计算机辅助设计及制造技术

1、第一章计算机辅助设计及制造技术概论基本内容 1.CAD/CAM技术的基本概念 1）CAD技术 2）CAPP技术 3）CAM技术 4）CAD/CAM集成技术2.CAD/CAM技术的发展过程 1）CAD/CAM技术的发展趋势 2）CAD/CAM系统的组成 3）CAD/CAM常用系统软件介绍 1CAD/CAM技术的基本概念 （1）CAD技术即计算机辅助设计。就是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助设计人员进行工程和产品的设计与分析，达到预期的目的或取得创新成果的一种技术。 （2）CAPP技术即计算机辅助工艺设计。工艺设计人员运用计算机技术，根据产品设计得到的数据进行产品加工方法的确

2、定和加工工艺的设计。 （3）CAM技术即计算机辅助工艺设计。工艺设计人员运用计算机技术，根据产品设计得到的数据进行产品加工方法的确定和加工工艺的设计。 （4）CAD/CAM集成技术就是利用工程数据库技术和采用标准格式的产品数据交换接口技术，在CAD、CAPP、CAM、CAE各系统之间实现产品数据的自动传递、接收、转换、共享和处理，将产品设计、产品加工制造、生产管理、质量监控等过程实现集成，产品数据的采集和流动在封闭的系统中完成，避免了系统各自独立存在的缺陷，也是CAD/CAM系统提供了向CIMS（计算机集成制造系统）进一步发展的基础。2CAD/CAM技术的发展过程（1）CAD/CAM技术的发展

3、趋势 从CAD/CAM技术的发展趋势来看，CAD/CAM技术正在向集成化、智能化、网络化的方向快速发展。 （2）CAD/CAM系统的组成 1）CAD/CAM系统由一系列硬件和软件系统组成。 2）CAD/CAM系统硬件主要包括：中央处理器、存储器、输入/输出设备、网络设备。 3）CAD/CAM系统软件分为三层次：系统软件、支撑软件、应用软件。 （3）CAD/CAM常用系统软件包括：AutoCAD系统、Unigraphics(UG)、Solid Works、Pro/Engineer、Solid Edge。第2章CAD/CAM系统常用的数据结构基本内容 1概述（1）数据的概念 数据、数据项、记录、文

4、件、数据库、数据库系统。（2）数据类型。（3）数据的逻辑结构和数据的物理结构。 2常用数据结构 （1） 数据的线性结构线性表的物理结构既可以是顺序存储结构，也可以是链式存储结构。计算机中的具体表示有数组、字符串、栈与队列等几种形式。 1）线性表的顺序存储结构。 2）线性表的链式存储结构 单向链表、双向链表、循环链表。 （2） 树状结构和二叉树 1）树 2）二叉树 3）网状结构3数据库系统及应用 （1）数据库系统的基本概念及分类 1）数据库系统的概念。 2）数据库的分类。 （2）常用数据库简介。 1.概述 设计加工一个零件或部件都存在大量的数据，如性能参数、几何尺寸数据、工艺过程数据、图样数据和

5、事务处理数据等，这些数据联系在一起组成了对一个机械产品信息的描述。 如何组织这些数据、建立它们之间的联系，这就是数据结构要研究的问题。(1) 数据的概念 数据就是描述客观实体和现象的数字、字符、表格、图像等，以及能够输入计算机并且能够被计算机接受、处理的所有符号的集合。数据还可以按照组织层次分为：数据项、记录、文件、数据库、数据库系统。(2) 数据类型 数据类型就是计算机程序语言中定义的不同变量的种类。每一个程序语言都会提供本程序语言的一组基本数据类型，而且不同的数据类型又确定了数据在计算机中所占位置的大小。(3) 数据的逻辑结构和数据的物理结构 数据的逻辑结构就是指数据之间的逻辑关系，不考虑

6、数据的存储介质并且独立于数据的存储介质。 按数据的逻辑关系不同可分为两种： 线性结构和非线性结构。 数据的物理结构也称为存储结构。 常用的数据存储结构有： 顺序存储结构和链式存储结构。 2.常用数据结构(1) 数据的线性结构 由n (n0)个数据元素组成的有限序列就是线性结构，常称为线性表。线性结构是一种简单、最常用的数据结构。 线性表的物理结构既可以是顺序存储结构，也可以是链式存储结构。 计算机中的具体表示有数组、字符串、栈与队列等几种形式。线性表的存储结构： 1）线性表的顺序存储结构 2）线性表的链式存储结构链表结构分为： 单向链表、双向链表和循环链表三种形式。 单向链表：单向链表既只有一

7、个指针域,其节点指针域中的指针存放该节点直接前驱或后继的地址，是最简单的一种链表结构。 双向链表：双向链表是在单向链表的基础上，为每个节点增加一个指针域，用于存放指向节点直接前趋的地址，克服了单向链表无法实现逆向操作只能沿着指向直接后继的指针完成向后顺序的操作,可以很方便地实现双向操作。循环链表：将单向链表或双向链表的首尾相接就得到循环链表，对循环链表中的节点进行删除和插入操作时，可以从表中任何一个节点开始查找。(2) 树状结构和二叉树 树：数据元素之间存在着一定的联系关系，当数据元素之间存在明显层次关系及由上向下的关系，并且下层数据可以由下向上汇聚到一个节点，整个数据元素的联系像一个倒置的树

8、，这种数据结构称为树状结构。 二叉树：二叉树是由多个节点的有限集合构成,此集合一般是由一个根节点与两个互不相交的左右子树构成，左右子树也是二叉树。(3) 网状结构 网状结构是多对多得结构关系，比树结构更为复杂的一种非线性结构，它的每个节点可能有多个前趋，也可能有多个后继，节点的联系是任意的，它的每条边具有相应的含义及权值。3.数据库系统及应用(1) 数据库系统的基本概念及分类 数据库系统包括数据库及其管理系统。数据库既将具有某种规律或联系的文件或数据的集合；数据库管理系统就是对数据库及系统资源进行统一管理、控制的软件，具有对数据库定义、建立、管理、维护、通信以及设备控制等功能，是数据库系统的核

9、心。 数据库的分类一般都是按数据库内部数据的不同组织方式来区别，一般分为三种： 层次模型数据库； 网状模型数据库； 关系模型数据库。 (2) 常用数据库简介 SQL Server 是一个关系数据库管理系统。SQL Server 数据库管理系统，具有使用方便可伸缩性好与相关软件集成程度高等优点。SQL Server是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能 (BI) 工具提供了企业级的数据管理。SQL Serve数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，使您可以构建和管理用于业务的高可用和高性能的数据应用程序。 Oracle数据库是一种大型数据库系统，一般应用于商业，政府部门

10、，它的功能强大，能够处理大批量的数据，在网络方面也用的非常多。第3章 计算机图形处理及建模技术基本内容 1计算机图形显示输出设备 2图形元素生成的基本原理 （1）图形元素生成的基本算法。 （2）图形的几何变换。 （3）图形真实感处理简介。 3几何建模方法 （1）线框建模。 （2）表面建模。 （3）实体建模。 （4）边界表示法。 （5）实体结构几何法（CSG法）。 （6）特征建模。1计算机图形显示输出设备 计算机图形的显示与相应的显示设备有密切的关系，显示器分辨率的高低对图形的生成质量和真实感有直接的关系。 常见的显示设备如：阴极射线管显示器、液晶显示器、等离子显示器等等。 输出设备通常包括：打

11、印机、绘图仪、头盔显示器等。2图形元素生成的基本原理 计算机图形学的实质就是通过计算机将数据转换为图形，并在显示器上进行实时显示。（1）图形元素生成的基本算法 图形元素通常所指的是： 点、直线、圆或圆弧等。 基本的直线和圆弧生成算法： 直线生成的数值微分算法； 直线生成的中点算法； 圆弧生成的正负法。（2）图形的几何变换 图形的几何变换，就是对已有的图形的几何信息，按照要求对其进行的图形变换，也可以将简单的图形经过变换后生成复杂的图形。 图形的基本几何变换包括了：平移、旋转、比例缩放、对称、错切等五种变换。1）二维图形的基本变换 平移变换； 旋转变换； 比例变换； 对称变换； 错切变换。 2）

12、组合变换 图形在变换过程中有时并不是仅仅一个简单的基本变换，往往会出现比较复杂的多个变换的组合，由多个基本变换组合一起的变换就称为组合变换，也称为复合变换。 相应的变换距阵称为组合变换距阵。 （3）图形真实感处理简介 图形的真实感处理是使计算机上显示的景物视图能够反映其自然的视觉效果，包括景物的形状、色彩、明暗色调以及表面的纹理等。 图形的真实感处理包括对所绘制的模型进行消隐、色彩处理、光照与材质处理、反走样处理、纹理映射、雾化、融合等处理。 图形真实感处理技术主要包括以下方面：三维实体造型、消隐处理、光照模式、透明处理、阴影处理、纹理映射等。1）三维实体造型 无论采用何种方法进行三维实体建模

13、，其实质都为利用计算机技术在二维的平面上模拟显示物体在自然状态下的三个方向的尺寸和形状结构。2）消隐处理 计算机要真实地显示实物之间的相互位置关系，被遮挡的部分就不能在图形中出现，因此必须进行消隐处理。 3）光照模式 光照模式描述了物体表面颜色、亮度与物体所在的空间位置、方向、物体属性及光源之间的相互关系，并且根据上述因素依据光照模式计算出在对应的计算机屏幕显示中表示物体的各像素点的颜色，最终将物体显示。 4）透明处理 一个透明物体的表面会同时产生反射光和折射光。当光线从一种传播介质进入另一种传播介质时，光线会由于折射而产生弯曲。 光有规则透射和漫透射。5）阴影处理 当观察方向与光源方向重合时

14、，观察者是看不到阴影的。只有当两者方向不一致时，才会看到阴影。阴影使人感到画面上景物的远近深浅，从而极大地增强画面的真实感。6）纹理映射 在现实生活中，物体表面存在千差万别的自身特点；或者为了美观，有时会在物体的表面用漂亮的图样进行装饰。要真实地反映物体表面的特点，纹理映射技术就可以完成物体表面的颜色纹理的处理，还能完成表面的几何纹理的处理。 3 几何建模方法 几何建模既将物体的几何信息以及相关的属性输入计算机，计算机以数据的形式将物体的信息存储起来，称为几何建模。 常用的三维几何建模有： 线框建模(Wireframe Model)； 表面建模(Surface Model)； 实体建模(Sol

15、id Model)。 （1）线框建模 线框建模(Wireframe Model)是采用点、直线、圆弧以及自由曲线来构造三维模型。是一种运用较早并且最简单的计算机建模技术。 （2）表面建模 表面建模(Surface Model)是通过对物体表面进行描述的建模方法。表面建模采用物体的表面（平面或曲面）来定义三维物体，在构造三维物体时通过描述显示物体的每一个表面以此完成三维物体构形。（3）实体建模 实体建模就是利用一些体素通过布尔运算构成所需的或复杂的实体,这种建模技术成为实体建模。 （4）边界表示法 边界表示法（B-REP法）采用“点边面体”的方式来表示实体，它以实体的边界为基础通过描绘实体的表面

16、边界来描述实体。 （5）实体结构几何法（CSG法） 实体结构几何法（CSG法）就是利用已有基本体素，根据实体的结构将实体视为由不同的基本体素通过布尔运算而得到。在计算机内是通过记录基本体素及其集合运算来表示的。 （6）特征建模 特征就是就是描述一个对象上所具有的全部信息，不仅仅局限于实体的形状、结构，而且包含了对象从设计到制造全过程的所有信息。 零件的信息特征是由一系列的特征构成，包括：几何形状特征、管理特征、技术特征、材料特征、精度特征、装配特征。第四章 计算机辅助设计基本内容 1 概 述 2 界面设计 （1）界面设计的一般原则。 （2）Windows图形用户界面。 （3）Windows应用

17、程序模型。 （4）Windows常用控件介绍。 （5）菜单的设计。 （6）对话框的设计。3 常用设计数据的处理技术 （1）设计数据的处理 1）设计数据的分类和处理方法。 2）设计数据的输入、输出。 （2）常用的数据排序算法和查找算法 1）数据的排序算法。 2）常用的查找算法。 3）数据的插值。 4）曲线拟合。一、概 述 计算机辅助设计（CAD）利用计算机软硬件技术辅助设计人员对产品、工程进行分析计算、几何建模、模拟仿真、优化设计、绘制工程图样等的管理、生成技术文件等的方法技术。 计算机辅助机械设计包括概念设计、结构设计、性能分析、模拟仿真、工程图样绘制等内容。二、 界面设计 计算机与用户进行使

18、用联系和信息交流的接口就是用户界面，用户界面也是人机交互中必不可少的重要部分。 系统通过界面显示能够实现的各项功能，用户也可以通过界面的功能来完成相应的工作。 1 界面设计的一般原则 用户界面的差异，直接影响用户对软件产品的评价，也关系到软件产品的竞争力、使用寿命、系统响应时间、用户帮助设施、出错信息处理、命令交互方式等。不同的用户对系统界面的要求也存在区别因此，进行界面设计时应充分考虑不同使用用户的特点。 （1）计算机使用用户的分析 由于不同领域和不同层次的用户其本身的技能、用户的使用习惯、用户本身对计算机知识的熟练程度以及用户对系统的期望值都存在较大的差异，对人机界面的要求也不尽相同。因此

19、，设计人机交互界面尽可能满足不同用户的使用要求。 通常将计算机使用者分为三种类型：生疏型用户、熟练型用户、专家型用户（ 2）界面设计的一般原则 设计一个好的人机界面既要考虑人的因素，又要考虑界面的风格和使用者的方便以及可使用的软、硬件技术和应用系统本身的特点。优秀的界面简单、方便易于用户使用，界面设计时一般应该遵循设计原则： 1）界面一致性 2）有用信息的反馈 3）减少用户操作记忆的信息量 4）允许大部分操作能够返回上一级 5）提高对话、动作的效率 6）提供有关的帮助 （3）交互式界面的一般交互方式 人机交互方式一般可以分为以下几种类型 ： 1）问答式对话界面 2）菜单界面 3）图符界面 4）

20、填表界面 5）命令语言界面 6）查询语言界面 7）自然语言界面2 Windows图形用户界面 Windows应用程序的界面是一个图形化的用户界面，既可以方便地使用高级语言开发具有图形用户界面的应用程序，又能够提供设计风格相同的应用程序开发接口。 Windows应用程序的用户界面分为三种类型：单文档界面、多文档界面和基于对话框的应用程序。 Windows应用程序用户界面的基本组成要素有：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、客户区以及图中没有显示的对话框和各种控件。 3 Windows应用程序模型（1） 事件与消息 Windows的应用程序由事件驱动。在Windows应用程序运行过程中，只要用户进行了

21、影响窗口的动作，就会触发一个相应的“事件”（event）。当Windows检测到事件发生时，就会给程序发送一个“消息”（messages）通知应用程序有事件发生。 Windows定义了三种类型的消息： 窗口消息、命令消息和控件消息。 1）窗口消息 窗口消息一般与窗口的内部运作有关，它是操作系统和控制其他窗口的窗口所使用的消息。这类消息是以WM_为前缀（WM_COMMAND例外）。 2）命令消息 命令消息一般与处理用户请求有关，是一种特殊的窗口消息，它从一个窗口发送到另一个窗口以处理来自用户的请求。命令消息以WM_COMMAND为消息名，在消息中含有命令的标志符ID，以区分具体的命令。 3）控件

22、消息 控件消息类似于命令消息，当用户与控件窗口交互时，这一类消息从控件窗口发送到其父窗口。控件消息不在于处理用户命令，而是为了让父窗口能够改变控件，控件消息以WM_COMMAND为消息名。 (2)Windows应用程序框架 MFC（Microsoft Foundation Classes）是用VC开发Windows应用程序的基础类库。该类库封装了大部分Windows API函数，并以层次结构组织起来，所包含的功能涉及到整个Windows操作系统。 MFC提供了CwinApp、CframeWnd、Cdocumen和Cview四个类库作为应用程序框架的基本类，应用程序中的框架类由这四个基本类派生。

23、 1）CwinApp 负责初始化并启动、运行应用程序。该类封装了Windows应用程序的入口函数WinMain，是应用程序运行时创建的第一个对象。 2）CframeWnd 负责显示、跟踪用户命令及显示应用程序的主窗口，是应用程序运行时创建的一个对象。 3）Cdocumen 负责加载和维护文档，是应用程序创建的一个对象。该类负责将文档加载到其成员变量中，并允许Cview类编辑这些成员变量。 4）Cview 负责为文档提供一个或多个视图。 （3）MFC消息映射 在MFC中，消息是通过消息映射机制来处理的。其实质是一张消息及其处理函数的对应表以及分析处理这张表的应用框架内部的一些程序代码。 MFC应

24、用程序的消息处理过程如下： 1）首先，有CwinApp应用类检索和分发消息； 2）其次，有MFC应用框架根据消息所属窗口，搜索其消息映射表，如果检索到当前消息的入口，则调用相应的消息处理函数。 3）最后，如果该窗口类对象没有相应的消息映射表入口，则由应用程序框架自行调用基类的默认处理。（4）VC+常用向导和编辑工具 AppWizard应用程序向导； ClassWizard类向导； Dialog Editor对话框编辑器； Toolbar Editor工具栏编辑器； Custor、Icon和Bitmap Editor图像编辑器； Menu Editor菜单编辑器； String Editor字符

25、串资源编辑器； Text Editor文本编辑器。4 Windows常用控件介绍 控件也称为表单，是Windows图形用户界面重要组成部分。 应用程序常用的通用控件有： 静态控件； 按钮控件； 滚动条控件； 列表框控件； 文本框控件； 组合框控件。 （1）静态文本控件 静态控件（Label）是常用的控件之一。一般情况下，静态控件用作没有固定标题文本属性的控件（如文本编辑控件、列表框等）的标签，也可用来为控件分组，或者用来显示一些提示性的文件。（2） 按钮控件 按钮控件在MFC中用CButton表示，CButton包含了三种样式的按钮，普通按钮（Push Button）、复选按钮（Check B

26、ox）和单选按钮（Radio Box）。（3）文本框控件 亦称编辑框或文本编辑框(TextBox)。用户通过它可以输入各种文本、数字或者口令，也可使用它来编辑和修改简单的文本内容。（4）列表框控件 列表框控件（ListBox）用来列出一系列的文本，每条文本占一行。在为用户提供的一系列选项中，选择一个或者多个选项的控件窗口。（5）组合框控件 组合框控件（ComboBox）是由一个输入框和一个列表框组成。由于组合框内包含了列表框，所以列表框的功能都能够使用。组合框分为三种类型：简单组合框、下拉式组合框和下拉式列表框。（6）滚动条控件 滚动条控件(Scroll Bar)一般不单独使用，当窗口客户区中

27、显示比自身大的对象时，用户可以通过滚动条进行观察。滚动条控件分为水平滚动条和垂直滚动条。5 菜单的设计 （1）Windows应用程序菜单介绍 利用菜单编辑器可以进行菜单的添加、删除和修改。而对基于对话框的应用程序，则不能自动生成菜单栏，如果需要，开发者可以自行创建菜单。 在设计Windows应用程序菜单时，应遵守以下规则： 1）在菜单栏中的菜单和下拉菜单中的选项均应设置热键，并将这些热键用下滑线标出。 2）为了加快用户操作，对一些使用频繁的菜单项应提供快捷键方式，并将这些快捷键标在菜单项的右侧。 3）如果一个菜单项被选择后需要弹出一个对话框与用户进一步交互，则应在这些选项后边加上“”符号，提醒

28、用户选中该项后会显示一个对话框。 4）某些菜单项暂时不能使用时，应将其置成灰色，表明此时该项功能不能适用。（2）菜单编辑器的使用 使用菜单编辑器可以创建菜单栏和其中选项，为菜单或选项定义热键、状态栏提示等。此外，还可以创建弹出菜单。 操作步骤如下： 1）打开菜单编辑器 2）创建菜单项 3）定义菜单项的快捷键 6 对话框的设计 对话框就好比是一个容器，只有将一些控件添加在这个容器中，才能实现用户与对话框之间的交互。 （1） 对话框的组成以及设计原则 1）对话框要简洁有效 2）控件分组 3）合理分配对话框空间 4）风格统一 5）测试 （2）对话框设计 应用程序的对话框设计需要使用对话框资源编辑器和

29、类向导。 1）创建对话框资源模板 2）创建对话框资源模板对应的对话框类 3）创建各个控件相应的变量和必要的消息处理函数 4）显示对话框 5）对话框数据交换 三 、常用设计数据的处理技术 在计算机辅助机械设计中需要使用大量的设计资料，而这些设计资料通常都是以数据的形式存储于计算机之中。 机械设计中的数据形式是多种多样的，而且数据量也是海量的。在现代的计算机辅助机械设计中，必须充分利用计算机的高速处理能力，实现对设计资料和数据的自动化处理。 如何组织这些数据、建立它们之间的联系，就是数据结构所要研究的问题；而如何高效地收集、处理、保存和应用这些数据，就是数据库所要研究的问题。 1 设计数据的处理

30、（1）设计数据的分类和处理方法 计算机辅助机械设计的过程，它的本质可以认为是对设计中的各种数据流的处理过程，从设计要求、设计参数以及到设计完成的结果都变现在大量相关设计数据的流动。 数据流包括输入数据、设计资料、输出数据。 设计资料可以归结为数表和线图两类，在计算机中的处理和存储方式通常有四种方法： 1）公式化 2）数组化 3）数据文件 4）数据库（2）设计数据的输入、输出 1)数据的输入 数据输入可以通过直接赋值、交互式赋值、数据采集、数据文件、数据库文件和数据库接口六种方式完成。 2)数据的输出 程序在运行过程中，需要给用户输出必要的运行提示和中间结果；在运行结束时，需要给用户输出最后的计

31、算结果。输出形式可以是文本行、表格或者消息框等。2 常用的数据排序算法和查找算法 计算机辅助设计中存在大量的数据，要在浩如烟海的数据中准确及时地查找出需要的数据，首先应该对数据进行按规律储存和排列，再查找所需要的数据。(1)数据的排序算法 数据的排序就是将一个数据序列中的各个元素根据某个给出的关键值进行从大到小(称为降序)或从小到大(称为升序)排列的过程。排序将改变数据序列中各元素的先后顺序，使之按升序或降序排列。 常用的排序算法主要有：冒泡法、选择法排序、插入排序、桶排序以及快速排序等 1）冒泡法 冒泡法的基本思想：把数据序列中的各相邻数据进行两两比较，当发现任何一对数据间不符合要求的升序或

32、降序关系则调换它们的顺序，保证相邻数据间符合升序或降序的排列关系。 2）选择法排序 选择排序的基本思想是把数据序列化分成两个子序列，一个子序列中是已经排好序的数据，另一个子序列中是尚未排序的数据；程序开始时有序子列为空，而无序子列包含了全体数据；从无序子列中选择一个合适的数据，放置于有序子列中，不断将无序子列中的数据按照排序要求放置于有序子列内，重复这个选择过程，使得有序子列不断增长而无序子列不断减少，最终无序子列减少为空，所有数据都在有序子列中按要求的顺序排列，整个排序的操作也就完成了。 3）插入排序 插入排序同样是把待排序的数据列划分成有序子列和无序子列两部分，程序开始时有序子列为空而无序

33、子列包含了全部数据。与选择排序不同的是插入排序不是从无序子列中选择一个合适的数据放到有序子列的固定位置，而是把无序子列中的固定位置的数据插入到有序子列的合适位置中，使得插入这个数据滞后的有序子列仍然能保持有序。 4）快速排序 快速排序的主要原理是先选定一个标志值，对数组进行粗排序，大于这个标志的排在左边，大于这个数的排在右边，再对两边进行粗排序，一直到每个数都被排序。 3 常用的查找算法 数据的查找过程就是计算机利用给出的关键值，在一个数据集合或数据序列中找出与关键值匹配的一个或一组数据的过程。 常用的查找算法有线性查找法、折半查找法等。 （1）人工查找法 通过人机对话方式对所需的数据进行查找

34、。这种方法适用于计算机自动处理较为困难或需要用户参与的场合。 （2）线性查找法 按顺序逐个扫描数据表的每一项，直到查找到所要求的数据为止。 （3）折半查找法 当数据表的记录按升序排列时，首先找到位于数据表中数据中间值，将表的中间值M与待查找的值x相比较：如果xM，则x位于表的后半区域。 （4）其他查找法 对有规律分布数表中数据的查找，线性查找法和折半查找法显得比较繁琐，因为查找都必须从开头或中间开始查找。 数据的插值 插值法的基本思想是在插值点附近根据需要选取合适的节点个数，通过这些节点构造一个简单函数；在所确定的区域用代替原来的函数；插值点的函数值由的值来代替。因此，插值的关键问题就是如何构

35、造一个既简单又能够满足精度的函数来代替原来的函数。 常用的数据插值方法有：线性插值、抛物线插值和拉格朗日（Lagrange）插值等。 （1）线性插值 线性插值就是在插值点前后选取两节点来，利用节点已知的坐标值构造一个线性函数代替原来的函数。 （2）抛物线插值 为了尽可能减少误差，则需要尽量多的节点信息，抛物线插值既采用了三个节点的信息构造一抛物线函数代替原来的函数。 （3）拉格朗日（Lagrange）插值 利用所有节点信息来构造插值函数，所构造的函数能够尽量多地反映原函数的性质，利用所有节点信息构造插值函数的方法则称为拉格朗日（Lagrange）插值。 5 曲线拟合 建立一个能近似表达列表函数

36、或曲线函数变化规律和关系的公式，这个过程称为公式拟合或曲线拟合。 常用的曲线拟合方法有最小二乘法、代数多项式等，最小二乘法是最简单、最常用的曲线拟合方法。 第5章 计算机辅助工艺设计基本内容 1计算机辅助工艺设计的概念 （1）CAPP的发展和趋势 （2）CAPP的基本类型 1）检索式CAPP系统 2）派生式CAPP系统 3）创成式CAPP系统 4）半创成式CAPP系统 5）智能型CAPP系统 （3）CAPP系统的基本构成 2计算机辅助工艺设计的步骤 （1）零件信息包含的内容及描述方法 （2）计算机辅助工艺设计的步骤 3派生式CAPP系统 （1）成组技术概述 （2）成组技术的核心技术 （3）零件

37、的分组方法 4创成式CAPP系统 （1）创成式CAPP系统的构成及工作原理 （2）创成式CAPP系统的工艺决策 （3）创成式CAPP系统工艺决策的过程 5智能型CAPP系统 （1）人工智能技术 （2）专家系统的基本构成 （3）知识表示及推理 6 其它CAPP系统的简介 （1）半创成式CAPP系统 （2）网络式CAPP系统 1 计算机辅助工艺设计的概念 CAPP是利用计算机技术辅助工艺师完成零件从毛坯到成品的设计和制造过程，是将产品的设计信息转换为制造信息的一种技术。 CAPP是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线

38、和工序内容的过程。与传统的工艺设计方法相比，CAPP技术具有自身突出的优势。（1）CAPP的发展和趋势 CAPP的研究与开发始于上世纪60年代末，1969年挪威人推出世界上第一个CAPP系统AUTOPROS。我国自80年代初开始进行CAPP的应用研究，目前，已开发出许多实用CAPP系统。 90年代以来，随着网络、数据库、面向对象方法、分布计算、系统集成等计算机相关技术的飞速发展，企业对CAPP提出了更高的要求。 随着CAD、CAPP、CAM技术的日益成熟，促进CAPP系统向智能化、集成化和实用化方向发展。 （2）CAPP的基本类型 按工作原理CAPP的基本类型可分为5种： 检索式CAPP系统；

39、 派生式CAPP系统； 创成式CAPP系统； 半创成式CAPP系统； 智能型CAPP系统。1）检索式CAPP系统 检索式CAPP系统不需要进行零件编码，只需要将各类零件的工艺规程输入计算机，对已建立的工艺规程进行管理即可。如果需要编制新零件的工艺规程，则可将同类零件的工艺规程调出并进行修改即可。 2）派生式CAPP系统 派生式CAPP系统是建立在成组技术基础上的CAPP系统。根据成组技术将各种零件分类归组，形成零件族；对零件族构造一个并不存在但包含该组中所有零件特征的零件为标准样件,再编制标准工艺规程，将该标准工艺规程存放在数据库中。使用时先输入该零件的成组技术代码或输入零件信息，由系统自动检

40、索出该零件族的标准工艺规程，再根据零件的结构形状特点和尺寸及公差进行修改编辑，最后得到所需的工艺规程。 3）创成式CAPP系统 创成式CAPP系统它有一个收集工艺数据的数据库和一个存贮工艺专家知识的知识库。当输入零件的有关信息后，系统可以模仿工艺专家，应用各种工艺决策规则，自动生成该零件的工艺规程。4）半创成式CAPP系统 半创成式CAPP系统是派生式和创出式CAPP的综合，它是在派生式CAPP的基础上，增加若干创成功能而形成的系统。5）智能型CAPP系统 智能型CAPP系统是将人工智能技术应用在CAPP系统中所形成的CAPP专家系统。智能型CAPP及创成型CAPP系统都可自动地生成工艺规程。

41、智能型CAPP系统以推理加知识为其特征。 2 计算机辅助工艺设计的步骤 （1）零件信息包含的内容及描述方法 零件输入的信息应包括：零件的几何信息和零件的工艺信息。 现有的零件信息描述有多种不同的方法，如：零件分类编码法、零件特征描述法、零件表面描述法、知识表示描述等。 零件分类编码法：零件分类编码法是基于成组技术原理。零件分类编码法采用的是有序排列的字符数字描述零件的信息。零件特征描述法：零件的信息可以视为由不同的基本特征构成，将这些特征按照系统的要求顺序输入，计算机就可以获得所需要的零件特征信息，计算机再根据零件的各项体征信息在工艺知识库和数据库中寻找对于得加工方法和工艺规则进行比较、匹配、

42、决策，最后制定出零件的加工工艺。零件表面描述法：零件表面描述法中的零件被看成是由若干表面构成，在描述零件的几何信息和工艺信息时，通过描述构成零件的各表面来实现，不同的表面采用不同的一组参数描述，它也对应了不同的加工方法和工艺要求。知识表示描述法：将零件的信息用人工智能的知识的表示方法来描述，比如，采用人工智能的框架表示法、谓词逻辑表示法、产生式规则法等知识表示方法来描饰零件信息。（2）计算机辅助工艺设计的步骤 零件信息输入； 工艺路线和工序内容的拟定； 加工设备和工艺装备的确定； 工艺参数计算； 输出工艺文件。 3 派生式CAPP系统 （1）成组技术概述 成组技术是将相似原理运用于生产、管理中

43、的一门技术。成组技术的理论基础是相似性，核心是成组工艺。成组工艺与计算机技术、数控技术、相似论、方法论、系统论等相结合，就形成了成组技术。 （2）成组技术的核心技术 1）零件的相似性 成组技术的理论基础是“相似性原理”，利用零件的相似性，将相似问题归类成组以便提出最佳解决方案。 机械零件大致可分为三类：复杂件或特殊件、相似件、标准件。 2）成组技术的分类编码系统 成组技术的关键是按照一定的规则进行分类编码,实现产品的数字化表示，有三种基本编码结构：层次结构、链式结构、混合结构。（3）零件的分组方法 按编码系统将零件编码后进行分组，即采用不同的相似性标准，将零件划分为具有不同属性的零件族。目前应

44、用的零件分组方法主要有：视检法、特征指标逐项比较法和编码分类法等分组方法。 4 创成式CAPP系统 创成式CAPP系统根据输入的零件信息可以自动地为新零件制定出工艺规程。系统模拟人工制定零件工艺规程时采用的推理决策方法，依靠系统的计算、决策过程自动生成零件的工艺规程。（1）创成式CAPP系统的构成及工作原理 创成式CAPP系统包括：零件信息输入部分、工艺知识/数据库、逻辑决策运算程序部分、零件工艺生成输出部分。逻辑决策运算部分是创成式CAPP核心的部分。 创成式CAPP系统是自动生成零件的工艺文件通常按下述步骤进行：1）正确地输入零件的几何信息、工艺信息和加工要求；2）根据零件输入的全部信息，

45、从工艺知识库里调用有关的知识并且进行决策判断、匹配，制定出零件的加工顺序。3）按照零件的加工顺序，从工艺数据库中调用机床、夹具、刀具以及切削等数据进行逻辑决策判断，确定出加工中所需要的数据。 4）生成零件的工艺文件并且输出文件。 （2）创成式CAPP系统的工艺决策 创成式CAPP系统结构决策逻辑部分是系统程序的最核心的部位，工艺决策的常用方法就是决策树和决策表。 决策表：就是采用表格表达的方式表示一组工艺逻辑关系，方便使用计算机语言来表达该逻辑决策的方法。决策表包含四个部分，四个部分分别用双线分隔开，上半部分表示的是条件，下边部分表示的是决策判断后得到的结果。 决策树：决策树也是常用的工艺逻辑

46、设计工具，是运用在工艺决策中的一种树状数据结构。 决策树由结点和分支组成。根节点没有前驱结点、终结点没有后驱结点，其它的结点都具有一个前趋结点和一个后趋结点，结点表示一次测试或一个动作。连接两结点的是分支，分支上的数值表示向一种状态或动作转换的可能性和条件，条件满足则沿分支到下一结点；条件不满足则转向另一支分支。 （3）创成式CAPP系统工艺决策的过程 创成式CAPP系统中工艺决策过程包括了： 加工方法的选择; 工艺路线的生成; 工序设计。 5 智能型CAPP系统 随着计算机技术的发展，人们将人工智能技术引入CAPP系统，使用专家系统来解决工艺设计中存在的遗憾，从而形成工艺设计专家系统或者智能

47、CAPP系统。 (1)人工智能技术 人工智能AI（Artificial Intelligence）主要运用知识进行问题求解。它以知识为对象，研究知识的表示、知识的运用和知识获取。 专家系统（Expert System）是人工智能的一个分支，它是一个智能的计算机程序，即运用知识和推理步骤来解决只有专家才能解决的复杂问题。（2）专家系统的基本构成 专家系统是知识+推理=专家系统，它以知识库KB（Knowledge Base）和推理机IE（Inference Engine）为主体，再加入知识获取、解释系统、人机交互界面等功能模块，即构成专家系统的基本结构。 （3）知识表示及推理 在人工智能领域内，用

48、于知识表示的方法有许多，常见的知识表示方法有：谓词逻辑表示法、语义网络表示法、产生式规则表示法、框架表示法、状太空间表示法、特征表示法、过程表示法和面向对象表示法等。常用于工艺设计专家系统是产生式规则表示法和框架表示法。 1）产生式规则表示法 产生式规则表示法中就是将知识表示为规则的集合，每条规则又是由一组条件和一组结论两部组成，当某些条件满足时，就可以得到对应的结论（或动作）。在CAPP系统中产生式规则表示工艺专家的知识方式就是将工艺知识表示成“如果条件成立，则结论”的格式。 产生式系统包含事实库、规则库和推理机三个部分。 2）框架表示法 框架表示法是一种结构化表示方法。框架通常由事物各个方

49、面的槽和每个槽拥有的若干侧面以及每个侧面拥有的若干个值组成。也就是认为一个框架是由若干个“槽”组成，每一个槽又可分为若干个“侧面”。槽用于描述对象的某一方面属性，侧面用于描述相应属性的一个方面。槽和侧面所具有的属性值分别称为槽值和侧面值。大多数实用系统必须同时使用许多框架，并可把它们联成一个框架系统。 6 其它CAPP系统的简介 （1） 半创成式CAPP系统 半创成型CAPP系统以成组技术为基础，采用检索与自动决策相结合的工作方式自动生成工艺规程。 系统主要由八个模块构成，包括：主程序模块、辅助编码模块、输入和编辑模块、数据准备与工艺路线设计模块、工序设计模块、工序尺寸计算模块、编辑输出模块、

50、数据库维护模块。 （2）网络式CAPP系统 网络化CAPP系统以网络数据库为基础，实现工艺卡片的定制、用户管理和工艺资源管理。在制定新工艺卡片时，可以由系统提供的模板生成，也可以应用成组技术，根据零件结构的相似性，通过检索典型工艺库获得合适的典型工艺并进行编辑修改生成新的工艺卡片。 网络化CAPP系统的结构，服务器端包括：知识库、工艺数据库、企业资源数据库和系统数据库；客户端包括：主控模块、系统管理模块、工艺制定模块和工艺管理模块。第6章 计算机辅助制造技术基本内容 1计算机辅助制造概述 （1）计算机辅助制造的概念 （2）数字化制造 （3）CAM的发展与未来 2 数控技术及数控机床 （1）数控

51、加工 1）数控加工概念 2）数控加工的发展阶段 3）数控未来发展的趋势 （2）数控系统 1）数控系统的概念 2）CNC系统的作用 （3）数控机床 1）数控机床组成和工作原理 2）数控机床的分类 3）数控机床的坐标系及工件坐标系 3 数控编程 （1）数控编程中的基本概念 1）插补原理 2）编程中的特征点 3）刀具补偿 4）数控编程的内容及步骤 （2）数控编程的方法 1）数控编程的方法 2）手工编程（Manual Programming） 3）自动编程 4）编程系统的数控语言 （3）数控编程基本指令 1 计算机辅助制造概述 （1）计算机辅助制造的概念 计算机辅助制造（Computer Aided

52、Manufacturing，CAM）有狭义和广义两个概念。 最初CAM的狭义概念是指从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，包括CAPP、NC编程、工时定额计算、生产计划机资源需求计划制订等。现在CAM的狭义概念缩小为NC编程，即数控加工。 CAM的广义概念包括上述CAM狭义定义的所有内容外，还包括制造活动中与物流有关过程（如加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。 （2）数字化制造 数字化制造是用数字化定量、表述、存储、处理和控制产品生产的方法，支持产品全生命周期和企业的全局优化运作，它是CAD/CAM/CAE集成化技术，是以MRP、MIS、PDM为主体的制造信息支持系统。数字

53、化制造使CAM技术得到更为广泛的应用，数控机床就是计算机辅助制造与数字化制造的应用典型。数字化制造时代的到来是社会经济和科学技术发展的必然结果。 （2）数字化制造 数字化制造是用数字化定量、表述、存储、处理和控制产品生产的方法，支持产品全生命周期和企业的全局优化运作，它是CAD/CAM/CAE集成化技术，是以MRP、MIS、PDM为主体的制造信息支持系统。数字化制造使CAM技术得到更为广泛的应用，数控机床就是计算机辅助制造与数字化制造的应用典型。数字化制造时代的到来是社会经济和科学技术发展的必然结果。 （3）CAM的发展与未来 CAM作为整个集成系统的重要一环，向上与CAD、CAPP实现无缝集

54、成，向下为数控生产提供方便、快捷、智能、高效的服务。为适应集成化体系的要求，CAM的结构体系与功能构成也必然会发生相应的变化。 CAM主要分为两个发展阶段，即两代产品。第一代CAM：APT；第二代CAM：曲面CAM系统。新一代CAM系统将采用面向对象、面向工艺特征的基本处理方式，使系统的自动化水平、智能化程度大大提高。系统结构将独立于CAD、CAPP系统而存在，为CAPP的发展留下空间，更符合网络集成化的要求。 2 数控技术及数控机床（1）数控加工概念 数控加工（Numerical control machine）是一种自动化加工技术,包括了计算机技术、自动控制技术以及电气传动、测量、监控和机

55、械制造等学科的内容。也有人定义数控加工的概念是泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。 数控机床中控制系统是其核心系统，数控机床的一切运动、动作都受控于控制系统的指挥，数控系统的发展到现在而言已经历了两个阶段。 （2）数控系统 1）数控系统的概念 数控系统的发展是随着电子技术的发展而得到较大的发展，数控系统是从早期的硬件式数控系统（NC系统）到软件式的数控系统（CNC系统），两种数控系统在组成、结构以及使用方面都存在着差异。 硬件式数控系统（NC系统）是早期数控系统。在此系统的数控装置中，输入、译码、插补运算、输出等控制功能均由专门设计的硬件联接的逻辑电路来实现。 软件式数控系统（CNC系统）

56、由大规模及超大规模集成电路组成。在此装置中，采用小型机或微机作为控制单元，CNC系统数字信息功能主要由软件来实现，并且可以处理数字逻辑电路难以处理的复杂信息。对于不同的系统，只需编制不同的软件就可以实现不同的控制功能，而硬件几乎可以通用。 2）CNC系统的作用 CNC装置工作时是在硬件系统的支持下执行软件的全过程。 CNC系统工作时需要具备以下功能：程序输入、译码、刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、开关量处理、显示和诊断。 （3）数控机床 1）数控机床组成和工作原理 数控机床组成： 程序载体； 输入装置； 数控装置； 强电控制装置； 伺服控制装置； 机床。 数控机床的工作原理： 数控机床

57、就是把对机床的各种控制、操作要求、动行尺寸等，用数字和文字编码的形式表示出来，再通过信息载体（如穿孔纸带）送给专用电子计算机或数控装置，经过计算机的变换处理，发出各种指令，控制机床按照预先要求的操作顺序依次动作，自动地进行加工。 （2）数控机床的分类 数控机床常用的分类方法有： 按运动轨迹分类； 按机床的加工方法分类； 按进给伺服控制系统分类。 按运动轨迹分类：点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制数控机床。 按加工方法及用途分类：金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、特种加工数控机床、其它类型数控机床。 按伺服控制系统分类：开环控制数控机床、闭环控制数控机床、半闭环控制数控机床。 3

58、）数控机床的坐标系及工件坐标系 数控机床坐标系：数控机床的坐标系采用笛卡尔直角坐标系，满足右手法则，各坐标轴与机床的主要导轨平行，在编制工件加工程序时规定以工件为基准，假定工件静止不动，刀具作相对工件的运动原则。 对于数控机床的坐标系在ISO和EIA标准中规定直线进给运动的直角坐标系，称为基本坐标系。x、y、z坐标轴的相互关系用右手定则决定。围绕x、y、z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A、B、C表示。 工件坐标系：是为了确定工件上各结构形状等几何元素的位置建立在工件上的坐标系。工件坐标系又称为编程坐标系，也是在编程过程中定义工件的几何形状以及刀具相对工件运动的坐标系。工件坐标系也采用右手笛卡尔坐

59、标系。工件坐标系的原点称为工件原点或编程原点，由编程人员确定位置。 绝对坐标：如果刀具运动位置的坐标值是相对固定的坐标原点给出，则称为绝对坐标。该坐标系称为绝对坐标系。 相对坐标：如果刀具运动位置的坐标值是相对前一位置点确定的距离，不是相对固定的坐标原点给出，则称为相对坐标。该坐标系称为相对坐标系。 3 数控编程 （1）数控编程中的基本概念 1）插补原理 插补：数控机床在进行程序加工中，给出的是加工运动的起点和终点坐标值，数控系统根据运动轨迹等信息，实时计算出起点和终点间运动轨迹上的各个点的坐标，这个过程称为插补。 插补原理：插补的过程就是在起点和终点之间将数据密集化。在数控系统中，常用的插补

60、方法有逐点比较法、数字积分法和比较积分法等。 常见的如：直线插补、圆弧插补。 2）编程中的特征点 机床原点：就是机床坐标系的坐标原点，并且是其它所有坐标以及机床参考点的基准点。对具体的某一机床来说是固定的点。 机床参考点：机床参考点的位置是由厂家在每个进给轴上用限位开关调整好的，其坐标值也输入数控系统中，参考点相对机床原点的坐标是已知的确定的值。 工件原点：工件坐标系是编程人员在编程时使用的，由编程人员以工件图样上的某一固定点为原点建立的的坐标系，该坐标系的原点称为工件原点，编程尺寸都按工件坐标系中的尺寸确定。工件原点一般也是编程原点。 对刀点：就是在数控加工时，刀具相对工件运动的起点。对刀点