三、线图程序化 线图程序化的步骤：线图程序化的步骤： （1）线图数表化。要注意：弄清线图坐标的含义，确切掌握坐标的比例性质、大小和量纲；读准数值，尤其是特征点-起点、终点、峰点、谷点、转折点、中点等。 （2）确定合理的精度，控制误差在允许的范围之内。 （3）正确运用分段原则。按曲线走向，

16、相似部分作为一段，分段拟合，使方程简化并且可提高精度。 （4）选择合适的拟合方程。采用多种方程分别拟合，从中选出最佳方案。 （5）根据建立的拟合方程编程。 数据资料文件化数据资料文件化 数据资料文件化通常采用两种类型文件数据资料文件化通常采用两种类型文件 文本文件 文本文件用于存储行文档案资料，如技术报告、专题分析、论证材料等，可利用任何一种计算机文字处理工具软件建立。数据文件 是记录的集合，有自己固定的存取格式，用于存储数据、短字符串数据，如零件编码、切削参数、标准零件尺寸等。数据资料文件化要注意的几个问题数据资料文件化要注意的几个问题 数据资料的正确组织。 选择适宜的文件组织方法，根据要存

17、储数据的使用情况、数量大小选择建立顺序、索引或直接存取文件。 正确录入数据，这是系统正确运行的前提。 注意保存、备份数据文件。数据库数据库是一种能较好地解决共享问题的数据处理方法。 一、数据库的特点一、数据库的特点 数据库技术是在人工管理，文件管理文件管理技术上发展起来的数据管理技术。 特特 点点说说 明明复杂的数据模型 即在描述数据的同时，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

18、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。第四节第四节 数据库的基本原理与应用数据库的基本原理与应用二、数据库管理系统二、数据库管理系统 数据库的特点是由数据库管理系统DBMS（Data Base Management System）来保障的，因而DBMS是数据库软件系统的核心。 组成部分组成部分功能功能硬件 支持数据库管理系统、应用程序运行的设备环境。软件 支持数据库管理系统运行的软件环境。包括支持DBMS的操作系统、宿主语言系统、数据库管理系统以及应用程序。（数据库软件系统层次如下图）数据库管理员（Data Base Administrator，简

19、称DBA） 负责数据库系统的建成，维护和协调工作的专门人员。数据库 是由DBMS建立、运用、管理及维护的通用化的、综合性的数据集合。1、数据库系统构成、数据库系统构成整理ppt2、数据库管理系统的功能、数据库管理系统的功能 功能功能说明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。3、数据库管

20、理系统的抽象层次、数据库管理系统的抽象层次 在数据库系统中，用户看到的数据与计算机中存放的数据在数据库系统中，用户看到的数据与计算机中存放的数据并不是一一映像的关系，而是存在着三个层次：并不是一一映像的关系，而是存在着三个层次：层层 次次说说 明明外模型 用户使用的数据视图。这是一种局部的逻辑数据视图，它表示用户所理解的实体、实体属性和实体间的联系。外模型有多个，处于系统的外部。概念模型 数据库系统的全局逻辑视图。它代表了整个系统的抽象实体、实体属性和实体间的联系。概念模型只有一个，属于系统的概念层。内模型 物理数据存储的模型。亦只有一个，处于系统的内层，也是最低层 。 4、数据模式数据模式

21、对于不同层次的模型，也有相应的模式：外模式（子模式）对于不同层次的模型，也有相应的模式：外模式（子模式）；概念模式（模式）；内模式（物理模式）；概念模式（模式）；内模式（物理模式） 1、层次模型、层次模型 用树形结构表示实体之间联系的模型称为层次模型，它用树形结构表示实体之间联系的模型称为层次模型，它能描述一对多的关系。能描述一对多的关系。 层次模型必须满足两个条件： 只有一个根结点。 根以外的其他节点有且只有一个父节点。 三、数据库的数据模型三、数据库的数据模型2 2、网状模型、网状模型网状模型必须满足两个条件： 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。 3、关系模型、关

22、系模型 这是一种用二维表结构表示实体之间联系的模型，能描述多对多的关系。一个二维表就成为一个关系： 材料材料屈服极限屈服极限s/MPas/MPa10 210Q215 220Q235 24035 32045 360 作为一个“关系”的二维表，必须满足如下条件： 表中每一列必须是基本数据项，而不是组合项。 表中每一列必须具有相同的数据类型。 表中的每一列必须有一个唯一的属性名。表中不应有内容相同的行。 行与列的顺序均不影响表中所表示的信息含义。1、工程数据库管理系统、工程数据库管理系统 简称EDBMS(Engineering Data Base Management System)，其功能是针对工

23、程数据的特点而设置的。 工程数据库管理系统功能特点工程数据库管理系统功能特点 能描述复杂的数据模型，保存相关语义信息。 支持模式的动态定义和修改，不需重新编译和数据重载。支持工程长事务的处理。能存储和管理各种类型数据，并支持图形标准件的相互转化，具有多库协调管理能力。具有版本管理功能。支持程序控制和交互操作两种工作方式。具有分布式数据库处理能力，支持多用户工作环境。四、工程数据库四、工程数据库2、工程数据库管理系统的开发方法、工程数据库管理系统的开发方法 以商用DBMS为底层支撑环境，使用数据操纵语言嵌入宿主语言，建立更加简洁、良好的人机界面和外围管理结构，扩充所需的各种功能，从而达到适用于C

24、AD/CAM工程环境的目的。 分析、拆解商用DBMS原代码，按EDBMS要求修改原组织结构、概念模式、扩充强化功能。 开发通用的工程数据库管理系统，按EDBMS的规范化设计标准，将工程应用的特殊需求融于DBMS内部，从无到有地开发EDBMS。3、工程数据库的发展趋势、工程数据库的发展趋势 新型化新型化 智能化智能化 巨型化巨型化 工具化工具化 分布式分布式 集成化集成化 新一代数据库技术新一代数据库技术 1、分布式数据库 数据库技术与分布处理技术相结合产生了分布式数据库（数据库技术与分布处理技术相结合产生了分布式数据库（Distribute Distribute DatabaseDatabas

25、e）。它是由一组分布在不同场地计算机中的数据组成，这组数据）。它是由一组分布在不同场地计算机中的数据组成，这组数据具有物理分布性、逻辑整体性、分布独立性和场地自制能力。具有物理分布性、逻辑整体性、分布独立性和场地自制能力。 所谓物理分布性，即数据库中的数据分布在计算机网络的不同场地计所谓物理分布性，即数据库中的数据分布在计算机网络的不同场地计算机上。所谓逻辑整体性，即数据库中的数据虽然物理分布，但逻辑相关算机上。所谓逻辑整体性，即数据库中的数据虽然物理分布，但逻辑相关，是相互联系的整体。所谓独立分布，即分布透明性，在用户来看，整个，是相互联系的整体。所谓独立分布，即分布透明性，在用户来看，整个

26、数据库系统仍是一个集中的数据库，不关心数据物理位置分布的细节，分数据库系统仍是一个集中的数据库，不关心数据物理位置分布的细节，分布的实现完全由系统完成。所谓场地自制能力，即系统网络中的每个节点布的实现完全由系统完成。所谓场地自制能力，即系统网络中的每个节点具有独立处理能力，可以执行局部应用，同时也能通过网络执行全局应用具有独立处理能力，可以执行局部应用，同时也能通过网络执行全局应用。 分布式数据库能够适应部门分布的组织结构，降低通信代价，提高响分布式数据库能够适应部门分布的组织结构，降低通信代价，提高响应速度；能提高系统的可靠性和可用性，一个场地的故障不会引起整个系应速度；能提高系统的可靠性和可用性，一个场地的故障不会引起整个系统崩溃；有利于充分利用数据库资源，提高现有集中式数据库的利用率；统崩溃；有利于充分利用数据库资源，提高现有集中式数据库的利用率；便于扩展处理能力和系统规模。便于扩展处理能力和系统规模。 2、主动数据库 数据库技术和人工智能技术相结合产生了主动数据库（Active Database）。它是相对传统数据库的被动性而言的，能根据应用系统的当前状况，主动适时地作出反应，执行某些操作向用户提供相关信息。 主动数据库强调主动性、快速性和智能